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Verfahren und Einrichtung zur exakten Längenmessung Die zur Zeit
bekannten Einrichtungen zur exakten Messung von Längen bestehen aus: a) einem Interferometer,
dessen einer Spiegel verstellbar ist, b) einer photoelektrischen Zelle, welche die
Interferenzstreifen aufnimmt, c) einem Modulator, der aus einem Gitter besteht,
das in einer periodischen, senkrecht zu dem auf die photoelektrische Zelle fallenden
Strahlenbündel hin-und hergehenden Bewegung gehalten wird und so vor der Zelle angeordnet
ist, daß eine kleine Verstellung des Spiegels eine Verschiebung der Interferenzstreifen
und damit eine proportionale Änderung des Verhältnisses der Zeitfolgen zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Maxima oder Minima der von der photoelektrischen Zelle
aufgenommen Lichtintensität bewirkt, d) einem elektronischen Gerät, daß die Stromänderungen
der photoelektrischen Zelle in Stromimpulse von sehr kurzer Dauer oder Momentimpulse
umwandelt, e) einem Meßgerät, das durch diese Impulse gesteuert wird und die Änderung
des Verhältnisses der erwähnten Zeitfolgen sichtbar macht. Das Meßgerät gibt also
die Ungleichmäßigkeit der Zeitspanne zwischen den Momentimpulsen wieder, die im
Laufe einer vollständigen Periode des Hin- und Herganges des Gitters ausgesandt
werden, und zwar im Maße der Verstellung des beweglichen Spiegels gegenüber einer
gewählten Ausgangsstellung.
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Diese bekannten Einrichtungen weisen den Nachteil auf, daß die von
der photoelektrischen Zelle aufgenommenen Lichtintensitäten schwach sind oder daß
die Kontraste zwischen den aufeinanderfolgenden Maxima und Minima der I ichtintensität
zu wenig ausgeprägt bleiben, so daß die Möglichkeit, meßbare Interferenzen hervorzurufen,
auf die schwachen Laufdifferenzen beschränkt ist und infolgedessen die meßbare Länge,
um die man den beweglichen Spiegel verstellen kann, begrenzt ist.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur exakten Messung von Längen,
bei dem man die Verschiebung eines mit dem einen Spiegel eines Interferometers verbundenen
Gegenstandes durch Messung der Änderung bestimmt, welche das Zeitintervall erfährt,
das durch Verschiebung der Interferenzstreifen und damit durch periodisches Modulieren
des von einer photoelektrischen Zelle empfangenen Lichtflusses des Interferenzbildes
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Maxima oder Minima der empfangenen Lichtintensität
hervorgerufen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obenerwähnten Nachteile
zu beheben, d. h. die meßbare ÄVegstrecke des verstellharen Spiegels erheblich
zu
verlängern, so daß die beschriebene Anordnung die theoretisch bestmögliche Lichtintensität
besitzt und die ausgeprägtesten Unterschiede zwischen den Maxima und Minima des
die Zelle treffenden Lichtes hervorruft. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die Spiegel des Interferometers von monochromatischen Strahlen beleuchtet
werden, wobei die relative Lage der Teile dieses Interferometers derart geregelt
wird, daß eine im wesentlichen homogene Ausleuchtung des beobachteten Feldes entsteht,
wobei die Lichtintensität des Interferenzfeldes durch periodische Änderung des optischen
Weges moduliert wird, der von den Strahlen mindestens eines der bei den untereinander
interferierenden Strahlenbündel zurückgelegt wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchführung des
beschriebenen Verfahrens. Diese besteht aus einem Interferometer und aus einem Gerät
zur Modulation der Lichtintensität durch Verschiebung der Interferenzstreifen; sie
unterscheidet sich von den bekannten Einrichtungen dadurch, daß die Spiegel des
Interferometers zueinander und zu einer Quelle monochromatischer Strahlen von gleichbleibender
Lichtstärke so angeordnet sind, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Aufhellung
des beobachteten Feldes erzielt wird, in dem die Interferenzstreifen auf Unendlich
eingestellt werden, und daß gleichzeitig das Modulationsgerät im Strahlengang mindestens
des einen der zwei miteinander interferierenden Strahlenbündel angeordnet ist und
eine periodische Änderung des optischen Weges hervorruft, der von den Strahlen mindestens
des einen der beiden miteinander inteiferierenden Strahlenbündel durchlaufen wird.
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Die Zeichnung zeigt beispielhaft und schematisch eine schaubildliche
Darstellung einer Einrichtung nach der Erfindung.
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Die dargestellte Ausführungsform besteht aus: a) einem InterferometerI
mit einer monochromatischen Lichtquelle S, einer optischen Einrichtung 0, die ein
Bündel paralleler Lichtstrahlen ibildet, einer Teilvorrichtung P mit einer halbreflektierenden
Fläche c, die in einem Winkel von 450 zur optischen Achse x der optischen Einrichtung
0 steht, und endlich aus zwei Spiegeln m1 und m2, von denen der eine fest ist, während
der andere in der Richtung der Achse a des einfallenden Strahlenbündels beweglich
ist, b) einem Elektronenaggregat II mit einer photoelektrischen Zelle b und einem
Elektronengerät d, das die Änderungen des Stromes der photoelektrischen Zelle in
elektrische Kurzimpulse umwandelt, c) aus einem Meßaggregat III mit einem Gleichstrom-Meßgeräti
von großer Trägheit und mit einem durch die Stromstöße des Elektronenaggregates
gesteuerten Wechselrichter e.
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Alle diese Geräte und Einzelteile sind bekannt, so daß sie hier nicht
im einzelnen erklärt zu werden brauchen.
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Di.e Teile des Interferometers sind ebenso wie die photoelektrische
Zelle b auf einem Gestell 1 montiert, das eine Gleitbahn2 aufweist. Ein Schlitten3,
der den beweglichen Spiegel mg trägt und eine Gradeinteilsung r aufweist, kann der
Gleitbahn 2 entlang gegenüber einem nicht dargestellten Präzisionsmaßstab verschoben
werden. Diese Gradeinteilungr ist auf einer zur Ebene des Spiegels senkrechten,
etwa in der Länge mittelebene des Spiegels nt1 liegenden Fläche 6 eingraviert. Diese
Fläche 6 und der Spiegel m1 bilden Teile eines auf dem Schlitten 3 verstellbaren
Supportes 7, dessen Verschiebungen durch eine mit Magnetostriktion arbeitende Steuervorrichtung
MS geschaltet werden. Diese Vorrichtung besteht aus: a) einem Zylinder 8 aus 600/oigem
Nickel stahl, dessen Achse parallel zur Achse a des auf den Spiegel mg fallenden
Strahlenbündels ist. Das vordere Ende dieses Zylinders 8, mit einer Stirnwand 9
aus Weicheisen (Flußeisen) versehen, ist an dem Schlitten 3 durch Halteorgane 10
starr befestigt. b) einem Kern 11 aus reinem Nickel, der koaxial zum Zylinder 8
angeordnet ist und dessen hinteres Ende in einer Stirnwand 12 aus Flußeisen befestigt
ist, di,e ihrerseits fest am hinteren Ende des Zylinders 8 montiert ist. Das vordere
Ende des Kernes 11 ragt frei durch die Öffnung 13 in der Wand 9 und trägt den Support
7. c) einer Wicklung 14, die zwischen dem Zylinder 8 und dem Kern 11 liegt und von
einem besonders stabilisierten Gleichstrom gespeist wird. Zu diesem Zweck ist in
den Stromkreis zur Speisung der Wicklung ein an ein Verteilernetz R angeschlossener
Gleichrichter 15 und ein Stabilisator 16 eingeschaltet. Ein Regelwiderstand 17 ermöglicht
es, die Stärke des Speisestromes zu verändern.
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Auf diese Weise bewirkt das magnetische Feld, das der durch die Wicklung
14 fließende Strom hervorruft, eine Streckung des Zylinders 8 und eine Verkürzung
des Kernes 11. Andererseits bewirkt die Erwärmung durch den gleichen Strom eine
Verlängerung sowohl des Zylinders als auch des Kernes. Es ist leicht zu ersehen,
daß sich infolge der Montage des Kernes 11 im Zylinder 8 und des Zylinders 8 am
Schlitten 3 die Verlängerungen und Verkürzungen des Zylinders und des Kernes (infolge
der magnetischen Striktion)
addieren, während sich die Verlängerungen von Zylinder
und Kern infolge Erwärmung aufheben. Folglich ist es möglich, durch eine einfache
Änderung des Stromes in der Wicklung 14 Verschiebungen des Supportes 7 entlang der
Achsen hervorzurufen, deren Amplituden so gering sind als man es wünscht.
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Die Einrichtung weist noch einen Modulator MO auf, der eine periodische
Änderung des Weges bewirkt, den das auf den festen Spiegel m2 auftreffende Strahlenbündel
zurücklegt.
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Dieser Modulator besteht aus einem Glasprisma 18, das mit einem Achsbolzen
19 in biegsamen Membranen 20 gelagert ist. Die Membranen 20 sind am Gestell 1 starr
befestigt. Der Achsbolzen 19 ist parallel zur Ebene des Spiegels m., gelagert und
wird durch das elektrodynamische Gerät E in einer periodischen hin-und hergehenden
Bewegung gehalten. Das Gerät E besteht aus: a) einer beweglichen Spule 21, die von
dem Achsbolzen 19 getragen wird und miit Wechselstrom aus dem Netz R gespeist wird,
b) einem Gehäuse 22 aus Flußeisen mit einer kreisrunden Öffnung 23, in die ein Kern
24 eingreift, der von einem am Gehäuse 22 festen Dauermagnet 25 getragen wird. Die
Spule 21 ist frei in den kreisrunden Spalt zwischen dem Kern 24 und dem Rand der
tJffnung 23 eingesetzt.
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Es ist klar, daß die periodischen Änderungen der Intensität des Stromes,
der durch die in das magnetische Feld des Spaltes tauchende Spule 21 fließt, eine
periodische hin- und hergehende Bewegung des Glasprismas 18 hervorruft.
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Die Arbeitsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Wenn
die Lichtquelle S mit Gleichstrom gespeist wird, tritt aus der Optik 0 ein paralleles
Strahlenbündel aus, das durch die halbspiegelnde Fläche c in zwei Zweige geteilt
wird, die auf die Spiegel mm und auftreffen. Diese Zweigbündel werden durch die
beiden Spiegel zurückgeworfen und durch die halbreflektierende Fläche c zu einem
Strahlenbündel vereinigt, das in der Achse 3 von der photoelektrischen Zelle b aufgefangen
wird.
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Wenn nun die Spiegel m1 und m2 einerseits vollkommen eben sind und
andererseits vollkommen paralles zu den Fronten der einfallenden Wellen stehen,
erhält man eine Ausrichtung der Interferenzstreifen auf Unendlich, so daß die Erhellung
der von dem Platz der Zelle b aus beobachteten Felder im wesentlichen homogen ist.
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Unter diesen Bedingungen wird - angenommen der Modulator MO sei nicht
wirksam - eine lineare Verschiebung von konstanter Geschwindigkeit des Spiegels
ms eine sinusförmige Variierung der Lichtintensität des beobachteten Feldes und
damit derjenigen hervorrufen, welche die photoelektrische Zelle b aufnimmt. Diese
Lichtintensität durchläuft also ein Maximum, wenn auf der halbspiegelnden Fläche
c eine Phasenübereinstimmung zwischen den beiden Strahlenbündeln eintritt, die von
den Spiegeln m1 und m9 reflektiert werden, dagegen ein Minimum bei Opposition der
Phasen. Der Ausschlag der Verschiebung des Spiegels mj, der notwendig ist, um von
einem Maximum an Lichtstärke zum nächsten Maximum überzugehen, entspricht offensichtlich
der halben Länge der von der monochromatischen Lichtquelle ausgehenden Wellen. Tatsächlich
ändert sich die Länge des optischein Weges, den der einfallende und reflektierte
Strahl zurücklegt, um das Doppelte der Verschiebung des Spiegels.
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Ist nun der bewegliche Spiegel gl auf eine solche Stellung entlang
der Gleitbahn2 eingeregelt, daß bei Mittelstellung des Prismas 18 die von der photoelektrischen
Quelle aufgenommene Lichtintensität ein Maximum darstellt, und wird dann der Modulator
in Tätigkeit gesetzt, so entsteht eine periodische Änderung der von der Zelle b
aufgenommenen Lichtintensität. Durch Ändern der die Spule 21 speisenden Spannung
kann dann erreicht werden, daß die von der Zelle b aufgenommene Lichtintensität
in den beiden Grenzstellungen des Prismas 18 ein Minimum wird.
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Unter dieser Voraussetzung sind die aufeinanderfolgenden Zeiten zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Maxima der Lichtintensität einander gleich. Folglich gibt
das elektronische Gerät, das jedesmal, wenn die Lichtint,ensität ein Maximum erreicht,
einen elektrischen Impuls aussendet, diese elektrischen Impulse in regelmäßigen
Zeitabständen ah. Jeder abgegebene elektische Impuls aber bewirkt eine Richtungsumkehr
des Gleichstromes in Meßinstrument i. Die in regelmäßigen Zeitabständen abgegebenen
elektrischen Impulse bedingen also, daß der Stromverlauf durch das Meßinstrumenti
in der einen und anderen Richtung die gleiche Zeit erfordert. Da nun aber die Trägheit
dieses Instrumentes dasselbe hindert, den Stromumkehrungen zu folgen, nehmen seine
beweglichen Teile eine Gleichgewichtsstellungsein, die eine von dem Verhältnis der
Durchströmzeiten in der einen und der anderen Richtung abhängige Funktion darstellt.
Infolgedessen, wenn die Durchströmzeiten gleich sind, ist ihr Verhältnis der Einheit
gleich, so daß die beweglichen Teile des Meßinstrumentes in ihrer Ruhestellung,
die der Nullzeige auf der Skala des Instrumentes entspricht, stehenbleiben.
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Andererseits ruft schon die kleinste Verschiebung des Spiegels m,
aus seiner oben bestimmten Stellung eine Verschiebung des Maximums der von der photoelektrischen
Zelle aufgenommenen Lichtintensität gegenüber der periodischen Bewegung des Glasprismas
18 hervor.
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Wenn das Maximum der Lichtintensität bei einer unsymmetrischen Stellung
des Giasprismas entsteht, sind die aufeinanderfolgenden Zeiten zwischen den Maxima
der Lichtintensität während einer vollständigen Schwingung des Glasprismas 18 ungleich.
Infolgedessen werden die elektrischen Impulse in ungleichen Zeitabständen abgegeben,
und das Meßinstrument i zeigt das Verhältnis zwischen diesen aufeinanderfolgenden
Zeitabständen als Funktion der Verschiebung des Spiegels nii an. Es ist klar, daß
als Ausführungsvariante der beschriebenen Einrichtung das elektronische Gerät einen
elektrischen Impuls jedesmal dann abgeben könnte, wenn die von der Zelle b aufgenommene
Lichtintensität periodisch einen äußersten Maximal- oder Minimalwert erreicht.
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Auf Grund der durchgeführten Versuche konnte festgestellt werden,
daß es mit Hilfe der beschriebenen Einrichtung möglich ist, ein Maximum oder Minimum
an Helligkeit und demzufolge eine genaue Stellung des Spiegels m1 mit einer Präzision
von t/zooo und selbst '/loooo der halben Wellenlänge zu bestimmen, vorausgesetzt,
daß das Licht rein monochromatisch ist und die optischen Flächen vollkommen eben
sind.
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Die Ersetzung eines Interferenzstreifens durch einen anderen im Laufe
der Verschiebung des Spiegels nil ist also mit äußerster Genauigkeit dank der Wiedererscheinung
der elektrischen Impulse feststellbar, die in Intervallen regelmäßiger Zeitabstände,
d. h. gleicher oder symmetrischer Situationen, abgegeben werden.
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Diese Regelmäßigkeit oder Symmetrie kann dazu benutzt werden, ein
elektrisches Zählgerät C zu betätigen, das also die Anzahl der Interferenzstreifen
(also der halben Wellenlängen) anzeigt, die zwischen zwei bestimmten Stellungen
des Spiegels m, aufeinander gefolgt sind.
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Das Zählwerk wird jedesmal um eine Einheit weitergeschaltet, wenn
die von dem elektronischen Gerät J abgegebenen Impulse zeitlich gleiche Abstände
haben.
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Dabei genügt es, den von dem elektronischen Gerät g abgegebenen elektrischen
Impulsen elektrische Signale zu überlagern, die dauernd in regelmäßigen Zeitabständen
von einem aus dem Netz R gespeisten Sendegerät f abgegeben werden. Jedesmal, wenn
die elektrischen Impulse mit den elektrischen Signalen zusammenfallen, addieren
sie sich und betätigen den Zähler.
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Hierbei muß die Verschiebegeschwindigkeit des Spiegels mj höchstens
gleich der Geschwindigkeit sein, die notwendig ist, um im Laufe einer Periode des
Speisestromes des Netzes R von einem Interferenzstreifen zum folgenden überzugehen.
Bei einem Netz mit 50 Perioden ist diese Geschwindigkeit ungefähr 0,3 C1 pro 1/io
Sekunde, d. h. 0,9 mm pro Minute.
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Die beschriebene Einrichtung kann folgendermaßen verwendet werden:
Ein Präzisionsstab wird parallel der Gleitbahn 2 angeordnet und das Ganze in einen
optischen Komparator bekannter Art eingesetzt, wie sie zur Zeit in den w.ichtigsten
Meßlaboratorien verwendet werden.
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Mit Hilfe der beiden Mikroskope dieses Komparators wird auf dem Maßstab
eine Länge ausgewählt, die durch den Abstand zwischen zwei Teilstrichen bestimmt
wird. Ohne den Abstand zwischen den beiden Mikroskopen zu ändern, wird der so bestimmte
Abstand auf die Verschiebeachse des Spiegels snl übertragen. Dann wird der Spiegel
ml zunächst unter dem einen, dann unter dem anderen Mikroskop zentriert.
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Die Feinregulierung wird durch Änderung des Widerstandes 17 erzielt,
der die Bewegung des Spiegels ml unter der Einwirkung der magnetischen Striktion
hervorruft.
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Der Spiegel mt wird um ein genaues ganzes Vielfaches der Wellenlänge
verschoben, was entweder durch Zählen der Interferenzstreifen mit dem Zählgerät
C oder aber, was praktisch viel einfacher ist. mit Hilfe der annähernden, vorläufigen
Kenntnis der Teilstrichintervalle auf dem Maßstab erfolgen kann.
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Die Ablesung des Instrumentes i erlaubt es, mit sehr hoher Präzision
zu gewährleisten, daß die Verschiebung um ein ganzes Vielfaches und nicht um Bruchteile
von Wellenlängen erfolgt ist. Da nun zwangläufig ein gewisser Abstand zwischen der
Maßstablänge und der nächsten auf dem Interferometer gemessenen Länge in vollen
Wellenlängen besteht, ist es erforderlich, daß die vergleichenden Mikroskope die
Ablesung dieser Abweichung unter genauer Austarierung ermöglichen. Hierzu genügt
es, daß zunächst ein Mikroskop auf die Gradeinteilung r des Spiegels i einge'stellt
wird und daß mit Hilfe der Magnetostriktion der Spiegel m, um eine oder mehrere
Wellenlängen verschoben wird, wobei gleichzeitig die Übereinstimmung der Masse auf
dem Instrument i in Wellenlängen und in dem auszutarierenden Mikroskop in Gradeinteilung
seiner Strichplatte bzw. seines elektronischen Anzeigers abgelesen wird, sofern
es sich um ein photoelektrisches Mikroskop handelt.
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Vorstehend ist unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Einrichtung beschrieben worden. Natürlich könnten
zahlreiche
Variationen vorgesehen werden. Der Modulator könnte beispielsweise in dem optischen
Weg des auf den Spiegel m3 fallenden und von diesem zurückgeworfenen Strahlenbündels
angeordnet werden. Auch könnte er von einem der Spiegel nii oder m2 gebildet werden,
der auf einer zu seiner Ebene senkrechten Achse periodisch hin und her bewegt wird,
beispielsweise mizt Hilfe einer elektrodynamischen Vorrichtung E oder einer von
Wechselstrom gespeisten Magnetostriktionsvorrichtung. Die Amplitude der Verschiebung
des Spiegels muß dann einer halben Wellenlänge des verwendeten monochromatischen
Lichtes gleich sein, um eine periodische Veränderung der Länge des optischen Weges
in Größe einer Wellenlänge hervorzurufen.
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Der Modulator könnte schließlich auch aus einer umlaufenden Scheibe,
die unparallele Flächen aufweist, oder aus einem Körper bestehen, dessen Lichtbrechungsindex
periodisch durch periodische Änderung eines physikalischen Faktors, z. B. des auf
den Körper wirkenden Druckes, geändert wird. Insgesamt kann also der Modulator durch
jede Vorrichtung gebildet werden, die eine periodische Änderung des optischen Weges
eines Strahlenbündels ermöglicht.
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Die Meßeinrichtung kann einerseits eine Lichtquelle aufweisen, die
durch von dem elektronischen Gerät d abgegebene Momentimpulse gespeist wird, und
kann andererseits eine stroboskopische Vorrichtung mit einer Skala und umlaufenden
Richtmarken besitzen, mit denen die zwischen den von der Lichtquelle abgegebenen
Lichteffekten ablaufenden Zeitunterschiede sichtbar gemacht werden können.
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Die Meßeinrichtung kann auch einen Oszillographen besitzen, der durch
die Momentimpulse gespeist wird. Ein derartiger Oszillograph kann mit einer Kathodenstrahlenröhre
ausgestattet sein, deren Fleck sich synchron mit dem Modulationsgerät verschiebt
und durch die von dem elektronischen Gerät abgegebenen Impulse beeinflußt wird.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur exakten Messung von Längen, bei
dem man die Verschiebung eines mit dem einen Spiegel eines Interferometers verbundenen
Gegenstandes durch Messung der Änderung bestimmt, welche das Zeitintervall erfährt,
das durch Verschiebung der Interferenzstreifen und damit durch periodisches Modulieren
des von einer photoelektrischen Zelle empfangenen Lichtflusses des Interferenzlbildes
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Minima oder Maxima der empfangenen Lichtintensität
hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (?rz,, m2) des Interferometers
von monochromatischen Strahlen beleuchtet werden, wobei die relative Lage der Teile
(S, O, P, m! 2) dieses Interferometers derart geregelt wird, daß eine im wesentlichen
homogene Ausleuchtung des beobachteten Feldes entsteht, und wobei die Lichtintensität
des Interferenzfeldes wodurch periodische Änderung des optischen Weges moduliert
wird, der von den Strahlen mindestens eines der beiden untereinander interferierenden
Strahlenbündel zurückgelegt wird.