DE2061381A1

DE2061381A1 - Interferometer

Info

Publication number: DE2061381A1
Application number: DE19702061381
Authority: DE
Inventors: Anthony Rene Willowdale Ontario Barringer (Kanada)
Original assignee: Barringer Research Ltd
Current assignee: Smiths Detection Toronto Ltd
Priority date: 1969-12-15
Filing date: 1970-12-12
Publication date: 1971-08-12
Also published as: BE760298A; FR2077554A1; US3836254A; NL7018225A; GB1329114A; CH537008A; FR2077554B1; SE364776B; CS160669B2; DE2061381B2; DE2061381C3; JPS4935709B1

Description

Barring·;» Research (Prio 15. Dezeiuber 1969 -Limited U.S. 885 387 - 7666)

304 CarlingTlew Drive

R«xd&ld, Ontario / Kanada Kawburg, 10. Desvnber 1970 Interferometer

Die Erfindung bezieht sich auf die optische Analyse von Spektren und insbesondere auf ein Interferometer eur Verwendung bei dieser Analyse.

Es wurde bereits ein Interferometer vorgeschlagen (US-Patentanmeldung 696 165, angemeldet am 8. Januar 1968), bei dem ein optischer Keil oder eine andere interferometrische Einrichtung zur Erzeugung von Interferensstreifen durch auffallendes Licht verwendet wird. Eine Maske mit «Inetn vorbestimmten Linienmuster wird in diejenige Ebene gebracht, in der die Interferenzstreifen erzeugt werden, und es sind Einrichtungen vorgesehen, um die Maske zwischen einer ersten Stellung (der sog. Korrelations-Stellung), in der dl· Linien der Maske alt den Interferenzstrelfen korrelieren, und einer zweiten Stellung (der sog. Antikorrelationaetellung) zu bewegen, in welcher die Linien der Maske nicht Kit den Interferenzstreifen korrelieren.

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Licht, das Spektren einer bestimmten Substanz enthält, wird durch den optischen Keil in ein eindeutiges Muster von Interferensstreifen umgesetzt. Wenn die Streifen mit den Linien der Maske korrelieren, so ändert sich die Intensität des durch die Maske hindurchtretenden Lichtes zyklisch, wenn die Maske hin- und hervibriert. Das durch die Maske fallende Licht wird auf einen Photodetektor geleitet, dessen Ausgangssignal nach entsprechender Verstärkung synchron mit der Schwingfrequens der Maske gleichgerichtet wird, um ein Ausgangssignal zu erhalten, dessen Amplitude proportional der Intensität der in dem auffallenden Licht vorhandenen Spektren ist.

Bei diessin bereits vorgeschlagenen Interferometer wurde die Maske dadurch hergestellt, daß man ein Stück photographischen Films mit dem gestreuten Licht belichtete, oder daß man an vorbestimmten Stellen auf einem Stück transparenten Films undurchsichtige Linien aufzeichnete. Die Trennung von Interferenssstreifan und. damit die Trennung der Linien der Maske ist, außer bei monochromatischem Licht, ziemlich unregelmäßig. Die optimale Amplitude der Verschiebung der Interferenzstreifen bezüglich den Linien der Maske zwischen der Korrelations- und der Anti' korrelationsstellung wurde üblicherweise experimentell

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bestimmt, indem man die Amplitude der Verschiebung solange änderte, bis am Ausgang des Photodetektors das stärkste Wechselstromsignal auftrat. Bei in unregelmäßigen Abständen auftretenden Interferenzstreifen war die auf diese Weise erhaltene "optimale" Verschiebung im günstigsten Fall ein Kompromiß, da auch in der Antikorrolationsstellung wegen der Unglöichmässigkeit der Streifen immer noch eine gewisse Korrelation zwischen den Linien der Maske und *

den Interferenzstreifen vorhanden war«

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Interferometer zur Analyse von auffallender Strahlung zu schaffen, bei dem ein maximaler Unterschied zwischen dem Licht entsteht, welches in der Korrelationsstellung und in der Antikorrelationsstellung hindurchtritt, so daß die Empfindlichkeit des Interferometers verstärkt wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Interferometer zur Analyse von auffallender Strahlung gelöst durch Einrichtungen zur räumlichen Streuung der Strahlung zur Erzeugung einer Streustrahlung in einer Ebene, wobei die Streuung beim Vorhandensein von eine bestimmte Substanz charakterisierender Spektren diese bezeichnende Strahlungsbereiche hoher und niedriger Intensität aufweist, durch mindestens eine

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erste Maske mit einer Vielzahl verhältnismässig undurchsichtiger und transparenter Bereiche, die mit den Strahlungsbereichen hoher Intensität korrelieren, durch mindestens eine zweite, in der gleichen Ebene wie die erste Maske angeordnete Maske mit einer Vielzahl verhältnismässig undurchsichtiger und transparenter Bereiche, die mit den Strahlungsbereichen niedriger Intensität korrelieren, durch eine Photodetektoranordnung zur Aufnahme der durch die erste und die zweite Maske geführten Strahlung und zur Erzeugung mindestens eines der Intensität des auffallenden Lichtes proportionalen Ausgangssignals und durch Einrichtungen zur Auswertung des Ausgangssignals.

Die in der vorliegenden Besehreibung verwendeten Be~ zeichnungen "Licht" oder "Strahlung" beziehen sich auf elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen kurzwelligen Röntgenstrahlen und langwelligen Infrarotstrahlen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

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ϊ: ρ:-¹¹¹;¹..¹ ■■■ ■ -^:"'"| i· '

Fig. 1 - ein typisches Spektrum gestreuter Strahlung mit Interferenzstreifen, wie sie durch ein Interferometer erzeugt werden;

Fig. 2 - ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 3 ~ eine schematische Darstellung einer drehbaren Scheibe mit einer Maximums- und einer Minimumsmaske zur Verwendung in der Anordnung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 - schematiseh eine drehbare Scheibe zur Verwendung in einer gegenüber der Fig. 2 abgewandelten Anordnung;

Fig· 5 - ein Blocksehaltbild eines weiteren AusführungsbeispieIe der Erfindung;

Flg. 6 - ein Blockschaltbild eines anderen AuβführungsbeispieIs der Erfindung;

Fig. 7 und 8 - Ansichten der Haskenmuster auf dem Träger eines Photodetektors.

Fig. 1 zeigt den typischen Verlauf der Intensitätskurve von gestreutem Licht (beispielsweise von durch ein Inter·* ferometer erzeugten Interferenzstreifen} als Funktion des Abstandes. Bei einem Interferometer bedeuten beispielsweise die Spitzen in der Kurve helle Interferensstreifen, wobei

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die Intensität dieser Streifen eine Funktion ihrer Lage in derjenigen Ebene ist, in welcher die Interferenzsstreifen erzeugt werden. Die Bezugszeiohen 10 bezeichnen die Lage der Punkte maximaler Intensität der gestreuten Strahlung, während die Bezugszeichen 11 die Lage minimaler Lichtintensitäten der gestreuten Strahlung kennzeichnen. Wie vorstehend bereits erwähnt, werden erfindungsgeinäß zwei Masken verwendet, und die gestreute Strahlung wird vorzugsweise abwechselnd durch die beiden Masken geführt. Die Linien auf einer Maske befinden sich an den Punkten 10 mit maximaler Helligkeit, und die Linien der anderen Maske sind an den Punkten 11 mit minimaler Lichtintensität angeordnet. Die Intensitätsdifferens des durch die erste und zweite Maske hindurchtretenden Lichtes ist daher ein Maximum. Dies dient als Grundlage für die verschiedenen Ausführungsbeispiele der nachstehend beschriebenen optischen Analysatoren.

In dem in Fig. 2 dargestellten AusfUhrungsbeispiel bildet eine keilförmige, dünn©, transparente Platte mit halbreflektierenden Flächen 12 und 13 ein keilförmiges Interferometer 14 (im folgenden als Keil bezeichnet) mit einem kleinen Qrensflächenwinkel cd . Ein durch den Pfeil 15 angedeuteter Lichtstrahl wird mittels einer Linse 16

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in parallele Strahlen aufgeteilt und beim Durchtritt durch den Keil 1*1 Interferenzen ausgesetzt. Der Keil 14 formt das auffallende Lieht in ein Muster von Interferenzstreifen υ», welche den Spektralgehalt des einfallenden Lichtes kennzeichnen. In der Ebene, in der die Interferenzstreifen erzeugt werden, ist eine drehbare Scheibe 17 angeordnet, welche eine Korrelatlonsmask*-18 und eine Antikorrelations-Baske 19 aufweist, die im folgenden näher erklärt werden. | Die Scheibe 17 wird kontinuierlich von einem Motor gedreht, welcher nit konstanter Geschwindigkeit durch einen üblichen Antriebsoszillator und -verstärker 21 angetrieben wird.

Das durch die Maske 18 oder durch die Maske 19 hindurchgetretene Lieht wird mittels einer Linse 22 auf die empfindliche Fläche eines Photodetektors 23 geleitet. Das Ausgangssignal dieses Photodetektors 25 besteht aus einer Gleichspannungskomponente, die der Intensität des auffallenden Lichtes proportional ist, und einer Wechsel- »pannungskomponente, wenn die Linien der Maske 18 mit den von den Keil 14 erzeugten Interferenzstreifen korrelieren. Das Ausgangssignal des Photodetektors 23 wird einem Vorverstärker 2*1 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Gatter 25 verbunden ist. Das Ausgangssignal dieses Gatters 25 wird dem Eingang eines Synchrondetektors 26 zugeleitet,

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und »in Teil dies*· Ausgangssignale wird von einer üblichen Schwundregelsohaltung 27 abgetastet, die mit dem Vorverstärker 2k verbunden ist und die dessen Verstärkung in Abhängigkeit von Schwankungen im Qleichspannungs~ pegel an Eingang des Synchrondetektors 23, bezogen auf eine von der eehwundregelschaltung 27 erzeugte feste Besugsglaichspannuiig, regelt. Eine derartige oder auch andere übliche Schwundregelsehaltungen können verwendet werden» ua Schwankungen der Intensität der Lichtquelle für die auffallende Strahlung su kompensieren.

Das Ausgangssignal des Synchrondetektors 26 besteht aus einer Oleichspannung, die der Intensität des durch die Masken 18 und 19 hindurchtretenden Lichtes und der Größe der Weehselspaimunga-Modulationskonponente proportional ist, die entsteht, wenn die Linien der Maske 18 mit den von Keil 14 erseugten Xnterfe.rensstreifen wie vorstehend besehrieben korrelieren. Dee Auegangssignal des Synehrondetektore 26 wird einer üblichen Integrierschaltung 28 sugeführt, die die 1» Ausgangssign&l des Synchrondetektor» vorhandenen Rauschkowponenten su Null integrieren. Das AusgangBsignal ά·τ Integrierschaltung 28 wird mittels eines üblichen Ausgangsverstärkers 29 verstärkt, und die Grüße des Ausgangssignale des Verstärkers 29 wird mittels eines

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MeftgerStes 30 angeseigt oder mittels anderer Aufseichnungs- oder Anseigeeinriohtungen 31» etwa eines Streifensehreibers aufgenommen. Die Größe der vom Meßgerät 30 oder der Aufeeichnungseinriebtung 31 angezeigten Spannung ist ein Maß für die Intensität der Spektren in auffallenden Licht, die au mit den Linien der Maske 18 korrelierenden Interferensstreifen beitragen» falls eine Kompensation von durcfo die Umgebung hervorgerufenen Intensit&tsschwankungen { des auffallenden Lichtes durchgeführt worden ist.

Die Maske 18 besteht aus einem Stuek photographischen Films mit einer Reihe von undurchsichtigen Linien, wie vorstehend beschrieben. Sie kann dadurch hergestellt werden, da* man ein Stuck photographisohen Films mit den vom Keil 14 hervorgerufenen Interf erensstreif en belichtet» welche durch Licht ereeugt werden, das ein besonderes, su berücksichtigend·» Absorptions- oder Emissionsspektrum aufweist* Um beispielsweise eine Maske für

g herzustellen, IiAt man Lieht einer breitbandigen Quelle durch eine N0₂-0as enthaltende Zelle fallen, so da* das aus der Zelle austretende Lieht in den durch das Absorptionsspektrum des NO₂-OaSeS gegebenen Mellenllngenbereichen eine verringerte Intensität aufweist. Die so erseugten Interferenestreifen sind für das NO₂-OaS eindeutig charakteristisch und somit sind auch die Linien in

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der Maske 18 (die ein Abbild der Interferenzstreifen darstellen) für NO₂-GaS charakteristisch. Es ist auch möglich, die Masice 18 dadurch herzustellen, daß man die Stellen, an denen Bereiche maximaler Intensität der gestreuten Strahlung auftreten, errechnet und an diesen Stellen auf ein Stück transparenten FiIns oder transparenter Folie Linien mit Tusche zeichnet. Die Maske 19 wird dadurch hergestellt, daß man auf ein transparentes Stück Film oder Folie an denjenigen Stellen mit Tusche Linien zeichnet, an denen Stellen minimaler Intensität de» zu betrachtenden, gestreuten Spektrums liegen. Die Scheibe 17 ist rechtwinklig zum hindurchtretenden Lichtstrahl angeordnet, und die Masken 18 und 19 sind derart angebracht, daß sie bei Drehung der Seheibe 17 abwechselnd nit den Interferenzstreifen fluchten. Somit werden während Jedes Zyklus die Maske 18 und die Maske 19 in Deckung mit dem stationären Muster von Interferenzstreifen gebracht, das durch den Keil 11 erzeugt wird.

Wenn das auf den Keil 14 fallende Licht Spektren enthält, die nit den Linien der Masken 18 und 19 korrelierende Interferenzstreifen hervorrufen, so ändert das auf den Photodetektor 23 fallende Licht seine Amplitude von einem Maximum beim Korrelieren der Maske 19 mit dem Interferenzstreifen zu einem Minimum beim Korrelieren der Maske

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-limit dent Interferenzstreifenc Somit wird das Ausgangssignal des Photodetektors 23 durch eine Wechselspannung moduliert, deren Größe proportional zur Intensität der im auffallenden Licht vorhandenen Spektren ist.

Um sicherzustellen, daß die Masken 18 und 19 in genaue Deckung mit dem vom Keil 1*5 hervorgerufenen stationären Muster von Infcerferensstreii'en kommt, sind swei dünne Schlitze 32 und 33 an einander diagonal gegenüberliegenden Seiten der Scheibe 17 vorgesehen, und eine kleine Lichtquelle 3Ί und ein Photodetektor 35 sind nahe dem äiasseren Umfang der Scheibe 17 und an gegenüberliegenden Seiten dieser Scheibe angebracht. Wenn sich die Scheibe IT dreht, so fluchten die Schlitze 32 und 33 periodisch mit der Lichtquelle 3*5 und dem Photodetektor 35, so daß am Ausgang des Photodetektors 35 zweimal während jeder vollen Umdrehung der Scheibe 17 ein Impuls auftritt. Der Zeitpunkt dieser Impulse entspricht genau denjenigen Zeiten, | zu den&n jeweils die Masken 18 und 19 mit den vom Keil 14 erzeugten Interferenzstreifen fluchten. Das Ausgangssignal des Photodetektors 35 wird einem Verstärker 36 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Flip-Flop 37 verbunden ist. Der Ausgang dieses Flip-Flops ist an das Satter 25 angeschlossen, welches auf diese Weise während kurzer vorbestimmter Zeit-

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spannen geöffnet wird, welche unmittelbar dem Auftreten einea Impulses am Ausgang des Photodetektors 35 folgen. Somit wird das durch den Keil 14 hindurchtretende Licht zweimal während jeder Umdrehung der Scheibe 17 abgetastet, einmal wenn die Maske 18 mit dem Interferenzstreifen fluchtet und einmal, wenn die Maske 19 mit diesem Streifen fluchtet. Während der übrigen Zeit der Drehung der Scheibe 17 ist das Gatter 25 geschlossen, und dem Synchrondetektor 26 wird kein AusgangBsignal zugeführt.

Die Rotationsfrequenz der Scheibe 17 wird vorzugsweise so hoch wie möglich gewählt, beispielsweise in der Größenordnung von 30 Hs. Um ein Bezugssignal zur Synchronisierung des Synchrondetektors 26 zu gewinnen, wird von dem den Motor 20 antreibenden Antriebsoseillator und -verstärker 21 ein Ausgangssignal abgeleitet, das einer üblichen Bezugsphasen- und Rechteckschaltung 38 zugeführt wird, die ein rechteekfurmiges Ausgangssignal gleicher Frequenz wie die den Motor 20 erregende Spannung erzeugt.

Es hat sich aus mechanischen Gründen als sweckmässig erwiesen, den Kell 14 so anzuordnen, daß er bezüglich dem einfallenden Lieht einen Winkel von etwa 45° bildet, obwohl dies an sich überhaupt nloht kritisch 1st. Falls das einfallende Lieht senkrecht oder nahezu senkrecht zum Keil 14

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gerichtet ist, erscheinen die Interferenzstreifen entweder innerhalb des Keiles 14 oder in seiner Nähe, und es müssen evtl. Linsen verwendet werden, um die Interferenzstreifen mn einer günstigeren Stelle abzubilden.

Es ist wichtig sicherzustellen, daß der gesamte Lichtdurchlaß durch jede der Masken 18 und 19 bei weißen Licht gleich ist, d.h. die integrierten Bereiche des durchsieh- λ tigen Teils der Masken sollen gleich sein. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man die Breite der transparenten Bereiche entsprechend einstellt, um einen gleichen Durchlaß zu erhalten. Falls diese Bedingung erfüllt ist, ist das durch die Nasken 18 und 19 hindurchtretende weiße Licht, das ein Kontlnuum 1st, von gleicher Intensität. Falls im auffallenden Licht charakteristische Spektren vorhanden sind, deren Interferenzstreifen mit den Linien der Masken korrelieren, so ergibt sich eine Xnderung der Lichtstärke, wenn die Masken 18 und 19 abwechselnd in Deckung nit dem Interferensstreifen gebracht werden.

Di· Breit· der Linien der Masken werden im allgeeeinen

/di· •ohstal gewählt, wobei genaue Breit· von der Auflösung des Interferometer« und der su erwartenden Intensität des auffallenden Lichtes abhängt. Hat daa auffallende Lieht eine sehr geringe Intensität» so kann ·· erforderlich «ein,

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verhältnlsmässig breite Spalte zu verwenden.

Flg. 4 zeigt eine andere Ausbildung der Scheibe 17 zur Verwendung in der Anordnung gemäß Pig. 2. Statt einen festen Keil 14 eu verwenden, wie dies in der Anordnung gemäß Flg. 2 vorgesehen ist, werden hier swei identische Keile 40 und 4i benutzt, die auf der Scheibe 17 befestigt sind. Die Masken 18 und 19 sind jeweils unmittelbar auf der Rückseite der Keile 40 und 41 angebracht.. Die Scheibe 17a kann in der Anordnung gemäß Flg. 2 gegen die Saheibe 17 ausgewechselt werden, wenn auch der Keil 14 entfernt wird.

Obwohl bisher die Verwendung von Masken auf einer rotierenden Seheibe beschrieben wurde, ist es klar, daß auch andere Anordnungen eöglich sind, bei denen das aus einem Keil austretende Lieht abwechselnd durch Korrelations-

und Antikorrelationsmasken fällt. Beispielsweise können die Masken 18 und 19 mit einer entsprechenden Anordnung linear bewegt werden, um das gewünschte Ergebnis su ersielen. Ebenso kann nan das aus den Keil 14 austretende Licht durch übliche Einrichtungen abwechselnd durch die jeweiligen Masken lenken.

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Die Scheibe 17 gemäß vorstehender Beschreibung trug nur > ein» Korrelationsmaske 18 und eine Antikorrelationsmaske 19. Gegebenenfalls können eine Anzahl von Paaren von Korrelations- und Antlkorrelatlonsmasken an Umfang der Scheibe 17 angeordnet werden, so daß dann mit dem Interferometer so viel unterschiedliche Substanzen gemessen werden können, wie Paare von Korrelations- und Antikorrelationsmasken auf d«r Seheibe 17 vorhanden sind. j

Das Ausgangssignal des Photodetektors 23 besteht dann aus einer Reihe von Impulsen, die verschiedenen Synchrondetektor-Kanälen sugeleitet werden können, un gleichseitig Anzeigen für die verschiedenen Substanzen zu liefern.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbelspiel unterscheidet sieh von den Ausführungsbeispiel gemäß Fig. dadurch, daß keine bewegten Teile vorhanden sind. Das I

auffallende Licht ist durch einen Pfeil 42 angedeutet und wird mittels der Linse 43 in parallele Strahlen serlegt. Es gelangt dann au£ ein Paar gleicher Keile 44 und 45, die nebeneinander in einar entsprechenden Halterung befestigt sind. An der Rückseite des Keils 44 ist eine Korrelationsmaske 46 und an der Rückseite des Keils

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eine Antikorrelationstnaske 47 befestigt. Die Masken 46 und 47 entsprechen jeweils genau den Masken l8 und 19 und können in gleicher Weise hergestellt werden. Das jeweils aus den Keilen 44 und 45 austretende Licht wird mittels Linsen 48 und 49 gesammelt und getrennten Photodetektoren 50 und 51 zugeführt. Somit gelangt also das aus dent Keil 44 austretende Licht durch e&e Maske 46 und wird auf den Photodetektor 50 geleitet, während entsprechend das aus dem Keil 45 austretende Licht durch die Antifcorrelationamaske 47 hindurchtritt und auf den Photodetektor 51 gelangt. Sind in dem auffallenden Licht 42 charakteristische Spektren vorhanden, so daß Interferenzstreifen entsprechend den Linien auf den Masken 46 und 47 hervorgerufen werden, so sind die Größen der Ausgangssignale der Photodetektoren 50 und 51 nicht gleich, und die Größe der Spannungsdifferenz ist proportional zur Intensität der im auffallenden Licht vorhandenen Spektren. Die Ausgangssignale der Photodetektoren 5Q und 51 werden jeweils den Eingängen eines DifferentialVerstärkers 52 zugeleitet, dessen Ausgangsspannung einem üblichen Ausgangsverstärker 53 zugeleitet wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 53 kann mittels eines Meßgerätes 54 angezeigt oder mittels einer üblichen Aufzeichnungseinrichtung 55» etwa eines Streifenschreiber aufgezeichnet werden.

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Um die Drift zwischen den beiden Photodetektoren 50 und 51 möglichst weit herabzusetzen, kann ein einziges Photodetektor-Mosaik verwendet werden, bei dem die Korrelationsund die Antikorrelationsmaske unmittelbar auf einem . einzigen Träger aus Photodetektor-Material hergestellt ist. Gewisse Arten von Photodetektor-Material können durch Dotierung in gewünschten Bereichen sensibilisiert werden, und somit kann auf dem Photodetektor-Substrat zur Er*- i zeugung von Masken für maximale und minimale Korrelation ein vorbestiramtes Muster aensibilisierter Bereiche erzeugt werden. Es läßt sich also auf einem einzigen Substrat ein Muster für maximale Korrelation neben einem Muster für minimale Korrelation erzeugen und davor ein einziger Keil anordnen (Fig. 7)· Die Hälfte des durch den Keil hindurchtretenden Lichtes fällt auf das Muster für maximale Korrelation, während die andere Hälfte des Lichtes auf das Muster für minimale Korrelation gelangt. Die Differenz zwischen den Ausgangasignalen der beiden Hälften des Detektors wird nacheinander elektronisch gewonnen, und das resultierende Signal wird in vorstehend beschriebener Weise verarbeitet* Ein Vorteil bei dieser Anordnung besteht darin, da£ der Driftunterschied auf ein Minimum abgesenkt wird. Es ist auch möglich, statt zwischen den eeneibilieierten Bereichen des Photodetektor-Sub·trat·· unseneibilisierte Bereiche zu belassen, die eemibili-

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eierten Bereiche des Musters für minimale Korrelation »wischen den sensibilisierten Bereichen des Musters für maximale Korrelation anzuordnen (Fig. 8). Diese Anordnung, die sog. "Doppelkamm¹¹-Anordnung, nutet das gesamte aus dem Keil austretende Licht wirksam aus. Die Von jedem der sensibilisierten Muster erhaltenen elektronischen Signale können voneinander subtrahiert und in der vorstehend beschriebenen Weise verarbeitet werden. Es ist klar, daß auch andere Verfahren anstelle von Dotierungen verwendet werden können. Beispielsweise können für verhältnismässig große Wellenlängen dünnschichtige Ablagerungen von Bleisulfid zur Herstellung der Masken verwendet werden. Die Masken können nebeneinander oder, wie vorstehend beschrieben, in Doppelkamm-Anordnung ausgebildet werden.

Die Korrelations-und Antikorrelationsmasken können, wie vorstehend beschrieben, dadureh hergestellt werden, daß man undurchsichtige Linien auf einen durchsichtigen Untergrund zeichnet, oder daß «an einen undurchsichtigen Untergrund verwendet, der transparente Linien aufweist. In beiden Fällen ist die Betriebsweise des Gerätes gleich, jedoch ist die Polarität der erhaltenen Modulationswechselspannung für die beiden Arten von Masken entgegengesetzt.

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Das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel verwendet eine optische Anordnung, die der Anordnung gemäß Fig. 5 ähnelt, jedoch sind die elektronischen Verarbeitungseinrichtungen unterschiedlich. In der Darstellung wurden für gleiche Gegenstände gleiche Bezugsseichen verwendet. In diesen Fall werden die Ausgangssignale der Photodetektoren 50 und 51 jeweils einen. Sunmierverstärker 56 und einen Differentialverstärker 57 zugeleitet. Das Ausgangssignal des Sunmierverstärkers 56 gelangt zu einem Hochpaß 58, dessen Ausgang mit den Eingang eines Ratiodetektors 59 verbunden ist. Das Auegangssignal des Differentialverstärker· 57 wird einen Hochpaß 60 zugeführt, dessen Ausgang an den anderen Eingang des Ratiodetektors 59 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Ratiodetektors 59 wird einen Ausgangsverstärker 61 zugeleitet, dessen Ausgangsspannung nittels des Keßgerätes 62 oder nittels einer üblichen Anseigeeinrichtung 63, etwa einen Streifenschreiber, angezeigt bzw. aufgezeichnet werden kann.

Das vorstehend beschriebene Interferometer kann zur Anzeige der Konzentration spezieller Oase in der Atmosphäre aus BahnhOhen benutst werden. Es sollte nit einer stark auflösenden Voroptik versehen se^n, so daß das gesamte Gerät

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eine Auflösung von etwa 30 m aus derjenigen Höhe hat, in der das Gerät fliegt. Die Summe der Ausgangssignale der Photodetektoren 50 und 51 ist proportional dem gesamten Iiichtdurchtritt durch das Gerät. Die Differenz der Ausgangssignale der Photodetektoren 50 und 51 ist proportional der Konzentration des in der Erdatmosphäre vorhandenen Gases multipliziert mit dem Abstand vom Gerät zur Erde entlang der optischen Achse des Gerätes. Wenn das Gerät zur Untersuchung des Bodens unterhalb des Raumfahrzeuges nach unten gerichtet wird, so können sehr schnelle LichtSchwankungen auftreten, und zwar infolge des auf den Boden auftreffenden und von diesem reflektierten Lichtes. Langsame Schwankungen der Lichtstärke können durch niedrige räumliche Frequenzänderungen im Albedo des Bodens entstehen, und Schwankungen können durch Streuung in der Atmosphäre hervorgerufen werden. Dadurch, daß man die summierten Ausgangssignale der Photodetektoren 50 und 51 durch den Hochpaß 58 leitet, der eine Grenzfrequene von etwa 100 Hz hat, ergibt sich, daß das Ausgangssignal des Hochpaßsea proportional den großen räumlichen Frequenzfinderungen im Albedo den Bodens int und daß dsroj t das Uerät nil" auf dirjeiiifn Komponenten des auf ffl 1 ]r»ndiiP 1·1 <*'-){τ· ■ im j-t'i rl»< , ι,·.·· lei'*« ('■>·>■ '''Mf]Pn rt*01»k·-^'^fri wurden. i^:omit. -*ar< < η .--o Kern» mi*-¹ η er* .:!<::.< j uf i'alJf >>Ί·

Liebte», die von Dunst reflektiert wurden oder gestreut wurden» auagef iltert, aufter denjenigen Komponenten, die durch Reflektion an Wolken erzeugt wurden, welche aber getrennt ldentifislerbar sind.

m Messend· Gas entlang dem optischen Pfad des Qerites vorhanden 1st, ergeben sich Schwankungen in der DIfferens der Auegangesignale der Photodetektoren 50 und ^ 51» die alt den Schwankungen der Liohtstärke korrelieren. Betrachtet nan dieses Differenssignal, so erkennt man, dafi eine Weohselspannungskomponente vorhanden ist, welche von Lichtschwankungen in vom Boden kommenden Licht hervorgerufen wird, und daß eine verhältnismflssig niederfrequente Komponente in Dlfferenseslgnal vorhanden ist, welche durch geringe Raumfrequenzkomponenten der Änderungen in Albedo und durch langsame Änderungen in der Streuung der Atmosphäre hervorgerufen werden. Durch Pilterung des Dlfferenssignals Mittels des Hochpasses 60, der den Hoohpaft 58 entspricht, korreliert die am Ausgang dieses Hochpasses erhaltene Wellenform mit derjenigen, die an Ausgang des Hochpasses 58 auftritt.

Die Berechnung der gesamten vertikalen Belastung des Gases erfolgt dadurch, daft man die Amplitude der Wechselspannungs-

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differenskomponente ins Verhältnis mit der Amplitude der Weohselspannungssununenkomponente setzt. Der Rauschabstand dieses Verhältnisses wird durch den Kohärenzgrad zwischen den beiden Wechselspannungsausgangssignalen ermittelt. Ergibt sich zwischen den beiden Wechselspannungsausgangssignalen ein Kreuzkorrelationefaktor von 1 zu 1, so ist der Rauschabstand offensichtlich extrem hoch. Erhält man jedoch nur einen sehr niedrigen Kreuzkorrelationefaktor zwischen den beiden Ausgangssignalen, so ist der Rauschabstand verhältniemässig gering. Die elektronische Schaltung des Gerätes kann so aufgebaut sein, daß sie eine besondere Anzeige dieser Kreuzkorrelation liefert. Bin derart aufgebautes Gerät vermeidet viele derjenigen Unsicherheiten» die durch die Lichtstreuung entstehen.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Verwendung eines Keils zur Erzeugung von Interferenzstreifen beschrieben, da ein Keil verhältnismässig einfach herzustellen ist und parallele und im wesentlichen gerade Interferenzstreifen erzeugt. Somit sind die vom Keil erzeugten Interferenzstreifen besonders zur Korrelation geeignet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, da£ ander· interferometrische räumlich streuend« Einrichtungen ebenso verwendet werden können, beispielsweise das Fabry-Perot-Interferometer, ein Qerlt

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S¹W!!! Siü¹'"!» !!! Ζ¹¹¹"* Τ'"!|Ι|Ι!ΙΙ:ΠΙ!

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nur Erzeugung Newton*scher Ringe, das Lummer-Gehrcke-

Interferometer usw. Obwohl die Erfindung vorstehend

insbesondere im Zusammenhang mit einem Interferometer beschrieben wurde, ist es klar, daß sich das erfindungs gemäße Prinzip ebenso auf Spektrometer, etwa auf ein

Korrelationsspektrometer anwenden läßt, wie es in der US-Patentanmeldung 654 202 vom 18< Juli 1967 vorgeschlagen

wurde. Bei einem derartigen Spektrometer'können irgend- ä

welche Einrichtungen verwendet werden, um den Lichtstrahl im Spektrometer zu wobbeln (s.B. durch Schwingen des

Gitters), so daß das gestreute Licht abwechselnd durch

eine Korrelationsmaske und durch eine Antikorrelations maske geleitet wird.

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Claims

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Patentansprüche

fly Interferometer zur Analyse von auffallender Strahlung, gekennzeichnet durch Einrichtungen (I¹J; M, 45) zur räumlichen Streuung der Strahlung zur Erzeugung einer Streustrahlung in einer Ebene, wobei die Streuung

beim Vorhandensein von eine bestimmte Substanz charakterisierender Spektren diese bezeichnende Strahlungsbereiche hoher und niedriger Intensität aufweist, durch mindestens eine erste Maske (18; 46) mit einer Vielzahl verhältnismässig undurchsichtiger und transparenter Bereiche, die mit den Strahlungsbereichen hoher Intensität korrelieren, durch mindestens eine zweite, in der gleichen Ebene wi· die erste Maske (l8j 46) angeordnete Maske (19; 47) mit einer Vielzahl ^ verhältnismässig undurchsichtiger und transparenter Bereiche, die mit den Strahlungsbereichen niedriger Intensität korrelieren, durch eine Photodetektoranordnung (23; 50, 51) zur Aufnahme der durch die erste und die zweite Maske (18, 19i 46, 47) geführten Strahlung und zur Erzeugung mindestens eines der Intensität des auffallenden Lichtes proportionalen Ausgangssignals und durch Einrichtungen (25, 26, 28, 29, 30, 31; 52, 53,

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5*», 55; 56, 57, 58, 60, 59, 61, 62, 63) «ur Auswertung des Ausgangssignals.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gestreute Strahlung zyklisch abwechselnd durch die erste und die zweite Maske (18, 19) leitbar ist, so daß jeweils die erste und zweite Maske mit den Bereichen hoher und niedriger Intensität fluchten, {

und daß das aus den Masken (18, 19) austretende Licht

auf einen Photodetektor (23) trifft, dessen Ausgangssignal mit einem die in der auffallenden Strahlung charakterisierenden Wechselspannung moduliert ist.

3* Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Photodetektors (23) zur Verstärkung des Wechselspannungssignals mit einer Verstärkerschaltung (2*, 25, 26, 28) verbunden ist, \ deren Ausgangssignal einer Anzeigeeinrichtung (30, 3D zuführbar ist.

4. Interferometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Maske (18, 19) auf ainer drehbaren Scheibe (1?) befestigt sind, die eine Einrichtung (3*, 35) sur Anzeige ihrer Winkelstellung und zur Erzeugung eines die fluchtende

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Stellung der ersten und zweiten Maske (18, 19) anzeigenden Signals aufweist, und da* diese Einrichtung (34, 35) sit einem Schaltkreis (36, 37, 25) gekoppelt 1st, der den Durchlaß für das Wechselspannungssignal nur dann freigibt, wenn die erste und zweite Maske (18, 19) jeweils in fluchtender Stellung mit den Strahlungsbereichen hoher und niedriger Intensität ist.

5. Interferometer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen Synchrondetektor (26) zur synchronen Verarbeitung des Wechselspannungssignals und durch eine Synchronisierschaltung (21, 38) zur Synchronisierung des Synchrondetektors (26) mit der Drehung der Scheibe (17)»

6. Interferometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangesignal des Photodetektors (23) eine Gleichspannungskomponente aufweist, und daß eine Schwundregelschaltung (27) zur Steuerung der Verstärkung vorgesehen ist, so daß die Qleichspannungskomponente im Ausgangesignal konstant bleibt.

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7. Interferometer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur r&UBlichen Streuung aus zwei interferometrischen Keilen (40, 41) bestehen, an denen jeweils die erste und die zweite Maske befestigt sind und die abwechselnd in den Weg der auffallenden Strahlung bewegbar sind.

8. Interferometer nach Anspruch 7, dadurcb gekennzeichnet,

daß die Keile (40, 41) auf einer mit konstanter Geschwindigkeit rotierenden Scheibe (17a) befestigt sind.

9. Interferometer nach Anspruch 1, dadurcb gekennzeichnet, daft die erste und die zweite Maske (46, 47) in einer Ebene im Weg des auffallenden Lichtes angeordnet sind, und daß Photodetektoren (50, 51) zur Aufnahme des jeweils aus den Masken austretenden Lichtes vorgesehen sind, aus deren Auegangssignalen ein ihren Amplitudendlfferenzen proportionales Signal ableitbar ist.

10. Interferometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar Photodetektoren (50, 51) auf einem üblichen Träger vorgesehen sind.

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11. Interferometer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Maske im Substrat der Photodetektoren angeordnet sind.

12. Interferometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Maske in Form eines Doppelkamms angeordnet sind=

5.3· Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet., daß die relative Breite der durchsichtigen und undurchsichtigen Bereiche der ersten und zweiten Maske derart gewählt ist, daß beide Masken im wesentlichen die gleiche Menge weißen Lichtes durchlassen.

I¹J. Interferometer nach einem der Ansprüche i bis 10, dadurch gekennsseichnet, daß die erste und die zweite Maske (18, 19; 46, 4?) aus photographischen Transparenten bestehen.

su:wy

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