DD201191A1 - Kippinvariantes interferometer mit ebenen spiegeln - Google Patents
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Abstract
Kippinvariantes Interferometer mit ebenen Spiegeln fuer die Messung kleiner Laengen bis etwa 100 mm, bei dem unter Verzicht auf Tripelprismen als kippunempfindliche reflektierende Bauelemente ebene Spiegel fuer den Mess- und Referenzstrahlengang verwendet werden koennen und dennoch eine Winkelbeweglichkeit dieser Spiegel zueinander in weiten Grenzen moeglich ist, ohne den Vor-Rueckwaerts-Zaehlvorgang zu beeintraechtigen. Dadurch wird einerseits ein hoher oekonomischer Effekt erzielt, indem auf optische und feinmechanische Praezisionstechnologien weitgehend verzichtet werden kann und anderseits Messobjekte mit spiegelnder optischer Qualitaet mit dem interferometrischen Messstrahl direkt beruehrungslos und punktfoermig angetastet werden koennen. Es werden fotoelektrische Empfaenger mit vorzugsweise sehl kleiner fotoelektrisch-aktiver Flaeche verwendet, die so zueinander und zu den optischen Bauelementen des Interferometers justiert werden, dass die fotoelektrisch-aktiven Flaechen nur von homologen Strahlpaaren getroffen werden. Die 90 grd-Phasenverschiebung wird mit polarisationsoptischen Mitteln erzeugt. Fig. 1
Description
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KippInvariantes Interferometer mit ebenen Spiegeln
Anwendungsgebiet der Erfindung ·
Die vorliegende Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo die zu messende technisch-physikalische Größe eine Änderung des optischen Gangunterschiedes bewirkt,, Das ist z. E9 bei allen Messungen der Meßgröße Länge der Fall, es trifft auch zu für die Messung der Brechzahl, des Druckes, der Zusammensetzung von Gasen oder die Messung der Kraft» sofern deren Wirkung die Änderung einer geometrischen Abmessung eines Körpers verursacht.
Insbesondere eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, Meßobjek·» te mit gut reflektierender Oberfläche, z„ B«, alle Bauelemente der Optik, wie Linsen, Prismen, Spiegel, auf Ebenheit zu prüfende Flächen oder beliebige andere Meßobjekte direkt mit dem Meßstrahl des Interferometers optisch berührungslos und punktförmig anzutasten. / '
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
1 Es sind, insbesondere hervorgerufen durch die Entwicklung der Lasertechnik, verschiedene Interferometer bekannt« Diesen Inter ferometern ist gemeinsam, daß sie über fotoelektrische Empfänger und diesen nachgeschaltete Baugruppen verfügen, die eine automatische vorzeichenrichtige Registrierung der Ände-
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rungen des optischen Gangunterschiedes ermöglichen. Diese Eigenschaft der Interferometer kann auf zwei Wegen erreicht werden:
1» Das Interferometer erzeugt am Ort der fotoelektrischen Empfänger ein Interferenzbild mit kleinem Ordnungsabstand und die Fotoempfänger werden in diesem Interferenzbild geometrisch so angeordnet, daß bei Änderung der Meßgröße die von ihnen abgegebenen elektrischen Ausgangssignale zueinander 90° phasenverschoben sindo Diese Phasenverschiebung ist notwendig für die automatische vorzeichenrichtige Registrierung der Gangunterschiedsänderungen.
2» Das Interferometer erzeugt an den fotoelektrischen Empfängern ein Interferenzbild mit großem Ordnungsabstand und die 90° phasenverschobenen Signale werden mit polarisationsoptischen und optisch-doppelbrechendem Bauelementen erzeugt.
Gemeinsam ist beiden Interferometerarten, daß das gewählte Interferenzbild während der gesamten Messung unverändert erhalten bleiben muß, weil sonst Störungen im Vor~Rückwärts-ZählVorgang auftreten.
Bei dem erstgenannten Interferometertyp werden zumeist Fizeau-...· ' Interferenzen zwischen ebenen Spiegeln in einem reellen oder virtuellen Kiel erzeugt. Der Ordnungsabstand ist vom Winkel zwischen den Spiegeln abhängig. Ändert sich dieser Winkel während der Messung, dann ändert sich auch der Ordnüngsabstand und damit die Phasenverschiebung zwischen den elektrischen Ausgangssignalen der Empfänger· Damit dieser Pail nicht eintritt, werden die Spiegel räumlich fest angeordnet und man verwendet Tripelprismen als bewegliche reflektierende Elemente. Werden dagegen ebene Spiegel als bewegliche reflektierende Elemente benutzt, benötigt man für deren Bewegung Präzisionsführungen, da Kippungen der Spiegel um wenige Winkelsekun-• den schon beträchtliche Phasenfehler im Vor-Rückwärts-Zählverfehren verursachen.
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Im zweiten Falle stehen die Spiegel, zwischen denen das Interferenzbild erzeugt wird, parallel zueinander· Meßfehler entstehen, sofern diese Spiegel eine von der parallelen Stellung abweichende Lage einnehmen, so daß man auch hier die kippinvarianten Eigenschaften von Tripelprismen ausnutzt und Tripelprismen als bewegliche reflektierende Elemente verwendet»
Nachteilig an diesen Verfahren ist, daß einerseits zwei Flächen in eine genau definierte Lage (Winkel oder Parallelität) zueinander gebracht werden müssen und andererseits Tripelprismen verwendet werden, an deren Herstellungstechnologie ebenfalls hohe Anforderungen zu stellen sind« Die zulässigen Toleranzen der Winkel zwischen den drei reflektierenden Flächen eines für interferometrische Zwecke verwendeten Tripelprismas liegen bei wenigen Winkel Sekunden«, Werden sie überschritten, wirkt das Tripelprisma im optischen Strahlweg wie ein Glaskeil und verändert seinerseits den Ordnungsabstand im Interferenzbilde
Weiterhin kann bei diesen Meßverfahren infolge der Verwendung von Tripelprismen das Meßobjekt nur mechanisch angetastet wer·» dene Dadurch sind in federn Falle die Unsicherheiten des mechanischen Kontaktes wie Deformationen am Prüfling, die durch die Meßkraft des Tastbolzens ausgeübt werden, Änderungen der Meßkraft infolge Reibung und Hysterese, im Meßergebnis enthalten.*
Es ist noch eine dritte Gruppe von Interferometern bekannt, die die Ebenheitsprüfung von optisch-hochwertigen Flächen ge*- stattet« Bei diesen Interferometem werden die zu prüfenden Flächen ebenfalls optisch-berührungslos angetastet, und es wird zumeist ein flachenhaftes Interferenzbild über der gesamten zu prüfenden Fläche erzeugt« Der Nachteil dieser Interferometer besteht darin, daß die Auswertung des Interferenzbildes visuell vorgenommen werden muß und eine Anwendung des automatischen Vor-RückwärtS'-Zählverfahrens nicht möglich ist·
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Ziel der Erfindung ist es, ein Interferometer zur Messung kit ner Längen bis etwa 100 mm anzugeben, bei dem unter Verzicht auf Tripelprismen ebene Spiegel als bewegliche reflektierende Elemente verwendet werden können und dennoch eine Winkelbewe^ lichkeit dieser Spiegel in weiten Grenzen, für die meisten technischen Anwendungen völlig ausreichend, erlaubt ist. Damit kann auf optische und feinmechanische Präzisionstechnologien weitgehend verzichtet werden, wodurch der Kostenaufwand je Interferometer wesentlich verringert wird. Weiterhin könne Meßobjekte mit gut reflektierender Oberfläche durch den Meßstrahl direkt und punktförmig angetastet werden, ohne daß eir präzise Justierung dieses Meßobjektes bezüglich einer .Reiferer fläche erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer zu schaffen, bei dem die Phasenlage der .elektrischen Signale, die von den fotoelektrischen Empfängern eines Interferometers abgegeben werden, konstant ist und unabhängig von der Winkellage der die Interferenz erzeugenden Spiegelflächen, wobei al Meß- und Referenzspiegel vorzugsweise ebene Spiegel verwendet werden können, wenn die optischen Schwerpunkte der Empfänger nur von homologen Strahlpaaren getroffen werden»
.Das Interferometer besteht aus einem ersten Strahlteiler zur Aufteilung des von der Lichtquelle ankommenden Lichtstrahls in Meß- und Referenzstrahl, zwei ebenen Spiegeln zur Reflexion der Meß- und Referenzstrahlen, polarisationsoptischen und optisch-doppelbrechenden Bauelementen und einem zweiten Strahlteiler zur Aufteilung der bereits zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen auf fotoelektrische Empfänger. Die beim Auftreffen eines Strahls auf eine Strahlteilerschicht entstehenden Teilstrahlen werden als homologes Strahlpaar bezeichnet,. An
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der ersten Strahlteilerschient werden aus dem von der Lichtquelle ankommenden Strahl beispielsweise, der Meß™ und Referenzstrahl als homologes Strahlpaar erzeugt» An der zweiten Strahltöilerschicht werden zwei homologe Strahlpaare erzeugt· Eines · davon ergibt sich aus der Teilung des Referenzstrahls und das andere aus der Teilung des Meßstrahls·
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst9 daß die fotoelektrischen Empfänger in bezug auf die optischen Bauelemente des Interferometers und den einfallenden Lichtstrahl in besonderer Weise justiert werden«, Man kann den fotoelektrischen Empfänger so betrachten, daß seine fotoelektrisch-aktive Fläche auf einen Punkt, den optischen Schwerpunkt,, konzentriert sei» Gemäß der Erfindung werden die optischen Schwerpunkte der Empfänger so justiert, daß sie nur von homologen Strahlpaaren getroffen werden» Stehen Meß- und Referenzspiegel senkrecht aufeinander» sind die aus Meß- und Referenzstrahl erzeugten homologen Strahlpaare deckungsgleiche limmt der Meßspiegel eine andere Winkellage ein, erzeugen-Meß- und Referenzstrahl an der zweiten Strahlteilerschicht homologe Strahlpaare9 die zueinander unter einem Winkel liegen« Bei einer Bewegung des Meßspiegels in Richtung des Meßstrahls ist die Phasenlage zwischen den elektrischen Signalen der fotoelektrischen Empfänger unabhängig von der Winkellage zwischen beiden ebenen Spiegeln im gesamten Bewegungsbereich des Meßspiegels konstant und die Phasendifferenz ist Null.
Um die Vor-Rückwärts»Zählung zu ermöglichenp muß zwischen beiden Empfängersignalen eine konstante Phasendifferenz von 90° erzeugt werden» Das wird mit optisch-doppelberechenden und polarisationsoptischen Bauelementen erreichte Der von der monochromatischen Lichtquelle ankommende linear polarisierte Lichtstrahl trifft auf eine ^ »Platte aus optisch-doppelbrechendem Material. Die Schwingungsrichtung des Lichtstrahls liegt zu den beiden in der 4 «Platte möglichen Schwingungsrichtungen unter 45°* Dann erzeugt die 4 -Platte aus dem ankommenden linear polarisierten Licht zirkulär polarisiertes
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Licht· Dieses wird am ersten Strahlteiler in Referenz- und Meßstrahl aufgeteilt und in einem von beiden Strahlengängen befindet sich eine zweite 4 -Platte, die den Umlaufsinn der Zirkularen Polarisation des betreffenden Strahls infolge des zweimaligen Durchlaufs umkehrt. Die Interferenz von rechts- und linkszirkular polarisiertem licht nach dem ersten Strahlteiler ergibt linear polarisiertes Licht, dessen Schwingungsebene vom Gangunterschied zwischen beiden interferierenden Teilstrahlen abhängt· Der durch Interferenz entstandene Strahl wird am zweiten Strahlteiler im gleichen Amplitudenverhältnis geteilt. Jeder dieser Teilstrahlen trifft auf einen Polarisator. Die Durchlaßrichtungen beider Polarisatoren stehen zueinander unter einem Winkel von 45°· Bei Bewegung des Meßspiegeis in Meßrichtung sind die von den fotoelektrischen Empfängern abgegebenen Signale konstant um 90° phasenverschoben.
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Bisher war davon ausgegangen worden, daß die fotoelektrischaktiven Flächen der fotoelektrischen Empfänger auf einen Punkt, den optischen Schwerpunkt, konzentriert seien. Unter dieser theoretischen Voraussetzung kann der Kippwinkel zwischen dem Referenzspiegel und dem Laufspiegel beliebig groß sein und der Vor-Rückwärts-ZählVorgang wird nicht außer Takt kommen, wenn die optischen Schwerpunkte der Empfänger homologe Strahlpaare abtasten. Obwohl dieser theoretisch angenommene Fall eines punktförmigen fotoelektrischen Empfängers durch die in letzter Zeit in integrierter Technologie hergestellten Bmpfän-
ger mit fotoelektrisch-aktiven Flächen von wenigen /um weitgehend angenähert wird, soll der Einfluß einer zwar kleinen, aber doch endlichen Empfängerfläche betrachtet werden. Endlich bedeutet in diesem Falle, daß die fotoelektrisch-aktive Emp-
fängerfläche <1 mm und quadratisch bzw. kreisförmig, also nicht linienförmig ist· Stehen Meß- und Referenzspiegel senkrecht zueinander, ist die Intensitätsverteilung an den fotoelektrisohen Empfängern konstant. Kippt der Meßspiegel während der Meßbewegung, z. B. infolge Ungenauigkeit der Führung, entsteht eine sinusförmige Intensitätsverteilung, die von den Empfängern abgetastet wird« Bei kleinem Kippwinkel von wenigen
Wink el Sekunden wird der Ordnumgsabstand groß sein im Verhältnis zur fotoelektrisch-aktiven Empfängerfläche und die sinusförmige Intensitätsverteilung wird quasi punktförmig durch den Empfänger abgetastet,, Mit größer werndendem Kippwinkel des Meßspiegels wird der Ordnungsabstand kleiner und der Empfänger beginnt, über die sinusförmige Intensitätsverteilung zu integrieren« Dabei nimmt die implitu.de des vom Empfänger abgegebenen elektrischen Signals ab. Die Amplitude ist HuIl9 wem der Ordnungsabs tand gleich der foto elektrisch-aktiven Empfänger.™ fläche ist« Dieser Pail entspricht einer bestimmten Winkelstellung des Meßspiegeis gegenüber dem Referenzspiegel und darf nicht überschritten werden. Der maximale Winkelbereich, in dem der Meßspiegel kippen darf, wird durch die geometrische. Abmessung der fotoelektrisch-aktiven Empfängerfläche bestimmt«
Tabelle 1 gibt in einigen Beispielen die zulässigen Kippwin- kel α zu den Kantenlängen a der fotoelektrisch-aktiven Emp» fängerflachen für χ = 633 m an.
α. ±1'5" +2· 11 " " +1O»52M +21 »45" . ±1°48"
a/mm ^T · 0*5 0,1 0^05 0,01
Die 90°-Phasenverschiebung ist lediglich von der Justierung der fotoelektriach-aktiven Empfängerfläch en auf den einfallenden Strahl abhängig.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden., In den zugehörigen Zeichnungen .zeigen:
Figo 1ϊ Ausführung des Interferometers als Zweistrahl».
interferometer Mg. 2s Ausführung des Interferometers als Vielstrahl-
Auflichtinterferometer. >
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Entsprechend Figo 1 ist ein Laser 1 vorhanden, der einen monochromatischen Strahl 13 aussendet. Dieser Lichtstrahl durchsetzt eine aus optisch-doppelbreohendem Material bestehende 4-Platte 2 und trifft auf einen Teilerwürfel 4 mit Strahlteilerschicht 5· Die Strahlteilerschient teilt den ankommenden Lichtstrahl im Verhältnis 1 s 1 in Referenzstrahl 15 und Meßstrahl 16. Der Referenzstrahl 15 wird durch die Teilerschicht' 5 zum feststehenden und ebenen Referenzspiegel 6 reflektiert und gelangt von diesem zur Teilerschicht zurück. Der Meßstrahl 16 tritt durch die Teilerschicht 5 hindurch, wird an dem ebenen Meßspiegel 7 reflektiert und passiert zweimal die ^-Platte 3. An der Teilerschicht 5 interferieren die Strahlen 1 5 und 16. Diese Strahlen werden an der Teilerschicht 8 im Verhältnis
1 : 1 geteilt, und es entstehen die homologen Strahlpaare 15'» 15" und I6f, 16" aus den Strahlen 15 und 16. Die Teilstrahlen 15'» 16* durchlaufen das Polarisationsfilter 10 und treffen da nach auf den fotoelektrischen Empfänger 11 und ebenso passieren die Teilstrahlen 15"» 16M das Polarisationsfilter 9 und treffen danach auf den fotoelektrischen Empfänger 12.
Der Strahl 13 ist linear polarisiert und die Schwingungsebene seiner Polarisation ist in bezug zu den beiden in der 4-Platte
2 möglichen Schwingungsebenen so orientiert, daß sie zueinander einen Winkel von 45° bilden. Dann ist der Strahl 14 zirkulär polarisiert , und es werde angenommen, im rechtsdrehenden Sinn. Der Meßstrahl 16 jedoch durchläuft beim Hin-und Rückweg vom Meßspiegel 7 zweimal die 4-Platte 3, deren Orientierung in bezug auf den ankommenden Strahl die gleiche 1st wie die der ^-Platte 2 zum Strahl 13. Dadurch ändert sich der Drehsinn der zirkulären Polarisation des zur Teilerschicht 5 zurückkehrenden Strahls 1ββ Die sich ab der Teilerschicht 5 in gleicher Richtung ausbreitenden Strahlen 15, 16 ergeben Interferenz von rechts- und linkszirkular polarisiertem Licht. Das Ergebnis dieser Interferenz ist ein Strahl, dessen Polarisation linear ist, wobei jedoch die Schwingungsebene der linearen Polarisation nicht konstant ist, sondern abhängt vom Gangunterschied zwischen Referenz strahl 15 und Meßstrahl 16<> Die
Polarisatoren 10 und 9 sind so zueinander orientiert, daß die Schwingungsebenen der Teilstrahlen 1 5 * 9 16 * und 1 5"»'" 16" nach Durchlaufen der Polarisatoren im Winkel von 45° zueinander stehen» Dann sind die von den fotoelektrischen Empfängern Π, 12 abgegebenen elektrischen Signale 90° phasenverschoben«
Um die besondere Justierung der fotoelektrisch-aktiven Flächen der Empfänger 11, 12 auf die homologen Strahlpaare zu ermöglichen;, kann man in dem vom Laser 1 ankommenden Lichtbündel eine Blende 20 mit kleiner Öffnung anbringen, die den Strahl 13 hindurchläßt und nach erfolgter Justierung entfernt werden kann» In Figur 1 ist die Winkellage zwischen Meßspiegel 7 und Referenzspiegel 6 senkrecht, so daß auch die aus dem Strahl 14 hervorgehenden Teilstrahlen 15» 16- senkrecht zueinander sind,, Deshalb vsind diese Teilstrahlen nach ihrem zweiten Passieren der Teilerschicht 5 in der zeichnerischen Darstellung von Figur 1 in Deckung. An der Teilerschicht .8 entsteht aus dem Strahl 15 das homologe Strahlpaar 15% 15" und aus dem Strahl 16 das homologe Strahlpaar 16% ΐ6Μ, Die Justierung .der Empfänger erfolgt so, daß die Strahlen 15% 16· auf die fotoelektrisch-aktive Fläche des Empfängers 11 fallen und die Strahlen 15"s I6'e entsprechend auf die foto elektrisch aktive Fläche des Empfängers 12„ Diese Justierung kann mit Hilfe der Blende 20 zunächst visuell vorgenommen und bei weiterer Verfeinerung anhand des οszillografischen Ergebnisses der Überlagerung der elektrischen Ausgangssignale beider Empfänger fortgesetzt werden» x
Ein Keil des" Doppelkeilpaares, z„ B0 23, ist räumlich fest angeordnet und der andere Keil 22 ist senkrecht zur Richtung des Meßstrahls 16 verschiebbar angebracht, so daß sich bei einer' Verschiebung des Keils 22 eine Änderung des optischen Gangunterschied-es zwischen dem Refer ens strahl 15 und dem· Meß strahl 16 ergibt« Es können, aber auch beide Keile 2 2S 23 in dieser Richtung gegenläufig verschoben werden» Durch die Verschiebung der Keile ist es möglich, eine definierte Änderung des Gangunterschiedes zu erreichen, z« BB zum Zwecke der Interpolation oder Modulation«,
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In Fig· 2 ist eine weitere Anordnung gezeigt, in der Vielst rahl-Pizeau-Interferenz en am reellen Keil erzeugt werden. Die verwendeten Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in Pig. 1. Der vom Laser ankommende linear polarisierte Strahl 13 trifft unter 45°-Orientierung auf die 4-Platte 2, die den rechtszirkular polarisierten Strahl 14 erzeugt. Dieser Strahl passiert die Teilerschicht 5 und wird an der teilverspiegelter Schicht 18 des Referenzspiegeis 6 in einen hindurchgelassenen und einen reflektierten Teil geteilt. Der reflektierte Teilstrahl 15 stellt den Referenzstrahl dar und ist rechtszirkulai polarisiert. Der hindurchgelassene Teilstrahl 16 bildet den Meßstrahl, dessen Drehsinn der zirkulären Polarisation sich infolge des zweimaligen Durchlaufes durch die 4-Platte 3 umkehrte Auch die mehrfach zwischen dem. Referenzspiegel 6 und dem Meßspiegel 7 hin- und herreflektierten Teilstrahlen 16 behalten die linkszirkulare Polarisation bei, da die Anzahl der Durchläufe des Teilstrahls 16 ab der teilverspiegelten Schicht 18 und zurück immer geradzahlig ist.
Claims (3)
1,· Kippinvariantes Interferometer mit ebenen Spiegeln, bestehend aus einer monochromatischen Lichtquelle,, strahlteilenden und strahlreflektierenden Elementen, polarisationsoptischen und optisch-doppelbrechenden Bauelementen und foto-, elektrischen Empfängern, gekennzeichnet dadurch..* daß die fotoelektrisch-aktiven Flächen der fotoelektrischen Empfänger (11), (12) relativ zueinander und zu den'strahlteilenden Elementen (5)? (8) und zn den strahlreflektiereriden Elementen (6)s, (7) so angeordnet sind, ."daß· sie nur von homologen Strahlpaaren (1S9)» (15") und (16?)3 (16M) getroffen werdene
2« Kippinvariantes Interferometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch* daß vor dem ersten strahlteilenden. Element (5) eine erste 4-Platte (2) aus optisch-doppelbrechendem Material angeordnet ist und in einem Teilstrahl' nach dem ersten strahl~ teilenden Element (5) eine zweite 4-Platte' (3) angeordnet ist und nach dem zweiten strahlteilenden Element (8) in jedem Teil strahlengang (151), (168) und (15"), (16'!) ein polarisationsoptischer Analysator (9), (10) und diesem nachgeschaltet je ein foto elektrischer Empfänger. (1I)9 (12) angeordnet ist und die Durchlaßrichtungen dieser Analysatoren einen Winkel zueinander bilden=.
3» Kippinvariantes Interferometer nach Punkt 1 9 gekennzeichnet dadurch^ daß die strahlteilenden Elemente (5)s (8) und das strahlreflektierende Element (6) au einer festen Baueinheit zusammengefügt sind®
Kippinvariantes Interferometer nach Punkt 1„ gekennzeichnet dadurch,, daß ein strahlreflektierendes Element als teil durchlässiger Spiegel (18) ausgebildet isf und parallel zu ihm das strahlreflektierende Element (7) angeordnet ist und sich zwischen beiden strahlreflektierenden Elementen '(7)» (18) die ^-Platte (3) befindet.
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Kippinvariantes Interferometer nach Punkt , if gekennzei« net dadurch, daß in einem Teilstrahlengang des Interferone ters ein Doppelkeilpaar (19), (20) angeordnet ist.
Hierzu„. A_Seiten Zeichnungen
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