DE1047478B - Anordnung bei Interferometern - Google Patents

Description

Kennzeichnend für Rayleighs Interferometer ist eine spaltförmige Lichtquelle, die von einem Linsensystem abgebildet wird, in welchem bzw. im Zusammenhang mit welchem zwei Zellen mit je einer Blende angeordnet sind. Die Fig. 6 zeigt ein Rayleigh-Interferometer. A ist eine spaltförmige Lichtquelle, B₁ und B₂ ein Linsensystem, D_x und D₂ zwei Zellen, C eine Blende mit zwei Öffnungen, und E ist die Ebene für das Bild des Spaltes A. Im Bild des Spaltes, das infolge der Kleinheit der Blenden und der dadurch verursachten Beugung des Lichtes mehr oder minder verschwommen ist, wird durch das Zusammenwirken der beiden Strahlenbündel eine Anzahl Interferenzstreifen gebildet. Diese Streifen verschieben sich seitlich, wenn die Brechzahl sich in einer der Zellen verändert; somit ist es möglich, das Interferometer zur Messung der Brechzahl anzuwenden.

Die Interferenzstreifen befinden sich innerhalb der Beugungsmaxima, die durch eine einzige Blende hervorgerufen sind. Da die übrigen Beugungsmaxima im Vergleich zu dem zentralen sehr lichtschwach sind, kann man über die Ausdehnung des Interferenzbildes aussagen, daß sie identisch mit der Ausdehnung des zentralen Beugungsmaximums ist. Die Ausdehnung des Hauptmaximums ist von der Gleichung

2Όλ

bestimmt, in welcher D den optischen Abstand zwischen der Doppelblende und der Beobachtungsebene, λ die Wellenlänge des Lichtes und b die Spaltbreite bezeichnet. Die Größe des Interferogramms kann somit nur durch D oder b beeinflußt werden. Versuche, ein größeres Interferogramm zu erhalten, führen, welche der beiden vorerwähnten Methoden auch immer gewählt wird, zu einer kräftigen Verminderung der Lichtstärke und haben auch andere Nachteile zur Folge.

Der Abstand zwischen den Streifen im Interferogramm wird durch folgende Gleichung bestimmt:

D λ

in welcher d den Abstand zwischen den Mitten der beiden Blendenöffnungen bedeutet. Ein Vergleich der Gleichungen (1) und (2) ergibt, daß die Anzahl der Streifen im Interferogramm vom Verhältnis zwischen d und b abhängig ist.

Es ist wohl bekannt, daß Rayleigh-Interferenzstreifen verwaschen werden, wenn die Öffnung des Beleuchtungsspaltes zu groß gewählt wird. Diese Verwaschung hat ihren Grund in der optischen Abbildung Anordnung bei Interferometern

Anmelder:

LKB-Produkter Fabriksaktiebolag,
Stockholm

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Jourdan, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Kronberger Str. 46

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 21. Januar 1952

Harry Svante Svensson, Sundbyberg (Schweden),
ist als Erfinder genannt worden

des Beleuchtungsspaltes auf die Ebene des Interferenzphänomens. Denkt man sich einen zu breiten Spalt durch zwei unendlich schmale Spalte in einem gegenseitigen Abstand gleich der Breite des einzigen Spaltes ersetzt, dann würden diese beiden Spalte je ein scharfes Interferenzdiagramm auf der Beobachtungsebene ergeben. Auf Grund der genannten optischen Abbildung würden aber diese beiden Interferenzdiagramme seitlich verschoben und überlagert erscheinen. Die seitliche Verschiebung ist offenbar gleich dem Abstand der beiden Beleuchtungsspalte, mit dem Vergrößerungsfaktor der optischen Abbildung multipliziert. Es folgt daraus, daß die beiden Interferenzdiagramme einander vollständig verwischen, falls die hellen Streifen des einen Diagrammes mit den dunklen Streifen des anderen zusammenfallen. Das Resultat wird nicht besser sein, falls man die beiden, unendlich schmalen Spalte durch den ursprünglichen, breiten Spalt ersetzt. Diese Überlegungen führen zu der Forderung, daß die Öffnung des Beleuchtungsspaltes, mit dem Vergrößerungsfaktor der optischen Abbildung vom Spalt bis zur Beobachtungsebene multipliziert, nicht größer sein darf als die Breite der Interferenzstreifen, d. h. der halbe Wert von d in Gleichung (2). Hieraus folgt, daß, wenn d zunimmt und damit die Interferenzstreifen dichter aneinanderrücken und schmäler werden, auch der Beleuchtungsspalt schmäler gemacht werden muß, damit die Interferenzstreifen nicht verschwommen werden. Man findet also, daß auch eine steigende Anzahl Interferenzstreifen bei konstanter Interferogrammgröße eine Verringerung der Lichtstärke mit sich führt.

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Zusammenfassend kann "'somit behauptet werden, daß sowohl die Größe des Interferogramms als auch die Anzahl der Streifen in demselben durch die zur Verfügung stehende Lichtstärke begrenzt ist, und zwar so weitgehend,„.daß es praktisch unmöglich ist, ein Interferogramm mit mehr als zehn bis fünfzehn Streifen und mit einer größeren Breite als einigen Millimetern anzuwenden. -

Die vorliegende Erfindung zeigt nun einen Weg, diese Begrenzung zu überwinden; mit ihrer Hilfe ist es möglich, ein Interferogramm mit hunderten, ja sogar tausenden Streifen, auf eine Oberfläche von bequemer Größe verteilt, zu erzeugen. Die Lichtstärke dieser Interferogramme steht der der klassischen Rayleigh-Interferogramme in keiner Weise nach; sie ist sogar größer als diese.

Dieses Ergebnis wird ,durch Anwendung eines Linienrasters an Stelle des Spaltes A in Fig. 6 erreicht, d. h. einer großen Anzahl miteinander paralleler Spalte als Lichtquelle an Stelle eines einzigen Spaltes. Es ist leicht einzusehen, daß, wenn man mit einer spaltförmigen Lichtquelle ein Interferogramm mit beispielsweise neun Streifen erzeugen kann, es möglich sein muß, mit zwei Spalten achtzehn, mit drei siebenundzwanzig Interferenzstreifen usw. zu erhalten, wenn die Spalte in einem solchen Abstand voneinander angeordnet werden, daß die Interferogramme nicht zusammenfallen; wenn die neu dazugekommenen Spalte näher aneinander angeordnet werden, so werden die einzelnen Interferogramme sich teilweise überdecken, wodurch die Gefahr entsteht, daß sie einander verwischen. Es muß indessen auch gewisse Beleuchtungsspaltabstände geben, für welche die verschiedenen Interferogramme einander verstärken. Wenn man solche Abstände wählt, erreicht man zwei neue Vorteile. Die Lichtstärke wird größer, und die Interferenzstreifen werden bezüglich der Lichtstärke gleichwertiger (im klassischen Interferometer haben die zentralen Streifen die größte Lichtstärke, wobei nach beiden Seiten allmählich gegen Null abklingt). Die größtmögliche Lichtstärke und deren größtmögliche Gleichförmigkeit wird erzielt, wenn man dafür sorgt, daß der Interferenzstreifen 1 von dem Beleuchtungsspalt Nr. 1 mit dem Streifen 2 von dem Spalt Nr. 2 und mit dem Streifen 3 von dem Spalt Nr. 3 (usw. das ganze Interferogramm hindurch) zusammenfällt.

Es ist offenbar, daß diesbezüglich eine Koinzidenzbedingung erfüllt werden muß, damit das Ergebnis des Zusammenwirkens der vielen Spalten eine Verstärkung und nicht eine Verwischung wird. Diese Bedingung kann in der Weise formuliert werden, daß das rein geometrisch-optische Bild des Rasters auf der Beobachtungsebene, d. h. das vergrößerte oder verkleinerte Bild des Rasters, das man mit vernachlässigbarer Beugung (d. h. mit großer Blende) und ohne Interferenz (d. h. ohne Doppelblende) erhält, mit demjenigen Interferenzbild übereinstimmen muß, das man erhält, wenn die Doppelblende an ihrem Platz ist. Wenn die Vergrößerung, mit welcher das Raster auf der Beobachtungsebene abgebildet wird, mit G, und der Mittelpunktsabstand zwischen den Linien des Rasters mit e bezeichnet werden, lautet also die Koinzidenzbedingung: Ge = DXId, d. h.

bleibt: Eine allgemeinere Gleichung für die Koinzidenzbedingung ist somit:

Gde = mD I,

Gde = DX.

(3)

Raster, bei denen der Linienabstand e um einen ganzzahligen Faktor m größer ist, erfüllen selbstverständlich auch die Koinzidenzbedingung. Sie ergeben jedoch eine Lichtstärke, die um denselben ganzzahligen Faktor hinter der größtmöglichen Lichtstärke in welcher m eine positive ganze Zahl repräsentiert.

Die Erfindung ist demgemäß in einer abgeänderten Interferometeranordnung nach Rayleigh zu sehen, in der an Stelle des Beleuchtungsspaltes ein Linienraster angeordnet ist, das die Gleichung (4) erfüllt.

Die Methode kann auch in dem modifizierten Rayleigh-Interferometer angewendet werden, das von Calvet und Chevalerias (J. chim. phys., 43, S. 37, 1946) und von PhiIpοt und Cook (Research, 1, S. 234,1948) beschrieben worden ist; die Besonderheit dieses Instrumentes besteht darin, daß der Beleuchtungsspalt und die zu untersuchende Meßzelle vermittels eines astigmatischen Linsensystems auf eine und dieselbe Bildebene in je einen von zwei aufeinander, senkrechten Schnitten durch das optische System abgebildet wird. Es ist mit einem Interferometer dieser Art möglich, eine stetig veränderliche Brechzahl in einer Meßzelle zu registrieren. Fig. 1 zeigt ein Interferogramm, das mit Hilfe der Rayleigh-Calvet-Philpotschen Interferometeranordnung unter Anwendung der Rastermethode gemäß vorliegender Erfindung erhalten worden ist. Ein jeder Interferenzstreifen hat hier die Fo>rm des Brechzahlverlaufes in der Meßzelle.

Es ist auch möglich, diese Brechzahlregistriermethode mit der bekannten astigmatischen Methode zur Registrierung der Ableitung der Brechzahl nach einer Meßzellenkoordinate (Philpot, Natur, 141, S. 283,1938; Svens son, Kolloid-Z., 87, S. 181,1939) zu kombinieren und weiter in der Art und Weise vorzugehen, die bereits in dem deutschen Patent 914788 beschrieben worden ist. Die Kombination kann auf zwei im Prinzip verschiedenen Wegen durchgeführt werden.

Gemäß der einen Methode werden als Lichtquelle ein schmaler, waagerechter Spalt und ein dazu senkrechtes Raster nebeneinander angewandt. In einem solchen Falle erhält man in der Bildebene ein Bild der Brechzahlableitung als Funktion der Meßzellenkoordinate und ein Interferogramm gemäß Fig. 1 nebeneinander. Ein solches Bild wird in Fig. 2 widergegeben. Eine Beschreibung der Einzelheiten des optischen Systems ist in dem obengenannten Patent enthalten. Der einzige Unterschied gegenüber dieser Beschreibung besteht darin, daß man ein lotrechtes Raster an Stelle eines lotrechten Spaltes anwendet.

Gemäß der anderen Methode wird als Lichtquelle eine waagerechte Reihe leuchtender Punkte angewandt, deren Abstand e voneinander die Gleichung (4) erfüllt. Eine solche Punktreihe kann beispielsweise dadurch erhalten werden, daß hinter den Kanten eines waagerechten Spaltes ein lotrechtes Linienraster angeordnet wird. Wenn unter Anwendung dieser Lichtquelle Aufnahmen gemäß der oben genannten astigmatischen Ableitungsregistrierungsmethode gemacht werden, erhält man Resultate von der Art, wie in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt werden. Das Gemeinsame für diese besteht darin, daß sie mit Hilfe von Rastern gemäß vorliegender Erfindung erhaltene Interferogramme sind, wobei jedoch die Interferenzstreifen innerhalb gewisser Felder des Bildes zufolge des charakteristischen Lichtabschneidens (Schneide in der Schlierenanordnung) im optischen System verschwinden. Der geometrische Ort der Endpunkte der Streifen bildet dann eine Kurve, die mit der- Ableitung der Brechzahl nach der Meßzellenkoordinate identisch ist. Bilder der aus

Claims (3)

Fig. 3 ersichtlichen Art werden durch Anwendung einer schrägen Schneide, solche der aus Fig. 4 ersichtlichen Art durch Anwendung eines schrägen Fadens und solche der aus Fig. 5 ersichtlichen Art durch Anwendung eines schrägen Spaltes in der ersten Bildebene der Beleuchtungsanordnung erhalten. Patbntanspbüche.

1. Optische Anordnung für Interferometrie gemäß Rayleigh, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Beleuchtungsspaltes ein Linienraster angeordnet ist, das die Gleichung Gde = mD λ erfüllt, in welcher G der Vergrößerungsfaktor bei der Abbildung des Rasters auf die Beobachtungsebene, d der Abstand zwischen den Mitten der beiden Blendenöffnungen, e der Abstand zwischen den Linien des Rasters, D der optische Abstand zwischen der Doppelblende und der Beobachtungsebene, λ die Wellenlänge des Lichtes und m eine beliebige positive ganze Zahl repräsentiert.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1 für die gleichzeitige Registrierung der Brechzahl und deren Ableitung nach einer Lagenkoordinate, gekennzeichnet durch eine Philpot-Svenssonsche Anordnung zur Registrierung der Ableitung, bei der

die Beleuchtungsanordnung durch ein Linienraster derart ergänzt ist, daß die Linien senkrecht zum Beleuchtungsspalt und seitlich von diesem angeordnet sind, und bei der die mechanische Anordnung in der ersten Bildebene der Beleuchtungsanordnung so getroffen ist, daß das vom Raster kommende Licht freien Durchgang hat.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 für die gleichzeitige Registrierung der Brechzahl und deren Ableitung nach einer Lagenkoordinate, gekennzeichnet durch eine Philpot-Svenssonsche Anordnung zur Registrierung der Ableitung, bei der der Beleuchtungsspalt durch eine gerade Reihe leuchtender Punkte ersetzt ist, deren Abstand e voneinander die Gleichung laut Anspruch 1 erfüllt, und bei der die mechanische Lichtabblendungsvorrichtung in der ersten Bildebene des Punktrasters entweder durch eine schräge Kante, einen schrägen Faden oder einen schrägen Spalt gebildet ist, dessen oberes Ende mit einem waagerechten Spalt oder mit einer waagerechten Schneide in Verbindung steht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 815 410.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 700/288 12.