DE4215871A1 - Interferometer nach Michelson - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer nach Michelson nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft insbeson­ dere ein solches Interferometer nach Michelson für die Fourier-Transform-Spektroskopie (FTS), bei welchem optische Wegdifferenzen statt mit hin- und herbewegten Spiegelelemen­ ten durch rotierende Spiegelelemente erzeugt werden.

Solche Michelson Interferometer, welche auch als "Fourier- Spektrometer" bezeichnet werden, bei denen die optischen Wegdifferenzen durch rotierende Reflektoren erzeugt werden, sind beispielsweise aus DE 33 46 455.3 A1 oder DE 34 31 040 C1 bekannt. Hierbei werden exzentrisch und geneigt angeord­ nete, d. h. "nutierende" Retroreflektoren verwendet. Zur Erzeugung größerer optischer Wegdifferenzen, also höherer spektraler Auflösungen werden zwei oder mehr Retroreflekto­ ren in - bezogen auf die optische Wegänderung in den beiden Interferometerarmen - asynchrone Rotation versetzt, wobei eine feste Phasenbeziehung der verschiedenen Drehbewegungen zueinander eingehalten werden muß. (Siehe beispielsweise DE 40 05 491 Al oder DE 40 13 399 C1).

Bei diesen bekannten Michelson Interferometern mit rotieren­ den Retroreflektoren hat sich folgendes als nachteilig her­ ausgestellt:

• a) Zur Erzeugung einer hohen spektralen Auflösung kann das Interferometer nicht mit nur einem Retroreflektor betrieben werden, sondern es sind zwei oder mehr dieser relativ teue­ ren Elemente notwendig.
• b) Um die erforderliche feste Phasenbeziehung der verschie­ denen Drehbewegungen von zwei oder mehr Retroreflektoren zu­ einander einzuhalten, müssen aufwendige Maßnahmen ergriffen werden. Eine elegante Lösung wäre der Antrieb jedes Reflek­ tors mit einem eigenen Schrittschaltmotor und die "elektro­ nische Kopplung" aller Motoren untereinander mittels nur eines gemeinsamen Steuertaktes für alle Motoren. Bei dieser Lösung ist jedoch nachteilig, daß die mechanischen Vibra­ tionen durch den Schrittbetrieb der Motoren sich auf den gesamten Aufbau in einer für das Meßsignal störenden Weise übertragen, was wiederum nur durch zusätzliche aufwendige, mechanische Dämpfungsmaßnahmen behoben werden kann. Ferner ist der Aufwand bei einem solchen Interferometer durch jeden zusätzlich notwendigen Antriebsmotor noch weiter erhöht. Außerdem sind Schrittschaltmotoren grundsätzlich teuerer als vergleichbare Gleichspannungsmotoren, die für den Betrieb nur eines Retroreflektors ausreichen. Ferner ist, wenn zwei oder mehr Retroreflektoren von nur einem Motor angetrieben werden, eine Kopplung über ein Getriebe erforderlich. Abge­ sehen davon, daß durch Getriebespiel und Vibration zusätz­ liche Störungen in den Aufbau kommen, wird der Gesamtaufwand noch größer.
• c) Durch jeden weiteren Retroreflektor bewirken dessen un­ vermeidliche optische Fehler eine zusätzliche Verschlechte­ rung der Qualität des optischen Signals des Geräts. Zur Ver­ meidung dieses Nachteils müßten Retroreflektoren extrem ho­ her Güte verwendet werden, was wiederum ein sehr teueres Ge­ rät zur Folge hätte.
• d) Um unerwünscht große Abmessungen bei bekannten Interfero­ metern mit nur einem rotierenden Retroreflektor zu vermei­ den, ist im zweiten Interferometerarm ein feststehender Retroreflektor installiert, welchem vor allem die Aufgabe zufällt, den optischen Weg zu falten und dadurch eine ge­ ringe mechanische Baugröße zu ermöglichen. Trotzdem weist auch ein derart ausgeführtes Interferometer die durch die Verwendung eines zweiten Reflektors unvermeidlichen, vor­ stehend schon im einzelnen beschriebenen Nachteile auf.
• e) Bei den bekannten Interferometern mit nur einem rotieren­ den Retroreflektor, durch welchen beide Interferometerarme laufen, ist ferner nachteilig, daß bei einer sehr hohen, ge­ wünschten spektralen Auflösung ein sehr großer Retroreflek­ tor erforderlich ist, der zu unerwünscht großen mechanischen Abmessungen des Geräts führt und somit hohe Fertigungskosten zur Folge hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter möglichst weitgehender Vermeidung der vorstehend angeführten Nachteile ein Interfe­ rometer nach Michelson so auszuführen, daß bei einer kompak­ ten Baugröße eine hohe spektrale Auflösung erreicht wird und mit geringem Aufwand, soweit wie möglich, der Einfluß etwai­ ger Störquellen reduziert wird.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Interferometer nach Michelson nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil erreicht. Vorteil­ hafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Unteransprüche.

Bei einem Michelson-Interferometer gemäß der Erfindung sind statt eines angetriebenen Retroreflektors als rotierendes Element zwei einander in einem vorgegebenen Abstand gegen­ überliegende Spiegelflächen vorgesehen, von welchen die eine in Form eines konzentrischen kreis- oder ellipsenförmigen Rings und die andere kreis- oder ellipsenförmig ausgebildet ist. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung können die beiden Spiegelflächen auf beiden Flächen einer entsprechend verspiegelten, planparallelen Platte vor­ gegebener Dicke ausgebildet sein, während gemäß einer zwei­ ten bevorzugten Ausführungsform die beiden Spiegelflächen zwei parallele, einander zugewandte und in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnete Planspiegel entsprechender Form sind. Hierbei wird die planparallele Platte bzw. werden die beiden fest miteinander verbundenen Planspiegel von einem einzigen Motor, vorzugsweise in Form eines Gleichspan­ nungsmotors in Rotation versetzt. Ferner sind die Spiegel­ flächen in ihrer Ausdehnung und Anordnung zueinander so ge­ staltet, daß ein Ein- bzw. Austreten des Strahlenbündels über seinem gesamten Querschnitt immer gleich behandelt wird, d. h. das Strahlenbündel trifft entweder auf die Spie­ gelflächen oder im Fall der planparallelen Platte auf unver­ spiegelte Flächen sowie beim Verlassen des Spiegelelements immer nur unter einem bestimmten spitzen Winkel auf die Grenzfläche auf. Daher müssen die Spiegelflächen, insbeson­ dere die zentrale kreis- bzw. ellipsenförmige Spiegelfläche einen ausreichenden Durchmesser haben.

Die erreichbare, optische Wegdifferenz eines mit dem erfin­ dungsgemäßen Spiegelelement ausgerüsteten Interferometers und damit dessen spektrale Auflösung werden durch einen Win­ kel α zwischen der Senkrechten auf die Drehachse der An­ triebseinheit und der zentralen kreis- bzw. ellipsenförmigen Spiegelfläche sowie durch den Abstand zwischen den Spiegel­ flächen bestimmt. Ferner kann die tatsächliche Wegdifferenz und damit die spektrale Auflösung eines Interferometers durch die Möglichkeit einstellbar gehalten werden, daß der Winkel zwischen der Senkrechten auf die Antriebsdrehachse und der zentralen Spiegelfläche und/oder der Abstand zwi­ schen den Spiegelflächen variierbar ist. Ferner kann durch Vorsehen von insgesamt drei Planspiegelpaaren sowie deren zweckmäßiger Anordnung bezüglich der jeweils auftreffenden Strahlenbündel ohne allzu großen Aufwand eine Wegdifferenz- Vervielfachung bis zum Siebenfachen und damit eine entspre­ chende Erhöhung der spektralen Auflösung eines entsprechend ausgebildeten Interferometers erreicht werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Interferometer ist somit ein Auf­ bau mit einem rotierenden Spiegelelement geschaffen, bei welchem eine hohe spektrale Auflösung bei einer kompakten Baugröße erreicht ist. Darüber hinaus ist es mit einem ver­ hältnismäßig geringen Aufwand möglich, gleichzeitig mögliche Störquellen in ihrer Wirkung zu mindern, indem beispielswei­ se der Antrieb mittels eines einfachen Gleichspannungsmotors ohne störende Zusatzgeräte oder Schrittsteuerungen vorge­ nommen werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus­ führungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeich­ nungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Interferometers gemäß der Erfindung mit einer planparallelen Platte als rotierendem Spiegelelement;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Interferometers gemäß der Erfindung mit zwei parallelen Planspie­ geln als rotierendem Spiegelelement;

Fig. 3 eine perspektivische, schematische Darstel­ lung der beiden parallelen Planspiegel der Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die beiden parallelen Planspiegel nach Fig. 2 und 3;

Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung der Ausführungs­ form nach Fig. 2, in welcher zur Erstellung von mathematischen Gleichungen notwendige Ab­ messungen und Winkel eingetragen sind;

Fig. 6a und 6b schematisch in Draufsicht bzw. in einer Schnittansicht eine verstellbare und justier­ bare Einrichtung zur Einstellung des Abstands und der Parallelität zwischen den beiden Planspiegeln;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Erweite­ rung des erfindungsgemäßen Interferometers zur Verdoppelung der Wegdifferenz;

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer zweiten Erweiterung des erfindungsgemäßen Interfero­ meters zur Verdreifachung der Wegdifferenz;

Fig. 9 noch eine schematische Darstellung einer dritten Erweiterung des erfindungsgemäßen In­ terferometers zur Vervierfachung der Wegdif­ ferenz;

Fig. 10 noch eine weitere schematische Darstellung einer vierten Erweiterung des erfindungsgemä­ ßen Interferometers zur Verfünffachung der Wegdifferenz;

Fig. 11 eine weitere schematische Darstellung einer fünften Erweiterung des erfindungsgemäßen In­ terferometers zur Versechsfachung der Wegdif­ ferenz, und

Fig. 12 noch eine schematische Darstellung einer sechsten Erweiterung des erfindungsgemäßen Interferometers zur Versiebenfachung der Weg­ differenz und damit der spektralen Auflösung.

Anhand von Fig. 1 wird eine erste bevorzugte Ausführungsform mit den wichtigsten Elementen eines Michelson-Interferome­ ters beschrieben, in dem als rotierendes Spiegelelement eine auf beiden Seiten teilweise verspiegelte, planparallele Plat­ te einer Dicke d aus einem für die Signalstrahlung durchläs­ sigen Material vorgesehen ist, welches außerdem in dem hier interessierenden Spektralbereich eine geringe Dispersion aufweist. Die eine, nahe bei einem Strahlteiler 1 befindli­ che Fläche 40 der planparallelen Platte 4 weist eine Spie­ gelfläche 40a in Form eines konzentrischen, kreis- oder el­ lipsenförmigen Rings auf, während die andere gegenüberlie­ gende Fläche 41 der planparallelen Platte 4 eine Spiegel­ fläche 41a in Form eines zentralen, kreis- oder ellipsenför­ migen Bereichs aufweist, und ein die Spiegelfäche 41a kon­ zentrisch umgebender kreis- oder ellipsenförmiger Ring 41b unverspiegelt ist.

Die Spiegelflächen 40a, 41a und die unverspiegelten Flächen 40b, 41b sind in ihrer Ausdehnung und Anordnung zueinan­ der so ausgeführt und ausgelegt, daß ein ein- bzw. austre­ tendes Strahlenbündel über seinem gesamten Querschnitt immer gleich behandelt wird. Das heißt, das Strahlenbündel trifft entweder auf Spiegelflächen oder unverspiegelte Flächen und trifft beim Verlassen der planparallelen Platte 4 vollstän­ dig und nur unter einem bestimmten Winkel auf die Grenzflä­ che auf. Folglich müssen insbesondere die kreis- oder ellip­ senförmige Spiegelfläche 41a und damit die gesamte planpa­ rallele Platte 4 einen ausreichenden Durchmesser haben.

Ferner liegen eine Drehachse 51, welche mit einer Antriebs­ welle 5 einer nicht näher dargestellten Antriebseinheit fluchtet, und der Strahlteiler 1 in einer Ebene. Ein Lot auf die Drehachse 51 schließt mit der Fläche 41 der planparalle­ len Platte 4 einen spitzen Winkel α ein. Ferner ist die mit der Drehachse 51 fluchtende Lagerwelle 5 mechanisch starr mit der Mitte des verspiegelten, zentralen Bereichs 41a der planparallelen Platte 4 verbunden. An der Stelle der Befestigung der Antriebswelle 5 an dem zentralen Bereich 41a der planparallelen Platte braucht keine Verspiegelung vorge­ sehen werden, da an dieser Stelle im Betrieb ohnehin keine Strahlung auftrifft.

Ferner sind zwei Planspiegel 61 und 62 auf einander gegen­ überliegenden Seiten der Drehachse 51 senkrecht zu von dem Strahlteiler 1 kommenden Strahlenbündel-Hälften, welche als ausgezogene bzw. gestrichelte Linien angedeutet sind, ange­ ordnet; ein auf den Strahlteiler 1 auftreffendes Strahlen­ bündel wird in eine reflektierte und eine transmittierte Hälfte unterteilt. Die beiden Strahlenbündel-Hälften treten durch eine kreisförmige, unverspiegelte Fläche 40b der dem Strahlteiler 1 zugewandten Fläche 40 der planparallelen Platte 4 in divergierenden Richtungen ein. Die beiden Strah­ lenbündel-Hälften werden zunächst von der zentralen Spiegel­ fläche 41a der planparallelen Platte 4 zu der gegenüberlie­ genden Spiegelfläche 40a in Form des konzentrischen, kreis- oder ellipsenförmigen Rings reflektiert und von dort auf die Planspiegel 61 bzw. 62 reflektiert, auf welchen die Strahl­ hälften senkrecht auftreffen. An den Planspiegeln 61 und 62 werden die Strahlhälften dann wieder reflektiert und durch­ laufen den vorstehend beschriebenen Weg in umgekehrter Rich­ tung, rekombinieren am Strahlteiler 1 und werden mittels einer Sammellinse 2 auf einem Detektor 3 fokussiert.

Während des Betriebs wird die planparallele Platte 4 von der nicht näher dargestellten Antriebseinheit um die Drehachse 51 in Rotation versetzt, so daß die Längen der von den Strahlhälften durchlaufenen Wege gegenläufig kürzer bzw. länger werden, ihre Differenz also periodisch und kontinu­ ierlich zwischen Maximum und Null wechselt. Hierbei wird die erreichbare, optische Wegdifferenz in der Ausführungsform der Fig. 1 und damit deren spektrale Auflösung durch den Win­ kel α zwischen der planparallelen Platte 4 und dem Lot auf die Drehachse 51 sowie durch die Plattendicke d bestimmt. Gleichzeitig ist dadurch dann auch der Durchmesser der plan­ parallelen Platte 4 festgelegt.

In einer zweiten, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind anstelle der planparallelen Platte 4 in Fig. 1 als ro­ tierendes Spiegelelement zwei parallel zueinander und in einem Abstand s voneinander angeordnete, fest miteinander verbundene Planspiegel 71 und 72 vorgesehen, deren einander zugewandte Flächen 71a und 72a verspiegelt sind. Hierbei hat der dem Strahlteiler 1 benachbarte Planspiegel 71 die Form einer kreisring- oder ellipsenringförmigen Spiegelfläche 71a, während der andere Planspiegel 72 eine kreis- oder ellipsenförmige Spiegelfläche 72a hat.

Wie aus der perspektivischen Darstellung der Fig. 3 und der Draufsicht in Fig. 4 zu ersehen ist, sind zwischen den beiden Planspiegeln 71 und 72 zwei Verbindungsstege 81 und 82 vorgesehen. Die Antriebswelle 5 einer nicht dargestellten Antriebseinheit ist mit der Mitte des Planspiegels 72 starr verbunden und unter einem Winkel α bezüglich einer Senkrech­ ten zu dem Planspiegel 72 geneigt. Die zwei Verbindungsstege 81 und 82, durch welche die beiden Planspiegel 71 und 72 starr miteinander verbunden sind, sind vorzugsweise aus dem­ selben Material wie die beiden Planspiegel 71, 72 herge­ stellt, beispielsweise aus Zerodur-Glas. Hierbei erstrecken sich die beiden Verbindungsstege 81, 82 zwischen den zwei Planspiegeln 71 und 72 in radialer Richtung vom inneren Rand des ringförmigen Planspiegels 71 zum äußeren Rand des kreis- oder ellipsenförmigen Planspiegels 72 und senkrecht zu den beiden Planspiegeln 71 und 72.

Bei dieser Ausführung eines rotierenden Spiegelelements un­ terbrechen bei Rotation der beiden fest miteinander verbun­ denen Planspiegel 71 und 72 im Interferometer die Verbin­ dungsstege 81 und 82 den Strahlengang zwischen den beiden Planspiegeln 71 und 72 und zu den beiden ortsfest angeordne­ ten Planspiegeln 61 und 62 periodisch, wodurch der nutzbare Drehwinkelbereich eingeschränkt wird. Die Wirkung dieser Einschränkung auf ein zu messendes Interferogramm bzw. auf das zu ermittelnde Spektrum ist dann am geringsten, wenn die Unterbrechung im Umkehrpunkt der etwa sinusförmig verlaufen­ den Wegänderung verläuft, da dort die Wegänderung in Bezug auf die Drehwinkeländerung gering ist. Dieser Bedingung kann dadurch genügt werden, daß die Neigung der mit der Antriebs­ welle 5 fluchtenden Drehachse 51 so ausgeführt ist, daß die Drehachse 51 in derjenigen Ebene liegt, die senkrecht zu dem Planspiegel 72 verläuft und durch welche jeder der beiden Verbindungsstege 81 und 82 in spiegelsymmetrische Hälften geteilt wird.

Die Unterbrechung durch die Verbindungsstege bei einer Rota­ tion der beiden fest miteinander verbundenen Planspiegel 71 und 72 hat einen Ausfall aller Signale im optischen System und damit auch des Laser-Interferogramms zur Folge. Gemäß der Erfindung wird dieser Ausfall des Laser-Interferogramms de­ tektiert und als Beginn und Ende eines Meßzyklus interpre­ tiert und genutzt; dadurch entfällt eine sonst zusätzlich erforderliche Einrichtung zur Bestimmung des Beginns bzw. Endes eines Meßzyklus.

Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird analog zu der Ausführungsform in Fig. 1 wiederum ein auf den Strahlteiler 1 treffendes Strahlenbündel in eine reflektier­ te und eine transmittierte Hälfte unterteilt, welche beide durch die konzentrische Ausnehmung 71b in dem dem Strahltei­ ler 1 benachbarten Planspiegel 71 zwischen die beiden Plan­ spiegeln 71 und 72 in divergierernden Richtungen eintreten. Die beiden Strahlenbündel-Hälften werden von der kreis- oder ellipsenförmigen Spiegelfläche 72a des Planspiegels 72 auf die ringförmige Spiegelfläche 71a des Planspiegels 71 und von dort zu den fest angeordneten Planspiegeln 61 bzw. 62 reflektiert, auf welchen die Strahlhälften dann senkrecht auftreffen. Die Strahlhälften werden von den ortsfesten Planspiegeln 61 und 62 reflektiert und durchlaufen anschlie­ ßend denselben vorstehend beschriebenen Weg in umgekehrter Richtung, um dann an dem Strahlteiler 1 rekombiniert und mittels der Sammellinse 2 auf dem Detektor 3 fokussiert zu werden.

Auch bei dieser Ausführungsform werden die fest miteinander verbundenen Planspiegel 71 und 72 durch eine nicht darge­ stellte Antriebseinheit um die Drehachse 5 in Rotation ver­ setzt, wodurch die Längen der von den Strahlhälften durch­ laufenen Wege ebenfalls wieder gegenläufig kürzer bzw. län­ ger werden, also ihre Differenz periodisch und kontinuier­ lich zwischen Maximum und Null wechselt. Auch bei dieser Ausführungsform ist wiederum durch den Winkel α und den Ab­ stand s der beiden Planspiegel 71 und 72 die erreichbare Wegdifferenz und damit die erreichbare spektrale Auflösung festgelegt.

Durch die Möglichkeit, den Winkel α zwischen dem Lot auf die Drehachse 5 und der planparallelen Platte 4 bzw. die in Rotation versetzbaren Planspiegel 71 und 72 und/oder die Dicke d der planparallelen Platte 4 bzw. den Abstand s zwi­ schen den beiden Planspiegeln 71 und 72 zu variieren, ist die jeweilige Wegdifferenz und damit die spektrale Auflösung der in Fig. 1 und 2 dargestellten Interferometer-Ausführungen einstellbar. Durch geeignete Wahl der Größe aller Komponen­ ten sowie deren Anordnung ist sichergestellt, daß die Strah­ lenbündel bzw. Strahlenbündel-Hälften immer vollständig auf die reflektierenden Flächen aller im Strahlengang beteilig­ ten Spiegel treffen, was insbesondere für den Durchmesser der planparallelen Platte 4 sowie den kreis- oder ellipsen­ förmigen Planspiegel 72 gilt.

In den nachfolgend wiedergegebenen Gleichungen ist die Be­ ziehung verschiedener, geometrischer Größen zueinander und deren Abhängigkeit von dem Winkel α, welchen beispielswei­ se die parallel zueinander in einem festen Abstand vonein­ ander fest miteinander verbundenen Planspiegel 71 und 72 und das Lot auf die Drehachse 51 einschließen sowie die in Ab­ hängigkeit von diesen Größen und dem Winkel α erreichbare, optische Wegdifferenz aufgezeigt. Zum leichteren Verständnis der nachstehenden Gleichungen und der in ihnen angegebenen Größen sind diese in der schematischen, prinzipiellen Dar­ stellung der Fig. 5 eingetragen, welche - abgesehen von den eingetragenen Größen - der in Fig. 2 dargestellten, schemati­ schen Wiedergabe der zweiten Ausführungsform der Erfindung entspricht.

In Fig. 5 sind in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel α der beiden fest miteinander verbundenen Planspiegel 71 und 72 zu dem Lot auf die Drehachse 51 die für den eingetragenen Strahlungsverlauf erforderlichen Maximalradien a₁ und b₁ bzw. Minimalradien a₂ und b₂ der beiden parallel zueinander angeordneten Planspiegel 72 bzw. 71 der maximale Durchmesser d_max eines auf den Strahlteiler 1 bzw. auf die Linsenanord­ nung 2 auftreffenden Strahlenbündels, der Abstand s zwischen den beiden Planspiegeln 71 und 72 in Abhängigkeit von dem maximalen optischen Hub S_max eingetragen, womit die grund­ legenden geometrischen Abmessungen des beschriebenen Inter­ ferometers definiert sind.

Hierbei ist mit der ganzzahligen Größe n (n<1) die Anzahl der Vervielfachung der Wegdifferenz und damit der spek­ tralen Auflösung bezeichnet. Beispielsweise ist in den bei­ den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen die Grö­ ße n gleich 1, während, was anschließend im einzelnen be­ schrieben wird, hinsichtlich der mit Hilfe der Erweiterungen in den Fig. 7 bis 11 erzielte Vervielfachung der Wegdiffe­ renz, nämlich eine Verdoppelung bis Versiebenfachung für die Größe n gilt: n = 2, 3, . . . ., 7.

Radien der Spiegelscheiben:

Nachstehend wird ein Zahlenbeispiel für die Dimensionierung der wichtigsten Parameter angegeben:
Nutzbarer (maximaler) Durchmesser d_max des Strahlenbün­ dels: 30 mm,
Abstand s (bzw. Plattendicke d): 50 mm,
Winkel α : 7°,
erzielter, maximaler Wegunterschied: ca 7 cm (bei der einfach­ sten Version),
erreichte spektrale Auflösung: besser als 0,143 cm^-1,
maximaler Durchmesser b₁ des Planspiegels 71 (bzw. der plan­ parallelen Platte 4): 300 mm.

In Fig. 6a und 6b sind in einer Draufsicht bzw. einer schema­ tisierten Schnittansicht eine Halterungsvorrichtung für die beiden Planspiegel 71 und 72 dargestellt, mittels welcher der Abstand s sowie die Parallelität der beiden Spiegelflä­ chen 71a und 72a eingestellt und entsprechend justiert werden kann. Wie aus der schematischen Schnittansicht der Fig. 6a zu ersehen ist, ist der ringförmige Planspiegel 71 an freien Enden 83a eines etwa u-förmigen Trägers 83 gehaltert. Der kreisförmige Spiegel 72 ist an einer Montageplatte 84 befe­ stigt, die ihrerseits mit einem, in Fig. 6b linksseitigen En­ de über ein nur schematisch angedeutetes Kugelgelenk 87 an einem quer verlaufenden Verbindungsteil 83b des Trägers 83 gehaltert ist, während an der gegenüberliegenden Seite der Montageplatte 84 senkrecht zu deren Längsrichtung ein Quer­ teil 85 befestigt ist, an dessen beiden äußeren Enden Fein­ gewinde eingebracht sind, in welche in Fig. 6b schematisch dargestellte Justier- und Verstellschrauben 86 eingeschraubt sind, mittels welcher die Montageplatte auf dieser Seite über das Querteil 85 an dem Verbindungsteil 83b des Trägers 83 gehaltert ist. Mit Hilfe der Justierschrauben 86 kann dann die Parallelität zwischen den beiden Spiegelflächen 71a und 72a der Planspiegel 71 und 72 eingestellt werden.

Anhand der schematischen Darstellungen in den Fig. 7 bis 12 wird nachstehend eine Vervielfachung, speziell eine Verdop­ pelung bis Versiebenfachung, der Wegdifferenz in einem In­ terferometer und damit eine entsprechende Vervielfachung der spektralen Auflösung in dem Interferometer beschrieben. Hierbei sind in den schematischen Darstellungen der Fig. 7 bis 12 die beiden parallel und in einem festen Abstand zu­ einander angeordneten Planspiegel 71 und 72 in Form von strichpunktierten bzw. gestrichelten Kreisen angedeutet, wobei die schematisch in Form von Kreisen wiedergegebenen Planspiegel 71 und 72 aufgrund ihrer Neigung streng genommen Ellipsen sein müßten. Hierauf ist jedoch in den Darstellun­ gen der Fig. 7 bis 12 bewußt verzichtet, weil in diesen Figu­ ren ohnehin nur der prinzipielle Strahlenverlauf bei der jeweiligen Vervielfachung der Wegdifferenz zwischen den ein­ zelnen Spiegelpaaren angedeutet ist.

Ferner sind, um die zeichnerische Darstellung zu vereinfa­ chen, die jeweiligen Reflexionen der Strahlenbündel-Hälften zwischen den beiden zueinander parallelen Planspiegeln 71 und 72 weggelassen. Ebenso sind in den schematischen Dar­ stellungen das auf den Strahlteiler 1 auftreffende Strahlen­ bündel sowie das an dem Strahlteiler rekombinierte Strahlen­ bündel nicht dargestellt, welches über die Linsenanordnung auf dem Detektor 3 fokussiert wird.

Ferner sind die verschiedenen Planspiegelpaare, beispiels­ weise 61 und 62, jeweils nur als eine Gerade wiedergegeben; hieraus darf jedoch nicht geschlossen werden, daß beispiels­ weise die beiden Spiegel 61 und 62 entsprechend den Ausfüh­ rungsformen in Fig. 1 und 2 senkrecht zu der jeweiligen Zei­ chenebene angeordnet sind. Vielmehr haben sie in den ver­ schiedenen in Fig. 7 bis 12 wiedergegebenen Erweiterungen un­ terschiedliche Neigungswinkel mit der Strahlteiler-Mitten­ ebene, und die einzelnen Planspiegelpaare sind jeweils ober­ halb oder unterhalb der beiden Planspiegel 71 und 72 bzw. in den Fig. 7 bis 12 rechts oder links vom Strahlteiler 1 ange­ ordnet. Die jeweilige Neigung der einzelnen Planspiegelpaare bezüglich ihrer Anordnung oberhalb oder unterhalb der Strahlteiler-Mittenebene kann jederzeit empirisch von jedem auf dem Gebiet der Interferometrie tätigen Fachmann bestimmt und festgelegt werden.

Mit der schematisch wiedergegebenen Ausführungsanordnung in Fig. 7 ist eine Verdoppelung der Wegdifferenz und damit der spektralen Auflösung in einem Interferometer erreicht. Hier­ zu sind im Unterschied zu den Ausführungsformen beispiels­ weise in Fig 1 und 2 die Planspiegel 61 und 62 derart ge­ neigt, daß die beiden vom Strahlteiler 1 kommenden Strah­ lenbündel-Hälften nach einer nicht dargestellten Reflexion zwischen den Spiegelflächen der Planspiegel 71 und 72 unter einem spitzen Winkel auf die Planspiegel 61 und 62 auftref­ fen, von dort reflektiert werden und nach einer ebenfalls nicht dargestellten, erneuten Reflexion zwischen den Plan­ spiegeln 71 und 72 auf zwei weitere Planspiegel 91, 92 senk­ recht auftreffen. Von dem Planspiegelpaar 91 und 92 werden dann die Strahlenbündel-Hälften in sich reflektiert und gelangen im umgekehrter Richtung auf demselben Weg zurück zum Strahlteiler, wo sie rekombiniert und über die in Fig. 7 nicht dargestellte Linsenanordnung auf dem ebenfalls nicht dargestellten Detektor fokussiert werden. In Abhängigkeit von der Neigung der beiden Planspiegel 61 und 62 sind die zwei weiteren Planspiegel 91 und 92 entweder oberhalb oder unterhalb der Mittenebene der vom Strahlteiler 1 ausgehenden Strahlenbündel-Hälften angeordnet.

In Fig. 8 ist im Unterschied zu Fig. 7 eine Verdreifachung der Wegdifferenz und damit der spektralen Auflösung schematisch dargestellt. Hierzu sind die beiden Planspiegel 61 und 62 unter einem anderen, nicht näher bezeichneten spitzen Winkel so geneigt, daß die Strahlenbündel-Hälften nach einer (nicht dargestellten) zweimaligen Reflexion zwischen den Planspie­ geln 71 und 72 unter einem solchen spitzen Winkel auf die zwei weiteren Planspiegel 91 und 92 auftreffen, daß sie nach einer Reflexion an diesen zwei weiteren Planspiegeln und nach einer (ebenfalls nicht dargestellten) dritten Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72 senkrecht auf die beiden Planspiegel 61 und 62 auftreffen. Von den Spiegeln 61, 62 werden die Strahlenbündel in sich reflektiert, so daß sie auf demselben Weg, jedoch in umgekehrter Richtung zu dem Strahlteiler 1 gelangen, auf diesem rekombinieren und schließlich an dem Detektor fokussiert werden.

In Erweiterung der in Fig. 8 wiedergegebenen Verdreifachung der Wegdifferenz ist mit der schematisch wiedergegebenen An­ ordnung in Fig. 9 eine Vervierfachung der Wegdifferenz und damit der spektralen Auflösung in einem Interferometer er­ reichbar. Bei dieser Anordnung treffen die Strahlenbündel- Hälften nach einer dreimaligen Reflexion zwischen den Spie­ gelflächen 71 und 72 unter einem anderen spitzen Winkel er­ neut auf die zwei Planspiegel 61 und 62 auf. Von den beiden Planspiegeln 61 und 62 werden die Strahlenbündel dann re­ flektiert und nach einer (in Fig. 9 nicht dargestellten) vierten Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72 tref­ fen sie senkrecht auf ein drittes Spiegelpaar 101 und 102 auf. Von den Planspiegeln 101 und 102 werden die Strahlen­ bündel wieder in sich reflektiert und gelangen dann auf dem­ selben Weg, jedoch in umgekehrter Richtung wieder auf den Strahlteiler 1, ohne daß dies im einzelnen ebenso wie in den Fig. 7 bis 12 näher dargestellt ist. Nach einer Rekombination der Strahlenbündel am Strahlteiler 1 werden diese dann auf dem Detektor fokussiert. Auch bei dieser Anordnung ist das dritte Planspiegelpaar 101 und 102 oberhalb oder unterhalb der Mittenebene der vom Strahlteiler ausgehenden Strahlen­ bündel-Hälften angeordnet.

In Erweiterung der Anordnung nach Fig. 9 ist in Fig. 10 sche­ matisch eine Verfünffachung der Wegdifferenz und damit der spektralen Auflösung in einem Interferometer wiedergegeben. Nach einer viermaligen Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72 treffen bei dieser Anordnung die Strahlenbündel- Hälften unter einem spitzen Winkel auf das dritte Spiegel­ paar 101, 102 auf, werden von diesem reflektiert und nach einer fünften Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72 treffen sie nunmehr senkrecht auf die zwei Planspiegel 61 und 62 auf. Von den Planspiegeln 61, 62 werden Strahlenbün­ del Hälften in sich reflektiert und gelangen dann auf dem­ selben Weg, jedoch wiederum in umgekehrter Richtung wieder auf den Strahlteiler 1, ohne daß dies in Fig. 10 im einzelnen dargestellt ist.

In Erweiterung der Ausführungsform von Fig. 10 läßt sich mit der in Fig. 11 wiedergegebenen schematischen Anordnung eine Versechsfachung der Wegdifferenz und damit der spektralen Auflösung im Interferometer erreichen. Nach einer fünfmali­ gen Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72 treffen in diesem Fall die Strahlenbündel-Hälften unter einem spitzen Winkel auf die zwei Planspiegel 61 und 62 auf, werden von dort reflektiert und treffen nach einer sechsten Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72 nunmehr senkrecht auf das zweite Planspiegelpaar 91 und 92 auf. An den Planspie­ geln 91 und 92 werden die Strahlhälften in sich reflektiert und gelangen dann wieder auf demselben Weg, jedoch in umge­ kehrter Richtung auf den Strahlteiler 1.

In Fig. 12 ist schließlich noch eine Versiebenfachung der Wegdifferenz und damit eine entsprechende Auflösung in einem Interferometer schematisch angedeutet. In diesem Fall tref­ fen nach einer sechsmaligen Reflexion zwischen den Planspie­ geln 71 und 72 die Strahlenbündel-Hälften unter einem spit­ zen Winkel auf das zweite Spiegelpaar 91 und 92 auf, werden dort reflektiert und treffen nach einer siebten Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72 nunmehr senkrecht auf die beiden Planspiegel 61 und 62 auf. Von diesen werden die Strahlenbündel-Hälften wiederum in sich reflektiert und durchlaufen dann denselben Weg, jedoch in umgekehrter Rich­ tung, um schließlich auf den Strahlteiler 1 zu treffen, an welchem sie rekombiniert und über die Linsenanordnung auf dem Detektor 3 fokussiert werden, wobei dies wiederum in Fig. 12 nicht dargestellt ist.

Claims (13)

1. Interferometer nach Michelson mit einem Strahlteiler (1), einer Sammellinse (2), einem Detektor (3) zum Erfassen der Signalstrahlung, mit einem durch eine Antriebseinheit in Ro­ tation versetzbaren Spiegelelement, über welches beide vom Strahlteiler (1) kommenden Strahlhälften gelenkt werden, mit zwei Planspiegeln (61, 62), mit einem Laser und einem Laser­ detektor, dadurch gekennzeichnet,
daß als Spiegelelement zwei einander in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegende Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) vorgesehen sind, von welchen die näher beim Strahltei­ ler (1) befindliche Spiegelfläche (40a; 71a) in Form eines konzentrischen kreis- oder ellipsenförmigen Rings und die andere Spiegelfläche (41a; 72a) kreis- oder ellipsenförmig ausgebildet sind,
daß eine Drehachse (51) einer Antriebswelle (5) der Antriebs­ einheit in derselben Ebene wie der Strahlteiler (1) ausge­ richtet ist und eine Senkrechte auf die Drehachse (51) mit der kreis- oder ellipsenförmigen Spiegelfläche (41a, 72a) einen spitzen Winkel (α) einschließt;
daß die zwei Planspiegel (61, 62) auf verschiedenen, einan­ der gegenüberliegenden Seiten der Drehachse (51) und senk­ recht zu vom Strahlteiler kommenenden Strahlenbündeln so an­ geordnet sind,
daß die beiden Hälften eines auf den Strahlteiler (1) auf­ treffenden Strahlenbündels in zueinander divergierenden Richtungen auf die zentral angeordnete Spiegelfläche (40a; 72a) auftreffen, von dieser zu der gegenüberliegenden, ringförmigen Spiegelfläche (40a; 71a) sowie von dort senk­ recht auf die zwei Planspiegel (61, 62) reflektiert werden und - von den Planspiegeln (61, 62) reflektiert - denselben Weg in umgekehrter Richtung durchlaufen, am Strahlteiler (1) rekombinieren und mittels der Sammellinse (2) auf dem De­ tektor (3) fokussiert werden.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Spiegelflächen (40a, 41a) auf beiden Flächen (40, 41) einer entsprechend verspiegel­ ten, planparallelen Platte (4) mit einer vorgegebenen Dicke (d) aus einem für die Signalstrahlung durchlässigen Mate­ rial ausgebildet sind, wobei die Antriebswelle (5) mit der zentralen, kreis- oder ellipsenförmigen Spiegelfläche (41a) der planparallelen Platte (4) mechanisch starr verbunden ist.

3. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Spiegelflächen (71a, 72a) als zwei parallele, einander zugewandte und in einem be­ stimmten Abstand (s) voneinander angeordnete Planspiegel (71, 72) entsprechender Form ausgebildet sind, wobei die An­ triebswelle (51) mit dem Mittelpunkt des kreis- und ellip­ senförmigen Planspiegels (72) mechanisch starr verbunden ist.

4. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Planspiegel (71, 72) durch zwei Verbindungsstege (81, 82) geringer Stärke aus demselben Material wie die Planspiegel (71, 72) verbunden sind, wobei die beiden Verbindungsstege (81, 82) in radialer Richtung vom inneren Rand des kreisringförmigen Planspiegels (71) zum äußeren Rand des kreisscheibenförmigen Planspiegels (72) verlaufen, zwischen den beiden Planspiegeln (71, 72) ange­ ordnet und in Richtung senkrecht zu den Planspiegeln (71, 72) entsprechend dem vorgegebenen Abstand (s) bemessen sind, daß die Neigung der Antriebswelle (5) so ausgeführt ist, daß deren Drehachse (51) in der Ebene liegt, welche senkrecht zu den beiden Planspiegeln (71, 72) verläuft und durch welche jeder der beiden Verbindungsstege (81, 82) in spiegelsymmetrische Hälften geteilt ist.

5. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der ringförmige Spiegel (71) an den freien Enden (83a) eines etwa u-förmigen Trägers (83) und der kreis- oder ellipsenförmige Spiegel (72) an einer Monta­ geplatte (84) befestigt sind, welche ihrerseits an einem quer verlaufenden Verbindungsteil (83b) des Trägers (83) be­ züglich des Abstands (s) und der Parallelität zu dem ring­ förmigen Spiegel (71) verstell- und justierbar mittels Ju­ stiermitteln (86) gehaltert ist.

6. Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß hinsichtlich einer kompak­ ten Interferometer-Baugröße der Strahlteiler (1) so in dem kreisförmigen Ausschnitt (71b) des Planspiegels (71) ange­ ordnet ist, daß er teilweise in den Raum zwischen den beiden Planspiegeln (71, 72) vorsteht.

7. Verwendung eines Interferometers nach den Ansprüchen 3 bis 5, zum Festlegen des Meßzyklus in einem Laserinterfero­ gramm, dadurch gekennzeichnet, daß zweimal je Umdrehung der durch die beiden Verbindungsstege (81, 82) parallel zueinander und in einem vorgegebenen Abstand von­ einander angeordneten Planspiegel (71, 72) jede bei Rotation der Planspiegel (71, 72) hervorgerufene Unterbrechung des Strahlengangs zu den beiden feststehenden Planspiegeln (61, 62) und dadurch auch des Laserinterferogramms detektiert und als Beginn und Ende eines Meßzyklus registriert wird.

8. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Verdoppelung der Wegdiffe­ renz und damit der spektralen Auflösung die Planspiegel (61, 62) derart geneigt sind, daß die beiden vom Strahlteiler (1) kommenden Strahlenbündel-Hälften nach einer Reflexion zwi­ schen den parallel zueinander angeordneten Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) unter einem spitzen Winkel auf die Planspiegel (61, 62) auftreffen, von dort reflektiert nach einer erneuten Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a; 72a) auf zwei weitere Planspiegel (91, 92) senk­ recht auftreffen und - von diesen (91, 92) reflektiert denselben Weg in umgekehrter Richtung zum Strahlteiler (1) durchlaufen, wobei die zwei weiteren Planspiegel (91, 92) oberhalb oder unterhalb der Mittenebene der vom Strahlteiler (1) ausgehenden Strahlungsbündelhälften angeordnet sind.

9. Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verdreifachung der Wegdifferenz und damit der spektralen Auflösung nach zweimaliger Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) die Strahl­ bündel-Hälften unter einem solchen spitzen Winkel auf die zwei weiteren Planspiegel (91, 92) auftreffen, daß sie nach Reflexion an den zwei weiteren Planspiegeln (91, 92) und nach einer dritten Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) senkrecht auf die beiden Planspiegel (61, 62) auftreffen und - von dort reflektiert, - auf dem­ selben Weg, jedoch in umgekehrter Richtung zum Strahlteiler (1) gelangen.

10. Einrichtung nach dem Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Vervierfachung der Wegdifferenz nach dreimaliger Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) die Strahlenbündel-Hälften unter einem spit­ zen Winkel erneut auf die zwei Planspiegel (61, 62) treffen, von dort reflektiert nach einer vierten Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) auf noch zwei weite­ re Planspiegel (101, 102) senkrecht auftreffen und von die­ sen (101, 102) reflektiert, auf demselben Weg in umgekehrter Richtung wieder auf den Strahlteiler (1) auftreffen, wobei auch die noch zwei weiteren Planspiegel (101, 102) oberhalb oder unterhalb der Mittenebene der vom Strahlteiler (1) aus­ gehenden Strahlenbündelhälften angeordnet sind.

11. Interferometer nach Ansprupch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verfünffachung der Wegdifferenz nach viermaliger Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72) die Strahlenbündel-Hälften unter einem spitzen Winkel auf die noch zwei weiteren Planspiegel (101, 102) auftreffen, von dort reflektiert nach einer fünften Refle­ xion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) nun­ mehr senkrecht auf die zwei Planspiegel (61, 62) auftreffen und - von dort reflektiert, - auf demselben Weg, jedoch in umgekehrter Richtung wieder auf den Strahlteiler (1) auf­ treffen.

12. Interferometer nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Versechsfachung der Wegdifferenz nach fünfmaliger Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) die Strahlenbündel-Hälften unter einem spit­ zen Winkel auf die zwei Planspiegel (61, 62) auftreffen, von dort reflektiert und nach einer sechsten Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) nunmehr senkrecht auf die zwei weiteren Planspiegel (91, 92) auftreffen, und - von dort reflektiert, - auf demselben Weg, jedoch in umge­ kehrter Richtung wieder auf den Strahlteiler (1) treffen.

13. Interferometer nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Versiebenfachung der Wegdifferenz nach sechsmaliger Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) die Strahlenbündel-Hälften unter einem spitzen Winkel auf die weiteren Planspiegel (91, 92) auf­ treffen, von dort reflektiert und nach der siebten Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) nunmehr senkrecht auf die zwei Planspiegel (61, 62) auftreffen und - von dort reflektiert, - auf demselben Weg, jedoch in umge­ kehrter Richtung wieder auf den Strahlteiler (1) treffen.