DE69220261T2

DE69220261T2 - Drei-dimensionale Interferometerstruktur mit Abtastung durch Brechungselemente

Info

Publication number: DE69220261T2
Application number: DE69220261T
Authority: DE
Inventors: Carlos H Pareja; Fred H Ponce; Warren D Vidrine
Original assignee: Analect Instruments Inc
Current assignee: Analect Instruments Inc
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2012-02-29
Also published as: EP0501833B1; EP0501833A3; DE69220261D1; JPH0735983B2; US5313269A; EP0501833A2; JPH04337426A

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf refraktive Abtast-Interferometer.
Refraktive Abtast-Interferometer, das heißt, Interferometer, bei denen die Abtastung verwirklicht wird durch Bewegung eines keilförmigen Prismas, haben sich als sehr nützlich für Spektrometerkomponenten erwiesen, insbesondere bei der Verwendung in einer Umgebung, die eine stabile Ausrüstung erfordert. Solche Umgebungen werden oftmals in Situationen außerhalb des Labors angetroffen, wie beispielsweise bei der Prozeßsteuerung, der Umweltüberwachung und ähnlichen Anwendungen.
Ein Interferometer vom Keiltyp besitzt vorzugsweise zwei feste Spiegel vom rückstrahlenden Typ und ein keilförmiges Prisma, welches sich über einen der zwei Interferometerarme bewegt. Refraktive abtastende Interferometer sind in den US-Patenten 4 190 366; 4 165 938; 4 265 540; 4 286 877 und 4 784 488 offenbart. Die US-Patente 4 190 366 und 4 165 930 offenbaren allgemein die Verwendung eines flachen Strahlteilers und eines beweglichen keilförmigen Abtastprismas. Das US-Patent 4 286 877 offenbart die Vorgabe eines stationären Kompensationsprismas für die Kompensation von Aberrationen im Strahlteiler und dem Abtastprisma. In dem US-Patent 4 265 540 befindet sich die Strahlteiler- Oberfläche auf einem festen Keil, so daß die festen und beweglichen keilförmigen Prismen die einzigen brechenden Elemente in den Interlerometerarmen sind. In dem US-Patent 4 784 488 sind die festen und beweglichen keilförmigen Prismen in einer von verschiedenen modularen Einheiten angeordnet, was erlaubt, die optischen Systeme leicht zu schalten und neu zu strukturieren. Schlieißlich offenbart das US-Patent 4 773 757 eine feste Strahlteiler/Kompensatoranordnung und zwei Klappspiegel, von denen einer beweglich ist, um die spektrale Abtastfunktion vorzugeben. Daher ist dieses Interferometer nicht vom refraktiven Abtasttyp. Die Strahlteiler/Kompensatoranordnung und die Schwenkspiegel werden durch eine zentrale Stützstruktur abgestützt, die eine Bäsis bzw. einen Boden besitzt, aut welchem diese Komponenten angeordnet sind.
Die vorliegenden Erfindung offenbar Interferometer vom Keiltyp, welche den Nutzen beibehalten die solchen Interferometern anhaften, während ihre Struktur und funktionellen Merkmale beträchtlich vereinfacht und verbessert werden.
Vorteile der Interferometer vom Keiltyp sind von wesentlicher Bedeutung. Keine der drei kritischen optischen Komponenten in dem Interferometer wird während des Betriebs bewegt, d.h., die zwei Spiegel an den Enden der Interferometerarme und der Strahlteiler. Die Struktur ist in der Lage unter schwierigsten Bedingungen zu arbeiten aufgrund dessen, daß ihre kritischen optischen Komponenten stationär sind. Da ein Interferometer vom Keiltyp volispiegelnde Reflektoren (gewöhnlicherweise Eckwürfel) anstelle flacher Spiegel beinhaltet, werden bestimmte Strahlteiler-Aberrationen kompensiert, wodurch der Strahlteiler weniger schwierig herzustellen und billiger ist.
Bei Interferometern, die einen beweglichen Spiegel verwenden, sind bestimmte Ausrichtungen kritisch. Ein flacher Spiegel darf in keiner Achse schwenken, aber es muß ihm eine Verschiebung erlaubt sein. Umgekehrt kann ein Eckwürfel um seinen Scheitelpunkt schwenken, darf aber nicht verschoben werden. Die Abwesenheit eines beweglichen Spiegels in einem Interferometer vom Keiltyp gestattet eine leichtere Ausrichtung, die genauer erreicht und beibehalten werden kann.
Die Vorrichtung dieser Anmeldung behält die wichtigsten Vorteile des Interferometers vom Keiltyp. während sie beträchtlich die Größe und die Anzahl der Teile vermindert und die Leistung solcher Interterometer verbessert. Sie erfüllt alle Leistungsanforde rungen bezüglich thermischer, Beanspruchungs-, Vibrations- und akkustischer Kriterien.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung gibt ein Interferometer vor, das eine Stützstruktur besitzt. wie sie in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definiert ist. Das Interferometer ist so eingeordnet, daß es eine dreidimensionale Stützstruktur (anstelle einer Montageplatte vorgibt, welche die Interferometer-Elemente nur am Boden abstützt.
Das einzige bewegliche Element des Interferometers. das keilförmige Prisma in Nachbarschaft zu dem Strahlteiler wird für die Abtastbewegung durch obere und untere Spuren abgestützt, wodurch ein lineares Lagersystem mit zentraler Masse vorgegeben wird, welches eine Drehbewegung eliminiert und die Lagerabnutzung vermindert.
Die Struktur kann ferner modifiziert werden, um den optischen X-Y-Z- Gesamtkoordinaten die Erzielung von optimalen Positionierresultaten für die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit zu gestatten. Eine Ausrichtung im voraus kann erhalten werden unter Verwendung von Mikropositionier-Anordnungen, die als Teil der Stützstruktur selbst entworfen werden können oder als zeitweilige Belestigungen, die sodann entfernt werden und bei der Ausrichtung im voraus von anderen Interterometern erneut benutzt werden. Ferner ist eine Einstellung nicht erforderlich auforund der stabilen Abstützung der optischen Elemente.
Die externe Gehäuseanordnung kann hermetisch abgedichtet werden. was offensichtliche Vorteile in bestimmten Umgebungen besitzt. Die nicht abgedichtete, im voraus ausgerichtete interne Gehäuseanordnung ist innerhalb der externen Gehäuseanordnung angeordnet. Die wärmeerzeugenden Elemente sind so angeordnet, daß sie die externe Gehäuseanordnung als Wärmesenke verwenden. um die Überhitzung der Interferometer-Elemente zu vermeiden.
Eine weitere Modifikation ist offenbart, bei der das feste Strahlteilerprisma und das bewegliche Abtastprisma in einer Patrone abgestützt sind, die lösbar innerhalb des inneren Gehäuses gesichert ist. Die optische Patrone vereintächt beträchtlich den Montageprozeß, indem sie eine mechanische und optische Ausrichtung vor dem Einsatz in das innere Gehäuse gestattet. Dies vermeidet das Erfordernis für eine mühsame Installierung und eine Vorspannung der Lageranordnung innerhalb des begrenzten Raumes der inneren Hülle, was ein speziell entworfenes Ausriclitwerkzeug aufzunehmen erfordert und störend die empfindlichen Teile bei der Handhabung und Verschmutzung beeinflußt, die sich bereits an Ort und Stelle befinden. Die Patrone gestattet ebenfalls die Ausrichtung des Strahlteilers und der Abtastprismen unabhängig von Montageflächen innerhalb der inneren Hülle und somit ohne das Risiko einer ernsthaften Beschädigung der Keile beim Versuch ihrer Ausrichtung in einem Raum, wo herkömmliche Werkzeuge oder Halter nicht verwendet werden können. Die Ausrichtung der Keile, um die Keilflächen parallel zueinander zu machen, ist ein wesentliches Erfordernis eines Interferometers, da dies sicherstellt, daß der Lichtweg durch die Keile von den Vertikal- und Horizontalebenen nicht winkelmäßig innerhalb der Genauigkeit abweicht, die für den analytischen Strahl erforderlich ist.
Der Einfluß der Patrone erhöht die Zuverlässigkeit der mechanischen und optischen Leistung des Interferometers, da sie vor dem Einbau in die innere Hülle des Systems optisch und mechanisch ausgerichtet sowie gewünschtenfalls einem Temperaturtest unterzogen werden kann. Auch wenn ein Problem nach der Installierung in der inneren Hülle aufgedeckt wird, kann die Patrone leicht entfernt werden und sodann eingestellt werden, oder durch eine zuvor uualifizierte Patrone ersetzt werden. Der Patronenentwurf gestattet ferner einem relativ erfahrenen Feldtechniker den Ersatz der Optik im Feld, anstatt die Einheit zurück in die Fabrik zu schicken, wie dies gewöhnlicherweise der Fall ist. Somit kann die Patrone ebenfalls verwendet werden als ein Ivuttel. um die optischen Bereiche in einem Interferometer leicht umzuschalten. Die entfembare Patrone der Lrfindung ist nicht auf die spezifische, hier offenbarte Interferometerstruktur beschränkt, sondern kann bei anderen Interferometern ebenfalls von Nutzen sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt das optische System eines bekannten Interferometers vom Keiltyp;
Figur 2 ist die Gleiche wie Figur 1 mit der Ausnahme, daß sie die Eingangs- und Rückkehrstrecken des Laser-Taktstrahles in einem bekannten System zeigt;
Figur 3 ist eine isometrische Zeichnung, die die inneren und äußeren Gehäuse zeigt, die die strukturellen Haupt-Subanordnungen der Ertindung bilden;
Figuren 4 und 5 sind isometrische Zeichnungen, die von unterschiedlichen Aussichtspunkten die innere Hülle (Gehäuse) der Struktur zeigen, welche die optischen Elemente des Interferometers umfaßt;
Figur 6 ist eine Draufsicht auf die gesamte zusammengebaute Struktur, wobei der Deckel entfernt ist;
Figur 7 veranschaulicht die relativen Positionen der Infrarot (IR)- Strahlstrecke und der zwei Laser-Strahlstrecken in Figur 6;
Figur 8 ist eine Seitenansicht, die den beweglichen Teil und die Spuren zeigt, entlang welcher dieser wandert;
Figur 9 ist ein Schnitt entlang der Linie 9-9 in Figur 8;
Figuren 10-12 sind isometrische Zeichnungen, die den endgültigen Zusammenbau der Kombination aus innerer Hülle und äußerer Hülle zeigen;
Figur 13 ist eine Seitenansicht, die die Elemente zeigt, die bei der Ausrichtungseinstellung in der X-Achse beteiligt sind;
Figur 14 ist eine Seitenansicht, die die Elemente zeigt, die bei der Ausrichtungseinstellung in der Y-Achse beteiligt sind;
Figur 15 ist eine Seitenansicht, die die Elemente zeigt, die bei der Ausrichtungseinstellung für die Wegdifferenz 0 beteiligt sind;
Figur 16 ist eine auseinandergezogene isometrische Ansicht einer entfembaren optischen Patrone und der inneren Hülle, die gemäß dem Prinzipien der Erfindung aufgebaut sind;
Figur 17 ist eine Ansicht des einheitlichen Mittelstückes der entlembaren Patrone, die die Seite veranschaulicht, die den festen Keil trägt;
Figuren 18-19 sind Vorder- und Schnittansichten entsprechend von dem Mittelstück gemäß Figur 17;
Figuren 20-21 sind entsprechende Ansichten der Außenseite und der Innenseite (in Figur 16 nicht sichtbar) eines festen Keilträgers, der mit der ent teunbaren optischen kitrone der Erfindung befestigt werden kann;
Figur 22 ist eine Ansicht des festen Keilträgers, wie er in den Figuren 20-21 gezeit ist;
Figur 23 ist eine Ansicht der Außenseite (in Figur 16 nicht sichtbar) eines beweglichen Keuträgers, der durch die entfembare optische Patrone abgestützt werden kann;
Figur 24 ist eine Ansicht des Endes des bewegliches Keilträgers, mit dem der Motor verbunden ist; und
Figur 25 ist eine Ansicht der Innenseite des beweglichen Keilträgers gemäß Figur 23.

Detaillierte Beschreibung

Figur 1 (ähnlich zu Figur 1 in US-Patent 4,265,540) zeigt schematisch ein Interferometer vom Keiltyp des Standes der Technik. Ein analytischer Strahlungsstrahl z.B. Infrarot (IR) von einer Quelle 20 folgt der Wegstrecke 22 zu einem keilförmigen Prisma 24. Ein anderes keilförmiges Prisma 26 ist so dimensioniert, daß die Brechungseffekte der Prismen 24 und 26 in der 0- Wegdifferenz (ZPD)-Position ausgeglichen werden.
Einer der Keile 24 ist nicht beweglich und trägt Strahlteiler-Beschichtungsmaterial auf seiner Oberfläche 28. Der andere Keil 26 ist beweglich für Abtastzwecke durch einen Motor 25 hin und zurück in der Richtung, die durch den Pfeil 27 angezeigt ist. In der ZPD-Position des bewegliches Keiles sind die Weglängen der Strahlung durch die zwei Keile einander gleich. Die Position eines Keiles wird anfänglich in der ZPD-Position eingestellt.
Der IR-Strahlungsstrahl 22 wird teilweise (halb) reflektiert und teilweise (halb) durch den Stmhlteiler 28 übertragen. Die von dem Strahlteiler reflektierte Strahlung wandert entlang einer Wegstrecke 30 zu einem festen rückstrahlenden Spiegel 32 (z.B. einem Eckwürfel). Die durch den Strahlteiler übertragene Strahlung wandert entlang einer Wegstrecke 34 zu einem anderen festen rückstrahlenden Spiegel 36 (z.B. einem Eckwürfel). Der Strahlungsweg wird durch eine einfache Linie in Figur 1 angezeigt. Allgemein ist der analytische (IR)- Strahlungsstrahl ein kollimierter Strahl mit einem Durchmesser von einem Zoll.
Von den Eckwürfelspiegeln 32 und 36 zurückkehrende Strahlung wird an dem Strahlteiler 28 erneut kombiniert. Die reflektierte Hälfte der erneut kombinierten Strahlung folgt einer Wegstrecke 38 zu einem Detektor 40. Beim Gebrauch des Spektrometers wird eine Probe in der Wegstrecke 38 angeordnet, so daß ihre Charakteristik durch ein von dem Detektor erzeugtes Spektrogramm aufgezeichnet wird.
Das feste keilförmioe Prisma 24 kann kürzer sein als das bewegliche keilförmige Prisma 26. Ein kürzerer Keil ist augenscheinlich leichter herzustellen und weniger Strahlungs-Störproblemen unterworfen. Die Keile und insbesondere der bewegliche Keil 26 sind die teuersten optischen Teile des Interferometers. Die Rohlinge von denen die Keile hergestellt werden, sind gewöhnlicherweise dicke kreisförmige Platten. welche anfänglich flache Oberflächen auf beiden Seiten aufweisen. Der Keil wird gebildet durch Entfernung von Material von einer Seite der Platte. Ein kleinerer Keil wird gebildet aus einer Platte mit kleinerem Durchmesser und dieser ist daher offensichtlich leichter und billiger herzustellen als ein größerer Keil.
Der bewegliche Keil 26 muß länger als der feste Keil 24 aus zwei Gründen sein:
(1) Seine Länge muß die Abtastbewegung gestatten, welche Länge dem Durchmesser des infraroten Strahlungsstrahles hinzuaddiert wird; und
(2) seine Länge (bei der bekannten Struktur) muß einen Referenz(Takt)- Laserstrahl erlauben, der durch jeden Keil an seinen Eintritts- und Rückkehrstrecken verläuft, wobei eine der Strecken sich nahe dem dünnen Ende des Keiles befindet und die andere sich in der Nähe des dicken Endes des Keiles befindet.
Beispielhafte beteiligte Abmessungen können sein ein Durchmesser für den IR- Strahl von 25,4 mm (1 Zoll), eine Keil-Wanderstrecke geringfügig unter 25,4 mm (1 Zoll) und ein Raum von 6,4 mm (1/4 Zoll) zwischen jeder Laserstrahlstrecke und der benachbarten Kante des IR-Strahles. Die Laser-Strahlstrecken müssen außerhalb der IR-Strahlstrecke liegen.
In Figur 2 ist das Rererenz-Laserstrahlsystem des Standes der Technik schematisch gezeigt, welches einem Weg 42 beim Eintritt in das Interferometer und einer Rückkehr-Wegstrecke 44 beim Verlassen des Interferometers folgt. Der Laserstrahl besitzt seine eigene Quelle 46 und seinen Detektor 48. Der primäre Zweck des Laserstrahles (monochromatisch) liegt in der Verwendung von Impulsen aus einem periodischen Beugungsmuster, um die Abtastung der IR- Detektorsignale durch das FTIR-System zu takten. Er ist ebenfalls nützlich bei dem Verfahren der Ausrichtung des Interferometers vor dem Betrieb des lnterferometers. In Figur 2 ist der Abstand von jeder Laserstrahlstrecke 42 und 44 von dem IR-Strahl für die leichtere Veranschaulichung übertrieben.
Die Vorrichtung der Erfindung behält die grundlegende bekannte Struktur bei, einschließlich des beweglichen Keiles des mit dem Strahlteiler beschichteten nichtbeweglichen Keiles und der zwei festen Eckwürfelspiegel. Seine Gesamt- Abstützstruktur ist jedoch beträchtlich unterschiedlich gegenüber den früheren Interterometern vorn Keiltyp.
Die Stützstruktur tür das Interferometer ist ein wesentlicher Aspekt dieser Anmeldung. Sie ist so aufgebaut, daß sie: (1) kompakt ist, (2) sehr stabil und kompakt ist, (3) eine dreidimensionale Abstützung für die optischen Elemente vorgibt, (4) eine hermetische Abdichtung gestattet, (5) eine minimale Anzahl von Keilen erfordert und (6) eine zuverlässige permanente Ausrichtung im voraus gestattet.
Um diese Ziele zu verwirklichen, werden zwei primäre Hüllen verwendet, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Eine innere Hülle 50 gibt eine Abstützung für alle optischen Elemente vor. Eine äußere Hülle 52 umschließt die innere Hülle plus bestimmte wärmeerzeugende Elemente. Die äußere Hülle 52 kann hermetisch abgedichtet werden; und sie ist so angeordnet, daß sie als eine Wärmesenke für die wärmeerzeugenden Elemente arbeitet, wodurch das umschlossene Interferometer in einer relativ kühlen Umgebung arbeiten kann.
Die inneren und äußeren Hüllen 50 und 52 werden vorzugsweise als Gußgehäuse ausgebildet. Sie geben eine strukturelle Festigkeit vor und eine Genauigkeit der Anordnung der durch sie abgestützten Elemente. Diese Genauigkeit der Anordnung ist besonders wichtig für die innere Hülle 50, da sie permanent die optischen Elemente des Interferometers positioniert, nachdem sie anfänglich ausgerichtet sind.
Die Figuren 4 und 5 sind isometrische Ansichten der inneren Hülle 50. Ein Motor 54 (Figur 4) wird verwendet, um den beweglichen Keil anzutreiben. Ein Wand 56 der Hülle 50 trägt eine Platte 58, welche einen der Eckwürfel abstützt die innerhalb der Hülle 50 angeordnet sind. Die Ausrichtung des Interferometers in der Y-Achse wird verwirklicht durch genaue vertikale Einstellung der Platte 58, welche den befestigten Eckwürfel bewegt. Ein Mikropositionierer wird für die Ausrichtung in der Y-Achse verwendet. Der Mikropositionierer kann integral mit der Abstützplatte oder als ein getrennter Mechanismus gebildet werden, die von der Hülle 50 vor dem Einsatz der Hülle in die Hülle 52 entfernt werden. Die Platte 58 wird nach der Einstellung der Y-Achse fest gegen die Wand 56 der Hülle 50 durch mehrere Befestigungselemente 60 gehalten. deren Köpfe in der Figur sichtbar sind. Das Verfahren der anfänglichen Einstellung (Ausrichtung der Platte 58) wird in Einzelheiten unten beschrieben.
Figur 5 zeigt eine andere Wand 62 der Hülle 50, welche eine Platte 64 trägt, die dcii anderen Eckwürfel abstützt, der innerhalb der Hülle 50 angeordnet ist. Die Ausrichtung des lnterferometers in der X-Achse wird verwirklicht durch genaue horizontale Einstellung der Platte 64, die den damit befestigten Eckwürfel bewegt. Ein Mikropositionierer wird verwendet für die Einstellung in der X-Achse. Der Mikropositionierer kann als integraler Bestandteil mit der Stützplatte oder als getrennter Mechanismus 2ebildet werden, die von der Hülle 50 entfernt werden, bevor die Hülle 50 in die Hülle 52 eingesetzt wird. Die Platte 64 wird nach der Einstellung in der X-Achse fest gegen die Wand 62 der Hülle 50 durch mehrere Befestigungsglieder 60 gehalten, deren Köpfe in der Figur erkennbar sind. Das Verfahren der anfänglichen Einstellung (Ausrichtung) der Platte 64 wird unten beschrieben.
Beide Figuren 4 und 5 zeigen eine obere Spur 66, die sich quer über die Hauptabmessung des Deckels der Hülle 50 erstreckt und damit verbunden ist. Diese Spur bildet eine wesentliche Funktion des oberen Teils einer Struktur mit zwei Spuren für die Wegstreckenführung des beweglichen Keils. Die Keilführung gibt sowohl obere und untere Spuren für eine maximale Stabilität vor, wenn der Keil seine Abtastbewegung ausführt.
Figur 6 ist eine Draufsicht auf die gesamte Struktur aus zwei Gehäusen, die die Positionen der optischen Elemente in der zusammengebauten abdichtbaren Einheit zeigt. Eine IR-Quelle 68 und ein parabolischer Spiegel 69 richten einen kollimierten Strahl 70 zu einer Öffnung in der Hülle 50 und durch ein bewegliches keilförmiges Prisma 64 zu einer Strahlteileroberfläche 76. die auf der Innenseite eines ortsüesten keilförmigen Prismas 78 gebildet ist.
Der von dem Strahlteiler reflektierte Teil des IR-Strahles 70 wandert entlang eines Weges 80 zu einem ersten Eckwürfelreflektor 82, der ihn zurück zu dem Strahlteiler 76 reflektiert. Der von dem Strahlteiler übertragene Teil des IR- Strahles 70 verläuft durch das ortsfeste keilförmige Prisma 78 entlang eines Weges 84 zu einem zweiten Eckwürfelreflektor 86. Der Eckwürfel 86 reflektiert den IR-Strahl zurück zu dem Strahlteiler 76, wo die zwei Strahlen erneut kombiniert werden.
Die IR-Streeke 80 bildet einen "Arm" des Interferometers und die IR-Strecke 84 bildet den anderen Arm" des Interferometers. Die Bewegung des Keiles 74 entlang des Weges 80 unter der Steuerung des Motors 54 (Figur 4) verändert die Länge des Strahlungsweges 80 wodurch die gewünschte spektrale Abtastinformation geliefert wird. Die erneut kombinierten IR-Strahlen folgen einem Weg 88 durch eine Ölfnung 90 in der inneren Hülle 50 und durch ein Fenster 92 in der äußeren Hülle 52 gegen einen Abtaster und Detektor (nicht dargestellt).
Wie gezeigt, ist der Eckwürfel 82 mit der Platte 58 (Figur 4) betestigt; und der Eekwürlel 86 ist mit der Platte 64 (Figur 5) befestigt. Die innere Hülle so ist mit der äußeren Hülle 52 mittels mehrerer Schrauben 94 befestigt, die sich durch den Boden 96 der inneren Hülle 50 und in den Boden 98 der äußeren Hülle 52 erstrecken. Der Boden 98 ist ein dickes Metallelement, welches als ein effektives wärmesenkendes Element arbeitet. Die IR-Quelle 68 ist direkt mit dem Boden 98 der äußeren Hülle 52 befestigt.
Die Linie 100 in Figur 6 stellt die Strecke eines Laser-Taktstrahles dar. Das Lasersystem und seine neuen Funktionen werden in Einzelheiten in dem US- Patent 5.155.551 beschrieben. In der ebenen Ansicht von Figur 6 repräsentiert cine einzige Linie 100 sowohl die Laserstrahistrecke unterhalb des IR-Strahles und die Laserstrahlstrecke oberhalb des IR-Strahles. In Figur 7 ist eine Laserstrahlstrecke 100a unterhalb des IR-Strahles 80-84-88 gezeigt und eine Lascrstrahlstrecke 100b ist oberhalb des IR-Strahles 80-84-88 gezeigt. Die Verwendung von vertikal beabstandeten eingehenden und rückkehrenden Laserstrecken zusammen mit einem Interferometer vom Keiltyp hat beträchtliche Vorteile gegenüber bekannten Einrichtungen, in denen horizontal beabstandete Strecken, wie z.B. in Figur 2 gezeigt, verwendet werden. Die vorliegende Anmeldung ist nicht für sich auf diese Vorteile gerichtet. Sie umfassen jedoch: cine Reduzierung in der Länge des beweglichen Keiles und in der Größe der rückstrahlenden Spiegel, die Verwendung eines Quadratursystems, das das Erfordernis nach einem optischen System mit "weißem Licht" eliminiert, um den Start und den Stopp des beweglichen Keiles zu steuern; und die Fähigkeit den festen Keil einzustellen, um eine 0-Wegdifferenz (Ausrichtung) (ZPD) vorzugeben.
Die Figuren 8 und 9 zeigen den Mechanismus für die Abstützung und Führung des bewegliches Keiles 74. Der feste Keil wird in diesen Figuren für ein klareres Verständnis unterdrückt. Wie in Figur 8 erkennbar, besitzt der Keil 74 einen kreisförmigen Umriß. Eine longitudinale Horizontalansicht würde die Keilform von Figur 6 zeigen. Der Keil 74 ist in einem Ringelement 102 abgestützt, welches seinerseits durch eine Platte 104 getragen wird. Wie in dem vertikalen Querschnitt (Figur 9) gezeigt, wird die Keil-Stützstruktur durch eine untere Spur 106 und eine obere Spur 66 (Figuren 4 und 5) geführt. Die untere Spur 106 ist mit dem Boden 96 der inneren Hülle 50 befestigt, während die obere Spur 66 mit dem Deckel der Hülle 50 befestigt ist (Figur 5). Lineare Rollenlager 108 sind zwischen der sich bewegenden, den Keil tragenden Struktur und jeder der unteren und oberen stationären Spuren 106 und 66 vorgesehen. Die hin- und hergehenden Bewegungen der den Keil tragenden Struktur werden durch den Motor 54 (Figur 4) gesteuert.
Diese Kombination aus unteren und oberen Spuren zum Führen der Bewegung des Keiles 74 wird als ein Lagersystem mit zentraler Masse bezeichnet. Es ist besonders wichtig aufgrund der relativ schweren Keilstruktur, welche Wobbelprobleme nach sich ziehen kann, wenn sie alleine auf Spuren auf dem Boden abgestützt ist. Die unteren/oberen Spuren eliminieren Drehmomente bei der Umkehrung (Richtungsumkehr) und sie erfüllen sehr viel höhere Anforderungen gegen ein Verschwenken in der vertikalen Achse. Die untere/obere Lageranordnung wird nur möglich bei einer dreidimensionalen Interferometer-Stützstruktur.
Die Stabilität des beweglichen Keiles ist wichtig, da der bewegliche Keil ein schwereres optisches Element als die beweglichen optischen Elemente in Interferometern ohne Keil ist. Wie zuvor erläutert, muß der bewegliche Keil lang genug sein. um den Durchmesser des IR-Strahles plus die Länge der Abtastbewegung aufzunehmen. Die Verwendung von unteren und oberen Führungsspuren gibt eine breite Spurtrennung vor, welche im wesentlichen die Bewegung von einer Seite zur anderen Seite verhindert. Da ferner die zwei Spuren um gleiche Abstände von dem Kraftzentrum entfernt sind, das durch den Motor ausgeübt wird, gibt es eine kleine statische Reibung oberhalb und unterhalb und eine gleiche dynamische Reibung oberhalb und unterhalb. Somit übt der Motor eine Kraft auf eine abgeglichene Last aus.
Die Figuren 10-12 sind isometrische Zeichnungen, die den endgültigen Zusammenbau der Kombination aus Innenhülle und Außenhülle zeigen. Figur 10 zeigt die vervollständigte Anordnung, bei welcher eine Deckelplatte 110 mit der Außenhülle durch mehrere Befestigungselemente 112 befestigt ist. Figur 11 zeigt die Anordnung, wenn die Deckelplatte 110 auf der Einheit angebracht ist. Ein Abdichtelement 114 (O-Ring) mit rundem Querschnitt in einer Nut an der Oberseite der Hülle 52 gibt eine hermetische Abdichtung der Einheit vor. Diese Abdichtung schützt die Interferometerteile gegen Feuchtigkeit und Staub, die in der äußeren Umgebung vorliegen. Dieser Schutz ist besonders wichtig für die linearen Rollenlager, entlang welcher der bewegliche Keil wandert.
Figur 12 zeigt die hermetisch abgedichtete Einheit von der Bodenseite. Der Boden 98 (Figur 6) der Außenhülle 52 ist weit genug von der Unterkante 116 der Außenhülle 52 beabstandet, um eine Kammer vorzugeben. welche zwei wärmeerzeugende Komponenten beherbergt; einen Lasergenerator 118 und seine Spannungsversorgung 120. Das Fenster 92 (Figur 6) gestattet den Austritt des durch das Interferometer modulierten Strahles auf seinem Weg zu dem Abtaster und Detektor. Eine Platte 126 ist mit der Bodenkante 116 der Außenhülle 52 durch Befestigungsmittel 128 befestigt, um die Kammer unterhalb des Bodens 98 abzuschließen.
Des Schutz des Interferometers gegen übertriebene Hitze und die Abführung der Wärme von den wärmeerzeugenden Komponenten sind wichtige Gesichtspunkte der ottenharten Struktur. Daher sind keine Wärmequellen mit der Innenhülle 50 verbunden. Alle Wärmequellen sind direkt thermisch auf der Außenhülle 52 abgeführt, welche, wie in den Zeichnungen gezeigt, zahlreiche äußere Metallrippen 130 besitzt, um die wärmeverteilende Oberfläche zu vergrößern.
Wie zuvor angegeben, befinden sich der Laser und seine Spannungsversorgung außerhalb des Interferometerabteils, d.h. sie sind unterhalb des Bodens 98 der Außenhülle 52 angeordnet. Eine weitere Haupt-Wärmequelle ist die IR- Strahlungsquelle 68 (Figur 6). Es ist nicht erwünscht, die IR-Strahlung durch ein Fenster zu senden. da ein solches Fenster sowohl erweitern als auch stören würde und durch die nahe angeordnete heiße IR-Quelle herabgemindert würde. Die IR- Quelle ist vorzugsweise eine intern reflektierende Kugel der Art, wie sie in dem US-Patent 4,724,329 offenbart ist. Diese IR-Quelle bringt die thermische Belastung der Quelle auf ein Minimum und gibt eine nahezu vollständige metallische Kugelumhüllung vor, die die Quelle umgibt. Das die Quelle umgebende Metall leitet die Hitze direkt zu dem äußeren Gehäuse 52 über dem Boden 98. Andere thermische Quellen sind Leistungstransistoren, die auf Aluminiumblöcken montiert sind, die direkt mit dem äußeren Gehäuse 52 verschraubt sind.
Wie zuvor vermerkt. kann das Interferometer vor dem Abdichten der Außenhülle 52 ausgerichtet werden. Die Anordnung ist so getroffen worden, da diese Ausrichtung im voraus sowohl relativ einfach zu verwirklichen ist und stabil genug ist, um permanent zu sein. Mit anderen Worten, eine nachfolgende Neuausrichtung ist nicht erforderlich.
Wie zuvor erwähnt, besitzen Interferometer vom Keiltyp einen anhaftenden Vorteil insofern als alle drei kritischen optischen Komponenten - der Strahlteiler- Keil und die zwei Eckwürfelspiegel - sich während des Betriebs des lnterferometers nicht bewegen. Einzig der Nicht-Strahlteiler-Keil bewegt sich.
Die Erfindung macht es möglich, jede der drei nicht beweglichen (festen) optischen Komponenten für die anfängliche Ausricht-Einstellung zu verwenden, wonach jede eingestellte Komponente an Ort und Stelle verriegelt wird. Der feste Keil kann bei der Erfindung eingestellt werden, um die 0-Wegdifferenz- Ausrichtung (ZPD) vorzugeben. Dies ist möglich, da der Laser-Taktstrahl 100 (Figur 6) in das Interferometer wandert und sich aus diesem bewegt auf darunterund darüberliegenden Wegstrecken anstelle von horizontal beabstandeten Wegstrecken. Wie zuvor erwähnt, repräsentiert mit anderen Worten die Linie 100 in der ebenen Ansicht von Figur 6 sowohl die eingehenden als auch rückkehrenden Wegstrecken des Laserstrahles, da sie vertikal anstelle von horizontal beabstandet sind. Der eingehende Laserstrahl befindet sich unterhalb des IR-Strahles und der rückkehrende Laserstrahl befindet sich oberhalb des IR- Strahles.
Die zwei anderen anfänglichen Ausrichteinstellungen vor der Abdichtung (zusätzlich zu der ZPD-Einstellung) sind die X-Achsenausrichtung und die Y- Achsenausrichtung. Diese Ausrichtungen erfolgen durch Einstellung der Eckwürfelspiegel vor dem Abdichten der Struktur. Wie zuvor erläutert, werden Mikropositionier-Einstellmechanismen für die Ausrichtungen verwendet und entfernt, bevor die Innenhülle 50 permanent in der Außenhülle 52 befestigt wird. Mit anderen Worten wird eine permanente Ausrichtung durch entfernbare Ausrichtmechanismen vorgegeben. In anderen Ausführungsbeispielen werden die Einstellmechanismen an Ort und Stelle belassen.
Die Figuren 13 - 15 zeigen die Ausrichtmechanismen für jede der Ausrichtungen in den drei Achsen. Figur 13 zeigt den X-Achsen-Ausrichtmechanismus. Die Ausrichtung wird verwirklicht durch genaue horizontale Einstellung der Platte 64 (Figuren 5 und 6). Die Platte 64 trägt den Eckwürlelspiegel 86, dessen X- Achsenausrichtung verwirklicht wird durch horizontale Einstellung der Platte 64. Eine vertikale Bewegung der Platte 64 wird verhindert durch die drei zvlindrischen Körper 132 der Befestigungselemente 60, deren Köpfe in Figur 5 erkennbar sind. Die Körper 132 der Befestigungsglieder 60 gelangen mit den oberen und unteren Seiten von länglichen Schlitzen 135 in Eingriff, die in der Platte 64 gebildet sind und verhindern somit eine vertikale Bewegung der Platte 64.
Eine horizontale Einstellbewegung der Platte 64 wird durch ein Mikrometer 136 gesteuert, welches in eine Platte 138 eingeschraubt ist, die mit der Außenwand der Innenhülle 50 befestigt ist. Der horizontalen Einstellbewegung der Platte 64 widersetzen sich zwei Stößel 140, die durch eine Platte 142 abgestützt sind, die mit der Außenwand der Innenhülle 50 befestigt ist. Bei dem Ausrichtverfahren wird der Laser-Taktstrahl zunächst verwendet, um eine Rohausrichtung zu erhalten. Sodann wird der IR-Strahl verwendet, um eine genaue Ausrichtung zu erhalten. Nach einer solchen genauen Ausrichtung werden die Belestigungsglieder 60, deren Innenansätze sich im Schraubeingriff mit Öffnungen in der Wand der Innenhülle 50 befinden, fest gegen die Platte 64 gezogen, um permanent die ausgerichtete Position der Platte 64 und des Eckwürfels 86 beizubehalten. Nach der Ausrichtung werden die Platten 138 und 142 von der Hülle 50 gelöst. so daß der Einstellmechanismus von der Struktur entfernt werden kann.
Figur 14 zeigt den Y-Achsen-Ausrichtmechanismus. Die Ausrichtung wird verwirklicht durch genaue vertikale Einstellung der Platte 58 (Figuren 4 und 6). Platte 58 trägt den Eckwürfelspiegel 82, dessen Y-Achseneinstellung verwirklicht wird durh vertikale Einstellung der Platte 58. Eine horizontale Bewegung der Platte 58 wird verhindert durch die drei zylindrischen Körper 132 der Pelestigungselemente 60, deren Köpfe in Figur 4 erkennbar sind. Die Körper 132 der Befestigungselemente 60 gelangen mit den linken und rechten Seiten von länglichen Schlitzen 144 in Eingriff, die in der Plaue 58 gebildet sind und die somit eine horizontale Bewegung der Platte 58 verhindern.
Eine vertikale Einstellbewegung der Platte 58 wird durch ein Mikrometer 136a gesteuert, welches in eine Platte 138a eingeschraubt ist, die mit der Aulsenwand der Innenhülle 50 befestigt ist. Der vertikalen Einstellbewegung der Platte 58 widersetzen sich zwei Stößel 140a, die durch eine Platte 142a abgestützt sind, die mit der Außenwand der Innenhülle 50 befestigt ist. Das vertikale Einstellverfahren wird in der gleichen Weise wie das horizontale Einstellverfahren ausgeführt. Nach genauer Ausrichtung werden die Befestigungselemente 60 fest gegen die Platte 58 geschraubt, um die ausgerichtete Position der Platte 58 und des Eckwürfels 82 permanent beizubehalten. Sodann wird der Einstellmechanismus von der Struktur entfernt.
Ein Eckwürfel kann benutzt werden, um sowohl horizontale als auch vertikale Ausrichteinstellungen vorzugeben. Dies würde jedoch komplexere Einstellverfahren erfordern; und die erreichte Ausrichtung wäre weniger verläßlich als eine permanente Ausrichtung.
Figur 15 zeigt den ZPD-Einstellmechanismus. Die ZPD-Einstellung wird verwirklicht durch genaue Einstellung des festen Keiles in der Z-Achse, d.h. in einer Richtung quer zu der optischen Wegstrecke der IR-Strahlung. Der Laser- Strahlungspfad ist nicht nützlich bei der ZPD-Einstellung, nur der IR- Strahlungspfad ist nützlich.
Das feste keilförmige Prisma 78, dessen innere Oberfläche die Strahlteilerbeschichtung 76 aufweist, ist in einem Ringelement 148 abgestützt, welches seinerseits durch eine Platte 150 getragen wird. Wie am besten in Figur 5 erkennbar. wird die Platte 150 gegen eine Wand 152 gehalten, welche ein starres Metallelement ist, das als ein Teil des Gehäuses der Innenhülle 50 gebildet ist und sich zwischen gegenüberliegenden Wänden 154 und 156 desselben erstreckt. Die Wand 152 umfaßt vertikale Flansche 158 und 160 (Figur 15), zwischen welchen die Platte 150 angeordnet ist.
Bei der ZPD-Ausrichtungseinstellung befindet sich ein Mikrometer 162 im Eingriff mit der rechten Seite der Platte 150 und Stifte 164 und 166 befinden sich im Eingriff mit der linken Seite der Platte 150. Wie bei der X-Achse und den Y- Achseneinstellungen ist die Platte 150 gezwungen, sich nur in der Z-Richtung (horizontal) durch die Körper [32 der Befestigungselemente 60 zu bewegen, welche in die oberen und unteren Seiten der länglichen Schlitze 168 greifen. die in der Platte 150 gebildet sind. Nach der Ausrichtungseinstellung des festen Keiles 78 wird die Platte 150 sicher an Ort und Steile gegen die Wand 152 durch Schrauben der Befestigungselemente 60 fest gegen die Platte 150 gehalten.
Bei der ottenbarten Struktur wird der Eingriff zwischen zwei im wesentlichen flachen Elementen vorzugsweise durch einen Kontakt in drei Positionen verwirklicht. Dies besitzt den Vorteil der Verminderung der Anforderungen an die Toleranz der Flachheit und der Minimierung der thermischen Übertragung und Beanspruchung. Eine Dreipunkt-Lagerung wird verwendet: (a) zwischen dem Boden 96 der Innenhülle 50 und dem Boden 98 der Außenhülle 52 (Figur 6); (B) zwischen der Platte 58 und der Wand 56 der Innenhülle 50 (Figur 4); zwischen der Platte 64 und der Wand 62 der Innenhülle 50 (Figur 5); und zwischen der Platte 150 und der Wand 152 (Figur 15).
Figur 16 offenbart eine Modifikation, bei der die Innenhülle im wesentlichen aus zwei Stücken oebildet ist - einer allgemein hohlen Hülle und einer einstückigen, leicht ersetzbaren optischen Einheit 200, die vorteilhaft als einsetzbare Patrone entworfen ist. Bei dem Entwurf der Innenhülle nach den Figuren 4-5. müssen die empfindlichsten optischen Elemente - die festen und beweglichen Keile - in der Hülle 50 installiert werden, bevor die Lager 108 (Figur 9) ausgerichtet und vorgespannt werden, was im wesentlichen der letzte Schritt beim Zusammenbau der Hülle so ist. Wie aus Figur 5 hervorgeht, ist die mechanische Ausrichtung der Lager. welche von Bedeutung ist, um sicherzustellen, daß die Keilflächen über den gesamten Hub des beweglichen Keiles parallel sind. eine mühsame Aufgabe aufgrund des beengten Raumes innerhalb der Hülle. Ein spezielles Äusrichtwerkzeug ist ertörderlich, um die optischen Elemente einzupassen. die der Handhabung und der Atmosphäre ausgesetzt sind. Ferner verhindert der beengte Raum die Verwendung herkömmlicher Werkzeuge oder Halteeinrichtungen. um irgendwelche weitere optischen Einstellungen vorzunehmen (die Keile sind optisch eingestellt worden vor dem Zusammenbau in der Hülle 50 durch geeignete Drehung des Ringelementes 102 in bezuit auf die Platte 104 für den beweglichen Keil (Figuren 8-9) und durch Drehung des Ringelementes 149 in bezug auf die Platte 150 für den festen Keil (Figur 15)). Nach Installierung der Innenhülle so ist daher eine unabhängige Ausrichtung der Keilflächen nicht möglich, ohne eine Beschädigung dieser empfindlichen Elemente zu riskieren. Wenn der Test der zusammengebauten Hülleinheit 50 Probleme ergibt. ist darüber hinaus ein Auseinanderbau der Optik und eine nachfolgende Neuinstallierung in der Hülle erforderlich.
Die optische Patrone, die einen anderen Gesichtspunkt der Erfindung bildet, vermeidet die oben erwähnten Nachteile. Die auseinandergezogene Ansicht von Figur 16 veranschaulicht den Frontautbau des inneren Hüllengehäuses 180. Die Hülle 180 ist im wesentlichen ähnlich zu der zuvor erläuterten Hülle 50 und nur die bedeutenden Unterschiede werden unten erläutert. In Figur 16 gezeigte Teile, die ähnlich zu den zuvor erläuterten Teile sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen worden. Die innere Hülle 180 umfaßt keine Innenwand, wie in Figur 5 bei 152 dargestellt. Stattdessen ist die Hülle 50 im wesentlichen hohl und besitzt eine zentrule Öffnung an der Oberseite, welche die optische Patrone 200 gleitend und entfembar aufnehmen kann. Die Patrone umfaßt ein Guß-Mittelstück 210, das einen Träger 230 für eine festes keilförmiges Prisma auf einer Seite und einen Träger 250 für ein bewegliches keilförmiges Prisma auf der anderen Seite über obere und untere lineare Lageranordnungen 108', 108' abstützt. Wie durch die Striche angedeutet. kännen die Lageranordnungen von der gleichen Konstruktion wie jene sein. die zuvor offenbart wurden.
Zum Zwecke der Klarheit sind die festen und beweglichen Keile selbst in den Figuren 16-25 nicht dargestellt worden. Jeder der Träger für den lesten und beweglichen Keil umfaßt Mittel zum Bewirken einer Dreheinstellung und sodann zur Betestigung des Keiles in bezug auf seinen Träger. In bezug auf den Träger für den festen Keil den Figuren 20-22, ist z.B. der Träger 230 integral mit einem rechteckförmigen Plattenteil 231 und einem Ringteil 233 gebildet, der sich senkrecht von der Innenseite des Plattenteiles erstreckt. Eine abgesetzte Bohrung 243 mit einer dünnen Schulter 236 ist in der Platte 231 und dem Ringteil 233 gebildet, um den lösten Keil aufzunehmen und zu halten, der nicht-drehbar in einem ringförmigen Stützelement (nicht gezeigt) gelagert ist. Das Stützelement besitzt einen Flansch zu dem Flansch 104a, wie er in Figur 9 gezeigt ist, aber um eine Dreheinstellung des festen Keiles in bezug auf den Träger 230 zu bewirken, besitzt der Flansch dieses Stützelementes vier längliche gebogene Schlitze (ähnlich den Schlitzen 232 in dem Tiäger 230), die auf Gewindebohrungen 235 ausgerichtet werden können, die in dem Träger 230 gebildet sind, nachdem das ringförmige Stützelement in der Bohrung 234 aufgenommen ist. Somit kann die Drehposition des festen Keiles in bezug auf den Träger 230 über die gebogenen Schlitze eingestellt werden und sodann durch Schrauben oder andere Befestigungselemente gesichert werden, die in die Bohrungen 235 eingeschraubt werden.
In gleicher Weise kann die Drehposition des beweglichen Keiles einstellbar gesichert werden. Die Figuren 23-25 veranschaulichen den beweglichen Keilträger 250, der aus einem allgemein rechteckförmigen Element 251 gebildet ist. Eine abgesetzte Bohrung 253 mit einer dünnen Schulter 254 wird in dem Element 251 gebildet, um den beweglichen Keil aufzunehmen, der nicht dargestellt ist. Vier längliche gebogene Schlitze 252 sind in dem rechteckförmigen Element 251 gebildet, um den beweglichen Keil über zwei Stangen 260 zu halten. von denen sich jede quer erstreckt und mit zwei der Schlitze 252 durch geeignete Befestigungselemente verbunden ist, die in den Gewindebohrungen 261 aufgenommen werden. Die Stangen 260, von denen nur eine dargestellt ist, verspannen den Keil in seiner Position, wenn sie geeignet gesichert sind und sie gestatten eine Relativdrehung des Keiles, wenn sie gelockert werden.
Wie in Figur 16 gezeigt. wird der feste Keilträger 230 zwischen gegenüberliegenden Längsflanschen 211, 212 des Mittelstückes gehalten, die sich senkrecht von dem (allgemein flachen Stegteil 213 erstrecken. Wie am besten in Figur 17 erkennbar, besitzt das Mittelstück 210 einen zentralen Ausschnitt 214, um dem analytischen Strahl und dem Laser-Referenzstrahl den Durchtritt durch die Keile zu gestatten, die durch das Mittelstück abgestützt werden. Der feste Keilträger 230 ist fest aber einstellbar auf dem Stegteil 213 durch drei Befestigungselemente (nicht dargestellt) gelagert, die sich (ohne vertikales Spiel, aber mit horizontalem Spiel) durch die länglichen Schlitze 232 in die Gewindebohrungen 215 erstrecken. Anstelle eines Mikrometers ist der feste Keilträger einstellbar positioniert durch Drehung einer Schraube 300, die in einer Gewindebohrung 216 des Flansches 212 aufgenommen wird und durch die Ausnehmung 182 in der Hülle 180 verläuft, um sich an einem Ende des Trägers 230 abzustützen und seine horizontale Position während der ZPD-Ausrichtung einzustellen.
Mit der Oberseite und dem Boden des Stegteiles 213 sind sich quer erstreckende Flansche 217, 218 integral gebildet. Wie in Figur 18 gezeigt, enthält jeder horizontale Flansch eine senkrechte Schulter 219, 220 für die Aufnahrne einer Lagerspur von einer der Lageranordnungen 108'. Wie in Figur 16 gezeigt, umfaßt jede Lageranordnung 108'. eine obere Lagerspur 310, eine untere Lagerspur 311 und einen Lagerkäfig, der lineare Lager-Rollelemente enthält, die dazwischen angeordnet sind. Die obere Lagerspur 310 der oberen Lageranordnung ist mit der Schulter 219 des Mittelstückes über geeignete Befestigungselemente (nicht dargestellt) befestigt, die sich durch Gewindebohrungen 221 erstrecken, die in dem oberen Flansch 217 gebildet sind. Die untere Lagerspur der unteren Lageranordnung (nicht dargestellt) ist ähnlich mit der Schulter 220 des Mittelstückes durch geeignete Befestigungselemente (nicht dargestellt) befestigt, die sich durch Gewindebohrungen 222 erstrecken, die in dem unteren horizontalen Flansch 218 gebildet sind. Die untere Spur 311 der oberen Lageranordnung und die obere Spur 310 der unteren Lageranordnung 108' sind in einer ähnlichen Weise mit Schultern 256 verbunden, die in oberen und unteren Teilen des beweglichen Keilträgers 250 hinter den Flanschen 255 gebildet sind (Figuren 23-25). Diese Spuren sind mit Befestigungselementen verbunden, die sich durch Gewindebohrungen 257 erstrecken, die in den Flanschen 255 gebildet sind. Auf diese Weise ist der bewegliche Keilträger 250 in einem linearen Lagersystcm mit zentraler Masse alleine durch das Mittelstück 210 abgestützt. Eine Reihe von Lager-Einstellschrauben 301 ist vorgesehen, um die Lager über die Gewindebohrungen 223 in dem oberen Flansch 217 vorzuspannen und um sicherzustellen, daß die Lager während des Hubes parallel zu den horizontalen und vertikalen Ebenen verbleiben.
Der häger 250 ist mit der Betätigungswelle des Motors 54' über Befestigungselemente (nicht dargestellt) verbunden, die in Bohrungen 259 angeordnet sind, welche in dem Ansatz 258 (Figur 24) gebildet sind. Das Mittelstück ist mit einem gebogenen Ausschnittteil 224 versehen, wie am besten iii Figur 16 erkennbar, um die Betätigungswelle aufzunehmen.
Nachdem die Patrone 200 zusammengebaut worden ist und mechanisch und optisch in der unten in Einzelheiten erläuterten Weise ausgerichtet ist, ist sie bereit, mit der inneren Hülle 180 verbunden zu werden. Die Flansche 211, 212 werden gleitend durch gegenüberliegende Wände der Hülle 180 aufgenommen, wenn die Patrone 200 in den offenen Deckel der Hülle eingesetzt wird. Ein Paar von Ausrichtungsstiften 302 ist permanent in Bohrungen im Boden des Mittelstückes 210 installiert und wird durch ein Paar von abgestimmten Ausnehmungen aufgenommen, die in der Grundplatte des inneren Hüllgehäuses 180 gebildet sind, um den Boden der Patrone genau in der Hülle 180 anzuordnen. Natürlich können die Stifte alternativ auf der Bodenplatte der Hülle vorgesehen sein und die abgestimmten Ausnehmungen können auf der Patrone vorgesehen sein. Jede Seite der Patrone 200 wird genau angeordnet durch den Einsatz eines zeitweiligen Aufrichtungsstiftes 303 durch eine Öffnung 181 in der Hülle 180 und iii eine Bohrun" 225. die in Flanschen 211, 212 des Mittelstückes gebildet ist. Die Patrone wird sodann gesichert durch Anziehen der Befestigungselemente 304 in den Gewindebohrungen 226, die im Boden und auf den Seiten des Mittelstückes gebildet sind und nachdem die Seitenstifte 303 entfernt worden sind. Falls erforderlich, kann die Patrone 21 aus der Hülle als eine Einheit entfernt werden. indem einfäch die Betestigungselemente 304 entfernt werden.
Die Vorteile der Patrone werden am besten verständlich unter Bezugnahme auf die folgenden bevorzugten Zusammenbauverfahren. Um die Patrone zusammenzubauen, sind die folgenden Komponenten erforderlich und das Verfahren sollte in einem Reinraum ausgeführt werden:
- Zusammengebauter Kompensatorträger (beweglicher Keil)
- Zusammengebauter Strahlteilerträger (fester Keil)
- Im voraus ausgerichtetes inneres Hüllengehäuse
- Kalibrierwerkzeug

OPTISCHE GROBAUSRICHTUNG

Der erste Schritt liegt in der Kälibrierung der Keile, was eine optische Grobausrichtun2 ist, bei der die Keile in ihren entsprechenden Trägern gedreht werden, bevor sie mit dem Mittelstück befestigt werden. Wie in der Technik wohlbekannt, werden die Keile gedreht, um die Keilflächen parallel auszurichten.

LAGERANORDNUNG

Der nächste Schritt liegt in dem Zusammenbau und der Vorspannung der Lageranordnungen durch Verbindung des Kompensatorträgers mit dem Mittelstück. Aufgrund des zuvor erläuterten Erfordernisses der Parallelausrichtung der Keilflächen ist es wichtig, daß die Lager zusammengebaut und eingestellt werden. um sicherzustellen, daß die Lagerflächen zueinander sowohl in der Horizontalebene als auch in der Vertikalebene parallel sind, d.h., daß sie sich nicht vertikal an einem Ende aufweiten aufgrund des veränderlichen Abstandes noch keilförmig in der Horizontalebene auseinanderlaufen. Alle Schritte des Lagerzusammenbaus werden nachstehend ausgeführt, wobei diese Anforderung berücksichtigt wird.
1. Verbinde die untere Lagerspur mit dem unteren horizontalen Flansch des Mittelstückes unter Verwendung eines Präzisionsblockes und nach Überprüfung der Parallelausrichtung zwischen der Spur und dem Flansch.
2. Montiere das Mittelstück auf dem Werkzeug und installiere das untere Lagergestell im Zentrum der untere Lagerspur.
3. Installiere den Kompensatorträger, auf dem bereits die untere Lagerspur der oberen Lageranordnung und die obere Lagerspur der unteren Lageranordnung installiert sind oberhalb der unteren Lagegruppe, so daß sich die Spuren direkt übereinander befinden. Ein Stützclip kann verwendet werden, um die Anordnung zu stabilisieren, bis die Lagergruppe zusammengebaut worden ist.
4. Installiere das obere Lagergestell in der Mitte der unteren Spur der oberen Lageranordnung.
Installiere die obere Lagerspur der oberen Lageranordnung auf dem Kompensatorträger, der auf der unteren Spur zentriert ist. Befestige die obere Spur des oberen Horizontalfiansches des Mittelstückes durch Handbefestigung der Befestigungsglieder, um eine Einstellung der Lager- Vorspannung zu gestatten.
6. Bewege den Kompensatorträger zu dem einen Ende der Bewegungsstrecke und stelle die drei Vorspannungs-Einstellschreiben ein, die sich an dem gleichen Ende des Mittelstückes befinden.
7. Bewege den Kompensatorträger zu dem gegenüberliegenden Ende der Bewegungsstrecke und stelle die Vorspannungs-Einstellschrauben ein, die sich auf dieser Seite des Mittelstückes befinden.
8. Überprüfe erneut die Vorspannungs-Einstellungen für beide Enden der Bewegungsstrecke und stelle ein, bis keine Reibung bzw. kein Spiel sichtbar oder durch Gefühl erkennbar ist. Spanne die Befestig ungsmittel für die obere Spur an, nachdem die Vorspannungs-Einstellung vervollständigt ist.
9. Überprüfe das Kompensatorgehäuse auf übertriebene Auslenkung über den vollen Hub mit einem Auslenkungsindikator vom Drahttyp. Auseinanderbau der Lagergruppe, wenn übertriebene Auslenkung vorliegt und Reinigung, falls erfoderlich, unter einem Rauchabzug mit Filter in Betrieb.

OPTISCHE FEINAUSRICHTUNG

Die nächsten Schritte betreffen die Feinabstimmung der optischen Ausrichtungskeile unter Verwendung eines Laserstrahles, um eine Parallelausrichtung der Keilflächen sicherzustellen. Diese Schritte können im wesentlichen nicht ausgeführt werden mit dem Entwurf der Hülle nach Figur 5, da die Lagerinstallierung und die Vorspannung bei dem Zusammenbau der inneren Hülle den letzten Schritt darstellen, wobei die Optik bereits innerhalb der Hülle installiert ist. Eine unabhängige Ausrichtung ist nicht möglich, ohne eine ernsthafte Beschädigung der empfindlichen optischen Keile durch die mühsamen Verfahren zu riskieren. da kein Raum für herkömmliche Halteeinrichtungen oder Werkzeuge innerhalb der Hülle verfügbar ist. Eine Feinabstimmung der optischen Ausrichtung wird bei dem Patronenautbau durch folgende Schritte verwirklicht:
1. Überprüfe, daß die Höhe des Laserstrahles, der aus dem Kompensatorkeil austritt, korrekt ist unter Verwendung einer Stiftloch-Lagerung. Überprüfe die Höhe des Strahles, der von der Vorderfläche des Kompensatorkeiles reflektiert wird. Drehe den Keil falls erforderlich, durch Lockerung der Klemmschrauben, die auf dem Träger vorgesehen sind, um die Winkelposition des Keiles einstellbar zu sichern. Wenn sich der Laserstrahl auf der gleichen Höhe wie der erste Strahl befindet, Anziehen der Schrauben um die Drehposition des Keiles festzulegen.
2. Installiere den Strahlteilerträger auf dem Mittelstück unter Verwendung geeigneter Befestigungselemente. Überprüfe, ob die Höhe des Laserstrahles sowohl für die Vorderfläche als auch die durchlaufenden Strahlen korrekt ist. Falls erforderlich, drehe den Keil in seiner Lagerung, um den Strahlen den Durchgang durch die Blende zu gestatten. indem die Klemmschrauben gelockert werden.
3. Bringe einen Kalibrierhinweis auf der Oberseite des Mittelstückrahmens mit der Seriennummer der installierten Keile an, wodurch angezeigt wird, daß die Patrone vorqualifiziert ist, d.h., daß sie optisch und mechanisch ausgerichtet ist und die Lager-Vorspannung geeignet eingestellt ist. (Somit verbessert die Patrone die Zuverlässigkeit im Hinblick sowohl auf die mechanische als auch auf die optische Leistung des Interferometers, da vor dem Einsatz in die innere Hülle, die erforderlichen Einstellungen vorgenommen worden sind und es bekannt ist, daß die Optik und Mechanik qualifiziert ist und in die Hülle eingesetzt werden soll).
Als eine Option kann an dieser Stelle ein Temperaturtest über den beabsichtigten Betriebsbereich ausgeführt werden, um die Zuverlässigkeit weiter sicherzustellen. Wenn ein Problem entdeckt wird, so kann der fehlerhafte Teil eingestellt oder leicht ersetzt werden da die Patrone noch nicht in der inneren Hülle installiert ist. Auch wenn der Temperaturtest nicht ausgeführt wird bevor die Patrone in die innere Hülle einizebaut ist und die innere Hülle in die abgedichtete äußere Hülle eingebaut ist, ist jedoch der Patronenentwurf immer noch extrem vorteilhaft. Wenn die abgedichtete Interferometereinheit den Temperaturtest nicht erfüllt, so kann die äußere Hülle geöffnet und eine neue, im voraus qualifizierte Patrone leicht ersetzt werden. Aufgrund des leicht ersetzbaren Entwurfes der Patrone kann dieser Schritt in der Anlage durch einen relativ erfahrenen Techniker ausgeführt werden, anstatt der üblichen Praxis der Zurückversendung der Einheit zurück in die Fabrik zum Ersatz durch einen Fachmann mit großer Erfahrung.

ZUSAMMENBAU DER INNEREN HÜLLE

Nachdem die Patrone in voraus qualifiziert worden ist, liegt der nächste Schritt im Zusammenbau mit der inneren Hülle. Dieses Verfahren wird ausgeführt mit der inneren Hülle, die bei der Vorqualifizierung der Patrone zu benutzen ist. Die erforderlichen Komponenten sind:
innere Hülle mit Quadratur-Vorverstärkung für das Laser-Referenzsystem und mit im voraus ausgerichteter Laser-Spiegelanordnung
- Eckwürfelanordnungen die für den optischen Bereich des Keilpaares kalibriert sind.
Der Zusammenbauschritt ist folgendermaßen:
1. Die Patrone wird in das offene Ende der inneren Hülle eingesetzt und der Boden und die Seiten der Patrone werden genau angeordnet unter Verwendung der zuvor erläuterten Ausrichtverfahren und sodann mit der inneren Hülle befestigt.
2. Nachdem die Patrone in der Hülle befestigt worden ist, erfolgt eine endgültige optische Überprüfung der Genauigkeit der Dreheinstellung des Keilpaares bevor die Eckwürfel installiert werden. Die zuvor erläuterte Ausrichtungsprozedur mit dem Werkzeug wird wiederholt, nachdem die Patrone entfernt ist, wenn Korrekturen erforderlich sind.
3. Nachdem einmal die endgültige optische Ausrichtung überprüft worden ist und sich die Patrone an Ort und Stelle befindet, werden die Eckwürfelspiegel auf der Hülle installiert und mit dem Mikropositionier- Einstellmechanismus ausgerichtet, wie dies beispielsweise in den Figuren 13-14 offenbart ist und es wird die ZPD-Einstellung ausgeführt. Wie zuvor erläutert. wird der ZPD-Einstellmechanismus von Figur 15 nicht verwendet. Die Z-Achsenposition (horizontal) des festen Keiles wird durch die Strahlteiler-Einstellschraube 300 eingestellt, welche sich gemäß Figur 16 durch Bohrungen in der inneren Hülle und in das Mittelstück erstreckt, um den festen Keilträger zu positionieren. Anstelle eines entfernbaren Mikrometers und Einstellstangen können die Stützplatten der Eckwürfel einen Einstellschraubenmechanismus für die Ausrichtung der Eckwürfel umfassen (ähnlich dem ZPD-Einstellmechanismus gemäß Figur 16).

ENDGÜLTIGE ZUSAMMENBAUSCHRITTE

Nachdem die X-, Y- und Z-Achseneinstellungen vorgenommen worden sind durch Einstellung der Eckwürfelspiegel und Strahlteiler, können irgendwelche verbleibenden Komponenten mit der inneren Hülle befestigt werden und es kann die Einheit innerhalb einer äußeren Hülle angeordnet und abgedichtet werden, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 10-12 beschrieben ist.

Claims

1. Interferometer des Typs mit zwei optischen Armen (80, 84), in denen ein erstes keiltörmiges Prisma (78) mit einer Strahlteilerbeschichtung (76) auf seiner Innenseite eine feste Position in einem der optischen Arme einnimmt, ein zweites keilförmiges Prisma (74) quer zu dem anderen optischen Arm (80) beweglich ist, ein erster rückstrahlender Spiegel (86) an dem Ende des einen optischen Armes (84) angeordnet ist und ein zweiter rückstrahlender Spiegel (82) an dem Ende des anderen optischen Armes (80) angeordnet ist, und optische Komponenten (78, 74, 86, 82) in einer optischen Hülle (50) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, daß

jedes von dem ersten keilförmigen Prisma (78) und dem zweiten keilförmigen Prisma (74) innerhalb der optischen Hülle (50) gelagert ist und über die Abmessung jedes Prismas senkrecht zu seinem keilförmigen Querschnitt durch die optische Hülle (50) abgestützt ist, wobei die Abstützung für das zweite keilförmige Prisma (74) ein Paar von beabstandeten Lageranordnungen (66, 106) umfaßt, die auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten keilförmigen Prismas (74) angeordnet sind. um die Querbewegung über dem anderen optischen Arm zu gestatten.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lageranordnung (66) oberhalb des zweiten keilförmigen Prismas (74) angeordnet ist und daß die zweite Lageranordnung (106) unterhalb des zweiten keilförmigen Prismas (74) angeordnet ist.

3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Lageranordnungen (66, 106) parallele lineare Lager (108, 108') umfassen, die an gegenüberliegenden Seiten eines Trägers (104) angeordnet sind, in welchem das zweite keilförmige Prisma (74) gelagert ist.

4. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Hülle (50) eine innere Hülle ist und in einer äußeren Hülle (52) enthalten ist.

5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wärmeerzeugende Einrichtungen (68, 118, 120) des Interferometers außerhalb der optischen Hülle (50) und innerhalb der äußeren Hülle (52) angeordnet sind, wobei die äußere Hülle als eine Wärmesenke wirkt, um die durch diese Einrichtungen erzeugte Wärme zu verteilen.

6. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hülle (50, 52) aus einem metallischen Gehäuse besteht.

7. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rückstrahlenden Spiegel (86, 82) mit der Optik der inneren Hülle (50) durch Mittel (60, 132) befestigt sind, die eine Einstellung ihrer Positionen nach der Befestigung der Spiegel (86, 82) in ihrer eingestellten Position gestatten.

8. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikhülle (50) eine im wesentlichen hohle Stützhülle (180) mit einem offenen Deckel und unteren und seitlichen Oberflächen ist, die für die Abstützung der optischen Elemente des Interferometers vorgesehen sind; und durch eine Patrone (200), die lösbar in einer festen Position innerhalb der Stützhülle (180) belestigt ist, wobei die Patrone ein Mittelstück (210) mit einer zentralen, sich hindurchstreckenden Ausnehmung (214) besitzt, wobei das erste keilförmige Prisma (78) auf einer Seite des Mittelstückes (210) gelagert ist und die zentrale Ausnehmung (214) überlagert und das zweite keilförmige Prisma (74) benachbart zu dem ersten Prisma (87) auf der anderen Seite des Mittelstückes (210) für eine Linearbewegung quer zu der Ausnehmung (214) gelagert ist;

daß der erste rückstrahlende Spiegel (86) fest auf einer Innenwand (62) der Stützhülle (180) abgestützt ist; und

der zweite rückstrahlende Spiegel (82) fest auf einer anderen Innenwand (58) der Stützhülle (180) abgestützt ist.

9. Interferometer nach einem der Anspiüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch Mittel (114) zur hermetischen Abdichtung der äußeren Hülle (52).

10. Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (66, 106) eine erste Lageranordnung (310, 311) umfassen, die zwischen dem Mittelstück (210) und dem Träger (250) in einer ersten Position oberhalb des beweglichen Prismas (74) angeordnet ist und eine zweite Lageranordnung (310, 311) umfassen, die zwischen dem Mittelstück (210) und dem Träger (250) in einer Position unterhalb des bewegliche Prismas (74) angeordnet ist.

11. Interferometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Positionen des Mittelstückes (210) Querflansche (219, 220) umfassen, die sich allgemein senkrecht von dem Mittelstück (210) erstrecken, und daß die Lageranordnungen jeweils eine obere Spur (310), eine untere Spur (311) und lineare Rollenlagerelemente umfassen, die dazwischen angeordnet sind, wobei die obere Spur (310) der ersten Lageranordnung mit dem Querflansch (219) verbunden ist, der oberhalb des beweglichen Prismas (74) angeordnet ist. und wobei die untere Spur (311) der zweiten Lageranordnung mit dem Querflansch (220) verbunden ist, der unterhalb des beweglichen Prismas (74) angeordnet ist, und wobei die untere Spur (311) der ersten Lageranordnung mit dem Träger (250) verbunden ist.

12. Interferometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Querfiarisch (219) mehrere beabstandete Gewindebohrungen (223) umfaßt, die sich durch den oberen Flansch (219) in der Längsrichtung erstrecken, wobei jede Bohrung (223) eine Einstellschraube (301) aufnimmt für den Anschlag (in der oberen Spur (310) der ersten Lageranordnung, um die Vorbelastung der Lageranordnungen einzustellen und eine Parallelausrichtung der Keile (74, 78) während der Linearbewegung des zweiten Prismas (74) sicherzustellen.

13. Interferometer nach Anspruch 10, 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen Motor (54') für den Antrieb des beweglichen keilförmigen Prismas (74) durch Ausübung einer Kraft auf den Träger (250) an einer Stelle, die im wesentlichen in der Mitte zwischen den ersten und zweiten Lageranordnungen liegt.

14. Interferometer nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelstück (210) durch zwei sich län2s erstreckende Flansche (211, 212) und einem Stegteil (213), der sich dazwischen erstreckt, definiert ist, wobei die Ausnehmung (214) in dem Stegteil (213) gebildet ist und das feste keilförmige Prisma (78) in einem Träger (230) angeordnet ist, der mehrere längliche Schlitze (232) aufweist, die sich allgemein quer zu den Längsflanschen (211, 212) erstrecken, daß das Mittelstück (210) mehrere Bohrungen (215) umfaßt, die auf die Schlitze (232) ausgerichtet werden können, und daß Befestigungsmittel vorgesehen sind, um sich durch die Schlitze (232) mit Spiel in Querrichtung und in die Bohrungen (215) zu erstrecken. um den Träger (230) mit dem Mittelstück (210) starr zu befestigen. wobei einer der sich längs erstreckenden Flansche (212) eine Gewindebohrung (216) zur Aufnahme einer Schraube (300) umfaßt, die mit einem Ende an dem Träger (230) zur Anlage gelangt, um die Querposition des Trägers (230) über die Schlitze (232) einzustellen, bevor die Befestigungselemente angezogen werden.

15. Interferometer nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelstück (210) Mittel (302) umfaßt, um die Patrone (200) in einer vorbestimmten Position innerhalb einer Interferometer-Stützstruktur anzuordnen.

16. Interferometer nach einem der Ansprüche 8 bis 15, ferner umfassend:

eine erste Stützplatte (64), die den ersten rückstrahlenden Spiegel (86) trägt und die lest mit einer Wand (62) der Stützhülle (180) befestigt ist; und

Mittel (136) zur Einstellung einer der horizontalen und vertikalen Positionen der ersten Stützplatte (64) in bezug auf die Wand (62) der Stützhülle (180), bevor die Platte (64) fest mit der Wand (62) befestigt wird.

17. Interferometer nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch:

eine zweite Stützplatte (58), die den zweiten rückstrahlenden Spiegel (82) trägt und die fest mit einer Wand (56) der Stützhülle (180) befestigt ist; und

Mittel (136a) für die Einstellung der anderen horizontalen und vertikalen Positionen der zweiten Stützplatte (58) in bezug auf die Wand (56) der Stützhülle (180), bevor die Platte (58) fest mit der Wand (56) befestigt wird.