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Interferenzdoppelprisma für Meßzwecke Für Meßzwecke der verschiedensten
Art sowie allgemein für optische Messungen ist der Fall des Gangunterschiedes Null,
d. h. der gleichen Weglänge zweier zusammenhängender Strahlen, von erheblicher Bedeutung.
In weißem Licht entsteht z. B. bei der Vereinigung in der Nähe des Gangunterschiedes
Null eine charakteristische farbige Interferenzfigur, die als einfaches und anschauliches
Merkmal für das Vorhandensein des Gangunterschiedes Null oder der Ordnungszahl in
dein Streifensystem benutzt werden kann. Hierdurch ist es z. B. möglich, Nullmethoden
und Substitutionsmethoden mit all ihren Vorzügen in der Interferenzmeßtechnik zu
verwenden, die sicher, zuverlässig und anschaulich sind.
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Es ist nun außerordentlich schwierig, bei Strahlenbündeln, die, wie
gewöhnlich, räumlich getrennt oder in irgendeiner Richtung zueinander verlaufen,
die Stelle aufzufinden, die der gleichen Weglänge entspricht, da die Interferenzfigur
in weißem Licht nur auf eine Strecke von i-2 ,u sichtbar ist. Für praktische Messungen
dürfte die Einrichtung mit weltgetrennten Bündeln deshalb schlechthin unbenutzbar
sein.
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Die vorliegende Erfindung fußt nun auf dem Gedanken, diese Schwierigkeiten
dadurch zu beseitigen, daß zwei kohärente Bündel erzeugt werden, die mit dem gegenseitigen
Gangunterschied Null parallel oder annähernd parallel laufen. Hierdurch wird erreicht,
daß in einer zu den Strahlenbündeln senkrechten Ebene in jeder Entfernung der Gangunterschied
Null besteht, die Interferenzfigur im weißen Licht also keiner Aufsuchung bedarf.
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Durch diese Anordnung werden noch weitere Vorteile erreicht. Die zu
prüfenden Objekte liegen annähernd parallel und dicht nebeneinander. Sie sind dadurch
den gleichen Einflüssen der Temperatur, des Druckes, der Erschütterung usw. ausgesetzt;
Störungen durch diese Einflüsse werden weitgehend eliminiert. Man kann ferner die
Prüfobjekte in eine gemeinsame Schutzhülle einschließen, in dieman dieInterferenz
erzeugende Einrichtung ohne weiteres mit einschließen kann, wodurch bewirkt wird,
daß der Durchtritt der Strahlen durch den einschließenden Raum erst nach der Vereinigung
der Strahlen erfolgt, so daß keinerlei Sperr- oder Trennschicht in den Interferenzraum
hineinragt. Schließlich kann man achromatisierte Kompensationseinrichtungen, die
auf beide Strahlen gemeinsam einwirken müssen, nur in dieser Anordnung benutzen.
Weitere Vorteile und Eigenheiten der Anordnung werden unten aufgeführt.
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Entsprechen ferner die beiden kohärenten Strahlen einem Rechtsstrahl
und einem Linksstrahl, so eignet sich die Anordnung zur Prüfung von Ebenheit und
von Geradführungen u. dgl. in noch näher wiederzugebender Weise. -Die Verhältnisse
werden am besten dargelegt an einer Ausführungsform (Fig. ia.)
Die
in der Figur dargestellte Ausführungsform besteht aus zwei nach Größe und Winkeln
völlig gleichen Prismen A, B, D ünd A, C, D aus Glas oder einem ähnlichen
durchsichtigen Material, die durch 01 o. dgl. in der Fläche A, D zwangsfrei verkittet
oder aneinandergesprengt sind. @5ie eine der beiden in '-optischen Kontakt gebrachten
Flächen trägt eine halbdurchlässige Schicht. Die Prismen sind so gegeneinander symmetrisch
angeordnet, daß jedes der beiden mit dem von der halbdurchlässigen Schicht entworfenen
Spiegelbilde des anderen zusammenfällt. Der Winkel des Einzelprismas, welcher der
Kontaktschicht A, D gegenüberliegt, muß doppelt so groß wie der Winkel an
der Spitze sein. (Dieses ist die Bedingung dafür, daß im Strahlengang kein Glaskeil
liegt.) Das von E eintretende Licht wird an der halbdurchlässigen Schicht A, D in
zwei kohärente Bündel gespalten, die an den Seitenflächen A, B und
A, C reflektiert und bei passend gewähltem Einfallswinkel parallel aus dem
Prisma austreten.
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Stellt man nun z. B. eine ebene Fläche FF,
(Fig.ia) senkrecht
in den Strahlengang, so wird das Licht senkrecht von ihr reflektiert, die beiden
Bündel gehen auf demselben Wege an die halbdurchlässige Schicht zurück und treten
nach 0 oder E gemeinsam mit dem Gangunterschied Null wieder aus. Mit anderen Worten:
die F läche FF, wird durch ein solches Prisma auf sich selbst, und zwar als Linksbild,
abgebildet. Dreht FF, um eine Achse senkrecht zur Papierebene, so dreht sich das
von dem Prisma entworfene Bild um den Punkt L entgegengesetzt; es entstehen im weißen
Licht Streifen, deren mittelster, dem Gangunterschied Null entsprechender, in jeder
beliebigen Entfernung der Fläche FF, vom Prisma den Gangunterschied -Null behält.
Die Anordnung bildet daher ein ausgezeichnetes Mittel, den Parallelismus zweier
Flächen in beliebiger Entfernung mit Interferenzgenauigkeit in weißem Licht zu bestimmen
oder herzustellen.
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Ein beliebiger Punkt J im Strahlengang (Fig. ia) wird nach dem Gesagten
bei J1 abgebildet, d. h. so, als wenn er direkt durch die Verlängerung der Spiegelebene
A, D abgebildet würde. Der in der Spiegelebene liegende Punkt L wird auf
sich selbst abgebildet. Alle Punkte, die mit ihrem Bilde zusammenfallen, liegen
in einer Ebene. Diese Erscheinung kann man ebenfalls zur Prüfung von Geradführungen,
zum Nivellieren u. dgl., ferner zur Vorjustierung für die Interferenzbeoachtung
benutzen.
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Im übrigen eignet sich zur Prüfung von Geradführungen ganz besonders
eine andere Art der Interferenzerscheinung, die bei dem Interferenzprisma auftritt,
deren Zustandekommen in der Fig. ib dargestellt ist.
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Das bei E unter einem etwas anderen Winkel eintretende Licht spaltet
sich an AD in zwei kohärente Strahlen, von denen der eine, durch AD hindurchtretende,
nacheinander an AC, FFi, AB reflektiert an die Trennfläche zurückkehrt und
der zweite nach der Spiegelung an AD denselben Weg in umgekehrter Richtung
durchläuft. Die von beiden Seiten an die Fläche AD zurückkehrenden Strahlen
können gemeinsam entweder nach 0 oder E austreten. Bei dieser Art der Benutzung
bleibt der Gangunterschied Null (wenn man von dein Phasensprung absieht) auch dann
in allen Entfernungen der Platte FF, erhalten, wenn die Prismen A, B, D und
A, C D ungleich in der Größe oder geradlinig gegeneinander verschoben sind;
die Interferenzerscheinung ändert. sich nur, wenn die Platte FF, um eine Achse senkrecht
zur Zeichenebene gedreht wird. Das ganze System ist deshalb außerordentlich leicht
in weißem Licht zu justieren und zu benutzen.
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Außerhalb des in Fig. ib gezeichneten Mittelstrahles sind weitere
kohärente Strahlenpaare vorhanden, deren Gangunterschiedsdifferenz sich ändert,
wenn die Spiegelplatte gedreht wird.
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In allen Fällen kann man den Spiegel ersetzen durch ein zweites Prisma.
Fig. 5 zeigt die beiden Fälle des Strahlenverlaufs für Führungsprüfung.
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Nach dem oben Gesagten gestattet das Doppelprisma, Abweichungen von
einer Ebene festzustellen. Abweichungen von einer geraden Linie prüft man, indem
man zwei Prismen verwendet, deren Spiegelebenen man kreuzt (Fig. 6). In die Mitte
zwischen beide stellt man eine zweiseitige Spiegelplatte FF, oder eine Marke.
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Die Prüfung von Endmaßen mit dem Doppelprisma zeigt beispielsweise
die Fig.3. Man setzt auf eine Platte FF, durch Ansprengen zwei annähernd gleich
lange Endmaße so, daß sie sich aufeinander abbilden. Man erblickt dann die Endmaße
zu einem Bild verschmolzen, wie die Fig.3a zeigt. Auf der Grundfläche und auf der
Oberfläche- der Endmaße sieht man gleiche, farbige Streifensysteme (Fig. 3a), die
im allgemeinen Fall eine Verschiebung gegeneinander zeigen, welche genau der Längendifferenz
entspricht, so daß man diese mit einem Blick ablesen kann. Die Streifen erzeugt
man einfach durch eine leichte Verdrehung der Prismenhälften gegeneinander. Das
Verfahren eignet sich zur Vergleichung und Justierung größerer Mengen von Endmaßen,
indem man eines laufend durch ein zu prüfendes ersetzt. Sind größere Längenunterschiede
zu messen,
so verwendet man einen optischen Streckenkompensator.
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Bei sehr großen Längendifferenzen mißt man die nebeneinanderliegenden
und aufeinander abgebildeten Endmaße in bekannter Weise mit homogenem Licht aus.
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Fig.. 4 zeigt eine Anordnung zur Messung der Differenz der Brechung
zwischen einer wässerigen Lösung und Wasser; die Differenz entspricht dem Gehalt
an gelöster Substanz. Die Verschlußplatte der Kammer, die die Lösung enthält, ragt
auch in den zweiten Strahl hinein, so dä,ß nur die Differenz Lösung-Wasser als Gangunterschied
erscheint, die Verschlußplatte aber völlig eliminiert wird.
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Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind die Bestimmung der Luftbrechung
und der Brechung von Gasen, Analyse von Gasgemischen, ferner Ablesung von Spiegeldrehungen
(Galvanometer u. dgl.) mit Interferenzgenauigkeit aus der Ferne. Zur Ausführung
von Nivellierungen wird die Trennfläche mit der Libelle o. dgl, horizontal gerichtet,
alle Punkte, die im Rechts- und Linksbilde sich decken, liegen in einer Ebene. Fig.7
zeigt die Prüfung- einer Fläche auf Ebenheit: die Verschiebung von Rechts- und Linksbild
der Marke gegeneinander gibt unmittelbar die Abweichung der Fläche von der Ebene.
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Eine zweite Ausführungsform des Doppelprismas zeigen die Fig.2a und
2b. Diese unterscheidet sich von der ersten dadurch, daß die der Spiegelfläche anliegenden
Winkel einander gleich sind. Das Prisma 2a und 2b
erfüllt außerdem die Bedingung
der ersten Ausführungsform, daß nämlich ß=2a=900 -2#450 ist; es entspricht also
einem gemeinsamen Grenzfall der beiden Ausführungsformen. Der Strahlenverlauf in
der Fig. 2a entspricht dem Strahlenverlauf von za; 2b zeigt den der zweiten Ausführungsform
entsprechenden Strahlengang. Die Buchstabenbezeichnungen entsprechen sich. Bei beiden
Ausführungsformen 2a und 2b kann man im übrigen die Interferenzerscheinungen zweiter
Art herstellen und anwenden.
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Anordnungen für Interferenzerzeugung, bei denen kohärente Strahlen
parallel mit dem gegenseitigen Gangunterschied Null geführt werden, sind bereits
bekannt. Der Jaminsche Interferentialrefraktor gehört nicht dazu, weil die Strahlen
nicht den gegenseitigen Gangunterschied Null aufweisen.
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Dagegen gehört die Anordnung nach Rayleigh-Haber-Löwe, die bereits
M i c h e 1 s o n angegeben hat, hierzu. Diese Anordnung benutzt die Beugung an
zwei Spalten. Diese Erscheinung ist außerordentlich lichtschwach, weil die Forderung
der Schärfe und Breite der Streifen und der Breite des Arbeitsraumes und der Helligkeit
einander ausschließen. Auch ist es nicht möglich, die Interferenzfigur auf das Objekt
zu lokalisieren, so daß Endmaße nicht ausgemessen werden können. Es bedarf daher
auch einer besonderen Festlegung der Nullage des Instruments.
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Ferner ist der Ersatz der Michelsonschen Trennebene durch ein würfelförmiges
Prisma mit dazwischenliegender halbdurchlässiger Fläche bekannt; diese Einrichtung
ist aber nicht zur Parallelführung der getrennten Strahlen mit dem Gangunterschied
Null benutzt worden.