DEP0029396DA - Optisches Mehrplatten-Interferometer. - Google Patents

Description

sh^llehrplattenii

Optleeh#Mehrplattenlnterferometeri

Brfinderi Prof. Dr.-Ing. 0» Lutz, Braunschweig, Dipl.-Ing. K. Steegmeier, Braunschweig,

Optisch· Mehrplatten-Interferometar sind bislang hauptsächlich ale phyeikalieche Messgeräte für Sonderzwecke la der ^tr8mungeforechuag gebaut und benutzt worden. Üfachdein itrömungsvorginge auf eilen (Jebieten der Technik von grosser Bedeutung werden, 1st auch der Yerwendungsurafang ron optischen Mehrplatten-Interferometerii grosser geworden. Zar weiteren Einführung der Interferens-Wessmethode 1st eine teohniaohe Weiterentwicklung der bislang hauptsächlich nach physikalischen Arbeitsmethoden gebauten Inatrumente notwendig. Me vorliegende Erfindung befasst sich alt der technischen Ausgestaltung dieser in Ihrem physikalischen Aufbau festliegenden Geräte.

Die erste wichtige Forderung ist die Verwirklichung: einer möglichst steifen Bauweise, demäss vorliegesnder Erfindung wird diese Forderung dadurch erfüllt₉ dass die vl©r Spiegel in den vier Seteen eines TT-fSralgen Trägergerüstesfaus elliptisch geformten Rohrewbeste^U^ die en d jili d 2 3 4 * 5 it dil tih dh

g ggf p g U^

den jeweiligen Baden 2, 3» 4 an* 5 «it radial symmetrischen, d.h. runden, gedrehten and a8glichs1f steifen frägerplatten w_f 3» 4 und 5 Tersohweisst sind^Dieae Trägerplatten dienen zur Lagerung der Spiegel. Der elliptisch· ouerschaitt der Hohre ist so au wählen, dass ein Schnitt parallel aar Ebene der Interferoaeterapieg©! einen Kreis ergibt. Durch diese Schalenbauweise wird ein optimale Verhältnis von Steifigkeit au Gewicht einerseits, andererseits ein« v*rh&ltnismHssig einfache Bauweise erreicht·

Zar Tergröeaerung des Messfeldes A la Richtung der kleinen &chee⁽ der Ellipse 1st es zweokaäsaig, den Lichteinfallewinkel kleiner als 45° au wählen· Diese Konstruktion Bietet gleichseitig weitere Vorteile, die «ich hauptsächlich la der optischen GK2te des Instrumente auawlrksa.

$* ist praktisch unmöglich, vollkommen ebene Sfiegelplatten hersustellen! Beetfehler la der örtfesenordnung von Radien, die bei 50 ka liegen, bleiben bestehen. Insbesondere beim Durchdringungswlnkel null der interferierenden Lichtbtindel (dieser Mestaust>nnd ist für viel« Iess«wecke besonders wiohtlg geworden) treten optische Mlagel des ^t scharf In ^raoheinfü». Zg^r kann man durch bestimmte 'nordgf nplegoliite den'ÄWfliWetreg der Fehler (Sostfehler des Systeme) vermiadernj ein vSlliger Ausgleich ist aber immer dem Zufall überlassen. Zudem können sieh diese Fehler während des Betriebes reit Lichtquellen hoher Leistung wesentlich verändern.

28 hat eich mm gezeigt, dass β· durchaus möglich ist, einen der Spiegel dureh ein tob aueeen aufgebrachtes Belastungsmoment elastisch •o au verformen, dass der günstigste optische Zu«tand von Fall asu Fall jeweils eingestellt werden kann. Toraassetzung ist allerdings, das» alle Interferenzepiegel rand sind und in ihren Fassungen auf zum spiegel rand konzentrischen Kreisen auf elastischen Swisehenlagen ringen« glöiohmäisig aufliegend gelagert sind. Flg.2 zeigt eine beispielsweise Aufführung einer entsprechenden Konstruktion,

Aof der Rückseite wird auf den Spiegel über eine konzentrisch angeordnete kreisförmige Platte 7 eine Druckladt aufgebracht, Bi· laet wird erfindungagaaäee über welche Federn 3 und 9 aufgebracht, die in ihrer Wirkung parallel geschaltet und in ihrer Steifigkeit wesentlich verschieden gewählt sind, damit die harte Feder sur Grobeinstellung, die welch· Feder ear Feineinetellung benutet werden kann· so 1st es beispieleweise leicht möglich, KrOmmungs^nderungen von 0,1 4 eins»«· •teilen, während an den einzelnen Spiegeln mit optischen Mitteln nur das 25-fftche dieses Wertes «essbar 1st.

für die Betätigung der Spiegelverstellung ist es notwendig, dass keinerlei Kräfte auf das Instrument ausgeübt werden» ^a wird deshalb ein· Fernbetätigung angewendet, die in einfachster Fon» aus den in der Kraftfahrtechnik^bekannten Bowdenzügen besteht, wobei erfindungagemä·· naoh Flg.3 die Besonderheit angewendet wird, dass auf dem instrumentenseitigen Bude der Bowdenaughtille 10 mittels eine« Sliedeβ 10a •ine Zugfeder 11 abgestützt wird, an deren anderem inde das Bowden-BUgkabel 12 befestigt, einmal oder mehrere Male um die Betäfigungetrommel der Spiegelbewegung geschlungen und dann in der Bowdenzughülle 10 aus dem Instrument herattegeführt wird, wo ·* mn Betätigung«- stand mit einer Binstellachraube 13# die eich wieder gegen das andere Bnde der Bowdenaughtille abstützt, feingestellt werden kann« Zusammen mit der Verwendung eines Bifferentialgewindes an der stellschraube das Spiegels kann auf diese Weise in einfachster, aber sehr wirksamer Form eine spielfreie Betätigung beliebig hohen "sersetzungegradea, die keinerlei Kräfte auf da· Gerit ausübt, erreicht werden·

Zur optimalen Justierung von Mehrplattenlnterferometern müssen u.a. di« optischen Weglängen der beiden Ueilliohtbtindel gleichgemacht wer« den« Dies muss durch Parallelverschieben mindestens eines der Interferometersplegel senkrecht zn seiner Oberfläche geschehen* Oabel können schon sehr kleine ITeigungeänderungen das Interferenzbild erheblich verändern, den Interferenaort verlegen oder gar die*Interferenaerscheinung gaaa sum Veraoh^inden bringen· Die meisten zur Parallelflihrung vorgeschlagenen Konstruktionen konnten deshalb nicht befriedigen.

Nach Flg.4 wird di· Fassung 14 de· Verschiebespiegele 6 mit drei Stellschrauben 1$ von gleicher Steigung abgestützt. "DiqftS teil schrauben sind mit Trommeln 16 von gleichem Durchmesser versehen, und ihre Drehbewegungen werden erf indungagemäaa durch ein biegsames Zugglied verbunden, das jede d#r drei Antriebstrommel*! »it möglichst gleich·« Winkel umschlingt.

Ώ nach der «raten Justierung einee Interferometers meist nur noch, kleine Ganganterschiene aussagleichen sind, wird nach Fig.5 erfindungsgeaäee vorgeschlagen, die Spiegelf aesang 14 durch mindesten» drei gleich lange,parallel· and la zueinander parallelen Breiten be« wegliche Lenker 13 au führen. Die Lenkerriehtung 1st um ^inen kleinen Winkel oi gegen die Spiegelno ratals geneigt, so dass die Bewegungsrichtung um den gleichem Winkel gegen die spiegeleben© geneigt ist. Die daroh eine Stellschraube einzustellende Wegkoerponente parallel «or Spiegeloberfläche 1st u» das ctgot-fache grosser als die verlangte Bewegung senkrecht sor Spiegelfläche.

Sine besonders einfache konstruktive Lösung ergibt sich, wenn die Lenke rgelenke ale Federgelenk« ausgeführt werden, dann "kennen Ak !»¹ Lenker 1Θ einfach ans Biegefeder» von flachem lechteckquereohnitt Bestehen» die an der Spiegelfassmng 14 und am Interferometerge^tell mit einer bestimmten Anfang an« igung öl durch HetaaverblnäunRen befestigt werden. Stört die geringe Bewegungskowponente in Üohtnng der Spiegeloberfläche, so können nach Pig.6 die Lenkerfedern 18 auch tangential angeordnet werden, so dass sich die Verlängerungen ihrer Schnittlinien mit der Spiegelebene in der Spiegelmitte schneiden und die Einstellung des Spiegels durch eine schraubenförmige Bewegung erfolgen kann·

Jedes Interferometer, dessen Mevsbündel durch G-lasfernster hindurchtritt, braucht sram Ausgleich dieses (Jlaewegee Im VergleiehsbtlndJel eine gleich dicke Grlaseohioht von gleichen Brechung »vermögen. Abweichungen hiervon können bei groesem öffnungswinkel zu Interferenzettfrungen führen. Bs ist deshalb unaweeknissig, sanguntersehiede, die ohne Fenster und Xompensatorplatten schon vorhanden waren, durch TergrSsserungen des Glagwegee durch !Teigen dee Kondensat ore auszugleichen. Bei kleinen Lichteinfallewinkeln ^ ist der dadurch entstehende (Jangunterechied ^β^ψΐ^ά ,.wobei η das BreehungsvermSgen und d die αlaedicke bedeutet« Gleichseitig entsteht dabei ausser dem dangontersohied eine seitliche ITeraetsung des Liehtbündels ^

die die Interferenagüte eapfindlich sturen kann, da «üsl» feile der BUndelquerschnitte, die vor de» lint ritt ins Inxerferometer identisch waren, am Interferensort wieder zueammentreffen messen· Bei kleinen Binfailswinkeln ist die seitliche Versetzung ein Vielfaches des entstehenden Gangunterschiedea» Deshalb ist es viel sinnvoller, durch geringes !Teigen des Kompensators die Liohtbündel zur Justierung der Interferenzgüte querverechiebbsr zu machen« Bas ist besonders vorteilhaft, weil dabei der eingestellte Durchdrinmingswinkel nicht wieder verändert werden kann wie bei der Justierung durch SpiegeltrahungM.

Biese Juetiermethode ist weit weniger stOrespfindlich als die früher übliche, die Drehwinkel sind rund 100 »al so gross wie bei Spiegel- ^ttstierüng. Der entstehende $angunterschied ist bei richtiger Justierung praktisch immer kleiner als eine Wellenlänge und kann vernachlässigt werden·

üarissf or» bekannter Lichtquellen hoher Leuchtdichte ist meist ein eohlankes Rechteck, las Justieren der Xnterferensgüte geschieht dabei unvergleichbar schneller, wenn die Sippachsen des !Compensators

parallel asu diesen Rechtecksott en liegen. Der Kompensator wird des-UaIb erfindungsgemäss am swei zueinander senkrechte, parallel zur JCo*- pensatoroberflache gerichtete &tpp*ohsen beweglich aufgehängt, ate vorzugsweise au den Hauptachsen des IiichtbHnäelquersehnittes parallel laufen. Bin· asweekfß issige Ausführung sform aeigt 1^.7· Die ^owpensatorgrundplatte 19 ist en vier, vorzugsweise in den ^ck®n eine« Qa·*» drats angeordneten Punkten 20, 21, 22 und 23 gelagert, uad arwer aa den Punkten 20, 21 und 22 auf Stellschrauben, von denen 20 und 22 durch Fernbedienung gedreht werden können, so dass der Eorapensator öm die Achsen 20 - 21 and 21 - 22 gekippt werden kann. Die in Punkt wirkende (rewichtskomponsnte kann senkrecht sror Korapensstorsbene durch eine einstellbare weiche Feder getragen werden. Parallel zur KOBjpensatorebene wirkende Verachi&bekrltf te werden durch vorzugsweise in der durch die Auflageounvta^uar ^f QJTee^r^r «^^TN^. ^t mri 22) ruhenden Ebene durch Zog- oder Druckgliedsr, is.B, <?t Riiibinci<*τ

Beim linstellön von zur Sbene der Spie/^?elmitten parallelen Interferenzatretfen stellen eich kleine Terzerrungen der Mchtbundelquerschnitte ein, die dem Bzrchdringangawinlrel der Lichtbündel und dt« Abstand von der Kippaohse proportional sind und bei grossem ^ffnuagawinköl leicht au Störungen der Interferenz fuhren. Femer liegt in dleeem Fall der exakte Xnterferen*ort nicht auf eineii senkrechten schnitt durch das Lichtbündel, sondern parallel aur Spiegelebene, d.h.· um den Lichteinfallewinkel aus der gewünschten ibene herausgedreht. Bei groseem öffnungewinkel reicht dann der fiefenschärfenbereich nicht aus, und nur die Sesiehtafeldmitte zeigt noch deutliche Interferenz et reifen. Diese empfindlichen Ifaehteile lassen eich versGHtiden, wenn der für den gewünschten Streifenabst^nd nötige Ttorchdriagungswinkel durch Ablenkung ait MIfe von S^ris&en erzielt wird« Daati können nach Fig. 3 die Komtsgnsatorplatten 24 als Prismen mit ·- kleinen, vorzugsweise gleloaenfwinkeln ausgeführt werden. Birch Terdrehea der Platten um die Achse 25 - 2$ können dureh Biffereatielwirkung alle PrtsmenwJü^keJLjaingestellt werden, die zwischen der Summe

f~bmd*7klkf vüo& der Differenz dses»r^Ruikel|liegen. CJleichsinniire Drehung de,r **· beiden Briemenplatten ua glaidhe Winkel bewirkt eine Drehung des eingestellten Streifenfelde β is 3©^® gewünschte Streifenrichtung'. Btr virtuelle Intorferenzort liegt syrischen den ?ria»enplatten 24. Damit Interferenzstreifen und^Modell gleichzeitig seharf abgebildet werden, muss der iCompensatorfvon ά&Ψ Tellerplatteji 28 auf dem liichtweg gemessen, die gleiche mittlere Entfernung haben wie die Moiellfenster 30· < — ^.

Der PrisiMtn-Dlfferentialkorapsasator vermeidet nicht nur Verzerrung der Liehtbündel^aersohnitte, «r igt · uoh weaig etSreiapfindlich, da sich grosae Brehwinkel ergeben und der Interferenssort automatisch konstant bleibt.

Die Keilplatten/^?erden axial und radial durch vorzugsweise je drei Hollen gefuhrt und so auf einfachste Art drehbar gelagert. Der Antrieb erfolgt awecksiisaig durch Zugdrähte, die einfach um die runden Platten baw. ihre Fassungen geschlungen werden, !ei einer anderen EonstruktionsisSglichkeit nimmt 3e eine durch Gewicht !komponente belastete radiale ptthrungsrolle die Platten ebenfalls durch leibung«;-schluaa mit.

d.h. daiait Xnterferenssstreifen tu id Modell gleich ,el; ig scharf abgebildet worden, siUeeen virtueller !nterfereneort und dae awlsehen den Modellf eastern 30 befindliche untersuohte durohalohtlge Mediwa auf de» Liohtwege geraee&en den gleichen Abstand von der Attfnahaekaoera haben« Da ler Xiiohtweg aueocrlialb des Interferometer!» von der i'cilerplatt· 28 an geweinoea ist, eo noes le Interferometer» ma gleiche Woge ßtt erhalten» der Abstand dar beiden Koapcnaetorplatten und der beiden .lodellfenfjter von 'er i?eil@rx>latte 28 das gleiche arithmetische Mittel haben·

Claims (1)

1. lass tor mittlere

   Teraohlettune Qot Sflu

   Spieg©Ifl&oba as ihre Hmltepöiftte ^&

   aase ^w

   h 10

   TtuftteaYgoXagoZii ist

   Terg^llefee&Äffe öttreli

   eise gerneSas«t© AV d& l

   ©rfö

   dl© Tasnb^tatl^ong

   Mss© f leX f«₉

   ClI) si» nu eist AeIaSS₁, peÄreelii. Marsti

   i ditt &il ft dl SkCta