DE1548250A1 - Interferometrisches Messsystem - Google Patents

Description

Mt Erfindung btaitbt sieb allgemein auf Meßinstruxente und insbesondere auf ein interferosetriscbes Meßsyetem, welches ein Tereinfacbtes optisches System in Kombination mit einer Laser-Liobtquelle aufweist»

Wie in der früheren Teohnik bekannt ist, mißt ein Inttrferometer eine Strecke durch auf Aufspalten eintretenden Lichtes Ton der gleichen aussendenden Lichtquelle in swei Strahlen, wob·! ein feststehender Längenbesugsstrahl und ein variabler Längenmeßstrabl vorbanden ist. Eintretendes Liebt wurde durch einen optischen Teiler in swei gespaltene Strahlen gespalten und nachfolgend wieder kombiniert· um Interferenistreifcn su bilden.

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In früheren Interferoaetera wurden jedoch sowohl dir

Bezugsstrahl als der MeBstrahl unabhängi| über kolniidente Laufwege zurückgeführt» wobei die diesbezüglichen Ausgangsstrahlen vorher wieder kombiniert werden, um Interferenzstreifen zu erzeugen.

Gemäß der Erfindung enthält ein Interferometer ein prismatisches Element, welches einen teilweise lichtübertragenden Strahlepalter hat, der wirksam ist, einen ein» tretenden Lichtstrahl in zwei divergierende opaltstrahlen zu teilen, die einen Bezugestrahl und einen variablen Längenmeßstrahl umfassen, einen relativ bewegbaren prismatisohen Reflektor, der geeignet ist, den Meßstrahl aus dem Strahlspalter aufzunehmen, und geeignet ist, reflektierend einen im Abstand angeordneten getrennten Parallelstrahl gegen das prismatische element zurückzuführen, einen anderen durch das prismatische Element getragenen Reflektor, der so eingestellt ist, um den reflektierend zurückgeführten Meßstrabl von dem prismatischen Reflektor aufzunehmen und wirksam ist, den zurückgeführten Strahl reflektiv gegen den Strahlspalter zurückzurichten, um ihn mit dem Bezugsstrahl zu kombinieren, um Interferenzstreifenmuster zu erzeugen, und eine durch die Interferenzstreifenmuster betätigte Zählvorrichtung.

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Die Torhergehenden und andere Zwecke der Erfindung, die Tollständiger aus der nachfolgenden Einzelbeschreibung τοπ beispielsweisen Vorrichtungen hervorgehen, können durch die besondere LängenmeßTorrichtung und Interferometer erzielt werden, die hierin als eine bevorzugte Ausführung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben sind« welche aeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte teilweise Ansicht, teile scheaatiech und teils in Seitenaufriß einer Maschine, welche ein verbessertes interferometrisches längenmeßinstrument enthält,

Fig. 2 eine Tergrößerte i-inzelansicht im Längsschnitt eines Lasers, der eine berorzugte Lichtquelle für das Meßinstrument bildet,

Fig. 3 eine Tergrößerte Ansiebt der Viertelwelle, Phasendifferenzierplatte, die in den rariablen Längenmeßstrahl eingefügt ist,
Fig.3A eine schematische Zeichnung von Tiereckigen Wellen,

die um 90° im Abstand angeordnet sind, Fig. 4 eine Tergrößerte teilweise Einzelansicht des Photodetektors, der auf eines der phasendifferenzierten Streifenmuster der wiederkombinierten Strahlen anspricht,

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Fig. 5 eine vergrößerte teilweise Ansicht eines anderen Photodetektors, der auf die phasendifferenzierten Streifen in der anderen Hälfte des variablen Längenmeßstrahles anspricht,

Fig. 6 eine vergrößerte schematische Darstellung einer abgewandelten Form des Interferometers,

Fig. 7 und 7A vergrößerte, vereinzelte, teilweise Ansichten, die diesbezüglich die Photodetektoren und einen Querschnitt durch die Strahllaufwege des in Fig. dargestellten Interferometers zeigen,

Fig. 8 eine vergrößerte schematische Darstellung einer

anderen abgewandelten Form des Interferometers, wobei ein Pentaprisma benutzt ist,

Fig. 9 und 10 teilweise Einzelansichten, die diesbezüglich die 1hotodetektoren und einen Querschnitt durch den Meßstrahllaufweg des in Fig. 8 dargestellten Interferometers zeigen,

Fig.11 eine schematische Ansicht einer anderen abgewandelten Form der Erfindung und

Fig.12 eine vergrößerte Mnzelansicht einer in Fig. 11 gezeigten iiaske. ·

In den Zeichnungen ist eine Maschine gezeigt, die

äußerst genaue Längenmessungen über einen ausgedehnten

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Laufweg ausführen kann. Die Maschine ist in Fig. 1 in teilweiser Form gezeigt. Wie dort dargestellt ist, enthält die Maschine hauptsächlich einen Tragsockel 15, der mit den üblichen seitlich voneinander im. Abstand angeordneten längsTerlaufenden Bahnoberflächen versehen ist, von denen in Fig. 1 bei 16 nur eine dargestellt ist. Lie im Abstand voneinander angeordneten längsverlaufenden Bahnoberflächen einschließlich 16 können verschiebbar einen »Terkstücktragriach oder Schlitten 17 aur Längß-gleitbewegung tragen. Zur Bewegung des Arbeitstisches 17 längs der Bahnen 16 ist eine herunterhängende Mutter 19 an der Unterseite desselben durch die Kopfschrauben 20 befestigt. Lie Mutter ist so angeordnet, daß sie durch ihr Gewinde mit einer drehbaren Bewegungsspindel 22 in Eingriff steht, die so gelagert ist, daß sie am rechten i.nde in einem nicbtgeieigten Lager und am linken Ende in einem Lager 23 gedreht werden kann, die in dem Sockel 15 abgestützt sind. Zur Drehung der Bewegungsschraube oder -spindel 22 ist daran ein Zahnrad befestigt, welches mit einem durch einen Motor 27 angetriebenen Antriebsritzel 26 im Eingriff steht, wobei der Motor in dem Maschinenrahmen 15 mittels der Kopfschrauben befestigt ist. Der übliche wahlweise erregbare, nichtgezeigte Antriebsstromkreis ist vorgesehen, um den Motor

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umsteuerbar zu erregen, um den Arbeite- oder Werkzeugtisch 17 in einer gewählten Längsrichtung zu bewegen. Ub die Bewegung des Arbeitstisches 17 von Hand längs der Tragbahnen zu bewirken, kann in bekannter Weise an einem End· der Tischbewegungsspindel 22 eine nicbtgeieigte Handkurbel angebracht sein·

Während der Längsbewegung wird die genaue Stellung des i'terk- oder rbeitstiaches 17 interferometriscb mit Beiug auf einen Bezugsteil oder Reitstock 30 gesessen, der aus eines Stück mit dem Maschinensockel 15 gebildet ist. Um dies auszuführen, wird ein Tariabler Längenaeßlichtstrahl Ton einem einzigen einheitlichen priemtischen Element 32 gegen einen damit zusammenwirkenden prismatischen Reflektor 33 Übertragen, der von dem längsbewegbaren Arbeitstisch 17 getragen wird. Das zusammenwirkende einheitliche prismatische Element 32 und der relativ bewegbare prismatische Reflektor 33 umfassen die hauptoptischen Elemente des Streckenmeßinterferometers, der in Fig. 1 dargestellt ist.

lie in ^ ig. 1 gezeigt ist, ist das strahlprojixiertnde prismatische Element 32 in einer Umhüllung 35 angtbracht, die aus einem Stück mit einer Tragplatte 36 gebildet ist, welibe an dem Schlitten oder Wagen 30 mittels Lineenkopfschrauben 37 befestigt 1st. Tatsächlich enthält das «inheit-

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liohe prismatische Element 32 Prismen 40, 41 und 42, die längs Zwischenflächen 43 bzw. 45 haftend aneinander befestigt sind. Die Grenz- oder Zwischenfläche 43 enthält eine teilweise versilberte Oberfläche, um eine teilweise Licht durchlassende, teilweise Licht reflektierende Strahl-Spaltoberfläche zwischen den Prismen 40 und 41 zu bilden. In ähnlicher Weise ist die Zwischenfläche 45 teilweise versilbert, um eine Licht durchlassende, teilweise reflektierende Lichtstrahlspaltoberfläche zwischen den Prismen 41 und zu bilden. Auf diese Weise ist das einheitliche prismatische, in Fig. 1 gezeigte kleinent 32 mit zwei im Abstand angeordneten Lichtstrahl spaltenden Oberflächen oder Strahlspaltern 43 bzw. 45 versehen.

In abstandsmäßigem linken Verhältnis zu der prismatischen Hülle 35 ist eine Laser-Umhüllung 48 vorgesehen, die von einem Tragglied 49 getragen wird, welches mittels Kopfschrauben 50 feststehend an dem Rahmen 15 befestigt ist. Die Anordnung ist derart, daß das reckte Ende des Lasergehäuses 48 mit einer Äusgangsstrahlöffnung Tersehen ist, die mit einer entsprechenden Öffnung in der prismatischen Hülle 35 ausgerichtet ist, um einen intensiven Ausgangsstrahl 52 von monochromatischem Licht an das Prisma zu richten. Der Laser-Ausgangsstrahl 52 wird längs nach

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auswärts gegen den halbtranaparenten Strahlspalter'43 gerichtet, der in bekannter Heise wirkt, um den Ausgangsstrahl 52 in zwei gespaltene Strahlen 33 bzw. 56 zu teilen. Der innen reflektierte Spaltstrahl 53 bildet den Bezugsstrahl, der gegen den halbreflektierenden Strahlspalter gerichtet ist, der wiederum den Bezugsstrahl 55 in zwei getrennte Bezugsstrahlkomponenten 57 und 58 teilt.

Aus dem Prisma 40 des einheitlichen prismatischen Llementes 32 ist der länge projieierte Spaltstrahl 56 nach auswärts gegen den prismatischen Strahlreflektor 33 gerichtet, der in Fig. 1 als ein Dreikantprisma 60 dargestellt ist. Das Dreikantprisma 60 wird in einer rohrförmigen Hülle 61 gehalten, die an dem längs bewegbaren Arbeitstisch 17 mittels Liηεenkopfschrauben 63 befestigt iat.

Wie in der Technik bekannt ist, ist ein Dreikantprisma, wie das Prisma 60, mit drei orthogonal reflektierenden Oberflächen rersehen, um für drei innere entsprechende keflektionen eu sorgen, um genaue Parallelität ewiechen einem Eingangsstrahl an das Dreikantprisma und einem Ausgangsstrahl aufrechtzuerhalten, dtr daraus austritt. Wie schematisch in Fig. 1 dargestellt iat, wird der variable Längenmeßstrahl 56 innen durch eine trete reflektierendt Fläche des Dreikantprismas 60 su einer strahlkomponente

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reflektiert, die ihrerseits durob eine «weite reflektierende Prisaaflache als eine Strablkoaponente 66 reflektiert wird, wobei die letstere durob eine dritte Fläche des DreikantprieBae 60 reflektiert wird, üb als ein Ausgangsstrabi auszutreten. Der Eingangsstrabi 56 an das Dreikantprisia ist parallel iu dem Ausgangestrahl 67,der reflektierend daraus als ein Büokkehrstrahl projiziert wird. Tatsächlich ist ersichtlich, daß die Strahlen 56, 65, 66 und 67 einen ununterbrochenes lleßstrabl einer Richtung bilden, wobei die RüokkehrstrahlkoBponente 67 gegen das Prisma 42 des einheitlichen prissatisohen Elementes 32 gerichtet ist. Teilweise if.t in den Bückkebrlaufweg des MeBstrables 67 eine Tiertelwellen, pbasenmodifliierende Platte 70 eingefügt, die haftend an der Basis des Prismaε 42 befestigt ist. Wie nachfolgend Tollständiger erklärt wird, ist die pbasendiffereniierende Platte 70 in die Bahn des luriiokgekebrten MeBstrables 67 eingesetzt, um iwei phasendifferenz siertt lompontfiten In dem fortlaufenden Innenstrabl 71 iu schaffen, wobei die beiden Komponenten desselben Yorsugswelsi üb 90° phasenverschoben im Abstand angeordnet sind (spaeed in quadrature)·

He in fig, 1 geieigt ist, ist der suruokgefUbrte Heßitrabl 71 tu den halbtransparenten Strablspalter 45

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iur Trennung durch denselben in zwei Strahlkoaponenten gerichtet, die diesbezüglich mit den feststehenden Längenbezugsstrahlkomponenten 57 und 58 koinzident sind.

Wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist, ist die transparente Viertelphasenplatte 70 direkt mit der Basis des Prismas 42 verbunden und ist mit einer oberen Querkante 74 versehen, die in einer Aeise senkrecht zu dem Scbeitel des Prismas 45 steht» daß sie quer in den Laufweg des reflektierend zurückgeführten Strahles 67 aus dem Dreikantprisma 60 eingefügt ist. Auf diese «eise teilt, wie in Fig. gezeigt ist, die Vitrtelphasenplatte 70 den reflektiv zurückgeführten Strahl in zwei innere phasendifferenzierte strahlkomponenten 71 und 71F. Wie vorher erklärt ist, werden die phasendifferenzierten Strahlenkomponenten 71 und 71P wieder ■it dem inneren Bezugsstrahl 55 längs der halbtransparenten Strahlspaltswischenflache $5 kombiniert. Nach .iiederkoabinierung wird ersichtlich sein, daß die gespaltenen Bezugsstrahlkoaponenten 57 und 58, Fig. 1, jede mit den pbasendifferemierten Strahlkoiponenten 71 und 71P des reflektiert zurückgeführten MeBstrables, Fig. 3t kombiniert sind. Diese Verhältnisse sind deutlicher in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind die phasendifferensierten Strahlkoaponenten als 71 - 58 und 71P - 58 bezeichnet.

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Wie weiter in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Zwischenflächenstreifenmuster 71-58 wirksam, um einen lichtempfindlichen Detektor 77 eines Photodetektors 78 tu aktirieren, der an dem Gehäuse 35, Fig. 1, in richtiger Ausrichtung mit den Bezugsstrahlkomponenten 58 befestigt ist. In Fig. 1 ist der Photodetektor 83 an dem Gehäuse in einer Hellung befestigt, um die Bezugsstrahlkomponente 57 wirksam aufzunehmen. Λ

Wie in den Fig. 3 und 5 gezeigt ist, ist die geteilte BezügeStrahlkomponente 57 mit den inneren phasendifferenzierten Meßstrahlkomponenten 71 und 71P kombiniert, um die getrennten Interferenzstreifenmuster 71 - 57 und 71P - 57 zu schaffen. Wie in Fig. 3 und 5 dargestellt, ist jedoch der Photodetektor 83 so an der Trägerumhüllung befestigt, daß der lichtempfindliche Detektor 82 eingestellt ist, um nur durch die Interferenzstreifenmuster m 71P - 57 aktiTiert zu werden. In ähnlicher Weise ist, wie Fig. 5 zeigt, das gleiche Verhältnis gezeigt, in welchem der Photodetektor 83 so eingesttllt 1st, daß der lichtempfindliche Detektor 82 in einer Stellung gehalten let, um nur durch einen rorherbestimmten 180°-Teil des Interferenzstreif enmueters 71P - 57 aktiriert zu werden.

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Die lichtempfindlichen Detektoren 77 und 82, die in den Fig. 4 und 5 dargestellt sind, können Hocbwiderstandssiliiiuaeinheiten sein, Beim Vergleich der Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, daß die Streifenmuster 71 - 58, Fig. 4, um 90° phasenTerschoben (spaced in quadrature) im Abstand relati? zu den Streifenmustern 71P - 57 in Flg. 5 infolge der Wirkung der Viertelphasenplatte 70, Fig. 3» sind. D%t Ausgang aus den Detektoren 77 und 82 enthält zwei elektrisobe Signale 90° aufier Phase entsprechend der Frequenz, die durch die sich ändernden phasendifferensierten, getrennten Sätze τοπ Interferenzstreifenmustern 71 - 58 und 71P - 57 erseugt wird. Die um 90° phasenTersohobenen auf Abstand stehendenelektrisohen Signale S 71 - 58 und SP 71 - 57 sind in den 90° phasenTerschobenen Stellungen dargestellt, die aus den Detektoren 77 und 82 herrorgeben und können rerbunden sein, um die reiersible Wirkung eines biderektionalen (nicht geieigten) Zäblerstromkreisei iu bewirken, der betätigbar ist, um sowohl die Richtung als das Ausmaß von relativer Bewegung «wischen dem einheitlichen prismatischen Element 32 und dem prismatischen Heflektor 33, der in Fig. 1 gezeigt ist, iu bestimmen. *

Der Laser, welcher eine beronugte Lichtquellenform für den in Fig. 1 dargestellten Interferometer

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bildet, ist in ?ereinfachter Fon in Fig· 2 geseigt. Wie in der Technik bekannt ist, ist das Wort "Laser* eine Abkürsung der .«orte "light amplification by stimulated emission of radiation". «Vie in Fig. 2 geseigt_f ist eine Entlade- oder Plasmaröhre 88 in der Laser-Umschließung oder fern Gehäuse 48 gehalten. An ihren entgegengesetsten Enden ist die Plasmaröhre 88 mit optisch flachen Oberflächen· fenstern 89 und 90 Tersehen, die aus einem Stück damit gebildet und unter einem Brewster-Winkel geneigt sind. Eine Endkonsole 91. die an dem Gehäuse 48 befestigt ist, ist mit einem ebenen Spiegel oder "Endreflektor" 92 Tersehen, der an dem Hinterende des Plasmarohres* 88 axial fluchtend damit getragen wird. An dem Vorderende der Plasmaröhre 88 wird eine teilweise reflektierende und kollimatisierende Linse 93 durch eine andere Endkonsole 94 getragen, die an dem Gehäuse 48 befestigt ist. Die EntlsJeröhre 88 enthält Helium und Neon, welches su erregten Entrgiehöben durch Strom erhöht ist» der an Eingangsleiter 91 und 98 τοη einer geeigneten nichtgeseigten Quelle elektrischer Energie in bekannter Weise angelegt wird· Wenn dies geschieht, wird Licht Mischen dem totalen Endreflektor 92 und dem sphärischen Reflektor 53, der in einer leise etwas weniger reflektl? ist, als der

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Heflektor 92, daß er für übertragenes Liebt balbtransparent ist, hin- und herreflektiert. Wenn diese Lichtwellen fortfahren, sich hin- und heriubewegen, wächst die Amplitude bis ein kohärenter monochromatischer Lichtstrahl durch die halbtransparente, kombinierte sphärische und kollimatislerende Linse 93 ausgesendet wird. Der kohärente Ausgangslichtstrahl 52 ist vorgesehen, um das Interferometer nach Fig. 1 zu aktiTieren. Vorzugsweise ist der, schematisoh in Fig. 2 erläuterte Laser ein einzigartiger ununterbrochener Helium-Neon-Gas-Laser, der mit einer Wellenlänge τοη 6328 Angstromeinheiten arbeitet und der geeignet ist, einen intensiven Lichtstrahl auszusenden, der besonders für die Langstreckenarbeit des interferometrisohen Längenmeßinstrumentes geeignet ist, welches bierin offenbart ist.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 4 enthalten die dort gezeigten Streifenmuster 71-38 abwechselnde Lioht- und Dunkelbänder, wobei ein Licht- und ein Dunkelband während jedes einzelnen Betriebszyklus erscheinen. Während der Vorwärtsbewegung des prismatischen Reflektors 33t FIg* 1t gegen den leitstock 30 bewegen sich die abwechselnden Licht- und Dunkelbänder des Interferenzstreifen-

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austere 71-58, Fig. 4, relativ zu dem ortsfesten lichtempfindlichen Photodetektor 77 nach rechts. Zu der gleichen Zeit bewegen sich während der Vorwärtsbewegung des prismatischen Reflektors die 90° Phasenabstands-Streifenauster 71P * 57, Fig. 5, relativ zu dem ortsfesten lichtempfindlichen Photodetektor 82 nach rechts.

Umgekehrt bewegen sich während der Rückwärtsbewegung des prismatischen Reflektors 33, Fig. 1, von dem prismatischen Element 32, Fig. 1, fort dl· Interferenzstreifenmuster 71 - 58, Fig. 4, relativ zu dem ortsfesten Photodetektor 77 nach links, und die Streifenauster 71P - 57, Fig. 5, bewegen sich ebenfalls relativ zu dem lichtempfindlichen Photodetektor 82 nach links. Während der Relativbewegung des prismatischen Reflektors in jeder gewählten Richtung wird er um eine Strecke bewegt, die einer Lichtwellenlänge während jedes Betriebszyklus entspricht. Eine abgewandelte Fora der Erfindung ist scheaatisoh in Flg. 6 dargestellt, in welcher ein einheitliches strahlprojizierendee prismatisches Element 102 zur Bewegung relativ zu einem prismatischen Strahlreflektor 104 getragen wird. Ua die Offenbarung zu erleichtern, wird es verständlich sein, daß der prismatische Reflektor 104 an einem Werkstück- oder Arbeitetiech, wie dem Arbeitstisch 17, befestigt 1st, dtr

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iur geradlinigen Längsbewegung relativ zu einei feststehenden Bezugsmaschinenteil oder Reitetook 30 getragen wird. In gleicher weise ist das einheitliche strahlprojiiierende Element 102 feststehend an dem Mascbinenreitstook 30 in einem vorherbestimmten festen Verhältnis tu dem Laser 48 befestigt, welcher Ton dem Tragglied 49 getragen wird. nie Torber erklärt, ist der Laser 4Θ mit einer kombinierten halbreflektierenden, sphärischen und lichtdurchlässigen kollimatisierenden Linse 93 versehen, die geeignet ist, für einen intensiven monochromatischen Lichtstrahl zur Projizierung an das prismatische Element 102 zu sorgen. Obwohl derselbe in Fig. 6 nur schematisoh dargestellt ist, ist es verständlich, daß der Laser 48 in einem vorherbestimmten, feststehenden Verhältnis au dem einheitlichen strahlproj!zierenden prismatischen Element 102 gehalten wird. Ferner wird der prismatische Reflektor 104 zur längsgerichteten geradlinigen Bewegung längs einer Bahn parallel zu dem Laser-Ausgangsstrahl 52 sowohl wie zu dem variablen Längenmeßstrahl getragen der aus dem prismatischen Element 102 nach auswärts projiziert wird.

Wie in Flg. 6 dargestellt ist, enthält du einheitliche prismatische Element 102 ein Prisma 107, welches

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baftend Mit einen Prism* 108 längs einer halbversilberten Zwischenfläch· 109 Terbunden ist, die einen halbtransparente η und teilweise reflektierenden Lichtstrahlepalter umfaßt. Der Liobtstrablspalter oder die Zwischenfläch· 109 kann sowohl den Auegangsstrahl 52 in zwei gespaltene Strahlen teilen, als auch die gespaltenen Strahlen zur Erzeugung yon Interferonestreifenaustern wieder kombinieren.

Anfangs kann, wie in Fig. 6 gezeigt ist, der teilweise reflektierende Strahlspalter 109 eine Hälfte des Strahles 52 längs einer senkrechten Bahn reflektieren, die als eine Bezugestrahlkoaponente 112 bezeichnet ist. Insoweit, wie der Strahlspalter 109 teilweise lichtdurchlässig ist, wird die andere Hälfte des Ausgangsstrahles 52 als ein Spaltstrabi 113 hindurch übertragen, der gegen den prismatischen Reflektor 104 projisiert wird, üb einen variablen Längenmeßstrabl zu bilden. Obwohl andere Fersen τοη reflektierenden Mitteln lit der gleichen Wirkung benutit werden können, enthält der prismatisch· Reflektor 104 vorzugsweise ein Dr*ikantprismft 120. Wie vorher erklärt, ist ein Dreikantpritma in einer Weise mit drei wechselseitig senkrechten Fliehen versehen, dsJ eis daran gerlobteter Eingängestrahl, wie Fig· zeigt, drei innere Reflektieren hervorruft, und längs einer

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Rüokkehrbahn austritt, die parallel su den Eingangsstrabl ist. Der durch das prismatische Element 102 profilierte Strahl 115 tritt in das üreikantpriima 120 ein, wird darin als eine Strablkomponente 114 reflektiert, die als eine Strahlkoaponente 115 reflektiert wird, welch letstere reflektierend aus de& Dreikantprisma als eine Äückkebrstrablkomponente 116 austritt, die parallel su des Strahl 113 ist. So bildet der Lichtstrahl 113 susaamen alt den Strahlkomponenten 114, 115 und 116 einen ununterbrochenen Meßstrahl einer Richtung, der in der Länge gemäß der Einstellungsbewegung des Dreikantprismas relati? su des strabiprojisierenden prismatischen Element 102 rariiert. Tatsächlich wirkt das Dreikantprisma 120, um den Eingangsstrahl 113 in einen auf Abstand stehenden parallelen Rückkehrstrahl 116 su falten.

rule in den Flg. 6 und 7A geseigt ist, ist eine Viertelwellenplatte 121 haftend mit einem Teil der Basis des Prismas 108 Ttrbuuden. Die phasenmodifizierende Platte 121 ist mit einer Querkante 122 rersehen, die so angeordnet ist, um den reflekti? surüokgeführten

Meßstrabl 116 in swei benachbartt, pbasendifferensierte 909834/0719

Strahlkoaponenten 117 und 117P zu teilen, wie in Fig. 7Δ gezeigt ist. Die Platte 121 wirkt, um die Strahlkomponente 117P eine Viertelwellenlänge relativ zu der Strahlkomponente 117 zu verzögern. Naoh Hindurchgang durch die Viertelwellenplatte 121 und Eintritt in das Prisma 108 werden die phasendifferenzierten Strahlkomponenten 117 und 117P innen durch eine innere reflektierende Fläche 124 reflektiert, die mit dem Prisma 108 aus einem Stück gebildet ist. Kacbdem sie durch die innere Prismenfläche 124 reflektiert sind, werden die phasendifferenzierten Strahlkomponenten des reflektierten Strahles 118 wieder Bit der Bezugsstrahl-

komponente 112, Fig. 6 und 7, längs der halbtransparenten Strahlspaltungszwischenflache 109 kombiniert. Um deutlicher die sich ergebenden Interferenzstreifenmuster zu identifizieren, die in Abstand angeordnet 90° phasenverschoben sind (spaced in quadrature) sind die Streifenmuster in den Fig. 7 und 7A als 118 - 112 und 1181 - 112 bezeichnet. In dem optischen in den Flg. 6, 7 und 7A offenbarten Stromkreis ist ersichtlich, daß kein optischer Kreis, oder innere Heflektoren für den Bezugsstrahlweg erforderlich sind. Tatsächlich ist kein Bezugsstrahl wirklich an sich

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als ein Bezugsstrahl geseigt oder dargestellt. Mit anderen Porten verläuft der Bezugsstrahl in Fig. 6 tatsächlich Ton der sphärischen Laser-Linse 93 an den Strablspalter und enthält nur jene eine Hälfte des Interferoietereintrittsstrahles 52, der nicht durch den Strahlspalter durchgelassen wird, um als der Einbalb- oder SpaltaeBstrabl 113 projiziert zu werden. In gleicher Meise wird,nachdem der Meßstrahl seinen optischen Kreis in einer Richtung ton dem Strahlspalter 109 Tollendet hat und daran als phasendifferenzierte Strahlkomponenten 118 und 118P Fig. 7A zurückgeführt ist, der Strahlspalter 109, um diese Strahlkomponenten mit jener einen Hälfte des Eintrittstrahles 52 wieder zu kombinieren, die nicht durch den Strablspalter 109 übertragen oder hindurchgelassen worden ist. üementprechend werden phasendifferenzierte Streifenmuster 118 - 112 und 118P - 112 vorzugsweise auf Abstand stehend um 90° phasenverschoben, unmittelbar bei der Wiederkombinierung erzeugt, um eine Anzeige der Richtung und des Ausmaßes der Relativbewegung zwischen dem strahlprojizierenden prismatischen Element 102 und dem prismatischen Strahlreflektor 104 zu bilden.

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Von der balbtransparenten Zwischenflache 109, Fig. 6, sind die pbasendifferenzierten Interferenzstreifenmuster 118 - 112 und 118P - 112, Fig. 7 und 7A, gegen Pbotodetektoren 123 bzw. 126 gerichtet, die an einer Seitenfläche des Prisaas 107 befestigt sind. Die Pbotodetektoren 125 und 126 sind diesbezüglich mit lichtempfindlichen Detektoren 129 und 130 Tersehen,

die diesbezüglich auf die pbasendifferenzierten Streifen- ^ muster 118 - 112 und 118p - 112 ansprechen, /de ycrber erklärt, sind die lichtempfindlichen Detektoren 129 und 130 so angeordnet, um alt einem bidirektionalen

Zählstromkreis verbunden zu werden, um sowohl die Richtung

als das Ausmaß eier Relativbewegung zwischen dem relativ bewegbaren prismatischen Reflektor 104, Fig* 6, un dem einheitlichen prismatischen Eleaent 102 anzuzeigen.

In den Fig. 8, 9 und 10 ist scbeaatisch eine ™

andere abgewandelte Fora der Erfindung dargestellt, die ein etrablprojisierendes prismatisches Element

134 und einen relativ bewegbaren prisaatischen Reflektor

135 enthält· Wie in Fig. 8 gezeigt ist, kann der prismatische Strahlreflektor 135 ao dem Werkstückträger 17 befestigt iiis, der iur Längsbewegung durch nichtgezeigte

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Maschineniührungsbabn«B relati? zu dem Maschinenbezugsteil oder teitstoek 30 einer Maschine getragen wird. In gleicher Weise ist das einheitliche strahlprojizierende prismatische Element 154 feststehend an dem Üaschinenreitstock 30 in vorherbestiamtea feststehenden Verhältnis zu dem Laser 48 befestigt, der durch das an dem iiaachinenreitstock befestigte Traggehäuse 49 getragen wird·

rUe in Fig. 6 dargestellt, kann die kombinierte sphärische ileflektor- und Kollimatisatorlinse 93 des Lasers 48 eiaei^aenoohroaatischen Lichtstrahl 32 vertikal nach aufwärts gegen ein Prisma 137 projizieren. Las Prisma ist haftend Bit einem Prisma 138 verbunden, welches seinerseits haftend mit einer Seitenfläche eines Pentaprismas verbunden ist. Auf diese /.eise enthält das einheitliche et-rahlprojizierende prismatische Element 134 in Fig. 8 die drei Prismen 137, 138 und 139.

Eine halbversilbert» Zwiacbenflache 140 zwischen den Prismen 137 und 138 bildet eine halbtrausparente und halbreflektierende Strablspaltungsschicht, die in einer üfeise ähnlich dem vorher beschriebenen Strahlspalter funktioniert. Nur eine Hälfte des eintretenden Lichtstrahles 32 von dem Laser 48 wird durch den Strahl-

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spalier 140 hindurchgelassen, um sich als Meßstrahlkomponente 143 fortzusetzen. Die andere Hälfte des eintretenden Lichtstrahles 52 wird reflektiert, wobei wie vorher erklärt, sich diese Komponente mit dem reflektiy zurückgeführten Meßstrabi kombiniert, um Interferenzstreifen zu bilden, Auf diese weise enthält der Bezugsstrahl in dem in Fig. 8 dargestellten Interferometer nur jene eine Hälfte des eintretenden Lichtstrahles 52, die nicht durch den Strablspalter 140 übertragen oder durchgelassen ist.

Die bindurchgelassene Meßstrablkomponente 143 wird im Innern durch eine reflektierende Prismenfläche

147 längs einer winkligen Bahn als eine Strahlkomponente

148 reflektiert. Die Meßstrahlkomponente 148 wird wiederum im Innern durch eine winklig reflektierende Fläche 1b0 des Pentaprismas 159 reflektiert und setzt sich als eine Meßstrahlkomponente 151 fort. Eine träneparente Viertelwellenplatte 153 ist haftend mit einer Seitenfläche des Pentaprismas 139 in einer Weise Terbunden, um in eine Hälfte des Laufweges der Meßstrahlkoaponente eingefügt zu werden, die von der reflektierenden Fläche des Pentaprismas 139 ⁿ&^Cß auswärts projiziert wird. Wie in Fig. TO gezeigt ist, ist die an der Basis des Pentaprisaas

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159 befestigte transparente Viertelwellenplatte mit einer Querkante 134 versehen, die so wirkt,um den projizieren Strahl 131 in die zwei um 90° phasen-Terschobenen phasendifferenzierten Strahlkomponenten 133 und 133P zu teilen. Die beiden angrenienden nach auswärts projizieren Strahlkomponenten sind gegen den prismatischen Strahlreflektor 153 gerichtet, der in Fig. 8 so dargestellt ist, daß er ein Prisma 136 enthält. fiie Torher erklärt, ist ersichtlich, daß der prismatische Reflektor 153 ein Breikantprisma enthalten könnte, insoweit, wie das Haupterfordernis darin besteht, daß sich die Eingangs- und Ausgangestrahlen in roneinander getrennter Parallelität befinden. tVie in Fig. 8 gezeigt ist, werden die τοη dem Pentaprisma 159 nach auswärts projezierten Strahlkomponenten innen durch eine reflektierende Fläche 137 des Prismas 136 längs eines inneren Strabllaufweges 138 reflektiert. In ähnlicher fteise sind die phasendifferenzierten Strahlkomponenten von dem Laufweg 138 durch die reflektierende Fläche 139 des Prismas 136 längs einer Rückkehrbahn gerichtet, die als der strahl 160 bezeichnet ist. Die in dem reflektierten rückgeführten Strahl 160 Torgesebenen phasendifferenzierten Strablkomponenten sind in der gleichen Abstandsparallelität zu den phaeendifferenzierten

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Strahlkomponenten in de« StrabX 155 aufrechterhalten, ideses Verhältnis let deutlicher in Fig. 10 dargestellt, in welcber die phaaendifferenzierten Strahlkomponenten 160 und 160P wieder in die Basis des Prismas 138 in richtiger Ausrichtung zur Wiederkombinierung mit dem Dichtübertragenen Bezugsstrablteil des Strahles 52 längs des Strahispalters eintreten. Nach Wiederkombinierung längs der Strahlspaltungaawischenflacht 140 sind die sich ergebenden pbasendifferenzierten Interferenzstreifenmuster 160 - 145 und 160P - 145 längs entsprechenden benachbarten Bahnen gerichtet, um ein Paar Pbotodetektoren 165 bzw. 166 su betätigen, die an einer Seitenfläche 167 des Prismas 137 befestigt sind..Die Pbotodetektoren 165 und 166 sind diesbezüglich mit lichtempfindlichen Detektoren 169 und 170 versehen, die durch die phasenäifferenzierten Streifenmuster 160 - 145 und 160P - 145 aktiviert werden können.

Eine andere abgewandelte Form der Erfindung ist in Fig. 11 gezeigt, in welcher Masken oder Gitter benutzt sind, um für ein Mittel zur Erzielung von Iiicbtungsempfindlichkeit bei der elektronischen Zählung der Interferenzstreifenmuster in einem Distanzmeßinterferometer zu sorgen. Aie dort gezeigt ist, ist der eintretende Laser-Lichtstrahl 52 gegen das Prisma 175 gerichtet, welches in dem rechtwinkligen Gehäuse

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176 fernhalten ist. Das Frisaa 175 ist haftend Mit dea Priiit 177 längs einer balbversilberten Zwischenfläche ?erbunden_v die einen Strahlspalter enthält. Das frlsaa seinerseits ist haftend ait tinea Prisma 179 längs einer balbtersilberten Zwischenflacht 180 yerbunden, die einen Strahlspalter und eine otrahlwiederkoabinierungaschicht UBfaBt. Wie Torher erklärt, enthalten die drei Priseen ein einheitliches prismatisches El β »ent, welches wirkeaa Ist, einen variablen Längenaeßstrabl gegen einen prisaatisehen Reflektor 183 zu richten, der zwei reflektierende Flächen hat.

Der eintretende Lichtstrahl 52 aus dem Laser 48 wird durch den Strahlspalter in zwei Spaltstrahlen geteilt, die einen inneren Bezugsstrahl 183 und einen nach auswärts profilierten Meßstrahl 186 einschließen. Der auswärts projizierte Strahl 186 wird durch eine erste reflektierende Fläche des Prismas 183 als eine quergerichtete Strahlkoaponente 189 reflektiert. Danach wird die Strahlkoaponente 189 nach auswärts durch eine zweite reflektierende Fläche des Prismas 183 als ein Mckkehrstrahl 190 reflektiert..Hie Torher erklärt, bilden die Strahlen 186, 189 und 190 einen ununterbrochenen Meßstrahl, wobei der reflektierend zurückgekehrte Strahl in Abstandsparallelität zu dem Strahl 186 angeordnet ist.

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Der Burttckgefttbrte Meßstrahl 190 tritt in das Prisma

179 ein und wirkt mit dem Bezugsstrahl 185 kombiniert, um Interferenzstreifenmuster zu entwickeln. Die Wiederkombination wird längs der halbTersilberten Zwischenfläche

180 ausgeführt, die ebenfalls wirkt, um die wiederkombinierten Strahlen in zwei Spaltstrablen τοη Streifenmustern 193 bzw. 194 zu teilen. Die Interferenzstreifenmuster 193 und 194 sind identisch und sehen die gleiche Folge von abwechselnd Dunkel- und Lichtbändern Tor. Die Interferenzstreifen 193 sind nach auswärts gegen ein Strablvergrößerungs-Teleskop gerichtet, welches in einem rohrförmigen Gehäuse 196 enthalten ist, das mit dem Gehäuse 176 geformt ist.

Das StrahlTergrößerungs-Teleskop enthält die Linsen

197 und 198, wobei die letztere in dem rohrförmigen Gehäuse 196 durch einen fiing 199 zentriert ist. Die Linse

198 bewirkt eine Stranlausdehnungsdivergenz der streifenmuster 193. Als nächstes wirkt die Kollimatisierungslinse 197, um den divergenten Strahl in die parallel erweiterten Streifenmuster 193-ü zu kollimatisieren.

In einer ähnlichen »eise sind die Streifenmuster 194 gegen eine strahldivergierende achromatische Linse 203 gerichtet, die durch einen Hing 204 in einem rohrförmigen Gehäuse 205 befestigt ist. Der divergierende Strahl wird

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dann durch die Linse 206 in einen gut kollimatisierten
erweiterten Strahl τοη Streifenmustern 194E übertragen.
Wie in Fig. 11 geseigt ist, enthält der expandierte Strahl aus Streifenmustern 194E drei dunkle Bänder und drei
abwechselnd im Abstand stehende Lichtbänder, wobei die
Gesamtheit der sets Bänder identisch den sechs Bändern der Interferenzstreifenouster 193E entspricht.

Ein wuertragarm 210, der an dem rohrförmigen Gehäuse 205 befestigt ist, ist mit einer im Abstand angeordneten Verlängerung 211 rersehen, an welcher ein Photodetektor
212 durch die Schrauben 214 befestigt let. Mittels dieser Anordnung kann der Photodetektor 212 einen lichtempfindlichen Detektor 215 in feststehendem ortsfestem Verhältnis EU den Streifenmustern 194E tragen.

Eine einstellbare Maske 218 ist zwischen den. Detektor 215 und die Streifenmuster 194E eingeschaltet. .Ue schtmatiscb in Fig. 11 gezeigt 1st, wird die Maske 218 beweglich durch eine Einstellstange 219 gehalten, die sich durfch dtn Photodetektor erstreckt, und die an ihrem entgegengesetsttn Ende an dem Tragarm 210 befestigt ist. Eine Feder 220 drängt normalerweise die Maske nach rechts in den Eingriff mit einer Einstellmutter 222, die auf das rechte Ende der ortsfesten

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Stange 219 aufgeschraubt ist. Hit dec Streifenmustern 194E, wie in Fig· 11 gezeigt, angeordnet, iet die Maske 218 so eingestellt, daB die darin gebildeten geschlitzten Offnungen 224 alt Bezug auf die dunklen und hellen Bander, welche die Streifenmuster bilden, üb 90° verschoben sind.

Insoweit wie die Anordnung zum Halten eines lichtempfindlichen Detektors 215A und der Maske 21ΘΑ relativ zu den Interferenzstreifen 193£ identisch ist, sind entsprechende Teile durch Hinzufügung eines Buchstabens A hinter jedes der Bezugszeichen bezeichnet*

Lie Maske 218A wird durch Betätigung der Sinstellmutter 222A in einer A'eise eingestellt, daB die Maskenöffnungen 224A mit den Idchtbändern des Interferenzstreifenaustere 193E ausgerichtet sind. JJa so die Streifenmuster 193E mit den StreifenBustem 194E identisch sind, sind die geschlitzten Öffnungen 224A der Maske 218A 90° mit Bezug auf die geschlitzten Öffnungen 224 der Maske 218 verschoben. Es ist daher ersichtlich, daB die vorherbestimmte Verschiebung zwischen den Masken 218 und 218A gleich einhalb der Breite eines der Lichtbänder des Streifenmusters ist.

tfann immer das Prisma 183 veranlaßt wird, sich relativ zu dem prismatischen Gehäuse zu bewegen, werden die sich

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ergebendtn Streifenmuster 193E und 194E die lichtempfindlichen Detektoren 215A und 215 aktlTieren, us daB Ausmaß dtr relati-Ttn Bewegung anzuzeigen. Außerdem werden mit den Maiken und 21ΘΑ um 90° Terscbobtn, die Detektoren 224 und 224A in einem Toreilenden oder nacheilenden Verhältnis aktiriert, wat τοη der Richtung der Relativbewegung abhängt. Daher lind die Detektoren 224 und 224A so verbunden, um einen nicbtgeseigten bidirektionalen Zähletromkreis iu betätigen, um sowohl die Richtung ale das Ausmaß der Bewegung amuse igen.

In Fig. 12 ist eine Ansicht der Maske 218 im AufriS dargestellt, um die Form der geschlitzten öffnungen 224 besser tu zeigen.

Obwohl die beispielsweise^ Ausführungen der Erfindung in erheblichen Einzelheiten sur Offenbarung rerscbiedener Formen τοη praktischen, die Erfindung Terkörpernden Apparaten gezeigt sind, ist es Terständlich, daß die besonderen gezeigten und beschriebenen Gebilde nur Beispiels sind und daß die Terschiedenen Merkmale der Erfindung im Rahmen derselben in anderen Ausführungen verkörpert sein können.

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Claims (8)

Patentansprüche

1. Interferometer, gekennzeichnet durch ein prismatisches Element (32) mit einem teilweise lichtdurchlässigen Strahlspalter (43), welcher wirksam ist, einen eintretenden Lichtstrahl in zwei divergierende Spaltstrahlen zu teilen, die einen Bezugsstrahl und einen variablen Längenmeßstrahl enthalten, einen relativ bewegbaren prismatischen Reflektor (33). der den Meßstrahl (56) aus dem Strahlspalter aufnehmen kann und geeignet ist, einen getrennten parallelen Strahl (67) reflektierend gegen das prismatische Element zurückzuführen, ferner einen anderen durch das prismatische Element (32) getragenen Heflektor (45),welcher eingestellt ist, um den reflektiv zurückgeführten Meßstrahl (67) von dem prismatischen Reflektor (33) aufzunehmen und der wirksam ist, um den zurückgekehrten Strahl reflektiv gegen den ,Strahlspalter (45) zurückzurichten, um ihn mit dem Bezugsstrahl zu kombinieren, um Interferenzstreifenmuster zu erzeugen, sowie weiter eine durch die Interferenzstreifenmuster betätigte Zählvorrichtung.

2. Interferometer nach jtospruch 1, gekennzeichnet durch eine festehend angeordnete Laser-Lichtquelle, um einen kollimatisierten Strahl kohärenten Lichtes gegen den Strah1-

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teiler (43) des prismatischen lleaentes zu richten, wobei die Heflektoren (33) ao angeordnet sind, um für einen Laufweg in einer Richtung für den variablen Längerimeßstrahl zu sorgen.

3· Interferometer nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine in einen der Spaltstrahlen eingesetzte ^uerstufe (70), um pbasendifferenzierte Strablkoaponente¹¹ in dem zügeordneten Strahl und in den Interferenzstreifen zu schaffen.

4. Interferometer nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine geschlitzte wirksam indie Bahn der Interferenzstreifenmuster Ton dem Strahlspalter und die Zählvorrichtung eingesetzte Maske (212), um sowohl die Richtung als das Ausmaß der Bewegung von dem prismatischen Reflektor relativ zu dem prismatischen Element zu bestimmen.

5. Interferometer nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählvorrichtung Fhotodetektoren (215, 215A) enthält, die auf Interferenzstreifenmuster ansprechen.

6. Interferometer, gekennzeichnet durch ein prismatisches Element (32), welches einen ersten und einen zweiten Strahlspalter (43,45) aufweist, die in feststehendem WinkelTerhältnie angeordnet sind, ferner einen so

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eingestellten Laser (88), um einen kolliaatisierten Strahl (52) kohärenten Lichtes gegen den ersten der Strahlspalter zu richten, um ihn in die beiden divergierenden Spaltstrahlen zu teilen, τοπ denen einer ein feststehender Längenbezugsstrahl (55) ist, der gegen den zweiten Strahlspalter gerichtet ist, ein im Abstand angeordneter relatir bewegbarer prismatischer Heflektor (33)» der geeignet ist, den anderen (56) der genannten Spaltstrahlen von des ersten Strahlepalter aufzunehmen und reflektierend einen parallelen Meßstrahl (67) gegen den zweiten Strahlspalter (45) zurückzuführen zwecks .ιiederkombination mit dem feststehenden Längenmeßstrabl, usi Interferenzstreifen zur Bestimmung des Bewegungsausmaßes zwischen dem prismatischen Clement (32) und dem prismatischen Reflektor (33) zu bilden.

7· Istertoomet©!⁵ nach Anspruch 6_r gekennzeichnet durch eine abge«tuftt Qbsriläsh® (70) in Sem prismatischen El®mtBi₈ die wirkgas angeordnet ist ,um phassmliiferensiertis StrahlkompoB@nt@n ia tiaea der Spaltstrahlen aus am treten Str&hlBpsltar (43) yor^üsshen, um entsprechende differenzierte Sirahikomponentes in dos su seb&ffsn, die in am wiidfrko»btsi@rt®Q Utr&hlm aus . itiite» Stra&lspültey (45) gebildet sind.

8. Interferometer nach den Ansprüchen 6 und 7, gekennzeichnet durch so eingestellte fbotodetektoren, us durch die Interferenzstreifen zwecks Anzeige des Ausmaßes der Relativbewegung zwischen dem prismatischen Element (32) und den prismatischen Reflektoren (33) betätigt EU werden.

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