DE2434439A1

DE2434439A1 - Multiplex-interferometer

Info

Publication number: DE2434439A1
Application number: DE2434439A
Authority: DE
Inventors: Gerald Leo Auth
Original assignee: Eocom Corp Irvine Calif (vsta); Eocom Corp
Current assignee: CNA Holdings LLC
Priority date: 1974-02-13
Filing date: 1974-07-17
Publication date: 1975-08-14
Also published as: CA1008267A; DE2434439C3; US3936193A; DE7424410U; JPS50115841A; JPS5815729B2; DE2434439B2; GB1458298A; FR2260789B1; FR2260789A1

Description

Priorität: 13. Februar 1974, U.S.A., Nr. 442 254

Multiplex-Interferometer

Die Erfindung bezieht sich auf Lichtineßeinrichtungen und betrifft insbesondere optische Interferometer, wie sie zur Spektralanalyse elektromagnetischer Frequenzen verwendet werden.

Interferometer werden seit vielen Jahren zur Messung und Analyse der Frequenzspektren elektromagnetischer Strahlung verwendet. Insbesondere dienen optische Interferometer gewöhnlich dazu, spektroskopische Daten wie etwa Lagen von Linien, Intensitäten und Absorp« tionskoeffizienten zu berechnen. Interferometer werden ferner zur Überwachung von chemischen Prozessen, zur Bestimmung der Zusammensetzung von gasförmigen Proben mit sehr geringen Konzentrationen und zur graphischen Aufzeichnung der Spektralcharakteristiken von fernen Emissionsbüscheln und Wärmequellen herangezogen.

Einer der heute verwendeten Interferometertypen ist das Michelson-Interferometer. Es weist einen halbversilberten Spiegel oder Strahlenteiler auf, der unter einem Winkel von 45° bezüglich der zu messenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist. Der Strahlenteiler zerlegt die Strahlung in zwei Teile, wobei jeder Teil längs eines eigenen senkrechten Weges innerhalb des Interferometers geleitet wird. Ein Teil der Strahlung wird von einem Ästen Spiegel reflektiert, während der andere Teil von einem bewegbaren

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Spiegel reflektiert wird. Die beiden Teile werden danach wieder an dem Strahlenteiler vereinigt und interferieren optisch miteinander in einem Haß, das proportional zu ihrer Phasenverschiebung ist. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilen wird durch · die Ungleichheit der ¥eglängen zwischen dem bewegbaren-Spiegel und dem festen Spiegel erzeugt.

Obwohl die Prinzipien und die generelle Arbeitsweise der Michelson-Interferometer wohl bekannt sind, weisen die meisten dieser Instrumente mechanische Beschränkungen und arbeitsmäßige Behinderungen auf. Beispielsweise entwickeln die meisten Interferometer während des Betriebs erhebliche Schwingungen, die die Spektralmessungen stören. Derartige Schwingungen werden entweder durch den Motor und Antrieb für den bewegbaren Spiegel erzeugt oder rühren von dessen Lagerungen her. Entstehen derartige Schwingungen, so sind die Interferometer nach dem Stand der Technik dabei nicht in der Lage, sie rasch zu dämpfen. Ferner ist es nicht möglich, die bekannten Instrumente rauhen Umweltsbeanspruchungen, mechanischen Stoßen oder starken Temperaturschwankungen auszusetzen; treten derartige Bedingungen auf, so sind gewöhnlich eine umfangreiche Nachjustierung des Instruments und Wiederholung der Kessungen erforderlich.

Das Multiplex-Interferometer ist ein Michelson-Interferometer, bei dem der bewegbare Spiegel auf einem von zwei Luftlagern gestützten bewegbaren Schlitten montiert ist. Die Luftlager sind bezüglich des bewegbaren Spiegels und des Schlittens derart angeordnet, daß der gemeinsame Schwerpunkt des Spiegels und des Schlittens über den gesamten Bewegungsbereich des Spiegels stets mit dem Unterstützungszentrum der Lager zusammenfällt. Ferner ist das Interferometer innerhalb eines Gehäuses montiert, das nicht nur eine starre Unterstützung für den Apparat bildet, sondern auch Wärmeausdehnungen aufnimmt und etwaige auf das Instrument ausgeübte mechanische Stöße absorbiert. Um die Durchführung von Spektralmessungen zu erleichtern, weist das Interferometer ferner einen auf den Strahlenteiler ausgerichteten Gaslaser zur Erzeugung periodischer Interferenzmuster sowie eine weiße Lichtquelle zur Erzeugung eines Bezugspunktes für das System auf.

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Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen starren, rohrförmigen Rahmenaufbau für ein Interferometer und einen symmetrisch ausgeglichenen Schlitten für den bewegbaren Spiegel zu schaffen. Der rohrförmige Rahmen und der symmetrisch ausgeglichene Schlitten sollen dabei miteinander eine exakte Steuerung des bewegbaren Spiegels gestatten.

Ein zweites Ziel der Erfindung besteht darin, Kippfehler, Unregelmäßigkeiten und Schwingungen von den Optiken eines Interferometers zu beseitigen und dadurch die Möglichkeit zu schaffen, daß der bewegbare Spiegel längs eines langen Weges ohne merkliche Bewegung in der Mitte des Interferenzmusters funktionsfähig ist.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine isometrische Darstellung eines Multiplex?

Interferometers mit einem symmetrischen Schlitten für einen bewegbaren Spiegel und einem auf einen Strahlenteiler ausgerichteten Gaslaser;

Fig. 2 eine teilweise horizontal geschnittene Draufsicht zur Darstellung der inneren Anordnung der Bauteile innerhalb des Multiplex-Interferometers nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2;

Fig. 4 eine Stirnansicht des Multiplex-Interferometers nach Fig. 1;

Fig. 5 ein Kräftediagramm zur Erläuterung der gegenseitigen Orte und Richtungen der Kräfte, die an dem Schlitten des bewegbaren Spiegels in dem Multiplex-Interferometer nach Fig. 1 angreifen;

Fig. 6 eine schematische, teilweise geschnittene Draufsicht, wobei gewisse Teile weggebrochen dargestellt sind, um die elektrischen Bauteile und die optischen Wege in dem Multiplex-Interferometer nach Fig. 1 zu erläutern; und

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein Multiplex-Interferometer

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mit einem inneren Motor und einer Motor-Baugruppe gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 bis 4 ist mit 20 ein Multiplex-Interferometer bezeichnet, das einen Linearmotor 22, einen Arm 24 für den festen Spiegel und einen Arm 26 für den bewegbaren Spiegel aufweist. Bei dem Linearmotor handelt es sich um ein herkömmliches elektromagnetisches lineares Betätigungselement, wie es beispielsweise gewöhnlich zur Einstellung von magnetischen Lese-Schreibköpfen bei Computer-Plattenspeichern verwendet wird. Der Linearmotor weist eine im folgenden noch beschriebene elektrische Steuerschaltung auf und ist starr an dem Arm 26 für den bewegbaren Spiegel angebracht. Der Arm 26 bildet ein'zylindrisches Rohr, das an seinem einen Ende einen Befestigungsflansch für den Motor 22 und an seinem anderen Ende einen 45°-Flansch aufweist. Das Multiplex-Interferometer 20 ruht auf drei Füßen 25, die unter dem Arm 26 für den bewegbaren Spiegel angeordnet sind, sowie auf einer (nicht gezeigten) Motorhalterung an dem Linearmotor 22. Die Füße 25 sind so ausgelegt, daß sie eine stabile, nicht-kippfähige Unterstützung vermitteln. Der Arm 24 für den festen Spiegel bildet ebenfalls ein zylindrisches Rohr, hat jedoch an seinem einen Ende eine Abschlußplatte 29 und an seinem anderen Ende einen komplementären 45°-Flansch. Die Abschlußplatte 29 deckt das Ende des Arms und bildet eine innere Montageplatte für eine im folgenden beschriebene Halterung für den festen Spiegel.

Die beiden komplementären 45°-Flansche 28, 30 sorgen dafür, daß die Arme 24, 26 senkrecht aufeinanderpassen, und sind je weils mit sehr kritischen und engen Toleranzen bearbeitet, um die erforderliche optische Ausrichtung zwischen dem Arm 24 mit dem festen Spiegel und dem Arm 26 mit dem bewegbaren Spiegel zu erzielen. Jeder 45°-Flansch weist einen mittleren Abschnitt auf, der zur Erzeugung eines rechteckigen Kanals ausgespart ist. Werden die beiden Flansche aufeinandergepaßt, so bilden die beiden rechteckigen Kanäle einen Strahlenteiler-Halter 32. Der Halter 32 bildet also einen rechteckigen Schlitz, der unter einem Winkel von 45° bezüglich beider Längsachsen der Arme 24, 26 angeordnet ist. Gemäß Fig. 1 und 2 ist der Halter 32 für den

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Strahlenteiler so gestaltet, daß sich eine Strahlenteilerplatte 33 einbauen und herausnehmen läßt. Die Strahlenteilerplatte bildet eine rechteckige, lichtundurchlässige Halterung für einen Primärstrahlenteiler 34 und einen SekundärstrahH-enteiler 35. Der Primär strahlenteiler, besteht aus einem teilweise durchlässigen und teilweise reflektierenden Material, das die zu messende auftreffende elektromagnetische Strahlung, wie im folgenden beschrieben, in zwei Teile zerlegt. Der Sekundärstrahlenteiler 35 besteht ebenfalls aus einem teilweise durchlässigen und teilweise reflektierenden Material, der, wie im folgenden beschrieben, weißes Licht in zwei Teile zerlegt. Die Strahlenteiler können aus den verschiedensten Materialien, darunter Quarz, Kalziumfluorid, Kaliumbromid und Mylar, hergestellt sein. Der freiliegende rechteckige Schlitz des Strahlenteiler-Halters 32. ermöglicht einen einfachen Austausch der verschiedenen Strahlenteiler.

An der Seitenwand des Arms 24 für den festen Spiegel ist nahe dem 45°-Flansch 30 eine Eintrittsöffnung 38 angeordnet, durch die die zu messende einfallende elektromagnetische Strahlung in das Multiplex-Interferometer 20 gelangt. Die Eintrittsöffnung 38 wird von einem generell kreisförmigen Loch gebildet, das relativ zu dem Primärstrahlenteiler 34 derart angeordnet ist, daß die elektromagnetische Strahlung unter einem Winkel von genau 45 auf dessen ebene Oberfläche fällt. Gegenüber an der Seitenwand des Arms 2β für den bewegbaren Spiegel ist nahe des 45 -Flansches 28 eine Austrittsöffnung 40 angeordnet, durch die die wiedervereinigte elektromagnetische Strahlung das Interferometer verläßt. Die Austrittsöffnung 40 wird ebenfalls von einem generell kreisförmigen Loch gebildet und ist relativ zu dem Primärstrahlenteiler 34 so angeordnet, daß die wiedervereinigte und von dem Primärstrahlenteiler reflektierte elektromagnetische Strahlung durch die Austrittsöffnung 40 nach außen gelenkt wird.

An zwei Auslegern 42 an der Seitenwand des Arms 26 für den bewegbaren Spiegel nahe der Austrittsöffnung 40 ist ein. herkömmlicher Laser 44 montiert. Der Laser muß so gewählt werden, daß er Strahlung in einem Frequenzbereich erzeugt, der die zu messen-

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de Strahlung nicht stört. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wurde ein Helium-Neon-Laser verwendet, der auf einer Wellenlänge von 6.328 A arbeitete. Der Laser emittiert eine im wesentlichen monochromatische elektromagnetische Strahlung in Richtung des 45°-Flansches 28 parallel zur Längsachse des Arms 26 für den bevfegfearen Spiegel. Von einem an einer Konsole 48 montierten Laserprisma 46 wird die Strahlung dann durch die Austrittsöffnung 40 gerichtet. Bei dem Laserprisma handelt es sich um ein herkömmliches Umlenkprisma, das den Laserstrahl auf den Primärstrahlenteiler 34 spiegelt. Gegenüber an der Seitenwand dec Arms 24 für den festen Spiegel nahe der Eintrittsöffnung 38 ist ein Laserinterferenz-Zähler 50 montiert. Der Strahl aus dem Laser dient dazu, auf die im folgenden beschriebene Weise Interferenzmuster in dem Interferometer zu erzeugen, wobei der Zähler 50 das Auftreten dieser Interferenzmuster bei Bewegung des bewegbaren Spiegels zählt.

Innerhalb des Arms 24 für den festen Spiegel ist an der Innenseite der Abschlußplatte 29 eine justierbare Halterung 58 für einen festen Spiegel 60 angebracht. Bei dem festen Spiegel handelt es sich um einen kreisförmigen Oberflächenspiegel, der in Fluchtung mit der Austrittsöffnung 40 und unter einem Winkel von 45° mit der ebenen Fläche des Primärstrahlenteilers 34 angeordnet ist. Während optischer Messungen ist der feste Spiegel stationär; er läßt sich jedoch durch zwei komplementäre Doppelkeile 62, 64 justieren. Die Doppelkeile sind mittels zweier an ihnen angebrachter Schneckenräder 66 einzeln relativ zueinander drehbar. Jedes Schneckenrad ist durch eine Schnecke 68 drehbar, die an einer Welle 70 befestigt ist. Die beiden Wellen verlaufen durch die Abschlußplatte 29 und sind durch einen Schraubenzieher oder sonstige herkömmliche Mittel drehbar. Die beiden gegenläufig drehbaren Doppelkeile 62, 64 bilden die einzige erforderliche Justierung für das Multiplex-Interferometer.

Zwischen dem Laser 44 und der Seitenwand des Arms 26 mit dem bewegbaren Spiegel ist eine weiße Lichtquelle 76 angeordnet. Diese Lichtquelle erzeugt gebündeltes weißes Licht, das auf

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den Sekundärstrahlenteiler 35 gerichtet wird. An der Abschlußplatte 29 des Arms 24 mit dem festen Spiegel ist direkt gegenüber der weißen Lichtquelle 76 ein stationärer Spiegel 78 für das weiße Licht angebracht. Der Spiegel 78 ist in Fluchtung mit dem Sekundärstrahlenteiler 35 und der weißen Lichtquelle 76 angeordnet. Senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen der weißen Lichtquelle 76 und dem stationären Spiegel 78 ist direkt gegenüber dem Sekundärstrahlenteiler 35 ein bewegbarer Spiegel 80 für das weiße Licht angeordnet. Dieser bewegbare Spiegel 80 für das weiße Licht ist so montiert, daß er sich zusammen mit dem im folgenden beschriebenen bewegbaren Spiegel bewegt. Sowohl der bewegbare Spiegel 80 als auch der stationäre- Spiegel 78 für das weiße Licht bilden herkömmliche, an der Oberfläche reflektierende Spiegel, die das Licht von der Quelle 76 auf den Sekundärstrahlenteiler 35 reflektieren. Zwischen dem Laserinterferenz-Zähler 50 und der Seitenwand des Arms 24 mit dem festen Spiegel ist ein Detektor 82 für das weiße Licht angeordnet. Bei dem Detektor 82 handelt es sich um eine lichtempfindliche Zelle, die in Fluchtung mit dem Sekundärstrahlenteiler 35 und dem bewegbaren Spiegel 80 für das weiße Licht angeordnet ist. Der Detektor 82 mißt die Menge des auf seine Meßfläche fallenden weißen Lichts. Die weiße Lichtquelle, die zugehörigen Spiegel und • der Detektor dienen zur Erzeugung eines Bezugspunktes für Spektralmessungen.

Das Multiplex-Interferometer 20 umfaßt ferner innerhalb des Arms 26 einen bewegbaren Spiegel 90. Bei dem Spiegel 90 handelt es sich um einen herkömmlichen, an der Oberfläche reflektierenden Spiegel, der in Fluchtung mit der Eintrittsöffnung 38 und unter einem Winkel von 45° zu der ebenen Fläche des PrimärStrahlenteilers 34 angeordnet ist. Der bewegbare Spiegel 9.0 ist starr an einer Stirnplatte 92 montiert und wird während seiner Bewegung kontinuierlich in genauer rechtwinkliger Fluchtung zu dem festen Spiegel 60 gehalten. An der Stirnplatte 92 ist ferner auch der oben beschriebene bewegbare Spiegel 80 für das weiße Licht starr montiert. Die Stirnplatte 92 ist ihrerseits starr an einem Transportzylinder 94 befestigt. Der Linearmotor 22 bewegt den Zylinder 94 in Richtung der Längsachse des Arms 26 hin und her, wobei die

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exakte rechtwinklige Ausrichtung zwischen den beiden Spiegeln aufrechterhalten wird. Innerhalb des Transportzylinders 94 und koaxial an diesem angebracht befindet sich eine Transportstange 96, die, wie im folgenden beschrieben, zur Messung der Geschwindigkeit des bewegbaren Spiegels dient. ^

Wie im einzelnen in Fig. 2 bis 4 dargestellt, werden der bewegbare Spiegel 90, die Stirnplatte 92, der Transportzylinder 94 und die Stange 96 von einem Schlitten 100 getragen und in optischer Ausrichtung gehalten. Der Schlitten 100 weist zwei Stützarme 102 auf, die einander gegenüber an dem Transportzylinder 94 starr befestigt sind. Die Stützarme 102 verlaufen durch zwei in den Seitenwänden des Arms 26 vorge-sehene Längsschlitze 103 und gestatten horizontale Hin- und Herbewegungen des bewegbaren Spiegels 90. Innerhalb jedes Stützarms ist ein Luftlager 104 vorgesehen, das den Schlitten 100 auf zwei seitlichen Stangen IO6 abstützt. Bewegt sich der Spiegel 90 innerhalb des Arms 26, so gleitet der Schlitten 100 längs der stationären seitlichen Stangen IO6, bleibt dabei jedoch wegen der beiden Luftlager außer Reibungskontakt mit den Stangen. Jedes Luftlager 104 bildet zwischen der betreffenden seitlichen Stange und dem Stützarm ein Luftkissen« Mit 116 sind zwei Luftanschlüsse bezeichnet, die zur Versorgung der Luftlager mit Luft an eine (nicht gezeigte) Luftquelle angeschlossen sind.

Die beiden seitlichen Stangen IO6 bilden spitzenlos geschliffene Stangen aus nichtrostendem Stahl, die die optische Ausrichtung des bewegbaren Spiegels bezüglich des Interferometers aufrechterhalten. Die seitlichen Stangen sind parallel zueinander und in einem Abstand von der Längsachse des Arms 26 mit dem bewegbaren Spiegel ausgerichtet. Die genaue Ausrichtung der seitlichen Stangen I06 wird durch vier Auflegeböcke 108 mit Keilnut bewirkt, die Teil der Seitenwände des Arms 26 bilden. Jeder Auflegebock 108 weist ein Paar von einander gegenüberliegenden schrägen Kanten 110 auf, die so genau bearbeitet sind, daß sie die optische Ausrichtung der seitlichen Stangen 106 gewährleisten. Jede Kante ist ferner abgeschrägt, so daß zwischen der Kante und der seitlichen Stange nur Punkt-

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berührung stattfindet. Jede seitliche Stange wird gegen beide Gruppen von Auflegekanten 1TO durch einen federbelasteten Stift 112 gedrückt, der innerhalb einer Haltekappe 114 an dem Auflegebock 108 enthalten ist. Es ist zu beachten, daß die seitlichen Stangen in Längsrichtung nicht festgehalten sind und sich unabhängig von dem Arm 26 mit dem bewegbaren Spiegel thermisch ausdehnen können. *

In Fig. 5 ist mit W die resultierende Kraft des Gewichtes angegeben, das am Schwerpunkt 117 der bewegbaren Baugruppe 118 angreift. Die Baugruppe 118 umfaßt sämtliche Bauteile, die sowohl von dein Linearmotor 22 transportiert als auch von den Luftlagern 104 gestützt werden. Zu diesen Bauteilen gehören der bewegbare Spiegel 90, der bewegbare Spiegel 80 für das weiße Licht, die Stirnplatte 92, die Luftlager 104, der Transportzylinder 94 und die Stange 96. Das gesamte Gewicht W der bewegbaren Baugruppe wird von den beiden Lagern getragen, und die von diesen Lagern auf die Stützarme 102 ausgeübten Tragkräfte sind durch die Bezugszeichen F1 dargestellt. Die beiden an den Stützarmen 102 angreifenden Tragkräfte F1 lassen sich durch Vektoraddition zu,einer resultierenden Tragkraft F zusammenfassen, die an einem Punkt angreift, der als Unterstützungsmittelpunkt bezeichnet wird und ebenfalls bei 117 liegt.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Stützarme 102 als Zapfen für die bewegbare Baugruppe wirken. Die Stützarme sind in Richtung der Längsachse der bewegbaren Baugruppe genau derart angeordnet, daß der Schwerpunkt der Baugruppe exakt mit dem Unterstützungsmittelpunkt zusammenfällt und die resultierende Tragkraft F das Gewicht W genau ausgleicht. Würde beispielsweise der bewegbare Spiegel 90 vorne an der bewegbaren Baugruppe schwerer gemacht, so könnten die Stützarme weiter nach vorne verschoben v/erden, bis der Unterstützungsmittelpunkt wieder mit dem Schwerpunkt zusammenfällt. Aufgrund dieser Tatsache wird erreicht, daß an dem Interferometer angreifende Beschleunigungskräfte oder Schwingungen keine Kräftepaare oder Drehmomente bilden, die den bewegbaren Spiegel beim Betrieb kippen könnten.

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Der Linearmotor 22 bewegt die Baugruppe 118 dadurch, daß er ihr eine rait FA bezeichnete Kraft zuführt. Die Stützarme 102, die wie Lagerzapfen für die bewegbare Baugruppe wirken, sind auch vertikal derart angeordnet, daß die Kraft FA am Unterstützungsmittelpunkt und Schwerpunkt 117 angreift. Infolgedessen werden keine Kräftepaare oder Drehmomente erzeugt, die den Spiegel verschwenken könnten, wenn er beim Betrieb längs seiner Bewegungsbahn angetrieben wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß die geometrische Anordnung der beiden seitlichen Stangen 106 an den beiden Seiten der bewegbaren Baugruppe 118 eine symmetrische Unterstützung für die Baugruppe bildet. Jede Stange 106 ist genau parallel zur Längsrichtung der bewegbaren Baugruppe 118 ausgerichtet. Miteinander führen und stützen die beiden seitlichen Stangen den bewegbaren Spiegel 90 über seine gesamte Bewegungsbahn und sind so angeordnet, daß der Schwerpunkt der Baugruppe während der gesamten Bewegung stets mit dem Unterstützungsmittelpunkt zusammenfällt.

Gemäß Fig. 6 bewegt der Linearmotor 22 den Transportzylinder 94 und damit den bewegbaren Spiegel 90 mit Hilfe einer Hauptantriebswicklung 124. Die Geschwindigkeit, mit der der Linearmotor den bewegbaren Spiegel.transportiert, wird von einer Meßwicklung 126 gemessen. Die Heßwicklung umgibt die Transport stange 96, so daß die Bewegung der Stange durch die Wicklung ein Geschwindigkeitssignal erzeugt. Der Ausgang der Meßwicklung 126 ist an einen Vorverstärker 128 angeschlossen, der das Geschwindigkeitssignal aus der.Meßwicklung mit einer Bezugsspannung vergleicht. Der Vorverstärker erzeugt ein Fehlersignal, das angibt, ob sich der bewegbare Spiegel zu schnell oder zu langsam bewegt. Der Ausgang des Vorverstärkers ist mit einem Leistungsverstärker 130 verbunden, der die Haupantriebswicklung 124 des Linearmotors aussteuert. Das Geschwindigkeitsfehlersignal aus dem Vorverstärker bewirkt, daß der Leistungsverstärker die Geschwindigkeit des bewegbaren Spiegels korrigiert. Der beschriebene, die Meßwicklung 126 und den Vorverstärker 128 umfassende Kreis bildet einen Geschwindigkeitsgeber, der ein Steuersystem für den Linearmotor in Form einer

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geschlossenen Schleife bildet. Der Kreis dient dazu, Hochfrequenz-Schwingungen "bei Bewegungen der bewegbaren Baugruppe zu eliminieren und die Geschwindigkeit des bewegbaren Spiegels 90 zu stabilisieren.

Zum Betrieb des Interferometers 20 wird zuerst die Strahlen-"teilerplatte 33 in den Strahlenteiler-Halter 32 eingefügt. Die Strahlenteilerplatte 33 enthält den Primärstrahlenteiler 34, der entsprechend dem Bereich der zu messenden Wellenlängen gewählt wird. Die einfallende Strahlung gelangt durch die Eintrittsöffnung 38 in das Interferometer und fällt unter einem Winkel von 45° auf den Primär strahlenteiler 34. Der Strahlenteiler 34 zerlegt die einfallende Strahlung in zwei Teile. Die beiden Teile der Strahlung werden längs verschiedener Bahnen in dem Interferometer geleitet. Der eine Strahlungsteil verläuft durch den Primärstrahlenteiler und trifft auf den bewegbaren Spiegel 90. Der andere Strahlungsteil wird von dem Primärstrahlenteiler reflektiert und fällt auf den festen Spiegel 60. Danach werden die beiden Teile der Strahlung von den jeweiligen Spiegeln auf den Primärstrahlenteiler reflektiert, wo sie wieder vereinigt werden. Die Länge des von demjenigen Strahl zurückgelegten Weges, der von dem festen Spiegel reflektiert wird, ist konstant. Demgegenüber ist die Weglänge des von dem bewegbaren Spiegel reflektierten Strahls variabel, da sich der Spiegel in Längsrichtung innerhalb des Interferometers bewegt. Haben die von den beiden getrennten Strahlungsteilen zurückgelegten Vie ge identische. Längen, so ist die vriedervereinigte Strahlung identisch der ursprünglich einfallenden Strahlung. Sämtliche Wellen haben dann gleiche Phase, und der Energieverlust ist minimal. Hat jedoch der eine Strahlungsteil einen weiteren Weg zurückgelegt als der andere, so sind die Wellen bei der Wiedervereinigung in einem gewissen Maß phasenverschoben, das von den Wellenlängen der Strahlung abhängt. Dabei interferieren die Wellen des einen Strahlungsteils mit denen des anderen und dämpfen sie. Ist die Ungleichheit der Weglängen derart, daß die Wellen einer bestimmten Wellenlänge um 180 phasenverschoben sind, so löschen die Wellen dieser speziellen Wellenlänge bei der Wiedervereinigung einander aus, wodurch für die Strahlung dieser Wellenlänge maximaler Energieverlust eintritt. In der Praxis hat die

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auf das Interferometer fallende- Strahlung mehrere Wellenlängen; indem der bewegbare Spiegel durch den Arm 26 bewegt wird, führen zunächst die Wellen mit den kürzesten Wellenlängen und dann die Wellen mit zunehmend längeren Wellenlängen zu der oben beschriebenen Dämpfung und Auslöschung.

V ·

Die wiedervereinigte Strahlung wird von dem Primärstrahlenteiler 34 durch die AustrittsÖffnung 40 aus dem Interferometer hinaus auf einen fokussierenden Spiegel 136 reflektiert, der die Strahlung auf einen lichtempfindlichen Detektor 138 spiegelt. Der Detektor erzeugt ein zur Energie der auftreffenden Strahlung proportional schwankendes elektrisches Signal. Die Ausgangsgröße des Detektors wird als Interferogramm bezeichnet und gibt diejenige Energie an, die der Detektor aufnimmt, indem der bewegbare Spiegel 90 sich in Längsrichtung innerhalb des Interferometers bewegt.

Die Baugruppe 118 mit dem bewegbaren Spiegel wird von dem Linearmotor 22 in Längsrichtung durch den Arm 26 transportiert. Die Bewegung der Baugruppe ist gleichmäßig und kontinuierlich. Die Geschwindigkeit der bewegbaren Baugruppe wird von dem Geschwindigkeitsgeber gesteuert, der das von dem Leistungsverstärker 130 dem Linearmotor zugeführte Ausgangssignal regelt. Die bewegbare Baugruppe wird von zwei Luftlagern 102 an den beiden seitlichen Stangen 106 gestützt. Die seitlichen Stangen gewährleisten die rechtwinklige Ausrichtung des bewegbaren Spiegels 90 bezüglich des festen Spiegels 60 während der gesamten Bewegung der bewegbaren Baugruppe. Sämtliche Bauteile des Interferometers mit Ausnahme der Spiegel, Strahlenteiler und seitlichen Stangen sind aus derselben Aluminiumlegierung hergestellt. Aufgrund dieser Tatsache erübrigt sich die Kompensation von Wärmeausdehnungen.

Die weiße Lichtquelle 76 erzeugt einen gebündelten weißen Lichtstrahl, der auf den Sekundärstrahlenteiler 35 fällt. Ebenso wie oben beschrieben, wird das weiße Licht in zwei Teile zerlegt; und die beiden Teile v/erden von dem zugehöri-

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gen stationären Spiegel 78 bzw, dem zugehörigen bewegbaren Spiegel 80 reflektiert. Die beiden Strahlungsteile werden dabei auf den Sekundärstrahlenteiler zurückgeworfen, wieder vereinigt und auf den zugehörigen Detektor 82 geworfen. Der Detektor 82 erzeugt ein der Energie der auftreffenden Strahlung proportionales Signal. Da die Verteilung der Wellenlängen bei weißem Licht bekannt ist, und sich ein reproduzierbares Interferogramm herstellen läßt, ergeben die weiße Lichtquelle, der Detektor und die zugehörigen Spiegel einen Bezugspunkt während der Spektralmessungen.

Der Helium-Neon-Laser 44 erzeugt eine im wesentliche monochromatische Strahlung, die von dem Laser-Spiegel 46 auf den Primärstrahlenteiler 34 gerichtet wird. Ebenso wie oben beschrieben, legt die monochronatische Strahlung genau den gleichen ¥eg wie die zu messende einfallende Strahlung in umgekehrter Richtung zurück. Der wiedervereinigte Laserstrahl wird durch die Eintrittsöffnung 38 auf den Interferenzzähler 50 geworfen. Der Zähler 50 ermittelt die Anzahl von Interferenzringen, die durch die Bewegung des bewegbaren Spiegels 90 durch den Arm 26 erzeugt v/erden.

In Fig. 7 ist mit 140 ein Interferometer gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezeichnet. In diesem Beispiel ist der Linearmotor 22 vollständig innerhalb des Arns 26 mit dem bewegbaren Spiegel enthalten. Das Interferometer 140 lagert nur auf drei Füßen 25; die Halterung für den linearen Betätigungsmotor fehlt. Aufbau und Arbeitsweise der übrigen Bauelemente des Interferometers 14O sind, identisch wie bei dem oben offenbarten Interferometer 20. Dadurch, daß der Linearmotor innerhalb des Arms mit dem bewegbaren Spiegel montiert ist, läßt sich die Länge des Arms wesentlich reduzieren. Infolgedessen ist es möglich, •das Interferometer auf lediglich drei Füßen abzustützen, wobei erhebliche Stabilität und erheblicher Schwingungswiderstand erreicht werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß in beiden Ausführungsbeispielen die beiden kreiszylindrischen Rohre der Spiegelarme 24,

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und die beiden 45°-Flansche 28, 30 einen starren, unbiegsamen Aufbau für das Interferometer bilden. Durch Verwendung kreiszylindrischer Rohre in der oben beschriebenen Art und Weise ist das Interferometer in der Lage, äußerlichen Stoßen sowie auch Vibrationen mit kurzen ¥ellenlängen bis hinunter zu den Wellenlängen der zu messenden Strahlung zu widerstehen. Durch Verwendung einer symmetrisch abgeglichenen bewegbaren Baugruppe 118, bei der so^■rohl der Schwerpunkt stets mit dem Unterstützungsmittelpunkt zusammenfällt als auch die Beschleunigungskraft FA an demselben Punkt angreift, wird ferner die Entstehung von Drehmomenten und Kräftepaaren bezüglich des bewegbaren Spiegels verhindert. Dadurch lassen sich Verschwenkungen, Unregelmäßigkeiten und Vibrationen an den Optiken des Interferometers eliminieren.

An den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind zahlreiche Modifikationen und Änderungen innerhalb des Schutzunfangs der Erfindung möglich. Beispielsweise können die beiden seitlichen Stangen 106 mit den zugehörigen Stützarmen 102 durch eine Vielzahl von Stangen und Stützarmen ersetzt werden, solange gewährleistet ist, daß der Schwerpunkt der bewegbaren Baugruppe 118 stets mit dem Unterstützungsmittelpunkt zusammenfällt.

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Claims

Patentansprüche

rl .j Interferometer zur Spektralmessuing vsn elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet durch

(a) einen das Interferometer tragenden starren Rahmen (24, 26),

(b) eine feste Spiegelanordnung (58) mit einer an dem starren Rahmen justierbar montierten reflektierenden Fläche (60)_t

(c) eine an dem starren Rahmen bewegbar montierte Spiegelanordnung (118) mit einer reflektierenden Oberfläche (90), die rechtwinklig zu dem festen Spiegel (60) ausgerichtet ist,

(d) einen an dem starren Rahmen montierten Strahlenteiler (34), der die auftreffende Strahlung in zwei Teile zerlegt und diese nach Reflexion von dem festen bzw. dem bewegbaren Spiegel (60, 90) wieder vereinigt,

(e) -eine die bewegbare Spiegelanordnung (118) auf dem Rahmen abstützende Einrichtung (106), die einen mit dem Schwerpunkt der bewegbaren Spiegelanordnung zusammenfallenden Unterstützungsmittelpunkt bildet, wo bei der Unterstützungsmittelpunkt und der Schwerpunkt über den gesamten Bewegungsbereich der bewegbaren Spiegelanordnung zusammenfällt, und

(f) eine die bewegbare Spiegelanordnung (118) auf der

Stützeinrichtung (106) bewegbar tragende Lagereinrichtung (104).

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2. Interferometer zur Spektra lines sung von elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet durch

(a) einen das Interferometer tragenden starren Rahmen (24, 26),

(b) eine feste Spiegelanordnung (58) mit einer an dem starren Rahmen justierbar montierten reflektierenden Fläche (60)_$

(c) eine an dem starren Rahmen "bewegbar montierte Spiegelanordnung (118) mit einer reflektierenden Oberfläche (90), die rechtwinklig zu dem festen Spiegel (60) ausgerichtet ist,

(d) einen an dem starren Rahmen montierten Strahlenteiler (34), der die auftreffende Strahlung in zwei Teile zerlegt und diese nach Reflexion von dem festen bzw. dem bewegbaren Spiegel (60,90) wieder vereinigt,

(e) eine an dem Rahmen montierte Einrichtung (22), die die bewegbare Spiegelanordnung (118) linear bezüglich der festen Spiegelanordnung (58)- und dem Strahlenteiler (34) transportiert,

(f) zwei an dem Rahmen parallel und in Abstand voneinander montierte seitliche Stangen (106), die die reflektierende Fläche (90) der bewegbaren Spiegelanordnung (118) rechtwinklig zu der reflektierenden Fläche (60) der festen Spiegelanordnung (58) halten, und

(g) einen Schlitten (100), der die bewegbare Spiegelanordnung (118) während ihrer Bewegung auf den beiden seitlichen Stangen (106) trägt.

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3. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden seitlichen Stangen (106) horizontal auf beiden Seiten der bewegbaren Spiegelanordnung (118) angeordnet sind.
4. Interferometer nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Schlitten (100) zwei an der bewegbaren Spiegelanordnung (118) angebrachte seitliche Stützarme (102) sowie zwei Lager (104) aufweist, die die Arme auf den beiden seitlichen Stangen (106) tragen.
5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Unterstützungsmittelpunkt der Lager (104) mit dem Schwerpunkt der bewegbaren Spiegelanordnung (118) zusammenfällt.
6. Interferometer zur Spektralmessung von elektromagnetischer Strahlung mit einem festen Spiegel, einem rechtwinklig zu dem festen Spiegel bewegbaren Spiegel und einem zwischen den beiden zueinander senkrechten Spiegeln unter einem Winkel von 45° angeordneten Strahlenteiler, der die auftreffende Strahlung in zwei Teile zerlegt und die beiden Teile nach Reflexion von dem festen bzw. dem bewegbaren Spiegel wieder vereinigt, gekennzeichnet durch

(a) einen an dem Interferometer montierten Laser (44) zur Erzeugung von monochromatischer elektromagnetischer Strahlung, die durch den Strahlenteiler (34) gerichtet und von den beiden Spiegeln (60, 90) re-. flektiert wird, und

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•ii

(b) einen ebenfalls an dem Interferometer montierten Interferenzzähler (5Q), der die monochromatische elektromagnetische Strahlung von dem Laser (44) derart aufnimmt, daß die monochromatische Strahlung durch das Interferometer den gleichen ¥eg wie die auftreffende elektromagnetische Strahlung zurücklegt.
7.- Interferometer zur Spelrfcralmessung von elektromagnetischer Strahlung mit einem festen Spiegel, einem rechtwinklig zu dem festen Spiegel bewegbaren Spiegel und einem zwischen den beiden zueinander senkrechten Spiegeln unter einem Winkel von 45° angeordneten Strahlenteiler, der die auftreffende Strahlung in zwei Teile zerlegt und die beiden Teile nach Reflexion von dem' festen bzw. dem bewegbaren Spiegel wieder vereinigt, gekennzeichnet durch

(a) eine an dem Interferometer montierte weiße Lichtquelle (7¹S),

(b) einen an den Interferometer nahe dem festen Spiegel. (6o) montierten sekundären festen Spiegel (78),

(c) einen sekundären bewegbaren Spiegel (80), der nahe dem obengenannten bewegbaren Spiegel (90) montiert und rechtwinklig zu dem sekundären festen Spiegel (78) bewegbar ist,

(d) einen an dem Interferometer nahe dem Strahlenteiler (34) montierten Sekundärstrahlenteiler (35), der das weiße Licht in zwei Teile zerlegt und diese Teile nach Reflexion von dem sekundären festen Spiegel bzw. dem sekundären bewegbaren Spiegel wieder vereinigt* und?

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(e) einen an dem Interferometer montierten Detektor (82), der das an dem Sekundärstrahlenteiler (35) wieder vereinigte weiße Licht aufnimmt, so daß sich für das Interferometer ein optischer Meßpunkt definieren läßt.
8. Interferometer zur Spektralmeßung von elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet durch

(a) zv/ei geschlossene Arme (24, 25), die über zwei Flansche (28,- 30) rechtwinklig miteinander verbunden sind,

("b) einen an den Flanschen in optischer Ausrichtung mit den "beiden Armen montierten Strahlenteiler (34·),

(c) einen in dem ersten Arm (24) angeordneten festen Spiegel (60), ■ ·.;■·.

(d) eine Einrichtung (62, 64? 66, 68) aur Justierung des festen Spiegels (60), um dessen Orientierung genau auf den zweiten Arm (26) auszurichten,

• (e) einen in dem zweiten Arm (26) angeordneten bewegbaren Spiegel (90),

(f) eine Einrichtung (100), die den bewegbaren Spiegel (90) auf den Strahlenteiler (34) zu und von diesem weg bewegbar montiert,

(g) vier an den zweiten Arm (26) angeformte Halterungsblöcke "(1.08), von denen jeder genau bearbeitete Keilnuten aufweist, wobei auf jeder Seite des zweiten Arms (26) jeweils zwei Blöcke in Fluchtung miteinander angeordnet sind,

(h) zwei seitlich, parallel und in Abstand voneinander in den Keilnuten der Halterungsblöcke (108) angeordnete

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- SO

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zylindrische Stangen (10β), und

(i) zwei Lager (104), die die Montageeinrichtimg (100) für den bewegbaren Spiegel (90) auf den beiden Stangen (106) abstützen.
9. Interferometer zur Spektralaessung von elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet durch

(a) ein erstes zylindrisches Rohr (24) mit einer Abschlußplatte (29) am einen Ende und einem 45°-Flansch (30) am anderen Ende,

(b) ein zweites zylindrisches Rohr (26) mit einer Motorhalterung am einen Ende und einem zweiten 45°- Flansch (28) am anderen Ende, wobei die beiden- Rohre (24, 26) über die beiden Flansche (28, 30) starr aneinander befestigbar sind,

(c) eine an der Abschlußplatte (29) des ersten Rohres (24) justierbar montierte feste Spiegelanordnung (58) mit einer reflektierenden Fläche (60),

(d) eine in dem zweiten Rohr (26) angeordnete bewegbare Stirnplattenanordnung (118) mit einer zu dem festen Spiegel (60) rechtwinkligen reflektierenden Fläche (90),

(e) einen zwischen den beiden Rohren (24, 26). an den Flanschen (28, 30) montierberen Strahlenteiler (34), der auf die auftreffende elektromagnetische Strahlung, den festen Spiegel (60) und den bewegbaren Spiegel (90) optisch ausgerichtet ist,

(f) eine an dem zweiten Rohr (26) montierte Einrichtung (100) zum linearen Transport der an der bewegbaren Stirnplattenanordnung (118) vorgesehenen reflektieren-

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den Fläche (90) relativ zu dem festen Spiegel (90) und zu den Strahlenteiler (34), und

(g) eine reibungslose Lagerung (104), die die bewegbare Stirnplattenanordnung (118) während des Transports innerhalb des zweiten Rohrs (26) stützt und ausrichtet und deren Unterstützungsmittelpunkt stets mit dem Schwerpunkt der Stirnplattenanordnung (118) zusammenfällt.
10. Interferometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die lineare Transporteinrichtung

(a) einen Linearmotor (22) zum Transport der bewegbaren Stirnplattenanordnung (118),

(b) eine Meßwicklung (126) zur P-Iessung des bewegbaren Spiegels (90), sowie

(c) eine an die Meßwicklung (126) angeschlossene Einrichtung (128) zur Stabilisierung der Geschwindigkeit des Linearmotors (22)

umfaßt.
11. Interferometer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rohre (24, 26) kreiszylindrisch sind; daß zwei parallele und in horizontalem Abstand voneinander angeordnete seitliche Stangen (106) in Auflegeböcken (108) an den Seitenwänden des zweiten Rohrs (26) vorgesehen sind, die parallel zur Längsachse des zweiten Rohrs verlaufen; daß an der Stirnplattenanordnung (118) zwei horizontal gegenüberliegende Stüztarme (102) montiert sind, die jeweils eine mit der betreffenden seitlichen Stange (106)

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koaxiale zylindrische Bohrung aufweisen; und daß innerhalb der Bohrungen in den Stützarnen (102) reibungslose Lager (104) vorgesehen sind, die die bewegbare Stirnplattenanordnung (118) in Fluchtung mit den seitlichen Stangen (106) halten.
12. Interferometer nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die zylindrisehen Rohre (24, 26) , die feste Spiegelanordnung (58), die Stirnplattenanordnung (118) und die Stützarme (102) sämtlich aus einer genieinsamen Legierung hergestellt sind,
13. Interferometer nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die seitlichen Stangen (106) in den Auflegeböcken (108) durch Federstifte (112) gehalten sind, um Wärmeausdehnungen der Stangen relativ zu dem Interferometer zu kompensieren»
14. Interferometer nach einem der Ansprüche 9 bis 13» dadurch gekennzeichnet , daß die seitlichen Stangen (106) spitzenlos geschliffene Zylinder aus nichtrostendem Stahl sind.
15. Interferometer nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch einen fokussierenden Spiegel (136) und einen Detektor (138) zur ^T/,^rahrnehniung und Ilessung der von de:,; Interferometer erzeugten Interferenzmuster.

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