DE818877C - Optisches Mehrplatten-Interferometer - Google Patents

Description

• Optisdies Mehrplatten-Interferometer Optische Mehrplatten-Interferometer sind bislang hauptsächlich als physikalische Meßgeräte für Sonderzwecke in der Strömungsforschung gebaut und benutzt worden. Nachdem Strömungsvorgänge auf allen Gebieten der Technik von großer Bedeutung werden, ist auch der Verwendungsumfang von optischen Mehrplatten-Interferometern größer geworden. Zur weiteren Einführung der Interferenzmeßmethode ist eine technische Weiterentwicklung der bislang hauptsächlich nach physikalischen Arbeitsmethoden gebauten Instrumente notwendig. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der technischen Ausgestaltung dieser in ihrem physikalischen Aufbau festliegenden Geräte.
• Die erste wichtige Forderung ist die Verwirklichung einer möglichst steifeii Bauweise. Gemäß vorliegender Erfindung wird diese Forderung dadurch erfüllt, daß die vier Spiegel in den vier Ecken eines U-förmigen Trägergerüstes gelagert sind, das aus elliptisch geformten Rohren I besteht, die an den jeweiligen Enden 2, 3, 4 und 5 mit radialsymmetrischen, d. h. runden, gedrehten, und möglichst steifen Trägerplatten 2', 3', 4' und 5' verschweißt sind (s. Fig. I). Diese Trägerplatten dienen zur Lagerung der Spiegel. Der elliptische Querschnitt der Rohre ist so zu wählen, daß ein Schnitt parallel zur Ebene der Interferometerspiegel einen Kreis ergibt. Durch diese Schalenbauweise wird ein optimales Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht einerseits, andererseits eine verhältnismäßig einfache Bauweise erreicht.
• Zur Vergrößerung des Meßfeldes A in Richtung der kleinen Achse der Ellipse ist es zweckmäßig, den Lichteinfallswinkel kleiner als 450 zu wählen.
• Diese Konstruktion bietet gleichzeitig weitere Vorteile, die sich hauptsächlich in der optischen Güte des Instruments auswirken.
• Es ist praktisch unmöglich, vollkommen ebene Spiegelplatten herzustellen; Restfehler in der Größenordnung von Radien, die bei so km liegen, bleiben bestehen. Insbesondere beim Durchdringungswinkel Null der interferierenden Lichtbündel, dieser Meßzustand ist für viele Meßzwecke besonders wichtig geworden, treten optische Mängel des Systems scharf in Erscheinung. Zwar kann man durch bestimmte Anordnung bzw. Vertauschen der Spiegel den wirksamen Gesamtbetrag der Fehler (Restfehler des Systems) vermindern; ein völliger Ausgleich ist aber immer dem Zufall überlassen.
• Zudem können sich diese Fehler während des Betriebes mit Lichtquellen hoher Leistung wesentlich verändern.
• Es hat sich nun gezeigt, daß es durchaus möglich ist, einen der Spiegel durch ein von außen aufgebrachtes Belastungsmoment elastisch so zu verformen, daß der günstigste optische Zustand von Fall zu Fall jeweils eingestellt werden kann. Voraussetzung ist allerdings, daß alle Interferenzspiegel rund sind und in ihren Fassungen auf zum Spiegelrand konzentrischen Kreisen auf elastischen Zwischenlagen ringsum gleichmäßig aufliegend gelagert sind. Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Ausführung einer entsprechenden Konstruktion.
• Auf der Rückseite wird auf den Spiegel über eine konzentrisch angeordnete kreisförmige Platte 7 eine Drucklast aufgebracht. Die Last wird erfindungsgemäß über weiche Federn 8 und g aufgebracht, die in ihrer Wirkung parallel geschaltet und in ihrer Steifigkeit wesentlich verschieden gewählt sind, damit die harte Feder zur Grobeinstellung, die weiche Feder zur Feineinstellung benutzt werden kann. So ist es beispielsweise leicht möglich, Krümmungsänderungen von o,IO/o einzustellen, während an den einzelnen Spiegeln mit optischen Mitteln nur das 25fach dieses Wertes meßbar ist.
• Für die Betätigung der Spiegelverstellung ist es notwendig, daß keinerlei Kräfte auf das Instrument ausgeübt werden. Es wird deshalb eine Fernbetätigung angewendet, die in einfachster Form aus den in der Kraftfahrtechnik bekannten Bowdenzügen besteht, wobei erfindungsgemäß nach Fig. 3 die Besonderheit angewendet wird, daß auf dem instrumentenseitigen Ende der Bowdenzughüllè I0 mittels eines Gliedes IOa eine Zugfeder ii abgestützt wird, an deren anderem Ende das Bowdenzugkabel 12 befestigt, einmal oder mehrere Male um die Betätigungstrommel der Spiegelbewegung geschlungen und dann in der Bowdenzughülle 10 aus dem Instrument herausgeführt wird, wo es am Betätigungsstand mit einer Einstellschraube 13, die sich wieder gegen das andere Ende der Bowdenzughülle abstützt, feingestellt werden kann. Zusammen mit der Verwendung eines Differentialgewindes an der Stellschraube des Spiegels kann auf diese Weise in einfachster, aber sehr wirksamer Form eine spielfreie Betätigung beliebig hohen Übersetzungsgrades, die keinerlei Kräfte auf das Gerät ausübt, erreicht werden.
• Zur optimalen Justierung von fehrplatten-Interferometern müssen u. a. die optischen Weglängen der beiden Teillichtbündel gleichgemacht werden.
• Dies muß durch Parallelverschieben mindestens eines der Interferometerspiegel senkrecht zu seiner Oberfläche geschehen. Dabei können schon sehr kleine Neigungsänderungen das Interferenzbild erheblich verändern, den Interferenzort verlegen oder gar die Interferenzerscheinung ganz zum Verschwinden bringen. Die meisten zur Parallelführung vorgeschlagenen Konstruktionen konnten deshalb nicht befriedigen.
• Nach Fig. 4 wird die Fassung 14 des Verschiebespiegels mit drei Stellschrauben 15 von gleicher Steigung abgestützt. Diese Stellschrauben sind mit Trommeln I6 von gleichem Durchmesser versehen, und ihre Drehbewegungen werden erfindungsgemäß durch ein biegsames Zugglied 17 verbunden, das jede der drei Antriebstrommeln mit möglichst gleichem Winkel umschlingt.
• Da nach der ersten Justierung eines Interferometers meist nur noch kleine Gangunterschiede auszugleichen sind, wird nach Fig. 5 erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Spiegelfassung 14 durch mindestens drei gleich lange, parallele und in zueinander parallelen Ebenen bewegliche Lenker I8 zu führen. Die Lenkerrichtung ist um einen kleinen Winkel a gegen die Spiegelnormale geneigt, so daß die Bewegungsrichtung um den gleichen Winkel gegen die Spiegelebene geneigt ist. Die durch eine Stellschraube einzustellende NVegkomponente parallel zur Spiegeloberfläche ist um das ctg a-fache größer als die verlangte Bewegung senkrecht zur Spiegelfläche.
• Eine besonders einfache konstruktive Lösung ergibt sich, wenn die Lenkergelenke als Federgelenke ausgeführt werden, dann können sämtliche Lenker 18 einfach aus Biegefedern von flachem Rechteckquerschnitt bestehen, die an der Spiegelfassung 14 und am Interferometergestell mit einer bestimmten Anfangsneigung a durch Klemmverbindungen befestigt werden. Stört die geringe Bewegungskomponente in Richtung der Spiegeloberfläche, so können nach Fig. 6 die Lenkerfedern 18 auch tangential angeordnet werden, so daß sich die Verlängerungen ihrer Schnittlinien mit der Spiegelebene in der Spiegelmitte schneiden und die Einstellung des Spiegels durch eine schraubenförmige Bewegung erfolgen kann.
• Jedes Interferometer, dessen Meßbündel durch Glasfenster hindurchtritt, braucht zum Ausgleich dieses Glasweges im Vergleichsbündel eine gleich dicke Glasschicht vom gleichen Brechungsvermögen. Abweichungen hiervon können bei großem Öffnungswinkel zu Interferenzstörungen führen. Es ist deshalb unzweckmäßig, Gangunterschiede, die chne Fenster und Kompensatorplatten schon vorhanden waren, durch Vergrößerungen des Glasw eges durchNeigen des Kol )ellsators auszugleichen.
• Bei kleinen Lichteinfallswinkeln a ist der dadurch entstehende Gangunterschied dG I a2d, 2fl wobei n das Brechungsvermögen und d die Glasdicke bedeuten. Gleichzeitig entsteht dabei außer dem Gangunterschied eine seitliche Versetzung des Lichtbündels Q n-I ad, die die Interferenzgüte empfindlich stören kann, da Teile der Bündelquerschnitte, die vor dem Eintritt ins Interferometer identisch waren, am Interferenzort wieder zusammentreffen müssen. Bei kleinen Einfallswinkeln ist die seitliche Versetzung ein Vielfaches des entstehenden Gangunterschiedes. Deshalb ist es viel sinnvoller, durch geringes Neigen des Kompensators die Lichtbündel zur Justierung der Interferenzgüte quer verschiebbar zu machen. Das ist besonders vorteilhaft, weil dabei der eingestellte Durchdringungswinkel nicht wieder verändert werden kann wie bei der Justierung durch Spiegelcirehungen.
• Diese Justiermethode ist weit weniger störempfindlich als die früher übliche, die Drehwinkel sind rund Ioomal so groß wie bei Spiegeljustierung. Der entstehende Gangunterschied ist bei richtiger Justierung praktisch immer kleiner als eine Wellenlänge und kann vernachlässigt werden.
• Die Umrißform bekannter Lichtquellen hoher Leuchtdichte ist meist ein schlankes Rechteck. Das Justieren der Interferenzgüte geschieht dabei unvergleichbar schneller, wenn die Kippachsen des Kompensators parellel zu diesen Rechteckseiten liegen. Der Kompensator wird deshalb erfindungsgemäß um zwei zueinander senkrechte, parallel zur Kompensatoroberfläche gerichtete Kippachsen beweglich aufgehängt, die vorzugsweise zu den Hauptachsen des Lichtbündelquerschnittes parallel laufen.
• Eine zweckmäßige Ausführungsform zeigt Fig. 7.
• Die Kompensatorgrundplatte 19 ist an vier vorzugsweise in den Ecken eines Quadrats angeordneten Punkten 20, 2I, 22 und 23 gelagert, und zwar an den Punkten 20, 21 und 22 auf Stellschrauben, von denen 20 und 22 durch Fernbedienung gedreht werden können, so daß der Kompensator um die Achsen 20-21 und 21-22 gekippt werden kann. Die in Punkt 23 wirkende Gewichtskomponente kann senkrecht zur I&ompensatorel)ene durch eine einstellbare weiche Feder getragen werden. Parallel zur Kompensatorelene wirkende Verschiehekräfte werden vorzugsweise in der durch die Auflagepunkte 20, 21 und 22 der Stellschrauben gehenden Ebene durch Zug- oder Druckglieder, z. B.
• Stahlbänder, aufgenommen.
• Beim Einstellen von zur Ebene der Spiegelmitten parallelen Interferenzstreifen stellen sich kleine Verzerrungen der Lichtbündelquerschnitte ein, die dem Durchdringungswinkel der Lichtbündel und dem Abstand von der Kippachse proportional sind und hei großem Üffnungswinkel leicht zu Störungen der Interferenz führen. Ferner liegt in diesem Fall der exakte Interferenzort nicht auf einem senkrechten Schnitt durch das Lichtbündel, sondern parallel zur Spiegelebene, d. h. um den Lichteinfallswinkel aus der gewünschten Ebene herausgedreht. Bei großem Öffnungswinkel reicht dann der Tiefenschärfenbereich nicht aus, und nur die Gesichtsfeldmitte zeigt noch deutliche Interferenzstreifen. Diese empfindlichen Nachteile lassen sich vermeiden, wenn der für den gewünschten Streifenabstand nötige Durchdringungswinkel durch Ablenkung mit Hilfe von Prismen erzielt wird. Dazu können nach Fig. 8 die Kompensatorplatten 24 als Prismen mit kleinen, vorzugsweise gleichen Keilwinkeln ausgeführt werden. Durch Verdrehen der Platten um die Achse 25-26 können durch Differentialwirkung alle Prismenwinkel eingestellt werden, die zwischen der Summe und der Differenz der Prismenwinkel beider Platten 24 liegen.
• Gleichsinnige Drehung der beiden Prismenplatten um gleiche Winkel bewirkt eine Drehung des eingestellten Streifenfeldes in jede gewünschte Streifenrichtung. Der virtuelle Interferenzort liegt zwischen den Prismenplatten 24. Damit Interferenzstreifen und Modell gleichzeitig scharf abgebildet werden, muß der Kompensator 24 von der Teilerplatte 28, auf dem Lichtweg gemessen, die gleiche mittlere Entfernung haben wie die Modellfenster 30, d. h. damit Interferenzstreifen und Modell gleichzeitig scharf abgebildet werden, müssen virtueller Interferenzort und das zwischen den Modellfenstern 30 befindliche untersuchte durchsichtige Medium, auf dem Lichtwege gemessen, den gleichen Abstand von der Aufnahmekamera haben.
• Da der Lichtweg außerhalb des Interferometers von der Teilerplatte 28 an gemeinsam ist, so muß im Interferometer, um gleiche Wege zu erhalten, der Abstand der beiden Kompensatorplatten und der beiden Modellfenster von der Teilerplatte 28 das gleiche arithmetische Mittel haben.
• Der Prismendifferentialkompensator vermeidet nicht nur Verzerrung der Lichtbündelquerschnitte, er ist auch wenig störempfindlich, da sich große Drehwinkel ergeben und der Interferenzort automatisch konstant bleibt.
• Die Keilplatten 24 werden axial und radial durch vorzugsweise je drei Rollen geführt und so auf einfachste Art drehbar gelagert. Der Antrieb erfolgt zweckmäßig durch Zugdrähte, die einfach um die runden Platten bzw. ihre Fassungen geschlungen werden. Bei einer anderen Konstruktionsmöglichkeit nimmt je eine durch Gewichtskomponente belastete radiale Führungsrolle die Platten ebenfalls durch Reibungsschluß mit.
• Ein besonderer Vorteil solcher Prismengeräte ist die Vereinfachung der Spiegelbedienung. Für die Grundjustierung kommt man mit einfachen Stellschrauben aus. An zwei beliebigen Spiegeln ist je eine Fernbedienung mit Feineinstellmöglichkeit um je eine durch die Spiegelmitte gehende, vorzugsweise zu den beiden Hauptachsenrichtungen des Gesichtsfeldes parallele Achse vorzusehen, die lediglich zur Nullkorrektur des Gerätes dienen.
• Für die praktische Handhabung des Instrumentes ist es von Vorteil, wenn insbesondere die Fernbetätigung der Spiegelverstellung nicht in beliebigen Richtungen, sondern nach den zwei Haupt- achsen erfolgt. Es wird also etwa nach Fig. 8 der Arbeitsspiegel 28 nur um eine Achse parallel zur Instrumentenebene betätigt, der Arbeitsspiegel 3I um eine Achse senkrecht hierzu. Der Eckspiegel 32 wird zweckmäßig für die Krümmungsdeformation und die Parallelverschiebung benutzt, während der im Instrument liegende Halbspiegel 29 nur für die Grobjustierung von Hand, nicht aber für Fernbetätigung verwendet wird.
• PATENTANSPROCHE: I. Optisches Mehrplatten-Interferometer, insbesondere Vierplatten-Interferometer nach Mach und Zehnder, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung der vier Spiegel ein U-förmiges Trägergerüst dient, dessen Schenkel durch elliptisch geformte Rohre (1) gebildet werden.

Claims (1)

1. 2. Interferometer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel gegen die mittlere Lichteintrittsrichtung so geneigt sind, daß der mittlere Einfallswinkel wesentlich kleiner als 450 ist.

   3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der beiden Rohrschenkel von elliptisch geformtem Querschnitt mit radialsymmetrischen, d. h. runden, gedrehten und möglichst steifen Trägerplatten (2', 3', 4', 5') verschweißt sind, die zur Lagerung der Spiegel dienen.

   4. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel durch Einwirkung geeignet gerichteter Kräfte, z. B. kreisrunde Spiegel durch konzentrisch aufgebrachte Drucklasten, elastisch verformbar sind.

   5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verformenden Drucklasten durch mehrere Federn (8, 9) von verschiedener Steifigkeit zur voneinander unabhånzeigen Grob- und Feineinstellung aufgebracht werden.

   6. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelverstellung mit Hilfe von Bowdenzügen erfolgt, indem auf dem instrumentenseitigen Ende der Bowdenzughülle (Io) eine Zugfeder (11) abgestützt ist, an deren anderem Ende das einmal oder mehrere Male um die Betätigungstrommel der Spiegelbewegung geschlungene Bowdenzugkabel befestigt ist, dessen Verstellung am anderen Ende der Bowdenzughülle z. B. mit Hilfe einer Einstellschraube (I3) erfolgt, die sich gegen die Bowdenzughülle (Io) al,stützt.

   7. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (I4) des verschiebbaren Spiegels (16) durch drei Stellschrauben (15) von gleicher Steigung abgestützt ist, die durch Trommeln (I6) von gleichem Durchmesser mit Hilfe eines die drei Trommeln mit möglichst gleichem Winkel umschliegenden biegsamen Zuggliedes (17) gleichzeitig um gleiche Beträge verstellbar sind.

   8. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Spiegelfassungen durch wenigstens drei gleich lange Lenker (I8) getragen werden, deren Richtung um einen kleinen Winkel gegen die Spiegelnormale geneigt ist und die zum Zweck einer Verschiebung der Spiegelfassung senkrecht zur Spiegelfläche um ihre Haltepunkte schwenkbar sind.

   9. Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenker (I8) als Federgelenke ausgebildet sind und beispielsweise aus Biegefedern von flachem Rechteckquerschnitt bestehen, die vorzugsweise tangential angeordnet sind, so daß durch Verdrehung der Spiegelfassung eine Verschiebung der Spiegelebene ohne Auswandern der Spiegelfläche aus ihrer Achse erfolgt.

   10. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasplattenkompensator vorzugsweise um zwei rechtwinklig zueinander und parallel zu der Plattenoberfläche verlaufende Achsrichtungen drehbar gelagert ist.

   II. Interferometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensatorgrundplatte (I9) an vier vorzugsweise die Ecken eines Quadrates bildenden Punkten (20 l>is 23) gelagert ist, von denen wenigstens drei (20 bis 22) auf durch Fernbedienung drehbaren Stellschrauben ruhen, wobei zusätzlich auftretende Gewichtskomponenten durch weiche Federn und parallel zur Kompensatorebene wirkende Verschiebekräfte durch Zug- oder Druckglieder, z. B. Stahlbänder, vorzugsweise in der durch die Auflagepunkte (20 bis 22) der Stellschrauben gehenden Ebene aufgenommen werden.

   12. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der für den gewünschten Streifenabstand notwendige Durchdringungswinkel durch Ablenkung mit Hilfe von Prismen erzielt wird, indem vorzugsweise die Kompensatorplatten (24) als Prismen mit kleinen, vorzugsweise gleichen Winkeln ausgeführt und derart um eine gemeinsame Achse (25-26) drehbar gelagert sind, daß durch Differentialwirkung alle Prismenwinkel eingestellt werden können, die zwischen der Summe und der Differenz der Prismenwinkel beider Platten (24) liegen.

   13. Interferometer nach Anspruch I2, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmigen Prismenplatten (24) axial und radial durch vorzugsweise je drei Rollen gefiihrt und dadurch drehbar gelagert sind, wobei der Antrieb vorzugsweise durch Zugdrähte erfolgt, die um die runden Platten bzw. ihre Fassungen geschlungen sind.

   14. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere die Fernbetätigung der Spiegelverstellung nach den zwei Hauptachsen erfolgt.

   15. Interferometer nach Anspruch I4, dadurch gekennzeichnet daß bei einem Vierplatten-Interferometer ein Arbeitsspiegel (28) nur um eine Achse parallel zur Instrumentenehene, der andere Arbeitsspiegel (31) nur um eine Achse senkrecht hierzu verstellbar ist, während der dritte Eckspiegel (32) nur für die Krümmungsdeformation und die Parallelverschiebung benutzt und endlich der Halbspiegel (29) nur für die Grobjustierung von Hand, nicht aber für die Fernhetätigung verwendet wird.