DE7424410U - Interferometer zur spektralmessung von elektromagnetischer strahlung - Google Patents

Description

PATE NTANWA L.TB

dr. O. DITTMANN

K. L. SCHIFF du. A. v. FCNER nii'i.. inc;. P. STREHL du. TJ. SCH ÜBEL-HOPF Dii'L.. inc.. D. EBBINGJIADS

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EOCOh CORPORATION DA-II323

17. Juli 1974

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

!■■ultiplex- Interferometer

Die Erfindung bezieht sich auf LichtmeßeinricM'.ungon und betriff·'· insbesondere optische Interferometer> wie sie zur Opchtral^naly::-··..· elektromagnetischer· Frequenzen verwendet v/erden.

Interferometer werden seit vielen Jc.hren z\xr i'essunc und Analy:-.c der Frecuenznpektren elektromagnetifioher Strahlung verv/endet. Insbesondere dienen optische Interferometer gewöhnlich dazu, spektroskopische Daten v/ie etwa La^-en von Linien, Intensitäten und Absorptionskoeffjzienten zu berechnen. Interferometer werden ferner zur Überwachung von chemischen Prozessen, zur Bestimmung der Zusammensetzung von gasförmigen Proben mit sehr geringen Konzentrationen und zur graphischen Aufzeichnung der Spektralcharakteristiken vor. fernen Emissionsbüscheln und Wärmequellen herangezogen.

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

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1'11-./OhI die " rl :.7:i: ic:- i:r.·; die ';c::erelle /.rbeitrv:eiso der i/ichelt:ori-l-iyborf ero.'ic.l.c' '. ό· Ί i '-r:;'' i.\'^:rv.i_f veiso:· eic ^.ei rtm dienei¹ lv.z^J:vo- r.c-.le r.oohc".-.:! rc:he j er.'-: . :._i .m; er. i'r.^r' ar" ii; τ:^;·'1β: r ο Bc-.hinaerur-.fen ο υ. f. E&.i rv: c·!'r'..'oir-ο ctvv.'.' c):elvi nie r e i; '■''■: t r: Interf eror'eter v/^hrenJ finr- Ectri e":;: erhoMic-.e I o'^:i::-,unr on, ^f1ie ciie £"';l'.tri',l:.".ef runren t^ören. i ler^rri'O .Jc':."..¹;' r^vn; c:_ v:f i\:en C'!:iv:eder ivrch den I'oior vnd /uvtrif":' -'"'r /ier. V c-v;e; bercr. ;·ρ:μγ;χΊ erzeu;:i: o>ir rührer: von dt ssen ι /-. /erurii on her·. J-'i: 1 r:tchc μ de^^r"'..; r;e Cchv.'ir ;;uniren, so sind d:? T'i";Lr:''t-rf'"ci-cr ::· ch t'^;:::: St' ■·.;. c"or Teo"""ii:·: dr..oi nicht in der i-.vc, r'io T-£'-:r-h r.v. c. ■ ■ " '"e?i. ?'e-';'i(. r l.-it. tr nicht nö^lich, die }.:f^j!'.r;nnt'jr: Jr.: "ru:::ent^fj ri-;u.':tr. U ..-ve" t: roe':■■..,•/■rucY.vnrcr., n3ch.iir.icor.cn St'V¹:?.en oOvr :.:'!:ii']:on '. f::i.'C.rr'.t\ⁱ'":'ch-.'arrii::; f-\\ tuKn^'oi'zen; treten c'ci'artice licöxvryvLi'.cn ai.if, so sj.nö revoiv;!.] ich eine uinfan-ji'tiche !''■.chjuatieriÄi;· des Jn^trur.ent:: und ',.'ie^crhulurr, der I'essunrcn erforderlich.

Dcis I'-ultiple:-:-Interferometer ist ein 1-ü.chelson-Interferometer, bei dem der bev.'eghare 3pif.r;el auf einem von zv,^rei Luft lagern gestützten bewegbaren Schlitten :::ontiert ist. Die Luftlarer sind bezüglich des bev.-egbaren Snierels und des Schlittens derart angeordnet, daß der gemeinsame Schwerpunkt des Spiegels und des Schlittens über den gesamten Bewegungsbereich des Spiegels stets mit dem Unterstützungszentrum der Lager zusammenfällt. Ferner ist das Interferometer innerhalb eines Gehäuses montiert, das nicht nur e^e starre Unterstützung für den Apparat bildet, sondern auch ",.'armeausdehnungen aufnimmt und etwaige auf das Instrument ausgeübte mechanische Stöße absorbiert. Um die Durchführung von Spektralnessungen zu erleichtern, v/eist das Interferometer ferner einen auf den Strahlenteiler ausgerichteten Gaslaser zur Erzeugung periodischer Interferenzmuster sowie eine weiße Lichtquelle zur Erzeugung eines Bezugspunktes für das System auf.

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Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen starren, rohrförmigen Rahmenaufbau für ein Interferometer uru.. einen symmetrisch ausgeglichenen Schlitten für den bewegbaren Spiegel zu schaffen. Der rohrförnige Rahmen und der symmetrisch ausgeglichene Schlitten sollen date:»initeirxr.der eine exakte Steuerung des bewegbaren Spiegels gestatten.

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

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den 2.eicanungen zeigen

Fig. 1 eine isometrische Darstellung eines Multiplex·?

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

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

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 <"'er Fig. 2;

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

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

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

!•"ig. 7 eine Draufsicht auf ein Multiplex-Interferometer

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■ ' ^; . si Λ mit einem inneren Motor 'and einer Motor- r ' ^

Baugruppe gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 bis 4 Is^ mit 20 ein Multiplex-Interferometer bezeichnet, das einen Linearmotor 22, einen Arm 24 für den festen Spiegel und einen Arm 26 für den bewegbaren Spiegel aufweist. Bei dem Linearmotor handelt es sich um ein herkömmliches elektromagnetisches lineares Betätigungselement, wie es beispielsweise gewöhnlich zur Einstellung von magnetischen Lese-Schreibköpfen bei Computer-Plattenspeichern verwendet wird. Der Linearmotor weist eine im folgenden noch beschriebene elektrische Steuerschaltung auf und ist star]? an dem Arm 26 für den bewegbaren Spiegel angebracht. Der Arm 26 bildet ein zylindrisches Rohr, das an seinem einen Ende einen Befestigungsflansch für den Motor 22 und an seinem anderen Ende einen 45 -Flansch aufweist. Das Multiplex-Interferometer 20 ruht auf drei Füßen" 25/ die unter dem Arm 2.6 für den bewegbaren Spiegel angeordnet sind, sowie auf einer (nicht gezeigten) Motorhalterung an dem Linearmotor 22. Die Füße 25 sind so ausgelegt, daß sie eine stabile, nicht-kippfähige Unterstützung vermitteln. Der Arm 24 für den festen Spiegel bildet ebenfalls ein zylindrisches Rohr, hat jedoch an seinem einen Ende eine Abschlußplatte 29 und an seinem anderen Ende einen komplementären 45°-Flansch. Die Abschlußplatte 29 deckt das Ende des Arms und bildet eine innere Montageplatte für eine im folgenden beschriebene Halterung für den festen Spiegel.

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

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

An der Seitenwand des Arms 24 für den festen Spiegel ist nahe dem 45°-Flansch 30 eine Eintrittsöffnung 38 angeordnet, durch die die zu messende einfallende elektromagnetische Strahlung in das Multiplex-Interferometer 20 gelangt. Die Eintrittsöffnung 38 wird von einem generell kreisförmigen Loch gebildet, das relativ zu dem Primärstrahlenteiler 34 derart angeordnet ist, daß die elektromagnetische Strahlung unter einem Winkel von genau 45 auf dessen ebene Oberfläche fällt. Gegenüber an der Seitenwand des Arms 26 für den bewegbaren Spiegel ist nahe des 45°-Flansches 28 eine Austrittsöffnung 4C angeordnet, durch die die wiedervereinigte elektromagnetische Strahlung das Interferometer verläßt. Die Austrittsöffnung 40 wird ebenfalls von einem generell kreisförmigen Loch gebildet und ist relativ zu dem Primärstrahlenteiler 34 so angeordnet, daß die wieder— vereinigte und von dem Primärstrahlenteiler reflektierte elektromagnetische Strahlung durch die Austrittsöffnung 40 nach außen gelenkt wird.

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

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de Strahlung nicht stört. Bei einem Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung wurde ein Ilelium-Neon-Laser verwendet, der auf einer Wellenlänge von 6.328 A arbeitete. Der Laser emittiert eine im wesentlichen monochromator ehe· elektromagnetische Strahlung in Richtung des A5°-Flansches 28 parallel zur Längsachse des Arms 26 für den bewegbaren Spiegel. Von einem an einer Konsole k8 montierten Laserprisma 46 wird die Strahlung dann durch die Auctrittsöffnung AO gerichtet« P.ei dem Laserprisma handelt es sich um ein herkömmliches Umlenk» prisma, das den Laserstrah], auf den t-rimilrstrahlenteiler V\ spiegelt. Gegenüber an der Seitenwand des Arir.s 2k für de:·: festen Spiegel nahe der Eintrittsöffnung J/d ist ein La s er interferenz-Zähler 50 montiert. Der Strahl aus dor.¹. L^scr dient dazu, auf die im folgenden beschriebene v/eise Interferonzmustcr in dem Interferometer ?,u erzeugen, wobei der Zähler 50 aas Auftreten dieser Interferenzmuster bei Bewegung des bewegbaren Spiegels zählt.

Innerhalb des Arms 2k für den festen Spiegel ist an der Innenseite der Abschlußplatte 29 eine justierbare Halterung 5β für einen festen Spiegel 60 angebracht. Bei dem festen Spiegel handelt es sich um einen kreisförmigen OLerflächenspicgel, der in Fluchtung mit der Austrittsöffnung ko und unter einem Winkel von k5° mit der ebenen Fläche des PrimärStrahlenteilers 3k angeordnet ist. Während optischer Messungen ist der feste Spiegel stationär; er läßt sich jedoch durch zwei komplementäre Doppelkeile 62, 6h justieren. Die Doppelkeile sind mittels zweier an ihnen angebrachter Schneckenräder 65 einzeln relativ zueinander drehbar. Jedes Schneckenrad ist durch eine Schnecke 6o drehbar, die an einer Welle 70 befestigt ist. Die beiden Wellen verlaufen durch die Abschlußplatte 29 und sind durch einen Schraubenzieher oder sonstige herkömmliche Mitte], drehbar. Die beiden gegenläufig drehbaren Doppelkeile 62, Sh bilden die einzige erforderliche Justierung für das Multiplex-Interferometer.

i'.wj .■ c/ c.^r: 'C·:. I ,acc:- ''·■■'■ ur. i. Oer 'Je: ^J.e::v.'3r.d de:; Ar;;:' 2z mit de::: bev:e;i^r:re: .';■ ie "l. ._ i::.': ei:·; v/c:.-'.· l.i^rJ: :■.■'/■: eile ':' ar. -je crc.net. Diese Li c:. ■'-uelle erzeugt reV^:'-:v^: elter v/eifes Lic':.t, d- ε auf

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den Sekundärrtrahler.teiler 35 rerichtet wird. An der Abschlußplatte 29 der Arme 24 mit den festen Spiegel ist direkt gegenüber der weißen Lichtquelle 76 ein stationärer Spiegel 78 für dl·.-· weiße Licht angebracht. Der Spiegel 7c ist. in. F'luchtung ruf der. Sekundärstrahlenteiler 35 und der· weißen Lichtquelle 76 angeordnet. Senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen der weißen Lichtquelle 76 und den stationären Spiegel 73 ist direkt gegenüber den Sekundärstrahlenteiler 35 ein bewegbarer Spiegel 60 für das weiße Licht angeordnet. Dieser bewegbare Spiegel 80 für das weiße Licht ist so montiert, daß er sich zu: ■ r-ninen η it. de τ. in folgenden beschriebenen bewegbaren Spiegel bev:egt. Sowohl der bewegbare Spiegel 80 als auch der stationäre Spiegel 7S für das weiße Licht bilden herkömmliche, :.···; de:.· Oberfläche reflektierende Spiegel, die das Licht von der Quelle 7'6 auf den Sekundärstrahlenteiler 35 reflektieren. Zwischen der. Laserinterferenz-Zähler 50 und der Seitenwand des Ar·:-: ε 24 τ-χΐ; den festen Spiegel ist ein Detektor 8? für das weiße Licht angeordnet. Bei den Detektor 82 handelt es sich um eine lichtempfindliche Zel3.e, die in Fluchtung mit de:." Sekundärstrahlenteiler 35 und der;; bewegbaren Spiegel SO für- das weiße Licht angeordnet ist. Der Detektor Bs mißt die i'enge des auf seine Keßflache fallenden weißen Lichts. Die weiße Lichtquelle, die zugehörigen Spiegel und otr Detektcr dienen zur Erzeugung eines Bezugspunktes für Spektralmessungen.

Das Multiple:·:--Interferometer 20 umfaßt ferner innerhalb des Ams 26 einen bewegbaren Spiegel 90. Bei dem Spiegel 90 handelt es sich υ.-.! einen herkömmlichen, an der Oberfläche reflektierenden Spiegel, der in Fluchtung mit der Eintrittsöffnung 3c und unter einem V.'inkel von A5° zu der ebenen Fläche des Prirr.erstra-iler.teilers 34 angeordnet ist. Der bewegbare Spiegel 90 ist starr an einer Stirnplatte 92 montiert und wird wehrend seiner Bewegung kontinuierlich in genauer rechtwinkliger Fluchtung zu der.i festen Spiegel 60 gehalten. An der Stirnpiatte 92 ist ferner auch der oben beschriebene bev/egbare Spiegel SO für das v.'eiße Licht starr montiert. Die Stirnplatte 92 ist ihrerseits starr an einen Transportzylinder 94 befestigt. Der Linearmotor 22 bewegt den Zylinder 94 in Richtung der Längsachse des Arms 26 hin und her, wobei die

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exakte rechtwinklige Ausrichtung zwischen den beiden '' / "*f

Spiegeln aufrechterhalten wird. Innerhalb des Transport-Zylinders 94 und koaxial an diesem fangebracht befindet sich eine Transportstange 9^r5, die, wie im folgenden beschrieben, zur Hessung der Geschwindigkeit des bewegbaren Spiegels dient.

Wie im einzelnen in Fig. 2 bis 4 dargestellt, werden der bewegbare Spiegel 90, die Stirnplatte 92, der Transportzylinder 94 und die Stange 96 von einem Schlitten 100 getragen und in optischer Ausrichtung gehalten. Der Schlitten 100 weist zwei Stützarne 102 auf, die einander gegenüber an dein Transportzylinder 94 starr befestigt sind. Die Stützerre 102 verlaufen durch zwei in den Seitenwänden des Arms 26 vorgesehene Löngsschlitze 103 und gestatten horizontale Hin- und Herbewegungen des "bewegbaren Spiegels 90. Innerhalb, jedes Stützarms ist ein Luftlager 104 vorgesehen, das den Schlitten 100 auf zwei seitlichen Stangen 106 abstützt. Bewegt sich der Spiegel 90 innerhalb des Arms 26, so gleitet, der Schlitten 100 längs der stationären seitlichen Stangen 106, bleibt dabei jedoch wegen der beiden Luftlager außer Reibungskontakt mit den Stangen. Jedes Luftlager 104 bildet zwischen der betreffenden seitlichen Stange und dem Stützarm ein Luftkissen. Mit 116 sind zwei Luftanschlüsse bezeichnet, die zur Versorgung der Luftlager mit Luft an eine (nicht gezeigte) Luftquelle angeschlossen sind.

Die beiden seitlichen Stangen 106 bilden spitzenlos geschliffene Stangen aus nichtrostendem Stahl, die die optische Ausrichtung des bewegbaren Spiegels bezüglich des Interferometers aufrechterhalten. Die seitlichen Stangen sind parallel zueinander und in einem Abstand von der Längsachse des Arms 26 mit dem bewegbaren Spiegel ausgerichtet. Die genaue Ausrichtung der seitlichen Stangen 106 wird durch vier Auflegeböcke 105 mit Keilnut bewirkt, die Teil der Seitenwände des Arms 26 bilden. Jeder Auflegebock 108 v/eist ein Paar von einander gegenüberliegenden schrägen Kanten 110 auf, die so genau bearbeitet sind, daß sie die optische Ausrichtung der seitlichen Stangen 106 gewährleisten. Jede Kante ist ferner abgeschrägt, so daß zwischen der Kante und der seitlichen Stange nur Punkt-

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O _

"berührung stattfindet. Jede seitliche Sterine wird Gegen beide Gruppen von Auflegekanten 110 durch einen federbelasteten Stift 112 gedrückt, der innerhalb einer Haltekappe 11ή an eier. Auflegebock 103 enthalten ist. Fs ist zu beachten, daß die seitlichen Stangen in Längsrichtung; nicht festgehalten ai.rx. und. sich unabhängig von de:r. Arm 26 mit de.:i bewegbaren Spiegel thermisch ausdehnen können.

In Fig. 5 ist ^mit V.⁷ die resultierende Kraft des Gewichtes abgegeben, das an Schwerpunkt 11? der bewegbaren Baugruppe 11.^r: angreift. Die Baugruppe 118 umfaßt sämtliche Bauteile, die sowohl von den Linearmotor 22 transportiert als auch von den Luftlagern 104 gestützt v/erden. Zu diesen Bauteilen gehör on der bewegbare Spiegel 90, der bewegbare Spiegel 80 für dar weiße Licht, die Stirnplatte 92, die Luftlager 10·''', der Transportzylino.er 94 und die Stange 95. Das gesamte Gewicht V/ der bewegbaren Baugruppe wird von den beiden Lagern getragen, und die von diesen Lagern auf die Stützende 102 ausgeübten Tragkräfte sind durch die Bezugszeichen F1 dargestellt.. Die beiden an den Stützarmen 102 angreifenden Tragkräfte F1 lassen sich durch Vektoraddition zu einer resultierenden Tragkraft F zusammenfassen, die an einem Punkt angreift, der als Unterstützungsmittelpunkt bezeichnet v/ird und ebenfalls bei 11? liegt.

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

Per !.i::c':r:-ccr Γ-:" be\/e;!r die P-a^-v^pe 115^: dadurch, daß er ihr oJr.o :■; i '!· i ■'· ber.eic -.nete Kra::":. zuführt. Die ^tutzar.r.o 1C2 ,

.e wie Ι..?; ^r"err:·. :i.*rt.'n für '.: .i r. bev:e "Va re Pa'vruvpe wirken, sir.-i f.uc". vert1.;r : ¹OV.r^: ■:..-··.■ r_:l·.- , ^:a_:~ dj e ;::·,·. :."t l·'.", ■:.:.■ Unteri-.t^;i^J. .■::"·":.:-.' ^: '- V".'¹.·" ■. ■; . .;.■'■" ··,·!"·-■·.'■■'.'·'."■. 11" -nrroift. Infoljer; c ■: ■: "i.·.". -'O:"''- ·.·■:;·■■ .'. " <- ■ .-■■:■<: ■" : ν V r eh;-. c:..c.:.t ο crvcu^t, eic·. den : rie,";ei verr.chv.-L·.:·.■.;'■ kennten, v.'e?i:i er Leim betrieb län^t;

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Vv-. v.'j.rcl dc ro υ " hir.rrv.u. ο::, caf -: j e rco:::ctrj.r:c;:G Anordnung der beideii κείτ.]ΐο".εη . t^riren '¹C -:::'. der. beiden i.oiten der bev;e:'^:":'-rf:n Ii^u,'vru:.'.O '!'■'■ ■; ir:e ry '' etri sehe Unterstiitsuji^ für die ^r':;v"n."n;if; Μ'ί'ΐε-Ι. Jode Γ·1:·.η· .c 'i Oi ist fer.au parallel zur I,;o"; TT'ic^tv;;. ·■ de::· bcv.'e ■ V'.rer. y'-^v'.'ruppe 11 Γ auegerichtet. 1''.Iteina:.'"ur führen unc stUrno.^ t'ie V:iden seitlichen Γ tanken den b'tr./p; " .ren T^-OiC^eI 9'¹ "^;hc-r reine formte ^vev;e£;un~;'hahn und p.ind :.c> Pinr'eorcnet, cdT c'j· Schv/f/r-iir.nkt. O.?v Bau^ruvpe v'h"hrcnd der ,rusrimteii L'c/efunr rt.etr; r:it dem UnterGtütEungsmi ttelpunkt 7. υ i; ε: ι '·. r. ο η :f ti. 111.

Ge:r,'Jß Fig. 6 beveft der 1 .inearr.ctor ?2 den Trartportzylinder

9-1 und damit den bev;efb·:.]-en 5Spie

cl 90 mit Hilfe einer Haupt-

antrj ebsv/icklung 1?A. Die GeECJV.-.-j.ndifkeit, Kit der der' Linearmotor den bev/efbaren £pie^el transportiert, v.'ird von einer Meßv/icklur.g 126 f.er.essen. Die hef;v.'icklun_;~ up.fibt die Transportstange 95, so daß die Bewegur..· der rtan.re durch die Vioklung ein Gesch^/indirkeitssirral erzeugt. Der Ausgang der Meßv.'icklun-T 125 ist an einen Vorverstärker 125 ar.^eschloEsen, der das Geschv/indigkeitssignal aus der i'e.?.v;icklunr; r.it einer Bezugsspannung vergleicht. Der Vorverstärker erzeugt ein Fehlersignal, das angibt, ob sich der bev/egbare Spiegel zu schnell oder zu langsam bev.'egt. Der Ausgang des Vorverstärkers ist nit einen Leistungsverstärker 130 verbunden, der die Haupantriebsv.'icklung 12^ des Linearnotors aufsteuert. Das Geschv;indigl:eitsfehlersignal aus dem Vorverstärker bewirkt, daß der Leistungsverstärker die Geschwindigkeit des bewegbaren Spiegels korrigiert. Der beschriebene, die i:eßv;icklur.g 126 und. den Vorverstärker 128 umfassende Kreis bildet einen Geschwindigkeitsgeber, der ein Steuersystem für den Linearr.otor in Form einer

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geschlossenen Schleife bildet. Der Kreis dient dazu, Hochfre- ' f quenr-Schwjngunren bei Bewegungen der bewegbaren Baugruppe zu eliminieren und die Geschwindigkeit des bewegbaren Spiegels 90 zu stabilisieren.

Zui.i Betrieb des Interferometers 20 wird zuerst die Strahlenteilerplatte 33 in den Strahlenteiler-Kalter 32 eingefügt. Die Strahlenteilerplatte 33 enthält den Primärstrahlenteiler 34, der entsprechend dem Bereich der zu messenden Wellenlängen gewählt wird. Pie einfallende Strahlung gelangt durch die Eintrittsb'ffnur.:.; 3- in das Interferometer und fällt unter einem Winkel von 45° auf den Primärstrahlenteiler 34. Der Strahlenteiler 34 zerlegt die einfallende Strahlung in zwei Teile. Die beiden Teile der Strahlung v/erden längs verschiedener Bahnen in dem Interferometer geleitet. Der eine Strahlungsteil verläuft durch den Primärstrahlenteiler und trifft auf den bewegbaren Spiegel 90. Der andere Strahlungsteil wird von dem Primärstrahlenteiler reflektiert und fällt auf den festen r.piegel 60. Danach werden die beiden Teile der Strahlung von den jeweiligen Spiegeln auf den Primärstrahlenteiler reflektiert, wo sio wieder vereinigt werden. Die Länge des von demjenigen Strahl zurückgelegten Weges, der von dem festen Spiegel reflektiert wird, ist konstant. Demgegenüber ist die Weglänge des von dem bewegbaren Spiegel reflektierten Strahls variabel, da sich der Spiegel in Längsrichtung innerhalb des Interferometers bewegt. Haben die von den beiden getrennten Strahlungsteilen zurückgelegten Wege identische Längen, so ist die wiedervereinigte Strahlung identisch der ursprünglich einfallenden Strahlung. Sämtliche Wellen haben dann gleiche Phase, und der Energieverlust ist minimal. Hat jedoch der eine Strahlungsteil einen weiteren Weg zurückgelegt als der andere, so sind die Wellen bei der Wiedervereinigung in einem gewissen Maß phasenverschoben, das von den Wellenlängen der Strahlung abhängt. Dabei interferieren die Wellen des einen Strahlungsteils mit de.:en des anderen und dämpfen sie. Ist die Ungleichheit der Weglängen derart, daß die Wellen einer bestimmten v.'ellenlänge um 180 phasenverschoben sind, so löschen die Wellen dieser speziellen V.'ellenlänge bei aer Wiedervereinigung einander aus, wodurch für die Strahlung dieser Wellenlänge maximaler Energieverluct eintritt. In der Praxis hat die

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

Die wiedervereinigte Strahlung wird von dem Primärstrahlenteiler y-\ durch die Austritts öffnung 40 aus dem Interferometer hinaus auf einen fokussierenden Spiegel 13° reflektiert, der die Strahlung auf einen lichtempfindlichen Detektor 130 sr,. .. "'■-* Detektor erzeugt ein zur Energie der auftrefi·:.::.■. ' >portional schwankendes elektrisches Signal, Di= Aus^c-.,.._^, oße des Detektors wird als Interferogramm bezeichnet und giot diejenige Energie an, die der Detektor aufnimmt, indem der bewegbare Spiegel 90 sich in Längsrichtung innerhalb des Interferometers bewegt.

Die Baugruppe 110 mit dem bewegbarer. Spiegel wird von dem Linearmotor 22 in Längsrichtung durch den Arm 26 transportiert. Die Bewegung der Baugruppe ist gleichmäßig und kontinuierlich. Die Geschwindigkeit der bewegbaren Baugruppe wird von dem Geschwindigkeitsgeber gesteuert, der das von dem Leistungsverstärker 130 dem Linearmotor zugeführte Ausgangssignal regelt. Die bewegbare Baugruppe wird von zwei Luftlagern 102 an den beiden seitlichen Stangen 106 gestützt. Die seitlichen Stangen gewährleisten die rechtwinklige Ausrichtung des bewegbaren Spiegels 90 bezüglich des festen Spiegels 60 während der gesamten Bewegung der bewegbaren Baugruppe. Sämtliche Bauteile des Interferometers mit Ausnahme der Spiegel, Strahlenteiler und seitlichen Stangen sind aus derselben Aluminiumlegierung hergestellt. Aufgrund dieser Tatsache erübrigt sich die Kompensation von Wärmeausdehnuncen.

Die weiße Lichtquelle 76 erzeugt einen gebündelten weißen Lichtstrahl, der auf den Sekundärstrshlenteiler 35 fällt. Lbenso wie oben beschrieben, v.^rird 'lis weiße Licht in zwei Teile zerlegt, und die beiden Teile '..'erden von dem zugehori-

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gen stationären Spiegel 78 bzw. dem zugehörige-i bewegbaren Spiegel 80 reflektiert. Die beiden Strahlungsteile werden da- ^w ' bei auf den Cekundärstrahlenteiler zurückgeworfen, wieder vereinigt und auf den zugehörigen Detektor 82 geworfen. Der Detektor 82 erzeugt ein der Energie der auftreffenden Strahlung proportionales Signal. Da die Verteilung der Wellenlängen bei weißem Lich\ bekannt ist, und sich ein reproduzierbares Interfcrograrnm herstellen läßt, ergeben die weiße Lichtquelle, der Detektor und die zugehörigen Spiegel einen Bezugspunkt während der Spektralmessungen.

Der Helium-Heon-Laser 44 erzeugt eine im wesentliche monochromatische Strahlung, die von dem Laser-Spiegel 46 auf den Primärstrahlenteiler 34 gerichtet wird. Ebenso wie oben beschrieben, legt die monochromatische Strahlung genau den gleichen Y.'cg vie die zu messende einfallende Strahlung in umgekehrter Richtung zurück. Der wiedervereinigte Laserstrahl wird durch die Eintrittsöffnung 38 auf den Interferenzzähler 50 geworfen. Der Zähler 50 ermittelt die Anzahl von Interferenzringen, die durch die Bewegung des bewegbaren Spiegels durch den Arm 26 erzeugt werden₀

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

Es wird darauf hingewiesen, daß in beider. Ausführur^sbeisp.i clen die beiden lere is zylindrischen Rohre der Cpiegelarme 2'-, l^r:

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und die beiden 45°-Flansche 28, 30 einen starren, unbiegiu-.rr.en / (, Aufbau für das Interferometer bilden. Durch Verwendung krcir,-zylindriecher Rohre in der oben beschriebenen Art und v.'eirc ist das Interferometer in der Lage, äußerlichen Stößen sowie auch Vibrationen mit kurzen Wellenlängen bis hinunter zu den Wellenlängen der zu messend en Strahlung zu widerstehen. Durch Verwendung einer symmetrisch abgeglichenen bewegbaren Baugruppe 118, bei der sowohl der Schwerpunkt stets nit dem Unterstützungswittelpunkt zusammenfallt air. auch die Beschleuiiigun^skraft ΡΛ an demselben Punkt angreift, wird ferner die Entstehung von Drehmomenten und. I^ elfte paar en bezüglich des bev,^regbaren Spiegels veih.inO.c:···"!,. Dadui'ch lassen sicli Versc';\'O) ■-kunpen, Unrecelmäßiglreiten und Vinrationen an den Optjke?-. des Interferometers eliminieren.

An den oben beschriebener; Auoführun^sbeispielen sind zahlreiche Mod.i.fi]cationen und Andrirur.gen innei^halb c"cs Sc:iut.;··- unianrc der !'!rfindun.;; nöglich. Bei:^piel:;v,^rcise können die beiden seitlicV.en Stangen 105 mit den zugehörigen Stützar-en 102 diirch eine Vielzahl von Stangen und Stüt-arrien ersetzt v.'erden, solr.n-.e gev/ährle.i stet ist, daß der Cchwor;:ui:kt der bev;egbaren Baugruppe 116 stets nit der.: Unterstutr-ungsmittel» punkt zusar-.nenfSlit.

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Claims (12)

DITTMANN SCHIFF V. FÜNER STH1IiHl, eClIÜHEl.-IICPH BBBINQHADS JK EOCOM CORPORATION DG-II323 8. Dezember 1975 Schutzansprüche

1. Interferometer zur Spektralmessung von elektromagnetischer Strahlung, umfassend einen das Interferometer tragenden starren Rahmen, eine feste Spiegelanordnung mit einem an dem Rahmen justierbar montierten festen Spiegel, eine an dem Rahmen bewegbar montierte Spiegelanordnung mit einem ""echtv/inklig zu dem festen Spiegel ausgerichteten bewegbaren Spiegel, und einen an dem Rahmen montierten Strahlenteiler, der die auftreffende Strahlung in zwei Teile zerlegt und diese nach Reflektion von dem festen bzw. dem bewegbaren Spiegel wieder vereinigt, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Spiegelanordnung (118) an dem Rahmen (24, 26) durch eine Stützeinrichtung (106) abgestützt ist, deren Unterstutzungsraittelpunkt mit dem Schwerpunkt der bewegbaren Spiegelanordnung (118) über deren gesamten Bewegungsbereich zusammenfällt, und daß die bewegbare Spiegelanordnung (118) auf der Stützeinrichtung (IO6) durch eine Lagereinrichtung (104) bewegbar gelagert ist.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützeinrichtung zwei an dem Rahmen (24, 26) parallel und in Abstand voneinander montierte seitliche Stangen (106) umfaßt, an denen die bewegbare Spiegelanordnung (118) über einen Schlitten (100) derart gelagert ist, daß der bewegbare Spiegel (90) stete rechtwinklig zu dem festen Spiegel (60) gehalten ist.

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3. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stangen (106) horizontal auf beiden Seiten der bewegbaren Spiegelanordnung (118) angeordnet sind, daß der Schlitten (100) zwei an der bewegbaren Spiegelanordnung (118) angebrachte seitliche Stützarme (102) sowie zwei lager (104) aufweist, die die Stützarme (102) auf den beiden Stangen (106) lagern, und daß der Unterstützungsmittelpunkt der Lager (104) mit dem Schwerpunkt der bewegbaren Spiegelanordnung (118) zusammenfällt.

4. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen an dem Rahmen (24, 26) montierten Laser (44) zur Erzeugung von monochromatischer elektromagnetischer Strahlung, die durch den Strahlenteiler (34) gerichtet und von den beiden Spiegeln (60, 90) reflektiert wird, sowie einen ebenfalls an dem Rahmen (24, 26) montierten Interferenzzähler (50), der die Strahlung von dem Laser (44) derart aufnimmt, daß sie den gleichen Weg durch das Interferometer wie die zu messende elektromagnetische Strahlung zurücklegt.

5. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine an dem Rahmen (24, 26) montierte weiße Lichtquelle (76), einen an dem Rahmen nahe dem erstgenannten festen Spiegel (60) montierten sekundären festen Spiegel (7B), einen sekundären bewegbaren Spiegel (80), der nahe dem erstgenannten bewegbaren Spiegel (90) montiert und rechtwinklig zu dein sekundären festen Spiegel (70) bewegbar irri , einen an eiern Rahmen nahe den erstgenannten Strahlenteiler (3^ montier!uu sekundären Sirahlenteiler (35),

der das weiße Licht in zwei Teile zerlegt lind diese Teile nach Reflexion von dem sekundären festen Spiegel (78) bzw. dem sekundären bewegbaren Spiegel (8°) wieder vereinigt, und einen an dem Rahmen montierten Detektor (82), der das an dem sekundären Strahlenteiler (35) v/ieder vereinigte weiße Licht aufnimmt, so daß sich für das Interferometer ein optischer Meßpunkt definieren läßt.

6. Interferometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen (105) zylindrisch sind und in Keilnuten jeweils zweier Halterungsblöcke (108) eingreifen, die an dem den bewegbaren Spiegel (90) tragenden Rahmenteil (26) angeformt sind.

7. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine lineare Transporteinrichtung für die bewegbare Spiegelanordnung (118) mit einem Linearmotor (22), einer Meßwicklung (126) zur Messung der Geschwindigkeit des bewegbaren Spiegels (90) sowie einer an die Meßwicklung (126) angeschlossenen Einrichtung (128) zur Stabilisierung der Geschwindigkeit des Linearmotors (22).

8. Interferometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen zwei relativ zueinander bewegbare kreiszylindrische Rohre (24, 26) umfaßt, daß die beiden Stangen (106) in horizontalem Abstand voneinander in Auflegeböcken (108) an den Seitenwänden des zweiten Rohres (26) vorgesehen sind, die parallel zur Längsachse des zweiten Rohres verlaufen, daß an der bewegbaren Spiegelanordnung (118) zwei horizontal gegenüberliegende Stützarme

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(102) montiert sind, die jeweils eine mit der betreffenden Stange (106) koaxiale zylindrische Bohrung aufweisen, und daß innerhalb der Bohrungen in den Stützarmen (102) reibungslose Lager (104) vorgesehen sind, die die bewegbare Spiegelanordnung (118) in Fluchtung mit den Stangen (106) halten.

9. Interferometer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (24, 26), die feste Spiegelanordnung (58), die bewegbare Spiegelanordnung (118) und die Stützarme (102) aus der gleichen Legierung hergestellt sind.

10. Interferometer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen (106) in den Auflegeböcken (108) durch Federstifte (112) gehalten sind, um Wärmeausdehnungen der Stangen relativ zu dem Interferometer zu kompensieren.

11. Interferometer nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen (106) spitzenlos geschliffene Zylinder aus nichtrostendem Stahl sind.

12. Interferometer nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch einen fokussierenden Spiegel (136) und einen Detektor (138) zur Wahrnehmung und Messung der von dem Interferometer erzeugten Interferenzmuster.

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