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Die Erfindung betrifft ein optisches Interferometer mit einer Strahlenquelle,
um die von der Lichtquelle ausgehende Strahlung in zwei Teilstrahlen aufzuteilen
und die Weglänge eines Teilstrahles relativ zum anderen so zu verändern, daß zwei
interferierende Strahlenbündel entstehen, einem die Energie der beiden kombinierten
Strahlenbündel empfangenden und ein dem Energieinhalt der beiden Strahlen entsprechendes
elektrisches Signal erzeugenden Detektor und einer im von der Strahlenquelle ausgehenden
Strahlenweg befindlichen Probenzelle.
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Ein typisches optisches Interferometer ist das Michelson-Interferometer,
bei welchem die von einer Strahlenquelle aus durch eine vorzugsweise kreisförmige
Uffnung fallende Strahlung gesammelt und auf eine Platte aus semi-transparentem
Material gerichtet wird, die vorzugsweise unter einem Winkel von 45" zum gesammelten
Strahl steht. Ein Teil der Strahlung durchdringt die Platte und wird von einem feststehenden
ebenen Spiegel empfangen, von dem aus sie auf die Platte zurückreflektiert wird
und von dort aus auf ein strahlensammelndes System, das die Strahlung auf einem
Detektor fokussiert. Der andere Teil der auf die semi-transparente Platte gerichteten
Strahlung durchdringt diese nicht, sondern wird auf einen beweglichen ebenen Spiegel
reflektiert, von dem aus sie zurück durch die Platte und dann auf das erwähnte sammelnde
System reflektiert wird, um auf dem Detektor fokussiert zu werden. Die Strahlung
wird in regelmäßigen Abständen durch einen Strahlungszerhacker unterbrochen, und
der Detektor erzeugt so ein Wechselstromsignal.
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Auf diese Weise wird die auf die semi-transparente Platte fallende
Strahlung aufgespalten, so daß sie auf zwei verschiedenen Strahlenwegen verläuft,
bevor sie auf dem Detektor fokussiert wird. Die Weglänge des auf den beweglichen
Spiegel fallenden Strahles wird durch eine Bewegung des Spiegels parallel zu sich
selbst verändert. Wenn der bewegliche Spiegel so justiert ist, daß beide Strahlenwege
gleiche Länge haben, dann sind alle auf den Detektor fallenden Strahlen in Phase,
und dieser erzeugt ein starkes Signal.
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Wird der bewegliche Spiegel so eingestellt, daß zwischen den zwei
Strahlenwegen eine Wegdifferenz von x Zentimetern entsteht, dann sind die Strahlen
einer bestimmten Wellenlänge eines Teilstrahles allgemein nicht in Phase mit den
entsprechenden Strahlen des anderen Teilstrahles, wobei die Größe der resultierenden
Phasendifferenz umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist. Entsprechend der Zunahme
der Wegdifferenz von Null aus schwankt das Detektorsignal um einen Mittelwert, wobei
die Amplitude der Schwankungen dazu neigt, kleiner zu werden, wenn die Wegdifferenz
zunimmt.
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Eine graphische Darstellung der Schwankungen des Ausgangssignals
des Detektors, bezogen auf die Bewegung des beweglichen Spiegels von der Stellung
aus, bei der die Weglängen gleich sind, ist als Interferogramm bekannt und kann
zur Bestimmung der Wellenlängenverteilung der Strahlenquelle oder, indem eine Probe
in den Strahlenweg gebracht wird, bevor dieser auf den Detektor trifft, zur Bestimmung
der Absorptionscharakteristika der Probensubstanz verwendet werden.
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Aus der mathematischen Theorie ist bekannt, daß die Fouriersche Umwandlung
des Interferogramms l (x) die spektrale Verteilung G (k) ergibt, wobei k
die Frequenz
in cmil bedeutet, und, wenn das Inter- -ferogramm bezüglich der Weglängendifferenz
0 symmetrisch ist, darf man die Sinusfunktion verwenden:
Bequemer ist die Verwendung der Gleichung
worin x1 die größte in Frage kommende Wegdifferenz ist.
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Eine Schwierigkeit, auf die man bei dieser Art Instrument stößt,
ist, daß, nachdem die Ordinate des Interferogramms immer positiv ist, das Interferogramm
eine Gleichstromkomponente enthalten muß.
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Die Anwesenheit eines Gleichstromausgangsignals kann unerwünschte
Fehler in der Rechnung hervorrufen, wenn es nicht auf einer konstanten Größe gehalten
ist. Dies ist schwierig, da die Größe des Signals abhängt erstens von der Energie,
die von der Strahlenquelle (die zur Verwendung zwischen 20 und 1000 t* meist eine
Hochdruck-Quecksilberlampe ist) ausgeht; zweitens dem Gewinn im Verstärker und drittens
der Empfindlichkeit des Detektors. Der gebräuchliche Detektor ist eine Golay-Zelle,
und diese kann nur schwer auf einer konstanten Empfindlichkeit gehalten werden.
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Im Idealfall kann für das gesamte Interferogramm I (x) + a gesetzt
werden, wobei a konstant ist, und wenn die Fouriersche Umwandlung durchgeführt ist,
führt a zu
vorausgesetzt, daß 2 kxl ganzzahlig ist, ergibt dieser Wert 0 und wirkt sich nicht
auf G (k) aus. Sobald jedoch einer der drei obenerwähnten Faktoren sich ändert,
ist a nicht mehr konstant, und
wird eine variable Größe.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Interferometer
so zu verändern, daß der obige Ausdruck im Interferogramm entfällt und das Interferogramm
im wesentlichen von den Veränderungen in der Energieausbeute der Strahlenquelle,
dem Gewinn im Verstärker und der Empfindlichkeit des Detektors unabhängig wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einrichtungen
zur Erzeugung eines dritten von der Strahlenquelle ausgehenden Strahlenweges und
eine Strahlenwechseleinrichtung zur abwechselnden Lenkung der Strahlung des dritten
Strahlenweges und der kombinierten Strahlung der zwei interferierenden Strahlen
wege auf den Detektor angeordnet sind.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann im dritten Strahlenweg
ein beweglicher Dämpfer angeordnet sein.
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Dementsprechend wird die Energie des dritten Strahlenweges fortlaufend
so gedämpft, daß sie gleich
oder annähernd gleich der kombinierten
Energie der interferierenden Strahlenwege ist, wobei die Stellung des Dämpfers eine
Maßgröße für das Resultat der interferierenden Strahlenwege ergibt.
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Die Erfindung ist im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung
erläutert. Es stellt dar F i g. 1 ein Interferometer entsprechend einer Austührungsform
der Erfindung, F i g. 2 eine Strahlenwechseleinrichtung und F i g. 3 einen Schnitt
durch einen Strahl zur Veranschaulichung der Stellung des Dämpfers.
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Bei der Verwirklichung der Erfindung in der in F i g. 1 beispielsweise
dargestellten Art besteht ein optisches Interferometer aus einer Uffnung S, die
durch eine (nicht dargestellte) Strahlenquelle ausgeleuchtet wird. Ein Sammelspiegel
M1 empfängt die Strahlung von der Uffnung S und wirft einen gesammelten Strahl auf
einen Planspiegel M2. Die vom Spiegel M2 reflektierte Strahlung fällt auf eine semi-transparente
Platte B, die unter einem Winkel von 45" zum gesammelten Strahl steht. Ein Teil
der Strahlung durchdringt die Platte und wird von einem Planspiegel M3 empfangen,
von dort zurück auf die Platte B und danach auf einen Sammelspiegel M4 reflektiert,
der die Strahlung auf dem Detektor D fokussiert. Der Rest der auf die Platte B fallenden
Strahlung wird durch diese auf einen beweglichen Spiegel mm reflektiert, der ihn
durch die Platte B zurück und auf den Sammelspiegel M4 reflektiert, von wo aus er
auf dem Detektor D fokussiert wird.
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Auf diese Weise wird die auf die Platte B fallende Strahlung auf
zwei Strahlenwege aufgeteilt, und zwar einen ersten Strahlenweg, der zum Spiegel
M3 und dann zurück und von der Platte B auf den Spiegel M4 führt, und einen zweiten
Strahlenweg, der die Reflexion durch die Platte B auf den Spiegel M5 einschließt
und von diesem durch die Platte B zum Spiegel M4 führt.
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Die Weglänge des zweiten Strahlenweges wird dadurch verändert, daß
der Spiegel M5 parallel zu sich selbst bewegt wird.
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Die vorbeschriebenen Elemente sind alle bei konventionellen Michelsonschen
Interferometern vorhanden.
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Der dritte Strahlenweg ist durch die Spiegel M6, M, und M4 gekennzeichnet,
und die von der Uffnung S ausgehende Strahlung wird dabei durch eine Strahlenwechseleinrichtung
C auf den Spiegel M6 gelenkt. Diese Einrichtung besteht in der in F i g. 2 gezeigten
Ausführung aus einer halbkreisförmigen Spiegelscheibe C1, die durch einen Motor
C2 angetrieben wird. Wenn die Scheibe cit rotiert, läßt sie die Strahlung abwechselnd
auf dem auf den Spiegel M1 gerichteten Strahlenweg passieren, der danach in der
beschriebenen Weise in zwei interferierende Strahlenwege aufgeteilt wird und auf
dem dritten Strahlenweg in Richtung des Spiegels M6. Der Detektor D empfängt auf
diese Weise die Strahlung von drei Strahlenwegen, welche praktisch zwei Strahlenbündeln
entsprechen, nämlich dem aus den kombinierten, interferierenden Strahlenwegen und
dem des dritten Strahlenweges.
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Der Detektor erzeugt ein Signal, das der Energiedifferenz aus den
kombinierten, interferierenden Strahlenwegen und dem dritten Strahlenweg auftreffenden
Strahlung proportional ist. Durch die teilweise Abschwächung eines der Strahlenwege
mittels eines (nicht dargestellten) Trimmers kann die konstante
Komponente des Interferogramms
ausgeschieden werden. Der Wert, um den der Trimmer verstellt werden muß, kann festgestellt
werden, inden man den Interferometer auf eine Wegdifferenz einstellt, die genügend
groß ist, um die Wechselstromkomponente des Ausgangssignals des Detektors zum Verschwinden
zu bringen, und den Trimmer so einregelt, daß diese Wechselstromkomponente tatsächlich
verschwindet.
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Die Reflexion des Spiegels M, kann viel größer sein als die der Platte
B, die als Strahlenteiler dient, so daß der durch den Spiegel M7 reflektierte Anteil,
also der dritte Strahl, tatsächlich nur ein verhältnismäßig geringer Teil des Ganzen
sein muß.
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Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung ist ein Döppelstrahl-Servosystem
ähnlich dem bei Infrarot-Spektrometern vorgesehen. Jedes Wechselstromsignal, das
vom Detektor D kommt, wird verstärkt und einem (nicht dargestellten) Servosystem
zugeführt, das kontinuierlich die Stellung eines (in F i g. 3 vergrößert dargestellten)
Dämpfers T im Strahl verändert, um die Energie im dritten Strahlenweg auf gleicher
Höhe mit der kombinierten Energie der zwei interferierenden Strahlenwege zu halten.
Verbindet man mit dem Dämpfer T eine Schreibfeder in der von Doppelstrahlspektrometern
bekannten Weise. so erhält man ein Interferogramm, das frei von Veränderungen im
Gleichstromniveau und weitgehend bezüglich Veränderungen in der Emission der Strahlenquelle
dem Verstärkergewinn und der Detektorempfindlichkeit korrigiert ist. Dabei ist es
üblich, das Interferogramm Punkt für Punkt auf Lochstreifen zu registrieren, um
es direkt in einem Computer auswerten zu können. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform
kann das Ausgangssignal vorteilhaft von einer Gleichstromversorgung und einem mit
dem genannten Servosystem verbundenen Potentiometer erzeugt und einem Analogie-oder
Digitalkonverter zugeführt werden. Um mittels des Dämpfers T den größeren Teil des
Vergleichsstrahles ausblenden zu können, ist es vorteilhaft, dem Strahl einen rechteckigen
Querschnitt zu geben, wie in F i g. 3 dargestellt. Dies kann erreicht werden, indem
man den Sammelspiegel M6 rechteckig macht oder eine entsprechende Maske vorsieht.
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Der dritte Strahlenweg kann mit einem Teil seiner Länge innerhalb
der interferierenden Strahlen wege liegen, beispielsweise dann, wenn der Spiegel
M, innerhalb des auf den Spiegel M5 fallenden Strahles liegt. Andererseits kann
natürlich der dritte Strahlenweg auch gänzlich außerhalb der anderen Strahlenwege
liegen, in welchem Falle der Spiegel M, außerhalb der Grenzen des auf den Spiegel
M5 fallenden Strahles liegt.
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Um ein Durchlässigkeitsspektrum zu erhalten, ist es erforderlich,
Interferogramme mit und ohne Proben substanz im Strahlenweg zu erzeugen. Das ohne
Probe erhaltene Interferogramm kann als I (x) bezeichnet werden und ergibt durch
Umrechnung ein Energiespektrum G (k); mit der Probe im Strahlenweg wird das Interferogramm
j1 (x) und ergibt das errechnete Spektrum-G' (k). Die Durchlässigkeit G'(k) der
Probe ist proportional zu G (()).
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Die Probe kann unmittelbar vor der UffnungS angeordnet werden, jedoch
ist dies nicht immer vorteilhaft, und es ist daher meist besser, einen ersten Brennpunkt
vor der Fokussierung auf der Uffnung S vorzusehen, entsprechend der bei konventionellen
Spektrometern
üblichen Praxis. Die Probe kann entweder nur in den interferierenden oder auch in
allen drei Strahlenwegen liegen, und in diesem letzteren Fall kann sie sich an jeder
geeigneten Stelle zwischen Strahlenquelle und Detektor befinden. Eine einfache mathematische
Analyse kann wie folgt durchgeführt werden: Angenommen, die gesamte Empfindlichkeit
des Instrumentes während der Aufzeichnung der Interferogramme kann durch die Funktionen
H (x) und H1 (x) für Leerlauf bzw. Probenmessung ausgedrückt werden und die Probe
sei in den interferierenden Strahlenwegen vorgesehen, dann kann man in erster Annäherung
schreiben: I (x) H (x) = yH (x) für den Leerlauf und 11 (x) H1 (x) = ytH1 (x) für
die Probenuntersuchung, wobei für jeden Wert von x, y und y1 die Stellung des Dämpfers
(T in Fig. 1) für den Leerlauf bzw. die Probenmessung angeben. Es ergibt sich daher
y = I (x) und y1 = 11(x), und diese Werte sind weitgehend unabhängig von der Empfindlichkeit
des Instruments. Vorausgesetzt, daß y und y1 linear von der Stellung des Dämpfers
abhängig sind, ergibt eine Aufzeichnung dieser Stellung eine genaue Widergabe der
schwankenden Teile von I (x) und 11(x), die bezüglich der Schwankungen der Instrumentempfindlichkeit
weitgehend korrigiert sind.
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,Wenn die Probe in die alle drei Strahlenwege zusammenfassende Stellung
gebracht wird, bleibt die erste Gleichung unverändert I (x) H (x) = yH (x), während
die zweite Gleichung It (x) H1 (x) = cyl Ht (x) wird, wobei c der Anteil der Gesamtenergie
(im dritten Strahlenweg) ist, der, von der Probe durchgelassen, den Detektor erreicht.
Es ergibt sich dann cy1 = 1l (x), und dies ist im wesentlichen das gleiche Ergebnis
wie vorher, da c annähernd konstant ist.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind: 1. Die Fehler,
die darauf zurückgehen, daß
nicht gleich Null ist, werden ausgeschaltet.
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2. Es ist nicht mehr erforderlich, sicherzustellen, daß 2 kxl ganzzahlig
ist.
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3. Das Aufzeichnungssystem wird besser ausgenutzt, da der nutzlose
Gleichstromanteil, der keine Informationen liefert, vermieden wird.
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4. Das Interferogramm kann leichter abgeleitet werden, da bisher
der konstante Faktor ebenfalls mit der Ableitungsfunktion multipliziert wurde und
dies in manchen Fällen Fehler einführte.
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5. Das Interferogramm kann in jeder gewünschten Weise modifiziert
werden, indem man den Verstärkergewinn bei zunehmender Wegdiflt
verändert und damit
den dynamischen Bereich des Signalverstärkers weitestgehend ausnutzt.
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Dies ist in der Praxis ein wesentlicher Vorteil, -da die Amplitude
eines Interferogramms bei kleiner Wegdifferenz groß und bei großer Wegdifferenz
klein ist. Der Verstärker muß daher in den Anfangsstadien bei kleiner Wegdifferenz
ein starkes Eingangssignal verarbeiten und bei großer Wegdifferenz ein sehr schwaches
Signal exakt verstärken.
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6. Die Digitaleinrichtungen können ein geringeres Auflösevermögen
aufweisen und entsprechend billiger sein, da die Programmierung der Ordinate auf
die variable Komponente beschränkt ist.
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7. Das System ist im wesentlichen unabhängig von Schwankungen in der
Emission der Strahlenquelle, der Detektorempfindlichkeit und dem Verstärkergewinn.