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Interferometer zur Prüfung optischer Systeme
Die Erfindung betrifft
ein Interferometer nach Art des Alichelson-Twyman-Interferometers zur Prüfung optischer
Systeme.
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Derartige Prüfeinrichtungen sind an sich bekannt.
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Sie befriedigen jedoch im Gebrauch nicht immer, da es schwierig ist,
die für die Prüfung notwendigen Interferenzerscheinungen genügend kontrastreich
und genügend hell zu erhalten. Die Erfindung gibt einen Weg zur Beseitigung dieses
Alangels an.
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Um das Verständnis für die Erfindung zu erleichtern, sei zunächst
die grundsätzliche Wirkungsweise eines bekannten Michelson-Twyman-Interferometers
an Hand der Fig. I erläutert. Von der mit einer Beleuchtungslinse 2 ausgerüsteten
Lichtquelle I trifft ein Lichtstrahl auf einen unter 450 geneigten, halbdurchlässig
versilberten Spiegel 3, der den Strahlengang aufteilt. In dem Hauptstrahlengang,
der den Spiegel 3 durchsetzt, sind ein zu untersuchendes optisches System 4 und
ein Konvexspiegel 5 angeordnet. Der am Spiegel 3 reflektierte Vergleichsstrahl dagegen
trifft auf einen ebenen Spiegel 6 auf.
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Die von den beiden Spiegeln 5 und 6 zurückgeworfenen Strahlen erreichen
über den Spiegel 3 das bei 7 vorgesehene, jedoch nicht näher dargestellte Beobachtungsgerät,
von wo aus die Interferenzen betrachtet werden.
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Das zu untersuchende optische System 4 ist im vorliegenden Falle
als Sammellinse angenommen.
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Der Konvexspiegel 5 ist so angeordnet, daß sein Krümmungsmittelpunkt
K mit dem hinteren Brennpunkt des Systems 4 zusammenfällt. Dadurch wird erreicht,
daß bei der Reflexion keine Strahlenvertauschung stattfindet.
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Für die theoretische Betrachtung der Wirkungsweise eines solchen
Interferometers kann man sich die Anordnung aus dem System 4 und dem Spiegel 5
durch
einen Planspiegel ersetzt denken, der am Ort der sogenannten virtuellen Spiegelebene
S liegt.
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Die Lage dieser Ebene ist von den Eigenschaften des Systems 4 sowie
vom Krümmungsradius des Spiegels 5 abhängig. Bei einem solchen Ersatz wird offensichtlich
am ganzen Strahlenverlauf nichts geändert. Auch der Vergleichsspiegel 6 besitzt
eine virtuelle Spiegelebene S', die im vorliegenden Falle aber mit dem Spiegel selbst
zusammenfällt, da sich im Vergleichsstrahlengang kein weiteres abbildendes Element
befindet.
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Bei einem solchen Interferometer treten nun bekanntlich zwei verschiedene
Interferenzerscheinungen auf, nämlich einmal die sogenannten Lummer-Haidingerschen
Ringe (Interferenzkurven gleicher Neigung) und zweitens die Fizeauschen Streifen
(Kurven gleicher Dicke). Beim Gebrauch der Einrichtung beschränkt man sich auf die
Beobachtung der am Ort der Spiegel auftretenden Fizeauschen Streifen, da diese in
erster Linie durch ihre etwaige Verformung Dickenunterschiede anzeigen und so auf
Fehler des zu untersuchenden optischen Systems 4 schließen lassen. Damit diese Streifen
möglichst kontrastreich, dabei aber doch hell sind, müssen zwei Bedingungen erfüllt
sein. Einmal müssen die optischen Lichtwege, die der Haupt- und der Vergleichsstrahl
von dem Teilungsspiegel 3 zum Spiegel 5 bzw. zum Spiegel 6 zurücklegen, gleich sein,
und zweitens müssen die Abstände der virtuellen Spiegelebenen S und S' vom Teilungsspiegel
3 ebenfalls gleich sein.
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Durch Abgleichung der optischen Lichtwege wird der Gangunterschied
der Strahlengänge zwischen dem Spiegel 3 und den beiden Spiegeln 5 und 6 genügend
klein gehalten, so daß sich die unvermeidliche Inhomogenität der Lichtquelle auf
die Deutlichkeit der Streifen nicht auswirkt. Die Abgleichung läßt sich ohne weiteres
durch entsprechende Bemessung der Spiegelabstände A und A' erreichen. Diese .Strecken
müssen so berechnet werden, daß sie vom Licht in der gleichen Zeit zurückgelegt
werden. Da die Lichtgeschwindigkeit in dem optischen System 4 geringer als in Luft
ist, wird also die Strecke A' größer sein als die Strecke A. Die Anpassung kann
durch entsprechendes Verschieben des Spiegels 6 vorgenommen werden.
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Durch die Einhaltung der zweiten Bedingung (gleiche Abstände der
virtuellen Ebenen) wird erreicht, daß keine Interferenzen gleicher Neigung, also
keine Lummer-Haidingerschen Ringe, auftreten können, da beim Zusammenfallen der
Bilder der virtuellen Ebenen die auftretenden Gangunterschiede vom Neigungswinkel
des Beobachtungsstrahlenganges unabhängig sind. Man kann daher ohne Beeinträchtigung
des Kontrastes der Fizeauschen Streifen mit weiten Lichtbüscheln, also großer Helligkeit,
arbeiten.
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Die Abstimmung der virtuellen Ebenen auf gleiche Entfernung läßt
sich bei den bekannten Interferometern nicht immer ohne weiteres erreichen. Da nämlich
die Abstände A und A', also die Stellung der Spiegel 5 und 6, durch die erste Bedingung
(gleiche optische Lichtwege) bereits vorgegeben sind, kann die virtuelle Ebene S
nur noch durch entsprechende Wahl des Krümmungsradius des Spiegels 5 in ihrer Lage
verändert werden. Abgesehen davon, daß das bei Reihenuntersuchungen verschiedener
optischer Systeme 4 umständlich ist und einen großen Zeitaufwand bedeutet, da zu
jedem System ein anderer Spiegel notwendig wäre, ist es auch bei vielen optischen
Systemen, insbesondere kurzbrennweitigen Linsen, überhaupt unmöglich, einen Krümmungsradius
für den Spiegel zu finden, bei dem der Abstand zwischen der virtuellen Spiegelebene
S und dem Spiegel 3 gleich A' wird. Man mußte bei den bekannten Anordnungen daher
mehr oder weniger verwaschene und dunkle Interferenzbilder in Kauf nehmen, wodurch
die Genauigkeit der Prüfmethode naturgemäß erheblich beeinträchtigt wurde.
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Diese Nachteile werden nun gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem
Michelson-Twyman-Interferometer dadurch vermieden, daß in dem Vergleichsstrahlengang
ein teleskopisches System angeordnet wird. Mit Hilfe dieses Systems kann man ohne
Verschiebung des Vergleichsspiegels eine Verlagerung der zugehörigen virtuellen
Spiegelebene und damit eine Anpassung von deren Lage an die der virtuellen Spiegelebene
des Hauptstrahlenganges erreichen. Um dabei die Lage auch während des Gebrauchs
der Einrichtung willkürlich ändern zu können, wird das Teleskopsystem zweckmäßig
verschiebbar angeordnet.
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Das System selbst kann aus zwei Sammellinsen verschiedener Brennweiten
oder einer Sammel- und einer Zerstreuungslinse bestehen; der Linsenabstand muß jedoch
in beiden Fällen gleich der Summe der Brennweiten sein.
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In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Der Aufbau entspricht dem an Hand der Fig. I erläuterten. Im Vergleichsstrahlengang
ist jedoch das gemäß der Erfindung vorgesehene Teleskopsystem 8 zusätzlich angeordnet.
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Das System bewirkt, wie dargestellt, eine Verschiebung der virtuellen
Spiegelebene S', d. h. des Bildes des Spiegels 6, gegenüber dem Spiegel 6 in eine
größere Entfernung vom Spiegel 3. Die Größe und die Richtung der Verschiebung sind
von dem Abstand des Teleskopsystems vom Spiegel 6 abhängig.
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Die Lage von 8 läßt sich ohne weiteres so wählen, daß der Abstand
der beiden virtuellen Spiegelebenen S und S' von dem Spiegel 3 gleich groß wird.
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Die langbrennweitige Linse des Teleskopsystems 8 wird, wie in Abb.
2 dargestellt, zweckmäßig dem Teilungsspiegel zugekehrt. Das hat den Vorteil, daß
der Abstand des Spiegels 6 vom Teleskopsystem klein gehalten werden kann und bereits
kleine Verschiebungen des Systems 8 große Verlagerungen der virtuellen Spiegelebene
S' ergeben.
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Beim Interferometer nach der Erfindung ist also auch bei Reihenuntersuchungen
verschiedener Systeme 4 ein Auswechseln des Konvexspiegels 5 nicht mehr erforderlich.
Man braucht lediglich den Spiegel 6 (zur Anpassung der Strecken A und A' aneinander)
und das Teleskopsystem 8 (zur Anpassung der Abstände der virtuellen Spiegelebenen
S und S') zu verschieben. Durch Verschieben des Teleskopsystems werden dabei die
einmal eingestellten Lichtwege A' und A nicht geändert, da es für die Länge der
Lichtwege gleichgültig ist, an
welcher Stelle zwischen der Teilungsplatte
3 und dem Spiegel 6 sich das System 8 befindet.
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Die Erfindung kann auch bei Interferometern Anwendung finden, bei
denen der Konvexspiegel 5 im Hauptstrahlengang durch einen Planspiegel ersetzt ist.
Dadurch ergibt sich allerdings eine Strahlenvertauschung. Damit diese im Vergleichsstrahlengang
ebenfalls eintritt, muß dann dort der Spiegel 6 durch die Kombination einer Sammellinse
mit einem in deren Brennpunkt angeordneten Planspiegel oder aber durch einen Tripelspiegel
ersetzt werden. Grundsätzlich ist auch die Verwendung eines Konkavspiegels an Stelle
des Konvexspiegels 5 möglich; jedoch liegt hier die virtuelle Spiegelebene nicht
immer günstig. Eine Strahlenvertauschung wird hierbei auch immer vermieden, wenn
der Krümmungsmittelpunkt mit dem hinteren Brennpunkt des Systems 4 zusammenfällt.
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PATENTANSPRCCHE 1. Michelson-Twyman-Interferometer zur Untersuchung
optischer Systeme, dadurch gekennzeichnet, daß im Vergleichsstrahlengang ein Teleskopsystem
(8) vorgesehen ist.