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Vorrichtung zum Messen von optischen Weglängendifferenzen Zur Messung
von optischen Weglängendifferenzen, wie sie bei Strömungsvorgängen, Vorgängen bei
der Wärme- und Stoffübertragung, in der Mikroskopie, an inhomogenen durchsichtigen
und reflektierenden Flächen auftreten, wurden bereits eine Reihe von Vorrichtungen
und Verfahren entwickelt.
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Hierbei wurden grundsätzlich zwei Wege beschritten: Die Schatten-
und Schlierenverfahren sprechen auf den Brechzahlgradienten an, die Zweistrahl-Interferenzverfahren
in erster Linie unmittelbar auf das Brechzahlfeld.
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Das von Toepler angegebene Schlierenverfahren erfuhr im Lauf der
Zeit zahlreiche Abwandlungen hinsichtlich der Anordnung sowohl als auch der Vorrichtungen,
welche Schardin (Ergebn. exakt.
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Naturw., 20 (1942), 5. 303/439) zusammenfassend beschreibt. Die Meßgenauigkeit
und die Empfindlichkeit der Schlierenverfahren ist jedoch beschränkt.
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Einen Fortschritt bedeutet die Anwendung des Interferenzprinzips;
die Interferenzlinien stellen eine bequem vermeßbare Art der Aufzeichnung dar.
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Die Voraussetzung der Interferenzentstehung bei dem Zweistrahl-Interferenzverfahren
kann grundsätzlich auf zweierlei Art geschaffen werden: 1. Das Parallellichtbündel
wird in zwei kohärente Bündel geteilt, wobei die »Teilerplatten« mindestens die
Abmessungen des untersuchten Gegenstandes haben müssen. In Weiterentwicklung des
Interferometers nach Jamin und der Methode nach Sirks und Pringsheim haben Mach
und Zehnder (Zeitsch. Instr., 53 [1933], S. 396/403, 424/436) ein heute häufig angewandtes
Interferometer angegeben.
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Modifikationen des Gerätes nach Mi chels on (deutsche Patentschrift
825 755) dienen der Prüfung von optischen Erzeugnissen. Diese Geräte sind durchwegs
sehr aufwendig, und die nötige Präzision ist nur durch langwieriges Justieren erfahrener
Fachkräfte zu erreichen.
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2. Die offensichtlichen Vorteile optischer Interferenzmeßmethoden
führten zur Entwicklung einfacherer und billigerer Geräte, freilich unter manchem
Verzicht auf die universellen Eigenschaften des Mach-Zehnder-Interferometers. Diese
Geräte bewerkstelligen die Lichtstrahlteilung in der Lichtquelle bzw. deren Bild.
Da die Lichtquelle klein ist, sind die Vorrichtungen zur Lichtstrahlteilung billiger
und bequemer zu justieren. Das »Diffraction-Grating«-Interferometer nach Kraushaar
(J. Opt. Soc.
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Amer., 40 [1950], 5. 480/481) benutzt zwei Gitter zur Interferenzherstellung,
welche aufwendig und nicht einfach einzurichten sind. Die von Erdmann (Apl. sci.
Res., B2 [1951], S. 149/198) nach seinem
»Feldabsorptionsverfahren« hergestellten
Bilder weisen einen ungenügenden Kontrast auf. Mit polarisiertem Licht und Wollaston-Prismen
arbeiten die »Differential-Interferometer« (Publ. sci. et tech. du Ministr. del'air,
Nr. 338 [195?]), welche die interferometrische Bestimmung der Differenzenquotienten
der Brechzahl erlauben.
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Mit sämtlichen genannten Interferenzverfahren kann keine Aussage
über das Vorzeichen des Brechzahlgradienten gemacht werden, weswegen bei verwickelten
Untersuchungen (z.B. Stoßwellen, Glasinhomogenitäten) die Interferogramme durch
Schlierenaufnahmen ergänzt werden müssen.
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Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden
diese Nachteile ausgeschaltet.
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Es ist nunmehr möglich, in einfacher und wirtschaftlicher Weise optische
Weglängendifferenzen, wie sie bei Strömungsvorgängen, bei Vorgängen der Wärme-und
Stoffübertragung, in der Mikroskopie, an inhomogenen durchsichtigen und reflektierenden
Flächen auftreten, mit einer Genauigkeit zu messen, wie sie bisher nur mit den aufwendigen
und schwieriger zu justierenden Mach-Zehnder-Interferometern möglich war.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von optischen Weglängendifferenzen
ist ein auf den Toeplerschen Anordnungen beruhendes InteRerometer, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß anstatt der Schlierenblende mindestens ein Fresnelsches Biprisma und/oder
ein Luftkeil in oder in der Nähe der Bildebene der Lichtquelle angeordnet ist.
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Das Biprisma kann durchsichtig, verspiegelt oder teilverspiegelt
sein. Im allgemeinen erfüllt es zwei Funktionen: Das Biprisma dient der unmittelbaren
Bestimmung des Brechzahlfeldes und registriert
außerdem das Vorzeichen
des Brechzahlgradienten, und zwar gibt das durchsichtige Biprisma nur Brechzahlfelder
mit positiven, das verspiegelte Biprisma nur solche mit negativen Brechzahlgradienten
an.
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Durch Teilverspiegelung kann das gesamte Feld auf zwei getrennten
Bildern mit den entsprechenden Vorzeichen der Gradienten erfaßt werden. Wird das
Biprisma etwas außerhalb der Bildebene der Lichtquelle verschoben, und zwar das
durchsichtige Biprisma hinter, das verspiegelte Biprisma vor die Bildebene der Lichtquelle,
so kann man eine Interferenzstreifenvorgabe erzielen, wobei die Breite des Streifenfeldes
vom Keilwinkel des Biprismas abhängt.
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Der Luftkeil dient im allgemeinen der Bestimmung von Differenzenquotienten
der Brechzahl. Er ist in Richtung des einfallenden Lichtes begrenzt durch ein durchsichtiges,
teilreflektierendes Material, z. B. eine Glasplatte, in Richtung des austretenden
Lichtes durch ein durchsichtiges, teilreflektierendes oder totalreilektierendes
Material, je nachdem, ob das Bild des untersuchten Gegenstandes durch Reflexion
oder im Durchlicht am Luftkeil entstehen soll. Die Beobachtung im reflektierten
Licht ergibt jedoch bessere Kontraste der Interferenzlinien.
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Dadurch, daß sich die Vorrichtungen gemäß der Erfindung nur in oder
in der Nähe der Bildebene der Lichtquelle befinden, ist es möglich, sowohl das Brechzahlfeld,
das Vorzeichen des Gradienten, als auch die Differenzenquotienten der Brechzahl
gleichzeitig oder in sehr kurzem zeitlichem Abstand zu registrieren.
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Der Körper, an dem die zu messenden optischen Weglängendifferenzen
auftreten, kann z. B. ein sich bewegendes Projektil sein. Hierbei werden die optischen
Weglängendifferenzen durch die in dem dem Körper umgebenden Medium auftretenden
Dichteunterschiede hervorgerufen. Es kann aber auch ein ruhender Körper vermessen
werden, der eine andere Temperatur als das ihn umgebende Medium hat, wodurch ein
Temperatur- bzw. Brechzahlgradient im umgebenden Medium erzeugt wird.
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Weiterhin kann der Körper auch ein Körper mit inhomogener reflektierender
oder teilreflektierender Oberfläche sein, wobei die optischen Weglängendifferenzen
nicht durch Brechzahländerungen, sondern durch Weglängendifferenzen an der Oberfläche,
welche in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegen müssen, hervorgerufen werden.
In diesem Fall läßt sich die Vorrichtung auf die Prüfung der Qualität von Plan-
oder Hohlspiegel anwenden.
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Schließlich kann der Körper auch ein durchsichtiger Körper sein,
wobei die optischen Weglängendifferenzen hervorgerufen werden durch Inhomogenitäten
in der Dicke des Körpers, als auch durch Brechzahlgradienten erzeugt werden können.
Damit eignet sich die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch zur Untersuchung von
Linsen und planparallelen Platten sowie von Inhomogenitäten in Glas.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird an Hand der beigefügten
Figuren erläutert. Hierbei bedeutet Fig. 1 eine Anordnung mit Paralleistrahlengang,
bestehend aus einer kohärenten Lichtquelle 1 (z. B. ein beleuchteter Spalt), welche
in der Brennebene eines Hohlspiegels 2 oder einer Linse steht. Im so erhaltenen
Paralleflichtbündel befindet sich der zu untersuchende Körper 3, welcher mittels
eines zweiten Hohlspiegels 4 oder einer Linse und einem ab-
bildenden Objektiv 5
auf der Bildebene 6 des Körper abgebildet wird. In oder in der Nähe der Bildebene
der Lichtquelle befindet sich jeweils das Fresnelsch Biprisma und/oder der Luftkeil.
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Fig.2 zeigt eine Anordnung mit konvergenten Strahlengang. Der zu
untersuchende Körper 3 kant sich im austretenden, im ein- und austretenden (Ko.
inzidenzanordnung) oder im eintretenden Strahl be finden, wie es in F i g. 3 gezeigt
ist. In dieser Figur ist der Strahlengang in einem Mikroskop dargestellt Die Anordnung
gleicht der von Fig.2. Statt dz Hohlspiegels wird ein Objektiv 2 verwendet. Dar
Bild 6 des Körpers 3 wird durch ein Okular 8 be trachtet. Bei allen Ausführungsformen
kann der n untersuchende Körper auch der Hohlspiegel ode die Linse selbst sein (ähnlich
dem Foucaultscher Schneidenverfahren). Durch Knickung der Strablengänge ändert sich
nichts an diesen grundsätzlicher Anordnungen, weswegen auch planverspiegelte Ober.
flächen untersucht werden können.
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F i g. 4, 5, 6 und 7 sind Stellungen der durchsichtigen 8- und verspiegelten
9-Biprismen mit und ohne Interferenzstreifenvorgabe in oder in der Nähe de Bildebene
7 der Lichtquelle.
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Fig. 8 zeigt die Wirkung des Luftkeils 10 im durchfallenden und reflektierenden
Strahlengang. Die Stellung des Luftkeils 10 in oder in der Nähe dei Bildebene 7
der Lichtquelle ist ohne großen Eintlue auf das entstehende Interferenzbild.
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F i g. 9 und 10 zeigen einige der möglichen Kombinationen zur gleichzeitigen
Herstellung von ierferenzbildern mit positiven und negativen Brechzahl. gradienten
sowie zur Herstellung von Interferenzbildern zur Bestimmung von Differenzquotienten
der Brechzahl. Die Anordnung nach F i g. 9 mit teilreflektierendem Biprisma 11 eignet
sich nur zur Herstellung von Interferenzbildern ohne Interferenzstreifenvorgabe.
Durch Einbringen eines teililektierenden Spiegels 12 in Fig. 9, etwa nach Art der
F i g. 10, und eines Luftkeils 10 läßt sich die Anordnung zur gleichzeitigen Bestimmung
von Differenzquotienten der Brechzahl erweitern. Dasselbe läßi sich in F i g. 10
etwa durch Einbringen eines zweiten teilreflektierenden Spiegels oder, unter Verzicht
aui eines der beiden Interferenzbilder, durch Ersetzen eines Biprismas 8 oder 9
durch einen Luftkeil erreichen. Die Anordnung nach Fig. 10 eignet sich ferner auch
zur Herstellung von Interferenzbildern mit positiven und negativen Brechzahlgradienten
bei gleichzeitiger Interferenzstreifenvorgabe. Soll aui die gleichzeitige Wiedergabe
der geschilderten Möglichkeiten verzichtet werden, so benötigt man die teilreflektierenden
Spiegel nicht.
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Die Stellungen der Biprismen und des Luftgeils (wie in den F i g.
4 bis 8 gezeigt) in oder in der Nähe der Bildebene der Lichtquelle charakterisieren
das neue Interferometer. Die Lage der Bildebene der Lichtquelle geht aus den Fig.
1, 2 und 3 hervor.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich den Eigenheiten der
zu untersuchenden Falle afr passen. So wird die Anordnung nach F i g. 1 vorznsweise
dann verwendet, wenn die zu untersuchenden Körper eine größere Länge besitzen, welche
der Lichtstrahl durchlaufen muß. Die Anordnung nach Fig. 2 wird vorzugsweise zur
Untersuchung def Güte von Hohlspiegeln und von Linsen verwendet, wobei das abbildende
Objektiv 5 diese Körper 2 abbildet. Zur Untersuchung von Dichtefeldern, wie sie
etwa
bei sich rasch bewegenden Projektilen auftreten, kann der Lichtstrahl das Modell
zweimal lurchlaufen (Koinzidenzanordnung). Durch Knickung des Strahlenganges mittels
Planspiegel lassen sich auch plane Oberflächen untersuchen. Die Wirkung des Biprismas
und des Luftkeils auf das Interferenzbild besteht in der Verdoppelung dieser Bilder.
Dies bedeutet, daß sich einem Bildpunkt zwei Punkte in der Ebene des zu untersuchenden
Körpers zuordnen lassen. Im allgemeinen gibt das Interferenzbild die optische Weglängendifferenz
dieser beiden Punkte an.
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Steht jedoch das Biprisma direkt in der Bildebene der Lichtquelle
(F i g. 4 und 6), so werden immer die optischen Weglängendifferenzen des optisch
inhomogenen Untersuchungsgegenstandes gegen die optisch homogene Umgebung gemessen,
sofern nur Licht dieser optisch homogenen Umgebung an der Bildentstehung teilnehmen
kann.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist an Hand eines Beispiels beschrieben.
Beispielsweise wurden Temperaturfelder mit der Biprisma-Interferenzmethode quantitativ
vermessen. Hierbei wurde die Anordnung nach Fig. 1 und ein durchsichtiges Biprisma
in der Stellung gemäß F i g. 4 verwendet. In Fig. 11 sind die damit erhaltenen Ergebnisse
im Vergleich zur theoretischen Kurve (welche für freie Konvektion an einer senkrechten
beheizten Platte in Luft angegeben wird) als ausgezogene Kurve dargestellt. Im Diagramm
(Fig. 11) wurde die Temperatur a über dem Wandabstand 52 aufgetragen. Die Ergebnisse
sind vergleichbar mit denen, wie sie mit dem wesentlich aufwendigeren Gerät nach
Mach-Zehn d er erhalten werden können.