DE1547263A1 - Verfahren zur Messung der optischen UEbertragungseigenschaften durchsichtiger und durchscheinender Medien sowie optisches Diffraktometer zu seiner Durchfuehrung - Google Patents
Verfahren zur Messung der optischen UEbertragungseigenschaften durchsichtiger und durchscheinender Medien sowie optisches Diffraktometer zu seiner DurchfuehrungInfo
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Description
DR. R. POSCHINRIEDER
DR, E BOETTNER
DR, E BOETTNER
MÖNCHEN 8
Telefon 443755
Ρ 66/192
EITRO GMBH & COo, Gesellschaft für Strahlungstechnilc,
Heidelberg, Schloßwolfebrunnsnweg 35-35
Verfahre« zur Messung der optischen Übertragungseigenachaften
durch sicktig&r und durchscheinender Medien 3owie optisches
Diffraktomecer zu seiner Durchführung
.Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der .pptiachen
iibertragungaeigenachaften durchsichtiger und durchscheinender
Medien, insbesondere der Atmosphäre, sowie ein optisches i)iffraktoiueter zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die !Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daü durch Messungen
der Winkelabhängigkeit des kontinuierlichen monochromatischen
Beugungsepektruins die Streuung getrennt von der Absorption
erfaßt und bewertet wird.
GeraäQ einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt sowohl die
iöichung der ßeugungswinkel als auch der zugeordneten
Intensitäten durch Verwendung einer eindimensionalen, periodischen
Amplituden- und/oder Phaser© truk tür (Strichgitter),
aie von einem Strahlenbündel durchsetzt wird.
Das Grundprinzip des erfindungsgeaäßen Verfahrene besteht
also darin, daß durch aie statiotisonen, räumlichen und/o4tr
zeitllohen DichtSchwankungen des betreffenden Mediums, z.B.
duroh Fluktuationen der Luftzuaamraensetzung, dee Aerosols
usw., ein von einer geeigneten Strahlungsquelle emittiertes, kohärentee Strahlenbündel mehr oder weniger inkohärent in
das Meßinstrument eintritt und demgemäß einen kontinuierlichen Untergrund im monochromatischen "Spektrum" eines
^ Beugungsgitters bewirkt.
Die Winkelabhängigkeit der Momentan-Intensität des kontinuierlichen
Untergrundes stellt das Rausch-Spektrum (power spectrum) des Mediums dar. Dieses kontinuierliche Spektrum
tritt denn in Erscheinung, wenn in dom Medium optisch wirksame
Teilchen mit einer statistischen Häufigkeitsverteilung bez. Ihrer OröQo und Gestalt und einer aleatorlachen Orta-Vertellung
vorhanden Bind. In bestimmten Medien kann die Lage der Teilchen auch noch zeitlichen Schwankungen unterliefe
gen, bo daß dann sowohl ein räunllches als auch zeitliches
Kauschen vorliegt. Beide Effekte kann man vonoinander isoliert
untersuchen, indea man entweder den nougungswinkel
variiert und für dio einzelnen Beugungswinkel jeweils über
ein hlnreioliend langes Zeltintervall integriert oder den
Beugungswittkel konstant hält und für joden beliebigen Beugung3winkel
die Zoltabhänglgkait der Intensität mißt und aus
der zugeordneten Auto-Korrelatioiis-E'unktion das betreffende
ermittelt»
BAD ORIG'NAL
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AuSerdem kann nan durch simultane Neoeung mit zwei Diffraktometern, die is allgemeinen auf 2 verschiedene aber konstante Beugungswinkel einzustellen sind, die Kreuz-Korrelations-Punkt lon für diese beiden Beugungswinkel ermitteln,
Grundsätzlich 1st zu unterscheiden zwischen einer Verwasohung (z.B. der Funktbild-Funktion) und der eigentlichen
statistischen, räumlichen und/oder zeitlichen Schwankungen« Die Verwaschung bedeutet, daß die Fimktblld-Funktion einer
z.B. beugungsbegreszten Abbildungeoptik durch die Zwischenschaltung des Medium· verbreitert wird. Die Verwafohung besitzt praktisch keinen Einfluß auf die Relativ-Intensitäten
der einzelnen Gitter-Ordnungen, wenn ein Beugungsgitter
im Strahlengang hinter dem Medium angeordnet ist. Wird dagegen das Gitter über das Medium abgebildet, so ändert die
Verwaschung die Helativ-Xntensltäten der Gitter-Ordnungen.
Zur Messung des-Beugungsspektrums, d.h. der Winkelabhängigkeit der Intensität dient das eigentliche optische Diffraktoraeter. Es besteht im wesentlichen aus einem Pernröhrobjektiv, Xn dessen Brennebene (POURIES-Ebene) ein Spalt oder
eine andere geeignet geformte Blende angeordnet ist. Dieses
System Qbjektiy-Blende, dan in einem geeigneten Tubus untergebracht ißt, ist um eine zn seiner optischen Achse
senkrechte Achse drehbar. In einsr durch diese Drehachse
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BAD
i i
achseneenkrechten Ebene kann ein eindimensionales Beugungsgitter (Strichgitter) angeordnet werden, dessen Gitterstriche zur Drehachse parallel sind. Dieses Gitter dient sowohl
zur Eichung der Beugungawinkel als auch der zugeordneten
Intensitäten. Bei streng kohärenter Bestrahlung des Gitters
1st sein monochromatisches Beugungespektrum durch schmale Inteneitätsaiaiima (z.B. Linien im Falle eines Spaltes) gekennzeichnet, wobei ale notwendige Bedingung für das Auftreten der Inteneitäteoaxlaa die Beziehung
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-H-
gilt, wenn m die Gitterordnung, Λ-die Wellenlänge der
Strahlung, Φ den Einfallewinkel und Ψ den Jjeußungawinkel
bedeuten.
Me Messung der Winkel abhängigkeit der Intensität erfolgt
photoeIektriech, indea hinter der Blende ein geeigneter %
Empi'änger, insbesondere tun empfindlicher Sekundärelektronenvervielfacher
angeordnet iüt, dessen Photoetrom mit Hilfe
einee Registriergerätes (Schreiber) in Abhängigkeit vom Drehwinkel
detf Feitirohrea aufgeaeichnet wird. Jaa System Straiilungsquelle-Beugung3g}.tter-fernrohr
stellt iia Prinzip ein Spektrometer dar.
Um seitlione Schwankungen der Strahlungsquelle und/oder dee
photoelektrischeri Kcipfängera au eliminieren, kann beispielsweise
das Prinzip dej Zweißtrahl-Wechselliehtverfahrens angewandt
werden.
Die Vorteile des alo Erfindung vorgeschlagenen ?4eßverfahrene
imd/ocier WeßinstruTneata im ollgeßeinsn un'l insbesondere gegenüber
den bereits bekannten Verfahren unu Geräton, die bei-Bpisisweieo
sur Bestimmung de? -aog^iannt«n oiohtweite einwerden,
3ind u.a. die folgenden:
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1. Durch die Invariant der Beugungsetruktur in der FOURIJiH-übene (PRAUNHO FSR aohe Beugung) gegenüber einer Translation der beugenden Struktur (Gitter) In der CJitterebene und weitgehender Invarianz sowohl gegenüber einer
näfiigen Translation in Richtung der optiochen Achse ale
auch gegenüber geringfügigen Rotationen Bind praktieoh
keinerlei feinmechanische Hilfsmittel zur Juetage notwen-
* dig. Zwangeläufig ist damit auch die Unempfindlichkeit dee
betreffenden Geräteteiles gegenüber Erschütterungen, Stoß
und Schlag gewährleistet.·
■ 2. Ein geelgneteo Beugungsgitter mit einer Gitterkonetanten g
Ton größenordnunäsgemäöig 100/u liefert gemiiß «ileiohung
/1/ eine Vlelsahl diskreter Intcnsitäteoaxima, die über
d«n geaanteny fur die Messung in Frage kommenden (relativ kleinen) Winkelbereich von etwa ί 15 Grad nahezu
$quidi3tant verteilt tiind« na. diese IntoisitätQuaxima
W
weitgehend invariante üicnmarken für die Winkel darstellen, erübrigen eich eine gesonderte, andersartige
PräBioionsmeaerung äer Beugung β winkel und besondere MaS-• nahniön zur 5jynchronisation del· Pernrohrdrehung mit dem
Papiervorschub deo Soareibgerätee» Auch mögliche ztitllohe öCiiwa^ikungen der VOrschubgeechwindigkeii; können
sich daher auf άα,ά MetJergebnid kaum irreführend auswirke:!.
BAD ORIG'NAL
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3. Dft die Über dem Kotttlnui» (Bsttsohen) liegenden BelatiT-
4.
inteaeitäten in den «inselnen Qitterordnungen duroh &i·
Gitterstruktur eindeutig bestimmt und im allgemeinen durch
' eine FOURIER-Analyse auch einfach zu berechnen sind,
lasβen dich seitliche Schwankungen der Strahlungsquelle
und/oder des Empfängers jederzeit erkennen und eliminieren»
und ZMAr auch ohne Anwendung eines Zwelstrahl-WechselllohtYsrfahrens, das mitunter eine erhebliche Verteuerung "
des Kefigorfites cur Folge hat.
4« Das Diffrektometw liefert ein· Funktion, nämlich das
Bausohtpektnim (Power,epeotnua), beispielsweise der —·■-sensu Ataosphärenschioht und somit eine differenziertere
and umfangreichere Beschreibung der atmosphärischen Übertragui^eigonsohaften als beispieleweiee die ron elnee
SlöhtsjisRer engegebine Sichtweitet die durch einen einsigen Zahlenvert ge kenn* ©lohnet wird· . |
5· FVt? UMm ltill, dad In dem zu untersuchenden Medium sowohl
eine Streuung als auch eine Absorption vorhanden ist, tritt wegen der HormlerungsTorechrift keine Störung des
Keeez^gebnlesee auf, da der Einfluß der Absorption auf dieses eliminiert wird. Die melttten andersartigen Oer&te
können die Absorption und die Streuung nicht unabhängig Toneinander br. »orten.
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6. Bit «inem Diffraktoaeter kann die Zeitabhängigkeit des
Streu-Phänoaena ron den zeitunabhangigen Effekten getrennt
sehr einfach untersucht werden, indes das Fernrohr auf einen beliebig wäHbaren Beugungewinkel f eingestellt
wird, der dann als Parameter auftritt. Auf diese Weise ist eine differenziertere Analyse der Vorgänge in dem zu untereuohenden Medium aöglich als bei Geräten, die nicht
die Abhängigkeit vom Winkel (Beugungswlnkel) liefern, da
die seitliche«! Schwankungen in allgemeinen auch winkelabhängig sind.
7. Durch Kombination zweier DIffraktometer» die auf zwei
Yerschiedon*, aber beliebig wählb»re Beugungewinkel ψ ^
■ und f 2 eingestellt werden, ist es bei elnultanea Betrieb
der Qerftte möglich, aus der Zeitabhängigkeit der geeesseneu Intensitäten die Kreuz-Korrelationsfunktlon herzuleiten, die den tfinkelpaar Cf1, fz} zugeordnet ist. Dl·
Krviz-Korrelationsfunktionen lief ei»' erweiterte Inforaationen Qber die Eigenschaften des untersuchten Medluee.
op ti ach· β MffraktoBeter zur [Durchführung de» erfinduög·-
geaaöen Verfahrena ist dadurch gekennseichnet, daß die Mobsung
der Winkalabhängigkeit der Intensität dea aonchroratisohen
Spektrums mit Hilfe eines fernrohres erfolgt, das
sich um eine Achse dreht, die die optische Achse des Systeme senkrecht schneidet und in der Ebene des Beugungsgitters
liegt» Zur Bewertung der übertraijungaeigensühaften großer
atmosphärischer Sehicntdicken kann als jnono chroma ti sehe,
kohärente 3traiilungBq.uelle ein Dauerstrich-Laaer, z.B. Gas-Mser,
dienen ο für die Messung der Wellenlängen-Abhängigkeit
der Übsrtragungaeigenschaften kann, eine nahezu punktförmigβ
Strahlungsquelle, beispielsweise ein Xenon-Strahler mit einem kollimator dienen, bei dem die wirksame Wellenlänge alt Hilfe
geeigneter Monochromatfilter variiert werden kann. DiB
Normierung der gemessenen Relativ-Intensitäten des Spektrums
kann mit Hilfe eines Vergleichdstrahlengangs automatisch erfolgen.
Zur Ankoppelung des Vergleich3atrahlenganges an das
drehbare Fernrohr kann eine geeignete flexible (ilaafaaei·-
(fiber-) Optik dienen·
Weitere ^inzslheiten des erfindungsgenäßen Verfahrens, sowie
d,es zu seiner JJurchführung geeigneten Diffraktometers können
der iiesehreibung der in der Zeichnung, schema tisch dargestellten
Auöführungsbeiepiele entnommen werden.
15472S3
Pig. 1 Beigt daa Schema eines einfachen optischen Diffraktometcre «ir Hesaung atmosphärischer ÜbertragungeeigeuBoliai'-ten (Übertragung sdatai).
An-erstrlea-LASER (z.B. He/Ne-Gas-LASER) 1 emittiert ein
Hionochromatisches, weit geh tnd kohärentes Strahlenbündel in
ψ
Richtung deafcigentlichen Diffraktometers. Auf dem >.eg zu»
Diffraktometer durch die zu bewertende Atnoaphärenschlcht 2
wird die rom LASER emittiertü, nahezu ebene welle gestört,
beispieliweiee durch die Dichteschwankungen der Atmosphäre
oder durch Bin- und Mehrfaohstreuung beispielsweise an Nebeltröpfohen, iJie i)ichteschwankungen bedingen zeitliche und
örtliche Änderungen des Brechungsindex und können u.a. hut
Folge haben» üab die optische Weglänc;el/>n(s)da (n; Brechungsindex, s: Ortekoordinate) verschiedener Strahlen auch bei
gleicher geometrischer Weglänge verschieden groß ist. Mehr-
™ fachstreuungen an irgendwelchen Schwebteilchen können beispielsweise bewirken, dsJ ein Strahl, der vor und nach der
Mehrfachetreuung die gleiehe" Portpflanzungarichtung besitzt,
effektiv einen längeren Weg zurückgelegt hat als ein anderer Strahl der gleicnen itortpflanzungsrichtung» Diese beiden
Effekte haben zur Folge, daS eine in das zu messende Medium
eintretende kohärente Strahlung beim Austritt aus den üedlua
mehr oder veniger inkohärent iato Außer diesen
^ro*essen können die das Medium durchdringenden u
BAD ORiGiNAL . ■ ■
sowohl durch den crts- und zeitabhängigen Brechungsindex η
ale auch durch sWeuvorgzfritie beim Austritt aue den Medium
eiue lUchtüngeänderuhg erfahren/haben..
Treffen nun die Strahlen nach ihrem Weg durch die Atmosphäre
&\ϊϊ ein Beugungsgitter 3t eo wird eich die Abhängigkeit der
Intensität vom Beugungewinkel von jener unterscheiden, die
dasselbe Beugungegitter bei kohärenter Bestrahlung liefern ™
würde. Während ein» kohärente BestrAlung des Gittere» abgesehen von den im allgemeinen sehr sohwaohen kontinuierlichen
Untergrund, den die Gitter-Struktur eelbet hervorruft, lediglich ein diskretes Gitter-Spektrum (je ein scharfe· Intensitätemaximuffl in den einzelnen Gittexrordnungen) sur Folge
hat, wird dieeem, winn die Strahlung ein inhomogteea, inabesondere zeitllph variables Mediuip&urchsetzt, ein Kontinuun
überlagert, das von. den spezifischen eigenschaften dee
durchstrahlten Mediums wesentlich abhängt und diese daher g
kennzeichnet und bewertet.
u.a.
kann entweder ein Amplitudengitter oder/aus Intensitätegründen auch ein I'.iaeengitter benutzt werden,» Kfcr die GFitter-
•tva konstante g komme.ii l/erte zwischei/0,1 und 1 mm in i'rage.
Der Querschnitt de ι IASER-Bündele kam belepi#liwei«e durch ·1η
afokslee Systeo der Eintritt «pupille des Femrohree eneepeJt
werden· Der
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4i
Durchmesser der aintrittepupille kann etwa zwischen 20 und
200 mm-liegen, die Brennweite dee Pernrohrobjektivs 4 etwa
dintQaelon
zwiecnen 150 und 1000 mm. Die Linear/ der fm Brennpunkt 5
des Fernrohrobjektive angeordneten Blende 6 müßte dann etwa
15 bis 100/u betragen.
Das Signal dee ijekundarelektronen-Vervielfachers 7, der
P hinter der Blinde so angeordnet ist, daö er weitgehend homogen
bestrahlt wird, wird von einem Schreibgerät registriert, während eich das fernrohr um die in der Ebene des iieugungegitters
liegende, aur optischen Achse senkrechte Achse, dreht. Der gesamte tfinkelbereioh des Fernrohres muß etwa
30 Grad (t 15 ürad) betragen, um den wesentlichen Ortsfrequenzbereich des atmosphärischen Rausehena erfassen zu
können, in diesem Winkelbereich ändert sich die Intensität
unter Umständen um mehrere Größenordnungen0 Dem sollte
möglichöt durch Einschalten geeigneter, diskreter Graufilter
8 in den strahlengang Rechnung getragen werden, dec it der
Sekunda relektronen- Vervielfache r vor Übe !Strahlung geschützt
wird. Erfaßt der Schreiber gerade eine Zehnerpotens, so
könnte jeweils bei Erreichen des Vollausschlages ein Graufilter mit der Transparenz 10% eingeschaltet werden und
umgekehrt.
Pig. 2 zeigt das Prinzipschema eines LASER-Diffraktometere
nach den Zweidtrahl-Wechaellichtverfahren.
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- 10 -
Die grundlegende Wirkungsweise dieses Gerätes ist die gleiohe
wie diejenige des in Fig. 1 dargestellten« Es unterscneidet
sich von diesem nur dadurch, dau mit Hilfe eines
Vergleichs-btrahlengengea nach dem Prinzip des Zweietrahl-Wechaelliciitverfalirens
eine Kompensation zeitlicher Sohwaa-
Intenaltät der
kungen der/Strahlungsquelle und insbesondere äer ümpfänger-
kungen der/Strahlungsquelle und insbesondere äer ümpfänger-
Empfindlichkeit erfolgt. Hierzu wird mit Hilfe eines teildurchlässigen
Spiegele 4, der vor dem Beugungegitter 5 an- |
geordnet ist, über eine flexible Fiber-Optik 13 und einen
rotierenden Sektorspiegel 6 durch des Fernrohrobjektiv 9 auf die Blende -Π ein '/ergle ic na-Signal gegeben. Hit Hilfe
eines öraukeils 19 im Vergleiohs-Strahlengang wird dieses
auf Intensitätegleichheit mit dem Maximum in der nullten
Gitterordnung eingestellt (Normierung; 1OO#-Wert). Während
der Registrierung erfolgt die Kompensation dann automatisch,
indem bei ungleichen Intensitäten in den beiden Strahlengängen der Sekundärelektronen-Vervielfacher ein Wechsel-
(Drehsahl dee 3ekto»*«T?flflgt*** ^
stromsignal der Modulator-jyreluellB/Iiefert, das einen Servo-7
motor 1? steuert, der mittels einer Kammblende 18 die Intensitäten abgleicht. Die Stellung der Kammblende im Vergleichest
rahlenbünd el ist dann ein HaQ für die Relativintenaität
des zugeordnete» Beugungewinkels und wird von einem geeigneten
Schreibgerät 21 registriert.
Endfläche 14 der Fiber-Optik, aus der die durch die Glasfasern
weitergeleitete Strahlung austritt, ist über eine Hai-
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BAD -11
terung 12 nit der Drehachse 7 dee Sektorapiegele, dem
fernrohr 8 und dem Objektiv 15 starr verbunden« so daß die
fokussierung dee Yergleicnastrahlenbündele auf die Blende
11 des Fernrohrs für jede Winkelstellung gewährleistet ist.
BAD ORIGINAL - Patentansprüche -
- M-909867/0282
Claims (10)
1. Verfahren zur Messung der optischen Übertragungeeigenschaften
durcaeiehtiger und durchscheinender Medien,
insbesondere der Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dai äuveh Messung der Winke!abhängigkeit des kontinuierlichen,
Monochromatischen Beugungoapektrums die Streuung
getrennt von der Absorption erfaßt und bewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl die Eichung der Beugungewinkel als auch der zugeordneten
Intensitäten durch Verwendung einer eindimensio nalen, periodischen Amplituden- und/oder Phaeenetruktur
(Striotigitter) erfolgt, die von ^ineo Strahlenbündel
durchsetzt wird.
1 ■
3. Optisches Diffraktometer zur Durchführung dee Verfahrene
naoii JlQspructi 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet« daß die
Messung der Winkelabhängigkeit der Intensität des
monochromatischen Spektrums mit Hilfe eines PerniOhres
erfolgt,» das sich um eine Achse dreht, die die optische
Achse des Systems senkrecht schneidet und in der Ebene des Beugungsgitters liegt.
9098^7/0282 bad
4. Optisches Diffraktoneter nach Anepruoh 3» dadurch gekennzeichnet, das insbesondere zur Bewertung der Übertragung eeigeaeohaf ten großer atmosphärischer Sohiohtdicken ale mono chroma tisoii β, kohärente S trail lungequelle
ein DEuerstrich-LASER (a.B. Gae-LASER) dient.
5. Optische» Diffraktometer nach Anspruch 3 oder A1 dadurch
gekennzeichnet, daß insbesondere für die Messung der
Wellenlängen-Abhängigkeit der Übertra'gungeeigendohaften
eine nahesu punJctföroige atrahlungsquelle (z.B. ein
Xenon-^tränier) mit einem Kollimator dient, bei dem die
wirksame Wellenlänge mit Hilfe geeigneter ttonoohromat-Filter variiert werden kann«
6. Optisohee Diffraktometer nach einem der Ansprüche 5 bis
3, dadurch gekennzeichnet; dab die Normierung der gemessenen
Relativ-Intensitäten des Spektrums ait Hilfe
eines Vergleichs-Strahlengangs automatisch erfolgt.
7. Optisches Diffraktometer nach einem der Ansprüche 3 bis
6, dadurch gekennzeicnnet, daß zur Ankoppelung des
Vergleichs-Strahlengangs an das drehbare .!fernrohr eine>
geeignete, flexible Glasfaser- (Fiber-) Optik dient.
9Ö98A7/0282 8AD original
8. Optisches Dlffraktometer nach Anspruch 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß es mit einer Vorrichtung zur Messung der zeitlichen Intensitätsschwankungen für einen beliebigen, aber jeweils konstant zu haltenden Beugungswinkel
und zur Auswertung der zeitlichen Intensitätsschwankungen ausgestattet 1st, ■ -
9· Optisches Dlffraktometer nach Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Auswertung a.ee
zeitlichen Inteneltätssohwankungen die Auto-Korrelafciona-Funktion liefert.
10. Optisches Tandem-Diffraktoaeter nach Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennseichnet, daß die Ausgangs-Signale der
einzelnen auf zwei verschiedene konstante Beugungswinkel eingestellten Dlffraktometer simultan verarbeitet werden,
um die Winkel-Korrelationen der zeitliohen Schwankungen
au erhalten·'
11« Optisches TandejB-Diffraktoiaeter nach Anspruchs 1 bis 10,
dadurch gekennseiohnet, dae es mit einer Vorrichtung .
ausgestattet 1st, die die Kreuz-Korrelationsfunktion
liefert.
909847/0282
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| DE1547263B2 DE1547263B2 (de) | 1971-07-29 |
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ID=7075595
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19661547263 Pending DE1547263B2 (de) | 1966-08-25 | 1966-08-25 | Eichverfahren fuer messungen der winkelabhaengigkeit der streuung eines durchsichtigen oder durchscheinenden mediums |
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Also Published As
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