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Zweistrahl-Interferometeranordnung insbesondere für
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Eourier-Transform-Spektrometer Die Erfindung bezieht sich auf optische
Zweistrahl-Interferometeranordnungen, wie sie insbesondere bei Fourier-Spektro metern
angewendet werden.
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Es sind Interferometeranordnungen bekannt /1/, Dorenwendt, Grunert:
Ein zählendes Interferometer zur Bestimmung von Winkeln. Feinwerktechnik und MeBtechnik
84 (1976) 7, 5. 344, bei denen mittels eines Kösterprismas ein eintretendes Lichtbündel
in zwei parallele DeilbUndel zerlegt wird.
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Die erzeugten Teilbündel werden von zwei Dachkantspiegeln, die fest
auf einem Drehtisch in jeweils gleichem Abstand von der Drehachse angeordnet sind,
und wobei die Verbindungsgerade der Dachkante die Drehachse schneidet, reflektiert
und dabei parallel zu sich selbst versetzt, treffen anschließend auf einen fest
angeordneten Planspiegel und werden danach über die Dachkantspiegel wieder in das
Kösterprisma gelenkt, wo sie zur Interferenz gelangen.
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Eine Drehung des Tisches bewirkt eine gegenläufige Bewegung der Dachkantspiegel,
aus der ein optischer Ganguntersohied resultiert.
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Die Teilung des Lichtbündels in zwei parallele TeilbUndel wird bei
anderen bekannten Interferometeranordnungen ( /2/, Davis. Larson Williams, Michel
u. Connes; Infrared Fourier
speotrometers for airborne and ground-based
astronomy.
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Applied Option, Vol. 19, No. 24, 15.12.1980) dadurch bewirkt, daß
zwischen zwei stumpfwinklig zueinander stehenden Planspiegeln ein Strahlteiler angeordnet
ist.
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Interferometer für die Verwendung im infraroten Spektralbereich werden
meist so aufgebaut, daß nur beim Strahlteiler Transmission auftritt, sonst aber
nur Reflexion an verspiegelten Flächen. Das weist den Vorteil auf, daß beim Wechsel
des Spektralbereiches stets nur der Strahlteiler gewechselt werden muß, z.B. beim
Wechseln vom nahen Infrarot in das mittlere Infrarot.
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Bei Verwendung eines Interferometers mit Kösterprisma müßte beim Wechsel
des Spektralbereiches das SUsterprisma gewechselt werden, das bei gleicher Apertur
deutlich größere Abmessungen als ein Strahlteiler aus planparallelen Platten aufweist,
das außerdem aus technologisch schwer handhabbarem IR-transparentem Material, z.BD
KBr für das mittlere Infrarot, gefertigt werden müßte, wobei es im fernen Infrarot
keine geeigneten IR-transparenten Materialien gibt.
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Aus diesen Gründen ist die Anwendung eines Interferometers mit Kösterprisma
für den infraroten Spektralbereich nur bedringt möglich. Ein Strahlenteilerwechsel
muß aus praktischen Gründen ausgeschlossen werden.
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In der zweiten Interferometeranordnung werden die Nachteile, die sich
aus der Anwendung eines Kösterprismas ergeben umgangen, indem ein Plattenstrahlteiler
und zwei Planspiegel zur Erzeugung paralleler Teilbündel verwendet werden Der Strahlteiler
ist starr angeordnet und die beiden Planspiegel sind je für sich justierbarO Die
parallelen Teilbündel werden von verschiebbaren Cat's-eyes reflektiert.
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Der Justierablauf zur Justierung eines derartigen Interferometers
ist in /2/ detailliert beschrieben. Allein die Eliminierung des Shear-Effektes durch
Justierung an den beiden Planspiegeln erfolgt als langwieriger iterativer
Prozeß.
Besteht die Absicht ein derart aufgebautes Interferometer mit wechselbarem Strahlteiler
auszurüsten, muß bei jedem Strahlteilerwechsel dieser Prozeß wiederholt werden,
wobei die in /2/ beschriebene Methode fUr Strahlteiler, die nur im infraroten Bereich
arbeiten, also keine Strahlteilerschicht für das sichtbare Spektralgebiet aufweisen,
nicht anwendbar ist, so daß sich die Justierung eines derartigen Interferometers
als äußerst schwierig erweist.
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Eine fehlerhafte Justierung beeinflußt auch die Lage des Interferenzbildes
auf dem Detektor.
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So ist es leicht möglich, daß das Zentrum des Ifydinger-Ring-Systems,
das im allgemeinen mittels einer Abbildungsoptik auf einem Detektor am Ausgang des
Interferometers entsteht, nicht mittig zum Detektor liegt. Das führt zu einer beträchtlichen
Verringerung der Modulationstiefe im gemessenen Interferogramm und damit zu einer
nicht akzeptablen Verringerung des signalunabhängigen Signal-Rausch-Verhältnisses,
bzw. zu Gangunterschiedsfehlern im Interferogramm und damit zu Fehlern im berechneten
Spektrum.
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Aus den dargelegten Gründen empfiehlt sich auch diese Interferometeranordnung
nicht als Grundlage für ein Interferometer mit weohselbarem Strahlteiler, bzw. mit
einem Strahlteiler ohne Teilerschicht für das sichtbare Spektralgebiet zum Zweck
der Justierung des Interferometers.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Interferometer aufzubauen, das bezüglich
des Justierzustandes in hohem Maße stabil und für mehrere Spektralbereiche anwendbar
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Interferometeranordnung
zu schaffen, deren Jstierzustand gegenüber Stoß- undVibrationsbelastungen und Temperaturänderungen
unempfindlich und bei dem ein leichter Wechsel des Strahlteiler mögliche ist.
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Erfindungsgemäß wird das bei einer Interferometeranordnung, bei der
zwei über einen Strahlteiler und zwei plane Spiegelflächen erzeugte parallele Teilbündel
auf je eine Spiegelanozdnung gelenkt werden, wobei die Spiegelanordnungen auf einem
gemeinsamen Trägerkörper als Doppelreflektorbaugruppe angeordnet sind und der Trägerkörper
um eine Aohse so gedreht wird, daß die Spiegelanordnungen in Richtung der erzeugten
parallelen Teilbündel gegenläufig bewegt werden, daduroh erreicht, daß zur Vermeidung
von Relativbewegungen zwischen den planen Spiegelflächen ein starrer Trägerkörper
mit zwei fest angeordneten planen Spiegelfläohen als Winkelspiegel aufgebaut ist,
wobei der Strahlteiler als austausohbare Baugruppe ausgeführt ist, die annähernd
parallel zur winkelhalbierenden Ebene der Winkelspiegelbaugruppe angeordnet ist,
daß die Winkelspiegelbaugruppe zur Eliminierung von Shear-Effekten durch Justierung
schwenkbar ausgebildet ist, wobei ihre Schwenkaohse senkrecht zu der Ebene steht
9 die von den beiden parallelen Teilbündeln aufgespannt wird, daß die Schwenk- und
Trägheit sachse der Winkelspiegelbaugruppe zusammenfallen und daß die Strahlteilerbaugruppe
um eine parallel zu den parallelen Teilbündeln liegenden Achse zur Justierung kippbar
angeordnet ist, Der Grundkörper für die Interferometeranordnung ist dabei erfindungsgemäß
als Längskastenprofil mit einem oder mehreren Mittelstegen ausgebildet, die Doppelreflektorbaugruppe
ist über zwei Wellenenden durch je eine Lagerstelle in der Oberleiste und der Unterleiste
des Längskastenprofils auf einer Seite innerhalb des Längskastenprofils drehbar
gelagert,
der Winkelspiegel ist auf der gegenüberliegenden Seite
innerhalb des Längskastenprofils angeordnet und zwischen der Reflektorbaugruppe
und dem Winkelspiegel, der Strahlteiler und der Mittelsteg angeordnet sind, wobei
zur Einbringung des Strahlteilers in das Längskastenprofil in die Oberleiste bzw.
in die Unterleiste ein Ausbruch eingebracht wird.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
daß bei einer in sich starren Ausbildung des Winkelspiegels der Winkel zwischen
zwei beliebigen Strahlen der beiden Teilbündel im Interferomet er auch bei Schwenkung
des Winkelspiegels unverändert bleibt. So bleiben auch Paralleistrahlen bei Schwenkung
parallel. Das bedeutet, daß es für zwei durch Strahlteilung und Reflexion am Winkelspiegel
entstandene Paralleistrahlen nur eine Stellung des Winkeispiegeis geben kann, in
der der Shear-Effekt eliminiert wirdo Nur die Verwendung eines in sich starren Winkelspiegels
hat den Vorteil, daß das in der Detektorebene entstehende Hydinger-Ringsystem im
shearfreien Zustand zum Detektor stets die gleiche Lage hat. Das ist eine notwendige
Voraussetzung für einen einfachen StrahleilerwechseZ, da das Zentrum des Bydinger-Ringsystems
stets auf den Detektor fallen muß.
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Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Optikbaugruppen außerhalb des
Interferometers, z.B. die Abbildungsoptik für den Detektor und den Detektor selbst,
im sichtbaren Spektralbereich zu justieren Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Anordnung besteht darin, daß Nickbewegungen, wie sie durch Stöße, Vibrationen und
Temperatureffekte erzeugt werden, bezüglich des Justierzustandes des Interferometers
und des optischen Gangunterschiedes ohne Auswirkungen bleiben, da durch die in sich
starre Anordnung des Winkelspiegels Nickbewegungen
gleichsinnig
den Reflexionswinkel der Teilbündel an den planen Spiegelflæchen beeinflussen.
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Eine durch äußere Störungen hervorgerufene Translationsbewegung des
in sich starren Winkelspiegels in Richtung der parallelen Teilbündel ist bezüglich
des optischen Gangunterschiedes, des Justierzustandes und des Schear-Effektes bei
dieser Art der Anordnung ebenfalls ohne Wirkung.
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Durch das in der erfinderischen Anordnung gewählte Zusammenfallen
von Sohwenk- und Trägheitsachse des Winkel spiegels wird verhindert, daß durch die
Beschleunigungskräfte, wie sie durch Stöße und Vibrationen entstehen, rotatorische
Beschleunlgungskomponenten am in sich starren Winkeispiegel auftreten, die zu unerwünschten
Shear Effekten bzw optischen Gangunterschiedsänderungen führen.
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Ein weiterer besonderer Vorteil der erfinderischen Lösung entsteht
durch die Ausführung des Grundkörpers als Längskastenprofil mit einem oder mehreren
Mittelstegen zur Aufnahme der Doppelreflektorbaugruppe, des Strahlteilers und des
Winkelspiegels.
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Die Optikkomponenten sind mechanisch auf kürzestem Weg miteinander
verbunden Das Längskastenprofil mit den Mittelstegen ist sehr biege- und torsionssteif,
so daß eine hohe Lagestabilität der optischen Komponenten bei relativ geringer Masse
erreicht wird.
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Die Symmetrie des Profils bewirkt, daß wechselnde Umgebungstemperatur
von relativ geringem Einfluß auf empfindliche Relativlagenänderungen ist Die Ober-
und Unterleiste des Längskastenprofils dienen zur Aufnahme d.er Lagerstellen der
Doppelreflektorbaugruppe zur direkten Montage auf eine Spektrometerplatte bzw. zum
Montieren von Justierelementen und des Antriebes für die Doppelreflektorbaugruppe.
Das Einbringen des Strahlteilers durch den Ausbruch in der Ober- bzwO Unterleiste
ist
einfach durchführbar und gestattet ein sohnelles Wechseln des Strahlteilers.
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Insgesamt ergibt sich durch die Wahl des Längskastenprofils eine konstruktiv
einfache, hochstabile und zweckmäßige Anordnung.
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Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Dazu zeigt die Figur eine schematische Anordnung der Interferometerbaugruppe.
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Wie in der Figur dargestellt, trifft das Lichtbündel A, das durch
eine Lichtquelle erzeugt wird, auf einen Strahteiler 1. Der Strahlteiler 1 ist zwischen
zwei planen Spiegeiflächen 2 und 3 angeordnetsdie zu einem Winkel-Spiegel 4 gehören.
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Der Strahlteiler 1 ist austauschbar und steht annähernd parallel zur
winkelhalbierenden Ebene der Spiegeiflächen 2 und 3 . Durch die Teilung des Lichtbündels
A am Strahlteiler 1 und einer anschließenden Reflexion an den Spiegelflächen 2 und
3 wird das Lichtbündel A in zwei parallele Teilbündel B und C zerlegt. Diese parallelen
Teilbündel B und C treffen anschließend auf je einen 90°-Dachkantspielgel 5 und
6.
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Die Dachkantspiegel 5 und 6 sind Bestandteil einer gemeinsamen Doppelreflektorbaugruppe
7, die mit zwei zueinander flucht enden Wellenenden 8 und 9 bzw. mit einer durch
gehenden Welle starr verbunden ist. Die Wellenenden 8 und 9 bzw. die durchgehende
Welle befindet sioh drehbar gelagert mittig zwischen den Dachkantspiegeln 5 und
6 Die Lagerstellen 10 und 11 der Wellenenden 8 und 9 bzw.
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der durchgehenden Welle befinden sich fluchtend in der Oberlei ste
14 und Unterleiste 15.
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Eine Rotationsbewegung zur Erzeugung eines optischen Gangunterschiedes
wird durch einen geeigneten Antrieb an einem Wellenende 8 oder 9 oder an der durchgehenden
Welle erzeugt.
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Die von den 90°-Dachkantspeigeln 5 und 6 reflektierten Teilbündel
3 und. C bleiben stets parallel und treffen auf den Strahlteiler 1 , wo sie rekombinieren.
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Die interferierenden Bündel B' und C' verlassen das Interferometer
ausgangsseitg, während die interferierenden Bündel B" und C" das Interferometer
über die Eingangsseite verlassen.
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Der optische Gangunterschied x wird durch Drehung der Doppelreflektorbaugruppe
7 um den Winkel # erzenugt, der sich über den Abstand der Dachkante D zu 2 2 D sind
errechnet. Es ist # = 0, wenn die parallelen Teilbndel B und C senkrecht auf die
Verbindungslinie der Dach kanten treffen.
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Die optischen Komponenten des Interferometers, der Win kelspiegel
4, Strahlteiler 1 und Doppelreflektorbaugruppe 7 befinden sich in den freien bfungen
eines Längskastenprofils 12 mit einem Mittelsteg 13. Die parallelen Teilbündel B
und C breiten sich parallel zur Oberleiste 14 und Unterleiste 15 des Längskastenprofils
12 aus, wobei der Mittelsteg 13 zwischen ihnen liegt. Die Ober- und die Unterleiste
14 und 15 dienen zur direkten Montage auf eine Spektrometerplatte bzw. zum Montieren
von Junstierelementen und des Antriebes für die Doppelreflektorbaugruppe 7.
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Der Strahlteiler 1 wird mit Fassung durch einen Aus bruch 14 in der
Oberleiste 14 bzw. Unterleiste 15 eingesteckt.