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Optisch-interferometrische Teilvorrichtung Die Erfindung betrifft
eine optisch-interferometrische Teilvorrichtung, bei der der mit der Teilung zu
versehende Gegenstand sowie ein Reflektor des Teilungsinterferometers auf einem
längs einer Geradführung einer Grundplatte verschiebbaren Schlitten befestigt ist,
während die übrigen optischen Teile des Teilungsinterferometers sowie das Anreiß-bzw.
Liniergerät auf der Grundplatte stationär angeordnet sind, und die Schlittenvorschubbewegung
in Abhängigkeit von einer am Ausgang des Teilungsinterferometers vorgesehenen fotoelektrischen
Überwachung der Interferenzstreifen gesteuert wird, wobei die gesamte Teilvorrichtung
in einem luftdicht abgeschlossenen Behälter untergebracht ist.
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Teilvorrichtungen der genannten Art sind bereits bekannt, wobei durch
die Anordnung der Teilvorrichtungen als Ganzes in einem luftdicht abgeschlossenen
Behälter der Einfluß von Druckänderungen od. dgl. auf die Wellenlänge des für das
lnterferometer verwendeten monochromatischen Lichtes verhindert werden soll.
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Die bekannten optisch-interferometrischen Teilvorrichtungen haben
mit den auf rein mechanischer Grundlage arbeitenden Teilvorrichtungen den grundsätzlichen
Nachteil gemeinsam, daß sich Temperaturänderungen des mit der Teilung zu versehenden
Gegenstandes infolge von änderungen der Umgebungstemperatur während des Teilungsvorganges
in Fehler und Schwankungen der Abstände der Teilstriche auswirken, wobei sich Temperaturschwankungen
während des Teilungsvorganges in zweifacher Weise ungünstig auswirken, da sich einmal
wechselnde Anderungen der Teilstrichabstände, z. B. Schwankungen der Gitterkonstanten
bei der Herstellung optischer Gitter ergeben und außerdem, auf eine ganze Teilstrichgruppe
gesehen, noch ein Summationseffekt hinzukommt, derart, daß die Abweichungen der
einzelnen Teilstrichabstände sich über die Teilstrichgruppe hin summieren und so
über die Länge der gesamten Teilstrichgruppe ein erheblicher Fehler entstehen kann.
Dadurch können selbst kleinere Temperaturschwankungen, wie sie auch bei einer Klimatisierung
noch auftreten, erhebliche störende Fehler hervorrufen, ganz abgesehen davon, daß
die genaue Konstanthaltung der Temperatur einen erheblichen Aufwand bedingt.
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Außer diesen durch Temperaturänderungen des mit der Teilung zu versehenden
Gegenstandes bedingten Schwierigkeiten können bei den mit optischinterferometrischer
Überwachung arbeitenden Teilvorrichtungen noch weitere Fehler dadurch zustande kommen,
daß auch die die Wellenlänge des für das
Interferometer verwendeten monochromatischen
Lichtes beeinflussenden Parameter, wie Luftdruck, Wasserdampfdruck, Kohlensäuregehalt
und Temperatur, Schwankungen unterliegen. Hierzu kommt noch, daß grundsätzlich für
die Abstände zwischen den einzelnen. Teilungslinien oder die Länge einer ganzen
Teilungsgruppe nicht jeder beliebige Wert vorgeschrieben werden kann, sondern nur
solche Werte, welche ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des für die
interferometrische Üb erwachung verwendeten monochromatischen Lichtes entsprechen.
Denn bekanntlich gestattet die interferometrische Überwachung nur Einstellung entweder
auf maximale Helligkeit (Mitte der hellen Streifen) oder minimale Helligkeit (Mitte
der dunklen Streifen), wobei der Abstand zwischen Maximum und Minimum eben einer
halben Wellenlänge entspricht. Außerdem besitzen die als Interferometer-Monochromat-Strahlung
verfügbaren Linien meistens solche Wellenlängenwerte, daß beispielsweise auf Teilungsabstände
des metrischen Systems (1 mm oder 0,1 mm) keine ganze Anzahl von Wellenlängen oder
Halbwellenlängen entfallen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optisch-interferometrische
Teilvorrichtung zu schaffen, bei welcher ohne großen apparativen Aufwand die einzelnen
Teilstriche genau gleiche Abstände aufweisen, unabhängig von kleineren Schwankungen
der
Temperatur bzw. der die Wellenlänge des Interferometer-Monochromat-Lichtes beeinflussenden
Parameter, wobei der Teilungsabstand bei einer vorgegebenen Temperatur (beispielsweise
203 C) des mit der Teilung zu versehenden Gegenstandes einen beliebigen Wert, z.
B. des metrischen Systems (1 mm oder 0,1 mm) haben soll, wie es insbesondere für
die Herstellung von Normalmaßstäben interessiert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem luftdicht
abgeschlossenen Behälter zusätzlich ein weiteres Interferometer angeordnet ist,
das eine auf dem verschiebbaren Schlitten in der Nähe des mit der Teilung zu versehenden
Gegenstandes befestigte Interferenzstandardeinheit aufweist, deren beide Refiektoren
durch einen Abstandshalter in vorgegebenem Abstand voneinander gehalten werden und
der Abstandshalter aus einem Material mit dem gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
wie der mit der Teilung zu versehende Gegenstand besteht, und daß durch das Ausgang
signal eines am Ausgang des zweiten Interferometers angeordneten fotoelektrischen
Detektors zur Überwachung der Lage und Ordnung des Interferenzstreifensystems des
zweiten Interferometers eine Steuervorrichtung zur ständigen Regelung des Luftdrucks
in dem Behälter betätigt wird, derart, daß die Lage und Ordnung des Interferenzstreifensystems
des zweiten Interferometers während des gesamten Teilungsvorganges stets konstant
ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das erste
Teilungsinterferometer als Michelson- oder als Fizeau-Interferometer und das die
Interferenzstandardeinheit enthaltende zweite Interferometer als Fabry-Perot-Interferometer
ausgebildet ist.
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Um also eine Veränderlichkeit der Wellenlänge der für die beiden
Interferometer verwendeten Monochromatstrahlung in Abhängigkeit vom Luftdruck (und
damit Brechungsindex der Luft) in dem geschlossenen Behälter zu vermeiden, wird
von einer automatischen Selbstregelung der gesamten Teilungsvorrichtung Gebrauch
gemacht, und zwar bezüglich sämtlicher möglichen Fehlerursachen, wie Änderung der
Temperatur des mit der Teilung zu versehenden Gegenstandes bzw. Änderungen der Umgebungstemperatur,
des Luftdrucks, des Wasserdampfes und des Kohlensäuregehaltes in dem geschlossenen
Behälter. Dies wird in einfacher Weise dadurch erreicht, daß jede Störung eines
Parameters, welche eine Längenänderung des mit der Teilung zu versehenden Gegenstandes
hervorruft, auf interferometrischem Wege durch das zweite Interferometer überwacht
und festgestellt wird und durch eine von diesem zweiten Interferometer automatisch
gesteuerte Luftdruckänderung im Behälter so kompensiert wird, daß die Teilstriche
bei der vorgegebenen Temperatur den gewünschten Abstand besitzen.
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Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, daß für die Teilstrichintervalle
bzw. die Länge ganzer Teilstrichgruppen grundsätzlich jeder beliebige Wert, insbesondere
auch Werte des metrischen Systems (z. B.
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1 mm oder 0,1 mm), für eine bestimmte vorgegebene Temperatur vorgeschrieben
werden können. Wird beispielsweise für die interferometrische Steuerung der Schlittenvorschubbewegung
die Kryptonlinie mit der Wellenlänge 0,56495902 F verwendet, so entspräche dieser
Wellenlänge eine Anzahl von
3540,07977 Änderungen im Ausgang des ersten Interferometers,
so daß z.B. auf 1 mm Teilungsabstand keine ganze Zahl von Interferenzänderungen
(Streifendurchgängen), sondern komplizierte Dezimalbrüche von Streifendurchgängen
fallen würde. Da aber solche Dezimalbrüche bei den bekannten Anordnungen im Ausgang
des Interferometers grundsätzlich nicht verarbeitet werden können, sondern nur jeweils
ganze Änderungen der Interferenz um eine Ordnung gezählt werden, ist die Vorgabe
eines gewünschten beliebigen Wertes bei den bekannten Anordnungen nicht möglich.
Dagegen kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Wellenlänge durch entsprechende
Luftdruckänderung so geändert werden, daß gerade eine ganze Anzahl von Streifendurchgängen,
beispielsweise 3540 Durchgänge auf 1 mm entfallen.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird also mit verhältnismäßig
geringem Aufwand, insbesondere unter Verzicht auf hochkomplizierte Regelanlagen
zur extremen Konstanthaltung der Temperatur, erreicht, daß unabhängig von dem Temperaturverhalten
bzw. dem Verhalten weiterer Parameter während des Arbeitsvorganges die Teilungsstriche
so aufgebracht werden, daß sie bei einer vorgegebenen Temperatur Abstände einer
genau vorgegebenen Größe besitzen, so daß entsprechend auch die Dimension einer
ganzen Teilstrichgruppe einen. genau vorgegebenen Wert aufweist.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
veranschaulicht. Es zeigt F i g. 1 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung,
F i g. 2 eine Ansicht der Standard-Interferenz-Einheit sowie Interferenzstreifen.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Gesamtanordnung sind auf einer feststehenden
Grundplatte 30 die optischen Teile eines Teilungsinterferometers und einer Interferenz-Standard-Einheit
fest angeordnet, während ein beweglicher Schlitten 29 auf der Grundplatte 30 mittels
einer Obeliskgeradführung geradlinig verschiebbar ist. Die gesamte Anordnung ist
in einem geschlossenen Behälter 31 untergebracht, und das von einer außerhalb des
Behälters 31 angeordneten Kr.-86-Lichtquelle 1 kommende Licht wird mittels einer
Kondensorlinse 2 auf einen Spalt 3 fokussiert und nach Bildung eines Parallelstrahllichtbündels
in dem Kollimator 4 durch das erste Dispersionsprisma 5 dispergiert. Das austretende
Lichtbündel wird an einer als Trennplatte wirkenden halbdurchlässigen Planlinse
6 in zwei Lichtbündel geteilt, die sodann je auf einen Planspiegel 7 bzw. 8 treffen
und von diesen in Richtung auf einen auf dem beweglichen Schlitten 29 angeordneten
Reflektor 9 bzw. einen auf der Grundplatte fest angeordneten Reflektor 10 geworfen
werden. Die in sich zurücklaufenden Lichtbündel werden abermals an den Spiegeln
8 bzw. 7 reflektiert und sodann durch die halbdurchlässige Planlinse 6 mittels Überlagerung
zur Interferenz gebracht. Das in Richtung auf ein zweites, doppelt dispergierendes
Prisma 11 austretende Interferenzlichtbündel wird hier abermals dispergiert und
fällt sodann durch einen im Brennpunkt einer Linse 12 angeordneten Spalt 13 auf
eine Photozelle 14. Die Größe der Spalte 3 und 13 ist so gewählt, daß nur eine monochromatische
Lichtstrahlung in die Photozelle 14 gelangt. Die auf die Reflektoren 9 und 10 einfallenden
Strahlbündel verlaufen parallel zueinander und auch parallel zur Richtung der Vorschubbewegung
des Schlittens 29.
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Auf dem beweglichen Schlitten 29 ist außer dem Reflektor 9 auch der
mit der Teilung bzw. Gradierung zu versehende Gegenstand28 punktförmig gelagert
und so angeordnet, daß seine Teilungsfiäche mit einer durch den Eckpunkt des prismatischen
Reflektors 9 parallel zur Lichteinfallsrichtung laufenden Geraden übereinstimmt.
Auf der Grundplatte 30 ist das Gradier- bzw. Reißgerät 27 mit seiner Antriebsvorrichtung
26 angeordnet, wobei die Befestigungsstellung des Gradiergeräts 27 so gewählt ist,
daß die Entfernung zwischen der Stelle, an welcher die Teilung aufgebracht wird,
und dem Befestigungspunkt des mit der Teilung zu versehenden Gegenstandes 28 mit
der von den prismatischen Reflektoren 9 und 10 aus entgegen der Einfallsrichtung
des Lichts bis zu der Oberfläche des Strahlenteilers 6 gemessenen Länge 1 übereinstimmt.
Erfindungsgemäß ist auf dem beweglichen Schlitten 29 noch eine Interferenz-Standard-Einheit
19 in der Nähe des mit der Teilung zu versehenden Gegenstands 28 angeordnet, derart,
daß sie stets die gleiche Temperatur wie der Gegenstand 28 besitzt.
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Das Licht einer außerhalb des Behälters 31 angeordneten HG 198-Lampe
15 wird durch eine Kondensorlinse 16 auf einen Spalt 17 fokussiert und sodann durch
eine Kollimatorlinse 18, in deren Brennpunkt der Spalt 17 angeordnet ist, parallelisiert,
und in die Interferenzeinheit 19 geworfen. Das hier zur Interferenz gebrachte Licht
wird durch die Linse 20 konvergent gemacht, derart, daß auf dem Spalt 21 vor oder
hinter dem Brennpunkt Interferenzstreifen auftreten. Der Parallelbündellichtstrom
durch die Interferenz-Standard-Einheit 19 ist gleich dem in den prismatischen Reflektor
10 eintretenden Parallelbündellichtstrom gewählt.
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Der Aufbau der Interferenz-Standard-Einheit 19 ergibt sich aus Fig.
2. Ein Abstandsstück 37 von gleichem Ausdehnungskoeffizienten wie der zu teilende
Gegenstand 28 weist zwei geläppte im wesentlichen parallele Flächen auf, die miteinander
einen infinitesimalen Winkel in der aus F i g. 2 ersichtlichen Richtung bilden.
Zwei Flächen 35 und 36 aus optisch flachem, halbdurchlässigem Film sind an die geläppte
Oberfläche des Abstandsstücks 37 fest haftend angepreßt. Die in dieser Weise aufgebaute
Interferenz-Standard-Einheit 19 ist parallel und geradlinig gegenüber den Interferenzstreifen
38 (F i g. 2).
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Das die Länge L der Interferenz-Standard-Einheit 19 durchsetzende
Licht tritt durch die Mitte des Spaltes 21 aus und wird durch das Prisma 22 geteilt,
so daß zwei Strahlbündel auf zwei Photozellen 23 bzw.
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24 geworfen werden. Befindet sich nun die Luft innerhalb des geschlossenen
Behälters 31 im Normalzustand, so zeigt die elektrische Ausgangsgröße der Photozelle
14 für jede einer halben Wellenlänge entsprechende Verschiebung des Schlittens 29
eine Sinderung um eine Sinusperiode. Für die Kryptonstrahlung der Lichtwelle 1 mit
Wellenlänge 0,56795902 W beträgt die Anzahl der Änderungen, die auf 1 mm entfällt,
daher 3540,07977. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Wellenlänge durch Einstellung
des Luftdrucks im Sinne einer Vereinfachung dieser Zahl geändert.
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Soll beispielsweise die vorgegebene Temperatur 200 C betragen und
sollen Teilstriche auf dem Gegenstand 28 mit einem Intervall von 1 mm gezogen werden,
so wird die LängeL der Interferenz-Standard-Einheit 19 zu 86,6015 mm gewählt, so
daß lediglich der Luftdruck wie die LängeL geregelt zu werden
braucht, um stets sich
überlappende Interferenzstreifen von fünf Spektrallinien der HG 198-Lampe 15 zu
erhalten. Unter diesen Bedingungen sind die Ausgangsgrößen der Photozellen 23 und
24 gleich groß.
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Wenn nun ein Unterschied in den Ausgangsgrößen der Photozellen 23
und 24 festgestellt wird so betätigt die Steuerschaltung 25 eine Druckregelvorrichtung
32, bis die Ausgangsströme der Photozellen 23 und 24 keinen Unterschied mehr zeigen.
Der bewegliche Schlitten 29 wird durch eine Antriebsvorrichtung 34 in Abhängigkeit
von einer Zählvorrichtung 33 weiterbewegt, die von der Photozelle 14 beaufschlagt
wird und gleichzeitig auch entsprechend die Reißvorrichtung 26, 27 betätigt.
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Tritt beispielsweise eine Änderung der Temperatur des mit der Teilung
zu versehenden Gegenstandes ein, so ändert sich dementsprechend auch die LängeL
der Interferenz-Standard-Einheit 19, was eine Verschiebung des Interferenzstreifensystems
am Ausgang zur Folge hat. Wenn nun erfindungsgemäß der Luftdruck in dem Behälter
so gesteuert wird, daß eine derartige Änderung des Interferenzstreifensystems wieder
rückgängig gemacht wird, so wird über diese Luftdruckänderung gleichzeitig auch
die Wellenlänge des für das erste, den Schlittenvorschub steuernden Interferometers
verwendeten Monochromatlichts mit verändert, und zwar in gleicher Weise.
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Dies hat zur Folge, daß der Schlittenvorschub, den nunmehr veränderten
Bedingungen angepaßt, ebenfalls verändert so erfolgt, daß die Teilstriche in einem
entsprechenden veränderten Abstand aufgebracht werden, derart, daß sie für die vorgegebene
Temperatur (beispielsweise 200 C) den gewünschten vorgegebenen Wert besitzen.
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Da das Verhältnis der Änderung des Brechungsindex in Abhängigkeit
von der Luftdruckänderung in den für die interferometrische Überwachung in Frage
kommenden Wellenlängenbereichen von der Wellenlänge praktisch unabhängig ist, ist
die erfindungsgemäße Anordnung nicht daran gebunden, daß bei den beiden verwendeten
Interferometer Strahlung ein und derselben Wellenlänge verwendet wird, vielmehr
kann für die beiden Interferometer auch verschiedene Strahlung verwendet werden,
so beispielsweise für das erste Interferometer eine Kryptonlinie und für das zweite
Interferometer eine Quecksilberlinie.