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Apparat zur Messung von sehr kleinen Längen
Um die Messung von sehr
kleinen Längen auszuführen, benutzt man heute Interferometer verschiedener Art,
wie die von Michelson, von Benoit-Fabry-Perrot und andere, die keine direkte Ablesung
der gemessenen Größe erlauben.
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Der optische Teil dieser bekannten Apparate weist dabei im wesentlichen
eine monochromatische Lichtquelle, einen beweglichen Spiegel und ein Beobachtungsfernrohr
auf, und die Meßmethode besteht darin, daß bei Verschiebung des beweglichen Spiegels
um die zu messende Länge der Beobachter im Beobnchtungsfernrchr eine Anzahl von
abwechselnd dunklen und hellen, in gleichen Abständen voneinander stehenden Interferenzstreifen
vorüberziehen sieht und daß jeder der hellen Streifen bei Verschiebung des Spiegels
um eine halbe Wellenlänge der durch die Lichtquelle ausgesandten Strahlen genau
die Stelle des voran gehenden einnimmt. Ist die Wellenlänge des Lichtes bekannt,
kann durch Abzählen der vorübergehenden Streifen die Größe der Verschiebung des
beweglichen Spiegels oder eines Trägers dieses Spiegels mit großer Genauigkeit ausgerechnet
werden. Diese Meßmethode ist aber zeitraubend und verlangt eine sehr große Aufmerksamkeit
des Beobachters. Zudem ist sie für die Messung von Längen unterhalb einer halben
Wellenlänge nicht angebracht. Durch die Erfindung werden diese Nachteile vermieden.
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Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Messung von sehr kleinen
Längen, mit einem undurchsichtigen Gitter, welches durchsichtige Schlitze aufweist,
mit einer elektronischen Vorrichtung, welche die Stromschwankungen einer Photozelle
um einen optischen Mittelwert in Strom von konstanter
Spannnng aber
gleicher Dauer und Polarität umwandelt, und mit einer Meßvorrichtung, welche den
Mittelwert der umgewandelten Stromstöße anzeigt.
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Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die
Meßeinrichtung ein Interterometer, dessen . die Interferenzstrahlen aussendendes
Bauteil mit dem zu beobachtenden Element fest verbunden ist und dessen Lageänderungen
folgen kann, und einen die Interferenzstrahlen über ein wechseistrombewegtes Gitter
auffangenden photoelektrischen Empfänger mit 6einer die photoelektrischen Ströme
in Impulse wandelnden Vorrichtung, sowie ein auf die Stromimpulse ansprechendes
Meßgerät umfaßt, welches die Unterschiede der zeitlichen Abstände zwischen den einander
folgenden Impulsen und damit die Abweichung der Lage von der ursprünglichen Lage
des zu beobachtenden Elements anzeigt.
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Die Zeichnung veranschaulicht schematisch und beispielsweise eine
Ausführungsart des Apparates gemäß der Erfindung.
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Fig. I zeigt ein Schema des Apparates, Fig. 2 die Anordnung der durchsichtigen
Schlitze des Gitters und der Interferenzstreifen, die mittels eines Objektivs auf
das Gitter projiziert werden..
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Der dargestellte Apparat setzt sich nach Fig. I zusammen aus a dem
Interferometer I, b der photoelektrischen Visiervorrichtung II und c der Meßvorrichtung
III.
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Das Interferometer 1 bekannter Bauart weist eine monochromatische
Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle 1, einem Filter Ia und einem Kondensator
2 auf. Das Bündel von monochromatischen und parallel gerichteten Strahlen trifft
auf eine haibdurchsichtige Fläche 3, welche gegenüber dem einfallenden Strahlenbündel
um 450 geneigt ist. Diese Fläche 3 ist wiederum aus zwei miteinander in Berührung
stehenden und mit einem halbdurchsichtigen Überzug versehenen Flächen zweier identischer
Prismen 4 und 5 gebildet. Der Teil A der einfallenden Strahlen geht durch die Fläche
3 hindurch und fällt auf den orthogonalen Spiegel 6, der sie in Richtung der Fläche
3 zurückwirft. Der Teil'B wird durch die Fläche 3 um go0 abgelenkt und durch Spiegel
7 in Richtung dieser Fläche 3 zurückgeworfen. Der Spiegel 7 schließt mit dem Spiegel
6 einen Winkel von (go + a) Grad ein, der jedoch nur wenig von einem rechten Winkel
abweicht.
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Der Spiegel 7 ist starr auf einem axial verschiebbaren Träger 8 angebracht,
dessen Winkellage genau festgelegt ist. Dieser Träger ist in zwei Führungen g und
9a geführt und trägt an seinem äußeren Ende einenTaster 10. Irgendeine hier nicht
näher dargestellte mechanische Präzisionsvorrichtung erlaubt es, den Träger 8 und
den Taster 10 axial über sehr kleine Weglängen von einer ge wählen Nullstellung
aus zu verschieben. Eine solche kleine Weglänge A I ist in der Zeichnung stark vergrößert
dargestellt.
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Die photoelektrische VisiereinrichtungII weist ein Objektiv II auf,
das in der optischen Achse o-o des Interferometers angeordnet ist. Dieses Objektiv
fängt die durch die Spiegel 6 und 7 reflektierten Strahlen auf und wirft sie auf
ein zur optischen Achseo-o senkrecht angeordnetes Gitter 12. Die von den Strahlen
der Bündel A und B durchlaufenen Wege sind nicht von. gleicher Länge. Es entsteht
daher auf dem mit Schlitzen 14 versehenen Gitter I2 eine Reihe von Interferenzstreifen
I3, die abwechselnd dunkel und hell sind und deren Abstände und Schärfe von verschiedenen
Faktoren, wie Größe des Winkels a, Beschaffenheit der Spiegel oder Wellenlänge des
Lichtes abhängig sind. In Fig. 2 sind nur die hellen Streifen I3 dargestellt. Eine
Verschiebung A I bewirkt, auch bei sehr kleiner Bewegung des Tasters I0, eine proportionale
Querverschiebung s (Fig. 2) der Streifen I3 auf dem Gitter I2. Dabei entsprechen
Form und geometrische Lage der Schlitze 14 der der Streifen 13.
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Ein durch ein Wechselstromnetz 19 gespeister Elektromagnet 15 versetzt
das Gitter I2 in eine symmetrisch zur optischen Achseo-o hin und her gehende, periodische
Bewegung. Doch kann das Gitter natürlich auch durch irgendeine andere bekannteAntriebsvorrichtung
in eine solcheSchwingbewegung versetzt werden.
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Die Lage der beschriebenen Teile zueinander ist so gewählt, daß für
eine bestimmte Lage des Tasters I0, die als Nullpunkt für die Messung gewählt ist,
nueh dlas Gitter in seiner Mittellage steht und daß seine Schlitze symmetrisch zur
optischen Achse o-c liegen. Für diese mittIere Lage ist die Abweichung gleich Null,
und die awfeinaniderfolgenden Übereinstimmungen der Schlitze mit den Streifen geschehen
in gleichen Abständen. Für jede andere, infolge einer Verschiebung des Tasters eingenommenen
Lage des Spiegels 7 ist die Lage der Streifen auf dem Gitter I2.gegenüber der mittleren
Lage der Schwingungen des Gitters versetzt, und die Übereinstimmung der Streifen
mit den Schlitzen folgt auf die nächste in ungleichen Zeitabständen.
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Dabei darf als genügend genau angenommen werden, daß diese Ungleichheit
der Zeitabstände proportional zur Versetzung der Streifen und daher proportional
zu der durch den Taster 10 zurückgelegten Weglänge vom Nullpunkt ist.
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Der Lichtfluß der hellen Streifen, der bei jedem Übereinstimmen der
Streifen mit den Schlitzen durch das Gitter hindurchgeht, wird durch eine photoelektrische
Zelle I6 aufgefangen. Die durch die Änderungen des aufgefangenen Lichtflusses hervorgerufenen
Stromschwankungen in der Photozelle I6 werden verstärkt und darauf mittels einer
an sich bekannten elektronischen Vorrichtung 17 und I8 in Impulse von äußerst kurzer
Dauer umgewandelt. Die Vorrichtung 17, IS wird von einem Netz 19 aus über einen
Gleichrichter 20 gespeist.
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Die Meßvorrichtung III enthält einen elektronischen Stromwender 21
bekannter Bauart, welcher durch die scharfen, aus der photoelektrischen Vilsiervorrichlbung
II herkommenden Stromimpulse gesteuert wird, und ferner ein Ableseinstrument 22,
welches aus einem Gleichstrommeßinstrument besteht. Dieses Ableseinstrument 22 weist
eine große
mechanische oder elektrische Trägheit auf, damit die
Ungleichheit der Zeiten bzw. der in einer Schwingungsperiode des Gitters 12 auftretenden
Impulse in einen ablesbaren Wert umgewandelt werden, welcher der Verschiebung des
Tasters IO in bezug auf die gewählte Nullage entspricht.
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Die mehr oder weniger gute Schärfe der Streifen hat bei diesem Apparat
keinen Einfluß auf die präzise Bestimmung ihrer Lage, weil die Stromschwankungen,
welche durch die auf die photoelektrische Zelle einwirkenden Lichtflußschwankungen
hervorgerufen werden, mittels der elektronischen Vorrichtung in Impulse umgewandelt
werden, welche in bezug auf dieStromschwankungen immer im gleichen Zeitpunkt abgegeben
werden, d. h. in dem gleichen Zeitpunkt, in welchem die Streifen I3 mit den Schlitzen
14 zusammenfallen. Daraus folgt, daß der beschriebene Apparat Verschiebungen von
sehr kleiner Amplitude, auch wenn sie kleiner als eine halbe Wellenlänge des Lichtes
der monochromatischen Beleuchtungsvorrichtung des Interferometers sind, mit großer
Genauigkeit zu messen erlaubt.
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Das hier beschriebene Interferometer kann selbstverständlich auch
durch irgendein anderes Interferometer ersetzt werden. Dasselbe gilt für die photoelektrische
Visiervorrichtung und für die Ablesevorrichtung. So kann die Ablesevorrichtung beispielsweise
eine durch die scharfen Impulse gesteuerte Lichtquelle sowie eine mit einer Skala
und mit rotierenden Zeichen versehene stroboskopische Vorrichtung aufweisen, welche
die Differenz der zwischen zwei Li,chtblitzen verstrichenen Zeit sich bar macht.
Die Meßvorrichtung kann auch einen mittels Stromstößen gesteuerten Oszillographen
aufweisen, beispielsweise ein Kathodenstrahlrohr, dessen leuchtender Punkt synchron
mit dem Gitter verschoben und durch die Stromstöße der elektronischen Vorrichtung
gesteuert wird.