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Interferometer
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Die Erfindung betrifft ein Interferometer nach dem Michelson-Prinzip
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind Interferometer mit brechenden Elementen bekannt, bei welchen
ein Wegunterschied durch ein Hin- und Herbewegen eines Keils oder zweiter Keile
bzw. eines Prismas oder zweier Prismen in einem Arm oder in beiden Armen des Interferometers
erzeugt wird. In Fig.l ist der prinzipielle Aufbau eines solchen Geräts dargestellt.Hierbei
sind mit S1 und S2 zwei ortsfeste Spiegel eines bekannten Interferometers bezeichnet,
welche als Planspiegel oder auch als Tripelspiegel (Rückstrahler) ausgebildet sein
können. Mit K1 und K2 sind zwei identische Keile (oder Prismen) bezeichnet, die
aus einem Material hergestellt sind, welches einen Brechungsindex nK hat, der ungleich
dem Brechungsindex von Luft ist. Mit ST ist ein Strahlteiler bezeichnet, der als
Beschichtung auf der Rückseite eines der Keile K1 oder K2 aufgebracht sein kann
oder der zwischen den beiden, einander gegenüberliegenden Flächen der Keile K1 und
K2 angeordnet ist. Mit Q ist eine Strahlungsquelle bezeichnet, deren Strahlung zur
Interferenz gebracht werden soll, während mit D ein Detektor bezeichnet ist, mit
welchem die interferierende Strahlung gemessen wird.
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Der optische Weg durch die beiden Interferometerarme ist gleich, wenn
die Abstände von den festen Spiegeln S1 bzw.
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S2 jeweils zu dem Strahlteiler ST gleich sind und gleichzeitig die
beiden Keile K1 und K2 nicht gegeneinander verschoben sind, d.h. spiegelsymmetrisch
zu dem Strahlteiler ST angeordnet sind. Wird nunmehr einer der Keile, bei-
spielsweise
der Keil K2, wie in Fig.l gestrichelt angedeutet ist, entlang dem Strahlteiler beispielsweise
in Richtung zur Keilspitze verschoben, dann durchläuft die Strahlung in beiden Armen
des Interferometers unterschiedlich lange Wege durch die Luft und das Keilmaterial;
hierdurch ergeben sich dann unterschiedliche optische Wege, solange der Brechungsindex
nK des Keilmaterials ungleich dem Brechungsindex n L von Luft ist. Somit können
durch Hin- und Herbewegen einer der Keile K1 oder K2 in der beschriebenen Weise
unterschiedliche optische Wege in den beiden Interferometerarmen erzeugt werden,
ohne daß die geometrischen Wege verändert werden. Bei diesen Uberlegungen ist davon
ausgegangen, daß für den optischen Weg do durch ein Material mit dem Brechungsindex
n gilt: do = n . dg wobei dg der geometrische Weg ist.
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Es sind verschiedene Ausführungen solcher Interferometer mit brechenden
Elementen bekannt; hierbei wird immer die Wegdifferenz durch ein Hin- und Herbewegen
von einem oder mehreren optischen Elementen erzeugt. Diese Bewegung(en) muß (müssen)
mit großer Präzision durchgeführt werden, weshalb ein großer Aufwand bei der Lagerung
und dem Antrieb der bewegten Elemente erforderlich ist.
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Bei gegenwärtig zur Interferometrie in der Praxis verwendeter Verfahren
und Vorrichtungen mit brechenden Elementen wird daher als nachteilig angesehen,
daß a) Hin- und Herbewegungen durchgeführt werden, b) die Meßgeschwindigkeit aus
diesem Grund begrenzt ist, c) zeitlich lückenlose Messungen nicht möglich sind,
und d) ein verhältnismäßig großer Aufwand nötig ist.
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Zur Erläuterung der vorstehend angeführten Punkte a) bis c) müssen
die bewegten Elemente ständig abwechselnd beschleunigt und dann wieder bis zum Stillstand
abgebremst -5-
werden. Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Verfahren
und Vorrichtungen besteht darin, daß wegen der notwendigen Lagerung der bewegten
Elemente im allgemeinen nur ein Betrieb des Interferometers in horizontaler Stellung
möglich ist, zumindest aber ein Betrieb in beliebiger Lage nicht möglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Interferometer nach dem Michelson-Prinzip
unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten
in der Weise zu verbessern, daß mit einem geringeren Aufwand zeitlich lückenlose
und kontinuierliche Spektralmessungen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit in jeder
beliebigen Lage des Interferometers durchfuhrbar sind, ohne daß Hin-und Herbewegungen
erforderlich sind.
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Diese Aufgabe wird bei einem Interferometer der gattungsgemäßen Art
erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte
Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden
Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen erläutert. Es
zeigen: Fig.l eine schematische Schnittdarstellung eines herkömmlichen Interferometers
mit brechenden Elementen; Fig.2 eine schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten
Ausführungsform eines Interferometers gemäß der Erfindung; Fig.3 eine schematische
Draufsicht auf die Ausführungsform der Fig.2 und Fig.4 in Draufsicht eine weitere
Ausführungsform
der Erfindung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in Verbindung
mit einem üblichen Strahlteiler ST, einem festen Planspiegel S1 und einem zweiten
festen Planspiegel S2 als beweglicher Spiegel eines Interferometers IF ein Rückstrahler
RS beispielsweise in Form eines Tripelspiegels, eines Retroreflektors usw. verwendet;
dieser Rückstrahler RS ist so ausgebildet, daß er mit einer vorgegebunen gewünschten
Geschwindigkeit um eine Drehachse DA rotiert; die Drehachse DA des Rückstrahlers
RS verläuft parallel zur optischen Achse CA des Interferometers IF und ist zu dieser
(OA) seitlich versetzt. Außerdem verläuft die Drehachse DA des Rückstrahlers RS
auch parallel zu einer Symmetrieachse SYA des Rückstrahlers RS und ist seitlich
zu dieser (SYA) versetzt. Die Parallelität der drei Achsen DA, OA und SYA ist für
einen einfachen Aufbau und zur Vereinfachung sowie zur Erhöhung der Ubersichtlichkeit
der Darstellung zweckmäßig; sie ist aber für die Funktion des Interferometers nicht
notwendig. Notwendig ist allerdings, daß die drei Achsen DA, OA und SYA oder zumindest
zwei von ihnen nicht zusammenfallen.
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Als Element, das einen Wegunterschied erzeugt, befindet sich zwischen
dem Rückstrahler RS und dem zweiten festen Spiegel S2 ein Keil K (ein Prisma) aus
brechendem Material, dessen Brechungsindex nK ungleich dem Brechungsindex n L ist.
Dieser Keil K ist zweckmäßigerweise so angeordnet, daß seine Symmetrieebene SE,
d.h. die Ebene, welche durch seine brechende Kante BK und deren senkrechte Projektion
auf die Basisfläche B des Keils K oder des Prismas ausgebildGt ist, senkrecht zu
der Ebene liegt, welche durch die optische Achse OA des Interferometers IF und die
Drehachse DA des Rückstrahlers RS aufgespannt wird, wenn beide - wie im vorliegenden
Fall - prallel sind, und welche damit parallel zum zweiten festen Spiegel S2 liegt.
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Bei nicht parallelem Verlauf der Achsen OA und DA sollte
die
Symmetrieebene des Keils K senkrecht zur optischen Achse OA des Interferometeres
IF und damit parallel zum zweiten festen Spiegel 5" liegen. Prinzipiell ist es gleichgültig,
ob die brechende Kante BK, wie es in Fig.2 und 3 der Fall ist, oder die Basisfläche
des Keils K gegenüber dem Strahlenteiler ST liegt.
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Durch eine entsprechende Anordnung der Achsen OA, DA und SYA und der
übrigen Teile ist vor allem sicherzustellen, daß in Fig.2 ein Strahlenbündel SB,
welches von dem Strahlenteiler ST aus in den Arm mit dem Keil K und dem Rückstrahler
RS gelangt, a) nach Verlassen des Strahlteilers ST vollständig den Keil durchläuft,
b) vom Rückstrahler RS seitlich versetzt zum zweiten Mal durch den Keil K gelenkt
wird, - wobei das Strahlenbündel SB nach dem zweiten Durchgang durch den Keil wieder
parallel zur optischen Achse OA des Interferometers IF ist, so daß die beim ersten
Durchgang bewirkte Ablenkung durch den zweiten Durchgang wieder rückgängig gemacht
worden ist -und damit senkrecht auf den zweiten festen Spiegel auftrifft, und c)
von dort reflektiert wird, so daß das Strahlenbündel (S6) auf demselben Weg wie
vom Strahlteiler ST zum festen Spiegel S2 nunmehr in umgekehrter Richtung vom festen
Spiegel S2 über den Rückstrahler RS zum Strahlenteiler ST zurückläuft. Das Strahlenbündel
muß also auf dem "Hinweg" und auf dem Rückweg dem Keil K jeweils zweimal durchlaufen.
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Nachdem der Rückstrahler RS (beispielsweise ein Tripelspiegel) das
Strahlenbündel SB (in Bezug auf alle Seiten) seitenvertauscht reflektiert, wird
durch di-ese Anordnung und den jeweils zweimaligen Durchlauf durch den Keil K erreicht,
daß alle Teile des Strahlenbündels SB unabhängig davon, ob es am spitz zulaufenden
oder breiteren Ende des Keils K auftrifft, dieselbe Wegstrecke durch das Keilma-
terial
zurücklegen; das Strahlenbündel SB sieht" gewissermaßen eine planparallele Platte,
die es bei vier Durchläufen durch den Keil K insgesamt zweimal durchläuft (siehe
Fig.2 bezüglich des Strahlenbündels SB). Außerdem bewirken jeweils die ersten beiden
und die letzten beiden aufeinanderfolgenden Durchläufe durch den Keil K, daß die
durch die Brechung bewirkte Ablenkung des Strahlenbündels SB wieder rückgängig gemacht
wird, so daß also auch das Stsahlenbündel SB parallel zur optischen Achse OA und
damit senkrecht auf den Spiegel S2 auftrifft, wenn dieser richtig, d.h. senkrecht
zum festen Spiegel S1 und unter 45° zum Strahlteiler ST justiert ist, und dann wieder
zu seinem Ausgangspunkt am Strahlteiler ST zurückkehrt.
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Bei einer Rotation des Rückstrahlers RS um seine Drehachse DA wird
dieser, bezogen auf die optische Achse OA des Interferometers IF, seitlich versetzt,
wodurch das Strahlenbündel SB natürlich auch eine Versetzung erfährt und damit die
zweiten und dritten Durchgänge durch den Keil K jeweils in Abhängigkeit von der
Stellung des Rückstrahlers RS aufgrund dessen Drehung an anderer Stelle erfolgen,
so daß damit das Strahlenbündel SB eine andere Keildicke zu durchlaufen hat. Bei
der Rotation des Rückstrahlers RS, welche kontinuierlich erfolgen kann und zweckmäßigerweise
kontinuierlich sein sollte, durchläuft somit das Strahlenbündel SB in ständigem
Wechsel stetig bis zu einem Maximum zunehmende und dann wieder stetig bis zu einem
Minimum abnehmenderKeildicken und damit entsprechend unterschiedliche optische Wege.
Wegen des Jeweils zweimaligen Durchlaufs durch den Keil K "sieht" das Strahlenbündel
SB eine planparallele Platte mit periodisch sich stetig ändernden Dicken. Zwischen
Maximum und Minimum bzw. zwischen Minimum und Maximum wird dann jeweils am Detektor
D eine Seite des (über Maximum-Minimum-Maximum symmetrischen) Interferogramms in
herkömmlicher Weise registriert, digitalisiert und mit Hilfe eines Fourrier-Transformation
zum Spektrum umgerechnet.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ist anhand von Fig.2 und 3 leicht
zu ersehen, daß durch die Anordnung und Dimensionierung der Komponenten folgendes
sichergestellt sein muß, daß nämlich a) das Strahlenbündel SB nach dem ersten Durchgang
und der Ablenkung durch den Keil K nicht wieder in sich selbst zurückgeworfen wird,
d.h. die optische Achse des Strahlenbündels SB in keiner Stellung des rotierenden
Rückstrahlers RS durch dessen Symmetriezentrum SZ laufen darf, (wobei das Symmetriezentrum
SZ jener Punkt des Rückstrahlers RS sein soll, der einen parallel zur Symmetrieachse
SYA einfallenden Strahl in sich selbst zurückwirft); im Falle eines Tripelspiegels
ist das Symmetriezentrum dessen Scheitelpunkt; b) bei paralleler Anordnung der Achsen
DA, OA und SYA die optische Achse des Strahlenbündels SB nach dem ersten Durchgang
durch den Keil K nicht mit der Drehachse DA zusammenfallen darf. (Die optische Achse
des Strahlenbündels SB darf vielmehr nur mit der Drehachse DA zusammenfallen, wenn
die Drehachse DA und die Symmetrieachse SYA des Rückstrahlers RS gegeneinander geneigt
sind); c) der verwendete Keil K so groß ist, daß jedes vom Rückstrahler RS reflektierte
Strahlenbündel ihn durchlaufen muß, und d) auch der feste Spiegel S2 so ausgedehnt
ist, daß er jedes vom Rückstrahler RS reflektierte Strahlenbündel seinerseits wieder
reflektiert.
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Nach dem Obigen lassen sich unter anderen zwei mögliche Konstruktionsausführungen
ableiten, welche in Fig.3 bzw. 4 in Draufsicht dargestellt sind. In Fig.3 und 4
ist mit USZ ein Kreis bezeichnet, auf welchem das Symmetriezentrum SZ des Rückstrahlers
RS bei Rotation umläuft; mit ERS ist eine von der Drehachse DA am weitesten entfernt
liegende Ecke des Rückstrahlers RS und mit UERS ist ein Kreis bezeichnet, auf dem
die Ecke ERS bei Rotation umläuft.
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In Fig.3 soll ein Strahlenbündel SB außerhalb des Umlaufkreises USZ
des Symmetriezentrums SZ auf den Rückstrahler RS auftreffen. Da die Projektion jedes
reflektierten Strahls beim Rückstrahler RS (beispielsweise einem Tripelspiegel)
durch dessen Symmetriezentrum SZ läuft, ergibt sich daraus der Bereich, welchen
das Strahlenbündel SB höchstens erreichen kann, und der durch die gestrichelten
Linien BSB begrenzt ist; dieser Bereich muß also durch den 7weiten festen Spiegel
S2 überdeckt werden; außerdem muß auch der Keil K den von den Linien BSR begrenzten
Bereich und zusätzlich außerdem auch noch den Bereich überdecken, welchen das Strahlenbündel
SB beim Eintritt überdeckt.
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In Fig.4 soll ein Strahlenbündel SB innerhalb des Umlaufkreises USZ
des Symmetriezentrums SZ auf den Rückstrahler RS auftreffen. In diesem Fall läuft
bei Rotation des Rückstrahlers RS das von ihm reflektierte Strahlenbündel gewissermaßen
um die Drehachse DA und um das einfallende Bündel SB herum. Der feste Spiegel S2
und der Keil K müssen also die Bereiche um das einfallende Bündel SB herum überdecken,
wobei der feste Spiegel S2 mit einer Öffnung an der Stelle versehen sein muß, durch
welche das Strahlenbündel SB auch eintreten kann; hierbei muß die Öffnung genau
denselben Durchmesser wie das Strahlenbündel SB haben. Die Orientierung der Basisfläche
B und der brechenden Kante BK des Keils K in den einzelnen Anordnungen ist prinzipiell
beliebig und hat nur bei der Rotation Einfluß auf die Abhängigkeit des Maximums
bzw. Minimums des optischen Wegs von der Jeweiligen Stellung des Rückstrahlers.
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Bei allen Ausführungsformen sind die beiden Arme des Interferometers
IF, nämlich derjenige mit dem festen Spiegel S1 und derjenige mit dem rotierenden
Rückstrahler RS, in bekannter Weise so aufeinander abgestimmt, daß der Weg durch
die beiden Arme gleich lang ist, wenn der Weg im Arm mit dem rotierenden Rückstrahler
RS minimal ist, bzw. der Arm mit dem festen Spiegel S1 kann einige Wellenlängen,
und
zwar von den größten untersuchten Wellenlängen, länger sein als das Minimum des
Wegs durch den Arm mit dem rotierenden Rückstrahler RS. Der zweite genannte Fall
ist der gebräuchlichere, weil dadurch am Anfang der Messung ein Interferogramm auf
beiden Seiten des Symmetriepunktes des Interferometers aufgrund der gleichen Weglänge
durch beide Arme des Interferometers gewonnen wird, was in bekannter Weise zur Phasenkorrektur
bei der Berechnung des Spektrums verwendet wird. Die Weglängen können aber auch
so abgestimmt werden, daß ein vollständig symmetrisches Interferogramm gewonnen
wird.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist daher, ohne
daß ein Teil des Geräts vor- und zurückbewegt wird, eine kontinuierliche Änderung
des Wegs in einem Arm des Interferometers allein dadurch erreicht, daß eine Rotationsbewegung
des Rückstrahlers RS ausgeführt wird. Bei dem erfindungsgemäßen interferometrischen
Meßverfahren braucht also der brechende Keil K nicht ständig angehalten und wieder
beschleunigt zu werden, sondern der Rückstrahler RS rotiert kontinuierlich mit einer
gleichmäßigen Umlaufgeschwindigkeit. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
daher nicht nur eine technisch einfache und doch präzise Lagerung des zu bewegenden
Spiegels, d.h. des in Drehung zu versetzenden Rückstrahlers RS mit verringertem
Aufwand realisiert werden, sondern darüber hinaus ist auch der Antrieb und die vorzugsweise
elektronische Regelung des Spiegellaufs mit einem wesentlich geringeren Aufwand
durchführbar.
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Gegenüber den eingangs beschriebenen bekannten Interferometern sind
die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Interferometers darin zu sehen,
daß a) zeitlich lückenlose Messungen durchführbar sind, b) sowohl langsame als auch
insbesondere sehr schnelle Messungen durchführbar sind, c) mit verringertem Konstruktionsaufwand
ein vibrations-
und schockunempfindliches Interferometer ausführbar
ist, d) durch den geringeren Aufwand an Elektronik und Mechanik ein kompaktes, kleines
Interferometer herstellbar ist, welches insbesondere zusammen mit einem geeigneten
Mikroprozessor als tragbares, kompaktes Spektrometersystem ausgebildet werden kann,
und e) wegen der einfachen universellen Lagerung des bewegten Spiegels in Form des
rotierenden Rückstrahlers RS ein Betrieb des Interferometers in jeder beliebigen
Lage im Raum möglich ist; f) bei paralleler Anordnung der drei Achsen DA, SYA, OA
in jeder Stellung des rotierenden Rückstrahlers RS das Strahlenbündel SB unter demselben
(bzw. nahe zu demselben) Winkel auf die Rückstrahlerfläche trifft, und daß daher
in jeder Stellung die von diesem bewirkte Polarisierung der Strahlung dieselbe (bzw.
nahezu dieselbe) ist.
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Als Material für den brechenden Keil K können die allgemein üblichen
Materialien verwendet werden; allerdings muß der Spektralbereich der jeweiligen
Anwendung berücksichtigt werden, indem beispielsweise optische Gläser im sichtbaren
Bereich, CaF, KBr, Irtran, usw. im Infraroten usw. verwendet werden.
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Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Interferometer auch entsprechend
den in der Literatur beschriebenen Abwandlungen nach dem Michelson-Prinzip ausgebildet
werden, so beispielsweise als polarisierendes Interferometer.
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Eine Justierung des festen Spiegels, eine Wegmessung der Spiegel position,
u.ä. können in bekannter Weise auch hier durchgeführt werden; beispielsweise kann
die Wegmessung durch Laser und Weißlicht mit entsprechenden Detektoren im Strahlengang
oder durch Ausbildung eines entsprechenden Referenzinterferometers durchgeführt
werden.
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Die Art des Rückstrahlers, des Keils und des zweiten festen Spiegels,
deren geometrische Abmessungen, die Neigung und der Versatz der drei Achsen sowie
die Oberflächengüte der einzelnen Elemente sind in üblicher Weise an die Meßaufgabe
anzupassen. Das gleiche gilt für die Spiegellagerung, die Rotationsgeschwindigkeit
und die dazugehörige Elektronik. Der Keil K sollte bezogen auf die optische Achse
OA zweckmäßigerweise (aber nicht notwendigerweise) im Minimum der Ablenkung betrieben
werden.
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Auch der feste Spiegel S1 kann in bekannter Weise als fester Tripelspiegel
(Rückstrahler) ausgebildet sein. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Interferometer
bei allen bisher verwendeten Interferometerverfahren eingesetzt werden, bei welchen
die Änderung der Wegdifferenz in irgend einer Form durch Hin- und Herbewegen erzielt
wird.
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Der Spiegel S1 kann auch als kombination eines rotierenden Rückstrahlers
und eines brechenden Keils mit festem Planspiegel ausgebildet sein; hierbei können
eventuelle Abbildungsfehler kompensiert und größere Weglängendifferenzen erreicht
werden. Ferner kann die beschriebene Methode zur Konstruktion jeder anderen Art
von Spektrometern verwendet werden, falls dabei sich ändernde Weglängen erforderlich
sind. Generell gilt, daß der rotierende Rückstrahler entsprechend ausgewuchtet sein
soll.
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Ende der Beschreibung