DE2061381B2 - Vorrichtung zur optischen Analyse eines Spektrums oder eines Interferenzstreifenmusters - Google Patents
Vorrichtung zur optischen Analyse eines Spektrums oder eines InterferenzstreifenmustersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Spektrums oder eines Interferenzstreifenmusters,
mit einer zumindest zeitweise in einer Bildebene des Spektrums bzw. des Intcrfercnzstreifenmustcrs
angeordneten ersten Maske, die ein lichtdurchlässiges Linienmuster aufweist, dessen Linici
entsprechend den lntensitä:.smaxima des Spektrum bzw. des Interferenzstreifenmusters angeordnet sind.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DL-I11
65 673) wird der Korrelationsgrad zwischen dem Spek trum und den Linien der Maske periodisch verändert
um so die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenübe solchen Vorrichtungen zu verbessern, die lediglich eint
stationäre Maske verwenden, und um ein Ausgangssi gnal zu gewinnen, dessen Amplitude proportional dei
Intensität der in dem auffallenden Licht vorhandener Spektren ist.
Bei dieser Vorrichtung wurde die Maske dadurcr hergestellt, daß man ein Stück fotografischen Films mr
dem dispergieren Licht belichtete oder daß man ar vorbestimmten Stellen auf einem Stück transparenter
Films undurchsichtige Linien aufzeichnete. Die Verteilung der Linien iuf der Maske ist jedoch, außer be
monochromatischem Licht, ziemlich unregelmäßig. Die
optimale Amplitude der Verschiebung des Spektraibildes bzw. des /rtterferenzstreifenmusiers bezüglich den
Linien der Maske zwischen der Korrelations- und der Antikorrelationsstellung wurde üblicherweise experimentell
bestimmt, indem man die Amplitude der Verschiebung so lange änderte, bis am Ausgang des aus
wertenden Fotodetektors das stärkste Wechselstrom signal auftrat. Waren im Spektralbild bzw. im Interferenzstreifenmuster
die Abstände von Helligkeitsmaxima
und -minima sehr unregelmäßig, so war die auf diese Weise erhaltene »optimale« Verschiebung im günstigsten
Fall ein Kompromiß, da auch in der Antikorrelationsstellung wegen der ungleichmäßigen Abstände
immer noch eine gewisse Korrelation vorhanden war.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Spektralbildes bzw. eines
Inierferenzstreifeninusters zu schaffen, bei der ein maximaler
Unterschied zwischen dem Licht entsteht, welches in der Korrelationsstellung und in der Aniikorrelationsstellung
hindurchtriit, so daß die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber der vorbekannten Vorrichtung
erheblich vergrößert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Maßnahmen gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt somit eine Differenzmessung der Intensitäten des Spektralbildes
bzw. des Interferenzstreifenmusters in einer Stellung, die dem Maximum, und einer Stellung, die
dem Minimum entspricht, wodurch, wie ohne weiteres klar ist, die Empfindlichkeit der Vorrichtung besonders
groß wird und man ein Signal erhält, dessen Größe proportional der Intensität der im Licht enthaltenen
Spektren ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Die in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Bezeichnungen »Licht« und »Ctr.hlung« beziehen sich
auf elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen kurzwelligen Röntgenstrahlen und langwelligen
Infrarotstrahlen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt
Fig.) ein typisches Interferenzstreifer.musier. wie
es beispielsweise durch ein Interferometer erzeugt wird,
F i g. 2 ein BlockschaUbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Fig. 3 eine S' hematische Darstellung einer drehba-
ren Scheibe mit einer Maximums- und einer Minimumsmaske zur Verwendung in der Anordnung gemäß
F i g- 2,
Fig.4 schematisch eine drehbare Scheibe zur Verwendung
in einer gegenüber der F i g. 2 abgewandelten Anordnung,
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels,
F ig. 6 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels,
Fig.7 und 8 Ansichten der Maskenniuster au! dem
Träger eine1: Fotodetektors.
Fig. 1 zeigt den typischen Verlauf der Iniensuäiskurve
von gestreutem Licht (beispielsweise ein durch ein lnterferomete- erzeugtes Interferenzstreifenmuster)
als Funktion des Abstandes. Bei einem Interferenzstreifenmuster bedeuten beispielsweise die Spitzen
der Kurve helle interferenzstreifen, wobei die intensität dieser Streifen eine Funktion ihrer Lage in derjenigen
Ebene ist, in welcher die Interfere-izsireifen erzeugt
werden. Die Bezugszeichen IO bezeichnen die Lage der Punkte maximaler Intensität der gestreuten
Strahlung, während die Bezugszeichen 11 die Lage minimaler
Lichtintensitälen der gestreuten Strahlung kennzeichnen. Wie vorstehend bereits erwähnt, werden
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 Interuitätsdifferenz
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 F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
bildet eine keilförmige, dünne, transparente Platte mit halbreflektierenden Flachen 12 und 13 ein keilförmiges
Interferometer 14 (im folgenden als Keil bezeichnet) mit einem kleinen Grenzflächenwinkel <v Ein durch den
Pfeil 15 angedeuteter Lichtstrahl wird mittels einer Linse 16 parallel gerichtet und beim Durchtritt durch den
Keil 14 Interferenzen ausgesetzt. Der Keil 14 formt das auffallende Licht in ein Muster von Interferenzstreifen
um, welche den Spektralgehalt des einfallenden Lichtes kennzeichnen. In der Ebene, in der die Interferenzslreifen
erzeugt werden, ist eine drehbare Scheibe 17 angeordnet, welche eine Korrelationsmaske 18 und eine
Antikorrelationsmaske 19 aufweist, die im folgenden näher erklärt werden. Die Scheibe 17 wird kontinuierlich
von einem Motor 20 gedreht, welcher :rit konstanter Geschwindigkeit durch einen üblichen Antriebsoszillator
und -verstärker 21 angetrieben wird.
Das durch die Maske 18 oder durch die Maske 19 hindurchgetretene Licht wird mittels einer Linse 22 auf
die empfindliche Fläche eines Photodetektors 23 geleitet. Das Ausgangssignal dieses Photodetektors 23 besteht
aus einer Gleichspannungskomponente, die der Intensität des auffallenden Lichtes proportional ist, und
einer Wechselspannungskomponente, wenn die Linien der Maske 18 mit den von dem Keil 14 erzeugten Interferenzstreifen
korrelieren. Das Ausgangssignal des Photodetektors 23 wird einem Vorverstärker 24 zugeführt,
dessen Ausgang mit einem Gatter 25 verbunden ist. Das Ausgangssignal dieses Gatters 25 wird dem
Eingang eines Synchrondetektors 26 zugeleitet, und ein Teil dieses Ausgangssignals wird von einer üblichen
Schwundregelschaltung 27 abgetastet, die mit dem
Vorverstärker 24 verbünden ist und die dessen Verstärkung in Abhängigkeit vor, Schwankungen im Gleiehspannungspegel
am Eingang des Synchrondetektors 23. bezogen auf eine von der Schwundregelsehakung 27
erzeugte feste Bezugsgleichspannung, regelt. Eine derartige oder auch andere übliche Schwundregelschahungen
können verwendet werden, um Schwankungen der Intensität der Lichtquelle für die auffallende Strahlung
zu kompensieren.
Das Ausgangssignal des Synchrondetektors 26 besteht aus einer Gleichspannung, die der Intensität des
durch die Masken 18 und 19 hindurchtretenden Lichtes und der Größe der Wechselspunnungs-Modulationskomponenie
proportional ist, die entsteht, wenn die Linien der Maske !8 mit den vom Keil 14 erzeugten Interferenzsireifen
wie vorstehend beschrieben korrelieren. Das Ausgangssigna! des Svnchrondetektors 26
wird einer üblichen Integrierschaltung 28 zugeführt, die
die im Ausgangssignal des Synehrondeiekiors vorhandenen
Rauschkomponenten zu Null integrieren. Das Ausgangssignal der Integrierschaliung 28 wird mitieis
eines üblichen Ausgangsverstärkers 29 verstärkt, und
die Große des Ausgangssignals des Verstärkers 29 wird mitteis eines Meßgerätes 30 angezeigt oder mittels anderer
Aufzeichnungs- oder An/eigeeinrichtungen 31. etwa eines Streifenschreibers aufgenommen. Die Große
der vom Meßgerät 30 oder der Aufzeiehnungseinrichtung
31 angezeigten Spannung ist ein Maß fur die Intensität der Spektren im auffallenden Licht, die zu
mit den Linien der Maske 18 koalierenden Interferenzstreifen beitragen, falls eine Kompensation von
durch die Umgebung hervorgerufenen Intensitätsschwankungen des auffallenden Lichtes durchgeführt
worden ist.
Die Maske 18 besteht aus einem Stück photographischen Films mit einer Reihe von undurchsichtigen Linien,
wie vorstehend beschrieben. Sie kann dadurch hergestellt werden, daß man ein Stück photographischen
Films mit den vorn Keil 14 hervorgerufenen Interferenzstreifen belichtet, welche durch Licht erzeugt
werden, das ein besonderes, zu berücksichtigendes Absorptions- oder Emissionsspektrum aufweist. Uni beispielsweise
eine Maske für NCh-Gas herzustellen, läßt
man Licht einer breitbandigen Quelle durch eine N Ch-G as enthaltende Zelle fallen, so daß das aus der
Zelle austretende Licht in den durch das Absorptionsspektrum des NO.'-Gases gegebenen Wellenlängenbereichen
eine verringerte Intensität aufweist. Die so erzeugten Interferenzstreifen sind für das NO.'-Gas eindeutig
charakteristisch und somit sind auch die Linien in der Maske 18 (die ein Abbild der Interferen/.streifen
darstellen) für NO>-Gas charakteristisch. Es ist auch
möglich, die Maske 18 dadurch herzustellen, daß man die Stellen, an denen Bereiche maximaler Intensität der
gestreuten Strahlung auftreten, errechnet und an dieser Stellen auf ein Stück transparenten Films oder transparenter
Folie Linien mit Tusche zeichnet. Die Maske IS wird dadurch hergestellt, daß man auf ein transparente!
Stück Film oder Folie an denjenigen Stellen mit Tuscht 1 inien zeichnet, an denen Stellen minimaler Intensitä
des zu betrachtenden, gestreuten Spektrums liegen. Du
Scheibe 17 ist rechtwinklig zum hindiirchireiendei
Lichtstrahl angeordnet, und die Masken 18 und 19 situ derart angebracht, daß sie bei Drehung der Scheibe Γ
abwechselnd mit den Interferenzstreifen lluthten. So
mit werden während jedes Zyklus die Maske 18 und du M;iske 19 in Deckung mit dem stationären Muster w>i
Interferenzstreifen gebracht, das durch den Keil 14 erzeugt wird.
Wenn das auf den Keil 14 fallende Licht Spektren enthält, die mit den Linien der Masken 18 und 19 korrelierende
Inlerferenzstreiten 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 18 mit dem Interferenz-Streifen. 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 14 hervorgerufenen
stationären Muster von Interferenzstreifen kommt, sind
zwei dünne Schlitze 32 und 33 an einander diagonal gegenüberliegenden Seiten der Scheibe 17 vorgesehen,
und eine kleine Lichtquelle 34 und ein Pho:odetektor 35 sind nahe dem äußeren Umfang der Scheibe 17 und
an gegenüberliegenden Seiten dieser Scheibe angebracht. Wenn sich die Scheibe 17 dreht, so fluchten die
Schlitze 32 und 33 periodisch mit der Lichtquelle 34 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 denen 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 mn eimern
Flip-Flop 37 verbunden ist. Der Ausgang dieses Flip-Flops ist an das Gatter 25 angeschlossen, welches auf
diese Weise während kurzer vorbestimmter Zeitspannen geöffnet wird, welche unmittelbar dem Auftreten
eines Impulses am Ausgang des Photodetektors 35 folgen. Somit wird das durch den Keil 14 hindurchtreten
de 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
Ausgangssignal zugeführt.
Die Rotationsfrequenz der Scheibe 17 wird vorzugsweise
so hoch wie möglich gewählt, beispielsweise in der Größenordnung von 30 Hz. Um ein Bezugssignal
zur Synchronisierung des Synchrondetektors 26 zu gewinnen, wird von dem den Motor 20 antreibenden An
triebsoszillator und -verstärker 21 ein Ausgangssignal abgeleitet, das einer üblichen Bezugsphasen- und
Rechteckschaltung 38 zugeführt wird, die ein rechteck
förmiges Ausgangssignal gleicher Frequenz wie die den Motor 20 erregende Spannung erzeugt.
Es hat sich aus mechanischen Gründen als zweckmäßig erwiesen, den Keil 14 so anzuordnen, daß er bezüglich
des einfallenden Lichtes einen Winkel von etwa 45° bildet, obwohl Jies an sich überhaupt nicht kritisch
ist. Falls das einfallende Licht senkrecht oder nahezu senkrecht zum Keil 14 gerichtet ist. erscheinen die Interferenzstreifen
entweder innerhalb des Keils 14 oder in seiner Nähe, und es müssen eventuell Linsen verwendet
werden, um die Interferenzstreifen an einer günsti geren Stelle abzubilden.
Fa ist wichtig sicherzustellen, daß der gesamte Lichtdurchlaß
durch jede der Masken 18 und 19 bei weißem Licht gleich ist. d. h., die integrierten Bereiche des
durchsichtigen 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 Masken 18 und 19
f. hindurchtretende weiße Licht, das ein Kontinuum ist, von gleicher Intensität. Falls im auffallenden Licht charakteristische
Spektren vorhanden sind, deren interferenzstreifen mit den Linien der Masken korrelieren, so
ergibt sich eine Änderung der Lichtstärke, wenn die
ίο Masken 18 und 19 abwechselnd in Deckung mit dem
Inlerferenzstreifen gebracht werden.
Die Breite der Linien der Masken werden im allgemeinen schmal gewählt, wobei die genaue Breite von
der Auflösung des Interferometers und der zu erwarlenden Intensität des auffallenden Lichtes abhängt. Mal
das auffallende Licht eine sehr geringe Intensität, so kann es erforderlich sein, verhältnismäßig breite Spalten
zu verwenden.
F i g. 4 zeigt eine andere Ausbildung der Scheibe 17 zur Verwendung in der Anordnung gemäß F i g. 2. Statt
einen festen Keil 14 zu verwenden, wie dies in der Anordnung gemäß F i g. 2 vorgesehen ist, werden hier
zwei identische Keile 40 und 41 benutzt, die auf der Scheibe 17 befestigt sind. Die Masken 18 und 19 sind
jeweils unmittelbar auf eier Rückseite der Keile 40 und
41 angebracht. Die Scheibe 17a kann in der Anordnung gemäß F i g. 2 gegen die Scheibe 17 ausgewechselt
werden, wenn auch der Keil 14 entfernt wird.
Obwohl bisher die Verwendung von Masken auf
xo einer rotierenden Scheibe beschrieben wurde, ist es
klar, daß auch andere Anordnungen möglich sind, bei denen das aus einem Keil austretende Licht abwechselnd
durch Korrelations- und Antikorrelationsmasken fällt. Beispielsweise können die Masken 18 und 19 mit
einer entsprechenden Anordnung linear bewegt werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Ebenso
kann man das aus dem Keil 14 austretende Licht durch übliche Einrichtungen abwechselnd durch die jeweiligen
Masken lenken.
Die Scheibe 17 gemäß vorstehender Beschreibung trug nur eine Korrclalionsmaske 18 und eine Antikorrelationsmaske
19. Gegebenenfalls können eine Anzahl von Paaren von Korrclations- und Anlikorrelationsmasken
am Umfang der Scheibe 17 angeordnet werden. so daß dann mit dem Interferometer so viel unterschiedliche
Substanzen gemessen werden können, wie Paare von Korrelations- und Antikorrelationsmaskcn
auf der Scheibe 17 vorhanden sind.
Das Ausgangssignal des Photodetektors 23 besteht
so dann aus einer Reihe von Impulsen, die verschiedenen
Synchrondetektor-Kanälen zugeleitet werden können, um gleichzeitig Anzeigen für die verschiedenen Sub
stanzen zu liefern.
Das in F i g. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel un terscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß
F i g. 2 dadurch, daß keine bewegten Teile vorhanden sind Das auffallende Licht ist durch einen Pfeil 42 an
gedeutet und wird mittels der Linse 43 in parallele Strahlen zerlegt. Es gelangt dann auf ein Paar gleicher
Keile 44 und 45. die nebeneinander in einer entspre
chenden Halterung befestigt sind. An der Rückseite des Keils 44 ist eine Korrelationsmaske 46 und an der
Rückseite des Keils 45 eine Antikorrelationsmaskc 47 befestigt Die Masken 46 und 47 entsprechen jeweils
f>5 genau den Masken 18 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 Photodetcktoren 50 und
51 zugeführt. Somit gelangt also das aus dem Keil 44 austretende Licht durch die Maske 46 und wird auf den
Photodetektor 50 geleitet, während entsprechend das aus dem Keil 45 austretende Licht durch die Antikorrelationsmaske
47 hindurchtritl und auf den Photodctcktor
5) gelangt. Sind in dem auffallenden Licht 42 charakteristische Spektren vorhanden, so daß Interferenz
streifen entsprechend den Linien auf den Masken 46 und 47 hervorgerufen werden, so sind die Größen der
Ausgangssignale der Photodctcktoren 50 und 51 nicht gleich, und die Größe der Spannungsdifferenz im proportional
zur Intensität der im auffallenden Licht vorhandenen Spektren. Die Ausgangssignale der Photodetektoren
50 und 51 werden jeweils den Eingängen eines Differentialverstärkers 52 zugeleitet, dessen Ausgangs
spannung einem üblichen Ausgangsverstärker 53 zugeleite! wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 53
kann mittels eines Meßgeräts 54 angezeigt oder mittels einer üblichen Aufzeichnungseinrichtung 55. etwa eines
Streifenschreibers, aufgezeichnet werden.
Um die Drift zwischen den beiden Photodctckioren
50 und 51 möglichst weit herabzusetzen, kann ein einziger Photodetektor verwendet werden, bei dem Korrclaüons-
und die Antikorrclationsmaske unmittelbar auf seinem Träger aus Photodetektor-Material hergestellt
ist. Gewisse Arten von Photodetektor-Material können durch Dotierung in gewünschten Bereichen scnsibilisien
werden, und -somit kann auf den Photodetektor
Substrat zur Lrzeugung von Masken für maximale und minimale Korrelation ein vorbestimmtes Muster sensibilisierter
Bereiche erzeugt werden. F.s laßt sich also auf einem einzigen Substrat ein Muster für maximale
Korrelation rieben einem Muster für minimale Korrelation erzeugen und davor ein einziger Keil anordner
(F ι g. 7). Die I lälfte des durch den Keil hindurchtreten
den 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 Ausgangssignalen 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, daß der Driftunterschied auf
ein Minimum abgesenkt wird. Es ist auch möglich, statt
zwischen den sensibilisierten Bereichen des Photodetckior-Substrais
unscnsibilisicric Bereiche zu belassen,
die sensibilisierten Bereiche des Musters für minimale Korrelation zwischen den sensibilisierten Bereichen
des Musters für maximale Korrelation anzuordnen (F i g. 8). Diese Anordnung, die sogenannte »Doppel
kamm« Anordnung, nutzt das gesamte aus dem Keil austretende Licht wirksam aus. Die von jedem der scnsibilisierten
Muster erhaltenen elektronischen Signale können voneinander subtrahiert und in der vorstehend
beschriebenen Weise verarbeitet werden Es ist klar, daß auch andere Verfahren an Stelle von Dotierungen
verwendet werden können. Beispielsweise können fur verhältnismäßig große Wellenlängen dünnschichtige
Ablagerungen von Bieisulfid zur Herstellung der Mas
ken verwendet werden. Die Masken können nehencin ander oder, wie vorstehend beschrieben, in Doppcl
kamm Anordnung ausgebildet werden
Die Korrclations- und Antikorrelationsmaskcn können,
wie vorstehend beschrieben, dadurch hergestellt werden, daß man undurchsichtige Linien auf einen
durchsichtigen Untergrund zeichnet, oder daß man einen undurchsichtigen Untergrund verwendet, der
iransnarcnti· I inicn aufweist In beiden [allen ist die
ί>ο
Betriebsweise des Geräts gleich, jedoch ist die Polarität
dor erhaltenen Modulationswcchselspannung für die
beiden Arten von Masken entgegengesetzt.
Das in F i g. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel verwendct
eine optische Anordnung, die der Anordnung gemäß F i g. 5 ähnelt, jedoch sind die elektronischen Verarbeitungseinrichtungen
unterschiedlich. In der Darstellung wurden für gleiche Gegenstände gleiche Bezugs/eichen
verwendet. In diesem Fall werden die Ausgangssignale
der Photodetektoren 50 und 51 jeweils einem Summierverstärker 56 und einem Differenzialverstärker
57 zugeleitet. Das Ausgangssignal des Summierverstiirkcrs 56 gelangt zu einem Hochpaß 58, dessen
Ausgang mit dem Eingang eines Ratiodetektor 59 verbunden ist. D.is Ausgangssignal des Diffcrentialverstärkers
57 wird einem Hochpaß 60 zugeführt, dessen Ausgang an den anderen Eingang des Ratiodetcktors
59 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Ratiodetcktors 59 wird einem Ausgangsverstärker 6t zugeleitet,
dessen Ausgangsspannung mittels des Meßgeräts 62 oder mittels einer üblichen Anzeigeeinrichtung 63,
etwa einem Streifenschreiber, angezeigt bzw. aufgezeichnet werden kann.
Das vorstehend beschriebene Interferometer kann zur Anzeige der Konzentration spezieller Gase in der
Atmosphäre aus Positionen oberhalb der Erdoberfläche benutzt werden. Es sollte mit einer stark auflösenden
Voroptik verschen sein, so daß das gesamte Gerät eine Auflösung von etwa 30 m aus derjenigen Höhe
hat. in der das Gerät fliegt. Die Summe der Ausgangssignale der Photodctcktoren 50 und 51 ist proportional
dem gesamten Lichtdurchtritt durch das Gerät. Die Differenz der Ausgangssignale der Photodetektoren 50
und 5t ist proportional der Konzentration des in der
Erdatmosphäre vorhandenen Gases multipliziert mit dem Abstand vom Gerät zur Erde entlang der optischen
Achse des Geräts. Wenn das Gerät zur Untersuchung
des Bodens unterhalb des Raumfahrzeugs nach unten gerichtet wird, so können sehr schnelle Licht-Schwankungen
auftreten, und zwar infolge des auf den Boden auftreffenden und von diesem reflektierten
Lichtes. Langsame Schwankungen der Lichtstärke können durch niedrige räumliche Frequenzänderungcn im
Albedo tics Bodens entstehen, und Schwankungen könncn
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 Grenzfrequenz von etwa
100 Hz hat. ergibt sich, daß das Ausgangssignal des Hochpasses proportional den großen räumlichen Frequcnzändcrungen
im Albedo des Bodens ist und daG damit das Gerät nur auf diejenigen Komponenten de«
auffallenden Lichtes anspricht, welche vom Boden rc flektiert wurden. Somit werden also Komponenten de?
auffallenden Lichtes, die von Dunst reflektiert wurder
oder gestreut wurden, ausgefiltert, außer denjenigen
Komponenten, die durch Reflektion an Wolken cveug
wurden, welche aber getrennt identifizierbar sind.
Wenn das zu messende Gas entlang dem optischer Pfad des Geräts vorhanden ist. ergeben sich Schwan
klingen in der Differenz der Ausgangssignale der Pho todctekiorcn 50 und 51. die mit den Schwankungen de
Lichtstarke korrelieren. Betrachtet man dieses Diffe renzsignal. so erkennt man. daß eine Wechselspan
nungskomponcntt vorhanden ist. welche von Licht Schwankungen in vom Boden kommenden Licht her
vorgerufen wird, und daß eine verhältnismäßig nieder
frcqucntc Komponente im Differenzsignal vorhandei
cno cn /·3ΐ
ist, welche durch geringe Raumfrequenzkomponcnicn
der Änderungen im Albedo und durch langsame Änderungen in der Streuung der Atmosphäre hervorgerufen
werden. Durch Filterung des Differenzsignals mittels des Hochpasses 60, der dem Hochpaß 58 entspricht,
korreliert die am Ausgang dieses Hochpasses erhaltene Wellenform mit derjenigen, die am Ausgang des Hochpasses
58 auftritt.
Die Berechnung des gesamten in der Virtjkalen vorhandenen
Anteils an Gas erfolgt dadurch, daß man die Amplitude der Wechselspannungsdifferenzkomponente
ins Verhältnis mit der Amplitude der Wechselspan· nungssummenkomponente setzt. Der Rauschabstand
dieses Verhältnisses wird durch den Kohärenzgrad zwischen den beiden Wechselspannungsausgangssignalcn
ermittelt. Ergibt sich zwischen den beiden Wcchselspannungsausgangssignalen ein Krcuzkorrelaiionsfaktor
von 1 : 1, so ist der Rauschabstand offensichtlich extrem hoch. Erhält man jedoch nur einen sehr niedrigen
Kreuzkorrelationsfaktor zwischen den beiden Ausgangssignalen, so ist der Rauschabstand verhältnismäßig
gering. Die elektronische Schaltung des Geräts kann so aufgebaut sein, daß sie eine besondere Anzeige
dieser Kreuzkorrclation liefert. Ein derart aufgebautes Gerät vermeidet viele derjenigen Unsicherheiten, die
durch die Lichtstreuung entstehen.
Die Vorrichtung wurde vorstehend unter Verwendung eines Keils zur Erzeugung von Interferenzstreifen
beschrieben, da ein Keil verhältnismäßig einfach herzu-
s stellen 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, daß andere intcrfeiometrischc räumlich streuende Einrichtungen
ίο ebenso verwendet werden können, beispielsweise das
Fabry-r'erot-lnterferometer, ein Gerät zur Erzeugung Ncwton'schcr Ringe, das Lummcr-Gehicke-Inlerferometer
usw. Obwohl die Erfindung vorstehend insbesondere im Zusammenhang mit einem Interferometer be-
is schrieben wurde, ist es klar, daß sich das zur Anwendung
kommende Prinzip ebenso auf SpcktrometL.. etwa auf ein Korrelationsspekiromcter. anwenden laßt,
wie es in dem USA.-Palent 35 18 002 vorgeschlagen wurde. Bei einem derartigen Spektrometer können irgendwelchc
Einrichtungen verwendet werden, um den Lichtstrahl im Spektrometer zu wobbcln (z. B. durch
Schwingen des Gitters), so daß das gestreute Licht abwechselnd durch eine Korrelationsmaske und durch
eine Antikorrelationsmaskc geleitet wird.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Vorrichtung zur optischen Analyse eines Spektrums oder eines !nterferenzstreifenmusters, mit
einer zumindest zeitweise in einer Bildebene des Spektrums bzw. des Interferenzstreifenmusters angeordneten
ersten Maske, die ein lichtdurchlässiges Linienmuster aufweist, dessen Linien entsprechend
den Intensitätsmaxima des Spektrums bzw. des Interferenzstreifenmusters
angeordnet sind, d a durch gekennzeichnet, daß in der Bildebene
des Spektrums bzw. des interferenzstreifenmusters zumindest zeitweise eine zweite Maske (19, 47)
angeordnet ist, die ein Linienmuster aufweist, dessen Linien den Iniensitätsminima des Spektrums
bzw. des Interferenzstreifenmusters entsprechen, und daß Einrichtung (21 bis 28; 48 bis 53; 48 bis 51
und 56 bis 63) zur Messung und Verarbeitung der von jeder der beiden Masken durchgelassenen
Strahlungsintensitäten vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und zweite Maske abwechselnd in schneller Folge in die Bildebene verschwenkbar
sind. z-,
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Maske (18, 19)
auf einer drehbaren Scheibe (17) befestigt sind, die eine Einrichtung (34, 35, 36, 37) zur Anzeige ihrer
Winkelstellung und zur Erzeugung eines Signals jeweils in dem Fall aufweist, daß die jeweiligen Linienmuster
der ersten und zweiten Maske mi· den Maxima bzw. den Minima fluchten.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zwei- ;o
te Maske (18, 46 bzw. 19, 47) jeweils an einem interferometrischen Keil (44,45; 40,41) befestigt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite Maske (46, 47) in einer Ebene im Weg des auffallenden Lichtes angeordnet
sind und daß Fotodetektoren (50, 51) zur Aufnahme des jeweils aus den Masken austretenden
Lichtes vorgesehen sind, aus deren Ausgangssignalen ein ihren Amplitudendifferenzen proportionales
Signal ableitbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Maske (46,47)
im Substrat der Fotodetektoren (50, 51) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Maske
(46, 47) in Form eines Doppelkamms angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Breite der
durchsichtigen und undurchsichtigen Bereiche der ersten und zweiten Maske (18, 46 bzw. 19, 47) derart
gewählt ist, daß be\de Masken im wesentlichen die gleiche Menge weißen Lichtes durchlassen.
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