DE1953243A1 - Optisches Geraet - Google Patents

Description

National Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London, S_eW.l,

England

Optisches Gerät

Die Erfindung betrifft optische Geräte, welche mit einem Körper aus lichtdurchlässigem Material versehen sind, welcher mit einer Einfallsfläche und mit einer einen Lichtstrahl aufspaltenden Fläche derart versehen ist, daß aus einem senkrecht auf die Einfallsfläche fallenden Lichtstrahl ein reflektierter Strahl und ein weitergeleiteter Strahl von jeweils gleicher Intensität gebildet werden.

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Derartige Strahlaufspalter werden häufig zur Erzeugung von Interferenzerscheinungen verwendet· Die beiden getrennten Lichtstrahlen werden auf verschiedenen Bahnen mit unterschiedlicher optischer Weglänge weitergeleitet und anschließend wieder miteinander vereinigt,so daß Interferenzerscheinungen auftreten, wenn sich die optischen Weglängen um einen nicht zu großen Betrag unterscheiden·

Ein gebräuchliches, auf diesem Prinzip beruhendes optisches Gerät ist das Michelson-Interferometer, Dieses besteht im wesentlichen aus einem planparallelen Glaskörper, dessen parallele flächen mit einem einfallenden Lichtstrahl einen Winkel von jeweils 45° einschließen, und welches weiter zwei ebene Spiegel aufweist, welche miteinander einen rechten Winkel bilden und in bezug auf den planparallelen Glaskörper Winkel von jeweils 45° bilden. Der Glaskörper erzeugt aus dem einfallenden Lichtstrahl zwei Lichtstrahlen von jeweils gleicher Intensität, wobei der eine Lichtstrahl an der Vorderfläche des Glaskörpers reflektiert wird und der andere Lichtstrahl durch die hintere Fläche des Glaskörpers hindurch weitergeleitet wird. Jeder Lichtstrahl wird an einem der ebenen Spiegel derart reflektiert, daß er jeweils seinen ursprünglich zurückgelegten Weg wieder zurückverfolgt· Nach der Reflexion durch die ebenen Spiegel werden die beiden Strahlen an der Vorderfläche des plan-

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parallelen Glaskörpers wieder miteinander vereinigt und bilden damit einen Ausgangslichtstrahl, welcher mit den einfallenden Lichtstrahl einen Winkel von 90° einschließt und in der Lage ist, ein Interferenzlinienmuster zu erzeugen·

Dieses Interferenzmuster ändert sich zyklisch mit einer relativen Ortsveränderung der beiden Spiegel in zu ihren Oberflächen senkrechten Richtungen· üblicherweise bleibt einer der beiden Spiegel fest und die optische Entfernung von der Lichtquelle zu dem Wiedervereinigungspunkt der aufgespaltenen Lichtstrahlen an diesem festgehaltenen Spiegel ist damit ebenfalls fest. Der feststehende Spiegel bildet den festen Teil des Interferometers. Die optische Entfernung von der Lichtquelle bis zu dem Wiedervereinigungspunkt der aufgespaltenen Strahlen an dem beweglichen Spiegel ist veränderlich und wird als der veränderliche Teil des Interferometers angesehen« Eine Relativbewegung der beiden Spiegel gegeneinander um eine halbe Wellenlänge des einfallenden Lichtes bewirkt, daß sich die Intensität des Ausgangsstrahles um den Betrag einer Vollschwingung ändert.

Das Michelson-Interferometer ist zur Bestimmung exakter Längen, beispielsweise der internationalen Längennormale, und außerdem zur exakten feststellung linearer Bewegungen

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verwendet worden, wobei in letzterem Fall der bewegliche Spiegel an dem linear bewegten Körper befestigt wird. Es weist jedoch mehrere Nachteile auf, da es auf eine ungenaue Fluchtung der beiden Spiegel gegeneinander sehr empfindlich reagiert und deshalb nur durch geschultes Personal verwendet werden kann; die Toleranz der Winkelneigung bei der Bewegung des beweglichen Spiegels beträgt dabei nur wenige Bogensekunden. Da dieses Interferometer

außerdem aus drei getrennten optischen Teilen besteht, weist es 18 Freiheitsgrade auf, von welchen 15 jeweils ein Interferenzlinienmuster hervorrufen können.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, Strahlaufspalter der soeben dargelegten Art noch besser für die Verwendung in Interferometern geeignet zu machen und dadurch insbesondere die Möglichkeit zu eröffnen, mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Interferometers seitliche Verschiebungen sowie Winkelbewegungen bewegter Körper um ihre Längs-, Quer- und Vertikalachse feststellen zu können und außerdem in zwei verschiedenen, zueinander rechtwinkligen Richtungen Längen gleichzeitig messen zu können.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung ein optisches Gerät mit einem Körper aus lichtdurchlässigem Material, welcher mit einer Einfallsfläche

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und mit einer einen Lichtstrahl aufspaltenden Fläche derart versehen ist, daß aus einem senkrecht auf die Einfallsfläche fallenden Lichtstrahl ein reflektierter Strahl und ein weitergeleiteter Strahl von jeweils gleicher Intensität gebildet werden, welches gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der lichtdurchlässige Körper mit einer im wesentlichen zu der strahlaufspaltenden Fläche parallelen, innenreflektierenden Fläche und mit einer weiteren im wesentlichen zu der Einfallsfläche parallelen, innenreflektierenden Fläche versehen ist, wobei die beiden reflektierenden Flächen mindestens jeweils einen Teil des reflektierten Strahles auf die strahlaufspaltende Fläche zurückwerfen«,

Der Körper aus lichtdurchlässigem Material ist dabei ein Parallelepiped mit eingeschlossenen Winkeln von angenähert 45° bzw. 135° · Die reflektierenden Flächen werden durch auf den lichtdurchlässigen Körper aufgebrachte Metallschichten gebildete Die strahlaufspaltende Fläche wird durch eine gleiche Metallschicht gebildet, die jedoch wegen ihrer ausreichenden Dicke nur halb reflektierend ist. Ein für diesen Zweck geeignetes Metall ist Aluminium, welches zum Beispiel aufgedampft wird.

Ein Merkmal des optischen Gerätes nach der Erfindung besteht darin, daß dieses als Interferometer dient und mit einem Körper aus lichtdurchlässigem Material

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versehen ist, welcher mit einer Einfallsfläche und mit einer einen Lichtstrahl aufspaltenden Fläche derart versehen ist, daß aus einem senkrecht auf die Einfallsfläche fallenden Lichtstrahl ein reflektierter Strahl und ein weitergeleiteter Strahl von jeweils gleicher Intensität gebildet werden, welches gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der lichtdurchlässige Körper mit einer im wesentlichen zu der strahlaufspaltenden Fläche parallelen, innenreflektierenden Fläche und mit einer weiteren im wesentlichen zu der Einfallsfläche parallelen, innenreflektierenden ι lache versehen ist, wobei die beiden reflektierenden Flächen mindestens jeweils einen Teil des reflektierten Strahles auf die strahlaufspaltende bzw« halbreflektierende Fläche zurückwerfen.

De Einrichtung zur Zurückleitung des übertragenen Strahles zurück auf seinem Weg weist ein an einem beweglichen Körper befestigtes Dreikantprisma und noch eine weitere reflektierende Fläche auf, welche ebenfalls zu der Einfallsfläche des Körpers aus lichtdurchlässigem Material parallel ist« Wenn die zweitgenannte reflektierende Fläche aus einer Aluminiumschicht gebildet wird, welche auf den Körper aus lichtdurchlässigem Material aufgebracht ist, so kann als die drittgenannte reflektierende Fläche die Seite

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der die zweitgenannte reflektierende Fläche bildenden Metallschicht dienen, welche der die zweitgenannte reflektierende Fläche gegenüberliegenden Seite der Metallschicht entspricht*

Bei einem Interferometer, welches zur Feststellung der Bewegung eines bewegten Körpers im Gegensatz zur bloßen Messung einer Ortsveränderung des bewegten Körpers dient, ist es zusätzlich zur Messung des Betrages der Bewegung des Körpers notwendig, die Bewegungsrichtung feststellen zu können. Das wird durch eine entsprechendes ο Interferoaeterausgangssignal erreicht- welches aus zwei in der Phase um 90 gegeneinander verschobenen Signalen besteht und bei welchen die Phase des einen Signales in bezug auf das andere Signal voreilt, wenn sich der Körper in der einen Richtung bewegt und bei welchen diese Phase nacheilt, wenn sich der Körper in der entgegengesetzten Richtung bewegt«

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht diese in einem optischen Gerät, welches als Interferometer dient mit einer Einrichtung versehen ist, welche einen ebenpolarisierten Eingangslichtstrahl liefert. Dabei besteht ein festes Teil des Interferometers aus einem Körper aus lichtdurchlässigem Material, welcher mit einer Einfallsfläche

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und mit einer einen Lichtstrahl aufspaltenden fläche derart versehen ist, daß aus einem senkrecht auf die Einfallsfläche fallenden Lichtstrahl ein reflektierter Strahl und ein weitergeleiteter Strahl von jeweils gleicher Intensität gebildet werden und ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der lichtdurchlässige Körper mit einer im wesentlichen zu der strahlaufspaltenden fläche parallelen innenreflektierenden fläche und mit einer weiteren im wesentlichen zu der Einfallsfläche parallelen, innenreflektierenden fläche versehen ist. Ein bewegliches Teil des Interferometers nach der Erfindung besteht aus einem Dreikantprisma, welches auf einem beweglichen Körper befesigt ist'und welches den weitergeleiteten Strahl unter einem rechten Winkel auf die drittgenannte reflektierende fläche reflektiert, so daß der weitergeleitete Strahl auf seinem ursprünglichen Weg zurückläuft, wobei sich zwischen dem Prisma und der drittgenannten reflektierenden ίlache eine Verzögerungseinrichtung befindet, welche in de^rn weitergeleiten Strahl eine Phasenverzögerung hervorruft. Dieses Interferometer ist außerdem mit einer Einrichtung zur Analysierung der reflektierten und der weitergeleiteten Strahlen nach deren Wiedervereinigung an der Strahlungsaufspaltenden fläche versehen.

Wie bei dem erstgenannten Merkmal der Erfindung

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wird auch hier die drittgenannte reflektierende iläche bzw. der Spiegel durch die Seite der Metallschicht gebildet, welche auf der die zweitgenannte reflektierende iläche bildenden Fläche der Metallschicht liegt.

Voragsweise ist die Verzögerungseinrichtung zur Erzeugung einer Phasenverzögerung des weitergeleiteten Strahles eine Platte mit einer optischen Dicke von 1/8 der Wellenlänge des Lichtstrahles und gemäß der Erfindung weist die Analysiereinrichtung für die reflektierten und weitergeleiteten Strahlen ein aus optisch aktivem Material bestehendes Prisma auf, welches die miteinander vereinigten reflektierten und übertragenen Strahlen in zwei voneinander getrennte Teilstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 90 gegeneinander aufteilt, weiter weist die Analysiereinrichtung zwei fotoelektrische Detektoren, welche jeweilseinen der Teillichtstrahlen empfangen, sowie einen umschaltbaren Zähler auf, welcher die Ausgangssignale der beiden fotoelektrischen Detektoren empfängt. Vorteilhafterweise wird einer der beiden üotodekektoren bzw. werden beide tfotodetektoren jeweils über einen Lichtleiter mit den entsprechenden Lichtstraheln versorgt.

Das optisch-aktive Prisma ist ein Wollaston-Prisma, dessen optische Achse mit der Polarisationsebene des Einfallsstrahles einen Winkel von 45° bildet und zur

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Richtung der miteinander vereinigten übertragenen und reflektierten Strahlen parallel-liegt.

Vorzugsweise ist gemäß der Erfindung die Platte, welche eine Dicke von 1/8 der Wellenlänge des Lichtes aufweist, an der außenreflektierenden fläche bzw. an dem Spiegel des veränderlichen Teiles des Interferometers befestigt. Das Wollaston-Prisma ist an einem Prisma und dieses wiederum an dem lichtdurchlässigen Körper befestigt, wobei das Prisma derart geformt ist, daß die miteinander vereinigten reflektierten und übertragenen Strahlen unter einem senkrechten Einfallswinkel in das Wollaston-Prisma eintreten.

Durch eine geeignete Abwandlung des lichtdurchlässigen · Körpers ergeben sich Interferometer, welche in der Lage sind, andere funktionen als nur die Messung von Entfernungen bzw. Bewegungen in einer Richtung auszuführen. Dazu wird beispielsweise die erstgenannte reflektierende fläche, welche parallel zu der strahlaufspaltenden fläche liegt, nur noch halbreflektierend ausgeführt und ein weiterer lichtdurchlässiger Körper gleicher Gestalt wird an dem erstgenannten Körper derart befestigt, daß einige der reflektierten Strahlen "abgezapft" und als Bezugsstrahlen für die Messung der Ausrichtung des beweglichen Körpers während des gesamten Bewegungsablaufes verwendet werden können. 009822/1407

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Der zusätzliche lichtdurchlässige Körper weist in diesem Falle keine weitere zu der Einfallsfläche parallel liegende reflektierende ir lache auf, so daß das Licht des reflektierten Strahles den zweitgenannten lichtdurchlässigen Körper in einer parallel zu dem ursprünglich weitergeleiteten Strahl verlaufenden Richtung verlassen kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform des lichtdurchlässigen Körpers weist dieser die eovai eines Parallelepipeds auf und die erstgenannte reflektierende fläche ist ebenfalls nur halbreflektierend. Ein identischer Körper ist an diesem abgewandelten Körper "in Reihe" derart befestigt, daß Licht aus dem ursprünglich reflektierten Strahl, welches in den zweitgenannten Körper durch die jtlache zwischen den beiden Körpern eintritt, an der halbreflektierenden zweit genannt en r lache des zweitgenannten Körpers in zwei orthogonale Strahlen umgewandelt wird, von denen der eine den zweitgenannten Körper in Richtung des aus dem erstgenannten Körper in den zweitgenannteη Körper einfallenden Lichtes verläßt und von denen der andere nach Reflexion an der zweitgenannten reflektierenden fläche des zweitgenannten Körpers diesen unter einem rechten Winkel mit Bezug auf den erstgenannten Strahl verläßt. Zwei Dreikantprismen sind an den miteinander verbundenen lichtdurchlässigen Körpern befestigt und derart geformt,

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daß die miteinander verbundenen Prismen insgesamt ein Rechteckprisma ergeben. Gemäß eier weiteren Abwandlung ist zwischen dem erstgenannten und dem zweitgenannten lichtdurchlässigen Körper eine Schicht aus einem optischen Material derart eingefügt, daß das Licht zwar aus dem erstgenannten Körper in den zweitgenannten Körper frei eintreten kann, daß dieses Licht aber an der Rückkehr aus dem zweitgenannten Körper bzw. dem Eindringen in den erstgenannten Körper gehindert wird.

Eine derartige Anordnung wird bei Interferometern verwendet, welche zur Bestimmung einer Bewegung in zwei zueinander senkrechten Richtungen dienen.

Gemäß einem noch weiteren Merkmal der Erfindung beinhaltet diese ein Interferometer zur Vornahme von Messungen in zwei Richtungen, welches gemäß der Erfindung durch einen Strahlaufspalter und ein festes Teil, welch letzteres einen Körper aus lichtdurchlässigem Material, welcher mit einer Einfallsfläche und mit einer einen Lichtstrahl aufspaltenden fläche derart versehen ist, daß aus einem senkrecht auf die Einfallsfläche fallenden Lichtstrahl ein reflektierter Strahl und ein weitergeleiteter Strahl von jeweils gleicher Intensität gebildet werden, weiter durch eine innenreflektierende fläche, welche angenähert zu der strahlaufspaltenden υ lache parallel ist

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und nur einen Teil des an ihr einfallenden reflektierten Strahles reflektiert und den übrigen Teil dieses Strahles weiterleitetferner durch eine weitere innenreflektierende Fläche, welche zu der Einfallsfläche angenähert parallel ist, und schließlich noch eine weitere reflektierende Fläche gekenn-, zeichnet ist, welche ebenfals zu der Einfallsfläche parallel ist. Ein weiterer gleicher Körper aus lichtdurchlässigem Material ist mit seinen entsprechenden Flächen parallel zu denen des erstgenannten Körpers angeordnet und weist eine weitere innenreflektierende Fläche auf, welche zu der des erstgenannten Körpers parallel liegt und damit den übertragenen Teil des reflektierten Strahles in zwei orthogonale Strahlen angenähert gleicher Intensität umwandelt, so daß sich damit weitere reflektierte und weitergeleitete Strahlen ergeben. Außerdem ist an den erstgenannten und an dem zweitgenannten lichtdurchlässigen Körper jeweil s ein rechtwinkliges Prisma befestigt, welche jeweils derart geformt sind, daß diese zusammen mit den beiden Körpern insgesamt ein rechtwinkliges Prisma bilden«, Ein Dreikantprisma ist an einem beweglichen Körper in einer parallel zu der Richtung des Eingangsstrahles verlaufenden Richtung befestigt und leitet den erstgenannten weitergeleiteten Strahl unter einen Einfallswinkel von 90° auf die dribtgenannte reflektierende Fläche des erstgenannten Körpers aus lichtdurchlä sigem Material. Ein weiteres Dreikantprisma, welches ebenfalls an einem beweglichen Körper in einer zu der Bewegungsrichtung des erstgenannten Körpers senkrechten

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Richtung befestigt ist, leitet den zweitgenannten weitergeleiteten Richtung befestigt ist, leitet den zweitgenannten übertragenen Strahl unter einem Einfallswinkel von 90° auf eine zu der zweitgenannten Bewegungsrichtung senkrechte reflektierende fläche. Endlich ist das Interferometer durch eine Einrichtung zur Beobachtung der erstgenannten übertragenen und reflektierten Strahlen nach deren Wiedervereinigung an der strahlaufspaltenden üläche des erstgenannten lichtdurchlässigen Körpers und schließlich durch eine Einrichtung zur Beobachtung der zweitgenannten übertragenen und reflektierten Strahlen nach deren Wiedervereinigung an der strahlaufspaltenden fläche des zweitgenannten lichtdurchlässigen Körpers gekennzeichnet«

Gemäß dem zweitgenannten Merkmal des optischen Gerätes nach der Erfindung weist dieses eine Einrichtung zur Erzeugung eines ebenpolarisierten Eingangsstrahles auf. Außerdem sind zwischen den Dreikantprismen und ihren entsprechenden reflektierenden irlächen Einrichtungen zum Hervorrufen einer bestimmten Phasenverzögerung der entsprechenden Lichtstrahlen vorgesehen. Die Einrichtung zur Beobachtung der miteinander vereinigten ertgenannten reflektierten und weitergeleiteten Strahlen und der miteinander vereinigten zweitgenannten reflektierten und weiterg;eleitot«n Strahlen ist derart mit Wollaston-Prismen versehen, daß die

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jeweils miteinander vereinigten Strahlen senkrecht auf die Wollaston-Prismen auftreffen· Die dem zweitgenannten Dreikantprisma zugeordnete reflektierende fläche ist eine Metallschicht, welche auf der jeweiligen Endfläche des Strahlaufspalters bzw. des festen Teiles des Interferometers aufgebracht ist·

Bei Verwendung der Interferometer zur Messung beträchtlicher Entfernungen müssen Lichtquellen verwendet werden, welche ein Licht mit langer kohärenter Wellenlänge erzeugen· Laser bzw, eine Niederdruck-Quecksilberlichtquellen stellen derartige Lichtquellen dar. Eine besonders geeignete Laserart ist ein Helium-Neonlaser in Verbindung mit Brewster- *enstern, weil das von einem derartigen Laser ausgehende Licht sichtbar ist und außerdem ebenpolarisiert ist.

Die Verwendung von Drikantprismen bei den beweglichen Teilen des Interferometers nach der Erfindung bewirkt, daß die erzeugten Interferenzlinienmuster gegenüber Ortsveränderungen der Dreikantprismen in zu den Bewegungsrichtungen der beweglichen Körper senkrechten Richtungen unempfindlich sindDarüberhinaus ist bekannt, daß bei einem Dreikantprisma, welches eine vollständige Würfelkante darstellt, die Parallelität zwischen einfallendem und austretendem Strahl gegenüber der Ausrichtung des Prismas

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unempfindlich ist. Diese Ünempfindlichkeit gegenüber einer nicht richtigen Ausrichtung in dem veränderlichen Teil des Interferometers beseitigt einen der Hauptnachteile des Michelson-Interferometers. Da außerdem die festen Teile des Interferometers aus festen Materialblöcken gebildet werden, wird die Anzahl der Freiheitsgrade der optischen Teile des Interferometers verringert und damit dessen Benutzung vereinfacht und dessen Betriebszuverlässigkeit erhöht. Darüberhinaus macht man durch geeignete Wahl der Abmessungen der lichtdurchlässigen Körper und der Dreikantprismen die optische Weglänge im Glas sowohl in den festen Teilen als auch in den beweglichen Teilen des Interferometers betragsmäßig gleich, so daß die Interferometer gegenüber der Wirkung von Temperaturänderungen unempfindlich sind.

Einige Ausführungsformen der_%Erfindung sind im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Beispielen erläutert. Im einzelnen zeigen:

. 1 einen Querschnitt einer Aus

führungsform der Erfindung,

jpig. 2 eine schematische Darstellung

eines Interferometers nach der Erfindung,

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eine schematische Darstellung eines Interferometers nach der Erfindung, welches zur Bestimmung der Bewegung eines Körpers verwendet wird,

eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäeßen Interferometers, welches beispielsweise zur Bestimmung der Bewegung eines Körpers um seine Längsachse verwendet wird, und

eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Interferometers nach der Erfindung, welches zur gleichzeitigen Messung in zwei verschiedenen Richtungen dient.

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Ein Strahlaufspalter nach der Erfindung besteht gemäß der Darstellung in Fig. 1 aus einem Glaskörper, welcher angenähert die Form eines Parallelepipeds mit eingeschlossenen Winkeln*von 45o bzw. 135o aufweist. Einer dieser Winkel weist eine Winkelabweichung von etwa .30 Bogensekunden auf, so daß zwei einander gegenüberliegende flächen nicht genau parallel sind.

Durch diese Winkelabweichung wird eine Kopplung zwischen einem aus einer Lichtquelle in den Körper einfallenden Lichtstrahl und einem an dem flächen des Glaskörpers 1 reflektierten Strahl, welcher sich in entgegengesetzter Richtung zu dem Einfallsstrahl fortpflanzt, verhindert. Eine fläche 2 des Glaskörpers 1 dient als Einfallsfläche und eine weitere, gegen die Fläche 2 um 45o geneigte Fläche ist mit einer Schicht 4 aus Aluminium versehen. Die Schicht 4 weist eine derartige Dicke auf, daß die fläche 3 nur halbreflektierend ist und damit strahlauf= spaltend wirkt. Ein auf die Einfallsfläche 2 senkrecht einfallender Lichtstrahl wird deshalb in einen reflektierten und in einen weitergeleiteten strahl aufgeteilt, welche aufeinander senkrecht sind und angenähert die gleiche Intensität aufweisen·

flächen 5 bzw. 6 des Glaskörpers 1 sind jeweils zu den Flächen 2 bzw, 3 etwa parallel und tragen Aluminiumschichten 7 bzw. 8, Die schichten 7 und. 8 sind jeweils derart dick,

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daß die Flächen 5 und 6 jeweils total reflektieren« An dem glaskörper 1 ist. ein rechtwinkeliges Prisma 10 befestigt, welches auf einer zu der Fläche 2 senkrechten fläche 12 eine ant!reflektierende Schicht 11 trägt«

Der Glaskörper 1 stellt einen Strahlaufspalter dar, welcher als festes Teil eines Interferometers verwendet werden kann und damit die Anzahl der Interferometer= einzelteile bzw« der Freiheitsgrade des Interferometers verringert, so daß dessen Verwendung vereinfacht wird und dieses gegenüber Fehlern unempfindlicher ist, welche durch eine nicht richtige ausrichtung der Interferometereinzelteile gegeneinander hervorgerufen werden.

In Fig« 2 sind schematisch ein erfindungsgemäßes Interferometer sowie ein parallel zu dessen optischer Achse aus einer nicht dargestellten Lichtquelle senkrecht auf die Einfallsfläche 2 des Glaskörpers 1 einfallender Lichtstrahl 21 dargestellt.· Der einfallende Lichtstrahl 21 wird in einen reflektierten Strahl 22 und einen weitergeleiteten strahl 23 aufgeteilt, welche zueinander senkrecht sind und angenähert die gleiche Intensität aufweisen. Der reflektierte Strahl 22 fällt auf die reflektierende fläche 6, welche zu der strahlaufspaltenden Fläche 3 angenähert parallel ist und den reflektierten

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Strahl unter einem senkrechten Einfallswinkel zu der senkrechten Fläche 5 weiterleitet. Die geringe Abweichung von dem 90°-Einfallswinkel, welche daher rührt, daß die flächen 3 und 6 erfindungsgemäß nicht exakt parallel sind, bewirkt, daß der von dem reflektierten Strahl nach der Reflexion an der fläche 5 in umgekehrter Richtung zurückgelegte Weg sich ein wenig von dem ursprünglichen Weg unterscheidet. Auf diese Weise wird eine Kopplung zwischen dem einfallenden Strahl21 und dem Teil des reflektierten Strahles 22, welcher nach der Rückkehr zu der strahlaufspaltenden fläche 3 in Richtung auf die Lichtquelle des Einfallsstrahles 21 reflektiert wird, vermieden.

Der weitergeleitete Strahl 23 tritt in Richtung des Einfallstrahles 21 aus dem Glaskörper 1 aus und fällt auf ein Dreikantglasprisma 24, welches die rorm der Ecke eines Würfels aufweist und auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten Körper befestigt ist, dessen Bewegung im wesentlichen parallel zu der Richtung des Einfallsstrahles 21 erfolgt und gemessen werden soll. Die Einfallsfläche 25. des Dreikantprismas ist anbenähert senkrecht zu der Richtung des weitergeleiteten Strahles angeordnet. Das Dreikantprisma 2k leitet den Strahl ebenfalls unter einem senkrechten Einfallswinkel zu der

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• äußeren j? lache 9 der Schicht 6 weiter. Diese * lache wirkt als Spiegel und leitet den weitergeleiteten Strahl 23 auf seinem, von der strahlaufspaltenden fläche her zurückgelegten Weg wieder zurück. Dieser weitergeleitete Strahl 23 wird sodann an der strahlaufspaltenden ίlache 3 mit dem reflektierten Strahl 22 vereinigt, so daß sich ein Ausgangsstrahl ü6 ergibt, welcher die gleichen Interferenzeffekte wie der Ausgangstrahl eines herkömmlichen Michelson-Interferometers zeigt. Eine Versetzung des Dreikantprismas 24 in Richtung des weitergeleiteten Strahles 23 um 1/4 der Wellenlänge des Lichtes des Strahles 21 bewirkt, daß sich der Unterschied zwischen den optischen Weglängen des reflektierten Strahles 22 und des weitergeleiteten Strahles 23 um einen Betrag ändert, welcher einer Vollschwingung der Intensitätsänderungen in dem durch den Ausgangsstrahl 24 hervorgerufenen Interferenzlinienmuster entspricht. Die relativen Größenverhältnisse des Glaskörpers 1 und des Dreikantprismas 24 sind so gewählt, daß die optischen Weglängen des reflektierten Strahles 22 und des weitergeleiteten Strahles 23 im Glas jeweils gleich sind, so daß sich Änderungen der Umgebungstemperatur nicht nachteilig auf die Genauigkeit des Interferometers auswirken können, weil jegliche Veränderungen in den Größenverhältnissen des Glaskörpers und des Dreikantprismas 24 in gleicher Weise jeweils sowohl auf

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den reflektierten Strahl 22 als auch auf den weitergeleiteten Strahl 23 einwirken.

Dieses oben beschriebene, einfache Interferometer ist weder für die Messung beträchtlicher OrtsVeränderungen noch zur Verwendung zusammen mit elektronischen Zählern bei der feststellung der Bewegung bewegter Körper geeignet. Die erstgenannte Unzulänglichkeit rührt nicht von den optischen Teilen des Interferometers her, sondern erfordert lediglich, daß eine Lichtquelle, dessen Licht eine lange kohärente Wellenlänge aufweist, als Quelle für den Einfallsstrahl verwendet wird. Eine derartige Lichtquelle ist ein Laser. Die zweitgenannte Unzulänglichkeit des Interferometers beruht auf der Tatsache, daß ein einzelnes Interferenzlinienmuster keinerlei Angaben über die Richtung der Bewegung des bewegten Körpers liefert, an welchem das Dreikantprisma befestigt ist. Zur Bestimmung der Bewegung des Körpers durch automatische bzw. elektronische Verfahren ist es jedoch erforderlich, daß auch die Richtung bestimmt wird, in welcher sich der Körper bewegt.

In fig. 3 ist schematisch eine Ausfuhrungsform eines Interferometers dargestellt, mittels welchem die Richtung der Bewegung des bewegtenKörpers bestimmt

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wird, so daß ein elektronischer Zähler in der Lage ist, Interferenzlinien zu addieren, wenn sich der Körper in der einen Richtung bewegt bzw. zu subtrahieren, wenn sich der Körper in der entgegengesetzten Richtung bewegt. Das wird durch ein weiteres Interferenzlinienmuster erreicht, welches gegenüber dem erstgenannten Interferenzlinienmuster eine Phasenverschiebung von 90° aufweist; dieser Phasenunterschied ist je nach Bewegungsrichtung des Körpers voreilend oder nacheilend.

demäß der Darstellung in «ig. 3 wird als Lichtquelle ein Helium-Neon-Laser 31 in Verbindung mit Brewster-*enstern zur Erzeugung eines ebenpolarisierten Lichtstrahles 32 verwendet, welcher mittels eines Fernrohres 33 zur Einfallsfläche 2 eines Strahlaufspalters bzw. leststehenden Teiles 'eines Interferometers weitergeleitet wird. In der vorher beschriebenen Weise wird der einfallende Lichtstrahl 32 in einen reflektierten Strahl 34 und in einen weitergeleiteten Strahl 3¹I' zerlegt. Der reflektierte Strahl 3¹* wird zu der strahlaufspaltenden fläche 3 zurückgeleitet und der weitergeleitete Strahl Ik' wird über ein auf dem bewegten Körper befestigtes Dreikantprisma 2¹I normalerweise zu dem Spiegel 9 geleitet. Zwischen dem Dreikantprisma 2¹I und dem Spiegel 9 ist jedoch eine Platte mit der Dicke von 1/8 der Wellenlänge angeordnet, welche beispielsweise aus einem Glimmerplättchen besteht. Die

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Platte 35 mit der Dicke von 1/8 der Wellenlänge bewirkt, daß der weitergeleitete Strahl 34' auf seinem Rückweg zu der strahlaufspaltenden jjläche 3 kreisförmig polarisiert wird, so daß sich aus der Wiedervereinigung des reflektiertenStrahles 3¹I mit dem weitergeleiteten Strahl 34^f ein elliptisch polarisierter Ausgangsstrahl 36 ergibt. Ein Wollaston-Prisma 37, dessen optische Achse unter einem Winkel von 45° gegenüber der Polarisationsebene des Ei/ifallslichtstrahles 32 ausgerichtet ist, ist an der !•lache 12 des Strahlauf Spalters befestigt und löst das durch den Ausgangsstrahl 36 gebildete Interferenzlinienmuster in zwei Einzellinienmuster auf, welche jeweils durch die Strahlen 40 bzw. 41 erzeugt werden und welche gegenein-, ander eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen.

Die beiden in der Zeichnung nicht dargestellten Interferenzlinienmuster werden von getrennten photoelektrischen Detektoren 38 und 39 abgetastet, deren Ausgangssignale auf einen umschaltbaren,»phasenempfindlichen Zähler 42 gegeben werden. Die Winkeltrennung der Strahlen und 41 beträgt nur wenige Grad. Zur Erleichterung der Anbringung der photoelektrischen Detektoren 38 und 39 dient deshalb ein faseroptischer Lichtleiter 43, welcher den Strahl 41 zu dem photoelektrischen Detektor 39 leitet. Die Glasteile des optischen Gerätes sind auch hier derart

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dimensioniert, daß die optischen Weglängen im Glas jeweils in den feststehenden und in den beweglichen Teilen des Interferometers gleich sind.

In Pig. 4 ist ein Interferometer dargestellt, bei welchem ein weiteres Glas-Parallelepiped 44 an dem Glaskörper 1 befestigt ist und bei welchem die Schicht 8 der Fläche 6 des Glaskörpers 1, welche eine gemeinsame Fläche zwischen den beiden Parallelepipeden bildet, nur halbreflektierend ausgeführt ist, so daß ein Teil der Energie des reflektierten Strahles 22 "abgezapft" werden kann. Das Parallelepiped 44 weist entsprechend der Fläche 6 des Glaskörpers 1 eine Fläche auf, welche mittels einer auf ihr befindlichen Aluminiumschicht 47 reflektierend ist. Das Licht, welches von dem reflektierten Strahl 22 "abgezapft" wurde, wird von der Fläche 46 parallel zur Richtung des weitergeleiteten Strahles 23 reflektiert, so daß sich ein Bezugsstrahl ergibt. Dieser Bezugsstrahl wird zur gleichzeitigen Messung seitlicher Verschiebungen bzw. von Winkelbewegungen eines bewegten Körpers, an welchem das Dreikantprisma befestigt ist, um seine Längs-, Qaer- und Vertikalachse verwendet. Die Verfahren dafür sind bestens bekannt, beispielsweise wird die Ausrichtung des bewegten Körpers,

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an welchem das Dreikantprisma 24 befestigt ist, dadurch gemessen, daß der Bezugsstrahl 48 auf eine ebenfalls an dem bewegten Körper befestigte Vierquadrantenphotozelle fällt. Winkelbewegungen des" bewegten Körpers um seine Quer- und Vertikalachse können mit IiIfe von selbstkollimierenden Geräten gemessen werden. Wenn das Interferometer in Verbindung mit einem ebenpolarisierten Eingangslichtstrahl verwendet wird, was bei Verwendung fe der vorher beschriebenen elektronischen Geräte erforderlich ist, so kann eine Winkelbewegung des bewegten Körpers um seine Längsachse dadurch festgestellt werden, daß eine entsprechende Änderung der Polarisationsebene des Bezugsstrahles 48 erzeugt wird.

Wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist die Verwendung einer Lichtquelle mit langer kohärenter Wellenlänge, beispielsweise eines

Lasers, erforderlich, wenn relativ große Ortsveränderungen ι

bzw. Verschiebungen des bewegten Körpers zu messen sind.

In Pig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Interverometer dargestellt, mittels welchem Ortsveränderungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen gemessen werden können. , Im Prinzip besteht dieses Interferometer aus zwei einzelnen

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Interferometern, welche dem mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen gleichen und welche mit ihren optischen Achsen senkrecht zueinander miteinander verbunden sind.

Nach der Darstellung in Fig. 5, in welcher gegenüber den vorher beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile die jeweils gleichen Bezugsziffern tragen« weist das Interferometer ein einzelnes feststehendes Teil sowie zwei entsprechend den Richtungen« in welchen Messungen auszuführen sind» verschiebbare* Teile auf. Das einzelne feststehende Teil 51 besteht aus einem Parallelflach-G Laskörper 1, welcher dem bei den vorher beschriebenen AusfUhrungsformen verwendeten Parallelepiped gleicht, aufler dafl die Aluminiumschicht 8 auf der Fläche 6 diese nur halbreflektierend macht, und aus einem wei't^en Glaskörper 52, welcher in sämtlichen Einzelheiten dem abgewandelten Glaskörper 1 entspricht und an der Fläche des Glaskörpers 1 derart befestigt ist, daß seine entsprechenden Flächen zu denen des Glaskörpers 1 parallel liegen. Ein rechtwinkeliges Prisma 53» welches dem Prisma 10 in Fig. 1 entspricht, ist an einer der Fläche des Glaskörpers 1 entsprechenden Fläche 5^ des Glaskörpers befestigt. Die Gesamtform des feststehenden Teiles 51 entspricht damit einem Rechteckprisma. Angenähert die Hälfte einer Fläche 55 des Prismas 53, welches ein Endteil

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des feststehenden Interferometerteiles 51 bildet, ist mit einer einen Spiegel bildenden ALuminiumschicht 56 versehen. Wie bei den anderen Ausführungsformen beschrieben, projiziert die in der Zeichnung nicht dargestellte Lichtquelle den Einfallsstrahl 21 senkrecht auf die Einfallsfläche 2 des Glaskörpers 1. Das Dreikantprisma 24, welches an einem in einer der beiden Richtungen beweglichen Körper befestigt ist, lenkt den weitergeleiteten Strahl 25 unter angenähert senkrechtem Einfallswinkel auf die reflektierende Fläche 9. Der weitergeleitete Strahl 23 kehrt zu der strahlaufspaltenden Fläche J5 zurück und vereinigt sich dort mit dem reflektierten Strahl 22, welcher zuerst an der in diesem Falle halbreflektierenden Fläche 6 reflektiert und dann auf seinem ursprünglich zurückgeleiteten Weg durch die reflektierende Schicht 7 zurückgeleitet worden ist, und bildet mit diesem zusammen einen Ausgangsstrahl 2β. Angenähert die iälfte des reflektierten Strahles 22 wird jedoch in den Glaskörper 51 weitergeleitet und durch die halbreflektierende Fläche 54 des Glaskörpers 5I, welche der Fläche 6 des Glaskörpers 1 entspricht, in zwei orthogonale Strahlen 57 und 58 angenähert gleicher Intensität aufgeteilt. Der Strahl 57 fällt unter einem senkrechten Einfallswinkel auf eine Fläche 59* welche der Fläche 7 des Glaskörpers 1 entspricht. Der Strahl 58 verläßt den Strahlaufspalter bzw. das feststehende Teil 51

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in zu dem weitergeleiteten Strahl 2j5 senkrechter Richtung, d.h. in der Richtung, in welcher ebenfalls Messungen auszuführen sind. Ein dem Dreikantprisma 24 identisches Prisma 60 ist an einem weiteren beweglichen Körper befestigt, welcher sich in der zweitgenannten Richtung bewegt, jedoch in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt ist. Das Prisma 60 lenkt den Strahl 58 unter einem senkrechten Winkel auf den Spiegel 56, von welchem aus der Strahl 58 zu der halbreflektierenden Fläche 54 zurückkehrt, an welcher er sich mit dem Strahl 57 vereinigt und einen weiteren Ausgangsstrahl 6l bildet, welcher das gleiche Verhalten wie der Ausgangsstrahl 26 sowie entsprechende Interferenzlinienmuster zeigt.

Wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, muß auch bei dem Interferometer zur Messung relativ großer Verschiebungen bzw. Ortsveränderungen des bewegten Körpers eine Lichtquelle mit weitreichendem kohärentem Licht, wie beispielsweise ein Laser, verwendet werden. Außerdem werden an die Unterscheidung der Bewegungsrichtungen, in welchen sich der Körper bewegt, die gleichen Forderungen gestellt, sofern elektronische bzw. andere automatische Geräte am Ausgang des Interferometers verwendet werden. In diesem Falle ist ein Wollaston-Prisma auf der Fläche 12 des Prismas 10, wie vorher bereits beschrieben,

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und ein weiteres Wollaston-Prisraa auf einer Fläche 62 des Prismas 53 befestigt und schließlich sind Platten mit jeweils der Dicke von 1/8 der Wellenlänge jeweils an den Flächen 12 bzw. 56 der Prismen 10 bzw. 53 befestigt. Außerdem sind notwendigerweise die mit den photoelektrischen Detektoren 38 und 39 und dem Lichtleiter 42 versehenen optischen Kanäle doppelt vorhanden. Der Zähler 43 ist durch einen Zweikanal-Zähler ersetzt worden.

Die Teilreflexionseigenschaft der Schicht 8 entkoppelt bei dieser Ausführungsform wirksam die beiden Teile des Strahlaufspalters bzw. feststehenden Teiles 51· Wenn jedoch eine darüber hinausgehende Entkopplung gefordert wird, so wird eine Verzögerungsplatte mit einer optischen Dicke von 1/2 der Wellenlänge des zur Bildung des Einfallsstrahles 26 verwendeten Lichtes zwischen den Glaskörpern 1 und 51 angeordnet.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   fly Optisches Gerät mit einem Körper aus lichtdurchlässigem Material, welcher mit einer Einfallsfläche und mit einer einen Lichtstrahl aufspaltenden fläche derart versehen ist, daß aus einem senkrecht auf die Einfallsfläche fallenden Lichtstrahl ein reflektierter Strahl und ein weitergeleiteter Strahl von jeweils gleicher Intensität gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtdurchlässige Körper (1) mit einer im wesentlichen zu der strahlaufspaltenden fläche (3) parallelen, innenreflektierenden fläche (6) und mit einer weiteren im wesentlichen zu der Einfallsfläche (2) parallelen, innenreflektierenden fläche (5) versehen ist, wobei die beiden reflektierenden flächen (5 und 6) mindestens jeweils einen Teil des reflektierten Strahles auf die strahlaufspaltende fläche zurückwerfen,
2. 2. Optisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) aus lichtdurchlässigem Material ein Parallelepiped mit eingeschlossenen Winkeln von angenähert 45° bzw. 135o ist.
3. 3, Optisches Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden eingeschlossenen Winkel in

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   bezug auf den Winkelnennwert eine Winkelabweichung im Bereich von - 15 Bogensekunden bis - 45 Bogensekunden aufweist.
4. 4. Verwendung eines optischen derates nach Anspruch 1, als Interferometer, gekennzeichnet durch Einrichtungen (9, 24), mittels welcher der weitergeleitete Strahl (23) auf seinem ursprünglichen Weg zurückgeleitet und mit dem

   reflektierten Strahl (22) an der strahlaufspaltenden ΐlache (3) vereinigt wird.
5. 5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweitgenannte reflektierende fläche (5) aus einer total innenreflektierenden fläche besteht, welche von der der Einfallsfläche (2) gegenüberliegenden fläche gebildet wird, und daß weiter die Einrichtung zum Zurückleiten des weitergeleiteten Lichtstrahles auf seinem zurückgelegten

   ) Weg eine an einem beweglichen Körper befestigte Reflexionseinrichtung (24) aufweist, welche den durchgelassenen Lichtstrahl zu einer weiteren, ebenfalls an dem Körper aus lichtdurchlässigem Material gebildeten außenreflektierenden fläche (9) weiterleitet.
6. 6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (31), welche einen eben-

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   polarisierten, an der Einfallsfläche (2) einfallenden Lichtstrahl erzeugt, weiter durch eine Verzögerungseinrichtung (35), welche jeweils zwischen dem reflektierten und dem weitergeleiteten Strahl eine Phasendifferenz hervorruft und sich deshalb zwischen der Einrichtung (24) zum Zurückleiten des weitergeleiteten Strahles auf seinem zurückgelegten Weg und der Strahlaufspaltfläche (3) befindet, und endlich durch eine Analysiereinrichtung (37, 38, 39, 43), welche den reflektierten und den weitergeleiteten Strahl nach ihrer Wiedervereinigung an der Strahlaufspaltfläche analysiert.

   7, Crerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung (35) zur Erzeugung einer Phasendifferenz aus einer Platte mit einer optischen Dicke von 1/8 der Wellenlänge des Lichtstrahles besteht und daß die Analysiereinrichtung (37, 38, 39, 43) für die reflektierten und weitergeleiteten Strahlen ein aus optisch aktivem Material bestehendes Prisma (37) aufweist, welches die miteinander vereinigten reflektierten und weitergeleiteten Strahlen in zwei voneinander getrennte Teilstrahlen mit einer Phasenverschiebung von 90° gegeneinander aufteilt, daß weiter diese Analisiereinrichtung zwei fotoelektrische Detektoren (38 bzw. 39) aufweist, welche jeweils einen der Teillichtstrahlen (40 bzw. 4l) empfangen, und daß endlich diese Analisiereinrichtung einen umschaltbaren Zähler (43) aufweist, welcher die Ausgangssignale dieser beiden

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   foteelektrischen Detektoren empfängt.

   Ö. Gerät nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das optisch-aktive Prisma (37) ein Wollaston-Prisma ist, dessen optische"Achse mit der Polarisationsebene des Einfallsstrahles einen Winkel von 45° bildet und zur Richtung der miteinander vereinigten weitergeleiteten und reflektierten Strahlen parallel liegt,

   9, Gerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch

   gekennzeichnet, daß die Platte (35) mit einer Dicke von 1/8 der Wellenlänge an der außenreflektierenden Fläche (9) befestigt ist und daß an dem lichtdurchlässigen Körper (1) ein Prisma (10) und an diesem wiederum das Wollaston-Prisma (37) befestigt sind, wobei das Prisma (10) derart geformt ist, daß die miteinander vereinigten reflektierten und weitergeleiteten Strahlen unter einem senkrechten Einfallswinkel in das Wollaston-Priama eintreten·

   10, Optisches Gerät nach Anspruch 5» welches als Interferometer zur Messung in zwei verschiedenen Richtungen gleichzeitig verwendet wird, gekennzeichnet durch einen weiteren Körper (52) aus lichtdurchlässigem Material, welcher die gleiche Gestalt wie der erstgenannte lichtdurchlässige Körper (1) aufweist und mit seinen entsprechenden flächen derart parallel zu denen des erstgenannten lichtdurchlässigen Körpers liegt, daß der weitergleitete Teil des reflektierten

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   Strahles in zwei zueinander rechtwinkelige Strahlen von im wesentlichen gleicher Intensität unterteilt wird, so daß damit weitere reflektierte bzw. weitergeleitete Strahlen (57 bzw. 58) gebildet werden, weiter durch ein an dem erstgenannten lichtdurchlässigen Körper (1) befestigtes rechtwinkeliges Prisma (10), ferner durch ein an dem zweitgenannten lichtdurchlässigen Körper (52) befestigtes weiteres rechtwinkeliges Prisma (62), wobei diese Prismen (10 und 62) derart gestaltet sind, daß sie zusammen mit den beiden lichtdurchlässigen Körpern (1 und 52) ein rechteckiges Prisma bilden, fernerhin durch eine weitere an einem beweglichen Körper befestigte Strahlrückleiteinrichtung (60), welche damit in einer zu der Bewegungsrichtung des erstgenannten beweglichen Körpers senkrechten Richtung beweglich ist und den zweitgenannten weittrgeleiteten Lichtstrahl (58) unter einem senkrechten Einfallswinkel auf eine weitere außenreflektierende fläche (56) senkrecht zu der zweitgenannten Bewegungsrichtung leitet, endlich durch eine Einrichtung zur Beobachtung der erstgenannten weitergeleiteten und reflektierten Strahlen nach deren Wiedervereinigung an der strahlaufspaltenden fläche des erstgenannten lichtdurchlässigen Körpers, und schließlich durch eine Einrichtung zur Beobachtung der zweitgenannten weitergeleiteten und reflektierten Strahlen nach deren Wiedervereinigung

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   an der strahlaufspaltenden fläche des zweitgenannten lichtdurchlässigen Körpers.

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