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Interferometer zur Bestimmung der Brechungszahlen von homogenen Substanzen
Die Erfindung betrifft ein Interferometer zur Bestimmung der Brechungszahlen von
homogenen Substanzen, das eine mindestens zweigeteilte Küvette im divergenten Kollimatorstrahlengang,
einen Autokollimationsspiegel, ein die Interferenzstreifensysteme abbildendes optisches
Glied, einen der relativen Verschiebung der Interferenzstreifensysteme dienenden
Kompensator und planparallele, in der die optische Achse enthaltenden Vertikalebene
geneigte durchsichtige Platten enthält.
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Den allgemeinen Bestrebungen entsprechend ist man auch beim Bau von
Interferometern bemüht, diese unter Beachtung des Verwendungszweckes so gedrängt,
genau und einfach wie möglich zu gestalten.
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Diese Bemühungen haben insbesondere für den Bau von handlichen, tragbaren
Interferometern Bedeutung, wie sie beispielsweise im Bergwerk zur Untersuchung des
Methangehalts der Luft verwendet werden und wofür sie wegen der oft sehr beengten
Verhältnisse möglichst klein und leicht sowie gegen äußere Einflüsse weitestgehend
unempfindlich sein sollen. Die Meßgenauigkeit eines Interferometers zur Bestimmung
der Brechungszahlen in homogenen Substanzen ist bekanntlich um so größer, je länger
die Küvette ist. Demnach bewirkt die Steigerung der Genauigkeit durch Verwendung
längerer Küvetten eine Vergrößerung der Baulänge eines Interferometers.
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Es sind bereits Interferometer bekanntgeworden, die den Forderungen
hinsichtlich der Meßgenauigkeit und der Baulänge entgegenkommen, indem die Lichtstrahlen
die Küvette mehrmals durchlaufen und danach erst zur Interferenz gelangen. Der mehrmalige
Durchlauf kann entweder durch Reflexion der Lichtstrahlen in oder an der Küvette
oder durch Autokollimation im Interferometer geschehen. Allen Autokollimationsinterferometern
zur Bestimmung der Brechungszahlen einer homogenen Substanz ist gemeinsam, daß die
Küvette im parallelstrahligen Lichtbündel liegt und deshalb die nicht unerhebliche
Länge des parallelstrahligen Lichtbündels maßgebend für die Baulänge des Interferometers
ist.
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Ferner sind Interferometer nach Michelson bekannt, die zur Untersuchung
der Homogenität von Substanzen oder zur Längenmessung dienen und bei denen zur Vermeidung
einer Vielzahl ausgedehnter optischer Bauteile die zu untersuchenden Objekte im
divergenten Autokollimationsstrahlengang angeordnet sind. Diese Interferometer sind
zur Bestimmung der Brechungszahlen wenig geeignet, weil sie wegen ihrer langen,
sich in verschiedene Richtungen erstreckenden Lichtwege sehr empfindlich gegen äußere,
Meßfehler verursachende Einflüsse sind.
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Man hat auch schon ein Ml'chelson-Interferometer durch Anordnung
eines Kösters-Prismas an stelle der üblichen teilverspiegelten Flächen derart modifiziert,
daß es zur Bestimmung der igechungszahlen homogener Substanzen verwendet wbrderi
kann. Die Mängel dieses Interferometers liegen jedoch darin, daß auch hierbei die
zweiteilige- küvette im parallelen Strahlengang liegt und daß zur ein Interferenzstreifensystem
erzeugt wird; dessen Verschiebung gegenüber einer körperlichen skata zu messen ist.
Die zwei völlig unterschiedlich ßeatteten Meßmarkensysteme beeinflussen die Ablesegenauigkeit
negativ und erfordern besondere Sichheitsvorkehrungen im Interferometer, damit beidè'
Meßmarkensysteme durch äußere Einflüsse keineifehierhaften Verschiebungen gegeneinander
erfahren: Für die Meßgenauigkeit e-itfes - Interferometers ist bekanntlich nicht
zuletzt dierzwischen den relativ zueinander verschiebbaren, inf6ilge des Einflusses
des Küvettenbodens - bestkde Trennungslinie von Bedeutung. Denn sowohl dle-Mcht
vorhandene als auch die zu breite Trennungslinie beeinträchtigt die Ablesung der
gegenseitigen Sten>ing der Interferenzstreifen. Bisher wurde der einfluß des
- Küvettenbodens auf das Bild der Interferenzstreifensysteme in der Okularbildebene
des -Üiterferometers durch eine im parallelen Strahlengang hinter der Küvette angeordnete,
in der die optische Achse des Interferometers enthaltenen Vertikalebene geneigte,
planparallele Glasplatte ausgeschaltet, die in der Regel die zwei unteren, miteinander
interferierenden Lichtstrahlenbündel in gleicher Weise beeinflußt und ablenkt. Eine
derartige Anordnung ist bei einem Interferometer mit Küvette im divergenten Kollimatorstrahlengang
unter Berücksichtigung des veränderten Abbildungsstrahlenganges und'der möglichen
Bildebenenverlagerung für jedes der Interferenzstreifensysteme nicht anwetrdbar.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht
in der Schaffung eines Interferometers zur Bestimmung der Brechungszahlen von homogenen
Substanzen, dem die aufgezeigten Mängel der bekannten Interferometer nicht anhaften,
welches durch die Anordnung der Küvette im divergenten Autokollimationsstrahlengang
einfach, gedrängt und handlich gebaut und dessen Meßgenauigkeit infolge der Verwendung
zweier Interferenzstreifensysteme als Meßmarken von äußeren Einflüssen unabhängig
ist und bei dem die in der Okularbildebene entstehenden Interferenzstreifensysteme
durch eine scharfe Trennungslinie getrennt sind.
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Gemäß der Erfindung ergibt sich ein solches Interferometer, wenn
die planparallelen Platten im divergenten Kollimatorstrahlengang angeordnet sind
und wenn der Autokollimationsspiegel gegenüber der optischen Achse um einen Winkel;
V geneigt oder das abbildende optische Glied um einen Betrag verschoben ist, wobei
f die Brennweite des abbildenden optischen Gliedes und v die Parallelversetzung
ist, welche der Achsstrahl durch die planparallelen Platten erfährt. Durch diese
Maßnahme wird erreicht, daß die divergenten Lichtstrahlen senkrecht auf den Autokollimationsspiegel
auftreffen und in sich selbst zurückgeworfen werden, wobei der Autokollimationsspiegel
eben oder gekrümmt oder zweigeteilt sein kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung
ergibt sich, wenn zwei parallele, zueinander parallel liegende und von verschiedenen
Lichtbündeln durchsetzte Glasplatten, von denen eine vor und die andere hinter der
Küvette angeordnet ist, und wenn der Autokollimationsspiegel bezüglich einer zur
optischen Achse senkrechten Ebene entgegen den Glasplatten geneigt ist.
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Für die einfache Montierung und Justierung des Interferometers ist
es empfehlenswert, vor der Küfette zwei planparallele, symmetrisch zur optischen
Achse geneigte Glasplatten anzuordnen, die ein Dach miteinander bilden, sowie einen
Autokollimationsspiegel mit zwei zueinander geneigten spiegelnden machen vorzusehen,
deren Spur parallel zu der von den Glasplatten gebildeten Dachkante liegt und die
in bezug auf eine zur optischen Achse senkrechten Ebene entgegen den Glasplatten
geneigt sind.
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Drei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in
den Fig. 1 bis 6 der Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar zeigen F i g. 1
und 2 bzw. 3 und 4 ein Interferometer im Aufriß und Grundriß, F i g. 5 ein Interferometer
im Aufriß und F i g. 6 eine Küvette in Ansicht.
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In den F i g. 1 und 2 bedeutet 1 den Lichteintrittsspalt eines Interferometers
mit der optischen Achse °l-°l der in Fig. 1 zusammen mit der optischen Achse 0t-01
in der Zeichenebene liegt. Mit 2 und 3 sind zwei gleiche, im Strahlengang des Interferometers
nacheinander angeordnete, gegen die optische Achse Q-Q in Fig. 1 in der Zeichenebene
geneigte planparallele Glasplatten bezeichnet, von denen die Glasplatte 2 im wesentlichen
vom oberen und die Glasplatte 3 vom unteren Teil eines divergenten Strahlenbündels
durchsetzt wird. Zwischen den Glasplatten befindet sich im oberen Teil des divergenten
Strahlenbündels eine zweiteilige Küvette 4 zur Aufnahme des Meß- und Vergleichsmittels
und im unte-
ren Teil eine die Fensterplatten 5 und 6 optisch aus gleichende Glasplatte
7. Die untere Fläche der Gfasplatte 2 liegt in der Ebene der äußeren Bodenfläche
der Küvette 4, während die obere Fläche der Glasplatte 3 sich in der Ebene der inneren
Bodenfläche der Küvette befindet. Neigung, Brechungszahlen und flocke der Glasplatten
2 und 3 sind so bemessen, daß sie eine durch die Dicke des Küvettenbodens 8 bestimmte
Parallelversetzung der divergenten Lichtstrahlen hervorrufen. Ein Objektiv 9 bildet
den Lichteintrittsspalt 1 im Unendlichen ab. Im oberen Teil des parallelstrahligen
Lichtbündels befinden sich zwei den beiden Küvettenteilen zugeordnete und in Nullstellung
einander parallele Kompensatorplatten 10 und 11, von denen die Kompensatorplatte
10 um eine Achse X-X schwenkbar und die Kompensatorplatte 11 fest angeordnet ist.
Ein nach Maßgabe der Parallelversetzung der divergenten Lichtstrahlen und der Objektivbrennweite
gegenüber der optischen Achse °t-°1 in der Zeichenebene der F i g. 1 geneigter Autokollimationsspiegel
12 - reflektiert das parallele Lichtbündel in sich selbst, und das Objektiv 9 bildet
die Interferenzbilder in der Ebene E-E des Spaltes 1 ab, wo sie mit Hilfe einer
der Einfachheit halber bei allen Ausführungsbeispielen nicht darge stellten Betrachtungseinrichtung
betrachtet werden können.
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Das vom Lichteintrittsspalt 1 ausgehende Lichtstrahlenbündel wird
mit Hilfe der planparallelen Glasplatte 2 so geteilt, daß sich zwischen beiden aS
bildenden Teilstrahlenbündeln ein Abstand von etwa der Bodendicke der Küvette 4
befindet, und mittels der planparallelen Glasplatte 3 werden beide Teilstrahlenbündel
aneinandergeführt. Die vom Autokollimationsspiegel herkommenden Lichtstrahlenbündel
werden umgekehrt durch die Wirkung der planparallelen Glasplatte 3 getrennt und
mit der planparallelen Glasplatte 2 wieder aneinandergeführt.
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Auf diese Weise wird eine die Meßgenauigkeit und Güte des Interferometers
wesentlich beeinflussende scharfe Trennungslinie zwischen den Interferenzstreifensystemen
erzeugt.
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Ein vom Eintrittsspalt 1 herkommender in der Achse verlaufender Lichtstrahl
1' wird durch die planparallele Glasplatte 2 versetzt, so daß er zwischen ihr und
dem Objektiv 9 parallel zur optischen Achse 0t-01 und in der Küvette 4 in unmittelbarer
Nähe des Bodens 8 verläuft. Da der Lichtstrahl 1' achsenparallel in das Objektiv
9 eintritt, wird er nach dessen hinterem Brennpunkt hin abgelenkt und legt damit
die Richtung des parallelstrahligen Lichtbun..-dels zwischen Objektiv und Autokollimationsspiegel
12 sowie die Neigung des Autokollimationsspiegels selbst fest. Damit sämtliche parallelen
Lichtstrahlen in sich selbst reflektiert werden, muß also der Autokollimationsspiegel
zur optischen Achse des Interferometers geneigt und zu den parallelen Lichtstrahlen
senkrecht angeordnet sein. Der Neigungswinkel o des Autokollimationsspiegels 12
gegenüber einer zur optischen Achse senkrechten Ebene errechnet sich zu v a = s
. wobei v die durch die Glasplatten 2 und 3 hervorgerufene Parallelversetzung und
f die Brennweite des Objektivs 9 ist.
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Das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Interferometer mit der optischen
Achse O2O2 besitzt eine
spaltförmige Lichteintrittsöffnung 13, zwei
planparallele Glasplatten 14 und 15, eine vierteilige Küvette 16, ein Objektiv 17,
zwei gemeinsam um eine zur Lichteintnttsöffnung 13 parallele Achse Y-Y schwenkbare
Kompens-rplatten 18 und 19 sowie zwei fest angeordnete Kómpensatorplatten 20 und
21 und einen Autokollimationsspiegel 22, der zwei zueinander geneigte ebene spiegelnde
Flächen 23 und 24 aufweist.
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Die planparallelen Glasplatten 14 und 15 sind mit ihren der optischen
Achse °2-°2 parallelen Flächen aneinandergekittet und schließen miteinander einen
Winkel ein, der zum Spalt hin geöffnet und wesentlich kleiner als 1800 ist und von
der optischen Achse °2-°2 halbiert wird. Auf diese Weise bilden die Glasplatten
14 und 15 ein Dach, dessen Kante die optische Achse °2-°2 rechtwinklig schneidet
und senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung der Lichteintrittsöffnung 13 gerichtet
ist. Die Glasplatten 14 und 15 teilen das von der spaltförmigen Lichteintrittsöffnung
13 ausgehende divergente Lichtbündel und versetzen die Teile parallel zur optischen
Achse, so daß die ursprünglich in der optischen Achse °2-°2 verlaufenden Lichtstrahlen
in unmittelbarer Nähe der zur Dachkante parallelen Trennungswand25 die Küvette 16
durchsetzen und vom Objektiv 17 zu seinem hinteren Brennpunkt hin gelenkt werden.
Die hinter dem Objektiv parallelstrahligen Teillichtbündel sind gegeneinander und
zur optischen Achse 0,-0, geneigt, weshalb auch die beiden spiegelnden Flächen 23
und 24 des Autokollimationsspiegels 22 in der gleichen Ebene, aber in entgegengesetzten
Richtungen wie die Glasplatten 14 und 15 geneigt sind und ein Dach miteinander bilden,
dessen Kante parallel zur Dachkante jener planparallelen Glasplatten ist.
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Durch die Anwendung des Autokollimationsprinzips wird die Meßgenauigkeit
eines Interferometers verdoppelt, weil die Lichtstrahlen das Medium zweimal durchsetzen.
Eine nochmalige Verdoppelung der Meßgenauigkeit läßt sich, wie in den Fig. 3 bis
5 dargestellt, durch Verwendung einer viergeteilten Küvette und eines entsprechend
ausgebildeten Kompensators erzielen. Werden die jeweils über Kreuz liegenden Kammern
der Küvette mit dem gleichen Medium gefüllt und durch die Küvette kohärentes Licht
gesendet, so ist jedes der im Interferometer sichtbaren Interferenzstreifensysteme
um den gleichen, jedoch entgegengesetzten Betrag aus der Nulllage verschoben. Der
F i g. 6, die eine Vorderansicht der Küvette darstellt, ist zu entnehmen, daß im
vorliegenden Fall die rechte obere und die linke untere Kammer mit dem gleichen
Medium, dem Meßmittel M und die linke obere und die rechte untere Kammer mit dem
Vergleichsmittel V gefüllt ist. Demzufolge sind auch die über Kreuz liegenden Kompensatorplatten
einander zugeordnet, und zwar sind es in Fig. 3 und 4 die schwenkbaren Kompensatorplatten
18 und 19, die sich im parallelen Strahlengang rechts oben und links unten befinden
sowie die festen sich im parallelen Strahlengang links oben und rechts unten befindlichen
Kompensatorplatten 20 und 21. Durch Schwenkung der Kompensatorplatten 18 und 19
mit Hilfe der Einfachheit halber nicht dargestellter Mittel wird der Gangunterschied
zwischen den das Meßmittel und das Vergleichsmittel durchsetzenden Teillichtbündeln
beseitigt und werden die in der Ebene E-E der Lichteintrittsöffnung des Interferometers
sichtbaren Interferenzstreifensysteme in
die Nullage zurückgeführt sowie aus der
Verschwenkung der Kompensatorplatten die Brechungsdifferenzen ermittelt.
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In Figs 5 ist ein Interferometer dargestellt, das einen Lichteintrittsspalt
26, zwei planparallele und zueinander parallel angeordnete Glasplatten 27 und 28,
eine viergeteilte Küvette 29, zwei um eine Achse Z-Z schwenkbare Kompensatorpl-atten
30 und 31, zwei fest angeordnete Kompensatorplatten 32 und 33 und einen sphärischen
H-öhlspiegel 34 enthält. Dieses Interferometer hat also mit dem in Fig. 1 und 2
gezeichneten die Anordnung der planparallelen Glasplatten und mit dem in Fig. 3
und 4 gezeichneten die Ausbildung der Küvette und des Kompensators gemein und gleicht
in seiner Wirkungsweise insofern den schon beschriebenen Interferometern.
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Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen ist jedoch
ein konkaver Spiegel vorgesehen, wodurch das bisher noch erforderliche Objektiv
in Wegfall kommt. Damit einerseits eine scharfe Trennungskante zwischen den im Interferometer
sichtbaren Interferenzstreifensystemen erzeugt und andererseits jeder Lichtstrahl
des divergenten Strahlenbündels vom Hohlspiegel 34 in sich selbst reflektiert wird,
muß der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels in der Nähe der Ebene E-E des Lichteintrittsspaltes
liegen und die optische Spiegel achse S-S gegenüber der optischen Achse Q3-43 des
Interferometers um einen Betrag parallel verschoben sein, der gleich der Parallelversetzung
des Achsstrahls durch die planparallele Glasplatte 27 ist. Die Erfindung erschöpft
sich keineswegs in den angeführten Ausführungsbeispielen, zumal allein schon in
der Anordnung und Ausbildung der planparallelen Glasplatten oder der Küvette bzw.
der Kompensatorplatten weitere Variationsmöglichkeiten liegen.