DE4290812C2 - Interferometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein zur Anwendung in der Spektroskopie geeignetes Interferometer, das insbesondere in einem Fourier- Transformations-Spektrometer (FTS) verwendet werden kann und das zwei iden­ tische optische Komponenten aufweist.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist die optische Spektroskopie eine häufig verwendete analytische Technik sowohl für die Laborerfassung als auch für die Fernerfassung. Um die Tauglichkeit der FTS-Anlagen zu fördern, wurden Zweistrahl- Interferometer des Michelson-Typs und von verwandten, strahlbrechend abgetasteten Instrumenten entwickelt. Ein Beispiel des letztgenannten Typs ist in der US 4,654,530 beschrieben, welches eine Verbesserung in der FTS-Technik darstellt und ins­ besondere für Fernerfassungsanwendungen nützlich ist. Jedoch besteht ein Bedürfnis nach einer Anlage mit noch größerer Empfindlichkeit, Stabilität, geringerer Größe und Gewicht, verbunden mit verbesserter radiometrischer Leistung.

Wie im zuvor genannten Patent dargelegt, besitzt das reflektierende Abtasten Unzulänglichkeiten, die durch das strahlbrechende Abtasten überwunden werden. Ein linear ab­ getastetes, keilförmiges Transmissionsfenster zum Erzeugen eines Unterschiedes in der optischen Weglänge, wobei die variierende Dicke der Keilform in einer proportionalen, op­ tischen Verzögerung resultierte, besaß ebenso Unzulänglich­ keiten. Bekannte Vorrichtungen dieses Typs verursachten Komplikationen beim Aufbau und wiesen eine Empfindlichkeit gegen äußere Einflüsse aus einer aggressiven Umgebung auf. Ferner war der Keil eine zusätzliche Komponente für die Standard-Michelson-Konfiguration und folglich den Kosten zuträglich und dem Wirkungsgrad abträglich.

Beispielsweise beschreibt die US-PS 4,265,540 ein derartiges Interferometer zum strahlbrechenden Abtasten, bei dem zwei identische, querschnittlich jeweils dreieckförmige Prismen spiegelsymmetrisch sowie derart angeordnet sind, daß ihre Basisflächen einander nahezu berühren. Während ein Prismenkeil in dem Interferometer ortsfest fixiert ist, läßt sich der andere Prismenkeil in Richtung der Symmetrieebene vermittels eines Motors verschieben. Von einer Lichtquelle trifft ein Lichtstrahl auf eine Außenseite des ortsfesten Prismas und fällt auf eine an dessen Basisfläche angeordnete, strahlungsteilende Beschichtung. Während der von diesem Strahlungsteiler reflektierte Lichtstrahl lotrecht durch die Eintrittsfläche wieder austritt und einen ortsfesten Spiegel trifft, läuft der durchgelassene Strahl symmetrisch dazu zunächst durch das verschiebbare Keilprisma, das er unter einem lotrechten Winkel verläßt, und schließlich zu einem zweiten, ortsfesten Spiegel. Die beiden Strahlanteile werden an den ortsfesten Spiegeln um 180° umgelenkt und an dem Strahlungsteiler abermals miteinander vermischt, wobei ein Teil über die Außenfläche des beweglichen Keilprismas zu einem Detektor gelangt. Diese Anordnung hat den ganz entscheidenden Nachteil, daß durch Verschieben des keilförmigen Prismas nicht die absolute Weglänge der aufgeteilten Lichtstrahlen verändert wird, sondern ausschließlich derjenige Anteil der Weglänge des von dem Strahlungsteiler durchgelassenen Lichtstrahls, der innerhalb des Prismas verläuft, variiert wird. Dies hat zur Folge, daß der Weg, in welchem die Geschwindigkeit des Lichtes in Folge des abweichenden Brechungsindex des Prismenkeils reduziert ist, verändert wird. Insgesamt wird also nicht die Weglänge der beiden Teilstrahlen verändert, sondern nur die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines der beiden Lichtstrahlen beeinflußt. Hierbei spielt der Brechungsindex des beweglichen Keilprismas eine entscheidende Rolle. Dies bedeutet einerseits, daß schwer zu beherrschende Werkstoffeigenschaften ausschlaggebend für die Eigenschaften des Interferometers sind. Andererseits ist der Brechungsindex eines Werkstoffs keine Konstante, sondern abhängig von der Wellenlänge des hindurchtretenden Lichts, was u. a. verantwortlich für die chromatische Aberration ist. Bei der Anordnung gem. der US-PS 4,265,540 macht sich der wellenlängenabhängige Brechungsindex insofern bemerkbar, als bei einer bestimmten Verschiebegeschwindigkeit des Prismenkeils der Proportionalitätsfaktor für die Änderung der durch die Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit hervorgerufenen, effektiven Weglänge nicht konstant, sondern abhängig von der Wellenlänge des Lichts ist. Hier ergibt sich eine Nichtlinearität, die sich kaum kompensieren läßt und die Frequenz des Modulationssignals in nichtlinearer Form beeinflußt, so daß eine Bestimmung der tatsächlichen Lichtwellenlängen nicht exakt möglich ist.

Auch die US-PS 4,585,345, die sich in der Einleitung kritisch mit der obigen Anordnung auseinandersetzt, offenbart wiederum eine Anordnung, bei der die äußeren Spiegel, welche die aufgeteilten Lichtstrahlen zu dem Strahlungsteiler zurückwerfen, ortsfest angeordnet sind. Demzufolge wird auch hier nicht die tatsächliche Weglänge eines Teilstrahls verändert, sondern ausschließlich diejenige Strecke, welche in einem Medium mit erhöhtem Brechungsindex zurückzulegen ist. Auch hier sind daher Nichtlinearitäten unvermeidlich, welche sich in einer Verfälschung der gemessenen Wellenlängen niederschlagen.

Obwohl der Michelson-Typ der Geräte verfeinert wurde, um ihre Leistungsfähigkeit zu erhöhen, büßen sie für gewöhnlich in aggressiven und ungünstigen Umgebungen an Leistung ein, wenn sie nicht mit schweren und teuren, vibrationsausgleichenden Gestellen versehen sind. Weiterhin hat ihre Empfindlichkeit auf mechanische Störungen ihre Anwendung nahezu auf Infrarot- und Millimeter-Wellenlängen begrenzt. Einige wenige Versuche wurden unternommen, um ihre Anwendung auf die kurzen Wellenlängen des sichtbaren und ultravioletten Spektrums auszudehnen.

Es stellte sich heraus, daß mit zunehmender Größe des Geräts und/oder steigender Zahl der Teile des optischen Systems die Beibehaltung der Ausrichtung und, als Konsequenz, der Genauigkeit schwieriger wird. Die Umgebungsstabilität der interferometrischen Vorrichtungen verschlechtert sich grob mit dem Umfang.

Obwohl der Stand der Technik Schritte unternahm in Richtung der Herstellung einer kleinen, handtragbaren, billigen Vor­ richtung, die, selbst wenn sie einer aggressiven Umgebung ausgesetzt ist, akkurat ist, hat sich ein kompaktes, verkleinertes Gerät, das die Probleme des Standes der Technik löst und gleichzeitig ein Interferometer mit einer verbesserten Auflösung schafft, als schwer bestimmbar erwiesen. Bislang waren großformatige Laborgeräte für eine akkurate Messung erforderlich.

Bei anderen Anordnungen, wo ebenfalls ein Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, sind keinerlei Vorrichtungen vorgesehen, um die Weglängen der beiden Teilstrahlen zu verändern. So zeigt beispielsweise die DE-OS 25 18 565 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Interferenzmusters auf der Retina eines Auges, um die Sehschärfe eines Patienten zu untersuchen. Hier werden aus einem einzigen Strahl vermittels eines Strahlteilers und zweier, jeweils trapezförmiger Umlenkprismen zwei Teilstrahlen erzeugt, die sodann vermittels von Sammellinsen im Bereich der Retina eines Auges zur Überlagerung gebracht werden. Um den Abstand zwischen den Streifen des Referenzmusters im Auge zu verändern, werden nicht die Weglängen der Teilstrahlen verändert, sondern ihr gegenseitiger Abstand wird durch Verschiebung des einfallenden Lichtstrahls beeinflußt. Diese Anordnung ist aufgrund der Vielzahl von optischen Linsen und Prismen sehr aufwendig und voluminös, und darüber hinaus völlig ungeeignet für herrkömmliche Detektoren, da nicht eine zeitlich schwankende Strahlamplitude zu erfassen ist, sondern ein zweidimensional verteiltes Flächenmuster.

Schließlich offenbart die DE-OS 23 04 870 eine optische Anordnung zum Aufteilen eines Lichtstrahls in zwei Teilstrahlen, die sodann durch unterschiedliche Medien hindurchgeschickt und anschließend wieder gemischt werden, wobei einer der resultierenden Mischstrahlen einem Detektor zugeleitet wird. Da auch hier keines der zur Strahlteilung oder -vereinigung benutzten Prismen mechanisch bewegt wird, ist das schließlich erzeugte Interferenzbild zeitlich konstant. Aufgrund von unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der beiden Lichtstrahlen können jedoch Phasenverschiebungen auftreten, die als Abschwächung des Mischstrahls erkennbar sind. Mit einer derartigen Anordnung läßt sich jedoch keine Wellenlänge messen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer derart auszubilden, daß bei einer Verstellung des beweglichen Teils des Interferometers die dadurch ausgelöste Veränderung der Weglänge für alle Lichtwellenlängen identisch ist.

Die Lösung dieses Problems gelingt mit einem Interferometer, wie es im Hauptanspruch beschrieben ist.

Der entscheidende Vorteil dieses Interferometers liegt darin, daß die Spiegel, welche je einen Teilstrahl zu dem Strahlteiler zurückwerfen, nicht ortsfest angeordnet sind, sondern als Überzug an je einer Oberfläche der beiden Prismen. Deshalb verlaufen die beiden Teilstrahlen vollständig innerhalb der beiden. Prismen, und durch Verschiebung derselben wird der effektive Abstand der Spiegeloberflächen zu dem Interferenzpunkt verändert. Im Gegensatz zu den vorbekannten Anordnungen wird daher nicht die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Teilstrahlen beeinflußt, sondern die tatsächliche Weglänge, welche die beiden Teilstrahlen zurückzulegen haben, wird gegensinnig verstellt. Da die beiden Prismen identisch sind, spielt der Absolutwert des Brechungsindex nur eine untergeordnet Rolle. Insbesondere ist die Veränderung einer Weglänge völlig unabhängig von der Wellenlänge eines Lichtstrahls.

Die vorliegende Erfindung umfaßt die Verwendung von nur zwei identischen Prismenelementen für den optischen Kopf eines modifizierten Michelson-typischen spektroskopischen Interferometers, der ebenso als interferometrische Hohlraumstruktur dient. Jedes Element beinhaltet Strukturen als einen Teil dessen, um das Element mit Multifunktionen auszustatten.

Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich für eine Abtastung durch lineare Hin- und Her­ bewegung eines Paares von Prismenelementen in einem Inter­ ferometer/Spektroradiometer, um ein Paar optischer Lichtstrahlwege unterschiedlicher Längen zu verursachen, Lichtinterferenz an einem Punkt zu erzeugen, an dem die zwei Strahlen sich wieder verbinden, um in Interferenz­ streifen zu resultieren.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung, insbesondere bei der Verwendung als Fourier-Transformations-Interferometer/- Spektroradiometer liegt darin, daß das neue Interferometer in Größe und Gewicht kleiner ist als vorbekannte Interferometer und, obwohl sehr kompakt, eine höhere Empfindlichkeit und Geschwindigkeit im Gegensatz zu Vorrichtungen des Standes der Technik aufweist, während der Durchsatz und die Auflösung beibehalten wird.

Das neue Interferometer weist eine verringerte Zahl von Komponenten auf, um dieselben Funktionen wie Geräte größeren Maßes durchzuführen, und umfaßt eine Mehrfach­ struktur mit Mehrfachfunktionen in einem einzigen Bauteil.

Der neuartige Aufbau des optischen Kopfes erfordert keine hohe optische Formtoleranz, weil zwei Prismenelemente verwendet werden, die nicht in einer sehr engen Toleranz identisch sein müssen, wodurch die Herstellungsprobleme minimiert werden.

Das erfindungsgemäße Interferometer ist für die Anwendung in verschiedenen spektralen Bereichen, nämlich dem Infrarot, dem nahen Infrarot, den sichtbaren und ultravioletten Bereichen, geeignet.

Eine Weiterbildung dieser Erfindung beinhaltet einen Interferometeraufbau, der Faseroptiken zu einem Bestandteil des optischen Hohlraumes macht, um einen Einlaß für Meßfühler zu schaffen und so dem resultierenden Gerät die Eignung für Anwendungen in aggressiver Umgebung zu verlei­ hen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung gelingt es, ein sehr kleinformatiges, leichtes Spektrometer mit verbesserten Leistungen zu schaffen, welches nur zwei, sehr solide opti­ sche Strukturen mit Beschichtungen umfaßt, die die Stelle separater Strukturen, z. B. Spiegeln, Strahlteilern etc., einnehmen, wodurch Befestigungsschrauben für die Bauteile mit ihren begleitenden Nachteilen vermieden werden.

In den üblichen Michelson-typischen Geräten verursacht jeder Übergang eines Strahles über optische Grenzen ungefähr 4% Verlust. Durch Verwendung von zwei beschichteten Bauteilen wird die Anzahl der Übergänge minimiert, wobei für eine Verlustfaktorreduzierung und eine resultierende Effizienz, die ungefähr das 2,5fache der erwarteten beträgt, gesorgt wird.

Gemäß einer Weiterbildung weist das Interferometer ein hexagonales Prisma auf, das halbiert wurde, um ein Paar von Bauteilen zu erzeugen, die relativ zueinander zusammen mit verbundenen, integralen Faseroptiken linear hin- und herbewegt werden.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1A, 1B u. 1C schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Prismenbauteile des Interferometers, welche die unterschiedlichen Relativpositionen der Bauteile für die Erzeugung optischer Weglängenunterschiede darstellen;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende, schematische Darstellung einer zweiten Interferometerkopfausführungsform, die dahingehend modifiziert ist, daß sie Kollektiv- und Fokussierungsoptiken als Teil der Prismenbauteile beinhaltet;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Prismenbauteile einer alternativen Ausführungsform, dahingehend modifiziert, daß sie Faseroptiken für den Eingang und Ausgang beinhaltet;

Fig. 4 eine Frontansicht eines Prismas mit einem Kugelgelenkausrichtsystem, bestehend aus einem Konkav/Konvex- Linsenpaar;

Fig. 5 eine Grundrißansicht eines Antriebsmechanismus, der einen Drehmotor verwendet;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Interferometer-/Spektrometer-Systems;

Fig. 7 eine Darstellung eines optischen Kopfes der einen Laser aufweist.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Zah­ len und Buchstaben gleiche Teile bezeichnen, sind in den Fig. 1A, 1B und 1C Prismenelemente 12 eines optischen Kopfes der Mikro-FTS-Abtastvorrichtung ge­ zeigt. Ein hexagonales Prisma wurde halbiert, um die Pris­ menelemente 12 zu erzeugen, die für eine relative, lineare Hin- und Herbewegung in den durch die Pfeillinie S aus Fig. 1A dargestellten Richtungen angeordnet sind. Konventionelle Spiegelüberzüge wurden auf den Oberflächen der Prismenele­ mente 12, wie dargestellt, aufgebracht, um die dort auf­ treffenden Strahlen, die innerhalb der Prismenelemente übertragen werden, zu reflektieren. Ein Strahlteilerüber­ zug BS wird in konventioneller Weise auf dem oberen Prisma in den Fig. 1A, 1B und 1C (wie gezeigt) aufgebracht und kann aus einem teilweise reflektierenden Überzug oder aus Mehrschicht-Interferenzüberzügen bestehen, die für Spektralbereiche, die von Interesse sind, optimiert sind. Der Strahlteiler erlaubt, daß nahezu 50% des darauf gerichteten Originalstrahles hindurchgehen, während der Rest reflektiert wird.

Die Materialien für die Prismenrohteile 12 werden von der Anpassung der spektralen Wellenlängencharakteristiken des Materials mit denen, welche gewünscht werden, abhängig sein. KBr, KCl und CaF2 für den infraroten Bereich, ge­ eignete Gläser für den sichtbaren Bereich und CaF2 und Quarz für den ultravioletten Bereich sind Beispiele für ei­ nige der Materialien, die verwendet werden können.

Die optischen Weglängen an den unterschiedlichen Positionen können unter Bezugnahme auf die planparallele, optische Wellenfront, gekennzeichnet mit W, verstanden werden, die an der Oberfläche 14 des unteren Übertragungsprismas des Paares eintritt und die durch den Strahlteilungsüberzug BS amplitudengeteilt, von jedem der Spiegelüberzüge M reflek­ tiert und an BS interferometrisch wiedervereinigt wird, bevor sie an der Oberfläche 16 des oberen Prismas 12 des Prismenpaares in Richtung eines Detektors, nicht darge­ stellt, austritt.

Wenn die Prismen 12 in einer ihrer zwei Maximalpositionen sind, wie beispielsweise in Fig. 1A dargestellt, ist der optische Weg P1 länger als P2. Bei mittiger Abtastung, wie in Fig. 1B dargestellt, sind die optischen Wege P1 und P2 gleich. Fig. 1C, in der zweiten der zwei Maximalpositionen, zeigt, daß der optische Weg P2 länger ist als P1, im Ge­ gensatz zu Fig. 1A.

Bei Verwendung eines Prismas mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,5 und den Parametern einer faustgroßen Zusammen­ setzung des optischen Kopfes wäre die höchste vernünftige spektrale Auflösung für Gase ungefähr eine (Kreis-) Wellen­ zahl oder -Wellenziffer. Dies läuft auf einen Verbesserungsfaktor hinaus, der das Vierfache von dem der in einem vorher genannten Patent dargestellten Struktur beträgt. Für den maximalen Durchsatz bei kurzen Wellenlän­ gen wäre eine Auflösung von 4 Wellenzahlen annehmbar. Dies bedeutet, daß ein Auflösungsvermögen von 10 000 über einen weiten Spektralbereich erreichbar ist. Bei Verwendung der Anlage kann eine Wellenzahl von 4 für Dämpfe und von ungefähr 10 für Festkörper erreicht werden.

Wie im vorher genannten Patent dargestellt, umfaßt ein Interferometer/Spektrometer normalerweise eine Licht­ quelle, Kollimationsoptiken, ein schnelles Abtast-Interfe­ rometer, auch bekannt als ein Interferometer-modulator oder optischer Abtastkopf, der einen Antrieb dafür beinhaltet, Detektoroptiken, einen Detektor und eine Elektronik, die Verstärker beinhalten kann, einen Fourier-Transformations­ computer mit Software und eine Spektrumsanzeige. Das In­ terferometer ausgenommen, sind die übrigen Gegenstände nor­ male, gegenwärtig erhältliche Komponenten und sind nicht in den Zeichnungen detailliert beschrieben.

Aufgrund der Kompaktheit des Interferome­ ters sind einige der genannten ergänzenden Komponenten, zu­ züglich anderer, die nützlich sein können, wie z. B. ein La­ ser, dargestellt und können in das optische Kopfgebilde eingebaut werden, um ein vollständiges Gerät für die in dieser Beschreibung aufgeführten, vorteilhaften Zwecke her­ zustellen.

Fig. 2 veranschaulicht grafisch die Prismen 12 aus Fig. 1, die durch Ausbildung einer Kollimationslinse L1 und/oder einer Fokussierungslinse L2, um, wie dargestellt, mit dem Prisma ein Ganzes zu bilden, modifiziert wurden, um mit ei­ ner Eingangsquelle und einem Detektor zu wirken.

Fig. 3 enthält eine schematische Darstellung eines Paares von Prismen 12, die im Aufbau modifiziert wurden. Die den Oberflächen 14 und 16 aus Fig. 1 entsprechenden Oberflächen sind sphärisch gestaltet und derart überzogen, daß sie ein Paar von sphärischen Spiegeln 18, 20 bilden. Zusätzlich sind, um die Prismenbauteile für eine Fernerfassung mit Faseroptiken zu versehen, versilberte Stellen 22 und 24 vorgesehen und mit kleinen Bohrungen 26 und 28 verbunden, die dazu dienen, um optische Faserbündel 30 und 32 aufzunehmen. Die optischen Fasern 30 und 32 sind in ihre Bohrungen oder Durchgänge 26 und 28 einzementiert und optisch mit der Eingangsstrahlquelle einerseits, einem nicht dargestellten Detektor andererseits, verbunden. Der kleine Lichtverlust infolge der Silberstellen 22 und 24 und der Bohrungen 26 und 28 beträgt ungefähr 10%. Jedoch wird dieser kleine Verlust durch den Vorteil, daß keine Bauteile auf einer Interferometerbank befestigt sind, daß der Detektor mit seiner Elektronik abseits angebracht werden kann, sowie dadurch, daß die Zuführfasern 30 eine Zufuhr auch aus gefährlichen Umgebungen ermöglichen, mehr als nur kompensiert.

Die interferometrische Anfangsausrichtung der beiden Pris­ men 12 zueinander wird durch Anschließen eines derer an eine Antriebseinrichtung über ein Linsenpaar oder eine Dop­ pellinse 50 erreicht, die als Kugelgelenkverbindung wirkt, siehe Fig. 4. Ein Schieber 42 oder 44, der später bezüglich Fig. 5 und 6 beschrieben wird, weist direkt daran ange­ bracht eine der Linsen der Doppellinsen auf, die der Ein­ fachheit halber als Konkavlinse 52 dargestellt ist. Deren konvexes Gegenstück 54 mit identischer Krümmung, nämlich mit demselben Radius, ist an einem der Prismen 12 ange­ bracht. Ein Film aus ultraviolett aushärtbarem, optischen Epoxydharz zwischen den zusammengehörigen Abschnitten des Linsenpaares erlaubt eine geschmierte relative Rotation und Kippung zwischen den Linsen 52 und 54. Ein kurzer Blitz oder eine Belichtung mit einer U.V.-Lampe, wenn die endgültige Ausrichtung erreicht ist, setzt die Optiken 12 ohne Einführung von Spalten in dem Träger, Verursachung von Belastung oder die Notwendigkeit von Schrauben dauerhaft ein.

Durch die Wahl langer Fokallinsen für das Paar 50, was in einer sehr flachen Krümmung für die Linsen resultiert, kann man die Einstellbewegung ziemlich groß machen, ohne viel Kippung zu verursachen, so daß die Paaranordnung als eine Mikrometereinstellung wirkt. Zur Reduzierung der Teilezahl mit deren begleitenden Nachteilen könnte ein Linsenradius in den Prismenboden eingeschliffen werden. Natürlich könn­ ten die Doppellinsen ein geeignetes, billiges, kommerziell erhältliches Linsenpaar sein, da die optischen Eigenschaf­ ten keinen Bezug zu dem optischen System des Interferome­ ters haben. Das U.V.-Epoxydharz kann mit einem Distanzstück 56, wie in Fig. 6 gezeigt, für den zweiten Schieber des Schieberpaares für dessen Prisma verwendet werden, um die Kosten für zwei Doppellinsensysteme zu vermeiden.

Das kugelgelenkige Doppellinsensystem für die Ausrichtung besitzt viele Freiheitsgrade. Eine Kippung von Seite zu Seite ändert die Erhebung des Prismendachwinkels, die An­ passung ungleicher Prismen ist deshalb einfach, und die Ko­ sten werden durch Herabsetzen der Fertigungstoleranzen re­ duziert.

Auf der anderen Seite würden einander perfekt angepaßte Prismenpaare, eine unwahrscheinliche Situation, nach einer Interferometerausrichtung mit nahezu parallelen, benach­ barten Prismenflächen eine Störung der Parallelität erfor­ dern, um die Mehrfachreflexionen zu vermeiden, die bei Zu­ führung zum Detektor im Spektrum ungewollte Signale erzeu­ gen.

Fig. 5 zeigt ein Verfahren für eine Umwandlung einer Dreh­ bewegung in eine lineare Hin- und Herbewegung. Ein Nadel­ paar 60 eines geschwindigkeitskonstanten Drehmomentmotors ist im Eingriff mit Schlitzen 62 der Schieber 42 und 44, auf denen die Prismen 12 befestigt und ausgerichtet wären. Wenn dann der Motor sich dreht, würde eine synchronisierte Bewegung der linear geführten Schieber 42 und 44 zwischen den Führungen 64 bewirkt werden. Die Nadeln 60 in den Schlitzen 62 haben, wenn sie gut eingepaßt sind, einen ge­ wichtausgeglichenen Antrieb zur Folge. Wenn optisch po­ lierte, geradlinige und flache Führungsbahnen verwendet werden, wird ein interferometrisch genauer Antrieb erzeugt. Wenn die Schieber und die Führungsbahnen optisch poliert sind und ein sehr dünner Ölfilm verwendet wird, hat dies eine starke Haftung zwischen den bewegten Teilen zur Folge, während für einen nichtlinearen Flüssigkeitswiderstand für die Antriebskraft gegen die Geschwindigkeit gesorgt wird. Dieser Effekt tendiert dazu, Schwingungsantriebsfehler zu dämpfen und wirkt als eine selbsttätige Servoeinrichtung für die höheren Frequenzen.

Der opto-mechanische Kopf 10 aus Fig. 6 umfaßt zwei im we­ sentlichen identische Prismen 12 derart, wie in Bezug auf die Fig. 1A bis 1C beschrieben, aus einem Material, das für die Übertragung von Licht der einem Eingangsstrahl entspre­ chenden Wellenlänge geeignet ist. Für die Anwendung bei mannigfaltigen Wellenlängen könnten die Prismen­ stücke 12 aus einem Material sein, das für eine Übertragung der meisten der Wellenlängen mit Hilfe verschiedener, mehr­ schichtiger Strahlteilungsinterferenzüberzüge geeignet ist, um für eine Verwendbarkeit bei einzelnen Wellenlängen, die von Interesse sind, zu sorgen.

Da der optische Weg ausgeglichen ist, ist kein Kompensa­ torfenster erforderlich. Optisches Polieren und eine Beibe­ haltung der Toleranz werden verwendet, um jegliche (Teil)- Streuung zu beseitigen oder wenigstens zu minimieren. Ein Reiben des Strahlteilungsüberzugs BS tritt wegen des sehr schmalen Luftspalts zwischen ihm und seinem angrenzenden Prismenelement nicht auf. Dargestellt ist eine Eingangs­ strahlquelle, die in eine Öffnung in einem Gehäuse oder ei­ ner Einfassung 70 eintritt, welches auf konventionelle Weise hermetisch abgedichtet sein würde, um Feuchtigkeit und andere Gegenstände, die den Interferometerbetrieb nachteilig beeinträchtigen, zu beseitigen und das mit einem Inertgas, das die optischen Eigenschaften des Interferome­ ters nicht beeinträchtigt, so z. B. Stickstoff, unter Druck gesetzt ist. Das Gehäuse 70 kann Kollimationsoptiken wie eine Linse 72 aufweisen, die den Strahl von einer konven­ tionellen Quelle auf das linke Interferometerprismenroh­ stück 12 richtet (wie dargestellt). Eine Linse 74 zum Fo­ kussieren des aus dem Interferometerkopf austretenden Strahles auf den Detektor 36, der mit einer Spektrometeran­ lage 90 verbunden ist, empfängt den Ausgangsstrahl von dem optischen Kopf 10. Wenn die Optiken ein Teil der Prismen sind, wie vorher bezüglich der Fig. 2 beschrieben, könnte Scheibenglas verwendet werden und im Gehäuse 30 abgedichtet sein.

Obwohl Fig. 5 ein besonderes Nadelantriebssystem zeigte, könnte die Ausführungsform aus Fig. 6 andere Systeme bein­ halten, welche z. B. Antriebsbänder 76 oder Riemenscheiben­ anordnungen verwenden könnten. Wie gezeigt, wird ein Dreh­ momentmotor 40 gewöhnlich montiert und unterhalb einer Grundplatte 46 angeordnet, welche eine Platte 48 trägt, auf welcher die Schieber 42 und 44 durch den Drehmomentmotor 40 geschwindigkeitskonstant in entgegen gesetzte Richtungen angetrieben werden. Wenn Antriebsbänder 76 verwendet werden, verdrehen sich die Bänder leicht, um zwischen der Drehbewegung des Motors und der linearen Bewegung der Schieber zu vermitteln.

Durch die Verwendung von Bändern wird ein Spiel beseitigt, und das System wird mühelos masseausgeglichen, um eine Stö­ rung durch Kippung oder Wackeln des Gerätes zu vermeiden. Die Schieber 42 und 44 sind auf dem gemeinsamen Tisch oder der Platte 48 befestigt, welcher bzw. welche auf der Grund­ platte 46 über irgendeine konventionelle, spannungsfreie Befestigungsanordnung befestigt ist.

Durch Verwenden einer Diamantbearbeitung erweist sich die Herstellung der Prismen mit Linsen und/oder Befestigungs­ systemen als Teil derer als sehr wirtschaftlich, sobald Schablonen gemacht worden sind. Das Einsparen teuren Mate­ rials, wie z. B. CaF2 für Infrarot-Anwendungen, das Einspa­ ren von Zeit für die Ausrichtung und die Beseitigung von Kosten für Linsen machen die Kombinierung von Mehrfach­ funktionen in einer Prismenstruktur und das U.V.-Epoxyd­ harz-Befestigungssystem zu wichtigen Faktoren innerhalb der ökonomischen Aspekte des Interferometers.

Fig. 7 ist eine bildhafte Darstellung des Interferometers, wobei der Deckel der Gehäuseeinfassung 70 durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, so daß das Innere sichtbar ist. Das Gehäuse ist in diesem Fall in ge­ wöhnlicher Weise hermetisch abgedichtet und mit einem In­ ertgas, wie z. B. Stickstoff, unter Druck gesetzt. Das Ge­ häuse 70 kann, wie gezeigt, eine hexagonale Form besitzen oder irgendwelche quadratischen, rechteckigen oder andere kommerziell erhältlichen Formen aufweisen. Befestigungsflansche 82 sind für einige der Sei­ tenfenster für modulare, abgedichtete Eingangs- und Aus­ gangsoptiken, Detektoren, Probenkammern, Lichtquellen etc. vorgesehen. Ein Laser 80 ist an dem Verschlußdeckel der Ge­ häuseeinfassung 70 angeflanscht und stellt ein Kalibrie­ rungs- oder Referenzsignal bereit, das für die Detektion durch seinen Detektor interferometrisch moduliert ist.

Die bisher beschriebenen Vorrichtungen stellen ein Inter­ ferometer des modifizierten Michelson-Typs dar, wobei das Bündel eines Eingangsstrahls (von einem Glühen oder einer Übertragung durch eine zu analysierende Probe oder eine Emission von einer Probe oder der Umgebung) parallel-ge­ richtet worden ist, in das Prisma 12 eintritt und an einen geeigneten Strahlteiler übertragen und in wenigstens zwei Teile aufgespalten wird, welche, nachdem sie abgewandelt worden sind, entweder zu konstruktiver (Helligkeit) oder destruktiver (Auslöschung) Interferenz vereinigt werden.

Die Prismen bilden, in Verbindung mit ei­ nem geschwindigkeitskonstanten, linearen Antrieb, einen op­ tischen Kopf oder ein Abtastinterferometer. Der Abtast-be­ trieb erzeugt einen sich konstant ändernden, optischen Weglängenunterschied innerhalb der zwei Prismen, welcher zu einer interferometrischen, optischen Modulation führt. Der Eingangs- und/oder Laserstrahl wird durch seine Optiken senkrecht auf eine Seite des Prismas gerichtet und durch­ quert dieses, bis er in einem Winkel von ungefähr 30° auf die Außenfläche trifft, dabei Rückwärtsreflexion vermei­ dend. Beim Auftreffen auf den Strahlteiler auf einer dieser gegenüberliegenden Flächen wird der Strahl geteilt, und je ungefähr 50 Prozent wird auf eine verspiegelte Oberfläche des Prismas gelenkt.

Das Abtasten bei konstanter Geschwindigkeit verursacht, daß jede Wellenlänge interferometrisch mit einer unterschied­ lichen Frequenz verschlüsselt wird. Diese Frequenzen werden durch den optischen Detektor gleichzeitig in elektrische Signale umgewandelt und dann in eine Darstellung des opti­ schen Spektrums Fourier-transformiert. Parallel zu dem Pro­ beneingangsstrahl gibt es einen schmalen, mono-chromati­ schen Laserstrahl, welcher von einer Dioden-laserquelle er­ zeugt wird und zur Präsentation an einen separaten opti­ schen Detektor interferometrisch übertragen und moduliert wird. Die resultierende Frequenz wird als Referenzsignal für die Wellenlängenbestimmung und Kalibrierung und als Re­ ferenzzeitgeber für eine Analog-Digitalumwandlung verwen­ det. Es sollte festgehalten werden, daß nur ein Prisma an­ getrieben werden braucht; jedoch schreiben die Geschwindig­ keit und die Vermeidung von Vignettierung, das Gleichge­ wicht und der Widerstand gegen störende Beschleunigung eine duale Hin- und Herbewegung vor. Die geteilten, hexagonalen Prismen mit unterschiedlichen Brechungsindizes, abhängig von den Materialien, z. B. Saphir oder Zinkselenid, erfor­ dern unterschiedliche Winkel zwischen einigen ihrer Seiten, um die Strahlbrechung anzupassen.

Auf diese Weise wurde ein billiges, kompaktes Gerät ge­ schaffen, das sowohl in der Größe als auch im Gewicht mit Genauigkeit und Präzision mittels eines Paares von im we­ sentlichen identischen, massiven, optischen Elementen ver­ kleinert worden ist, wobei es nicht erforderlich ist, daß Komponenten auf einer optischen Bank aufliegen, da Spiegel und Linsen einteilig mit der strahlbrechend abgetasteten Struktur ausgeführt werden können. Das Resultat ist ein tragbares Gerät für Fachanwendung mit einer leicht zu er­ reichenden, feststehenden Ausrichtung mit exzellentem Durchsatz und exzellenter Auflösung. Mehrfache Spektralbe­ reiche sind in einem einzelnen Gerät verfügbar, wodurch die Notwendigkeit mehrerer Spektrometer beseitigt wird. Das Ge­ rät ist geeignet für Verfahrensregelung, Vorfeuerwar­ nung, Umwelt- und Zuverlässigkeitsschutz, aktive und pas­ sive Fernerfassung von Festkörpern und Gasen, einschließ­ lich gefährlicher Materialien, und für billige, hochlei­ stungsfähige analytische Laboranwendungen.

Claims (12)

1. Interferometer, geeignet zur Anwendung in der Spektro­ skopie, umfassend

• - ein Paar identischer Prismen (12) mit etwa fünfec­ kigem Querschnitt derart, daß sie bei Nebeneinan­ derstellung ihrer Basisflächen zusammen betrachtet einen etwa hexagonalen Querschnitt aufweisen,
• - einen teilweise reflektierenden Strahlteilungsüber­ zug (BS) auf der Basisfläche eines der Prismen (12) zum Empfangen eines durch eine nicht an eine Basis­ fläche angrenzenden Eingangsoberfläche (14) eines Prismas (12) eintretenden Eingangsstrahls und zum Teilen des Eingangsstrahls in einen durchgelassenen Strahl und einen reflektierten Strahl,
• - einen Spiegelüberzug (M) auf derjenigen, nicht an eine Basisfläche angrenzenden Oberfläche eines Prismas (12), welche den von dem Strahlteilungs­ überzug (BS) reflektierten Strahl empfängt, zum Re­ flektieren des an dem Strahlteilungsüberzug (BS) reflektierten Strahls in Richtung des Strahltei­ lungsüberzugs (BS) und einer Ausgangsoberfläche (16) eines Prismas (12),
• - einen Spiegelüberzug (M) auf derjenigen, nicht an eine Basisfläche angrenzende Oberfläche eines Prismas (12), welche den von dem Strahlteilungsüberzug (BS) durchgelassenen Strahl empfängt, zum Reflektieren des von dem Strahlteilungsüberzug (BS) durch­ gelassenen Strahls in Richtung des Strahlteilungsüberzugs (BS) und der Ausgangsober­ fläche (16), wobei der durchgelassene und der re­ flektierte Strahl an dem Strahlteilungsüberzug (BS) wieder zu einem Ausgangsstrahl vereinigt werden, und
• - eine Einrichtung (40, 42, 44, 76; 60, 62) für einen linearen Antrieb zum Erwirken einer relativen, geschwindigkeitskonstanten Hin- und Herbewegung der Prismen (12) in Richtung der Basisflächen und damit zum Ändern der optischen Weglängen des durchgelasse­ nen und des reflektierten Strahls.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse (70) vorgesehen ist, das die beiden Prismen (12) und die Einrichtung (40, 42, 44, 76; 60, 62) für einen li­ nearen Antrieb umschließt.

3. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse (70) mit einem Inertgas, das die optischen Eigenschaften des Interferometers nicht be­ einflußt, gefüllt ist.

4. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Prismen (12) von einem einzelnen Prismenrohstück geschnitten sind.

5. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eingangsoberfläche eine Kollimationslin­ senausformung (L1) als integralen Bestandteil des zu­ gehörigen Prismas (12) aufweist.

6. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgangsoberfläche eine Fokussierungs­ linsenausformung (L2) zum Fokussieren des Ausgangs­ strahls auf einen Detektor als integralen Bestandteil des zugehörigen Prismas (12) aufweist.

7. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahlteilungsüberzug ein mehrschichtiger Interferenzüberzug ist, der die Verwendung des Inter­ ferometers in verschiedenen Spektralbereichen ermög­ licht.

8. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen den beiden Basisflächen ein kleiner Luftspalt ist.

9. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch zwei Faseroptikmittel (30, 32), die durch je eine Oberfläche eines Prismas (12) eintreten, eines (32) bis zu einer Stelle (24) am Strahlteilungsüberzug (BS) und das andere (30) bis zu einer Stelle (22) seines Prismas (12) gegenüberliegend der Stelle (24) am Strahltei­ lungsüberzug (BS).

10. Interferometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Spektrometer (90), dem der von dem Interferometer modu­ lierte Strahl über einen Detektor (36) zur Analyse zugelei­ tet wird.

11. Interferometer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen auf dem Gehäuse (70) befestigten Laser (80) zum Erzeugen eines schmalen monochromatischen Strahls, der, wenn er das Interferometer durchlaufen hat, zur Analyse auf einen separaten Detektor eines Spektrome­ ters übertragen wird.

12. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Ausrich­ tung der Prismen (12) durch Verwendung eines Linsen­ paares (52, 54) erreicht wird, wobei zwischen den zu­ sammenpassenden Oberflächen der das Paar bildenden Linsen (52, 54) ein ultraviolett aushärtbares Epoxyd­ harz zur Festlegung der Ausrichtung vorhanden ist.