DE1222284B - Lichtelektrische Messvorrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

G 02b

Deutsche Kl.: 42 h-36

1222 284
J 25755 IX a/42 h
30. April 1964
4. August 1966

Lichtelektrische Meßvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der durch ein Prüfobjekt bewirkten Ablenkungen eines definierten homogenen Lichtstrahlenbündels, bei der eine Lichteintrittsöffnung auf eine Blende abgebildet und mit Hilfe eines Modulators eine Relativbewegung zwischen dem entstehenden Bild und der Blende erzeugt wird. Der lichtelektrischen Messung liegt dabei eine von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle unabhängige Nullmethode mit nur einem lichtelektrischen Empfänger zugrunde.

Es sind kontinuierlich messende Refraktometer bekannt, die durch Anwendung eines Wechsellichtverfahrens die Vorteile einer Nullmethode mit nur einer Fotozelle ausnutzen. Die für diese Methode erforderlichen zwei getrennten Lichtstrahlenbündel werden entweder vor der Refraktometerküvette erzeugt und machen dann zwei getrennt liegende Küvetten für Probe und Vergleichsflüssigkeit notwendig, oder es wird hinter der Küvette ein Lichtstrahlenbündel in zwei gleichartige Teilstrahlenbündel aufgespalten, was wiederum hochwertige optische Glieder mit sehr empfindlicher Nachführung erfordert. Ein Nachteil ist ferner, daß jede unbeabsichtigte Intensitätsänderung in einem der beiden Strahlengänge, z. B. Verschmutzung, sofort zu fehlerhafter Anzeige führt.

Es ist auch ein Refraktometer bekanntgeworden, das die Schwierigkeiten der Wechsellichtmethode durch Anwendung einer Modulationsmethode zu umgehen sucht. Derartige Modulationsmethoden erfordern nur ein Lichtstrahlenbündel und sind von Intensitätsschwankungen unabhängig. Das Refraktometer hat jedoch den Nachteil, daß es keinen Nullabgleich vorsieht, somit durch die Breite der Auffangblende im Meßbereich eingeschränkt ist, und daß es eine homogene Lichtverteilung des ausgelenkten Lichtbündels voraussetzt, was wiederum eine sehr sorgfältige Einjustierung und optisch völlig gleichmäßig klare Proben erfordert. An den Verstärker werden hohe Forderungen bezüglich der Linearität und Konstanz der Verstärkung sowie der Stabilität des Nullpunktes gestellt, da jede Änderung einen Meßfehler ergibt.

Weiterhin ist ein Refraktometer für kontinuierliche Messungen bekannt, bei dem ein definiertes Lichtbündel durch eine vorzugsweise dreieckige Blende auf eine Fotozelle fällt. Das Lichtbündel wird mittels Schwingungen eines Spiegels oder gegenläufiger Drehung zweier Keilplatten mit einer bestimmten Frequenz (60 Hz) periodisch über die Dreiecksblende bewegt und erzeugt über die Fotozelle auch im Falle Anmelder:

Jenoptik Jena G. m. b. H., Jena, Carl-Zeiss-Str. 1

Als Erfinder benannt:
Dr. Wolfgang Nebe,
Dipl.-Ing. Hans Riegler, Jena

des Nullabgleichs ein hohes Wechselstromsignal vornehmlich der doppelten Frequenz (120Hz). Sobald eine Ablenkung des Lichtstrahlenbündels stattfindet, wird dem ursprünglichen Wechselstrom von 120 Hz ein 60-Hz-Wechselstrom überlagert. Ein Filter unterdrückt alle Frequenzen oberhalb von 60 Hz, da sonst der Verstärker überlastet und der gesamte Regelkreis unempfindlich wird. Ein Stellmotor führt ein geeignetes optisches Glied nach. Diese Methode besitzt beachtliche Mängel. Eine ungleichmäßige Lichtverteilung über den Querschnitt des Lichtstrahlenbündels bewirkt eine zur Dreiecksblende unsymmetrische Nullage. Die Schwingungen des Lichtbündels erfolgen geradlinig parallel zur Basislinie der Drei-

ecksblende. Die dazu erforderlichen Hilfsmittel sind sehr aufwendig. Das durch die Blende hindurchgelassene Lichtstrahlenbündel erzeugt auf der Fotokathode einen sich bewegenden Lichtfleck. Eine stets vorhandene ungleichmäßige Empfindlichkeit der Fotokathode bewirkt ein zusätzliches Signal, das zu Meßfehlern führt. Die neben dem 120-Hz-Wechselstrom bei der Ablenkung auftretende zusätzliche 60-Hz-Komponente muß durch ein zusätzliches Mittel ausgesiebt werden.

Es ist schließlich ein Verfahren zum selbsttätigen Einstellen einer Fotozelle auf den Höchst- oder Tiefstwert eines Strahlungsfeldes mit wechselnden Gradienten bekanntgeworden. Bei diesem Verfahren wird ein schwingender Spalt zum Abtasten des Strahlungsfeldes in Richtung der Feldänderung benutzt und die dadurch in der Fotozelle erzeugte Wechselspannung zur Steuerung eines Nachstellmotors verwendet. Das Verfahren dient vorzugsweise zur Abtastung von Spektrallinien mit ungleicher Intensitätsverteilung in der Abtastrichtung. Die Schwingungsamplitude des Spaltes muß relativ klein sein zur Ausdehnung des Strahlungsfeldes, und die Spaltbreite soll vorzugsweise nur halb bis viertel so groß sein wie die Schwingungsamplitude. Diese Verhältnisse und Forderungen lassen sich nicht ohne weiteres auf die Messung der Ablenkung homogener Lichtbündel übertragen, da ein in einem homogenen Strahlungs-

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feld schwingender Spalt, dessen Schwingungsamplitude und Spaltbreite wesentlich kleiner sind als die Feldbreite, bei geringen Verschiebungen des Feldes zu keiner Anzeige führen würde.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer lichtelektrischen Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der durch ein Prüfobjekt bewirkten Ablenkung eines Lichtstrahlenbündels, bei der mit geringem Aufwand eine eindeutige Festlegung der Nullage und eine Unabhängigkeit von Intensitätsänderungen des Lichtstromes erreicht wird sowie ein Ausfiltern von unerwünschten Wechselstromkomponenten nicht erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in Abgleichstellung die Umrißlinien des Bildes der LichteintrittsöfEnung und des wirksamen Teiles der Blende sich nicht schneiden und daß ein optisches Glied zur Abbildung eines definierten, in Ruhe befindlichen, gleichmäßig ausgeleuchteten Strahlenbündelquerschnitts auf dem fotoelektrischen Empfänger vorgesehen ist. Auf diese Weise wird in Abgleichstellung im fotoelektrischen Empfänger ein Gleichstromsignal erzeugt, wodurch sich Intensitätsschwankungen des Bildes der Lichteintrittsöffnung nicht auf die Messungen auswirken. Im nicht abgeglichenen Zustand wird ein Wechselstromsignal im fotoelektrischen Empfänger erzeugt, das über einen an sich bekannten Meß- und Regelkreis den Abgleich hervorruft. Die relativen Schwingungen zwischen dem Bild der LichteintrittsöfEnung und der Blende können zirkulär oder linear erfolgen. Sie können der Lichteintrittsöffnung, deren Bild oder der Blende erteilt werden. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Anordnung eine Schwingung des auf dem fotoelektrischen Empfänger erzeugten Lichtfleckes unterbunden.

Der mit der Lichteintrittsöffnung oder ihrem Bild zusammenwirkende Teil der Blende kann entweder lichtdurchlässig oder lichtundurchlässig ausgebildet sein.

Besitzt die Blende einen dem Bild der Lichteintrittsöffnung ähnlichen wirksamen Teil, so bestehen die Unterschiede zwischen dem Bild und dem ähnlichen Teil lediglich in den Dimensionen. Dabei ist es bedeutungslos, ob das Bild der Lichteintrittsöffnung oder der ihm ähnliche Teil der Blende die größeren Dimensionen aufweist. Bedingung ist im Abgleichfall nur, daß im Verlauf der relativen Schwingbewegung zwischen beiden das Bild der LichteintrittsöfEnung aus dem ähnlichen Teil der Blende nicht heraustritt, wenn der ähnliche Teil größer ist als das Bild, oder der ähnliche Teil nicht aus dem Bild heraustritt, wenn der ähnliche Teil kleiner ist als das Bild.

Empfehlenswert ist es, Lichteintrittsöffnung und Blende rechteckig auszubilden. Der Vorteil der rechteckigen Form von Lichteintrittsöffnung und wirksamem Blendenteil liegt in der Steilheit des beim Ausschlag erzeugten elektrischen Signals und in dem wesentlich geringeren Aufwand, der bei geeigneter Dimensionierung des Bildes der Lichteintrittsöffnung, der Blende und der Schwingungsamplitude zur Durchführung einer zirkulären Relativschwingung gegenüber einer linearen Relativschwingung zu treiben ist.

Die Blende oder ihr wirksamer Teil kann mit besonders ausgebildeten Schlitzen versehen sein, die eine Erweiterung des Bereiches zur Folge haben, in dem das Bild der Lichteintrittsöffnung auf die Blende zurückgeführt wird. Eine Überwachung der Betriebsbereitschaft des Gerätes kann durch Erzeugung eines zusätzlichen Signals mit beispielsweise der doppelten Frequenz des Wechselstromsignals im nicht abgeglichenen Zustand erfolgen. Das zusätzliche Signal wird beispielsweise bei unveränderten Abmessungen des Bildes der Lichteintrittsöffnung und des wirksamen Teils der Blende durch eine Vergrößerung

ίο der Amplitude der Relativschwingung beider hervorgerufen.

Der Gegenstand der Erfindung eignet sich besonders gut zur Registrierung der Brechungszahlen strömender Flüssigkeiten oder Gase, wobei das jeweilige Prüfobjekt eine in bekannter Weise ausgebildete prismatische Küvette durchströmt. Weitere Anwendungen liegen in der Registrierung des Brechungsgradienten in geschichteten Medien, der schichtweisen Abtastung von Flüssigkeiten oder Gasen in

ao Behältern oder von festen Stoffen zur Prüfung auf Schlieren im Inneren. Ferner kann die Oberflächenbeschaffenheit fester durchsichtiger Stoffe im Durchlicht oder von spiegelnden Flächen im Auflicht geprüft werden.

An Hand der Fig. i bis 5 wird der Gegenstand der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung in schematischer Darstellung,
F i g. 2 eine Blende,

F i g. 3 a bis 3 d die Diagramme einiger Empfängersignale unter verschiedenen Arbeitsbedingungen,
F i g. 4 a bis 4 c drei Blendenformen und
F i g. 5 ein Diagramm der Amplitude des Empfängersignals in Abhängigkeit von der Abweichung von der Abgleichstellung.

In Fig. 1 wird eine Lichtquelle 1 durch einen Kondensor 2 und Objektiv 5 in die Nähe einer Küvette 3 mit dem zu prüfenden Objekt abgebildet. Erne von der Lichtquelle 1 beleuchtete, als Spalt ausgebildete Lichteintrittsöffnung 4 ist in der vorderen Brennebene eines Objektivs 5 angeordnet und wird durch die Linsen 5 und 6 in die Ebene einer Blende 7 abgebildet. Eine Objektblende 8 ist in der Nähe der Küvette 3 oder in einer dazu konjugierten Ebene fest oder zum Abtasten verschiedener Stellen des Prüfobjektes rechtwinklig zur optischen Achse X-X verschiebbar angeordnet. Im parallelen Strahlengang zwischen dem Objektiv 5 und der Linse 6 befindet sich eine um die optische Achse rotierende Keilplatte 9, deren im Strahlengang vordere Fläche mit Hilfe der Linse 6 und einer unmittelbar hinter der Blende 7 angeordneten Linse 10 auf eine Fotozelle 11 abgebildet wird.

Von einer gemeinsamen Energiequelle 12 wird einerseits ein während des Meßvorganges die Keilplatte 9 über eine Welle 13 in ständige Umdrehung versetzender, phasenstarrer Modulationsmotor 14 und andererseits ein Servomotor 15 gespeist, der über einen Mechanismus 16, 17 einen im Abbildungsstrahlengang angeordneten, der Umlenkung und dem Abgleich dienenden Spiegel 18 zum Zweck der Nachführung des Spaltbildes in der Blendenebene bewegt. Am Mechanismus 16, 17 ist ein Zeiger 19 befestigt, der die Nachführungsbeträge an einer entsprechend geeichten Skala 20 anzeigt. Der Servomotor 15 ist über einen ebenfalls von der Energiequelle 12 gespeisten Verstärker 21 an die Fotozelle 11 angeschlossen.

Claims (1)

1. 5 6

   Ein von der Lichtquelle 1 ausgesendetes Licht- eine Verschiebung nach rechts und in der Darstelstrahlenbündel passiert nacheinander den Konden- lung 3 c eine Verschiebung nach links erfolgt ist und sor 2, den Spalt 4, das Objektiv 5 und die Objekt- Wechselstromsignale mit um π verschobener Phasenblende 8, bevor es die Küvette 3 durchsetzt und vom lage auftreten. In der Darstellung 3d ist ί+2κ>ί, Prüfobjekt abgelenkt wird. Das Lichtstrahlenbündel 5 das Spaltbild (F i g. 2) schneidet in Abgleichstellung wird am Spiegel 18 ungefähr rechtwinklig zu seiner bei der Relativschwingung beide Blendenkanten an. ursprünglichen Richtung reflektiert, durchsetzt die Es ergibt sich ein verhältnismäßig kleines Wechsel-Keilplatte 9 und erzeugt unter der Wirkung der Stromsignal mit doppelter Frequenz. Dieses Signal Linse 6 ein Bild des Spaltes 4 auf der Blende 7. In- kann dazu verwendet werden, die Betriebstüchtigkeit folge der ständigen Drehung der zum Modulator ge- ίο der Apparatur zu kontrollieren, da im Falle eines hörenden Keilplatte 9 um die optische Achse Versagens der Lichtquelle, einer starken Absorption schwingt in Abgleichstellung das Bild des Spaltes 4 des Prüflings einer zu großen Ablenkung des Lichtin der Öffnung 22 der Blende 7. Da aber mit Hilfe Strahls, des Ausfalls des Verstärkers oder Motors der Linse 10 das Bild eines in Ruhe befindlichen dieses Signal verschwindet. Dabei wird die Größe des Lichtstrahlenbündelquerschnitts erzeugt wird, ist stets 15 Signals mit der doppelten Frequenz so gewählt, daß die gleiche Fläche der Fotozelle 14 mit gleicher In- weder der Verstärker überlastet, noch die Regelkreistensität belichtet, die sich nur ändert, wenn das verstärkung verringert oder eine Filterung nötig wird. Prüfobjekt das Lichtstrahlenbündel ablenkt und das Die Auslenkungen des Spaltbildes nach der einen Spaltbild nicht mehr in der Blendenöffnung 22 allein oder anderen Seite dürfen nicht größer als die schwingt. Mit der Änderung der Intensität des auf 20 Blendenbreite (imFalls<;i) oder die Spaltbildbreite der Fotozelle 11 entstehenden Lichtfleckes wird diese (im Falls>i) sein. Treten am Objekt plötzlich zur Abgabe eines Wechselstromsignals angeregt, das größere Veränderungen ein, so versagt die Nachim Verstärker 21 verstärkt den Servomotor 15 und führung in der angegebenen Weise. Diesem Umstand damit die Bewegungen des Spiegels 18 und des Zei- kann man jedoch durch besondere Ausbildung der gers 19 nach Größe und Richtung derart steuert, daß 35 Blende oder des Spaltes begegnen,
   ein Abgleich erreicht wird. Fig. 4a bis 4c zeigen drei mögliche, den Wir-

   Der als Lichteintrittsöffnung dienende Spalt 4 wird kungsbereich der Blende um ein Mehrfaches verim allgemeinen rechteckige Form haben, es sind aber größernde Ausführungsformen. Bringt man an der auch andere Formen denkbar. Die LichYeintritts- spaltförmigen Blende einen Querschlitz an, so daß öffnung kann beispielsweise als Gitter ausgebildet 30 diese die Form eines T oder eines Kreuzes annimmt, sein. Die Form der Blende 7 hängt von der der Licht- so tritt auch dann noch eine Nachführung ein, wenn eintrittsöffnung ab, muß ihr aber nicht gleich sein. eine plötzliche Ablenkung um mehr als die Blenden-Die Blende kann so geformt sein, daß sie in Ab- breite stattfindet. Die Länge des überstehenden gleichstellung entweder alles Licht oder einen Teil Schlitzstückes muß unter der Blendenbreite liegen, des Lichtes oder kein Licht des Spaltbildes passieren 35 um die Rückführung in die Abgleichstellung zu geläßt. Die Nachführung für den Nullabgleich kann währleisten. Der Bereich wird noch mehr erweitert, statt durch die Drehung des Spiegels 18 auch auf wenn der Querschlitz stufenförmig ausgebildet ist. andere Weise geschehen, etwa durch Verschiebung In F i g. 4 a sind zwei Stufen je einer geringeren Breite der Blende oder dadurch, daß alle von der Keil- als der des Bildes der Lichteintrittsöffnung 4 darplatte 9 bis zur Fotozelle 11 im Strahlengang hinter- 40 gestellt. Anstatt eines stufenförmigen Querschlitzes einanderliegenden Elemente auf einem Arm fest kann, wie in Fig. 4b dargestellt, auch ein keilförmimontiert sind und gemeinsam nachgedreht werden. ger verwendet werden. Eine andere mögliche Form An Stelle einer Anzeige an der Skala 20 kann auch der Blende ist in F i g. 4 c dargestellt und so ausgeeine Registrierung, Regelung oder Betätigung einer bildet, daß sie die in der Nähe der optischen Achse Signalanlage treten. 45 verlaufenden Lichtstrahlenbündel abblendet und nur

   F i g. 2 gibt ein Beispiel für die relativen Abmes- die weiter seitlich verlaufenden passieren läßt. Auch sungen von Spaltbildbreite s, Blendenbreite t und kann die Lichteintrittsöffnung eine der dargestellten Schwingungsamplitude u an. Es besteht zur Vermei- Formen annehmen und die Blende die entsprechende dung einer toten Zone die Forderung, daß für s<Ct geometrisch einfachere Form besitzen. Unabhängig s+2 K^. t ist. Aus dem gleichen Grunde muß für 50 von der speziellen Form von Lichteintrittsöffnung s~>t die Bedingung s—2uZ_t erfüllt sein. Wird ver- und Blende muß gewährleistet sein, daß bei Auslangt, daß in der Abgleichstellung kein Störsignal lenkung immer ein Wechselstromsignal entsprechend höherer Frequenz auftritt, so darf in beiden Fällen der Phasenlage zur Nachführung vorhanden ist.
   nur die Gleichheitsbedingung stehen. Da die peri- Nach F i g. 5 ist die Intensität / des Empf ängerodische Relativbewegung von Spaltbild 4 und 55 signals und damit die Nachführung besonders stark, Blende 7 auch kreisförmig erfolgen kann, z. B. bei solange die Ablenkung A aus der Nullage höchstens Verwendung der einfachen Keilplatte 9 (Fig. 1), eine Blendenbreite beträgt. Aber auch darüber hinmüssen die Längen von Spaltbild und Blende so auf- aus ist noch ein Signal und damit eine Nachführung einander abgestimmt sein, daß bei der periodischen gegeben. Das Diagramm ist für die Rechteckblende Relativbewegung kein Anschneiden an den schmalen 60 mit keilförmigen Querschlitzen (Fig. 4b) dargestellt. Seiten eintritt. In F i g. 2 sind drei Stellungen 4, 4'

   und 4" für das Spaltbild während einer Schwingungs- Patentansprüche:
   periode dargestellt.

   In Fig. 3a bis 3d sind einige Empfängersignale 1. Lichtelektrische Vorrichtung zur kontinuierin verschiedenen Abgleichstellungen angegeben. Die 6s liehen Messung der durch ein Objekt bewirkten

   Darstellungen 3 a bis 3 c erfüllen die Bedingung Ablenkungen eines Lichtstrahlenbündels, bei der

   s+2u = t. In der Darstellung 3 a liegt ein reines eine Lichteintrittsöffnung auf eine Blende abge-

   Gleichstromsignal vor, während in der Darstellung 3 b bildet und mit Hilfe eines Modulators eine Re-

   lativbewegung zwischen dem entstehenden Bild und der Blende quer zum Lichtstrahlenbündel erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Abgleichstellung die Umrißlinien des Bildes und des wirksamen Teiles der Blende sich nicht schneiden und daß ein optisches Glied zur Abbildung eines definierten, in Ruhe befindlichen, gleichmäßig ausgeleuchteten Strahlenbündelquerschnitts auf den fotoelektrischen Empfänger vorgesehen ist.

   2. Lichtelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende einen dem Bild der Lichtemtrittsöffnung ähnlichen wirksamen Teil besitzt.

   3, Lichtelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

   15 Lichteintrittsöffnung und Blende rechteckige Formen haben.

   4. Lichtelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsöffnung oder der wirksame Teil der Blende mit Querschlitzen versehen ist.

   5. Lichtelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines zusätzlichen Wechselstrom-Signals.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 918 782;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 957 386;
   Zeitschrift »messen—steuern—regeln«, 1961,
   S. 394 bis 397. ,

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   609 608/160 7.66 © Bundesdruckerei Berlin