DE2061381C3

DE2061381C3 - Vorrichtung zur optischen Analyse eines Spektrums oder eines Interferenzstreifenmusters

Info

Publication number: DE2061381C3
Application number: DE2061381A
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: 1975-10-30
Also published as: CS160669B2; FR2077554A1; DE2061381A1; DE2061381B2; BE760298A; JPS4935709B1; NL7018225A; SE364776B; GB1329114A; CH537008A; FR2077554B1; US3836254A

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 Interferenzstreifenmusters angeordneten ersten Maske, die ein lichtdurchlässiges Linienmuster aufweist, dessen Linien entsprechend den Intensilätsmaxima des Spektrums bzw. des Interferenzstreifenmusters angeordnet sind.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DL-PS 65 673) wird der Korrelationsgrad zwischen dem Spektrum und den Linien der Maske periodisch verändert, um so die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber solchen Vorrichtungen zu verbessern, die lediglich eine stationäre Maske verwenden, und um ein Ausgangssignal zu gewinnen, dessen Amplitude proportional der Intensität der in dem auffallenden Licht vorhandenen Spektren ist

Bei dieser Vorrichtung wurde die Maske dadurch hergestellt, daß man ein Stück fotografischen Films mit dem dispergierten Licht belichtete oder daß man an vorbestimmten Stellen auf einem Stück transparenten Films undurchsichtige Linien aufzeichnete. Die Verteilung der Linien auf der Maske ist jedoch, außer bei monochromatischem Licht, ziemlich unregelmäßig. Die optimale Amplitude der Verschiebung des Spektralbildes bzw. des Interferenzstreifenmusters 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 auswertenden ^cotodetektors das stärkste Wechselstromsignal 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 Interferenzstreifenmusters zu schaffen, bei der ein maximaler Unterschied zwischen dem Licht entsteht, welches in der Korrelationsstellung und in der Antikorrelationsstellung hindurchtritt 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 »Strahlung« 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

F i g. 1 ein typisches Interferenzstreifenmuster, wie es beispielsweise durch ein Interferometer erzeugt wird,

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer drehba-

ten Scheibe mit einer Maximums- und einer Minimums- -,aske zur Verwendung in der Anordnung gemäß Fi ß· 2,

ρ i g 4 schematisch eine drehbare Scheibe zur Verwendung in einer gegenüber der F i g. 2 abgewandelten Anordnung.

pig.5 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausfühfungsbeispiels,

pig.6 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels,

ρ j g. 7 und 8 Ansichten der Maskenmuster auf dem Träger eines Fotodetektors.

pjg.j zeigt den typischen Verlaul der lntensitäislcurve von gestreutem Licht (beispielsweise ein durch ein Interferometer erzeugtes Interferenzstreifenmuster) als Funktion des Abstandes. Bei einem lnterferenzstreifenmuster bedeuten beispielsweise die Spitzen der Kurve helle Interferenzstreifen, wobei die Intensität dieser Streifen eine Funktion ihrer Lage in derjenigen Ebene ist, in welcher die Interferenzstreifen erzeugt werden. Die Bezugszeichen 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 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 Intensitätsdifferenz 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 Flächen 12 und 13 ein keilförmiges Interferometer 14 (im folgenden als Keil bezeichnet) mit einem kleinen Grenzflächenwinkel α. 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 Interferenzstreifen 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 mit konstanter Geschwindigkeit durch einen üblichen Antriebsoszillator und -verstärker 21 angetrieben wird.

Das durch die Maske 18 oder durch die Maske hindurchgetretene Licht wird mittel:, 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 ve-bunden i-it und die dessen Verstärkung in Abhängigkeit von Schwankungen im Gleichspannungspegel am Eingang des Synchrondetektors 23, 5 bezogen auf eine von der Schwundregelschahung 27 erzeugte feste Bezugsgleichs,pannung, regelt. Eine derartige oder auch andere übliche Schwundregelschaltungen können verwendet werden, um Schwankungen der Intensität der Lichtquelle für die auffallende Strahlung io zu kompensieren.

Das Ausgangssignal des Synchrondetekiors 26 besteht aus einer Gleichspannung, die der Intensität des durch die Masken 18 und 19 hindurchtretenden Lichtes und der Größe der Wechselspannungs-Modul^'ionskomponente proportional ist, die entsteht, wenn die Linien der Maske 18 mit den vom Keil 14 erzeugten Interferenzstreifen wie vorstehend beschrieben korrelieren. Das Ausgangssignal des Synchrondelektors 26 wird einer üblichen lniegrierschaltung 28 zugeführt, die die im Ausgangssignal des Synchrondetekiors vorhandenen Rauschkomponenten zu Null integrieren. Das Ausgangssignal der Integrierschaltung 28 wird mittels eines üblichen Ausgangsverstärkers 29 verstärkt, und die Größe des Ausgangssignals des Verstärkers 29 wird mittels eines Meßgerätes 30 angezeigt oder mittels anderer Aufzeichnungs- oder Anzeigeeinrichtungen 31, etwa eines Streifenschreibers aufgenommen. Die Grö-LJe der vom Meßgerät 30 oder der Aufzeichnungseinrichtung 31 angezeigten Spannung ist ein Maß für die 3c Intensität der Spektren im auffallenden Licht, die zu mit den Linien der Maske 18 korrelierenden 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 photographisehen Films mit den vom Keil 14 hervorgerufenen Interferenzsireifen belichtet, welche durch Licht erzeugt werden, das ein besonderes, zu berücksichtigendes Absorptions- oder Emissionsspektrum aufweist. Um beispielsweise eine Maske für NCh-Gas herzustellen, läßt man Licht einer breitbandigen Quelle durch eine NCh-Gas enthaltende Zelle Fallen, so daß das aus der Zelle austretende Licht in den durch das Absorptionsspektrum des NCh-Gases gegebenen Wellenlängenbereichen eine verringerte Intensität aufweist. Die so erzeugten Interferenzstreifen sind für das NCh-Gas eindeutig charakteristisch und somit sind auch die Linien in der Maske 18 (die ein Abbild der Interferenzstreifen darstellen) für NCh-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 diesen Stellen auf ein Stück transparenten Films oder transpa renter Folie Linien mit Tusche zeichnet. Die Maske Ii wird dadurch hergestellt, daß man auf ein transparente; Stück Film oder Folie an denjenigen Stellen mit Tusche Linien zeichnet, an denen Stellen minimaler Intensitä des zu betrachtenden, gestreuten Spektrums liegen. Di« Scheibe 17 ist rechtwinklig zum hindurchtretendei Lichtstrahl angeordnet, und die Masken 18 und 19 sini 65 derart angebracht, daß sie bei Drehung der Scheibe 1 abwechselnd mit den Interferenzstreifen fluchten. So mit werden während jedes Zyklus die Maske 18 und di Maske 19 in Deckung mit dem stationären Muster vo

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 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 18 mit dem Interferenzstreifen. Somit wird das Ausgangssignal des Photodetektors 23 durch eine Wechselspannung moduliert, deren Größe proportional zur Intensität der im auffallenden Licht vorhandenen Spektren ist.

LJm 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 Photodetektor 35 sind nahe dem äußeren Umfang der Scheibe 17 und an gegenüberliegenden Seilen 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 mit einem 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 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 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 Antriebsoszillator und -verstärker 21 ein Ausgangssignal abgeleitet, das einer üblichen Bezugsphasen- und Rechteckschaltung 38 zugeführt wird, die ein rechteckförmiges 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 dies 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 günstigeren Stelle abzubilden.

Es 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 hindurchtretende weiße Licht, das ein Kontinuum ist, von gleicher Intensität. Falls im auffallenden Licht charakteristische Spektren vorhanden sind, deren lnterferenzsireifen mit den Linien der Masken korrelieren, so ergibt sich eine Änderung der Lichtstärke, wenn die Masken 18 und 19 abwechselnd in Deckung mit dem Interferenzstreifen 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 erwartenden Intensität des auffallenden Lichtes abhängt Hat 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 der Rückseite der Keik. 40 und 41 angebracht. Die Scheibe 17a kann in der Anordnung gemäß Fig.2 gegen die Scheibe 17 ausgewechselt werden, wenn auch der Keil 14 entfernt wird.

Obwohl bisher die Verwendung von Masken auf 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 Korrelationsmaske 18 und eine Antikorrelationsmaske 19. Gegebenenfalls können eine Anzahl von Paaren von Korrelations- und Antikorrelationsmasken 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 Antikorrelationsmasken auf der Scheibe 17 vorhanden sind.

Das Ausgangssignal des Photodetektors 23 bestehi

so dann aus einer Reihe von Impulsen, die verschiedener Synchrondetektor-Kanälen zugeleitet werden können um gleichzeitig Anzeigen für die verschiedenen Sub stanzen zu liefern.

Das in Fig.5 dargestellte Ausführungsbeispiel un terscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemät F i g. 2 dadurch, daß keine bewegten Teile vorhandei sind. Das auffallende Licht ist durch einen Pfeil 42 an gedeutet und wird mittels der Linse 43 in parallel· Strahlen zerlegt Es gelangt dann auf ein Paar gleiche

Keile 44 und 45, die nebeneinander in einer entspre chenden Halterung befestigt sind. An der Rückseite de Keils 44 ist eine Korrelationsmaske 46 und an de Rückseite des Keils 45 eine Antikorrelationsmaske 4 befestigt Die Masken 46 und 47 entsprechen jeweil genau den Masken 18 und 19 und können in gleiche Weise hergestellt werden. Das jeweils aus den Keile 44 und 45 austretende Licht wird mittels Linsen 48 un 49 gesammelt und getrennten Photodetekloren 50 un

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 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 50 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 Meßgeräts 54 angezeigt oder mittels einer üblichen Aufzeichnungseinrichtung 55, etwa eines Streifenschreibers, aufgezeichnet werden.

Um die Drift zwischen den beiden Photodetektoren 50 und 51 möglichst weit herabzusetzen, kann ein einziger Photodetektor verwendet werden, bei dem Korrelations- und die Antikorrelationsmaske unmittelbar auf seinem 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 Erzeugung von Masken für maximale und minimale Korrelation ein vorbestimmtes Muster sensibilisierter 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 (F i g. 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 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 Photodetektor-Substrats unsensibilisierte Bereiche zu belassen, die sensibilisierten Bereiche des Musters für minimale Korrelation zwischen den sensibilisierten Bereichen des Musters für maximale Korrelation anzuordnen (Fig.8). Diese Anordnung, die sogenannte »Doppelkamm«-Anordnung, nutzt 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 an Stelle 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, dadurch hergestellt werden, daß man undurchsichtige Linien auf einen durchsichtigen Untergrund zeichnet, oder daß man einen undurchsichtigen Untergrund verwendet, der transparente Linien aufweist. In beiden Fällen ist die Betriebsweise des Geräts gleich, jedoch ist die Polarität der erhaltenen Modulationswechselspannung für die beiden Arten von Masken entgegengesetzt.

Das in F i g. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel verwendet 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 Bezugszeichen verwendet. In diesem Fall werden die Ausgangssignale der Photodetektoren 50 und 51 jeweils einem Summierverstärker 56 und einem Differentialverstärker 57 zugeleitet. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 56 gelangt zu einem Hochpaß 58, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Ratiodetektors 59 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 57 wird einem Hochpaß 60 zugeführt, dessen Ausgang an den anderen Eingang des Ratiodetektors 59 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Ratiodetektors 59 wird einem Ausgangsverstärker 61 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 versehen 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 Photodetektoren 50 und 51 ist proportional dem gesamten Lichtdurchtritt 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 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 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 Grenzfrequenz von etwa 100 Hz hat. ergibt sich, daß das Ausgangssignal des Hochpasses proportional den großen räumlichen Frequenzänderungen im Albedo des Bodens ist und daß damit das Gerät nur auf diejenigen Komponenten des auffallenden Lichtes anspricht, welche vom Boden reflektiert wurden. Somit werden also Komponenten des auffallenden Lichtes, die von Dunst reflektiert wurden oder gestreut wurden, ausgefiltert, außer denjenigen Komponenten, die durch Reflektion an Wolken erzeugt wurden, welche aber getrennt identifizierbar sind.

Wenn das zu messende Gas entlang dem optischen Pfad des Geräts vorhanden ist, ergeben sich Schwankungen in der Differenz der Ausgangssignale der Photodetektoren 50 und 51, die mit den Schwankungen der Lichtstärke korrelieren. Betrachtet man dieses Differenzsignal, so erkennt man. daß eine Wechselspan-

<>5 nungskomponente vorhanden ist welche von Lichtschwankungen in vom Boden kommenden Licht hervorgerufen wird, und daß eine verhältnismäßig niederfrequente Komponente im Diffcrenzsignal vorhanden

509 644/122

ίο

ist, welche durch geringe Raumfrequenzkomponenten 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 Vertikalen vorhandenen Anteils an Gas erfolgt dadurch, daß man die Amplitude der Wechselspannungsdifferenzkomponente ins Verhältnis mit der Amplitude der Wechselspannungssummenkomponente setzt. Der Rauschabstand dieses Verhältnisses wird durch den Kohärenzgrad zwischen den beiden Wechselspannungsausgangssignalen ermittelt. Ergibt sich zwischen den beiden Wechselspannungsausgangssignalen ein Kreuzkorrelationsfaktor 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 Kreuzkorrelation 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 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, daß andere interferometrische räumlich streuende Einrichtungen

ίο ebenso verwendet werden können, beispielsweise das Fabry-Perot-Interferometer, ein Gerät zur Erzeugung Newton'scher Ringe, das Lummer-Gehrcke-Interferometer 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 Spektrometer, etwa auf ein Korrelationsspektrometer, anwenden läßt, wie es in dem USA.-Patent 35 18 002 vorgeschlagen wurde. Bei einem derartigen Spektrometer können irgendwelche Einrichtungen verwendet werden, um den Lichtstrahl im Spektrometer zu wobbeln (z. B. durch Schwingen des Gitters), so daß das gestreute Licht abwechselnd durch eine Korrelationsmaske und durch eine Antikorrelationsmaske geleitet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur optischen Analyse eines Spektrums oder eines Interferenzstreifenmusters, mit einer zumindest zeitweise in einer Bildebene des Spektrums bzw. des Interferenzstreifenmusters angeordneten ersten Maske, die ein lichtdurchlässiges Linienmuster aufweist, dessen Linien entsprechend den lntensitätsmaxima des Spektrums bzw. des Interferenzstreifenmusters angeordnet sind, d a durch gekennzeichnet, da3 in der Bildebene des Spektrums bzw. des Interferenzstreifenmusters zumindest zeitweise eine zweite Maske (19,47) angeordnet ist, die ein Linienmuster aufweist, dessen Linien den Intensitätsminima des Spektrums bzw. des Interferenzstreifenmusters entsprechen, und daß Einrichtung (21 bis 28; 48 bis 55; 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.

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 mit den Maxima bzw. den Minima fluchten.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zwei-•e 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 Ausgangssignaten 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 I 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 beide Masken im wesentlichen die gleiche Menge weißen Lichtes durchlassen.

60