WO2008019937A1 - Michelson-interferometer - Google Patents

Michelson-interferometer Download PDF

Info

Publication number
WO2008019937A1
WO2008019937A1 PCT/EP2007/057794 EP2007057794W WO2008019937A1 WO 2008019937 A1 WO2008019937 A1 WO 2008019937A1 EP 2007057794 W EP2007057794 W EP 2007057794W WO 2008019937 A1 WO2008019937 A1 WO 2008019937A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
beam splitter
partial
beams
retroreflector
partial beams
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/057794
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Bauer
Kai-Uwe Pleban
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE200610037967 external-priority patent/DE102006037967B3/de
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2008019937A1 publication Critical patent/WO2008019937A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
    • G01J3/4535—Devices with moving mirror
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
    • G01J3/4532—Devices of compact or symmetric construction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods

Definitions

  • a Michelson interferometer is known, are generated in the optical path differences by means of a retroreflector (triple reflector) whose axis of rotation is laterally offset from its triple point.
  • a beam splitter divides a light beam coming from a radiation source into two partial beams, which are guided directly or with the aid of deflecting mirrors mirror-symmetrically to the axis of rotation of the retroreflector at the same angle into the retroreflector. From the retroreflector from the partial beams are reflected on them associated plano mirror, which reflect the partial beams back into the rotating retro-reflector.
  • the sub-beams From the retroreflector, the sub-beams, possibly via the deflecting mirrors, return to the beam splitter, which unites the sub-beams and causes them to interfere.
  • the interfering sub-beams are fed to a detector for generating an interference signal.
  • EP 0 034 325 B1 discloses a Michelson interferometer in which the optical path differences are generated by means of one or two retroreflectors which are oscillating and oscillate back and forth. With appropriate dimensioning of the beam splitter or sufficiently small pendulum motion can be dispensed with the arrangement of Wegreflek- ting angle-sensitive plane mirror; d. H. the guided by the beam splitter in the back and forth oscillating retroreflector partial beams are reflected by this directly in the direction of the beam splitter back.
  • the use of a rotating retroreflector has the advantage that the rotational movement can be easily realized with higher frequencies and thus higher measurement rates are possible. Furthermore, a rotational movement is less susceptible to vibration and vibration than a pendulum motion.
  • the invention has for its object to minimize the dependence of the interference signal of angular positions or tilting optical components in a Michelson interferometer with rotating retroreflector while achieving a high degree of modulation, ie a high coverage of the brought to interference partial beams.
  • the object is achieved by a Michelson interferometer with a beam splitter and a rotating retroreflector whose axis of rotation is laterally offset from its triple point,
  • the beam splitter divides a light beam coming from a radiation source into two partial beams which are mirror-symmetrical to a plane parallel to the axis of rotation Straight lines are guided at the same angle into the rotating retroreflector,
  • the rotating retroreflector reflects the partial beams guided in it either directly or after reflection at two stationary retroreflectors in the direction of the beam splitter, which reunites the partial beams for reception in a detector
  • At least one deflecting mirror is arranged in the course of at least one of the two partial beams between the rotating retroreflector and the Strahltei- ler and in the course of the other partial beam by an odd number of smaller number of deflecting mirrors is arranged, wherein the smaller number is greater than or equal to zero ,
  • the subjets falling into the rotating retroreflector describe an elliptical rotational movement on exiting the retroreflector, the width of the ellipse not being dependent on the angle of incidence but on the point of incidence.
  • This rotational movement of the partial beams is canceled again if the rotating partial beams are reflected back by means of plane mirrors into the retroreflector, as is known from DE 41 36 300 C1 or DE 197 56 936 C1.
  • these plane mirrors are not provided in the interferometer according to the invention because of their disturbing influence on the interference signal; instead, the partial beams guided into the rotating retroreflector are reflected back either directly or after reflection at two fixed retroreflectors in the direction of the beam splitter.
  • An essential advantage of the interferometer according to the invention is also that possible tilting of both the deflection mirror and the beam splitter have no effect on the degree of coverage of the partial beams combined by the beam splitter.
  • the rotating partial beams combined by the beam splitter can be focused onto the detector by means of focusing optics (eg mirror or lens), the focusing optics preferably including an opening through which a reference laser beam is directed onto the beam splitter which adjusts the reference beam.
  • Laser beam in two the Interferometer passing laser partial beams divides.
  • the further focusing optics includes an opening through which the light beam of the radiation source is directed to the beam splitter.
  • the light beam and the reference laser beam can also be introduced together on one side of the beam splitter into the interferometer instead of in each case different sides of the beam splitter.
  • the light beam is preferably introduced into the interferometer in such a way that it essentially meets the center of the rotating retroreflector; the reference laser beam is laterally of the Light beam with this non-overlapping coupled into the interferometer, and merging after passing through the interferometer of the beam splitter partial beams or partial laser beams are focused by means of a focusing optics on separate detectors. In this way, the aperture of the optical components of the interferometer is fully utilized for the light beam, while the deflection in the critical center of the retroreflector is avoided for the reference laser beam.
  • the rotational movement of the partial beams or laser partial beams combined by the beam splitter can be reversed in an advantageous manner by being directed into the rotating retroreflector via at least one additional mirror parallel to one of the partial beams coming from the rotating retroreflector and only after leaving the latter the number of additional mirrors is selected such that the sum of the reflections of each partial beam or partial laser beam on the way from the retroreflector on the optional deflection mirror, the beam splitter and the at least one additional mirror is odd.
  • the partial beams falling into the rotating retro-reflector describe an elliptical rotational movement on exiting the retro-reflector, the width of the ellipse being dependent on the angle of incidence but not on the point of incidence.
  • the combined partial beams or partial laser beams returned to the retroreflector are parallel to the partial beams coming from the rotating retroreflector, rotate in the same direction and have the same width of the rotary ellipse, they become a non-rotating light beam or laser beam from the rotating retroreflector united, which can then be detected without focusing optics of the detector or laser detector.
  • the combined partial beams or laser partial beams fed back into the retroreflector to rotate in the same direction as the partial beams coming from the rotating retroreflector, the sum of the reflections of each partial beam or partial laser beam must be removed from the retrograde reflector. reflector over the optional deflection mirror, the beam splitter and the at least one additional mirror be odd.
  • One of the additional mirrors directing the combined partial beams or partial laser beams into the rotating retroreflector lies in the radiation path between the beam splitter and the radiation source or the detector, for which reason the additional mirror in question must be designed as a beam splitter.
  • the straight line, with respect to which the two partial beams are guided mirror-symmetrically at the same angle in the rotating retroreflector is offset from the axis of rotation of the retroreflector perpendicular to the plane spanned by the partial beams.
  • the beam path in the interferometer is subdivided into two partial progressions which lie in two different planes.
  • the merged partial beams or partial laser beams coming from the beam splitter are then spatially separated from the radiation source to the beam splitter, for example, so that the additional mirror outside the light beam directed from the combined partial beams or partial laser beams into the rotating retroreflector Radiation source can lie to the beam splitter and therefore need not be transparent to this.
  • the spatial separation of the beams entering and exiting the interferometer can also be achieved by beam offset in one plane instead of in two planes, with the light beam and the reference laser beam striking the beam splitter at different locations within the plane.
  • the mirrors and / or the beam splitter of the interferometer according to the invention can each be formed in a manner known per se by prism surfaces of one or more prism bodies, wherein the beam splitter is preferably formed by prism surfaces of two prism bodies adjoining one another. Those prism surfaces through which rays enter or exit the prism body are preferred Aligned perpendicular to the respective beams, so that radiation refractions are avoided and dispersion effects are reduced.
  • Suitable retroreflectors are triple mirrors, cusp corners designed as full prisms, cat mirrors in the form of a mirror or lens, as well as roof-edge mirrors or prisms.
  • the deflection mirrors are arranged perpendicular to each other in the Generalstrahlenverinstitutn in such a way that in the course of a partial beam, a 2-mirror reflector with two mutually perpendicular deflecting mirrors and a planar deflecting mirror is arranged in the course of the other sub-beam, or that in the course of the one sub-beam a retro-reflector with three deflecting mirrors oriented at right angles to one another and in the course of the other sub-beam a two-mirror reflector with two deflecting mirrors oriented at right angles to one another is arranged.
  • FIGS. show in detail:
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the Michelson interferometer according to the invention with a rotating retroreflector and a beam splitter, which divides a light beam into two partial beams and this after
  • FIG. 2 shows an example of the insensitivity of the combined partial beams with respect to tilting of the beam splitter
  • FIG. 3 shows an example of the arrangement of light beam and reference laser beam when into the interferometer and after passing through the interferometer
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment with additional mirrors which guide the combined partial beams back into the retro-reflector
  • FIG. 5 shows the exemplary embodiment according to FIG. 4 in a top view and a side view, the beam path in the interferometer being subdivided into two partial progressions which lie in different planes,
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment, the beam path in the interferometer being subdivided into two partial progressions which are offset from one another within a plane,
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment with intersecting ray paths
  • FIGS. 8 to 12 show different embodiments with prism bodies for realizing mirrors and / or the beam splitter or for shortening optical path lengths.
  • FIGS 13 and 14 different embodiments with mutually perpendicular deflecting mirrors
  • FIG. 15 shows another embodiment with fixed retroreflectors
  • FIG. 1 shows a Michelson interferometer with a radiation source 1, from which a light beam 2 falls onto a beam splitter 3 at a predetermined angle.
  • the beam splitter 3 divides the light beam 2 in two equal amplitude Partial beams 4, 5, wherein the partial beam 4 reflected at the beam splitter 3 passes via two deflecting mirrors 6, 7 and the partial beam 5 transmitted by the beam splitter 3 via a deflecting mirror 8 into a retroreflector 9.
  • the retro-reflector 9 rotates eccentrically about an opposite to the triple point of the retroreflector 9 laterally offset axis of rotation 10.
  • the two partial beams 4 and 5 of the deflecting mirrors 6, 7, 8 mirror symmetry to the axis of rotation 10 and a parallel line 10 'under in each case the same angle of incidence ⁇ is introduced into the rotating retroreflector 9.
  • the deflecting mirrors 6, 7, 8 are furthermore arranged such that the optical path lengths of the partial beams 4, 5 from the beam splitter 3 to the retroreflector 9 are the same.
  • the retroreflector 9 reflects the partial beams 4, 5 at the same angle ⁇ , but with a parallel offset, so that the partial beams 4 ', 5' emerging from the rotating retroreflector 9 each describe an elliptical rotational movement.
  • the width of the ellipse of the rotational movement is dependent on the angle ⁇ , but not on the point of incidence.
  • the coming of the retroreflector 9 rotating partial beams 4 ', 5' are returned via the same deflection mirror 6, 7, 8 as the partial beams 4, 5 to the beam splitter 3.
  • the partial beams 11 united by the beam splitter 3 pass on the side facing away from the radiation source 1 to a focusing optics 12 in the form of a focusing mirror, which focuses the combined partial beams 11 onto a detector 13.
  • the eccentric rotational movement of the retroreflector 9 leads to an opposite change in the optical path lengths of the two partial beams 4 4 'and 5, 5' of the beam splitter 3 to the retroreflector 9 and back, so that in the union of the partial beams 4 4 'and 5, the fifth In the beam splitter 3 an interferogram is produced which represents the Fourier transform of the light beam 2 coming from the radiation source 1.
  • the Michelson interferometer shown is therefore useful for Fourier transform (FT) spectroscopy.
  • FT Fourier transform
  • the reference laser beam 16 is split in the same way as the light beam 2, but mirrored with respect to the beam splitter 3, into partial laser beams 17, 18 which run parallel or at least approximately congruent with the partial beams 4, 5.
  • the now rotating laser partial beams 17 ', 18' are again guided to the beam splitter 3 and combined there.
  • the combined laser partial beams 19 pass from the beam splitter 3 on the side facing away from the radiation source 1 side to a further focusing optics 20 in the form of a focusing mirror, which focuses the combined laser partial beams 19 on a laser detector 21.
  • the further focusing optics 20 likewise contains an opening 22 through which the radiation source 1 directs the light beam 2 onto the beam splitter 3.
  • the number of deflecting mirrors 6, 7 arranged in the course of the partial beam 4 '(partial laser beam 18') is larger or none by an odd number, in this case greater by one, than in the corresponding profile of the other partial beam 5 '.
  • the focusing mirrors 12, 20 shown other focusing optics, such as lenses, are also suitable.
  • Amplitude can be combined, the detector 13 and the
  • Laser partial beams 19 to the detector 13 ' which is arranged at the location of the laser detector 21, and vice versa.
  • An essential advantage of the interferometer according to the invention is also that possible tilting of both the deflecting mirrors 6, 7, 8 and of the beam splitter 3 has no effect on the partial beams 11, 11 'or laser partial beams 19, 19 combined by the beam splitter 3 ' to have. Since the incident in the rotating retroreflector 9 rays are reflected back from this in the same direction, angular errors that experience the rays on their way to the retroreflector 9 at the deflecting mirrors 6, 7, 8, in the return of the rays from the retroreflector 9 to the beam splitter 3 canceled again. In the case of an angular error of the beam splitter 3, as shown in FIG. 2, the combined partial beams 11 ' would maintain their direction, while the combined partial beams 11 would jointly experience the double angular error; the degree of coverage of the combined partial beams 11, 11' remains from the angular error of the beam splitter 3 unaffected.
  • the light beam 2 and the reference laser beam 16 can, as shown in FIG. 1, be introduced on respectively different sides of the beam splitter 3 into the interferometer. Alternatively, they can be introduced into the interferometer on one side of the beam splitter 3, wherein both beams 2 and 16 are non-overlapping and spatially separated from each other or wherein the laser beam 16 is coupled via a beam splitter in the beam path of the light beam 2 and after passing through the interferometer is decoupled again via another beam splitter.
  • the Light beam 2 is preferably guided so that it essentially hits the center of the rotating retroreflector 9 and also the other optical components (deflecting mirrors 6, 7, 8 and beam splitter 3) in the respective center, so that the aperture of the optical components is fully utilized becomes.
  • FIG. 3 shows, in this case, the light beam 2 and the reference laser beam 16, which is coupled laterally by the light beam 2 with this non-overlapping into the interferometer. Due to the decentralized position of the laser beam, the deflection in the critical center of the retroreflector 9 is avoided.
  • the partial beams 11, 11 'or partial laser beams 19, 19' combined after passing through the interferometer undergo a rotational movement along the dashed lines due to the rotating retroreflector 9.
  • the rotating beams 11 'and 19 can be focused separately on separate detectors.
  • the embodiment of the Michelson interferometer according to the invention shown in FIG. 4 differs from that according to FIG. 1 in that the combined rotating partial beams 11 are guided into the rotating retroreflector 9 parallel to the partial beam 5, 5 'via an additional mirror 23. Furthermore, the combined rotating laser partial beams 19 are guided via two further additional mirrors 24, 25 parallel to the partial laser beam 18, 18 'into the rotating retroreflector 9.
  • the number of additional mirrors 23 (or 24, 25) is selected such that the sum of the reflections of each partial beam or partial laser beam on the way from the retroreflector 9 via the (the) deflecting mirror 8 (6, 7) Beam splitter 3 and the (the) additional mirror 23 (24,25) is odd.
  • the combined sub-beams 11 (laser sub-beams 19) fed back into the retroreflector 9 via the additional mirror 23 (24, 25) are in the same direction as those of the rotating retro-reflector.
  • Reflector 9 coming partial beams 5 '(laser partial beams 18') rotate.
  • the partial beams 4, 5 or laser partial beams 17, 18 falling into the rotating retroreflector 9 describe an elliptical rotational movement on exiting the retro-reflector 9, the width of the ellipse not being dependent on the angle of incidence ⁇ Incidence is dependent.
  • the additional mirrors 23 and 24 are in the radiation path of the reference laser beam 16 and the light beam 2, they must be formed as a beam splitter.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the interferometer according to the invention in plan view (top) and side view (bottom), wherein the beam path in the interferometer is subdivided into two partial progressions which lie in different planes. This is achieved in that the straight line 10 ', with respect to which the two partial beams 4, 5 are guided mirror-symmetrically at the same angle ⁇ into the retro-reflector 9, opposite to the axis of rotation 10 of the retroreflector 9 perpendicular to that of the partial beams 4, 5 spanned level is offset.
  • the combined sub-beams 11 or laser sub-beams 19 coming from the beam splitter 3 are then spatially separated from the light beam 2 and the reference laser beam 16, so that the additional mirrors 23 and 24 can lie outside the light beam 2 or reference laser beam 16 and therefore no longer need to be transparent to them.
  • the light beam (2) and the reference laser beam (16) run in a common plane and impinge on the beam splitter (3) at different locations, thereby creating a spatial beam Separation of the incoming into the interferometer beams 2, 16 and from this outgoing beams 11, 19 is achieved.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment in which the beam path between the beam splitter 3 and the retroreflector 9 is guided over the deflecting mirrors 6, 7 in a crosswise manner to avoid too great angles of incidence at the deflecting mirrors 6 and 7.
  • the beam splitter 3 and the deflection mirror 6 are formed by prism faces of a prism body 28.
  • those prism surfaces through which rays enter or exit the prism body 28 are aligned perpendicular to the respective beams, so that radiation refraction is avoided and dispersion effects are reduced.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment in which the beam splitter 3 and the deflecting mirrors 6 and 7 are each formed by prism faces of a prism body 29 and, in order to reduce the size of the interferometer, the beam path partially runs crosswise.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment which, in contrast to the preceding exemplary embodiments, has only one single deflection mirror 30.
  • an element of an optically denser medium in this case a glass body 31 of predetermined length, is inserted so as to confound the optical path of the respective partial beam. longer and to adapt to the other of the other, guided over the deflection mirror 30 partial beam.
  • the embodiment shown in Figure 11 differs from that of Figure 10 in that the glass body 32 is formed as a prism body and one of its prism faces the beam splitter 3 forms.
  • the prism body 32 is designed in such a way that the beam coming from the retroreflector 9 undergoes the same refraction when it enters the prism body 32 as when exiting the prism body 32 at the prism area forming the beam splitter 3.
  • an additional prism body 33 is provided, which bears against the prism body 32, the adjoining prism faces of both prism bodies 32 and 33 forming the beam splitter 3. All prism surfaces through which rays enter or exit the prism bodies 32, 33 are aligned perpendicular to the respective beams.
  • FIG 13 differs from that of Figure 7 in that the deflecting mirrors 6 and 7 are aligned perpendicular to each other in the course of the partial beam 4 thereby form a 2-mirror reflector 36, its tilting about an axis perpendicular to the plane extending to no angle error in the course of the partial beam 4 leads. Only tilting the 2-mirror reflector 36 about an axis lying in the plane of the drawing leads to an angle error.
  • FIG. 15 shows an exemplary embodiment in which, in contrast to the preceding exemplary embodiments, in particular according to FIG. 1, the rotating retroreflector 9 does not direct the partial beams 4, 5 guided into it, but after prior reflection at two stationary retro-reflectors 34, 35 in the direction reflected back to the beam splitter 3.
  • the optical path length of the relevant sub-beam can be varied so as to be able to set equal path lengths in the interferometer for both sub-beams.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

Um bei einem Michelson-Interferometer die Abhängigkeit des Interferenzsignals von Winkelstellungen oder Verkippungen optischer Komponenten zu minimieren und dabei einen hohen Modulationsgrad zu erreichen, weist das Interferometer einen Strahlteiler (3) und einen rotierenden Retroreflektor (9) auf, dessen Rotationsachse (10) gegenüber seinem Tripelpunkt seitlich versetzt ist, wobei der Strahlteiler (3) einen von einer Strahlungsquelle (1) kommenden Lichtstrahl (2) in zwei Teilstrahlen (4, 5) aufteilt, die spiegelsymmetrisch zu einer zur Rotationsachse (10) parallelen Geraden (10') unter jeweils gleichem Winkel (a) in den rotierenden Retroreflektor (9) geführt werden, wobei der rotierende Retroreflektor (9) die in ihn geführten Teilstrahlen (4, 5) entweder unmittelbar oder nach Reflexion an zwei ortsfesten Retroreflektoren in Richtung zu dem Strahlteiler (3) zurück reflektiert, der die Teilstrahlen (4', 5') zum Empfang in einem Detektor (13) wieder vereinigt, und wobei im Verlauf zumindest eines der beiden Teilstrahlen (4') zwischen dem rotierenden Retroreflektor (9) und dem Strahlteiler (3) mindestens ein Umlenkspiegel (6, 7) angeordnet ist und im Verlauf des anderen Teilstrahls (5') eine um eine ungerade Zahl geringere Anzahl von Umlenkspiegeln (8) angeordnet ist, wobei die geringere Anzahl größer oder gleich Null ist.

Description

Beschreibung
Michelson-Interferometer
Aus der DE 41 36 300 Cl oder der DE 197 56 936 Cl ist ein Michelson-Interferometer bekannt, bei dem optische Wegdifferenzen mittels eines Retroreflektors (Tripelreflektors) erzeugt werden, dessen Rotationsachse gegenüber seinem Tripel- punkt seitlich versetzt ist. Ein Strahlteiler teilt einen von einer Strahlungsquelle kommenden Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen auf, die direkt oder mit Hilfe von Umlenkspiegeln spiegelsymmetrisch zur Rotationsachse des Retroreflektors unter jeweils gleichem Winkel in den Retroreflektor geleitet werden. Von dem Retroreflektor aus werden die Teilstrahlen auf ihnen zugeordnete Planspiegel reflektiert, welche die Teilstrahlen senkrecht in den rotierenden Retroreflektor zurückreflektieren. Von dem Retroreflektor aus gelangen die Teilstrahlen, ggf. über die Umlenkspiegel, wieder zu dem Strahlteiler, der die Teilstrahlen vereinigt und zur Inter- ferenz bringt. Die interferierenden Teilstrahlen werden einem Detektor zur Erzeugung eines Interferenzsignals zugeführt.
Die exakte Vereinigung der Teilstrahlen und damit die Qualität des Interferenzsignals sind sehr empfindlich gegenüber Winkeländerungen (Verkippungen) der beiden Planspiegel, die exakt senkrecht zu den von dem Retroreflektor auf sie reflektierten Teilstrahlen ausgerichtet sein müssen. Daher sind in der Regel Mittel zur Justierung der Planspiegel erforderlich, was mit einem entsprechend hohen konstruktiven Aufwand ver- bunden ist.
Aus der bereits genannten DE 197 56 936 Cl ist es bekannt, anstelle der Planspiegel ortsfeste Retroreflektoren vorzusehen, bei denen Winkeländerungen (Verkippungen) vergleichs- weise unkritisch sind, weil sie einfallende Strahlen immer senkrecht zurück reflektieren. Allerdings kommt es zwischen den einfallenden und zurückreflektierten Strahlen zu einem Versatz, so dass eine Fokussieroptik benötigt wird, um die zur Interferenz zu bringenden Teilstrahlen zu vereinigen und einen akzeptablen Modulationsgrad zu erreichen.
Aus der EP 0 034 325 Bl ist ein Michelson-Interferometer be- kannt, bei dem die optischen Wegdifferenzen mittels eines oder zweier Retroreflektoren erzeugt werden, die pendelnd gelagert sind und dabei vor und zurück schwingen. Bei entsprechender Dimensionierung des Strahlteilers bzw. genügend kleiner Pendelbewegung kann auf die Anordnung der rückreflek- tierenden winkelempfindlichen Planspiegel verzichtet werden; d. h. die von dem Strahlteiler in den vor und zurück pendelnden Retroreflektor geführten Teilstrahlen werden von diesem unmittelbar in Richtung zu dem Strahlteiler zurück reflektiert .
Gegenüber der Pendellagerung des Retroreflektors hat die Verwendung eines rotierenden Retroreflektors den Vorteil, dass die Rotationsbewegung leicht mit höheren Frequenzen realisiert werden kann und damit höhere Messraten möglich sind. Weiterhin ist eine Rotationsbewegung weniger anfällig auf Erschütterungen und Vibrationen als eine Pendelbewegung. Diese Vorteile sind vor allem beim Einsatz des Interferometers in rauher Umgebung, z. B. in der Prozessmesstechnik, von Bedeutung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Michelson- Interferometer mit rotierendem Retroreflektor die Abhängigkeit des Interferenzsignals von Winkelstellungen oder Verkippungen optischer Komponenten zu minimieren und dabei einen hohen Modulationsgrad, also eine hohe Deckung der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen, zu erreichen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Michelson- Interferometer mit einem Strahlteiler und einem rotierenden Retroreflektor gelöst, dessen Rotationsachse gegenüber seinem Tripelpunkt seitlich versetzt ist,
- wobei der Strahlteiler einen von einer Strahlungsquelle kommenden Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufteilt, die spiegelsymmetrisch zu einer zur Rotationsachse parallelen Geraden unter jeweils gleichem Winkel in den rotierenden Retroreflektor geführt werden,
- wobei der rotierende Retroreflektor die in ihn geführten Teilstrahlen entweder unmittelbar oder nach Reflexion an zwei ortsfesten Retroreflektoren in Richtung zu dem Strahlteiler zurück reflektiert, der die Teilstrahlen zum Empfang in einem Detektor wieder vereinigt, und
- wobei im Verlauf zumindest eines der beiden Teilstrahlen zwischen dem rotierenden Retroreflektor und dem Strahltei- ler mindestens ein Umlenkspiegel angeordnet ist und im Verlauf des anderen Teilstrahls eine um eine ungerade Zahl geringere Anzahl von Umlenkspiegeln angeordnet ist, wobei die geringere Anzahl größer oder gleich Null ist.
Die in den rotierenden Retroreflektor fallenden Teilstrahlen beschreiben beim Austritt aus dem Retroreflektor eine elliptische Rotationsbewegung, wobei die Weite der Ellipse von dem Einfallswinkel nicht aber von dem Einfallsort abhängig ist. Diese Rotationsbewegung der Teilstrahlen wird wieder aufge- hoben, wenn die rotierenden Teilstrahlen über Planspiegel in den Retroreflektor zurückgespiegelt werden, so wie dies aus der DE 41 36 300 Cl oder der DE 197 56 936 Cl bekannt ist. Diese Planspiegel sind jedoch bei dem erfindungsgemäßen Interferometer wegen ihres störenden Einflusses auf das Interferenzsignal nicht vorgesehen; statt dessen werden die in den rotierenden Retroreflektor geführten Teilstrahlen entweder unmittelbar oder nach Reflexion an zwei ortsfesten Retroreflektoren in Richtung zu dem Strahlteiler zurück reflektiert. Dadurch bleibt jedoch die elliptische Rotations- bewegung der Teilstrahlen erhalten. Um die Teilstrahlen später exakt zur Deckung zu bringen und einen hohen Modulationsgrad zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Teilstrahlen bei ihrer Vereinigung gleichsinnig rotieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die von dem rotierenden Retroreflektor kommenden Teilstrahlen bis zu ihrer Vereinigung jeweils dieselbe Anzahl von Reflexionen erfahren. Da nur einer der Teilstrahlen an dem Strahlteiler reflektiert wird, während der andere Teilstrahl durch den Strahlteiler hindurch tritt, ist erfindungsgemäß im Verlauf zumindest eines der beiden Teilstrahlen zwischen dem rotierenden Retroreflektor und dem Strahlteiler mindestens ein Umlenkspiegel und im Verlauf des anderen Teilstrahls eine um eine ungerade Zahl geringere Anzahl von Umlenkspiegeln angeordnet, wobei die ge- ringere Anzahl größer oder gleich Null ist. Im einfachsten Fall ist also nur ein Umlenkspiegel vorhanden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Interferome- ters besteht auch darin, dass mögliche Verkippungen sowohl der Umlenkspiegel als auch des Strahlteilers keine Auswirkung auf den Deckungsgrad der von dem Strahlteiler vereinigten Teilstrahlen haben.
Die vom Strahlteiler vereinigten rotierenden Teilstrahlen können mittels einer Fokussieroptik (z. B. Spiegel oder Linse) auf den Detektor fokussiert werden, wobei die Fokussieroptik vorzugsweise eine Öffnung enthält, durch die hindurch ein Referenz-Laserstrahl auf den Strahlteiler gerichtet ist, der den Referenz-Laserstrahl in zwei das Interferometer durchlaufende Laser-Teilstrahlen aufteilt. In entsprechender Weise können dann die nach Durchlaufen des Interferometers von dem Strahlteiler vereinigten rotierenden Laser-Teilstrahlen mittels einer weiteren Fokussieroptik auf einen Laserdetektor fokussiert werden, wobei die weitere Fokussieroptik eine Öffnung enthält, durch die hindurch der Lichtstrahl der Strahlungsquelle auf den Strahlteiler gerichtet ist. Das Kalibrieren eines Interferometers mittels eines Lasers, dessen Laserstrahl in die Strahlungswege des Interferometers eingekoppelt und nach deren Durchlaufen anschließend mit einem Laserdetektor erfasst wird, ist beispielsweise aus der US 5,341,207 bekannt.
Der Lichtstrahl und der Referenz-Laserstrahl können anstelle von jeweils unterschiedlichen Seiten des Strahlteilers auch gemeinsam auf einer Seite des Strahlteilers in das Interfero- meter eingeleitet werden. Dabei wird der Lichtstrahl vorzugsweise derart in das Interferometer eingeleitet wird, dass er im Wesentlichen in das Zentrum des rotierenden Retroreflek- tors trifft; der Referenz-Laserstrahl wird seitlich von dem Lichtstrahl mit diesem nicht überlappend in das Interfero- meter eingekoppelt, und die nach Durchlaufen des Interfero- meters von dem Strahlteiler vereinigten Teilstrahlen bzw. Laser-Teilstrahlen werden mittels einer Fokussieroptik auf separate Detektoren fokussiert. Auf diese Weise wird für den Lichtstrahl die Apertur der optischen Komponenten des Inter- ferometers vollständig ausgenutzt, während für den Referenz- Laserstrahl die Umlenkung in dem kritischen Mittelpunkt des Retroreflektors vermieden wird.
Die Rotationsbewegung der vom Strahlteiler vereinigten Teilstrahlen bzw. Laser-Teilstrahlen kann in vorteilhafter Weise wieder aufgehoben werden, indem sie über mindestens einen zusätzlichen Spiegel parallel zu einem der von dem rotierenden Retroreflektor kommenden Teilstrahlen in den rotierenden Retroreflektor gelenkt und erst nach dem Austritt aus diesem zu dem Detektor bzw. Laserdetektor geführt werden, wobei die Anzahl der zusätzlichen Spiegel so gewählt ist, dass die Summe der Reflexionen jedes Teilstrahls bzw. Laser-Teilstrahls auf dem Weg von dem Retroreflektor über die gegebenenfalls vorhandenen Umlenkspiegel, den Strahlteiler und den mindestens einen zusätzlichen Spiegel ungerade ist. Wie oben bereits erwähnt, beschreiben die in den rotierenden Retro- reflektor fallenden Teilstrahlen beim Austritt aus dem Retro- reflektor eine elliptische Rotationsbewegung, wobei die Weite der Ellipse von dem Einfallswinkel nicht aber von dem Einfallsort abhängig ist. Wenn also die in den Retroreflektor zurückgeführten vereinigten Teilstrahlen bzw. Laser-Teilstrahlen parallel zu den von dem rotierenden Retroreflektor kommenden Teilstrahlen sind, mit diesen gleichsinnig rotieren und die gleiche Weite der Rotationsellipse aufweisen, werden sie von dem rotierenden Retroreflektor in einen nichtrotierenden Lichtstrahl bzw. Laserstrahl vereinigt, der dann ohne Fokussieroptik von dem Detektor bzw. Laserdetektor erfasst werden kann. Damit die in den Retroreflektor zurückgeführten vereinigten Teilstrahlen bzw. Laser-Teilstrahlen gleichsinnig mit den von dem rotierenden Retroreflektor kommenden Teilstrahlen rotieren, muss die Summe der Reflexionen jedes Teilstrahls bzw. Laser-Teilstrahls auf dem Weg von dem Retro- reflektor über die gegebenenfalls vorhandenen Umlenkspiegel, den Strahlteiler und den mindestens einen zusätzlichen Spiegel ungerade sein.
Von den die vereinigten Teilstrahlen bzw. Laser-Teilstrahlen in den rotierenden Retroreflektor lenkenden zusätzlichen Spiegeln liegt einer im Strahlungsweg zwischen dem Strahlteiler und der Strahlungsquelle bzw. dem Detektor, weswegen der betreffende zusätzliche Spiegel als Strahlteiler ausgebildet sein muss. Alternativ kann vorgesehen werden, dass die Gerade, bezüglich derer die beiden Teilstrahlen spiegelsymmetrisch unter jeweils gleichem Winkel in den rotierenden Retroreflektor geführt werden, gegenüber der Rotationsachse des Retroreflektors senkrecht zu der von den Teilstrahlen aufgespannten Ebene versetzt ist. Dadurch wird der Strahlenverlauf in dem Interferometer in zwei Teilverläufe unterteilt, die in zwei unterschiedlichen Ebenen liegen. Die von dem Strahlteiler kommenden vereinigten Teilstrahlen bzw. Laser-Teilstrahlen sind dann beispielsweise gegenüber dem Lichtstrahl von der Strahlungsquelle zu dem Strahlteiler räumlich getrennt, so dass der die vereinigten Teilstrahlen bzw. Laser-Teilstrahlen in den rotierenden Retroreflektor lenkende zusätzliche Spiegel außerhalb des Lichtstrahl von der Strahlungsquelle zu dem Strahlteiler liegen kann und daher für diesen nicht mehr transparent sein muss.
Die räumliche Trennung der in das Interferometer ein- und aus diesem auslaufenden Strahlen kann statt in zwei Ebenen auch durch Strahlversatz in einer Ebene erreicht werden, wobei der Lichtstrahl und der Referenz-Laserstrahl innerhalb der Ebene an verschiedenen Stellen auf den Strahlteiler treffen.
Die Spiegel und/oder der Strahlteiler des erfindungsgemäßen Interferometers können in an sich bekannter Weise jeweils von Prismenflächen eines oder mehrerer Prismenkörper gebildet werden, wobei der Strahlteiler vorzugsweise von aneinander anliegenden Prismenflächen zweier Prismenkörper gebildet wird. Diejenigen Prismenflächen, durch die Strahlen in den Prismenkörper ein- oder austreten, sind dabei vorzugsweise senkrecht zu den betreffenden Strahlen ausgerichtet, so dass Strahlungsbrechungen vermieden und Dispersionseffekte reduziert werden. Als Retroreflektoren kommen Tripelspiegel, als Vollprismen ausgebildete Kubusecken, Katzenaugen in Spiegel- oder Linsenausführung sowie Dachkantspiegel oder -prismen infrage .
Um aufgrund von Verkippungen der Umlenkspiegel Winkelfehler im Verlauf der Teilstrahlen zu vermeiden, sind die Umlenk- Spiegel in den Teilstrahlenverläufen jeweils senkrecht in der Weise senkrecht zueinander angeordnet, dass im Verlauf des einen Teilstrahls ein 2-Spiegel-Reflektor mit zwei rechtwinklig zueinander ausgerichteten Umlenkspiegeln und im Verlauf des anderen Teilstrahls ein planer Umlenkspiegel angeordnet ist, oder dass im Verlauf des einen Teilstrahls ein Retro- reflektor mit drei rechtwinklig zueinander ausgerichteten Umlenkspiegeln und im Verlauf des anderen Teilstrahls ein 2- Spiegel-Reflektor mit zwei rechtwinklig zueinander ausgerichteten Umlenkspiegeln angeordnet ist.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Michelson-Interferometers erläutert; dabei zeigen im Einzelnen :
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Michelson-Interferometers mit einem rotierenden Retroreflektor und einem Strahlteiler, der einen Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufteilt und diese nach
Durchlaufen des Interferometers wieder vereinigt,
Figur 2 ein Beispiel für die Unempfindlichkeit der vereinigten Teilstrahlen in Bezug auf Verkippungen des Strahlteilers,
Figur 3 ein Beispiel für die Anordnung von Lichtstrahl und Referenz-Laserstrahl bei Ein- leitung in das Interferometer und nach Durchlaufen des Interferometers,
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zusätzlichen Spiegeln, die die vereinigten Teilstrahlen nochmals zurück in den Retro- reflektor leiten,
Figur 5 das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 in Draufsicht und Seitenansicht, wobei der der Strahlenverlauf in dem Interferometer in zwei Teilverläufe unterteilt ist, die in unterschiedlichen Ebenen liegen,
Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Strahlenverlauf in dem Interferometer in zwei Teilverläufe unterteilt, die innerhalb einer Ebene gegeneinander versetzt sind,
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit sich kreuzenden Strahlenverläufen,
Figuren 8 bis 12 unterschiedliche Ausführungsbeispiele mit Prismenkörpern zur Realisierung von Spiegeln und/oder des Strahlteilers oder zur Verkürzung optischer Weglängen,
Figuren 13 und 14 unterschiedliche Ausführungsbeispiele mit rechtwinklig zueinander angeordneten Umlenkspiegeln, und
Figur 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit ortsfesten Retroreflektoren,
Figur 1 zeigt ein Michelson-Interferometer mit einer Strahlungsquelle 1, von der aus ein Lichtstrahl 2 unter einem vorgegebenen Winkel auf einen Strahlteiler 3 fällt. Der Strahlteiler 3 teilt den Lichtstrahl 2 in zwei amplitudengleiche Teilstrahlen 4, 5 auf, wobei der an dem Strahlteiler 3 reflektierte Teilstrahl 4 über zwei Umlenkspiegel 6, 7 und der von dem Strahlteiler 3 durchgelassene Teilstrahl 5 über einen Umlenkspiegel 8 in einen Retroreflektor 9 gelangt. Der Retro- reflektor 9 rotiert exzentrisch um eine gegenüber dem Tripel- punkt des Retroreflektors 9 seitlich versetzte Rotationsachse 10. Die beiden Teilstrahlen 4 und 5 werden von den Umlenkspiegeln 6, 7, 8 spiegelsymmetrisch zur Rotationsachse 10 bzw. einer dazu parallelen Geraden 10' unter jeweils gleichem Einfallswinkel α in den rotierenden Retroreflektor 9 eingeleitet. Die Umlenkspiegel 6, 7, 8 sind ferner derart angeordnet, dass die optischen Weglängen der Teilstrahlen 4, 5 von dem Strahlteiler 3 zu dem Retroreflektor 9 gleich sind. Der Retroreflektor 9 reflektiert die Teilstrahlen 4, 5 unter jeweils demselben Winkel α, aber mit einem Parallelversatz, so dass die aus dem rotierenden Retroreflektor 9 austretenden Teilstrahlen 4', 5' jeweils eine elliptische Rotationsbewegung beschreiben. Die Weite der Ellipse der Rotationsbewegung ist von dem Winkel α, nicht aber von dem Einfallsort, abhän- gig. Die von dem Retroreflektor 9 kommenden rotierenden Teilstrahlen 4', 5' werden über dieselben Umlenkspiegel 6, 7, 8 wie die Teilstrahlen 4, 5 zu dem Strahlteiler 3 zurückgeführt. Die von dem Strahlteiler 3 vereinigten Teilstrahlen 11 gelangen auf der von der Strahlungsquelle 1 abgewandten Seite zu einer Fokussieroptik 12 in Form eines Fokussierspiegels, der die vereinigten Teilstrahlen 11 auf einen Detektor 13 fokussiert .
Die exzentrische Drehbewegung des Retroreflektors 9 führt zu einer gegensinnigen Änderung der optischen Weglängen der beiden Teilstrahlen 4 4' und 5, 5' von dem Strahlteiler 3 zu dem Retroreflektors 9 und zurück, so dass bei der Vereinigung der Teilstrahlen 4 4' und 5, 5' in dem Strahlteiler 3 ein Inter- ferogramm entsteht, welches die Fourier-Transformierte des von der Strahlungsquelle 1 kommenden Lichtstrahls 2 darstellt. Das gezeigte Michelson-Interferometer ist daher für die Fourier-Transform- (FT-) Spektroskopie verwendbar. Spiegelsymmetrisch zu dem Strahlteiler 3 ist hinter der Fokussieroptik 12 ein Laser 14 angeordnet, der durch eine Öffnung 15 in der Fokussieroptik 12 einen Referenz-Laserstrahl 16 auf den Strahlteiler 3 richtet. Der Referenz- Laserstrahl 16 wird derselben Weise wie der Lichtstrahl 2, aber in Bezug auf den Strahlteiler 3 gespiegelt, in Laser- Teilstrahlen 17, 18 aufgeteilt, die parallel oder zumindest annähernd deckungsgleich mit den Teilstrahlen 4, 5 verlaufen. Nach Reflexion in dem Retroreflektor 9 werden die jetzt rotierenden Laser-Teilstrahlen 17', 18' wieder zu dem Strahlteiler 3 geführt und dort vereinigt. Die vereinigten Laser- Teilstrahlen 19 gelangen von dem Strahlteiler 3 auf der von der Strahlungsquelle 1 abgewandten Seite zu einer weiteren Fokussieroptik 20 in Form eines Fokussierspiegels, der die vereinigten Laser-Teilstrahlen 19 auf einen Laserdetektor 21 fokussiert. Die weitere Fokussieroptik 20 enthält ebenfalls eine Öffnung 22 durch die hindurch die Strahlungsquelle 1 den Lichtstrahl 2 auf den Strahlteiler 3 richtet.
Um die von dem Retroreflektor 9 kommenden rotierenden Teilstrahlen 4', 5' bzw. Laser-Teilstrahlen 17', 18' in dem Strahlteiler 3 exakt zur Deckung zu bringen und einen hohen Modulationsgrad zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Teilstrahlen 4', 5' (Laser-Teilstrahlen 17', 18') bei ihrer Vereinigung gleichsinnig rotieren. Dies wird dadurch erreicht, dass die von dem rotierenden Retroreflektor 9 kommenden Teilstrahlen 4', 5' (Laser-Teilstrahlen 17', 18') bis zu ihrer Vereinigung jeweils dieselbe Anzahl von Reflexionen erfahren. Da bezogen auf den Detektor 13 nur der Teilstrahl 5' (bezogen auf den Laserdetektor 21 nur der Laser-Teilstrahl 18') an dem Strahlteiler 3 reflektiert wird, während der jeweils andere Teilstrahl 4' (Laser-Teilstrahl 17') durch den Strahlteiler 3 hindurch tritt, ist die Anzahl der im Verlauf des Teilstrahls 4' (Laser-Teilstrahls 18') angeordneten Um- lenkspiegel 6, 7 um eine ungerade Zahl größer oder keiner, hier um Eins größer, als in dem entsprechenden Verlauf des anderen Teilstrahls 5' (Laser-Teilstrahls 17') . Anstelle der gezeigten Fokussierspiegel 12, 20 kommen auch andere Fokussieroptiken, wie z.B. Linsen, infrage.
Da die Teilstrahlen 4', 5' bzw. Laser-Teilstrahlen 17', 18' auf beiden Seiten des Strahlteilers 3 jeweils mit halber
Amplitude vereinigt werden können der Detektor 13 und der
Laserdetektor 21 vertauscht werden. In Figur 1 verlaufen dann die vereinigten Teilstrahlen 11' anstelle der vereinigten
Laser-Teilstrahlen 19 zu dem Detektor 13', der an der Stelle des Laserdetektors 21 angeordnet ist, und umgekehrt.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Interferome- ters besteht auch darin, dass mögliche Verkippungen sowohl der Umlenkspiegel 6, 7, 8 als auch des Strahlteilers 3 keine Auswirkung auf die von dem Strahlteiler 3 vereinigten Teilstrahlen 11, 11' bzw. Laser-Teilstrahlen 19, 19' haben. Da die in den rotierenden Retroreflektor 9 einfallenden Strahlen von diesem in der gleichen Richtung zurückreflektiert werden, werden Winkelfehler, die die Strahlen auf ihrem Weg zu dem Retroreflektor 9 an den Umlenkspiegeln 6, 7, 8 erfahren, beim Rücklauf der Strahlen von dem Retroreflektor 9 zu dem Strahlteiler 3 wieder aufgehoben. Im Falle eines Winkelfehlers des Strahlteilers 3 würden, wie Figur 2 zeigt, die vereinigten Teilstrahlen 11' ihre Richtung beibehalten, während die ver- einigten Teilstrahlen 11 gemeinsam den doppelten Winkelfehler erfahren würden, der Deckungsgrad der vereinigten Teilstrahlen 11, 11' bleibt von dem Winkelfehler des Strahlteilers 3 unbeeinflusst .
Der Lichtstrahl 2 und der Referenz-Laserstrahl 16 können, wie in Figur 1 gezeigt, auf jeweils unterschiedlichen Seiten des Strahlteilers 3 in das Interferometer eingeleitet werden. Sie können aber auch alternativ auf einer Seite des Strahlteilers 3 in das Interferometer eingeleitet werden, wobei beide Strahlen 2 und 16 nichtüberlappend und somit räumlich voneinander getrennt sind oder wobei der Laserstrahl 16 über einen Strahlteiler in den Strahlengang des Lichtstrahls 2 eingekoppelt und nach Durchlaufen des Interferometers über einen weiteren Strahlteiler wieder ausgekoppelt wird. Der Lichtstrahl 2 wird vorzugsweise so geführt, dass er im Wesentlichen in das Zentrum des rotierenden Retroreflektors 9 trifft und auch die anderen optischen Komponenten (Umlenkspiegel 6, 7, 8 und Strahlteiler 3) im jeweiligen Zentrum passiert, so dass die Apertur der optischen Komponenten vollständig ausgenutzt wird.
Figur 3 zeigt für diesen Fall den Lichtstrahl 2 und den Referenz-Laserstrahl 16, der seitlich von dem Lichtstrahl 2 mit diesem nicht überlappend in das Interferometer eingekoppelt wird. Durch die dezentrale Position des Laserstrahls wird die Umlenkung in dem kritischen Mittelpunkt des Retroreflektors 9 vermieden. Wie Figur 3 ferner zeigt, erfahren die nach Durchlaufen des Interferometers vereinigten Teil- strahlen 11, 11' bzw. Laser-Teilstrahlen 19, 19' aufgrund des rotierenden Retroreflektors 9 eine Rotationsbewegung entlang der gestrichelten Linien. Mittels eines Parabolspiegels ähnlich der in Figur 1 gezeigten Fokussieroptiken 12, 20 können die rotierenden Strahlen 11' und 19 (oder 11 und 19') voneinander getrennt auf separate Detektoren fokussiert werden .
Das in Figur 4 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Michelson-Interferometers unterscheidet sich von dem nach Figur 1 dadurch, dass die vereinigten rotierenden Teilstrahlen 11 über einen zusätzlichen Spiegel 23 parallel zu dem Teilstrahl 5, 5' in den rotierenden Retroreflektor 9 geleitet werden. Weiterhin werden die vereinigten rotierenden Laser-Teilstrahlen 19 über zwei weitere zusätzliche Spiegel 24, 25 parallel zu dem Laser-Teilstrahl 18, 18' in den rotierenden Retroreflektor 9 geleitet. Die Anzahl der zusätzlichen Spiegel 23 (bzw. 24, 25) ist dabei so gewählt, dass die Summe der Reflexionen jedes Teilstrahls bzw. Laser-Teilstrahls auf dem Weg von dem Retroreflektor 9 über den (die) Umlenkspiegel 8 (6, 7) den Strahlteiler 3 und den (die) zusätzlichen Spiegel 23 (24,25) ungerade ist. Dies führt dazu, dass die in den Retroreflektor 9 über den (die) zusätzlichen Spiegel 23 (24, 25) zurückgeführten vereinigten Teilstrahlen 11 (Laser-Teilstrahlen 19) gleichsinnig mit den von dem rotierenden Retro- reflektor 9 kommenden Teilstrahlen 5' (Laser-Teilstrahlen 18') rotieren. Wie bereits erwähnt, beschreiben die in den rotierenden Retroreflektor 9 fallenden Teilstrahlen 4, 5, bzw. Laser-Teilstrahlen 17, 18 beim Austritt aus dem Retro- reflektor 9 eine elliptische Rotationsbewegung, wobei die Weite der Ellipse von dem Einfallswinkel α nicht aber von dem Einfallsort abhängig ist. Wenn also die in den Retroreflektor 9 zurückgeführten vereinigten Teilstrahlen 11 bzw. Laser- Teilstrahlen 19 parallel zu den von dem rotierenden Retro- reflektor 9 kommenden Teilstrahlen 5' bzw. Laser-Teilstrahlen 18' sind, mit diesen gleichsinnig rotieren und die gleiche Weite der Rotationsellipse aufweisen, werden sie von dem rotierenden Retroreflektor 9 in einen nichtrotierenden Lichtstrahl 26 bzw. Laserstrahl 27 vereinigt, der dann einfacher auf den jeweiligen Detektor bzw. Laserdetektor (hier nicht gezeigt) fokussiert werden kann, als im Falle eines rotierenden Strahls.
Da die zusätzlichen Spiegel 23 und 24 im Strahlungsweg des Referenz-Laserstrahls 16 bzw. des Lichtstrahls 2 liegen, müssen sie als Strahlteiler ausgebildet sein.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Interferometers in Draufsicht (oben) und Seitenansicht (un- ten) , wobei der der Strahlenverlauf in dem Interferometer in zwei Teilverläufe unterteilt ist, die in unterschiedlichen Ebenen liegen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Gerade 10', bezüglich derer die beiden Teilstrahlen 4, 5 spiegelsymmetrisch unter jeweils gleichem Winkel α in den Retro- reflektor 9 geführt werden, gegenüber der Rotationsachse 10 des Retroreflektors 9 senkrecht zu der von den Teilstrahlen 4, 5 aufgespannten Ebene versetzt ist. Die von dem Strahlteiler 3 kommenden vereinigten Teilstrahlen 11 bzw. Laser-Teilstrahlen 19 sind dann gegenüber dem Lichtstrahl 2 und dem Referenz-Laserstrahl 16 räumlich getrennt, so dass die zusätzlichen Spiegel 23 und 24 außerhalb des Lichtstrahls 2 bzw. Referenz-Laserstrahls 16 liegen können und daher für diese nicht mehr transparent sein müssen. Bezogen auf Figur 1 bedeutet dies, dass die Fokussieroptiken 12, 20 keine Öffnun- gen 15, 22 benötigen, sondern in einer anderen Ebene als die des Lichtstrahls 2 und des Referenz-Laserstrahls 16 angeordnet sein können.
Bei der in Figur 6 gezeigten Ausführungsvariante verlaufen der Lichtstrahl (2) und der Referenz-Laserstrahl (16) im Unterschied zu dem Beispiel nach Figur 5 in einer gemeinsamen Ebene und treffen an verschiedenen Stellen auf den Strahlteiler (3), so dass dadurch eine räumliche Trennung der in das Interferometer einlaufenden Strahlen 2, 16 und aus diesem auslaufenden Strahlen 11, 19 erreicht wird.
Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zur Vermeidung zu großer Einfallswinkel an den Umlenkspiegeln 6 und 7 der Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 3 und dem Retroreflek- tor 9 über die Umlenkspiegel 6, 7 über Kreuz geführt ist.
Bei dem in Figur 8 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Strahlteiler 3 und der Umlenkspiegel 6 von Prismenflächen eines Prismenkörpers 28 gebildet. Mit Ausnahme des Strahlteilers 3 sind diejenigen Prismenflächen, durch die Strahlen in den Prismenkörper 28 ein- oder austreten, senkrecht zu den betreffenden Strahlen ausgerichtet, so dass Strahlungsbrechungen vermieden und Dispersionseffekte reduziert werden.
Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Strahlteiler 3 und die Umlenkspiegel 6 und 7 jeweils von Prismenflächen eines Prismenkörpers 29 gebildet sind und zur Verringerung der Baugröße des Interferometers der Strahlengang teilweise über Kreuz verläuft.
Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen nur einen einzigen Umlenkspiegel 30 aufweist. Außerdem ist im Strahlenweg des kürzeren der beiden Teilstrahlen von dem Strahlteiler 3 zu dem Retroreflektor 9 ein Element aus einem optisch dichteren Medium, hier ein Glaskörper 31 vorgegebener Länge, eingefügt, um so den optischen Weg des betreffenden Teilstrahls zu ver- längern und an den des anderen, über den Umlenkspiegel 30 geführten Teilstrahls anzupassen.
Das in Figur 11 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem nach Figur 10 dadurch, dass der Glaskörper 32 als Prismenkörper ausgebildet ist und eine seiner Prismenflächen den Strahlteiler 3 bildet. Zur Reduzierung von Dispersionseffekten ist der Prismenkörper 32 derart ausgebildet, dass der von dem Retroreflektor 9 kommende Strahl beim Ein- tritt in den Prismenkörper 32 dieselbe Brechung erfährt wie bei seinem Austritt aus dem Prismenkörper 32 an der den Strahlteiler 3 bildenden Prismenfläche.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 12 ist zur Reduzierung des Dispersionsproblems ein zusätzlicher Prismenkörper 33 vorhanden, der an dem Prismenkörper 32 anliegt, wobei die aneinander anliegenden Prismenflächen beider Prismenkörper 32 und 33 den Strahlteiler 3 bilden. Alle Prismenflächen, durch die Strahlen in die Prismenkörper 32, 33 ein- oder austreten, sind senkrecht zu den betreffenden Strahlen ausgerichtet.
Das in Figur 13 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem nach Figur 7 dadurch, dass die Umlenkspiegel 6 und 7 im Verlauf des Teilstrahls 4 rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind dabei einen 2-Spiegel-Reflektor 36 bilden, dessen Verkippen um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse zu keinem Winkelfehler im Verlauf des Teilstrahls 4 führt. Erst ein Kippen des 2-Spiegel-Reflektors 36 um eine in der Zeichenebene liegende Achse führt zu einem Winkel- fehler.
Um die Winkelfehler für beide Teilstrahlen 4 und 5 zu minimieren, sind entsprechend dem in Figur 14 gezeigten Ausführungsbeispiel im Verlauf des Teilstrahls 4 drei in Form eines Retroreflektors 37 rechtwinklig zueinander ausgerichtete Umlenkspiegel 38, 39, 40 angeordnet, während im Verlauf des anderen Teilstrahls 5 ein 2-Spiegel-Reflektor 41 mit zwei rechtwinklig zueinander ausgerichteten Umlenkspiegel 42 und 43 angeordnet ist. Schließlich zeigt Figur 15 ein Ausführungsbeispiel, bei dem im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, insbesondere nach Figur 1, der rotierende Retroreflektor 9 die in ihn geführten Teilstrahlen 4, 5 nicht unmittelbar sondern nach vorheriger Reflexion an zwei ortsfesten Retro- reflektoren 34, 35 in Richtung zu dem Strahlteiler 3 zurück reflektiert. Durch Verschieben eines der beiden ortsfesten Retroreflektoren 34, 35 kann die optische Weglänge des be- treffenden Teilstrahl variiert werden, um so in dem Inter- ferometer für beide Teilstrahlen gleiche Weglängen einstellen zu können.

Claims

Patentansprüche
1. Michelson-Interferometer mit einem Strahlteiler (3) und einem rotierenden Retroreflektor (9), dessen Rotationsachse (10) gegenüber seinem Tripelpunkt seitlich versetzt ist,
- wobei der Strahlteiler (3) einen von einer Strahlungsquelle
(1) kommenden Lichtstrahl (2) in zwei Teilstrahlen (4, 5) aufteilt, die spiegelsymmetrisch zu einer zur
Rotationsachse (10) parallelen Geraden (10') unter jeweils gleichem Winkel (α) in den rotierenden Retroreflektor (9) geführt werden,
- wobei der rotierende Retroreflektor (9) die in ihn geführten Teilstrahlen (4, 5) entweder unmittelbar oder nach Reflexion an zwei ortsfesten Retroreflektoren (34, 35) in Richtung zu dem Strahlteiler (3) zurück reflektiert, der die Teilstrahlen (4', 5') zum Empfang in einem Detektor (13) wieder vereinigt, und
- wobei im Verlauf zumindest eines der beiden Teilstrahlen
(4') zwischen dem rotierenden Retroreflektor (9) und dem Strahlteiler (3) mindestens ein Umlenkspiegel (6, 7; 30) angeordnet ist und im Verlauf des anderen Teilstrahls (5') eine um eine ungerade Zahl geringere Anzahl von Umlenkspiegeln (8) angeordnet ist, wobei die geringere Anzahl größer oder gleich Null ist.
2. Michelson-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vereinigten Teilstrahlen (11) mittels einer Fokussieroptik (12) auf den Detektor (13) fokussiert werden und dass die Fokussieroptik (12) eine Öffnung (15) enthält, durch die hindurch ein Referenz-Laserstrahl (16) auf den Strahlteiler (3) gerichtet ist und von diesem in zwei das
Interferometer durchlaufende Laser-Teilstrahlen (17, 18) aufgeteilt wird.
3. Michelson-Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nach Durchlaufen des Interferometers von dem Strahlteiler (3) vereinigten Laser-Teilstrahlen (19) mittels einer weiteren Fokussieroptik (20) auf einen Laserdetektor (21) fokussiert werden und dass die weitere Fokussier- optik (20) eine Öffnung (22) enthält, durch die hindurch der Lichtstrahl (2) auf den Strahlteiler (3) gerichtet ist.
4. Michelson-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Lichtstrahl (2) derart in das Interfero- meter eingeleitet wird, dass er im Wesentlichen in das Zentrum des rotierenden Retroreflektors (9) trifft, dass der Referenz-Laserstrahl (16) seitlich von dem Lichtstrahl (2) mit diesem nicht überlappend in das Interferometer einge- koppelt wird und dass die nach Durchlaufen des Interfero- meters von dem Strahlteiler (3) vereinigten Teilstrahlen (11 oder 11') bzw. Laser-Teilstrahlen (19 oder 19') mittels einer Fokussieroptik auf separate Detektoren fokussiert werden.
5. Michelson-Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Strahlteiler (3) vereinigten Teilstrahlen (11) bzw. Laser-Teilstrahlen (19) über mindestens einen zusätzlichen Spiegel (23, 24, 25) parallel zu einem der von dem rotierenden Retroreflektor (9) kommenden Teilstrahlen (4', 5') in den rotierenden Retro- reflektor (9) gelenkt und erst nach dem Austritt aus diesem zu dem Detektor (13) bzw. Laserdetektor (21) geführt werden, wobei die Anzahl der zusätzlichen Spiegel (23, 24, 25) so gewählt ist, dass die Summe der Reflexionen jedes Teilstrahls auf dem Weg von dem Retroreflektor (9) über die gegebenenfalls vorhandenen Umlenkspiegel (6, 7, 8), den Strahlteiler (3) und den mindestens einen zusätzlichen Spiegel (23, 24, 25) ungerade ist.
6. Michelson-Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerade (10'), bezüglich derer die beiden Teilstrahlen (4, 5) spiegelsymmetrisch unter jeweils gleichem Winkel (α) in den rotierenden Retroreflektor (9) geführt werden, gegenüber der Rotations- achse (10) versetzt ist.
7. Michelson-Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (2) und der Referenz-Laserstrahl (16) in einer Ebene verlaufen und an verschiedenen Stellen auf den Strahlteiler (3) treffen.
8. Michelson-Interferometer nach einem der vorangehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der
Spiegel (6, 7) und/oder der Strahlteiler (3) jeweils von einer Prismenfläche mindestens eines Prismenkörpers (28, 29, 32, 33) gebildet sind.
9. Michelson-Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (3) von aneinander anliegenden Prismenflächen zweier Prismenkörper (32, 33) gebildet ist .
10. Michelson-Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verlauf des einen Teilstrahls (4) ein 2-Spiegel-Reflektor (36) mit zwei rechtwinklig zueinander ausgerichteten Umlenkspiegeln (6, 7) und im Verlauf des anderen Teilstrahls (5) ein planer Umlenkspie- gel (8) angeordnet ist.
11. Michelson-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass im Verlauf des einen Teilstrahls (2) ein Retroreflektor (37) mit drei rechtwinklig zu- einander ausgerichteten Umlenkspiegeln (38, 39, 40) und im Verlauf des anderen Teilstrahls (5) ein 2-Spiegel-Reflektor (41) mit zwei rechtwinklig zueinander ausgerichteten Umlenkspiegeln (42, 43) angeordnet ist.
PCT/EP2007/057794 2006-08-14 2007-07-27 Michelson-interferometer WO2008019937A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006037967.5 2006-08-14
DE200610037967 DE102006037967B3 (de) 2006-08-14 2006-08-14 Michelson-Interferometer
DE102007024414 2007-05-25
DE102007024414.4 2007-05-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008019937A1 true WO2008019937A1 (de) 2008-02-21

Family

ID=38582302

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/057794 WO2008019937A1 (de) 2006-08-14 2007-07-27 Michelson-interferometer

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2008019937A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3495766A1 (de) * 2017-12-06 2019-06-12 CTR Carinthian Tech Research AG Referenzinterferometer und verfahren zur bestimmung einer optischen weglängenänderung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19756936C1 (de) * 1997-12-20 1999-03-11 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Interferometer nach Michelson
DE10115911A1 (de) * 2001-01-31 2002-08-22 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Einrichtung für ein Interferometer nach Michelson
US20030048441A1 (en) * 1997-10-28 2003-03-13 Manning Christopher J. Tilt-compensated interferometers
DE10308006A1 (de) * 2003-02-25 2004-09-09 Siemens Ag Michelson-Interferometer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030048441A1 (en) * 1997-10-28 2003-03-13 Manning Christopher J. Tilt-compensated interferometers
DE19756936C1 (de) * 1997-12-20 1999-03-11 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Interferometer nach Michelson
DE10115911A1 (de) * 2001-01-31 2002-08-22 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Einrichtung für ein Interferometer nach Michelson
DE10308006A1 (de) * 2003-02-25 2004-09-09 Siemens Ag Michelson-Interferometer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3495766A1 (de) * 2017-12-06 2019-06-12 CTR Carinthian Tech Research AG Referenzinterferometer und verfahren zur bestimmung einer optischen weglängenänderung
WO2019110166A1 (de) * 2017-12-06 2019-06-13 Ctr Carinthian Tech Research Ag Referenzinterferometer und verfahren zur bestimmung einer optischen weglängenänderung

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0146768B1 (de) Interferometer
DE3526628A1 (de) Interferometrisches geraet
DE1572713B2 (de) Laser interferometer
DE102005055679A1 (de) Spektroskop und damit ausgerüstetes Mikrospektroskop
DE3147689C2 (de) Zusatzgerät zur Durchführung von Reflexionsmessungen mit einem IR-Spektrometer
DE2323593C3 (de) Laser-Doppler-Anemometer
DE19938869B4 (de) Optisches Verschiebungsmeßsystem
DE19930687A1 (de) Optisches Verschiebungsmeßsystem
EP3059554B1 (de) Optische positionsmesseinrichtung
DE19681406C2 (de) Laser-Strahlteiler zum Erzeugen von einer Mehrzahl von parallelen Strahlen
DE3143137C2 (de) Reflexions-ausblendende, fokussierende optische Vorrichtung
EP1031868A1 (de) Kompensierter Parallel-Strahlteiler mit zwei Platten sowie Interferometer
DE4434822C1 (de) Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Abständen zu reflektierenden Grenzflächen oder Abstandsdifferenzen dazwischen, insbesondere zur Bestimmung der Dicke von Meßobjekten aus transparentem Material
EP2816316A1 (de) Interferometer
DE3431040C2 (de) Interferometer
DE102011005937B4 (de) Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung
DE3737426C2 (de) Interferometer
DE69011221T2 (de) Interferometrische Vorrichtung, insbesondere für ein sich bewegendes Spektralabbildungsgerät mit Multiplex-Fourier-Transformation und diese Vorrichtung enthaltendes Spektralabbildungsgerät.
DE102004049646A1 (de) Optik-Baugruppe für ein Interferometer
DE3852649T2 (de) Geradheits-Interferometer.
WO2008019937A1 (de) Michelson-interferometer
DE19532611C2 (de) Doppelwegmonochromator in Differenzdispersionsanordnung
DE102006037967B3 (de) Michelson-Interferometer
EP0656531B1 (de) Prismenspektrometer
EP2813802B1 (de) Messeinrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07788008

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07788008

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1