DD203976A1 - Verfahren und anordnung zur interferometrischen temperatur- und brechzahlbestimmung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur interferometrischen Temperatur- und Brechzahlbestimmung. Sie kann ueberall dort eingesetzt werden, wo mit einem relativ geringen zeitlichen und technischen Aufwand eine hochgenaue Temperatur- und Brechzahlbestimmung in quasi statischen Temperaturfeldern visuell oder elektronisch erfolgen soll. Erfindungsgemaesz wird die Strahlung einer Lichtquelle in ein Bezugsstrahlenbuendel und ein Meszstrahlenbuendel aufgespaltet. Das monochromatische Meszstrahlenbuendel wird von den Grundplatten der Prueflinge und einer Bestimmungsmeszeinrichtung und deren Oberflaechen reflektiert. Das erzeugte Interferenzbild kann visuell oder elektronisch erfaszt werden.
Description
Titel; Verfahren und Anordnung zur interferometrischen Temperatur- und Brechzahlbestimmung
Anwendungsgebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung aur interferometrischen Temperatur- und BrechzahlbeStimmung.
Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo eine hochpräzise Temperatur- und Brechzahlbestimmung in quasistatischen Temperaturfeldern visuell oder elektronisch erfolgen soll, z.B, in Interferenzkomparatoren, interferentiellen Laser-Wegmeßsystemen, Interferometern usw.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:
Es ist bekannt, die Brechzahl der Luft aus Einzelgrößen zu bestimmen (VEB Carl Zeiss JEUA, Gebrauchsanleitung Interferenzkomparator, Druckschriften-Hr. 24-G210f-1 (1967)). Hierbei wird die Lufttemperatur mit einem Thermometer im Interferenzkomparator, der Luftdruck mit einem Quecksilberbarometer außerhalb des Gerätes und die Luftfeuchtigkeit mit einem Aspira-tionspsychrometer ebenfalls außerhalb des Gerätes bestimmt.
Diese Messungen müssen vielfach korrigiert werden und.bestimmen wesentlich die Gesamtunsicherheit der interferometrischen Längenmessung
Weiterhin ist ein Verfahren für die interferometrische Brechzahlbestimmung in einem Interferenzkomparator bekannt geworden (Kinder, W., Ein-Keter-Komparator für interferometrische Längenbestimmung in Vakuum«ellenlangen, WerkzeitschriftHr. 43 (Zeiss-Oberkochen) 1961/62).
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. i\ r.< f. O Λ Π
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Pur die Endmaß- oder Strichmaßmessungen ist hierbei ein gesondertes Interferenzrefraktometer notwendig. Dieses be-. steht aus einem Interferometer mit einer Vakuumstrecke als Bezugsstrecke. Der zwischen Vakuumstrecke und Luftstrecke bestehende Gangunterschied wird mittels apochromatischer Kompensatoren kompensiert.
Es ist weiterhin ein Zweistrahlinterferometer zur Brechzahlbestimmung von durchsichtigen Medien bekannt geworden (WP 113634). Mit Hilfe optischer Glieder wird die Strahlung einer Lichtquelle in zwei Strahlenbündel aufgespalten. Das erste Teilstrahlenbändel durchläuft eine Luftstrecke und ein zweites Teilstrahlenbündel eine Vakuumstrecke. Beide Strahlenbündel werden in einem Kösters-Doppelprisma zur Interferenz gebracht. Das Interferenzlicht wird mittels eines Objektivs in die Ebene eines Austrittsspaltes geworfen und erzeugt dort ein Interferenzbild, das Meßstreifenbild. Das Meßstreifenbild wird mit einem Bezugsstreifenbild weiterverarbeitet.
Ziel der Erfindung;
Die Erfindung verfolgt das Ziel, mit einem relativ geringen zeitlichen und technischen Aufwand eine hochgenaue interferometrische Temperatur- und BrechzahlbeStimmung zu ermöglichen.
Darlegung des Wesens der Erfindung;
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur hochgenauen interferometrischen Temperatur- und Brechzahlbestimmung zu schaffen, das mit einem relativ geringen technischen Aufwand eine Automatisierung und den Anschluß eines Rechners ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur interferometrischen Temperatur- und Brechzahlbestimmung, bei dem die Strahlung einer monochromatischen Lichtquelle mittels optischer Glieder in ein Bezugsstrahlenbündel und ein Meßstrahlenbündel aufgespalten und das entstehende Interferenzbild mittels einer Abbildungsoptik hinter der Ebene einer Austrittsöffnung erfaßt wird, erfindungsgemäß
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dadurch gelöst, daß das monochromatische Meßstrahlenbündel von den Grundplatten der Prüflinge und einer Bestimmungsmeßeinrichtung und deren Oberflächen reflektiert wird. Das erzeugte Interferenzbild durchläuft eine Zusatzoptik und kann visuell oder elektronisch erfaßt werden. Die interferometrische Brechzahlbestiromung wird aus der Differenz zwischen dem erzeugten Interferenzstreifensystem der Grundplatte und der Meßoberfläche eines relativ temperaturunabhängigen Körpers der Bestimmungsmeßeinrichtung und die interferometrische Temperaturbestimmung aus der Differenz zwischen dem erzeugten Interferenzstreifensystem der beiden Meßoberflächen der Bestimmungsmeßeinrichtung gebildet. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Realisierung des Verfahrens sind auf dem Objekttisch in einem bestimmten Abstand Grundplatten mit angesprengten Prüflingen und einer Bestimmungsmeßeinrichtung schwenkbar in dem monochromatischen Meßstrahlengang angeordnet. Zur elektronischen .Erfassung des Interferenzbildes sind der Austrittsöffnung eine Zusatzoptik und eine .optische Empfangeranord- nung nachgeordnet.
Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, daß die Bestimmungsmeßeinrichtung aus einem relativ temperaturunabhängigen Körper, z.B. aus einem Quarz-Etalon, und aus einem Metallendmaß, beispielsweise aus Aluminium, besteht. Weiterhin ist es erfindungsgemäß von Vorteil, daß das Quarz-Etalon und das Metallendmaß bei^ ^ 20 C eine Längendifferenz von Δ-1 ^= 100 :um besitzt.
Durch die Erfindung ist eine kombinierte Temperatur- und Brechzahlbestimmung möglich, wobei der Effekt der interferometrischen Längenmessung für die Brechzahl- und Temperatürbestimmung ausgenutzt wird. Diese Meßergebnisse bilden die Grundlage für die präzise interferometrische Längenbestimmung der Prüflinge.
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Ausführungsbeispiel;
Das Wesen der Erfindung soll an einem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen E"ig· 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfin-
dungsgemäßen Verfahrens
Pig. 2 ein Interferenzstreifensystem für die gleichzeitige interferentieile Temperatur- und Brechzahlbestimmung
In Pig. 1 wird das monochromatische Licht eines Lasers 1 mittels einer Aufweitungseinrichtung 2, z.B. eine rotierende Mattglasscheibe, aufgeweitet und gelangt durch eine Eintrittsöffnung 3 auf ein Objektiv 4. Das Objektiv 4 wandelt das divergente Strahlenbündel in ein paralleles Strahlenbündel um, das anschließend von einem Planspiegel 5 um 90 umgelenkt wird. Ein Teil des Strahlenbündels, im folgenden als Bezugsstrahlenbündel bezeichnet, wird an der Oberfläche einer Strahlungsteilerplatte 6 reflektiert und wird durch einen Planspiegel 7 in sich selbst reflektiert.
Ein weiterer Teil des von dem Planspiegel 5 reflektierten Strahlenbündels durchläuft die Strahlungsteiler-platte 6, nachfolgend als Meßstrahlenbündel bezeichnet, und wird je nach Stellung eines schwenkbaren Objekttisches 8 von den Grundplatten 9' der'Prüflinge 10 und deren Meßoberflächen, bzw. von den Meßoberflachen einer Bestimmungsmeßeinrichtung 11 reflektiert. Bei überlagerung des Meßstrahlenbündels mit dem Bezugsstrahlenbündel entstehen Interferenzstreifensysterne, die sogenannten Interferenzstreifen gleicher Dicke. Da auf dem Objekttisch 8 die Grundplatten 9 mit den angesprengten Prüflingen 10 und der Bestimmungsmeßeinrichtung 11 in einem bestimmten Abstand angeordnet sind, kann durch das Drehen des Objekttisches 8 um definierte Winkelbeträge die Bestimmungsmeßeinrichtung 11, beispielsweise aus einem Quarz-Etalon und einem Metallendmaß bestehend, und die Prüflinge 10 in den Meßstrahlengang nacheinander eingeschwenkt werden, Das hinter einer Austrittsöffnung 13 erfaßbare Interferenzstreifensy stem durchläuft eine Zusatzoptik 14 und gelangt bei der
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elektronischen Erfassung auf eine optische Empfängeranordnung 15· Wird als optische Empfängeranordnung 15 eine CCD-Zeile verwendet, so ist zwischen der Zusatzoptik 14 und der optischen EmpfangeranOrdnung 15 eine schwenkbare, auf der Zeichnung nicht dargestellte, planparallele Platte notwendig, um die einzelnen Interferenzstreifensysteme unmittelbar nacheinander auf die CCD-Zeile zu projizieren. Uimmt man einen größeren Aufwand für die Auswertung des erfaßten Interferenzsy stems in Kauf, so ist die Verwendung einer CCD-Matrixe möglich, wobei dann auf die planparallele Platte verzichtet werden kann. An die optische Empfängeranordnung kann, auf der Zeichnung nicht dargestellt, eine Auswerteelektronik und eine elektrische Temperatur- und Luftdruckmeßeinrichtung angeschlossen werden, deren Meßwerte durch einen Rechner weiter verarbeitbar sind.
In Fig. 2 ist ein Interferenzstreifensystem für eine gleichzeitige interferometrische Temperatur- und Brechzahlbestimmung dargestellt
Voraussetzung für diese kombinierte interferometrische Temperatur- und Brechzahlbestimmung ist eine Kalibrierung:
Es wird in der Hähe der Bestimmungsmeßeinrichtung 11 mit einem hochgenauen Thermometer, z.B. Platin-Widerstandsthermometer, die Lufttemperatur bestimmt. Desweiteren wird in der Ebene der Bestimmungsmeßeinrichtung der Luftdruck, z.B.
mit einem Quecksilberbarometer, und die Luftfeuchtigkeit des Meßraumes, beispielsweise mittels Aspirationspsychrometer, gemessen.
Auf der Grundlage der drei ermittelten Werte wird die Brechzahl η rechnerisch bestimmt.
Bei der interferometrischen Brechzahlbestimmung wird gemäß Pig. 2 aus der Differenz a zwischen dem erzeugten Interferenzstreifensystem der Grundplatte 9 und der Meßoberfläche des Quarz-Etalons die Brechzahl ermittelt. Desweiteren kann die interferometrische Temperaturbestimmung aus der Differenz b zwischen dem erzeugten Interferenzstreifensystem der Meß-' oberflächen des Quarz-Stalons, und des Metallendmaßes erfolgen. Dabei wird die Längenänderung des Metallendmaßes
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(großer Längentemperaturkoeffizient) gegenüber der relativen Längenkonstanz des Quarz-Etalons (kleiner Längentempera.turkoeffizient) bei Temperaturabweichungen ausgenutzt. Zum Zeitpunkt der Messung der Einzelgrößen wird der Bezugspunkt in Form des vorhandenen Interferenzstreifenmusters festgelegt. Bei einer Abweichung der Temperatur- oder der ''Brechzahl von dem Bezugspunkt erfolgt eine Verschiebung des Interferenzstreifensystems. Um eine Abweichung von den Bezugsbedingungen um eine oder mehrerer Ordnungen festzustellen, ist eine grobe Vormessung des Drucks von + 2 Torr und der Temperatur von + 0,6 K notwendig. Entsprechend der zugehörigen Ordnung kann aus den Interferenzbruchteilen die präzise Temperatur- und Brechzahlbestimmung erfolgen. Die z.B. mit mechanischen Mitteln vorgemessenen Prüflinge können so einer bestimmten Ordnung zugeordnet werden. Pur die Bestimmung der Länge der Prüflinge 10 entsprechend der vorhandenen Umweltbedingungen erfolgt die Erfassung der Interferenzbruchteile aus dem Interferenzstreifensystem zwischen der Grundplatte und der Meßoberf.lache des Prüflings 10.
Unter Berücksichtigung der mittels der Bestimmungsmeßeinrichtung 11 ermittelten Temperatur und Brechzahl kann die Länge des Prüflings, z.B. eines Parallelendmaßes, für die Bezugstemperatur bestimmt werden.
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Claims (4)
1. Verfahren zur interferometrischen Temperatur- und Brechzahl be Stimmung, bei dem die Strahlung einer monochromatischen Lichtquelle mittels optischer Glieder in ein Bezugsstrahlenbündel und ein Meßstrahlenbündel aufgespalten und das entstehende Interferenzbild mittels einer Abbildungsoptik hinter der Ebene einer Austrittsöffnung erfaßt wird, gekennzeichnet dadurch, daß das monochromatische Meßstrahlenbündel von den Grundplatten der Prüflinge und einer Be-Stimmungsmeßeinrichtung und deren Meßoberflächen reflektiert wird, daß das Interferenzbild eine Zusatzoptik durchläuft und daß die interferometrische Brechzahlbestimmung als Differenz zwischen dem erzeugten Interferenzstreif ensy st em der Grundplatte und der Meßoberfläche eines relativ temperaturunabhängigen Körpers der Bestimmungsmeßeinrichtung und die interferometrische Temperaturbestimmung als Differenz zwischen dem erzeugten Interferenzstreifensystem der beiden Meßoberflächen der Bestimmung sme ß einrichtung visuell oder elektronisch erfaßt wird.
2. Anordnung zur Realisierung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß auf dem Objekttisch in einem bestimmten Abstand Grundplatten mit angesprengten Prüflingen und mit der Bestimmungsmeßeinrichtung schwenkbar in den monochromatischen Meßstrahlengang angeordnet und daß zur elektronischen Erfassung des Interferenzbildes hinter der AustrittsÖffnung eine Zusatzoptik und eine optische Smpfängeranordnung nachgeordnet sind.
3· Anordnung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die; Bestimmungsmeßeinrichtung aus einem Quarz-Etalon und einem Metallendmaß besteht.
4. Anordnung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Quarz-Etalon und das Metallendmaß beiw" «20 C eine Längendifferenz von Λΐ-^100 mn besitzen.
Hierzu 1 Selie 2si£hnungen_
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