DE1572599A1

DE1572599A1 - Abtastinterferometer

Info

Publication number: DE1572599A1
Application number: DE19671572599
Authority: DE
Inventors: Barringer Anthony Rene
Original assignee: Barringer Research Ltd
Current assignee: Smiths Detection Toronto Ltd
Priority date: 1966-11-22
Filing date: 1967-11-21
Publication date: 1970-02-19
Also published as: CH465907A; US3482919A; GB1195839A; BE706826A

Description

Barringer Research Limited (US 52X34/66 prio 22.1.1.1966 Rexdale. Ontario. Kanada 16J? - 5179)

Hamburg« den 17. November 1967 Abtaatinterferometer

Die Erfindung bezieht sioh auf die Spektroskopie und Interferometrie und insbesondere auf ein Abtastlntar« ferometer zur Analyse von Lieht eines unbekannten Spektrums.

Bin Interferometer ist ein Instrument zur Beobachtung der Interferenz von zwei oder mehr Liohtstrahlen und insbesondere zur Nessung der Wellenlänge von Lioht und zur Messung von Entfernungen und Abständen in Wellenlängeneinheiten· Obwohl die Erfindung auf viele, bekannte Interferometer angewendet werden kann, 1st sie besonders zur Verwendung in einem abgewandelten Michelson-Interferometer geeignet. Ein Michelson-Interferometer enthält eine halbversilberte, planparallele optische Platte, die als Strahlenbreoher bezeichnet wird, um das Licht in zwei Strahlen aufzuteilen, die zur Herstellung von Interferenzen wieder zusammengefaßt werden. Zwei optisch ebene zueinander senkrecht angeordnete Spiegel werden jeweils zur Reflektion der Strahlen benutzt. Bei Änderung der Weglänge eines Strahles

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(z.B. durch Bewegen eines der Spiegel) wird die Intensität des aus dem Interferometer austretenden Liolites In einer für das Spektrum des in das Interferometer eintretenden Lichtes charakteristischan Weise geändert.

Es sind bereits Interferometer bekannt, bei denen der Weglängenunterschied der beiden Strahlen zyklisch dadurch geändert wird, daß einer der Spiegel an der Sprechspule eines Lautsprechers angebracht wird, die von einem Wechselstromgenerator mit veränderbarer Frequenz und Amplitude gespeist wird. Das Spektrum des in das Interferometer eintretenden Lichtes wird durch Umwandlung des aus dem Interferometer austretenden Lichtes in ein elektrisches Signal bestimmt. Dieses wird aufgezeichnet und einem Frequenzanalysator oder einem Computer zur Durchführung einer Fourieranalyse zugeführt. Ein der» artiges Interferometer 1st beispielsweise in der US-Patentschrift 3 286 582 beschrieben. Obwohl mit Hilfe einer derartigen Anordnung der Weglängenunterschied sehr einfach geändert werden kann, ist eine Stabilität sehr sehr schwer herzustellen, da die Sprechspule keine gleichbleibende Halterung darstellt.

Es 1st Aufgabe der Erfindung, ein Abtastinterferometer' zu schaffen, mit dem sehr exakt gleichbleibende Änderungen des Weglängenunterschiedes hergestellt werden können und bei

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dem kein Prequenzanalyeator oder Computer zur Durchführung einer Fourieranalyse erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Abtastinterferometer mit einem bewegbaren, optischen Element zur Änderung des Weglfingen» Unterschiedes der interferierenden Teile des Lichtes gelöst, welches gekennzeichnet ist, durch Antriebseinrichtungen zur Erzeugung einer den Weglängenunterschied zyklisch in vorbestimmter Weise ändernden Drehbewegung des optischen Elementes, durch Spektralbestimmungseinrichtungen, die synchron zur Bewegung des optischen Elementes das Spektrum des Lichtes kennzeichnende Bezugssignale erzeugen, durch eine das aus dem Interferometer austretende Licht aufnehmende und in zu dessen Intensität proportionale elektrische Signale umwandelnde Wandlereinriohtung und durch eine Auswerte= einrichtung zur Anzeige der Lage der Bezugssignale und der elektrischen Signale zueinander.

Die Erfindung wird in folgenden anhand der AusfUhrungs« beispiele zeigenden Figuren näher erläutert. In den Figuren sind jeweils gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

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Fig« 1 zeigt im Prinzip die Anordnung der optischen und elektronischen Bestandteile eines Ausführungsbei-Spieles gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Lage der Bezugssignale und der elektrischen Signale zueinander.

Fig. J> zeigt die Seitenansicht einer Einrichtung zur Erzeugung der Bezugssignale.

Fig. 4 zeigt ein typisohes Interferogramm.

Flg. 5 zeigt im Prinzip die optischen und elektronischen Bestandteile eines anderen AusfUhrungsbeispieles gemäß der Erfindung.

Flg. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Änderung des Weglängenunterschiedes, insbesondere für Infrarotlicht.

Fig. 7 zeigt die Erfindung in einer anderen Art von Interferometer, einem Fabry-Perot-Interferometer.

Fig. 8 zeigt magnetische Einrichtungen zur Erzeugung der BezügeSignaIe.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Abtastinterferometer gemäß der Erfindung wird das aus der Lichtquelle S austretende Licht durch die Linse 10 in paralleles Licht umgewandelt. Es wird auf die planparallele, optische Platte 11 geleitet, die vorzugsweise eine halbversilberte reflektierende Oberfläche 11a hat. Das Licht wird durch

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die Platte 11 in zwei Strahlen nahezu gleicher Amplitude aufgeteilt. Ein Strahl wird durch die Platte 11 gebrochen, von der reflektierenden Oberfläche 11a reflektiert und dann auf den optisch ebenen Spiegel 12 geleitet, Dieser Strahl wird dann von dem Spiegel reflektiert und kehi't auf dem gleichen Weg zur Platte 11 zurück, wo er zur Linse IJ hin gebrochen wird. Der andere Strahl wird durch die Platte 11 gebrochen und gelangt auf den optisch ebenen Spiegel 14, der ihn auf dem gleichen Weg zur Oberfläche lla der Platte 11 zurückleitet, von wo er zur Linse 12 gelangt» Auf diese Weise werden aus einer einzigen Lichtquelle zwei durch die Linse 13 hindurchtretende Strahlen erzeugt, die zur Erzeugung von Interferenzen bzw. Interferenzstreifen geeignet sind. Die von den Spiegeln 12 und 14 erzeugten Bilder müssen dabei parallel zuainander sein. Es ist erwünscht, Einrichtungen zur Justierung der Winkelstellung eines der Spiegel bezüglich des anderen vorzusehen.

Eine planparallele optische Platte 15 (entsprechend der optischen Platte 11, jedoch nicht versilbert), die im folgenden als Kompensationsplatte bezeichnet wird, ist zwischen der Platte 11 und dem Spiegel 14 angeordnet, um für beide Strahlen gleiche optische Wege vorzusehen. In einem üblichen Michelson-Interferometer ist die

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Kompensationsplatte 15 parallel zur Platte 11 angeordnet. Qemäß der Erfindung wird die Kompensationsplatte 15 (oder eine entsprechende Einrichtung) jedoch gedreht oder führt Drehachwingungen aus, um den Woglängenunterschied zwischen den beiden Interferenzstrahlen zu verändern. Die Drehung der Platte 15 erzeugt zwar einen gewissen Astigmatismus. Dies ist jedoch nicht besonders störend. Aus der Geometrie der Anordnung gemäß Figur 1 ergibt sich, daß die Richtung dee vom Spiegel 14 reflektierten Strahles während der Drehung der Kompensationsplatte 15 gleichbleibt, sich die Weglöngen innerhalb der Kompensationsplatte 15 jedoch in Abhängigkeit von ihrer Winkelstellung ändert. Die Stärke der Kompensationsplatte I5 bestimmt die Grüße des Weg» längenuntersohiedes bei der Drehung. Eine runde, trans« parente Scheibe 16 ist auswechselbar an der Kompensationsplatte 15 befestigt. Sie befindet sich außerhalb des Strahlweges zwischen Platte 11 und Spiegel 14. Auf dem äußeren Umfang der Scheibe 16 ist eine Vielzahl von Bezugslinien 17 angeordnet. Mit Hilfe der in Pig. 3 dargestellten Anordnung, in der das Licht aus einer kleinen Lampe 18 durch die Scheibe 16 hindurch auf einen Fotodetektor I9 fällt, werden aus den Bezugslinien 17 Bezugssignale erzeugt. Der Fotodetektor I9 ist ein licht» empfindlicher Wandler, beispielsweise ein lichtempfindlicher

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Feldeffekttransistor,, ein Fotowiderstand, eine Fotozelle, eine Fotodiode oder ähnlichen_e Bei Drehung der Scheibe ?,6 wird das auf den Fotodetektor I9 fallende Licht durch die BezugsJinien 17 moduliert, Entsprechend besteht das Ausgangssignal des Fotodetektors aus einer Reihe von elektrischen Impulsen, deren Form vom Abstand und der Stärke der Bezugsllnien 17 abhängt. Zur Verbesserung dea Verfahrens ist vorzugsweise zwischen der Lampe IS und der SoheJ.be ein dünner Schlitz 20 angeordnet.

Es hat sich gezeigt, daß es vorteilhafter 1st, (Ue i:-ir.;:.ensationsplatte I5 einer Drehschwingung auszusetzen {bej spielsweise durch eine NockenanoiKSnungJals sie kontinuierlich rotieren zu lassen 1 Der Grund dafür iat„ daß der gewünschte gesamte Weglängenunterschied in den meisten Fällen mit Hilfe einer verhältnismäßig kleinen Winkelverschiei.11 mg der Kompensationsplatte lf> erreicht wird_o Die übliche Grenze der Winkelverschiebung beträgt etwa 45 „ Bei größeren Winkeln treten Fehler in der optischen Platte sehr stark hori'or«. In einem erprobten AusführungsbeispieJ der Erfindung vmrde eine !Compensations platte von 5 <®& Stärke benutzt. Durch diese Stärke wird die Winke.!auslenkung beschränkt., da bereits bei kleinen Winkeleus« lenkungen ein grußer Weglängenunterschied erzeugt wird. Zur Vergrößerung der Winkelauslenkung kann eine dünnere

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Kompensationsplatte benutzt werden und der noch erforderliche Ausgleich kann durch eine zusätzliche feste parallel zur Platte 11 angeordnete !Compensationsplatte hergestellt werden. Es sei bemerkt, daß der Winkel des Segmentes auf der Scheibe 16, der die Bezugslinien 17 enthält, durch den Drehwinkel der Kompensationsplatte 15 begrenzt 1st. Selbstverständlich können jedoch mehrere Sätze ähnlicher Bezugslinien 17 auf der Scheibe 16 unter Verwendung getrennter Lampen 18, Fotodetektoren 19 und zugehöriger Pulsformerschaltungen fUr Jeden Satz Bezugslinien vorgesehen sein.

Vorzugsweise erfolgen die Schwingungen der Kompensations· > platte 15 bei diesem AusfUhrungsbeispiel so, daß sich der Weglängenunterschied linear mit der Zeit vergrößert. Die Drehfrequenz der Kompensationsplatte 1st verhältnismäßig niedrig, zum Beispiel in der Größenordnung von einer Drehung pro Minute (insbesondere für Infrarot) bis 10 Hertz. Das aus dem Interferometer austretende Licht wird durch die Linse 13 gebündelt und auf den Fotodetektor 21 geleitet, der aus einer lichtempfindlichen Einrichtung ähnlich der vorstehend beschriebenen (z.B. ein lichtempfindlicher Feldeffekttransistor) besteht. Es ist erwünscht, dem Fotodetektor 21 nur einen einzigen Interferenzstreifen, z.B. den mittleren Interferenzstreifen

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zuzuführen. Dies kann dadurch erfolgen, daß eine Maske IjJa vorgesehen ist, welche nur den mittleren Interferenzstreifen durchläßt oder dafl ein schmaler Fotodetektor verwendet wird, der nur das Licht eines einzigen Interferenzstreifens aufnimmt. Das AuBgangssignal des Potodetektors 21 besteht aus einer der Gesamtintensität des aus dem Interferometer austretenden Lichtes proportionalen Oleichspannung und einer Wechselspannungskomponentβ, Das Ausgangssignal des Potodetektors 21 wird durch den Verstärker 22 verstärkt. Die Oleiohspannungskomponente und sich langsam ändernde Weohselspannungskomponenten werden duroh den Hoohpass 23 ausgefiltert, dessen Qrenzfrequenz beispielsweise 5 Hertz oder weniger beträgt. Das Ausgangssignal des Hochpasses 25, welches aus einer die Interferenzinformation enthaltenden Wechselspannung besteht, wird der Gatterschaltung 24 zugeleitet. Diese Gatterschaltung wird periodisch in Abhängigkeit von den durch die Bezugslinien 17 erzeugten Bezugseignalenwie folgt geöffnet. Das Auegangssignal des Potodetektors 19, das eine duroh die Modulation des Lichtes der Lampe 18 duroh die Drehbewegung der Bezugslinien 17 erzeugte Wechselspannung enthält, wird im Verstärker 25 verstärkt und dann einer Impulsformerschaltung 26 zugeführt, die Impulse zur Steuerung der Gatterschaltung 24 erzeugt.

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In Pig· 2 sind «in« typisohe hinter dem Hoohpass 2J auftretend« Wechselspannung 27 und entsprechende Steuerimpulse 28 der ImpulefonMrschaltung 26 dargestellt. Die Wechselspannung 27 zeigt den allgemeinen Pail, dafl das in das Interferometer eintretende Licht aus einer Mischung von Prequenxen besteht. Es sei bemerkt, daß die Steuerimpulse 28 jeweils alt den positiven Teilen der Wechselspannung 27 susamaentreffen · Wenn also die positiven Teile der Wechselspannung 27 alt den Steuerimpulsen 28 zusamnentreffen, 1st die richtige Beziehung hergestellt. Das Ausgangssignal der Gatterschaltung 24 wird einer Integriersohaltung 29 zugeführt, deren Auegangssignal von geeigneten Anseigeelnrlohtungen 30, beispielsweise eines Meßgerät, einen NeBsohreiber oder Shnllohem angezeigt wird . Stimmt die Wechselspannung 27 genau mit den Steuerimpulsen 28 Überein, so erzeugt die Zntegriersohaltung 29 eine Ausgangagleiohspannung, die von den Anzeigeeinriohtungen 30 angezeigt wird. Stiemt Jedoch die Wechselspannung 27 nicht alt den Steueriapulsen 28 tiberein, so wird das Ausgangssignal der Gatterschaltung 24 von der Integrierschaltung 29 unterdrückt und das Ausgangssignal der Integrieinschaltung 29 ist gleich Null. Die verschiedenen beschriebenen elektronischen Schaltungen sind alle von üblicher Bauart. Palis erwUnsoht kann auch die Übereinstimmung alt negativen Teilen der Wechselspannung 27 festgestellt werden, indem

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eine zusätzliche Gatterschaltung vorgesehen wird, die in den Zeiträumen zwischen den einzelnen Steuerimpulsen 28 öffnet. Die Ausgangssignale der Gatterschaltung*?!! werden dann jeweils den Eingängen eines DifferenzlerverstIrkers zugeführt. Derartige elektronische Auswertesohaltungen sind für sich bekannt.

Die Arbeitsweise des Interferometers gemäß der Erfindung wird zunächst anhand einer monochromatischen Lichtquelle S beschrieben. Ist die Wellenlänge des Lichtes beispiels-

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weise 5 000 A und die Stärk? und der Drehwinkel der Kompensationsplatte 15 so, daß der Weglängenunterschied zwischen den beiden Strahlen mit jeder vollständigen Bewegung der !Compensations platte 15 um 1.000 Wellenlängen verändert wird, so werden in der Intensität des aus der Linse IJ austretenden Lichtes 1.000 Interferenzen a^obaohtet. Die Interferenzen haben einen gleichmäßigen Abstand voneinander und die gleiche Frequenz, wenn man annimmt, daß der Weglängenunterschied zwischen den beiden Strahlen linear mit der Zeit geändert wird. Die Bezugs= linien 17 auf der Scheibe 16 entsprechen dem Maxima des abgestrahlten Lichtes. In dem beschriebenen Beispiel bestehen die Bezugslinien 17 aus 1.000 entsprechend voneinander entfernten Linien, so daß sie genau mit den 1.000 Interferenzstreifen des abgestrahlten Lichtes über-

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einstimmen. Die Bezugslinien können durch Aufbringen einer fotografischen Emulsion auf die Scheibe und Belichtung mit Lichtimpulsen durch den Schlitz 20 bei Drehung der !Compensationsplatte 15 fotografisch hergestellt werden. Die Lichtimpulse werden von der mit dem Auegang des Hoohpasses 2J verbundenen Lampe 18 erzeugt. Auf diese Weise entsteht eine Reihe von Linien auf dem äußeren Umfang der Scheibe 16, die den Maxima in der Auagangsspannung des Fotodetektors 21 entsprechen. Vorteilhafterweise wird die Ausgangsspannung des Fotodetektors 27 zur Erzeugung der Bezugslinien 17 soweit wie möglich verstärkt und dann einer Begrenzerschaltung zugeführt, so daB die der Lampe 18 zugeführte Spannung aus Rechteckimpulsen besteht.

Es ist klar, daß fUr Jede monoohromatische Wellenlänge ein besonderer Abstand der Bezugslinien 17 vorhanden ist. Durch Verwendung verschiedener Platten 16, die jeweils für eine bestimmte Wellenlänge vorgesehen sind, kann das Interferometer gemäß der Erfindung zur Feststellung des Vorhandenseins von Irgend welchen bestimmten Wellenlängen in dem in das Interferometer eintretende Licht benutzt wer» den. Die Selektivität des Interferometers hängt von der Anzahl der Wellenlängen um die der Weglängenuntersohied geändert werden kann und von der Anzahl der in der

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Integrlersohaltung ausgewerteten Signale ab. Wird beispielsweise der WeglKngenuntersohied um 1.000 Wellenlangen gelindert, so werden entsprechend der 1.000 Bezugslinien 17 1.000 Steuerimpulse erzeugt und l.()00 Ausgangssignale der Gatterschaltung integriert. Die effektive Bandbreite betragt In diesen Fall etwa 0,1 %, Durch Verwendung ausreichend starker Kompensationsplatten und Emulsionen hoher Auflösung auf der Scheibe 16 können Bandbreiten von 0,01 % err«loht werden.

In dem vorstehend beschriebenen AusfUhrungsbeispiel wurde monochromatisches Licht benutzt. Es 1st jedooh klar, daß das Interferometer gemäß der Erfindung auch zur. Analyse von umfangreichen Spektren, zum Beispiel Emissions- oder Absorptionsspektren in Oasen und Dämpfen, benutzt werden kann. Ein typisches Spektrum von aus dem Interferometer austretendem Lioht, das dem komplexen Spektrum des einfallenden Lichtes entspricht, ls'i in Fig. 4 dargestellt. Im Mittelteil des dargestellten Spektrums sind große Änderungen der Intensittttsaiaplltude zu erkennen (im folgenden als Streifen bezeichnet). Diese treten auf, wenn der Weglüngenunteraohied fast Null 1st. Ist der Wegl&ngenuntersohled gleich Null, so sind die Schwingungen aller Wellenlängen in Phase. Diese Phasen-Uherelnstlmmung geht bei Vergrößerung des Wegla*ngenunter·»

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schiedea verloren. Die nahe dem Weglängenunterschied Null auftretenden Streifen werden als Interferenzstrelfen nullter Ordnung bezeichnet. Da die Phase der Streifen bei dem Weglängenunterschied Null konstant und unabhängig von der Frequenz ist, können die nahe dem Weglängenunterschied Null auftretenden Streifen nicht für Meßzwecke benutzt werden. Man erkennt, daß auf jeder Seite der in Flg. 2 dargestellten Interferenzstreifen nullter Ordnung eine Reihe von Maxima und Minima auftreten. Jeder dieser Bereiche kann zur Bestimmung der im einfallen Licht enthaltenen Frequenzen benutzt werden.

Für Jedes in das Interferometer eintretende Licht mit einem charakteristischen Spektrum erhält man am Ausgang

des Interferometers ein charakteristisches Interferogramm. Wie vorstehend dargelegt, erhält man bei monochronatischem Licht eine Reihe gleichförmiger Interferenzstreifen, wenn der Weglängenunterschied linear mit der Zeit geändert wird. Bei einem komplexen Spektrum ein alt man eine entsprechende Weilenform, die die gesamte Information bezüglich des Prequenzgehaltes des einfallenden Lichtes enthält. Das Interferometer kann für das charakteristische Absorptionsspektrum eines Gases geeicht werden, beispielsweise durch

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Anbringen einer das Oaa enthaltenden Zelle vor der BlngangeöTfnung des Interferometers. Duron diese Zelle wird dann Licht großer Bandbreite in das Interferometer geleitet. Die fotografische Keulelon auf der Scaeibe 16 wird wie vorstehend beschrieben ln*iteiltet und die entstandenen Bezugsllnlen 17 auf der Soheibe sind charakteristisch für das in der Zelle enthaltene besonderes Gas. Wird die gleiche Soheibe zur Analyse von Gas oder Dampf unbekannter Zusammenstellung benutzt, so ist der Grad der Übereinstimmung, der durch den Signalpegel am Ausgang der Integriersofcaltung 29 angezeigt wird, eine Punktion der in der unbekannten Prob?» •«♦■,hn? ftenen '·*η£« ^©s bestimmten tlAftas. Huroh entspreeheric Ellung ü*a Zulu ν - , ferooeters mit bekannten Gasen und Dampfen verschiedener Diohten ist es möglich, die Diohte eines in einer unbekannten Probe vorhandenen bestimmten Gases zu beskinansn. Daher kann das erfindungsgem&Bse Interferometer zur Absorptionsmessung in großen Weglängen in luft benutzt werden, beispielsweise zur Untersuchung von Luftver·- unreinigungen. In diesem Falle ist es jedoch erforderlich, die sich ändernde Intensität dee einfallenden Lichtes zu

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kompensieren. Dies kann durch Übliche automatische Ausglelohssteuerung des Fotodetektors 21 und des Verstärkers 22 erfolgen, so daß einmittlerer Gleichepannungn» pegel am Ausgang des Fotodetektor« 21 aufrechterhalten wird· Die Folge der automatischen Ausgleichesteuerung 1st, daß das am Ausgang der Integriereohaltung auftretende Signal auf eine effektive Stsndardllohtintensität bezogen 1st und daher den Qrad der ctmoephKrlschen Absorption des analysierten Spektrums quantitativ anzeigt.

Bei dem in Flg. 5 dargestellten anderen AuBfUhrungsbeispiel der Erfindung 1st der Ausgang des Verstärkers 22 nit einem Schmalband-Kristallfilter 31 verbunden. Die optischen Teile dieses Interferometers stimmen mit denen aus Fig. I Ubereln und wurden in Fig. 5 weggelassen, da zur Erklärung der Arbeitswelse dieses Ausftthrungsbelspiels nur die Scheibe 16 erforderlich ist. Ferner stimmen die meisten elektronischen Bauteile mit deneu aus Fig. 1 überein, obwohl sich die Betriebsweise dieses AusfÜhrungsbelspiele wegen des Kristallfliters 31 erheblich von derjenigen des in Fig. 1 dargestellten AusfUhrungsbeispiels unterscheidet, l'as Ausgengssignal dos Kristallfilters 31 wird mit Hilfe der Diode 32 gleichgerichtet, tischen der Diode 32 ur»d der Gatterschaltung 2k ist ein Bandpass 33 angeordnet. Zur Vereinfachung wird die Arbeitsweise dieses AusfUhrungs-

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belaplele zunäohst unhand von einfallendem monochromatischem Lioht beeohrieben. Ee sei angenommen, daß die Kompeneationeplatte 15 mit konstanter Winkelgeechwindig-Iceit Drehaohwingungen ausfuhrt. Wie im Ausführungsbelspiel geaäß Pig. 1 bewegt eich die Kompensatlonaplatte 15 zyklisch zwischen zwei Orenzlagen. In einer Orenslage let der Weglängenuntersohled ein Minimum, und zwar derart, daß die in Flg. 4 dargestellten Interferenistreifen nullter Ordnung nioht erzeugt werden« In der anderen Orenzlage let der Weglängenuntersohled ein Maximum» dessen Oröfie von der Stärke der Kompensationsplatte 15 abhängt;. Wird die Kompensationsplatte I5 alt konstanter Winkelgeschwindigkeit zwlsohen diesen beiden Orenzlagen bewegt, so Ändert ■loh der Weglängenuntersobied anstatt linear mit der Zeit, wie in Falle des AuafUhrungsbeispiels aus Flg. 1, sinusförmig« Miamt man an. dad das einfallende Lioht monochrome tie oh ist, so ändert βloh auch die Frequenz der Interferenzen des austretenden Lichtes sinusförmig. Mit anderen Worten, die Frequenz der Interferenzen lindert sich während der Drehung der !Compensationsplatte 15 von unteren Orenzlage in die obere Grenzlage. Es läßt sieh zeigen, daß diese kontinuierliche Änderung der Frequenz viermal während jedes Drehvorganges der Kompensationsplatte 15 wiederholt wird. Die Mittenfrequenz des Kris ta Hf liters 31 ist nahezu gleloh der Frequenz In der Mitte des Bereiohes

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«wischen der oberen und der unteren Frequenzgrenze. Seine Bandbreite 1st eo eohmal wie mttglloh. Während Jeder Drehbewegung der !Compensationsplatte 15 entspricht aleo die Frequenz der am Ausgang des Fotodetektors 21 auftretenden Wechselspannung viermal der Mlttenfrequftnz de* Krietallfiltere 31. In diesen vier Fällen gelangt durch das Kristallfiltern 31 ein Signal und wird Is Gleichrichter 32 gleichgerichtet. Das gleichgerichtete Signal wird dann de· Bandpass 33 zugeleitet,iun ein inpulsfurmlges Signal zu erzeugen. Der Bandpass läßt nur die einhüllende Welle des Signales duroh, während die vergleichsweise hochfrequente "Trägereohwlngung" innerhalb der einhüllenden Welle zurückgehalten wird. Für jede Wellenlänge ergeben sich vier bestimmte WinkeIstollungen der KoBpeneationsplatte 15, bei denen ein Signal duroh das Kristallfilter 31 gelangt. Die Bezugslinien 17 auf der Scheibe 16 können in gleicher Weise wie anhand von Flg. 1 beschrieben hergestellt werden. Die Arbeitswelse der übrigen Schaltung entspricht genau derjenigen In Aueftthrungsbeispiel gemäß Fig· 1. Bei Drehung der Koapensationsplatte 15 wird eine Reihe von Impulsen vo» Bandpass 33 abgegeben und durch die Gatterschaltung 24 alt den Bezugslinien 17 der Scheibe 16 In Verbindung gebraoht. Die Integrierechaltung 29 erzeugt nur dann

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an Ausgang ein Qleiahepannungselgnal, wenn Übereinstimmung vorhanden let. Bin Vorteil dieses AusiTUhrungsbeicpleJ.a let, daß die Anzahl dar Bezugslinlen 17 für ein gegebenes Spektrum gegenüber des ersten Aueführungsbolspiel erheblich verringert ist. Die Ursache besteht darin, daß duroh daß Kristallfilter Jl eine Fourier-Analyse durchgeführt wird. Anstel3,e dea Vergleichen Bit einer großen Anzahl von Bezugalinien 17« die individuelle Spitzen oder Maxima im Interferogramm darstellen, wird ein Zusammenhang zwischen der erheblich kleineren Anzahl von Spitzen hergestellt, die durch die Fourier«·Analyse im Interferogramm erzeugt wurden Die Folge ist, daß die Scheibe 16 weniger Aufzeichnungen trügt und daß daß Inter* feroaeter verhältnismäßig unempfindlich gegen geringe, langsam erfolgende Änderungen in der Weglänge ist,, welohe bei Teraperaturänderungen und Voränderungen an verschiedenen Bauteilen dee Interferometers auftreten können. Bafüx» muß jedooh die Winkelgeschwindigkeit der Kompensation*- platte 15 exakt gesteuert werden« Das Ergebnis bei diesem AusfUhrungsbeiepiel gemäß der Erfindung 1st eine Funktion der Bandbreite des Kristallfilters 2>1 und der Konstanz der Bewegung der Kompensationsplatte 15.

Bei d«r Beschreibung der Arbeitswelse des Ausftthrunge« beisplels gemäß Fig. 5 wurde gesagt, daß die Kompen&aticnsplatto J.5 sich mit konstante? Winkelgeschwindigkeit dreht.

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Wie vorstehend dargelegt, ändert sich die Frequenz der Interferenzstreifen des austretenden Lichtes dann sinusförmig. Um eine Fourier-Analyse mit linearer Zeltbasis su erreichen, muß die Konpensationsplatte 15 so bewegt werden, daß die Änderung des Weglängenuntex^ohiedes konstant ist. Wenn diese Bedingungen erfüllt wird, vergrößert sich die Frequenz der aus dem Interferometer austretenden Interferenzstrelfen während der Drehung der Konpensationsplatte 15 linear mit der Zeit. Die Koapensationsplatte 15 kann mit Hilfe von entsprechend geformten Nookeneinriohtungen in irgend einer gewünschten Art bewegt werden. Die Bewegung der {Compensationsplatte .' 15 wird durch die Form der Nookeneinrichtung"bestimmt. Bin möglioher Maohtell dieser Anordnung ist, daß die mechanischen Antriebseinrichtungen extrem genau sein müssen. Um die bei mechanischen Antrieben auftretenden Probleme zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß der Weglängenunterschied linear mit der Zeit geändert wird (z.B. mit konstanter Geschwindigkeit) und daß die Frequenz der Änderungsgesohwindigkelt des Weglängenunterschiedes während einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Bewegungen langsam mit der Zeit vergrößert wird. Dies kann beispielsweise mit einem Synchronmotor dadurch erreicht werden, daß die Frequenz der Speisespannung des Motors allmählich vergrößert wird.

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Dl· Drehgeschwindigkeit der Kompenaationsplatte 15 «oll anderen Parametern dee Interferometers angepaßt werden· Beispielsweise kann die Frequenz der Interferenz t reif en nloht größer sein ale die Anspreohgesohwlndigkeit des PotodeRektors 21. Entsprechend darf die finderungagesohwin· digkelt der Frequenz der den Krletallfllter 31 zugeführten Signale nicht zu groß bezüglich der Einßahwlngieit des Xrlstallfliters sein. Ferner lat ea erwünscht, die Bandbreite dee einfallenden Lichtes auf denjenigen Spektralbereloh zu beschränken, der von Interesse 1st, da eine unnötig große Bandbreite des einfallenden Liohtea die dynaaisohe Bnpfindliohkeit des Fotodetektor« 21 zerstören kann« Zur Beschränkung der Bandbreite können Interferenzfilter oder andere Monochromatoren benutzt werden. Es ist klar« daß das größte mit dem Interferometer zu analysierende Wellenlängenband von der Stärke der Kompensnftiloneplfltte 15 abhingt.

Obwohl die Erfindung an eich sowohl für den Infrarotbereloh des Spektrums als auch für dessen sichtbaren und ultravioletten Bereich benutzt werden kann, ist es in der Praxis schwierig, •ine geeignete transparente Kompensationsplatte 15 für Wellenlängen im Infrarotbereich herzustellen. Demgemäß kann für den Infrarotbereloh die in Fig. 6 dargestellte Anordnung benutst werden. Dort ist die Koapeneationsplatte 15 durch

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ein Paar Spiegel 34 und 33 ersetzt. Das Lioht wird von der Platte 11 auf den Spiegel 34 geleitet, der parallel zu dem optieoh ebenen Spiegel 35 angeordnet ist. Der von der Platte 11 kommende Lichtstrahl wird von Spiegel 34 auf den 8piegel 35 reflektiert, von wo er auf den Spiegel 14 geleitet wird. Die Spiegel 34 und 35 sind auf einer Platte 36 befestigt, die in gleicher Welse wie die !Compensations platte 15 um einen bestimmten Winkel drehbar ist. Der Strahl wird dann vom Spiegel 14 entlang des gleichen Weges zur Platte 11 zurUokgeleitet. Aus der Geometrie der Anordnung gemXfi PIg. 6 ergibt sloh, daß durch die Drehsohwlngungen der Spiel 34 und 35 bezüglich der Richtung des von der Platte 11 kommenden Strahles die WeglHnge des Strahles zykllsoh geändert wird. Daher kann die WeglKnge des Strahles alt Hilfe der Anordnung gemKd Flg. 6 ohne Brechung geändert werden. Es können also erhebliche Änderungen in der WeglKnge erzielt werden, die sogar für den Infrarotbereioh des Spektrums ausreichen.

Obwohl die Erfindung anhand eines Michelson-Interferometer« beeohrleben wurde, 1st es klar, daß dae Prinzip der Erfindung auch In anderen Arten von Interferometer^ angewendet werden kann, beispielsweise de» Jamin-, Mach-Zehnder- und Fabry-Perot-Interferometer. In Fig. 7 1st eine Anordnung gemäß Fabry-Perot alt einer Kompensationaplatte I5 und einer

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zwischen zwei planparallelen optischen Platten 37 und 38 angeordneten Scheibe 21 dargestellt. V/ie anhand der Miohelsonsohen Anordnung vorstehend beschrieben, wird die Kostpensationsplatte I5 gedreht oder In Drehaahwlngungen versetzt« um die WeglHnge der mehrfach umgeleiteten Strahlen zu verändern, die duroh die mehrfachen inneren Reflektieren in den optischen Platten 37 und 38 entstehen.

Zur Aufbringung der Bezugslinien 17 können anstelle von fotografischen Emulsionen oder Filmen auch magnetische Trommeln oder Magnetband benutzt werden, die auf entsprechenden Trägern auswechselbar an dor Scheibe 16 be festigt werden. Die "Bezugslinien" sind dann statt fotografisch magnetisch gespeichert. Ein Nachteil dieser Anordnung 1st Jedoch, daß im Vergleich zur fotografischen Aufzeichnung weniger Informationen auf gleichem Favm untergebracht werden können. Eine magnetische Trommel oder ein Magnetband können jedoch für schnelle und einfache Programme geeignet sein. Außerdem ist es sehr einfaoh, die gespeicherten Muster auszuwechseln. Die in Flg. 8 dargestellte Anordnung wird bei Benutzung von Magnetband verwendet. Ein Streifen Magnetband 39 wird auf einem Sektor eines nicht magnetischen Halters 40 angebracht. Die Achse 41 verbindet die Kompensationsplatte

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■it de« Halter 40 derart, deB dieser zusannen mit der Kompensation«platte DreheolMringungen ausführt. Der Fotodetektor 19 aua den Pig. 1 und 5 wird durch einen (!blieben Aufnahme/Wiedergabekopf 42 ersetzt. Mit ihn wird die Information auf den Magnetetreifen 29 aufgebracht und abgenoonen.

Bei einer weiteren Anordnung können die Bezugallnlen 17 auf eine Maske aufgebracht werden, die von einer am Rahmen des Interferometer« befestigten Halterung getragen wird. Sie 1st also nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, an der Scheibe 16 befestigt. Die Bezugesignale können dadurch erseugt werden, dafl ein schmaler Lichtstrahl von einem kleinen auf der Konpensationsplatte 15 befestigten Spiegel auf die Maske geleitet werden, so daß bei Drehung der Koapensat ions platte der Lichtstrahl die Bezüge linien 17 abtastet. Ein Vorteil dieser Anordnung 1st, daß durch Fehlen der Sohelbe 16 die träge Masse der Kompensation«- platte 15 verringert wird.

suιsch.

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Claims

Barringer Research Limited (US 5213V66 prio 22.11.1966

Hamburg, den 17. November 1967

Patentansprüche

1. Abta«tinterferometer mit einem bewegbaren optiaohen Element zur Änderung des WeglKngenuntersohiedes der interferierenden Teile des Liohtee, gekennzeichnet durch Antriebeeinrichtungen zur Erzeugung einer den WeglKngenuntereohied zyklisch in vorbestimmter Weise Ändernden Drehbewegung des optiaohen Elementes (15)» durch S pe kt ra 1 bee timatunge einrichtungen (16, 17), die synchron zur Bewegung des optiaohen Elementes (15) das Spektrum des Liohtee kennzeichnende Bezugssignale erzeugen, durch eine das aus dem Interferometer austretende Licht aufnehmende Wandlereinriohtung (21)» die das Höht in seiner Intensität proportionale elektrische Signale umwandelt« und durch eine Aus-Werteeinrichtung (24» 2$_t 30) zur Anzeige der Lage der Bezugseignale und der elektrischen Signale zueinander·

2· Abt«etinterferometer nach Anspruoh 1, dadurch gskesm-

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dal dl« Drehbewegung da« optischen Elementes (50) alna Drehaohwlngung iat.

3. Abtastlnterferoaeter naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gtkeangelahnet, dai dta οptl»cha Blanant aua einer planparallelen, transparenten Platte (I5) besteht,

4. Abtaatinterferoneter naoh einem der Ansprüche 1 bla 3, dadurch gekennzeichnet» daf die Spektralbestlasjungeelnrlohtungen aus einer tranaparanten Soheibe (16) bestehen« auf der llohtundurohlBsslge Linien (17) unter Freihaltung durchsichtiger Zwieohenrltuo· angebracht Bind, und dai die Spektralbeetiaanmgaeinrlehtungen alt Abtaeteinrlohtungen (18« 19, 20) sur Brseugung der Besugaalgnale aus den Linien (17) bei Bewegung des Bleaentes (15) gekoppelt sind.

5· AbtastinterferoMeter nach Anspruch 4> dadurch gekennselohnet, dafl die transparente Scheibe (16) alt dea optischen Bleaent (15) verbunden iat.

6. Abtastlnterferoeeter naoh Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet* dal die Abtaateinrichtungen eine Laape (18) und einen Fotodetektor (19) enthalten« die einander gegenüberliegend jeweils an einer Seite der transparenten Soheibe (16) la Bereich der Linien (17) angeordnet sind*

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7. Abtaatinterferoeeter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dal die Auswerteeinrichtung (24, 29, 30) eine Gatterschaltung (24) enthielt, der die elektrlaohen Signale zugeführt werden und die von den Besugaslgnalen gesteuert wird.

8« Abtastinterferoaeter naoh Anspruch 7, dadurch gekenn» Belohnet, daß der Ausgang der Gatterschaltung (24) alt einer Integrlersohaltung (29) verbunden ist, deren Ausgang su einer Anzeigeschaltung (JO) geführt 1st.

9. Abtastlnterferometer naoh einem der AnaprUohe 1,2, 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dafl das optische Element aus einem Paar im Abstand voneinander parallel zueilender angeordneter ebener Spiegel (34, 35) besteht, die auf einer drehbarer, Platte (36) befestigt sind und daß einer dieser Spiegel (34) Ir. Weg eines der Liohtstrahlen derart angeordnet'ist, daß dieser Lichtstrahl von dem einen Spiegel (34) auf den anderen Spiegel

(35) reflektiert und von dort parallel zum ursprünglichen Weg des Lichtstrahles geleitet wird.

10. Abtast interferometer naoh einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektral« bestimmungselnrlohtungen einen die fiezugesignale tragenden

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und ait daa optlaohan Sleaant (15) verbundenen Magnatbandstrelfen enthalten, τοη de« dia Besugsalgnale mit Hilf· alnaa Tonkopf aa (42) abnehmbar alnd.

ll.Abtaatinterferometer geaftB Fabry-Perot nach eine« der vorhergehenden Aneprüahe, dadurch gekennzeichnet, da£ das optlaohe Element (15) arischen den Ib Abstand roneinander planparallelen zueinander angeordneten optlaohan Platten befestigt lit.

12«Abtaatlnterferoaeter naoh einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenngelohnet, daß das optleohe Element (15) derart bewegt wird« daß eich der Weg~ lVngenunterschied zwlsohen den beiden Strahlen linear mit der Zeit vergrößern.

IJ.Abtaatinterferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daβ das optische Element (15) eine Drehsohwlngung mit konstanter ti.*ntolgeeohwlndigkelt ausführt, so daß die Frequenz der aus dem Interferometer austretenden Xnterferenzet βifen sich sinusförmig zwlsohen einer oberen und einer unteren Grenze lindert und daß die Wandlereinriohtung einen eohmalband-Krlatallfilter (3I) enthält, daa auf eine Frequenz etwa in der Mitte zwiaohen der oberen und der unteren Grenze abgestimmt 1st*

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14. Abtes tinterferoeieter naoh eines der Ansprüohe 1 bis II» dadurch getoennMlohMt, dal das optisch* Bleaent (15) «in· Dreheobwlnguns derart ausführt, daf der tfeglinajenuntersohled wXt konstanter Oesohwlndlt^celt eslndert wird, wodurch die Frequenz der aus de« Interferoeieter austretenden Znterferonsstreifen sloh linear alt der Zelt swlsohen einer oberen und einer unteren Orense todert und did die Wandlereinrichtung •in eohaelband-ICriatallf liter (31), das auf eine Fre<iuens etwa iwieobeo der oberen und der unteren Orense abeestiaat ist» enthält.

sutsoh.

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