DE3737426C2 - Interferometer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Interferometer, mit einem
Strahlteiler, der von einer planparallelen Platte gebildet
ist, wobei von den beiden parallelen Plattenflächen
wenigstens eine halbdurchlässig ist, und mit einem Paar von
Umkehrreflektoren, die jeweils auf einer Seite der
planparallelen Platte in einer bestimmten Position zu der
planparallelen Platte angeordnet sind.
Ein solches Interferometer kann in weiten Bereichen
eingesetzt werden. Es wird beispielsweise zur Untersuchung
optischer Bauteile, als Entfernungsmesser oder als
Interferenzspektrometer eingesetzt.
Im Stand der Technik ist z. B. eine Vorrichtung bekannt, die
unter Verwendung eines derartigen Interferometers arbeitet,
nämlich ein Doppelinterferenzspektrometer, wie es in Fig. 7
dargestellt ist. Wie Fig. 7 zeigt, wird der Lichtstrahl
einer Lichtquelle 1, nachdem er durch eine Blendenöffnung 2
hindurch getreten ist, mit Hilfe eines reflektierenden
Kollimatorspiegels 3 parallelisiert. Der so erzeugte
parallele Lichtstrahl wird mit Hilfe eines durchscheinenden
Films 5, der auf einem Träger 4, beispielsweise durch
Vakuumabscheidung, aufgetragen worden ist, in zwei
Lichtstrahlen 6 und 7 aufgeteilt. Der Träger 4 besitzt die
allgemeine Form einer planparallelen Platte, die ausreichend
Licht durchläßt. Im Falle eines Spektroskopes, das im
sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitet, besteht der Träger
aus Glas oder einem geschmolzenen Quarz. Im Falle eines
Spektroskops für den Infrarotbereich besteht der Träger 4
aus einem Einkristall aus KBr, CsI oder KRS-5. Im Falle
eines Spektroskops für
den fernen Infrarotbereich ist es nicht notwendig, den
Träger 4 und eine Korrekturplatte 8 zu verwenden. Es wird
dabei ein Makromolekularfilm aus Polyethyleneterephthalat
oder dergl. als durchscheinender Film 5 eingesetzt.
Die Korrekturplatte 8 entspricht im Material und in ihrer
Dicke dem Träger 4. Die Korrekturplatte 8 ist so
angeordnet, daß der durchscheinende Film 5 zwischen der
Platte 8 und dem Träger 4 zu liegen kommt. Wenn
beispielsweise der Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen an
der Stelle A bzw. B aufgeteilt wird, kommen die beiden
Lichtstrahlen, die an dem beweglichen ebenen Spiegel 9
bzw. dem stationären ebenen Spiegel 10 reflektiert
werden, miteinander im Punkt A bzw. B zur Interferenz. Wenn in
diesem Fall keine Korrekturplatte am Träger 4 verwendet
wird, gelangt der Strahl 7 nach der Strahlaufteilung
zweimal durch den Träger 4, während der Strahl 6 jedoch
nicht durch den Träger 4 hindurch tritt. Da der
Brechungsindex des Trägers 4 von der Lichtwellenlänge
abhängt, verändert sich auch der optische Abstand zwischen
dem stationären Reflexionsspiegel 10 und dem
durchscheinenden Film 5 mit der Wellenlänge. In dem Fall,
in dem es erforderlich ist, daß die beiden Lichtstrahlen
miteinander mit einer konstanten optischen
Weglängendifferenz unabhängig von der Wellenlänge
interferieren, ist es notwendig, die Korrekturplatte 8
mit gleicher Dicke und dem gleichen Material wie den
Träger 4 in den Lichtstrahl 6 einzusetzen, so daß für den
Lichtstrahl 6 ein optischer Abstand erzeugt wird, der in
ähnlicher Weise wie der des Lichtstrahls 7 von der
Wellenlänge abhängt.
Bei der Zweistrahlinterferenzspektrometrie nach Fig. 7
sollen alle Lichtstrahlen in ihrem spektralen
Wellenlängenbereich mit denselben optischen
Weglängenabständen zur Interferenz gebracht werden, und es
ist daher wesentlich, daß die Korrekturplatte 8 eingesetzt
wird.
Die Antriebsvorrichtung 11 wird eingesetzt, um den ebenen
Spiegel 9 zu bewegen. Diese Bewegung, d. h., die Differenz
in den optischen Wellenlängen zwischen den Lichtstrahlen 6
und 7, wird mit einer Laserinterferenzlängenmeßeinrichtung
12 in Laserwellenlängen erfaßt und in Realzeit dem Rechner
13 zugeführt. Wenn der bewegliche ebene Spiegel 9 und der
stationäre ebene Spiegel 10 auch nur leicht geneigt sind,
führt die Lichtstrahlreflexionsrichtung und die optische
Weglängendifferenz zu Fehlern, die die Messung stark
nachteilig beeinflussen. Aus diesem Grund verwendet die
Antriebseinrichtung 11 normalerweise Luftlager und der
stationäre Planspiegel 10 ist mit einer
Erhebungswinkeleinstellvorrichtung ausgestattet, so daß
der Erhöhungswinkel des Spiegels 10 periodisch
eingestellt wird.
Die so der Interferenz mit einem vorbestimmten optischen
Weglängenunterschied unterzogenen Lichtstrahlen werden
über einen Belichtungsspiegel 14 auf eine Probe 15
gerichtet, wobei Strahlen mit verschiedenen Wellenlängen
entsprechend der spektralen Eigenschaften der Probe 15
absorbiert werden. Das Licht, das durch die Probe 15
hindurch tritt und am Spiegel 16 reflektiert wird, wird
mittels eines Erfassungsspiegels 17 auf einen Detektor 18
gerichtet. Der Detektor 18 liefert ein elektrisches
Eingangssignal an den Rechner 13. Im Rechner 13 wird der
Detektorausgang als Funktion der optischen
Weglängendifferenz, die mit der
Laserinterferenzlängenmeßvorrichtung gemessen worden ist,
als Datenwert gespeichert. Nachdem eine Anzahl
entsprechend der vorbestimmten optischen
Weglängendifferenz entsprechender Daten abgespeichert
worden ist, werden die spektralen Eigenschaften durch
Fourier-Transformation ermittelt.
Der Träger 4 und der durchscheinende Film 5, die zusammen
mit der Korrekturplatte 8 einen Strahlteiler bilden, sind
in Fig. 8 detaillierter gezeigt. Im allgemeinen hat der
Träger 4 die Form einer Scheibe. Der Träger 4 und die
Korrekturplatte 8 sind aus durchscheinendem Material
hergestellt. Für den mittleren Infrarotbereich werden sie
im allgemeinen aus einem teuren KBr-Einzelkristall
gefertigt. Die Oberflächen des Trägers 4 und der
Korrekturplatte 8 müssen optisch poliert werden. Diese
Endbearbeitung führt jedoch zu beträchtlichen Kosten, weil
der KBr-Einzelkristall relativ weich und zerfließend ist.
Außerdem muß der Träger 4 und die Korrekturplatte 8 gleich
dick sein, wobei im Falle eines hoch auflösenden
Spektrometers die Dickenabweichungstoleranzen in der
Größenordnung von ±10 µm liegen müssen. Es ist daher
zusätzlich zu dem Oberflächenbearbeitungsschritt
(polishing) auch noch erforderlich, die Korrekturplatte
und den Träger gleich dick zu machen. Dies erhöht weiter
die Herstellungskosten. Für den sichtbaren
Wellenlängenbereich kann der Träger und die
Korrekturplatte aus geschmolzenem Quarz bestehen. In
diesem Falle sind die Materialkosten relativ gering,
jedoch muß hier aufgrund der mehr zur kurzwelligen Seite
gelegenen Wellenlängenbereiche die Politur so
durchgeführt werden, daß sie zu einer noch größeren
Ebenheit führt, wie das für den Infrarotbereich der Fall
ist. Zusätzlich darf auch hier der Unterschied zwischen
den Dicken des Trägers 4 und der Korrekturplatte 8 nur
sehr klein sein. Daher sind die Herstellungskosten eines
Strahlteilers für den sichtbaren Wellenlängenbereich im
wesentlichen gleich derjenigen eines Strahlteilers für den
Zwischeninfrarotbereich. Das heißt, der Strahlteiler 19 geht
mit einem hohen Anteil in die Gesamtherstellungskosten des
Spektrometers ein. Für diesen Strahlteiler müssen 20 bis
40% der unmittelbaren Materialkosten des Spektrometers
einschließlich des Rechners 13 aufgewendet werden.
Verglichen mit einem Gitterspektrometer weist ein
Interferenzspektrometer eine bedeutend bessere
Empfindlichkeit auf. Daher werden Interferenzspektrometer
immer mehr in der Industrie eingesetzt und sind für die
HighTech-Industrie ein wichtiges Instrument. Wie erwähnt,
ist jedoch das Interferenzspektrometer mit wesentlich
höheren Kosten, verglichen mit einem Gitterspektrometer,
verbunden. Beim Spektrometerkörper stellt der Strahlteiler
19 und der Rechner 13, der für die Fourier-Transformation
benötigt wird, einen hohen Anteil an den
Herstellungskosten. Die verfügbaren Rechner 13 wurden zwar
in zunehmendem Maße durch die Fortschritte in der
Elektronik billiger und trotzdem leistungsfähiger,
andererseits werden für die Strahlteiler 19 immer noch
Strahlteiler verwendet, wie man das schon vor einigen
Jahrzehnten getan hat. Es hat daher schon immer ein
starker Wunsch nach der Herstellung eines Strahlteilers 19
bestanden, der eine hohe Qualität aufweist, trotzdem aber
billig hergestellt werden kann.
Aus der DE 28 14 006 A1 geht ein Interferometer der eingangs
erwähnten Art hervor, welches in einem der beiden
Strahlenbündel, die durch Aufspaltung eines primären
Strahlenbündels an der Strahlteilerplatte entstehen, ein
keilförmiges Prisma, das quer zur Ausbreitungsrichtung des
Bündels verschiebbar ist, enthält. Durch Verschiebung des
Prismas wird die optische Weglänge des einen der beiden zur
Interferenz gebrachten Strahlenbündels verändert, so daß
durch Bewegen des Prismas quer zum betreffenden Lichtbündel
eine Weglängenabtastung erfolgen kann. Dieses verschiebbare
keilförmige Prisma kann die Funktion der in einem
sogenannten "Michelson-Interferometer" verwendeten
Korrekturplatte mit übernehmen, um einen optischen
Weglängenunterschied zwischen den beiden Bündeln
auszugleichen, der dadurch zustande kommt, daß das eine
Bündel der Strahlteiler zweimal, das andere Strahlenbündel
den Strahlteiler gar nicht durchquert.
In der DE 36 03 699 A1 ist ein Interferometer beschrieben,
welches einen durch eine planparallele Platte gebildeten
Strahlteiler aufweist, wobei der Strahlteiler aus einem
Halbleitermaterial besteht. Eine Oberfläche des
Strahlteilers ist halbdurchlässig und ein zu teilender
Strahl wird an dieser halbdurchlässigen Fläche zur
Aufteilung zum Teil reflektiert, während ein anderer Teil
durch den Strahlteiler hindurchtritt. Der reflektierte und
durch den Strahlteiler hindurchgetretene Strahl werden
jeweils von einem Reflektor auf den Strahlteiler
zurückgeworfen, und an der halbdurchlässigen Oberfläche zur
Interferenz zusammengeführt. Dabei durchläuft der durch den
Strahlteiler hindurchgetretene Strahl den Strahlteiler
zweimal, während der reflektierte Strahl den Strahlteiler
nicht durchläuft.
In der US 4,095,899 ist ein Interferometer beschrieben, in
welchem ein durch eine planparallele Platte gebildeter
Strahlteiler verwendet wird, wobei die planparallele Platte
auf einer Seite halbdurchlässig ist, und die
Strahlteilerplatte über die halbdurchlässige Seite mit
einer Korrekturplatte verbunden ist.
Aus der nicht vorveröffentlichten EP 0 236 137 A2 geht ein
Interferometer mit in einer bestimmten Anordnung zu einem
Strahlteiler vorgesehenen Umkehrreflektoren hervor, wobei
der Strahlteiler durch eine kreisrunde planparallele Platte
gebildet ist, welche auf diametral gegenüberliegenden
Hälften halbdurchlässige Beschichtungen aufweist und welche
auf den übrigen diametral gegenüberliegenden, nicht
beschichteten Flächen mit der planparallelen Platte optisch
verbundene Keilplatten aufweist. Ein zu untersuchender
Lichtstrahl wird durch eine Hälfte des Strahlteilers in
einen reflektierten und einen durch den Strahlteiler
hindurchgehenden Lichtstrahl aufgespaltet und die
aufgespalteten Teilstrahlen werden durch die beiden
Umkehrreflektoren auf die andere Hälfte des Strahlteilers
zurückgeworfen und an der halbdurchlässigen Oberfläche der
anderen Seite des Strahlteilers zur Interferenz
zusammengeführt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Interferometer der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei
dem eine
Korrektur mit Hilfe einer Korrektureinrichtung, wie zum
Beispiel einer Korrekturplatte oder einem Prisma, nicht
erforderlich ist, und dadurch ein Interferometer zur
Verfügung zu stellen, das bei vereinfachter Herstellbarkeit
des Strahlteilers in einem breiten Wellenzahlbereich
arbeiten kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei
einem Interferometer der eingangs genannten Art die
beiden parallelen Plattenflächen halbdurchlässig sind und
die Umkehrreflektoren derart angeordnet sind, daß die
Verbindungslinie der Punkte, in denen die jeweilige optische
Achse der Umkehrreflektoren die dem jeweiligen
Umkehrreflektor zugewandte Plattenfläche der planparallelen
Platte durchstößt, senkrecht auf den Plattenflächen der
planparallelen Platte steht und ein Lichtstrahl, der auf der
einen Plattenfläche aufgeteilt wird, auf der anderen
Plattenfläche optisch interferiert.
Durch diese erfindungsgemäße Lösung, bei der beide Flächen
des Strahlteilers als halbdurchlässige Teilerflächen
verwendet werden, erübrigt sich eine Korrektureinrichtung,
indem der Strahlteiler in diesem erfindungsgemäßen
Interferometer selbst als Korrektureinrichtung wirkt und
dafür gesorgt ist, daß die Weglängen der beiden zur
Interferenz gebrachten Bündel innerhalb der planparallelen
Platte gleich lang sind.
Bei dem
erfindungsgemäßen Interferometer wird ein einfallender
Lichtstrahl in zwei Strahlen mittels einer Fläche des
Strahlteilers aufgeteilt, und es werden die beiden
Strahlen mit Hilfe der Umkehrreflektoren reflektiert, so
daß sie miteinander auf der anderen Fläche des
Strahlteilers interferieren. Das erfindungsgemäße
Interferometer benötigt daher keine Korrekturplatte, wie
sie bei herkömmlichen Interferometern erforderlich ist. Es
entfällt außerdem die Notwendigkeit, bei dem
erfindungsgemäßen Interferometer ein so fließendes
Material wie KBr zu verwenden, das, wie erwähnt, nur
schwer oberflächenbearbeitet oder auch zur
Vakuumbeschichtung verwendet werden kann. Das
erfindungsgemäße Interferometer ist gegen
Umgebungsbedingungen unempfindlich und arbeitet stabil.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der ausführlichen
Beschreibung dieser in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
Fig. 1 ist ein teilweise als Blockdiagramm dargestelltes
Diagramm zur Erläuterung eines
Ausführungsbeispiels für eine
Interferenzspektroskopeinheit, die ein
erfindungsgemäßes Interferometer verwendet.
Fig. 2, 3 und 4
sind Erläuterungsdiagramme, die erfindungsgemäße
Interferometer zeigen.
Fig. 5A, B und C
zeigen jeweils Beispiele von
Umkehrreflektoren.
Fig. 6 zeigt - teilweise in einer Blockdarstellung -
eine Anordnung für ein Anwendungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Interferometers.
Fig. 7 zeigt ein Erläuterungsdiagramm einer
herkömmlichen Interferenzspektroskopeinheit mit
einem Interferometer.
Fig. 8 zeigt einen herkömmlichen Strahlteiler;
Fig. 9 ist eine Skizze zur Erläuterung der Funktion eines
Strahlteilers, der mit ebenen
Spiegeln kombiniert ist.
Fig. 10A, B und C
sind Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise
eines Umkehrreflektors;
Fig. 11, 12A, 12B, 13, 15A, 15B und 16
zeigen Darstellungen von
Strahlteilern und die
Fig. 14, 17A und 17B
zeigen Erläuterungsdiagramme von weiteren
Beispielen für Anordnungen eines
erfindungsgemäßen Interferometers.
Wesentlich für das volle Verständnis der Erfindung ist der
Aufbau des Umkehrreflektors, der im folgenden erläutert
wird. Ein Beispiel eines Umkehrreflektors, nämlich eines
kubischen Eckenreflektors 20, ist in Fig. 10A gezeigt.
Fig. 10A zeigt genauer gesagt eine Außenansicht des
kubischen Eckenreflektors 20, der aus drei ebenen
Spiegeln, die senkrecht zueinander stehen, aufgebaut ist.
Ein einfallender Lichtstrahl 21 wird von den drei Spiegeln
dreimal reflektiert. Der resultierende Lichtstrahl,
nämlich der reflektierende Lichtstrahl 22 ist parallel zu
dem einfallenden Lichtstrahl 21, jedoch ist seine Richtung
entgegengesetzt zu derjenigen des einfallenden
Lichtstrahls 21.
Fig. 10B zeigt die Reflexion des kubischen
Eckenreflektors zweidimensional. Der von der Stelle A
einfallende Lichtstrahl 21 wird an den Stellen B und D
reflektiert und erreicht dann als reflektierter
Lichtstrahl 22 die Stelle E. Wenn der kubische
Eckenreflektor 20 um den Punkt P auslenkt, wie das mit den
zweipunkt-gestrichelten Linien in Fig. 10B gezeigt ist,
werden die Reflektionsstellen nach B′ und D′ verschoben.
Der reflektierende Lichtstrahl 22 bleibt jedoch nach Lage
und Richtung konstant und
Dasselbe kann geometrisch auch für drei Dimensionen
nachgewiesen werden.
Fig. 10C zeigt den kubischen Eckenreflektor 20, wobei die
Spiegel jeweils unter gleichem Winkel betrachtet werden.
Der einfallende Lichtstrahl 21 ist senkrecht zur
Zeichnungsebene und wird, wie das durch die durchgezogenen
Linien angedeutet ist, reflektiert, so daß er dann zum
Lichtstrahl 22 wird. In der Fig. 10C sind die Stellen A
und E und die Stellen B und D symmetrisch bezüglich des
Scheitels P, weil der Reflektor in Richtung des
Lichtstrahls 22 (oder in Richtung des reflektierten
Lichtstrahls 22) betrachtet wird. Wenn der Reflektor um
den Scheitelpunkt P eine Schwingung ausführt, bleibt die
Länge unverändert und beträgt zweimal OP.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Interferometers. In dem Interferometer
ist ein stationärer kubischer Eckenreflektor 123 und ein
beweglicher kubischer Eckenreflektor 124 bezüglich einer
planparallelen Platte 125 aus Germanium (Ge), wie in Fig. 2
gezeigt, angeordnet. Ein einfallender Lichtstrahl 121
wird z.T. an der Vorderfläche 126 der planparallelen
Platte 125 an einer Stelle A₀ reflektiert. Der
Lichtstrahl, der durch die Vorderfläche 126 hindurch tritt,
wird teilweise an der rückwärtigen Fläche 127 der Platte
125 im Punkt B₀ reflektiert. Der restliche Teil des
Lichtstrahls tritt durch die rückwärtige Oberfläche
hindurch.
In Fig. 2 schneidet die Achse, die durch den Scheitel P₁
des stationären kubischen Eckenreflektors 123 hindurch
geht und parallel zu dem im Punkt A₀ reflektierten
Lichtstrahl 128 verläuft, die Vorderfläche 126 im Punkt
O₁. Die Achse, die durch den Scheitel P₂ des beweglichen
kubischen Eckenreflektors 124 verläuft und parallel zu dem
durch die rückwärtige Oberfläche 127 im Punkt B₀
durchtretenden Lichtstrahl 129 verläuft, schneidet die
rückwärtige Fläche 127 im Punkt O₂. Der stationäre
kubische Eckenreflektor 123 wird bezüglich des beweglichen
kubischen Eckenreflektors 124 mit einem für den Reflektor
123 vorgesehenen XY-Tisch so eingestellt, daß
senkrecht zur Vorderfläche 126 (und demgemäß zur
rückwärtigen Fläche 127) verläuft. Die Bewegungsrichtung
des beweglichen kubischen Eckenreflektors 124 ist über
eine nicht dargestellte Neigungswinkelsteuereinrichtung
einstellbar, so daß sie parallel mit dem im Punkt B₀
hindurch getretenen Lichtstrahl liegt. Bei einer
derartigen Anordnung der kubischen Eckenreflektoren 123
und 124 bezüglich der planparallelen Platte 125 fällt der
Punkt D₀, an dem das durch den stationären Eckenreflektor
123 reflektierte Licht 130 die rückwärtige Fläche 127 der
Platte 125 erreicht, mit dem Punkt zusammen, an dem der an
dem beweglichen kubischen Eckenreflektor 124 reflektierte
Lichtstrahl 131 die rückwärtige Fläche erreicht. Das wird
nachgewiesen. Aufgrund der Reflektions- und
Brechungsgesetze verlaufen drei gerade Linien in derselben
Ebene (die im folgenden als "eine Ebene S₁") bezeichnet
wird. Diese Linien entsprechen dem reflektierten
Lichtstrahl 128, dem gebrochenen Lichtstrahl A₀, B₀ und
der Senkrechten 132 zu der Vorderfläche 126 im Punkt A₀.
In ähnlicher Weise liegt der Lichtstrahl 130, der
gebrochene Lichtstrahl C₀, D₀ und die Senkrechte 133 auf
die Vorderfläche 126 in der Stelle C₀ in ein und der
selben Ebene, die im folgenden als Ebene S₂ bezeichnet
wird. Da die Lichtstrahlen 128 und 130 parallel zueinander
sind und auch die Senkrechten 132 und 133 parallel
zueinander sind, sind auch die Ebene S₁ und S₂ parallel
zueinander. Wenn man daher die Schnittpunkte der
Senkrechten 132 und der rückwärtigen Fläche 127 bzw. der
Senkrechten 133 und der rückwärtigen Fläche 127 mit A′₀
bzw. C′₀ bezeichnet, wird A′₀B₀ die Schnittlinie der Ebene
S₁ und der rückwärtigen Fläche 127, während C′₀D₀ die
Schnittlinie der Ebene S₂ mit der rückwärtigen Fläche 127
bildet. Daher ist A′₀B₀ parallel zu C′₀D₀ und beide haben,
da dieselben Brechungswinkel vorliegen, dieselbe Länge.
Andererseits liegen aufgrund der Eigenschaften des stationären
kubischen Eckenreflektors 123 die Punkte A₀ und C₀
symmetrisch zum Punkt O₁ und es wird die Strecke O₁O₂
senkrecht zur Vorderfläche 126 (und entsprechend zur
rückwärtigen Fläche 127) eingestellt. Daher liegen die
Punkte A′₀ und C′₀ symmetrisch zum Punkt O₂ und ebenso
sind die Punkte B₀ und D₀ symmetrisch zum Punkt O₂. Der
Punkt, an dem der reflektierte Lichtstrahl 131 die
rückwärtige Fläche erreicht, ist bezüglich des Punktes O₂
symmetrisch zum Punkt B₀ und fällt daher mit dem Punkt D₀
zusammen, so daß die Lichtstrahlen 131 und 130 miteinander
interferieren. Der an der rückwärtigen Fläche im Punkt B₀
reflektierte Lichtstrahl wird in durchtretende
Lichtstrahlen und reflektierte Lichtstrahlen an den
Stellen A₁, B₁, A₂, B₂ usw. aufgeteilt. Diese
Lichtstrahlen interferieren miteinander an den Stellen C₁,
D₁, C₂, D₂ usw. Die Lichtstrahlen, die miteinander an der
Vorderseite 126 in den Stellen C₁, C₂ usw. interferieren,
werden auf die Lichteinfallseite zurückgerichtet, während
die Lichtstrahlen, die miteinander auf der rückwärtigen
Seite 127 an den Stellen D₀, D₁, D₂ usw. interferieren,
Ausgänge des Interferometers darstellen. Es sei
angenommen, daß die einfallende Lichtmenge 1 ist und daß
die Amplitude der austretenden Lichtstrahlen, die durch
optische Interferenz an den Stellen D₀, D₁, D₂ usw.
entstehen, E₀, E₁, E₂ usw. betragen sollen. Z. B. umfaßt E₂
Lichtstrahlen, die verschiedene Wege gegangen sind, wie
z. B. einen Lichtstrahl A₀C₀D₀C₁D₁C₂D₂ und einen
Lichtstrahl A₀B₀A₁C₁D₁C₂D₂ und einen Lichtstrahl
A₀B₀A₁B₁D₁C₂D₂. Diese Lichtstrahlen interferieren
miteinander. Es sei angenommen, daß Amplitudenreflexion
und die Amplitudendurchlässigkeit der ebenen Platte 125
und von Luft durch r₁ bzw. t wiedergegeben werden. Es ist
weiterhin angenommen, daß die optische Länge
(Brechungsindex×Länge) von A₀B₀ bezüglich eines
Lichtstrahls, der eine Wellenlänge λ hat, l (λ)
beträgt. Unter diesen Umständen ermittelt sich die
Amplitude des Lichtstrahls A₀C₀D₀C₁D₁C₂D₂ und die
Phasendifferenz an der Stelle A₀ wie folgt:
Amplitude = (-r)t rrrrt = r⁵t² (1)
Das negative Vorzeichen (-) von (-r) in Gleichung (1)
bedeutet, daß, wenn der Lichtstrahl von Luft in die
planparallele Platte 125 eintritt, an der Stelle A₀
reflektiert wird, und dann ein Phasensprung
stattfindet. Die Amplituden- und die
Phasendifferenzgleichungen können wie folgt kombiniert
werden.
Die Amplituden- und Phasendifferenzen von E₀, E₁ und E₂ . . .
und En ergeben sich wie folgt.
Mit einem Energiereflexionsgrad R = r² und einem
Energiedurchlässigkeitsgrad T = t² errechnet sich die
Energie J = F² wie folgt:
Aus obigem ergibt sich, daß alle J₀ bis Jn Lichtstrahlen
darstellen, die mit der optischen Weglängendifferenz
unabhängig von l (λ) sind.
Das liegt daran, daß jeder der den Punkt Dn erreichenden
Lichtstrahlen durch die planparallele Platte 125 gleich oft
(2n + 1) hindurch tritt. Daher ist es nicht notwendig,
eine Korrekturplatte 8, die in Material und Stärke dem
Träger 4 gleicht, an dem durchscheinenden Film 5, der auf
dem Träger 4 aufgebracht ist, anzuordnen, wie das bei dem
herkömmlichen Interferometer nach Fig. 7 noch
geschehen mußte. Das bedeutet, daß das Interferometer
durch Anordnung der planparallelen Platte 125 und von
Umkehrreflektoren, wie z. B. den kubischen Eckenreflektoren
123 und 124, wie in Fig. 2 gezeigt, gebildet wird. Bei
diesem so gebildeten Interferometer sind die Lichtstrahlen
phasenkorrigiert und interferieren miteinander mit einem
vorbestimmten optischen Weglängenunterschied.
Ein Interferometer, das nicht erfindungsgemäß ist
und das ohne die Verwendung von
Umkehrreflektoren gebildet ist, d. h. ein Interferometer,
das mit ebenen Spiegeln 9 und 10 anstelle von
Umkehrreflektoren und
mit einer planparallelen Platte 25 arbeitet, wird nun als
Vergleichsbeispiel in bezug auf Fig. 9 erläutert. In
Fig. 9 umfaßt das Ausgangssignal E₀ beispielsweise einen
Lichtstrahl A₀C₀A₀B₀, einen Lichtstrahl A₀B₁D₁B₁A₀B₀,
einen Lichtstrahl A₀B₁A₁C₁A₁B₁A₀B₀ usw. Diese
Lichtstrahlen unterscheiden sich in ihrer Phase
voneinander. Als Beispiel kann der Ausgang E₀ wie folgt
berechnet werden, wobei in der folgenden Rechnung ψ
für den Brechungswinkel des gebrochenen Lichtstrahls A₀B₀
steht.
Daher interferieren in diesem Beispiel eine Anzahl von
Lichtstrahlen miteinander, die verschiedene Phasen haben.
Der Ausgang E₀ kann durch den intensitätsstärksten der an
dem stationären reflektierenden Spiegel 10 und dem
beweglichen reflektierenden Spiegel 9 reflektierten
Lichtstrahlen wie folgt angenähert werden:
Die Energie S₀ ergibt sich dann wie folgt:
Dies zeigt die Interferenz einer optischen
Weglängendifferenz von 2B₁D₁ - 2A₀C₀ + 2l (λ) + λ/2,
was bedeutet, daß l (λ) noch in der optischen
Weglängendifferenz verbleibt. Daher wird selbst unter der
Näherungsannahme, die in Gleichung (12) gemacht worden
ist, keine Phasenkorrektur durchgeführt. Diese obige
Erläuterung kann gleichermaßen auch auf die übrigen
Ausgänge E₁, E₂ usw. angewendet werden. Folglich ist es
unmöglich, ein Interferometer mit ebenen Spiegeln 9 und 10
und einer planparallelen Platte 25 zu bilden. Es ist
vielmehr notwendig, Umkehrreflektoren 23 und 24 anstelle
von ebenen Spiegeln 9 und 10 einzusetzen, wie das beim
Interferometer nach Fig. 1 gezeigt ist. In Fig. 2 ist
der einfallende Lichtstrahl durch die Linie 121 angedeutet.
Andererseits werden bei einem herkömmlichen
Zweistrahlinterferenzspektrometer, wie es in Fig. 7
gezeigt ist, parallele, durch reflektierende
Kollimationsspiegel 3 erzeugte Lichtstrahlen als
einfallende Lichtstrahlen verwendet. Im Falle eines
einzelnen einfallenden Lichtstrahls 121 werden die
Ausgänge E₀, E₁, E₂ usw. unabhängig voneinander und
verursachen keine gegenseitige Interferenz. Wenn jedoch
parallele Lichtstrahlen als einfallende Lichtstrahlen
verwendet werden, muß die gegenseitige Interferenz der
Ausgänge mit betrachtet werden. Der Fall, in dem das
erfindungsgemäße Interferometer mit parallelen Strahlen
als einfallende Lichtstrahlen arbeitet, ist in Fig. 3
gezeigt. Wie Fig. 3 zeigt, wird die Wellenfläche W eines
einfallenden Lichtstrahls 121 geteilt und mittels der
planparallelen Platte 125, dem stationären kubischen
Eckenreflektor 123 und dem beweglichen kubischen
Eckenreflektor 124 zur Interferenz gebracht, so daß
Wellenflächen W₀, W₁, W₂ usw. entstehen, die die
austretenden Lichtstrahlen des Interferometers bilden.
Wenn die gegenseitige Interferenz der Fronten W₀, W₁, W₂
usw. nicht in Betracht gezogen wird, können die
Intensitäten der Lichtstrahlen durch E₀, E₁, E₂ usw. gemäß
den Gleichungen (3) bis (7) und einer Einfallsenergie
gemäß (1) wiedergegeben werden. Die Wellenflächen W₀, W₁,
W₂ usw. erscheinen in Intervallen von a in senkrechter
Richtung zur Ausbreitungsrichtung des Lichts. Das
Intervall a ist:
a = 2 d tan ψ cos R (14)
wobei d für die Dicke der planparallelen Platte, R für
den Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls 121 und
ψ für den Brechungswinkel steht.
Wenn die Wellenfronten in einer Richtung senkrecht zur
Fortschreitungsrichtung des Lichts, wie oben erwähnt, sich
verschieben, hängt das Ausmaß der Interferenz stark von
der Art des Lichtes und des Oberflächenzustandes des
reflektierenden Sammelspiegels 3 ab.
Wenn der einfallende Lichtstrahl ein Laserstrahl ist, kann
die Wellenfront W₀ im wesentlichen über ihre gesamte
Oberfläche Interferenzen verursachen. Das heißt, Interferenzen
treten auf, wann immer die Wellenfronten W₀ und W₁ sich
einander überlappen. Im Falle einer gewöhnlichen
Lichtquelle ist die seitliche Kohärenz gering. Wenn die
Strahlkollimation mit einem polierten konkaven Spiegel
durchgeführt wird, ist die Kohärenz für mittlere
Infrarotstrahlen ausreichend beseitigt.
In jüngster Zeit wurde es möglich, einen
nichtsphärischen Spiegel
durch Bearbeitung eines Aluminiummaterials herzustellen.
Mit einem so erzeugten Spiegel läßt sich die Kohärenz
ausreichend beseitigen. Die seitliche Kohärenz kann durch
Verwendung eines reflektierenden Sammelspiegels 3 mit
einer geeigneten Oberflächenrauhigkeit oder durch Steigern
der Dicke der planparallelen Platte 125 oder durch
Vergrößern des Einfallswinkels R des einfallenden
Lichtstrahls 121 begrenzt werden. Aus obiger Beschreibung
ergibt sich, daß die Ausgänge E₀, E₁, E₂ usw. als
unabhängige Lichtstrahlen behandelt werden können. Daher
führt das erfindungsgemäße Interferometer zu einer
Interferenz von parallelen Lichtstrahlen, die von einer
gewöhnlichen Lichtquelle (keine Laserquelle) kommen, wobei
die vorbestimmte optische Weglängendifferenz
Es soll nun der Fall betrachtet werden, in dem die
Amplituden der Interferenzsignale durch die Gleichungen
(8) und (9) wiedergegeben werden und in dem die
planparallele Platte 125 aus Germanium (Ge) besteht.
Germanium hat einen Energieübertragungsgrad in der
Größenordnung von 0,3 (T = 0,3) für einen rötlichen
Lichtstrahl mit 20 µm Wellenlänge. Wenn der
Energiereflexionsgrad R auf 0,7 (R = 0,7) unter
Vernachlässigung der Absorption angenommen wird, ergibt
sich
J = J₀ + J₀+ (15)
Für R = 0,7 und T = 0,3 in der Gleichung (18) ergibt sich
als resultierende Interferenzstärke 0,30. Das bedeutet
71% der maximalen Effizienz (2RT) 0,42 für die Werte R =
0,7 und T = 0,3. Die Wellenflächen W₁, W₂ usw. sind
aufgrund der Verschiebung a verdeckt. Für den ersten Term
(Wellenfläche W₀) der Gleichung (18) ist jedoch die
Interferenzstärke 0,13 und wenigstens 60% der maximalen
Effizienz sind sichergestellt. Für Infrarotstrahlung im
Wellenlängenbereich von 2 µm bis 10 µm ist Germanium im
wesentlichen ideal, weil T in der Größenordnung von 0,5
liegt. Wenn R = 0,5 ist, wird 2RT² = 0,25, was in
ausreichendem Maße an die maximale Effizienz herankommt.
In der Praxis ist die Amplitude eines Interferenzsignals
unterschiedlich zu dem, was die obige Gleichung ergibt.
Mit anderen Worten, wird im Falle einer herkömmlichen
Lichtquelle aufgrund des Anwachsens der optischen
Wellenlängendifferenz
die Anzahl kohärenter Strahlung vermindert und
entsprechend wird auch der Ausgang des Interferometers
geringer. Dies gilt in genau gleicher Weise auch für die
Interferometer nach dem Stand der Technik. Daher ist die
Stärke des Interferenzsignals genauso akzeptabel wie beim
Stand der Technik. Ein Ausführungsbeispiel für die
Anwendung eines erfindungsgemäßen Interferometers für die
Zweistrahlinterferenzspektrometrie nach Fig. 7 ist in
Fig. 1 gezeigt. Der Unterschied zwischen Fig. 7 und
Fig. 1 ergibt sich aus dem direkten Vergleich dieser
Figuren.
Beim Zweistrahlinterferenzspektrometer nach der Fig. 1
ist es nicht notwendig, die Korrekturplatte zu verwenden.
Dies führt sowohl zur Verminderung der Materialkosten als
auch zur Verminderung der Oberflächenbearbeitungskosten
des Strahlteilers 19. Weiterhin ist bei dem herkömmlichen
hochauflösenden Interferometer die Dickentoleranz des
Trägers 4 und der Korrekturplatte 8 beträchtlich hoch und
liegt in der Größenordnung von ±10 µm. Demgegenüber
entfällt bei der Erfindung das Angleichen der Dicken des
Trägers 4 und der Korrekturplatte. Die Herstellung
einschließlich das wiederholte Oberflächenpolieren und der
Meßbetrieb benötigt eine beträchtlich lange Zeit. Auch
unter diesem Aspekt bietet das
Interferometer nach der Erfindung
große Vorteile. Beim herkömmlichen Spektrometer nach Fig. 7
ist außerdem beim Zusammenbau des Trägers 4 und der
Korrekturplatte 8 die Anordnung eines Distanzstückes
dazwischen in einem Halter erforderlich. Beim Zusammenbau
bildet sich eine Luftschicht zwischen dem Träger 4 und der
Platte 8. Es kann daher passieren, daß eine
Vielstrahlinterferenz zwischen dem Träger 4 und der Platte
8 auftritt und daß Lichtstrahlen einer bestimmten
Wellenlänge oft absorbiert werden. Diese Schwierigkeit
ließe sich durch ein leichtes gegenseitiges Neigen des
Trägers 4 und der Platte 8 beseitigen. Demgegenüber ist
bei dem erfindungsgemäßen Interferometer der unbeschriebene
Zusammenbau und die damit verbundene Arbeit nicht
erforderlich. Es wird lediglich die planparallele Platte
in einen Halter gesteckt. Es tritt daher keine
Vielstrahlinterferenz auf. Dies reduziert weiter die
Herstellungskosten. Beim Spektrometer nach Fig. 1 ist es
auch nicht notwendig, einen durchscheinenden Film 5 zu
erzeugen. Im allgemeinen wird der Film 5 durch
Vakuumdampfabscheidung unter Heizen des Substrates 4
geschaffen. Wenn beispielsweise ein Germaniumfilm aus dem
Vakuum auf einen KBr-Träger 4 abgeschieden wird, hängt die
Qualität und die Dicke des erzeugten Films von der
Temperatur des Trägers 4 ab. Wenn die Temperatur jedoch
einen bestimmten Wert übersteigt, wird die polierte
KBr-Trägerfläche durch Rauhigkeiten zerstört. Die
Steuerung ist entsprechend schwierig. Beim Interferometer
nach der Erfindung fällt diese Arbeit weg, so daß die
Herstellungskosten des Strahlteilers 19 weiter verringert
werden können. Jedoch senkt die Beseitigung des
durchscheinenden Films nicht nur die Herstellungskosten,
sondern verbessert gleichzeitig die Wirkungsweise. Bei dem
herkömmlichen Strahlteiler, der beispielsweise mit einem
durchscheinenden Germaniumfilm auf dem KBr-Träger durch
Vakuumabscheidung aufgetragen worden ist, wird die
Interferenz des Germaniumfilms verwendet, so daß auch der
Wellenlängenbereich, in dem Lichtstrahlen aufgeteilt
werden können, durch den Germaniumfilm begrenzt ist. Z. B.
kann der KBr-Träger Lichtstrahlen im Bereich von 400 cm-1
(Infrarotlicht) bis 30000 cm-1 (sichtbares Licht)
übertragen. Wenn jedoch der Strahlteiler aus einem
Germaniumfilm besteht, können nur noch Lichtstrahlen in
der Größenordnung von 400 cm-1 bis nicht mehr als 5000 cm-1
übertragen werden. Bei der Erfindung kann jedoch der
Lichtdurchlässigkeitsbereich von KBr voll ausgenützt
werden. Weil aber in diesem Falle der Brechungsindex von
KBr in der Größenordnung von 1,5 bis 1,7 in diesem Bereich
liegt und weil die Reflektivität R bei einem senkrecht
einfallenden Lichtstrahl nur wenige Prozent beträgt, ist
es erforderlich, den Neigungswinkel zu vergrößern, um
dadurch auch die Reflektivität zu erhöhen. In jedem Fall
läßt sich ein Strahlteiler schaffen,
der in einem Bereich von 400 cm-1 bis 30 000 cm-1 arbeiten
kann. Das Material für den Strahlteiler ist nicht nur auf
KBr begrenzt. Es können z. B. auch KRS-5 oder KRS-6 mit
hohem Brechungsindex eingesetzt werden. In diesem Fall
kann der Neigungswinkel herabgesetzt werden.
In dem obigen Ausführungsbeispiel besteht die
planparallele Platte aus Germanium oder KRS-5. Jedoch ist
die Erfindung auch hier nicht auf diese Materialien
beschränkt. Es kann beispielsweise auch ein
Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium oder Galliumarsenit
oder ein dielektrisches Material, wie Zinkselen (ZnSe)
verwendet werden.
Wenn es nicht möglich ist, den Einfallswinkel zu steigern,
können auf beiden Seiten der planparallelen Platte 125
durch Vakuumabscheidung, wie in Fig. 4 gezeigt, Filme 134
und 135 erzeugt werden. In diesem Falle geht natürlich
wieder der oben erwähnte Vorteil, der durch die
Nichtverwendung eines Films gegenüber dem Stand der
Technik begründet war, verloren. Trotzdem bleibt der
Vorteil, daß keine Korrekturplatte benötigt wird. Wenn die
planparallele Platte 125 mit dem Träger 4 des in Fig. 7
gezeigten Strahlteilers verglichen wird, sieht man, daß
die Herstellungskosten für die planparallele Platte
insofern höher sind, als für den Träger 4, weil die
Platte, die Filme auf beiden Seiten trägt, während der
Träger 4 den aus dem Vakuum abgeschiedenen Film nur auf
einer Fläche trägt. Wenn jedoch eine geeignete Anordnung
gewählt wird, ist es ohne weiteres möglich, beide
Oberflächen der Platte im Vakuum zu beschichten, wobei die
Vakuumbedingungen in der Vakuumabscheidekammer gleich
gehalten werden können, so daß tatsächlich keine
nennenswert höheren Herstellungskosten anfallen.
Fig. 16 zeigt ein weiteres Beispiel für den Strahlteiler.
In diesem Ausführungsbeispiel sind,
ähnlich wie bei der planparallelen Platte nach Fig. 4,
durchscheinende Filme auf beiden Flächen des Trägers 204
erzeugt. Es ist jedoch zu bemerken, daß jede Oberfläche
nicht ganz mit der Schicht bedeckt ist. Genauer gesagt,
zeigt Fig. 16 das von der Vorderfläche 224 des Trägers
204,
der eine planparallele Platte aus durchsichtigem Material
darstellt, die obere Hälfte durch einen durchscheinenden
Film 225 und an der Rückseite 226 des Trägers 204 die
untere Hälfte mit einem weiteren durchscheinenden Film 227
bedeckt ist.
Fig. 17 zeigt ein optisches Wegdiagramm, bei dem der
Strahlteiler 219, wie er in Fig. 16 gezeigt ist, mit den
Umkehrreflektoren 209 und 210 kombiniert ist. Genauer gesagt,
trifft in Fig. 17A ein einfallender Lichtstrahl AB auf
den auf der oberen Hälfte der Vorderfläche 224 des
Strahlteilers 219 aufgebrachten durchscheinenden Film 225
auf. In Fig. 17B trifft ein einfallender Lichtstrahl AB
auf den durchscheinenden Film 227, der auf der unteren
Hälfte der rückwärtigen Fläche 226 des Strahlteilers 219
gebildet ist, auf. In Fig. 17A wird der einfallende
Lichtstrahl AB durch den durchscheinenden Film 225 des
Strahlteilers 219 in zwei Lichtstrahlen und
aufgeteilt, wie das ähnlich auch in Fig. 2
der Fall ist, so daß die Punkte F und F′, die miteinander
zusammenfallen, eine optische Interferenz hervorrufen. Die
Lichtstrahlen verzweigen an der Stelle B, wobei jeder
einmal durch den Träger 204 hindurchtritt, so daß eine
Phasenkorrektur stattfindet. Diese Beschreibung gilt in
gleichem Maße auch für den Fall der Fig. 17B.
Beim Strahlteiler 219 wird der Lichtstrahl, anders als bei
dem Strahlteiler nach Fig. 2, nicht mehrmals unterteilt.
Der Strahlteiler 219 kann daher bei einem Lichtstrahl mit
z. B. einem Laserstrahl mit hoher Kohärenz, verwendet
werden. In ähnlicher Weise wie beim Interferometer nach
Fig. 7, ist beim Interferometer mit dem Strahlteiler, wie
er in Fig. 16 gezeigt ist, die Vakuumabscheidung des
durchscheinenden Films auf den Träger erforderlich. Jedoch
hat das Interferometer nach der Erfindung immer noch die
oben erwähnten Vorteile und Eigenschaften.
Fig. 11 zeigt ein weiteres
Ausführungsbeispiel eines Strahlteilers, wobei zwei Arten von durchscheinenden
Schichten, nämlich ein durchscheinender Film 136 für
Infrarotstrahlung (im folgenden als "Infrarotfilm 136"
bezeichnet) und ein durchscheinender Film 137 für
sichtbare Strahlung (im folgenden als "für sichtbares
Licht durchlässiger Film 137" bezeichnet) auf den Träger
eines Strahlteilers 119 erzeugt werden. Der Strahlteiler
119 wird bei einem Laserstrahl eingesetzt, der von einem
Laserinterferenzlängenmeßgerät 12 in Fig. 1 oder Fig. 7
ausgesandt wird. Bei einem herkömmlichen Verfahren zur
Erzeugung von durchscheinenden Filmen wird die Anordnung
des für die sichtbare Strahlung gedachten durchscheinenden
Films auf einen Bereich A in Fig. 12 begrenzt. Dagegen
wird eine klare
Trennung des Infratrotfilmes und des sichtbaren Lichtfilmes
durchgeführt, d. h., wenn diese Herstellung auf dem Träger
vorgenommen wird, sind die Maskenbereiche klar voneinander
getrennt, wie sich das aus Fig. 11 ergibt. Dadurch werden
verschiedene Schwierigkeiten, wie sie bei herkömmlichen
Verfahren aufgrund der Grenzbereiche zwischen den zwei
verschiedenen Arten von durchscheinenden Filmen auftreten
können, vermieden. Die beiden Arten von Filmschichten
werden auf beiden Flächen des Trägers so erzeugt, daß sie
auf der einen Oberfläche symmetrisch zu denen auf der
anderen Oberfläche liegen. Der so erzeugte Strahlteiler
119 kann zur gleichzeitigen Messung von Strahlen im
Infrarotbereich und im sichtbaren Bereich eingesetzt
werden. Fig. 12A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Strahlteilers. Der Strahlteiler
nach Fig. 12A unterscheidet sich vom Strahlteiler nach
der Fig. 16 dadurch, daß in beiden Oberflächen des
Strahlteilers ein kurzer Abstand d zwischen der Sehne
eines halbkreisförmigen durchscheinenden Films 134 (oder
135) und dem Strahlteilerdurchmesser parallel mit der
Sehne belassen ist. Die Fig. 12B zeigt eine Abwandlung
des in Fig. 4 dargestellten Strahlteilers. Wie oben
bereits erwähnt wurde, ist im Interferometer nach der
Fig. 1 oder nach der Fig. 7 die Öffnung 2 in ihrer Größe
begrenzt, so daß der an das Interferometer gelangende
Lichtstrahl nicht vollständig parallel ist. Mit anderen
Worten, umfaßt der Lichtstrahl leicht divergende
Komponenten, wobei der Divergenzwinkel nicht mehr als 3°
beträgt. Ein solcher geneigter Strahl, wie er in Fig. 12B
gezeigt ist, wird im Punkt B und wiederum im Punkt C
geteilt. Wenn die durchscheinenden Filme ideales Verhalten
zeigen, beträgt die Intensität des Lichtstrahls CD
ein viertel (1/4) derjenigen des Lichtstrahls AB, während
die Intensität des Lichtstrahls C′D′ ein viertel (1/4)
derjenigen des Lichtstrahls AB beträgt. Die Intensität des
Lichtstrahls BC′ ist die Hälfte derjenigen des
Lichtstrahls AB. Das führt zu der Schwierigkeit, daß der
Lichtstrahl CD, der ursprünglich für die optische
Interferenz verwendet werden soll, in seiner Intensität
geschwächt wird und daß die Lichtstrahlen CD′ und CD
miteinander interferieren. Die Abnahme der Intensität, die
nur einen Teil der Intensität des gesamten einfallenden
Lichtstrahls betrifft, führt im allgemeinen nicht zu
Schwierigkeiten in der Funktion. Wenn jedoch ein
Lichtstrahl im wesentlichen auf die Mitte des
Strahlteilers mit relativ hoher Intensität gerichtet wird,
dann erscheint dieser Lichtstrahlteil als
Streulichtstrahl. Diese Schwierigkeit läßt sich mit dem
Strahlteiler nach Fig. 12A beseitigen. Wenn z. B. der
Brechungsindex des Trägers 104 1,5 beträgt und die Dicke
6 mm und wenn der Neigungswinkel des einfallenden
Lichtstrahls bezüglich der parallelen Lichtstrahlrichtung
maximal 3° beträgt, dann gilt aufgrund des
Brechungsgesetzes
Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Strahlteilers, bei dem die
durchscheinenden Filme senkrecht angeordnet sind. Fig. 14
zeigt ein Interferometer, das den Strahlteiler 119 der
Fig. 13 verwendet. In dem Strahlteiler 119 ist ein Spalt
zwischen dem durchscheinenden Film 134 auf der
Vorderfläche des Trägers und dem durchscheinenden Film 135
auf der Rückseite des Trägers vorgesehen, so daß ein
Lichtstrahl, der an der Stelle B aufgeteilt wird, im Punkt
F optisch interferiert, wobei ein Lichtstrahl, der an der
Stelle F aufgeteilt wird, an der Stelle B interferiert,
was zu dem Ergebnis führt, daß der austretende Lichtstrahl
um CG verschoben ist. Andererseits wird in Fig. 7 der
Beleuchtungspiegel 14 und der Konvergenzspiegel 16 zur
Messung einer Probe 15, die durchlässig ist, eingesetzt.
Diese Spiegel sind abnehmbar so befestigt, daß sie durch
andere optische Einrichtungen, beispielsweise solche, mit
denen man reflektierende Proben oder lichtstreuendes
Pulver untersuchen kann, ausgetauscht werden können. Beim
Austausch ist es erforderlich, die optischen Achsen der
optischen Vorrichtungen zu justieren. Im Interferometer
der Fig. 14 wird die Verschiebung CG dazu verwendet, so
daß ein optischer Achsenjustierlaserstrahl 138
mittels des reflektierenden Spiegels 139 austreten kann.
In den Fig. 15A und 15B ist ein weiteres
Ausführungsbeispiel eines Strahlteilers
gezeigt. In der Fig. 15A ist der Strahlteiler in mehrere
Teile unterteilt. In der Fig. 15B ist die optische Achse
verschoben.
In den oben genannten Ausführungsbeispielen werden
kubische Eckenreflektoren 23 und 24 als Umkehrreflektoren,
wie in Fig. 2 gezeigt, verwendet. Es versteht sich jedoch
von selbst, daß auch andere Typen von Umkehrreflektoren
eingesetzt werden können. Beispielsweise kann ein
kubisches Eckenprisma, wie in Fig. 5A, eingesetzt
werden, ein Umkehrreflektor, den man
"Katzenaugenreflektor" nennt und wie er in Fig. 5B
gezeigt ist, eine Spiegelvorrichtung, die aus zwei ebenen
Spiegeln, wie in Fig. 5C gezeigt, angeordnet ist oder
auch ein Dreieckprisma mit zwei senkrecht
zueinanderstehenden Flächen eingesetzt werden. Das
kubische Eckenprisma stellt einen kubischen Eckenreflektor
in der Form eines Prismas dar und wird bei
Abstandsmessungen unter Verwendung von Lasern häufig
eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Interferometer hat noch viele andere
Anwendungsbereiche. Fig. 6 zeigt z. B. eine
Entfernungsmeßvorrichtung, die ein erfindungsgemäßes
Interferometer verwendet.
In Fig. 6 wird ein XY-Tisch 36 in Richtung der Pfeile
mittels eines Antriebsmotors, der nicht gezeigt ist,
bewegt. Auf dem XY-Tisch 36 ist ein
X-Koordinatenumkehrreflektor 37 und
Y-Koordinatenumkehrreflektor 38 der Art, wie sie in Fig. 10C
gezeigt sind, befestigt. Der Strahlteiler 41 teilt
einen von einer Laserquelle 39 ausgehenden Laserstrahl 40
in zwei Strahlen auf. Ein Strahl wird zur Messung der
X-Koordinaten und der andere zur Messung der Y-Koordinaten
eingesetzt. Die Messung der X-Koordinaten entspricht der
Messung der Y-Koordinaten. Es genügt daher, nur eine
dieser Messungen zu beschreiben. Dies geschieht dann an
den X-Koordinaten. Der zur Messung der X-Koordinaten
eingesetzte Laserstrahl wird vom Strahlteiler 42
an der Stelle A in zwei Strahlen aufgeteilt.
Einer der beiden Strahlen wird am
X-Koordinatenumkehrreflektor reflektiert, während der
andere am Umkehrreflektor 43 reflektiert wird, so daß im
Punkt B auf dem Strahlteiler 42 eine optische Interferenz
stattfindet. Nach der optischen Interferenz wird der am
Strahlteiler reflektierte Strahl vom Längenmeßdetektor 44
erfaßt, während der durch den Strahlteiler
hindurchtretende Strahl vom Richtungsdetektor 45 erfaßt
wird. Der Laserstrahl 40, der linear polarisiertes Licht
darstellt, hat P- und S-Komponenten bezüglich des
durchscheinenden Films auf dem Strahlteiler 42.
Die P-Komponente wird um 1/4 Wellenlänge mit einem
λ/4 Plättchen 46 verzögert und mit Hilfe der
Polarisierungsplatte 47 im Richtungsdetektor 45 erfaßt.
Die S-Komponente interferiert ohne Phasenverschiebung und
wird vom Detektor 44 mit Hilfe der Polarisationsplatte 48
erfaßt. Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß die
Ausgänge der Detektoren 44 und 45 um etwa λ/4 voneinander
phasenverschoben sind, wobei die Richtung mit demselben
Prinzip wie in einem Drehkodierer erfaßt wird. Bei diesem
Betrieb ist es wesentlich, daß der Strahlteiler 42 und der
Bezugsumkehrreflektor 43 stationär gehalten werden. Wenn
bei der Messung der Strahlteiler 42 und der
Bezugsumkehrreflektor 43 bewegt werden, würde man
Ausgangssignale erhalten, wie wenn der XY-Tisch
entsprechend bewegt worden wäre. Das bedeutet, daß die
Messung dann einen Fehler enthalten würde. Da ein
Laserstrahl monochromatisch ist, entstehen keine Probleme
aufgrund von chromatischen Dispersionen des Materials des
Strahlteilers. Wenn anstelle des Strahlteilers 42 ein
herkömmlicher Strahlteiler ohne Korrekturplatte 8
eingesetzt wird, verändert sich die optische
Weglängendifferenz auf der einen Seite aufgrund der
Wärmeausdehnung des Materials. In diesem Falle ist es
daher erforderlich, den Strahlteiler unter Verwendung
eines teuren Materials, das einen kleinen
Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, zu verwirklichen.
Diese Schwierigkeit kann unter Verwendung der
Korrekturplatte beseitigt werden. Jedoch führt die
Verwendung der Korrekturplatte zu den oben erwähnten
Nachteilen, wobei es, wie erwähnt, hier auf die Einhaltung
enger Toleranzen in der Dicke ankommt und daher die
Herstellungskosten hoch sind.
Der Strahlteiler 42 wird daher bezüglich der Seite des
Punktes A in Richtung auf die Seite des Punktes B
expandierbar gemacht, so daß die oben erwähnten
Wärmeausdehnungsprobleme vollständig beseitigt sind. Der
Strahlteiler ist daher in der Konstruktion einfach und hat
trotzdem die oben beschriebenen Vorteile.
Claims (10)
1. Interferometer, mit einem Strahlteiler, der von einer
planparallelen Platte (25, 125), wobei wenigstens eine der
beiden parallelen Plattenflächen halbdurchlässig ist,
gebildet wird, und mit einem Paar von Umkehrreflektoren (23,
24; 123, 124), die jeweils auf einer Seite der
planparallelen Platte in einer bestimmten Position zu der
planparallelen Platte angeordnet sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden parallelen Plattenflächen
halbdurchlässig sind und die Umkehrreflektoren derart
angeordnet sind, daß die Verbindungslinie der Punkte, in
denen die jeweilige optische Achse der Umkehrreflektoren die
dem jeweiligen Umkehrreflektor zugewandte Plattenfläche der
planparallelen Platte durchstößt, senkrecht auf den
Plattenflächen der planparallelen Platte steht und ein
Lichtstrahl, der auf der einen Plattenfläche aufgeteilt
wird, auf der anderen Plattenfläche optisch interferiert.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die planparallele Platte (25, 125) aus einem
Halbleitermaterial hergestellt ist.
3. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die planparallele Platte aus einem transparenten
Material hergestellt ist und auf beiden Seiten einen
halbdurchlässigen Film aufweist, wobei die
halbdurchlässigen Filme in ihrer Lage versetzt zueinander
angeordnet sind.
4. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleitermaterial Germanium ist.
5. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleitermaterial Silizium ist.
6. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Halbleitermaterial Galliumarsenit ist.
7. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die planparallele Platte (25, 125) aus einem
dielektrischen Material hergestellt ist.
8. Interferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das dielektrische Material Zinkselen (ZnSe) ist.
9. Interferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das dielektrische Material Thallium-Bromid Iodid (KRS-5)
ist.
10. Interferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das dielektrische Material Thallium-Bromid Chlorid
(KRS-6) ist.
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