DE4215871A1 - Interferometer nach Michelson - Google Patents
Interferometer nach MichelsonInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Interferometer nach Michelson
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft insbeson
dere ein solches Interferometer nach Michelson für die
Fourier-Transform-Spektroskopie (FTS), bei welchem optische
Wegdifferenzen statt mit hin- und herbewegten Spiegelelemen
ten durch rotierende Spiegelelemente erzeugt werden.
Solche Michelson Interferometer, welche auch als "Fourier-
Spektrometer" bezeichnet werden, bei denen die optischen
Wegdifferenzen durch rotierende Reflektoren erzeugt werden,
sind beispielsweise aus DE 33 46 455.3 A1 oder DE 34 31 040
C1 bekannt. Hierbei werden exzentrisch und geneigt angeord
nete, d. h. "nutierende" Retroreflektoren verwendet. Zur
Erzeugung größerer optischer Wegdifferenzen, also höherer
spektraler Auflösungen werden zwei oder mehr Retroreflekto
ren in - bezogen auf die optische Wegänderung in den beiden
Interferometerarmen - asynchrone Rotation versetzt, wobei
eine feste Phasenbeziehung der verschiedenen Drehbewegungen
zueinander eingehalten werden muß. (Siehe beispielsweise
DE 40 05 491 Al oder DE 40 13 399 C1).
Bei diesen bekannten Michelson Interferometern mit rotieren
den Retroreflektoren hat sich folgendes als nachteilig her
ausgestellt:
- a) Zur Erzeugung einer hohen spektralen Auflösung kann das Interferometer nicht mit nur einem Retroreflektor betrieben werden, sondern es sind zwei oder mehr dieser relativ teue ren Elemente notwendig.
- b) Um die erforderliche feste Phasenbeziehung der verschie denen Drehbewegungen von zwei oder mehr Retroreflektoren zu einander einzuhalten, müssen aufwendige Maßnahmen ergriffen werden. Eine elegante Lösung wäre der Antrieb jedes Reflek tors mit einem eigenen Schrittschaltmotor und die "elektro nische Kopplung" aller Motoren untereinander mittels nur eines gemeinsamen Steuertaktes für alle Motoren. Bei dieser Lösung ist jedoch nachteilig, daß die mechanischen Vibra tionen durch den Schrittbetrieb der Motoren sich auf den gesamten Aufbau in einer für das Meßsignal störenden Weise übertragen, was wiederum nur durch zusätzliche aufwendige, mechanische Dämpfungsmaßnahmen behoben werden kann. Ferner ist der Aufwand bei einem solchen Interferometer durch jeden zusätzlich notwendigen Antriebsmotor noch weiter erhöht. Außerdem sind Schrittschaltmotoren grundsätzlich teuerer als vergleichbare Gleichspannungsmotoren, die für den Betrieb nur eines Retroreflektors ausreichen. Ferner ist, wenn zwei oder mehr Retroreflektoren von nur einem Motor angetrieben werden, eine Kopplung über ein Getriebe erforderlich. Abge sehen davon, daß durch Getriebespiel und Vibration zusätz liche Störungen in den Aufbau kommen, wird der Gesamtaufwand noch größer.
- c) Durch jeden weiteren Retroreflektor bewirken dessen un vermeidliche optische Fehler eine zusätzliche Verschlechte rung der Qualität des optischen Signals des Geräts. Zur Ver meidung dieses Nachteils müßten Retroreflektoren extrem ho her Güte verwendet werden, was wiederum ein sehr teueres Ge rät zur Folge hätte.
- d) Um unerwünscht große Abmessungen bei bekannten Interfero metern mit nur einem rotierenden Retroreflektor zu vermei den, ist im zweiten Interferometerarm ein feststehender Retroreflektor installiert, welchem vor allem die Aufgabe zufällt, den optischen Weg zu falten und dadurch eine ge ringe mechanische Baugröße zu ermöglichen. Trotzdem weist auch ein derart ausgeführtes Interferometer die durch die Verwendung eines zweiten Reflektors unvermeidlichen, vor stehend schon im einzelnen beschriebenen Nachteile auf.
- e) Bei den bekannten Interferometern mit nur einem rotieren den Retroreflektor, durch welchen beide Interferometerarme laufen, ist ferner nachteilig, daß bei einer sehr hohen, ge wünschten spektralen Auflösung ein sehr großer Retroreflek tor erforderlich ist, der zu unerwünscht großen mechanischen Abmessungen des Geräts führt und somit hohe Fertigungskosten zur Folge hat.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter möglichst weitgehender
Vermeidung der vorstehend angeführten Nachteile ein Interfe
rometer nach Michelson so auszuführen, daß bei einer kompak
ten Baugröße eine hohe spektrale Auflösung erreicht wird und
mit geringem Aufwand, soweit wie möglich, der Einfluß etwai
ger Störquellen reduziert wird.
Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Interferometer nach
Michelson nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die
Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil erreicht. Vorteil
hafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch
1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Unteransprüche.
Bei einem Michelson-Interferometer gemäß der Erfindung sind
statt eines angetriebenen Retroreflektors als rotierendes
Element zwei einander in einem vorgegebenen Abstand gegen
überliegende Spiegelflächen vorgesehen, von welchen die eine
in Form eines konzentrischen kreis- oder ellipsenförmigen
Rings und die andere kreis- oder ellipsenförmig ausgebildet
ist. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Er
findung können die beiden Spiegelflächen auf beiden Flächen
einer entsprechend verspiegelten, planparallelen Platte vor
gegebener Dicke ausgebildet sein, während gemäß einer zwei
ten bevorzugten Ausführungsform die beiden Spiegelflächen
zwei parallele, einander zugewandte und in einem bestimmten
Abstand voneinander angeordnete Planspiegel entsprechender
Form sind. Hierbei wird die planparallele Platte bzw. werden
die beiden fest miteinander verbundenen Planspiegel von
einem einzigen Motor, vorzugsweise in Form eines Gleichspan
nungsmotors in Rotation versetzt. Ferner sind die Spiegel
flächen in ihrer Ausdehnung und Anordnung zueinander so ge
staltet, daß ein Ein- bzw. Austreten des Strahlenbündels
über seinem gesamten Querschnitt immer gleich behandelt
wird, d. h. das Strahlenbündel trifft entweder auf die Spie
gelflächen oder im Fall der planparallelen Platte auf unver
spiegelte Flächen sowie beim Verlassen des Spiegelelements
immer nur unter einem bestimmten spitzen Winkel auf die
Grenzfläche auf. Daher müssen die Spiegelflächen, insbeson
dere die zentrale kreis- bzw. ellipsenförmige Spiegelfläche
einen ausreichenden Durchmesser haben.
Die erreichbare, optische Wegdifferenz eines mit dem erfin
dungsgemäßen Spiegelelement ausgerüsteten Interferometers
und damit dessen spektrale Auflösung werden durch einen Win
kel α zwischen der Senkrechten auf die Drehachse der An
triebseinheit und der zentralen kreis- bzw. ellipsenförmigen
Spiegelfläche sowie durch den Abstand zwischen den Spiegel
flächen bestimmt. Ferner kann die tatsächliche Wegdifferenz
und damit die spektrale Auflösung eines Interferometers
durch die Möglichkeit einstellbar gehalten werden, daß der
Winkel zwischen der Senkrechten auf die Antriebsdrehachse
und der zentralen Spiegelfläche und/oder der Abstand zwi
schen den Spiegelflächen variierbar ist. Ferner kann durch
Vorsehen von insgesamt drei Planspiegelpaaren sowie deren
zweckmäßiger Anordnung bezüglich der jeweils auftreffenden
Strahlenbündel ohne allzu großen Aufwand eine Wegdifferenz-
Vervielfachung bis zum Siebenfachen und damit eine entspre
chende Erhöhung der spektralen Auflösung eines entsprechend
ausgebildeten Interferometers erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Interferometer ist somit ein Auf
bau mit einem rotierenden Spiegelelement geschaffen, bei
welchem eine hohe spektrale Auflösung bei einer kompakten
Baugröße erreicht ist. Darüber hinaus ist es mit einem ver
hältnismäßig geringen Aufwand möglich, gleichzeitig mögliche
Störquellen in ihrer Wirkung zu mindern, indem beispielswei
se der Antrieb mittels eines einfachen Gleichspannungsmotors
ohne störende Zusatzgeräte oder Schrittsteuerungen vorge
nommen werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus
führungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeich
nungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform eines Interferometers gemäß
der Erfindung mit einer planparallelen Platte
als rotierendem Spiegelelement;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten
Ausführungsform eines Interferometers gemäß
der Erfindung mit zwei parallelen Planspie
geln als rotierendem Spiegelelement;
Fig. 3 eine perspektivische, schematische Darstel
lung der beiden parallelen Planspiegel der
Fig. 2;
Fig. 4 eine Draufsicht auf die beiden parallelen
Planspiegel nach Fig. 2 und 3;
Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung der Ausführungs
form nach Fig. 2, in welcher zur Erstellung
von mathematischen Gleichungen notwendige Ab
messungen und Winkel eingetragen sind;
Fig. 6a und 6b schematisch in Draufsicht bzw. in einer
Schnittansicht eine verstellbare und justier
bare Einrichtung zur Einstellung des Abstands
und der Parallelität zwischen den beiden
Planspiegeln;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Erweite
rung des erfindungsgemäßen Interferometers
zur Verdoppelung der Wegdifferenz;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer zweiten
Erweiterung des erfindungsgemäßen Interfero
meters zur Verdreifachung der Wegdifferenz;
Fig. 9 noch eine schematische Darstellung einer
dritten Erweiterung des erfindungsgemäßen In
terferometers zur Vervierfachung der Wegdif
ferenz;
Fig. 10 noch eine weitere schematische Darstellung
einer vierten Erweiterung des erfindungsgemä
ßen Interferometers zur Verfünffachung der
Wegdifferenz;
Fig. 11 eine weitere schematische Darstellung einer
fünften Erweiterung des erfindungsgemäßen In
terferometers zur Versechsfachung der Wegdif
ferenz, und
Fig. 12 noch eine schematische Darstellung einer
sechsten Erweiterung des erfindungsgemäßen
Interferometers zur Versiebenfachung der Weg
differenz und damit der spektralen Auflösung.
Anhand von Fig. 1 wird eine erste bevorzugte Ausführungsform
mit den wichtigsten Elementen eines Michelson-Interferome
ters beschrieben, in dem als rotierendes Spiegelelement eine
auf beiden Seiten teilweise verspiegelte, planparallele Plat
te einer Dicke d aus einem für die Signalstrahlung durchläs
sigen Material vorgesehen ist, welches außerdem in dem hier
interessierenden Spektralbereich eine geringe Dispersion
aufweist. Die eine, nahe bei einem Strahlteiler 1 befindli
che Fläche 40 der planparallelen Platte 4 weist eine Spie
gelfläche 40a in Form eines konzentrischen, kreis- oder el
lipsenförmigen Rings auf, während die andere gegenüberlie
gende Fläche 41 der planparallelen Platte 4 eine Spiegel
fläche 41a in Form eines zentralen, kreis- oder ellipsenför
migen Bereichs aufweist, und ein die Spiegelfäche 41a kon
zentrisch umgebender kreis- oder ellipsenförmiger Ring 41b
unverspiegelt ist.
Die Spiegelflächen 40a, 41a und die unverspiegelten Flächen
40b, 41b sind in ihrer Ausdehnung und Anordnung zueinan
der so ausgeführt und ausgelegt, daß ein ein- bzw. austre
tendes Strahlenbündel über seinem gesamten Querschnitt immer
gleich behandelt wird. Das heißt, das Strahlenbündel trifft
entweder auf Spiegelflächen oder unverspiegelte Flächen und
trifft beim Verlassen der planparallelen Platte 4 vollstän
dig und nur unter einem bestimmten Winkel auf die Grenzflä
che auf. Folglich müssen insbesondere die kreis- oder ellip
senförmige Spiegelfläche 41a und damit die gesamte planpa
rallele Platte 4 einen ausreichenden Durchmesser haben.
Ferner liegen eine Drehachse 51, welche mit einer Antriebs
welle 5 einer nicht näher dargestellten Antriebseinheit
fluchtet, und der Strahlteiler 1 in einer Ebene. Ein Lot auf
die Drehachse 51 schließt mit der Fläche 41 der planparalle
len Platte 4 einen spitzen Winkel α ein. Ferner ist die
mit der Drehachse 51 fluchtende Lagerwelle 5 mechanisch
starr mit der Mitte des verspiegelten, zentralen Bereichs
41a der planparallelen Platte 4 verbunden. An der Stelle der
Befestigung der Antriebswelle 5 an dem zentralen Bereich 41a
der planparallelen Platte braucht keine Verspiegelung vorge
sehen werden, da an dieser Stelle im Betrieb ohnehin keine
Strahlung auftrifft.
Ferner sind zwei Planspiegel 61 und 62 auf einander gegen
überliegenden Seiten der Drehachse 51 senkrecht zu von dem
Strahlteiler 1 kommenden Strahlenbündel-Hälften, welche als
ausgezogene bzw. gestrichelte Linien angedeutet sind, ange
ordnet; ein auf den Strahlteiler 1 auftreffendes Strahlen
bündel wird in eine reflektierte und eine transmittierte
Hälfte unterteilt. Die beiden Strahlenbündel-Hälften treten
durch eine kreisförmige, unverspiegelte Fläche 40b der dem
Strahlteiler 1 zugewandten Fläche 40 der planparallelen
Platte 4 in divergierenden Richtungen ein. Die beiden Strah
lenbündel-Hälften werden zunächst von der zentralen Spiegel
fläche 41a der planparallelen Platte 4 zu der gegenüberlie
genden Spiegelfläche 40a in Form des konzentrischen, kreis-
oder ellipsenförmigen Rings reflektiert und von dort auf die
Planspiegel 61 bzw. 62 reflektiert, auf welchen die Strahl
hälften senkrecht auftreffen. An den Planspiegeln 61 und 62
werden die Strahlhälften dann wieder reflektiert und durch
laufen den vorstehend beschriebenen Weg in umgekehrter Rich
tung, rekombinieren am Strahlteiler 1 und werden mittels
einer Sammellinse 2 auf einem Detektor 3 fokussiert.
Während des Betriebs wird die planparallele Platte 4 von der
nicht näher dargestellten Antriebseinheit um die Drehachse
51 in Rotation versetzt, so daß die Längen der von den
Strahlhälften durchlaufenen Wege gegenläufig kürzer bzw.
länger werden, ihre Differenz also periodisch und kontinu
ierlich zwischen Maximum und Null wechselt. Hierbei wird die
erreichbare, optische Wegdifferenz in der Ausführungsform
der Fig. 1 und damit deren spektrale Auflösung durch den Win
kel α zwischen der planparallelen Platte 4 und dem Lot auf
die Drehachse 51 sowie durch die Plattendicke d bestimmt.
Gleichzeitig ist dadurch dann auch der Durchmesser der plan
parallelen Platte 4 festgelegt.
In einer zweiten, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform
sind anstelle der planparallelen Platte 4 in Fig. 1 als ro
tierendes Spiegelelement zwei parallel zueinander und in
einem Abstand s voneinander angeordnete, fest miteinander
verbundene Planspiegel 71 und 72 vorgesehen, deren einander
zugewandte Flächen 71a und 72a verspiegelt sind. Hierbei hat
der dem Strahlteiler 1 benachbarte Planspiegel 71 die Form
einer kreisring- oder ellipsenringförmigen Spiegelfläche
71a, während der andere Planspiegel 72 eine kreis- oder
ellipsenförmige Spiegelfläche 72a hat.
Wie aus der perspektivischen Darstellung der Fig. 3 und der
Draufsicht in Fig. 4 zu ersehen ist, sind zwischen den beiden
Planspiegeln 71 und 72 zwei Verbindungsstege 81 und 82
vorgesehen. Die Antriebswelle 5 einer nicht dargestellten
Antriebseinheit ist mit der Mitte des Planspiegels 72 starr
verbunden und unter einem Winkel α bezüglich einer Senkrech
ten zu dem Planspiegel 72 geneigt. Die zwei Verbindungsstege
81 und 82, durch welche die beiden Planspiegel 71 und 72
starr miteinander verbunden sind, sind vorzugsweise aus dem
selben Material wie die beiden Planspiegel 71, 72 herge
stellt, beispielsweise aus Zerodur-Glas. Hierbei erstrecken
sich die beiden Verbindungsstege 81, 82 zwischen den zwei
Planspiegeln 71 und 72 in radialer Richtung vom inneren Rand
des ringförmigen Planspiegels 71 zum äußeren Rand des kreis-
oder ellipsenförmigen Planspiegels 72 und senkrecht zu den
beiden Planspiegeln 71 und 72.
Bei dieser Ausführung eines rotierenden Spiegelelements un
terbrechen bei Rotation der beiden fest miteinander verbun
denen Planspiegel 71 und 72 im Interferometer die Verbin
dungsstege 81 und 82 den Strahlengang zwischen den beiden
Planspiegeln 71 und 72 und zu den beiden ortsfest angeordne
ten Planspiegeln 61 und 62 periodisch, wodurch der nutzbare
Drehwinkelbereich eingeschränkt wird. Die Wirkung dieser
Einschränkung auf ein zu messendes Interferogramm bzw. auf
das zu ermittelnde Spektrum ist dann am geringsten, wenn die
Unterbrechung im Umkehrpunkt der etwa sinusförmig verlaufen
den Wegänderung verläuft, da dort die Wegänderung in Bezug
auf die Drehwinkeländerung gering ist. Dieser Bedingung kann
dadurch genügt werden, daß die Neigung der mit der Antriebs
welle 5 fluchtenden Drehachse 51 so ausgeführt ist, daß die
Drehachse 51 in derjenigen Ebene liegt, die senkrecht zu dem
Planspiegel 72 verläuft und durch welche jeder der beiden
Verbindungsstege 81 und 82 in spiegelsymmetrische Hälften
geteilt wird.
Die Unterbrechung durch die Verbindungsstege bei einer Rota
tion der beiden fest miteinander verbundenen Planspiegel 71
und 72 hat einen Ausfall aller Signale im optischen System
und damit auch des Laser-Interferogramms zur Folge. Gemäß der
Erfindung wird dieser Ausfall des Laser-Interferogramms de
tektiert und als Beginn und Ende eines Meßzyklus interpre
tiert und genutzt; dadurch entfällt eine sonst zusätzlich
erforderliche Einrichtung zur Bestimmung des Beginns bzw.
Endes eines Meßzyklus.
Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird
analog zu der Ausführungsform in Fig. 1 wiederum ein auf den
Strahlteiler 1 treffendes Strahlenbündel in eine reflektier
te und eine transmittierte Hälfte unterteilt, welche beide
durch die konzentrische Ausnehmung 71b in dem dem Strahltei
ler 1 benachbarten Planspiegel 71 zwischen die beiden Plan
spiegeln 71 und 72 in divergierernden Richtungen eintreten.
Die beiden Strahlenbündel-Hälften werden von der kreis- oder
ellipsenförmigen Spiegelfläche 72a des Planspiegels 72 auf
die ringförmige Spiegelfläche 71a des Planspiegels 71
und von dort zu den fest angeordneten Planspiegeln 61 bzw.
62 reflektiert, auf welchen die Strahlhälften dann senkrecht
auftreffen. Die Strahlhälften werden von den ortsfesten
Planspiegeln 61 und 62 reflektiert und durchlaufen anschlie
ßend denselben vorstehend beschriebenen Weg in umgekehrter
Richtung, um dann an dem Strahlteiler 1 rekombiniert und
mittels der Sammellinse 2 auf dem Detektor 3 fokussiert zu
werden.
Auch bei dieser Ausführungsform werden die fest miteinander
verbundenen Planspiegel 71 und 72 durch eine nicht darge
stellte Antriebseinheit um die Drehachse 5 in Rotation ver
setzt, wodurch die Längen der von den Strahlhälften durch
laufenen Wege ebenfalls wieder gegenläufig kürzer bzw. län
ger werden, also ihre Differenz periodisch und kontinuier
lich zwischen Maximum und Null wechselt. Auch bei dieser
Ausführungsform ist wiederum durch den Winkel α und den Ab
stand s der beiden Planspiegel 71 und 72 die erreichbare
Wegdifferenz und damit die erreichbare spektrale Auflösung
festgelegt.
Durch die Möglichkeit, den Winkel α zwischen dem Lot auf
die Drehachse 5 und der planparallelen Platte 4 bzw. die in
Rotation versetzbaren Planspiegel 71 und 72 und/oder die
Dicke d der planparallelen Platte 4 bzw. den Abstand s zwi
schen den beiden Planspiegeln 71 und 72 zu variieren, ist
die jeweilige Wegdifferenz und damit die spektrale Auflösung
der in Fig. 1 und 2 dargestellten Interferometer-Ausführungen
einstellbar. Durch geeignete Wahl der Größe aller Komponen
ten sowie deren Anordnung ist sichergestellt, daß die Strah
lenbündel bzw. Strahlenbündel-Hälften immer vollständig auf
die reflektierenden Flächen aller im Strahlengang beteilig
ten Spiegel treffen, was insbesondere für den Durchmesser
der planparallelen Platte 4 sowie den kreis- oder ellipsen
förmigen Planspiegel 72 gilt.
In den nachfolgend wiedergegebenen Gleichungen ist die Be
ziehung verschiedener, geometrischer Größen zueinander und
deren Abhängigkeit von dem Winkel α, welchen beispielswei
se die parallel zueinander in einem festen Abstand vonein
ander fest miteinander verbundenen Planspiegel 71 und 72 und
das Lot auf die Drehachse 51 einschließen sowie die in Ab
hängigkeit von diesen Größen und dem Winkel α erreichbare,
optische Wegdifferenz aufgezeigt. Zum leichteren Verständnis
der nachstehenden Gleichungen und der in ihnen angegebenen
Größen sind diese in der schematischen, prinzipiellen Dar
stellung der Fig. 5 eingetragen, welche - abgesehen von den
eingetragenen Größen - der in Fig. 2 dargestellten, schemati
schen Wiedergabe der zweiten Ausführungsform der Erfindung
entspricht.
In Fig. 5 sind in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel α der
beiden fest miteinander verbundenen Planspiegel 71 und 72 zu
dem Lot auf die Drehachse 51 die für den eingetragenen
Strahlungsverlauf erforderlichen Maximalradien a1 und b1
bzw. Minimalradien a2 und b2 der beiden parallel zueinander
angeordneten Planspiegel 72 bzw. 71 der maximale Durchmesser
dmax eines auf den Strahlteiler 1 bzw. auf die Linsenanord
nung 2 auftreffenden Strahlenbündels, der Abstand s zwischen
den beiden Planspiegeln 71 und 72 in Abhängigkeit von dem
maximalen optischen Hub Smax eingetragen, womit die grund
legenden geometrischen Abmessungen des beschriebenen Inter
ferometers definiert sind.
Hierbei ist mit der ganzzahligen Größe n (n<1) die Anzahl
der Vervielfachung der Wegdifferenz und damit der spek
tralen Auflösung bezeichnet. Beispielsweise ist in den bei
den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen die Grö
ße n gleich 1, während, was anschließend im einzelnen be
schrieben wird, hinsichtlich der mit Hilfe der Erweiterungen
in den Fig. 7 bis 11 erzielte Vervielfachung der Wegdiffe
renz, nämlich eine Verdoppelung bis Versiebenfachung für die
Größe n gilt: n = 2, 3, . . . ., 7.
Radien der Spiegelscheiben:
Nachstehend wird ein Zahlenbeispiel für die Dimensionierung
der wichtigsten Parameter angegeben:
Nutzbarer (maximaler) Durchmesser dmax des Strahlenbün dels: 30 mm,
Abstand s (bzw. Plattendicke d): 50 mm,
Winkel α : 7°,
erzielter, maximaler Wegunterschied: ca 7 cm (bei der einfach sten Version),
erreichte spektrale Auflösung: besser als 0,143 cm-1,
maximaler Durchmesser b1 des Planspiegels 71 (bzw. der plan parallelen Platte 4): 300 mm.
Nutzbarer (maximaler) Durchmesser dmax des Strahlenbün dels: 30 mm,
Abstand s (bzw. Plattendicke d): 50 mm,
Winkel α : 7°,
erzielter, maximaler Wegunterschied: ca 7 cm (bei der einfach sten Version),
erreichte spektrale Auflösung: besser als 0,143 cm-1,
maximaler Durchmesser b1 des Planspiegels 71 (bzw. der plan parallelen Platte 4): 300 mm.
In Fig. 6a und 6b sind in einer Draufsicht bzw. einer schema
tisierten Schnittansicht eine Halterungsvorrichtung für die
beiden Planspiegel 71 und 72 dargestellt, mittels welcher
der Abstand s sowie die Parallelität der beiden Spiegelflä
chen 71a und 72a eingestellt und entsprechend justiert werden
kann. Wie aus der schematischen Schnittansicht der Fig. 6a zu
ersehen ist, ist der ringförmige Planspiegel 71 an freien
Enden 83a eines etwa u-förmigen Trägers 83 gehaltert. Der
kreisförmige Spiegel 72 ist an einer Montageplatte 84 befe
stigt, die ihrerseits mit einem, in Fig. 6b linksseitigen En
de über ein nur schematisch angedeutetes Kugelgelenk 87 an
einem quer verlaufenden Verbindungsteil 83b des Trägers 83
gehaltert ist, während an der gegenüberliegenden Seite der
Montageplatte 84 senkrecht zu deren Längsrichtung ein Quer
teil 85 befestigt ist, an dessen beiden äußeren Enden Fein
gewinde eingebracht sind, in welche in Fig. 6b schematisch
dargestellte Justier- und Verstellschrauben 86 eingeschraubt
sind, mittels welcher die Montageplatte auf dieser Seite
über das Querteil 85 an dem Verbindungsteil 83b des Trägers
83 gehaltert ist. Mit Hilfe der Justierschrauben 86 kann
dann die Parallelität zwischen den beiden Spiegelflächen 71a
und 72a der Planspiegel 71 und 72 eingestellt werden.
Anhand der schematischen Darstellungen in den Fig. 7 bis 12
wird nachstehend eine Vervielfachung, speziell eine Verdop
pelung bis Versiebenfachung, der Wegdifferenz in einem In
terferometer und damit eine entsprechende Vervielfachung der
spektralen Auflösung in dem Interferometer beschrieben.
Hierbei sind in den schematischen Darstellungen der Fig. 7
bis 12 die beiden parallel und in einem festen Abstand zu
einander angeordneten Planspiegel 71 und 72 in Form von
strichpunktierten bzw. gestrichelten Kreisen angedeutet,
wobei die schematisch in Form von Kreisen wiedergegebenen
Planspiegel 71 und 72 aufgrund ihrer Neigung streng genommen
Ellipsen sein müßten. Hierauf ist jedoch in den Darstellun
gen der Fig. 7 bis 12 bewußt verzichtet, weil in diesen Figu
ren ohnehin nur der prinzipielle Strahlenverlauf bei der
jeweiligen Vervielfachung der Wegdifferenz zwischen den ein
zelnen Spiegelpaaren angedeutet ist.
Ferner sind, um die zeichnerische Darstellung zu vereinfa
chen, die jeweiligen Reflexionen der Strahlenbündel-Hälften
zwischen den beiden zueinander parallelen Planspiegeln 71
und 72 weggelassen. Ebenso sind in den schematischen Dar
stellungen das auf den Strahlteiler 1 auftreffende Strahlen
bündel sowie das an dem Strahlteiler rekombinierte Strahlen
bündel nicht dargestellt, welches über die Linsenanordnung
auf dem Detektor 3 fokussiert wird.
Ferner sind die verschiedenen Planspiegelpaare, beispiels
weise 61 und 62, jeweils nur als eine Gerade wiedergegeben;
hieraus darf jedoch nicht geschlossen werden, daß beispiels
weise die beiden Spiegel 61 und 62 entsprechend den Ausfüh
rungsformen in Fig. 1 und 2 senkrecht zu der jeweiligen Zei
chenebene angeordnet sind. Vielmehr haben sie in den ver
schiedenen in Fig. 7 bis 12 wiedergegebenen Erweiterungen un
terschiedliche Neigungswinkel mit der Strahlteiler-Mitten
ebene, und die einzelnen Planspiegelpaare sind jeweils ober
halb oder unterhalb der beiden Planspiegel 71 und 72 bzw. in
den Fig. 7 bis 12 rechts oder links vom Strahlteiler 1 ange
ordnet. Die jeweilige Neigung der einzelnen Planspiegelpaare
bezüglich ihrer Anordnung oberhalb oder unterhalb der
Strahlteiler-Mittenebene kann jederzeit empirisch von jedem
auf dem Gebiet der Interferometrie tätigen Fachmann bestimmt
und festgelegt werden.
Mit der schematisch wiedergegebenen Ausführungsanordnung in
Fig. 7 ist eine Verdoppelung der Wegdifferenz und damit der
spektralen Auflösung in einem Interferometer erreicht. Hier
zu sind im Unterschied zu den Ausführungsformen beispiels
weise in Fig 1 und 2 die Planspiegel 61 und 62 derart ge
neigt, daß die beiden vom Strahlteiler 1 kommenden Strah
lenbündel-Hälften nach einer nicht dargestellten Reflexion
zwischen den Spiegelflächen der Planspiegel 71 und 72 unter
einem spitzen Winkel auf die Planspiegel 61 und 62 auftref
fen, von dort reflektiert werden und nach einer ebenfalls
nicht dargestellten, erneuten Reflexion zwischen den Plan
spiegeln 71 und 72 auf zwei weitere Planspiegel 91, 92 senk
recht auftreffen. Von dem Planspiegelpaar 91 und 92 werden
dann die Strahlenbündel-Hälften in sich reflektiert und
gelangen im umgekehrter Richtung auf demselben Weg zurück
zum Strahlteiler, wo sie rekombiniert und über die in Fig. 7
nicht dargestellte Linsenanordnung auf dem ebenfalls nicht
dargestellten Detektor fokussiert werden. In Abhängigkeit
von der Neigung der beiden Planspiegel 61 und 62 sind die
zwei weiteren Planspiegel 91 und 92 entweder oberhalb oder
unterhalb der Mittenebene der vom Strahlteiler 1 ausgehenden
Strahlenbündel-Hälften angeordnet.
In Fig. 8 ist im Unterschied zu Fig. 7 eine Verdreifachung der
Wegdifferenz und damit der spektralen Auflösung schematisch
dargestellt. Hierzu sind die beiden Planspiegel 61 und 62
unter einem anderen, nicht näher bezeichneten spitzen Winkel
so geneigt, daß die Strahlenbündel-Hälften nach einer (nicht
dargestellten) zweimaligen Reflexion zwischen den Planspie
geln 71 und 72 unter einem solchen spitzen Winkel auf die
zwei weiteren Planspiegel 91 und 92 auftreffen, daß sie nach
einer Reflexion an diesen zwei weiteren Planspiegeln und
nach einer (ebenfalls nicht dargestellten) dritten Reflexion
zwischen den Planspiegeln 71 und 72 senkrecht auf die beiden
Planspiegel 61 und 62 auftreffen. Von den Spiegeln 61, 62
werden die Strahlenbündel in sich reflektiert, so daß sie
auf demselben Weg, jedoch in umgekehrter Richtung zu dem
Strahlteiler 1 gelangen, auf diesem rekombinieren und
schließlich an dem Detektor fokussiert werden.
In Erweiterung der in Fig. 8 wiedergegebenen Verdreifachung
der Wegdifferenz ist mit der schematisch wiedergegebenen An
ordnung in Fig. 9 eine Vervierfachung der Wegdifferenz und
damit der spektralen Auflösung in einem Interferometer er
reichbar. Bei dieser Anordnung treffen die Strahlenbündel-
Hälften nach einer dreimaligen Reflexion zwischen den Spie
gelflächen 71 und 72 unter einem anderen spitzen Winkel er
neut auf die zwei Planspiegel 61 und 62 auf. Von den beiden
Planspiegeln 61 und 62 werden die Strahlenbündel dann re
flektiert und nach einer (in Fig. 9 nicht dargestellten)
vierten Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72 tref
fen sie senkrecht auf ein drittes Spiegelpaar 101 und 102
auf. Von den Planspiegeln 101 und 102 werden die Strahlen
bündel wieder in sich reflektiert und gelangen dann auf dem
selben Weg, jedoch in umgekehrter Richtung wieder auf den
Strahlteiler 1, ohne daß dies im einzelnen ebenso wie in den
Fig. 7 bis 12 näher dargestellt ist. Nach einer Rekombination
der Strahlenbündel am Strahlteiler 1 werden diese dann auf
dem Detektor fokussiert. Auch bei dieser Anordnung ist das
dritte Planspiegelpaar 101 und 102 oberhalb oder unterhalb
der Mittenebene der vom Strahlteiler ausgehenden Strahlen
bündel-Hälften angeordnet.
In Erweiterung der Anordnung nach Fig. 9 ist in Fig. 10 sche
matisch eine Verfünffachung der Wegdifferenz und damit der
spektralen Auflösung in einem Interferometer wiedergegeben.
Nach einer viermaligen Reflexion zwischen den Planspiegeln
71 und 72 treffen bei dieser Anordnung die Strahlenbündel-
Hälften unter einem spitzen Winkel auf das dritte Spiegel
paar 101, 102 auf, werden von diesem reflektiert und nach
einer fünften Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72
treffen sie nunmehr senkrecht auf die zwei Planspiegel 61
und 62 auf. Von den Planspiegeln 61, 62 werden Strahlenbün
del Hälften in sich reflektiert und gelangen dann auf dem
selben Weg, jedoch wiederum in umgekehrter Richtung wieder
auf den Strahlteiler 1, ohne daß dies in Fig. 10 im einzelnen
dargestellt ist.
In Erweiterung der Ausführungsform von Fig. 10 läßt sich mit
der in Fig. 11 wiedergegebenen schematischen Anordnung eine
Versechsfachung der Wegdifferenz und damit der spektralen
Auflösung im Interferometer erreichen. Nach einer fünfmali
gen Reflexion zwischen den Planspiegeln 71 und 72 treffen in
diesem Fall die Strahlenbündel-Hälften unter einem spitzen
Winkel auf die zwei Planspiegel 61 und 62 auf, werden von
dort reflektiert und treffen nach einer sechsten Reflexion
zwischen den Planspiegeln 71 und 72 nunmehr senkrecht auf
das zweite Planspiegelpaar 91 und 92 auf. An den Planspie
geln 91 und 92 werden die Strahlhälften in sich reflektiert
und gelangen dann wieder auf demselben Weg, jedoch in umge
kehrter Richtung auf den Strahlteiler 1.
In Fig. 12 ist schließlich noch eine Versiebenfachung der
Wegdifferenz und damit eine entsprechende Auflösung in einem
Interferometer schematisch angedeutet. In diesem Fall tref
fen nach einer sechsmaligen Reflexion zwischen den Planspie
geln 71 und 72 die Strahlenbündel-Hälften unter einem spit
zen Winkel auf das zweite Spiegelpaar 91 und 92 auf, werden
dort reflektiert und treffen nach einer siebten Reflexion
zwischen den Planspiegeln 71 und 72 nunmehr senkrecht auf
die beiden Planspiegel 61 und 62 auf. Von diesen werden die
Strahlenbündel-Hälften wiederum in sich reflektiert und
durchlaufen dann denselben Weg, jedoch in umgekehrter Rich
tung, um schließlich auf den Strahlteiler 1 zu treffen, an
welchem sie rekombiniert und über die Linsenanordnung auf
dem Detektor 3 fokussiert werden, wobei dies wiederum in
Fig. 12 nicht dargestellt ist.
Claims (13)
1. Interferometer nach Michelson mit einem Strahlteiler (1),
einer Sammellinse (2), einem Detektor (3) zum Erfassen der
Signalstrahlung, mit einem durch eine Antriebseinheit in Ro
tation versetzbaren Spiegelelement, über welches beide vom
Strahlteiler (1) kommenden Strahlhälften gelenkt werden, mit
zwei Planspiegeln (61, 62), mit einem Laser und einem Laser
detektor, dadurch gekennzeichnet,
daß als Spiegelelement zwei einander in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegende Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) vorgesehen sind, von welchen die näher beim Strahltei ler (1) befindliche Spiegelfläche (40a; 71a) in Form eines konzentrischen kreis- oder ellipsenförmigen Rings und die andere Spiegelfläche (41a; 72a) kreis- oder ellipsenförmig ausgebildet sind,
daß eine Drehachse (51) einer Antriebswelle (5) der Antriebs einheit in derselben Ebene wie der Strahlteiler (1) ausge richtet ist und eine Senkrechte auf die Drehachse (51) mit der kreis- oder ellipsenförmigen Spiegelfläche (41a, 72a) einen spitzen Winkel (α) einschließt;
daß die zwei Planspiegel (61, 62) auf verschiedenen, einan der gegenüberliegenden Seiten der Drehachse (51) und senk recht zu vom Strahlteiler kommenenden Strahlenbündeln so an geordnet sind,
daß die beiden Hälften eines auf den Strahlteiler (1) auf treffenden Strahlenbündels in zueinander divergierenden Richtungen auf die zentral angeordnete Spiegelfläche (40a; 72a) auftreffen, von dieser zu der gegenüberliegenden, ringförmigen Spiegelfläche (40a; 71a) sowie von dort senk recht auf die zwei Planspiegel (61, 62) reflektiert werden und - von den Planspiegeln (61, 62) reflektiert - denselben Weg in umgekehrter Richtung durchlaufen, am Strahlteiler (1) rekombinieren und mittels der Sammellinse (2) auf dem De tektor (3) fokussiert werden.
daß als Spiegelelement zwei einander in einem vorgegebenen Abstand gegenüberliegende Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) vorgesehen sind, von welchen die näher beim Strahltei ler (1) befindliche Spiegelfläche (40a; 71a) in Form eines konzentrischen kreis- oder ellipsenförmigen Rings und die andere Spiegelfläche (41a; 72a) kreis- oder ellipsenförmig ausgebildet sind,
daß eine Drehachse (51) einer Antriebswelle (5) der Antriebs einheit in derselben Ebene wie der Strahlteiler (1) ausge richtet ist und eine Senkrechte auf die Drehachse (51) mit der kreis- oder ellipsenförmigen Spiegelfläche (41a, 72a) einen spitzen Winkel (α) einschließt;
daß die zwei Planspiegel (61, 62) auf verschiedenen, einan der gegenüberliegenden Seiten der Drehachse (51) und senk recht zu vom Strahlteiler kommenenden Strahlenbündeln so an geordnet sind,
daß die beiden Hälften eines auf den Strahlteiler (1) auf treffenden Strahlenbündels in zueinander divergierenden Richtungen auf die zentral angeordnete Spiegelfläche (40a; 72a) auftreffen, von dieser zu der gegenüberliegenden, ringförmigen Spiegelfläche (40a; 71a) sowie von dort senk recht auf die zwei Planspiegel (61, 62) reflektiert werden und - von den Planspiegeln (61, 62) reflektiert - denselben Weg in umgekehrter Richtung durchlaufen, am Strahlteiler (1) rekombinieren und mittels der Sammellinse (2) auf dem De tektor (3) fokussiert werden.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Spiegelflächen (40a, 41a)
auf beiden Flächen (40, 41) einer entsprechend verspiegel
ten, planparallelen Platte (4) mit einer vorgegebenen Dicke
(d) aus einem für die Signalstrahlung durchlässigen Mate
rial ausgebildet sind, wobei die Antriebswelle (5) mit der
zentralen, kreis- oder ellipsenförmigen Spiegelfläche (41a)
der planparallelen Platte (4) mechanisch starr verbunden ist.
3. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Spiegelflächen (71a, 72a)
als zwei parallele, einander zugewandte und in einem be
stimmten Abstand (s) voneinander angeordnete Planspiegel
(71, 72) entsprechender Form ausgebildet sind, wobei die An
triebswelle (51) mit dem Mittelpunkt des kreis- und ellip
senförmigen Planspiegels (72) mechanisch starr verbunden
ist.
4. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Planspiegel (71, 72) durch
zwei Verbindungsstege (81, 82) geringer Stärke aus demselben
Material wie die Planspiegel (71, 72) verbunden sind, wobei
die beiden Verbindungsstege (81, 82) in radialer Richtung
vom inneren Rand des kreisringförmigen Planspiegels (71) zum
äußeren Rand des kreisscheibenförmigen Planspiegels (72)
verlaufen, zwischen den beiden Planspiegeln (71, 72) ange
ordnet und in Richtung senkrecht zu den Planspiegeln (71,
72) entsprechend dem vorgegebenen Abstand (s) bemessen
sind, daß die Neigung der Antriebswelle (5) so ausgeführt
ist, daß deren Drehachse (51) in der Ebene liegt, welche
senkrecht zu den beiden Planspiegeln (71, 72) verläuft und
durch welche jeder der beiden Verbindungsstege (81, 82) in
spiegelsymmetrische Hälften geteilt ist.
5. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der ringförmige Spiegel (71) an den
freien Enden (83a) eines etwa u-förmigen Trägers (83) und
der kreis- oder ellipsenförmige Spiegel (72) an einer Monta
geplatte (84) befestigt sind, welche ihrerseits an einem
quer verlaufenden Verbindungsteil (83b) des Trägers (83) be
züglich des Abstands (s) und der Parallelität zu dem ring
förmigen Spiegel (71) verstell- und justierbar mittels Ju
stiermitteln (86) gehaltert ist.
6. Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß hinsichtlich einer kompak
ten Interferometer-Baugröße der Strahlteiler (1) so in dem
kreisförmigen Ausschnitt (71b) des Planspiegels (71) ange
ordnet ist, daß er teilweise in den Raum zwischen den beiden
Planspiegeln (71, 72) vorsteht.
7. Verwendung eines Interferometers nach den Ansprüchen 3
bis 5, zum Festlegen des Meßzyklus in einem Laserinterfero
gramm, dadurch gekennzeichnet, daß zweimal je
Umdrehung der durch die beiden Verbindungsstege (81, 82)
parallel zueinander und in einem vorgegebenen Abstand von
einander angeordneten Planspiegel (71, 72) jede bei Rotation
der Planspiegel (71, 72) hervorgerufene Unterbrechung des
Strahlengangs zu den beiden feststehenden Planspiegeln (61,
62) und dadurch auch des Laserinterferogramms detektiert und
als Beginn und Ende eines Meßzyklus registriert wird.
8. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Verdoppelung der Wegdiffe
renz und damit der spektralen Auflösung die Planspiegel (61,
62) derart geneigt sind, daß die beiden vom Strahlteiler (1)
kommenden Strahlenbündel-Hälften nach einer Reflexion zwi
schen den parallel zueinander angeordneten Spiegelflächen
(40a, 41a; 71a, 72a) unter einem spitzen Winkel auf die
Planspiegel (61, 62) auftreffen, von dort reflektiert nach
einer erneuten Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a,
41a; 71a; 72a) auf zwei weitere Planspiegel (91, 92) senk
recht auftreffen und - von diesen (91, 92) reflektiert
denselben Weg in umgekehrter Richtung zum Strahlteiler (1)
durchlaufen, wobei die zwei weiteren Planspiegel (91, 92)
oberhalb oder unterhalb der Mittenebene der vom Strahlteiler
(1) ausgehenden Strahlungsbündelhälften angeordnet sind.
9. Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Verdreifachung der Wegdifferenz und
damit der spektralen Auflösung nach zweimaliger Reflexion
zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) die Strahl
bündel-Hälften unter einem solchen spitzen Winkel auf die
zwei weiteren Planspiegel (91, 92) auftreffen, daß sie nach
Reflexion an den zwei weiteren Planspiegeln (91, 92) und
nach einer dritten Reflexion zwischen den Spiegelflächen
(40a, 41a; 71a, 72a) senkrecht auf die beiden Planspiegel
(61, 62) auftreffen und - von dort reflektiert, - auf dem
selben Weg, jedoch in umgekehrter Richtung zum Strahlteiler
(1) gelangen.
10. Einrichtung nach dem Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Vervierfachung der Wegdifferenz
nach dreimaliger Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a,
41a; 71a, 72a) die Strahlenbündel-Hälften unter einem spit
zen Winkel erneut auf die zwei Planspiegel (61, 62) treffen,
von dort reflektiert nach einer vierten Reflexion zwischen
den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) auf noch zwei weite
re Planspiegel (101, 102) senkrecht auftreffen und von die
sen (101, 102) reflektiert, auf demselben Weg in umgekehrter
Richtung wieder auf den Strahlteiler (1) auftreffen, wobei
auch die noch zwei weiteren Planspiegel (101, 102) oberhalb
oder unterhalb der Mittenebene der vom Strahlteiler (1) aus
gehenden Strahlenbündelhälften angeordnet sind.
11. Interferometer nach Ansprupch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Verfünffachung der Wegdifferenz
nach viermaliger Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a,
41a; 71a, 72) die Strahlenbündel-Hälften unter einem spitzen
Winkel auf die noch zwei weiteren Planspiegel (101, 102)
auftreffen, von dort reflektiert nach einer fünften Refle
xion zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) nun
mehr senkrecht auf die zwei Planspiegel (61, 62) auftreffen
und - von dort reflektiert, - auf demselben Weg, jedoch in
umgekehrter Richtung wieder auf den Strahlteiler (1) auf
treffen.
12. Interferometer nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Versechsfachung der Wegdifferenz
nach fünfmaliger Reflexion zwischen den Spiegelflächen (40a,
41a; 71a, 72a) die Strahlenbündel-Hälften unter einem spit
zen Winkel auf die zwei Planspiegel (61, 62) auftreffen, von
dort reflektiert und nach einer sechsten Reflexion zwischen
den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) nunmehr senkrecht
auf die zwei weiteren Planspiegel (91, 92) auftreffen, und -
von dort reflektiert, - auf demselben Weg, jedoch in umge
kehrter Richtung wieder auf den Strahlteiler (1) treffen.
13. Interferometer nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Versiebenfachung der Wegdifferenz
nach sechsmaliger Reflexion zwischen den Spiegelflächen
(40a, 41a; 71a, 72a) die Strahlenbündel-Hälften unter einem
spitzen Winkel auf die weiteren Planspiegel (91, 92) auf
treffen, von dort reflektiert und nach der siebten Reflexion
zwischen den Spiegelflächen (40a, 41a; 71a, 72a) nunmehr
senkrecht auf die zwei Planspiegel (61, 62) auftreffen und -
von dort reflektiert, - auf demselben Weg, jedoch in umge
kehrter Richtung wieder auf den Strahlteiler (1) treffen.
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