DE2126393A1

DE2126393A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von geometrischen Eigenschaften der Komponenten eines Systems

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Publication number: DE2126393A1
Application number: DE19712126393
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-11-23
Filing date: 1971-05-27
Publication date: 1971-12-02
Also published as: GB1356467A; US3809478A; FR2093889A5; CA938099A

Description

PATENTANWÄLTE DR. CLAUS REINLXNDER DIPL-ING. KLAUS BERNHARDT

0-e MÖNCHEN 60

T10 P1 D

John Henry TALBOT Blairgowrie, Johannesburg, Transvaal Südafrikanische Republik

Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von geometrischen Eigenschaften der Komponenten eines Systems

Prioritäten? 29. Mai 1970, Südafrika, Nr. 70/3652 23. Nov.1970, Südafrika, Nr. 70/7901

Die Erfindung betrifft die Analyse und Darstellung von geometrischen Eigenschaften der Komponenten eines Systems-.

Das fragliche System kann entweder aus einem festen Körper oder statt dessen einem ein« oder mehrphasigen Strömungsmittelsystem bestehen.

Die Erfindung kann beispielsweise zur geometrischen Kennzeich» nung von Partikeln verwendet werden, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, wie etwa bei der automatischen Qualitätskontrolle eines Mühlenprodukte _o Die Erfindung 1st auch in der

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Medizin zur Kennzeichnung von Geweben zum Gewebevergleich verwendbar. Ein drittes Anwendungsgebiet ist die Bildana« Iyse oder Spektralanalyse von Bildern» beispielsweise Elektronen·* oder Licht-Mikrofotografien.

Verfahren zur Analyse der geometrischen Eigenschaften von Systemen der fraglichen Art sind bereits bekannt, Ein bekanntes Verfahren arbeitet mit kohärentem Licht zur Beleuchtung des Systems. Das Fernfeld-Beugungsmuster des beleuchteten Systems wird aufgenommen und das so empfangene Muster wird in das Ortsfrequenz-Spektrum umgesetzt, das wiedergegeben oder fotografiert wird· Größe- und Form-Analysen t/erden dann von diesem Ortsfrequenz-Spektrum gemacht.

Bei diesem älteren Verfahren zur Größen- und Form-Analyse trat das Problem auf» eine zufriedenstellende Methode zu finden» nach der die Größen- und Form-Verteilungen einer Population spezifiert werden konnten« die Gegenstände sehr unterschiedlicher Größen und Formen enthielt. Wenn die Gegenstände einer Gruppe alle die gleiche Form haben» dann kann eine repräsentative Dimension jedem Gegenstand zugeordnet werden« und die Größenverteilung kam dadurch spezifiziert werden, daß die Verteilung der repräsentativen Dimensionen angegeben werden.

Wenn beispielsweise die Gegenstände alle Kugeln sind» dann kann der Durchmesser jeder Kugel als repräsentative Dimension gewählt werden» und die Größenverteilung durch die Verteilung der Durchmesser spezifiziert werden· Das gleiche gilt» wenn alle Gegenstände irgendeine andere Form haben. Ein Problem entsteht» wenn die Formen a»r Gegenstände alle unterschiedlich sind. Es gibt dann keine lineare Dimension In einem Gegenstand» die einer linearen Dimension la finest anderen entspricht. In

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solchen Fällen kann die Größe Jedes Partikels durch sein Volumen spezifiziert werden» das wird Jedoch schwierig, wenn es nicht praktikabel» bequem durchführbar oder wirtschaftlich ist» das Volumen Jedes Gegenstandes zu messen«,

Die Erfindung beruht auf einem neuartigen Konzept des "periodischen Ortsspektrums⁰. Dieses neuartige Konzept kann wie folgt definiert werden:

Bas Feraf eld-Beugungsmuster wird gewöhnlich in Ausdrücken einer Wellen-Amplituden-Funktion γ (k^_p ky), beschrieben» wobei k\(9 ky orthogonale Querkomponenten des gebeugten Wellenvektors k sind. Wird die komplexjkonjugierte dieser Funk» tion mit "ψ* bezeichnet, ist die Leuchtdichte IfJ* "^. Der Liehtstrom durch einen bestimmten Bereich einer Ebene im Fernfeld wird durch Integration von \//* ψ über den betreffenden Bereich erhalten. In einigen Fällen ist es bequemer, die Polarkoordinaten k_r» die Radialkomponente von k_v und 0, den Azimutwinkel zu benutzen«

Die Orts- oder Raumperiode d hängt mit der Radialkomponente zusammen nach

Eine Möglichkeitρ das Ortsperioden-Spektrum zu definieren ist

+ a (i + b

I 4 - a J 4 - b P (d, 0 ) « Lt iJ

a —f ο 2 a b
b —y ο

Ersichtlich kann P in Jedem anderen Koordinatensystem ausgedrückt werden und ist nicht auf die hler verwendeten Polarkoordinaten beschränkt.

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Ein anderer.praktisch wichtiger Typ einae Qrtaperioden Spektrums ist

R (d) * P (d, i ) άφ (2)

R (d) hat die folgenden Eigenschaften

(a) die negativ gesetzte Ableitung nach d ergibt etwa die Größenverteilung der Durchmesser der projizierten Flächen der Komponenten des Systems;

(b) die Momente sind proportional den Momenten entsprechender Ordnimg der Größenverteilung; und

(c) das zweite Moment ist gleich dem nullten Moment des vorhergehenden Ortsfrequenzspektruas.

beschriebenen Eigenschaften des Ortsperiodenspektrums sind von großer praktischer Bedeutung, weil viele geometrische Eigenschaften eines Systems aus dem Fernfeld-Beugungs« muster erhalten werden können,, das so verarbeitet ist» daß es einen Parameter des Ortsperiodenspektrums ergibt*

Aufgabe uer Erfindung ist es, dieses neuartige Konzept praktisch verwirklichbar zu machen.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren der genannt@3i Art dadurch gekennzeichnet, daß das (durch bekannte Einrichtungen erhaltene) Fernfeld-Beugungsmuster so gefiltert wird, daß ein Parameter des Ortsperiodenspektrums abgeleitet wird.

Der Parameter kann das Qrtsperlodenspektrum selbst oder ein Moment dieses Spektrums sein.

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Die Filterung kann dtxrch optische Einrichtungen erzielt werden* In diesem Falle vird ein Filter» das so konstruiert ist_s daß es den fraglichen Ortsperiodenspektrum-Parameter ergibt, vor den Auffangschirm oder einen anderen Empfänger gebracht. Einige Filterkonstruktionen werden noch beschrieben.

Statt dessen kann die Filterung elektrisch hervorgerufen werden, indem die durch einen elektrischen Empfänger aus dem Fernfeld-Huster aufgenommenen Signale in geeigneter Weise verarbeitet werden. Zweckmäßigerweise wird das dadurch erreicht, daß die Verstärkung einer Ausgangsschaltung an einem geeigneten Punkt gesteuert wird.

Die Erfindung soll anhand von mehreren in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsformen erläutert werden; es zeigen;

Flg. 1 schematisch eine AusfUhrungsform der Erfindung; Fig. 2 eine Form eines Beobachtungsschirme;

Flg. 3 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform;

Flg. 4 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 5 schematisch den Empfänger einer weiteren Ausftihrungsform;

Fig. 6 einen weiteren Empfängertyp; und

Fig. 7 bis 10 schematises Filter zur Verwendung mit mehreren Ausführungaformen der Erfindung zu unterschiedlichen Zwecken·

Die strichpunktierte Linie 11 in Fig. 1 bezeichnet die optische Achse. Sine Quelle für kohärentes Licht» beispielsweise ein Gaslaser 12, oder eine Glühlampe und ein Ortsfilter, wird mit einer Sammellinse 13 an einem Punkt 14 in der Kitte eines

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Orts-Seitenband-Filters 15 fokuseiert. Nach dem Durchtritt durch das Seitenband-Filter divergiert der Strahl₉ bis er auf eine zweite Sammellinse 16 trifft. Das Untersuchungsobjektι oder die zu untersuchende Gruppe, ist bei 17 dargestellt und wird in einem üblichen Halterahmen gehaltert. In der Zeichnung ist ein ungebeugter Strahl 19 und ein gebeugter Strahl 20 dargestellt, die von dem IJntereuehungsobjekt ausgehen«. Die ungebeugten Strahlen, für die 19 ein Beispiel ist« werden an einem Punkt 21 fokussiert_s der der konjugierte Punkt des ersten Fokus 14 ist·

* Der Abstand zwischen dem Objekt 17 und dem Fokus 21 ist so ausreichend bemessen , daß der Punkt 21 sich im Fernfeld der Komponenten des Objekts 17 befindet. An diesem Punkt 21 1st ein Betrachttmgsschirm 25 angeordnet, und dieser wird dazu verwendet ₉ das Fernfeld-Beugungsmuster zu beobachten, das in dieser Ebene gebildet wird.

Die soweit beschriebene Vorrichtung ist im Prinzip die gleiche wie sie bei dem älteren, eingangs beschriebenen Verfahren verwendet worden ist.

Durch die Erfindung wird zunächst ein Filter 24 in Kontakt mit dem Schirm 25 eingeführt. Zweitens ist der Schirm zur ) Betrachtung auf die in Fig. 2 dargestellte Weise gemustert. In diesem Beispiel variieren die Einteilungen für die Ortsperiode zwischen 50 λ* m bis 1 mm, und die Orientierung von 0° bis 360°. Die Ortsperiodenskala ist eine reziproke Skala „ die Ortsperiode hängt mit dem Beugungsvektormodul durch die Gleichung d « 2 IT zusammen·

Ortsperledenobjekte» das heißt Objekt®» deren Form durch eine Funktion f (r) * f (r+d) über einen begrenzten Bereich der Ortsirariablea r repräsentiert w@rd.en kam, liefern Fernfeld~Must@r₉ die diskrete_f helle Punkt« aa Punkten des Betrachtungsschirms aufweisen» die Ortsperioden of ~ entsprechen» wobei η » 0,1,2,3···· °

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Wenn ein Schirmtyp verwendet wird» wie er in Fig. 2 beispielsweise dargestellt ist» können diese Werte der Ortsperiode direkt abgelesen werden. Die Position der hellen Punkte ergibt auch die Orientierung des periodischen Merkmals des Objektes» und diese kann direkt von der Orientierungsskala ab~ gelesen werden.

Die Funktion des Filters 24 besteht darin» die Leuchtdichte an jedem Funkt (d, 4) um den Faktor d zu modifizieren» so daß die Leuchtdichte proportional P (d» 4) aus Gleichung (1) 1st. Sin geeignetes Filter kann fotografisch hergestellt werden» und zwar als Transparent mit Transmissionskoeffizien» ten an jedem Punkt (d) proportional d . Das Filter 24 wird zweckmäßig an den Schirm 25 angeklebt.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform» in der eine Wolfrao-Halogen-Lampe 30 zusammen mit einer Linse 31 verwendet wird» die ein Bild des Glühdrahtes auf der undurchlässigen Blende 32 formt. Ein Stecknadelloch 33 in der Mitte der Blende läßt Licht durch die Sammellinse 16 zur Probe 34 durch» die von einem transparenten Schlitten 35 getragen wird. Sine Quelle für kohärentes Licht» die aus einer Glühlampe» einer Sammellinse und einem Stecknadelloch-Ortsfilter besteht, wie in Fig. 3 dargestellt ist» ist angemessen» wenn die Komponenten des Objekts 34 lineare Abmessungen kleiner als 10/u m haben und ein Beugungsmuster mit sehr hoher Auflösung nicht erforderlich ist.

Ungebeugte Strahlen ,von denen einer» 36» dargestellt ist» werden am Punkt 37 fokussiert» ein von der Linse 16 gebildetes Bild des Stecknadelloches 33.

Gebeugte Strahlen» von denen zwei (38 und 39) dargestellt sind» bilden ein Fernfeld-Beugung«must«r auf einem Ortefilter 40»

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ähnlich dem Filter 24· Die Sammellinse 46 hat bei dor dargestellten Ausführtmgsform zwei Elemente, und das Filter 40 ist zwischen diesen angeordnet, und diese Anordnung bildet ein verkleinertes Bild dss Objektes 34 auf dem kleinen empfindlichen Bereich 41 einer Fotozelle 42. Sin schmaler durchlässiger Ring 43 in einer ia übrigen undurchsichtigen Blends 44 begrenzt die Strahlen» die auf den empfindliehen Bereich der Fotozelle fallen, auf solche» die durch eine enge Ringzone ats Filters 40 hindurchtreten» entsprechend einem Wert der Ortsperiode d. Ss ist dafür Vorkehrung getroffen, daß dia Blende 44 längs der optischen Achse 11 versehe» ben werden kann.· Die Blende ist schema tisch noch in einer an- deren Stellung 45 dargestellt» in der sie Strahlen von einer anderen Ringzone des Filters 40 zum empfindlichen Bereich 41 durchläßt, entsprechend einem kleineren Wert von d.

Die Verschiebung der Blende 44 kann auf verschiedene Weise erfolgen. Sehr zweckmäßig ist es» die Blende mit einem Schnekkentrieb mit Schnellrücklauf zu verschieben.

Der Fotozellenstrom wird in einem Verstärker 47 verstärkt» wad wenn die Blende 44 längs der Achse verschoben wird» kann das Ortsperiodenspektrum R (d) nach Gleichung (2) als kontinuierliche Kurve auf dem Schreibstreifen eines Sehreib~Milli~ amperemeters 48 aufgezeichnet werden.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 kann beispielsweise zum Gewebevergleich verwendet werden» indem die Ortspe>, J idenspektren von Gewebeschnitten verglichen werden; zur medizinischen Diagnose durch Beobachtung der Effekte auf das Ortsperiodenspektrum durch Änderungen in den geometrischen Eigenschaften der Zellen» Proteinfasern» Chromosomen oder anderen Komponenten von Geweben. Diese Aiisführungsforn ist auch geeignet zur geometrischen Kennzeichnung von feinen Pulvern» Merkmalen in Fotografien» Insektenflügeln und dergleichen«

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Ein weiteres Ausführungsbeispiel 1st in Flg« 4 dargestellt» ein optisches Diffraktometer ähnlich dem nach Fig. 1» wobei das Objekt 17 jetzt durch ein Medium dargestellt ist, das durch eine Strömungezelle 50 fließt.

Als fließende Medien können Gase oder Flüssigkeiten verwendet werden. Die dargestellte Ausführungsform ist besonders geeignet zur geometrischen Analyse von Suspensionen von Partikeln in einem Strömungsmittel»

Die beste Strömungszelle besteht aus einem kurzen Stück Rohr 50 mit transparenten Fenstern 51 und 52 in den beiden Selten des Rohrs. Eine Zelle dieser Art 1st zweckmäßig zum Anschluß von flexiblen Schläuchen, die zum Transport der Suspension verwendet werden» und stört die Strömung wenig. Venn die Achse des Rohres vertikal angeordnet 1st» verringern sich die Möglichkeiten» daß Partikel sich auf den Fenstern absetzen, im übrigen ist jedoch die StrÖeuagsrlchtung gleichgültig.

Ungebeugte Strahlen, von denen einer 53» dargestellt 1st» wer« den an den Punkten 54 und 55 fokussiert, dl· Bilder des ersten Fokus 14 sind. TSIn Strahlenteiler 56 teilt das Licht gleichmäßig zwischen die beiden Empfänger 57 und 58 auf. Scheibenförmige Silizium-Fotoelemente sind als Smpfänger sehr geeignet. Von der Suspension gebeugtes Licht kommt an den Empfängern an Punkten um die Brennpunkte 54 und 55 herum an. Es ist nur ein gebeugter Strahl 59 dargestellt, der vom Punkt 60 ausgeht. Hach Aufteilung durch den Strahlenteiler 56 kommt dieser Strahl am Empfänger 57 am Punkt 61, und am Smpfänger 56 am Punkt 62 an, wobei die Leuchtdichte an den Punkten 63 und 64 durch Ortsfilter 65 bzw. 66 modifiziert 1st.

Dl« Ortefilter 65 und 66 haben Tranemissionskoeffizienten, oder I^uchtdiohte-Übertragungsfunktlonen, die zur Bestimmung

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von zwei verschiedenen Momenten des Ortsperiodenspektruma geeignet sind. Der Strom der Fotozelle 57 wird mit einem Verstärker 67 verstärkt, im Modul 68 gleichgerichtet und integriert, und das Integral wird in einem Komparator 69 mit einer Bezugsspannung 70 verglichen» Sobald das im Integrator 68 registrierte Integral der Bezugsspannung gleich wird» erhält ein Digitaldrucker 71 den Befehl, das im Integrator 73 registrierte Integral auszudrucken, nachdem es mit einem Analog-Digital-Konverter 72 in digitale Form umgewandelt ist. Der Integrator 73 registriert das Integral des Fotozellenstroas nach Verstärkung durch Verstärker 74 und Gleichrichtung.

Asif diese Weise stellt die ausgedruckte Ablesung das Verhältnis d&r Momente des Ortsperiodenspektrums dar, antspreehend den Übertragungsfunktionen der Ortsfilter 65 *m& 66«, Besonders brauchbare Resultate sind daa Fläche-Volumea-Verhältnis (spezifische Oberfläche wenn die Massendichte bekannt ist)_p das proportional dem Verhältnis des zweiten Momentes zum dritten Moment ist, und der mittlere Durchmesser, der proportional dem Verhältnis des ersten Momentes zum nullten Moment ist.

Fig. 5 ist eine Anzahl von kreisförmigen Fotozellen 81, 82, k 83 mit wachsendem Durchmesser hintereinander gestapelt» in der Weise, daß, mit Ausnahme des Falles &^r ersten Zelle 81, ein Ringbereich jeder Zelle dem gebeugten Licht ausgesetzt ist. Ein Strahl 24 ist auf treffend auf den exponierten Ring der Fotozelle 82 dargestellt, der schraffiert dargestellt ist.

Wieder ist das zu analysierende System eine Suspension von Partikeln in eine» Strömungsmittel, und atröat durch eine Zelle 50.

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Jede Strahlungsdetektor zelle ist mit einem Verstärker 85· 86, 87 mittels einer Kopplung 84 verbunden, die nur die fluktuierenden Kbaponenten durchläßt und die konstanten Komponenten herausfiltert· Kopplungen dieser Art sind in der Elektronik bekannt, beispielsweise induktive Kopplungen (übertrager), induktiv-kapazitive Kopplungen» und RC-Kopplungen.

Die Verstärkung der Verstärker 85» 86, 87 wird so eingestellt, daß sich eine elektronische Filterung in Ausdrücken der Gleichung (1) ergibt· Xn diesem Falle werden deshalb optische Filter nicht verwendet, sondern es wird rein elektronisch gefiltert. Die verstärkten Signale werden mit Gleichrichtern 88 gleichgerichtet und bei 90 integriert. Bin Abtaster 91 fragt die Integratoren 90 in geeigneten Intervallen ab und liefert die entsprechende Information an einen Drucker 92·

Diese Ausführungsform beruht auf der Tatsache» daß die Varianz einer statistischen Variablen proportional dem erwarteten Mittelwert der Variablen ist. Ein Haß für die Varianz ist deshalb ein Maß für den erwarteten Mittelwert. !Es wird angenommen« daß Im Falle einer sich bewegenden Suspension die Partikel statistisch in des Suspensionsmedium verteilt sind und in einer statistischen Folge (Zufallsfolge) in die Strömungszelle eintreten« Die statistische Variable ist, in dem betrachteten Problem» die gebeugte Energiedichte.

Die Genauigkeit und Präzision des Verfahrens ist deshalb nicht durch einen Untergrund aus gebeugtem Licht begrenzt, das durch Staubpartikel auf Linsen und Fenstern der Vorrichtung, oder durch UnvoUkomaenheiten in deren Oberflächen, verursacht ist·

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Bei der Ausführurigsform nach Fig. 6 kann P (d,0) aufgezeichnet werden» In diesem Falle ist ein Motor 100 vorgesehen der eine Welle 103 über ein Vorgelege 101 und eine magnetbetätigte Kupplung 102 antreibt. An diesem Ende trägt die Welle 103 einen radialen Arm 104. Der radiale Arm weist eine Hülse 105 auf, die in geeigneten Keilnuten längs des Armes bleiben kann. Die Hülse 105 wird mit einer Spannfeder 106 in die radial äußerste Stellung gedrängt. Eine Schnur 107 verbindet die Hülse 105 mit einer Trommel 108 am Ende der Wolle 103· Wenn sich also die Welle 103 dreht, bewegt sich die Hülse 105 radial einwärts. Wenn die Kupplung 102 gelöst wird, bewegt sich die Hülse unter der Wirkung der Feder radial auswärts.

Die Hülse 105 trägt eine sehr kleine Fotozelle 109, die so angeordnet ist, daß sie in der Ebene des Fernfeld-Beugungsmusters rotiert. In geeigneter Weise, beispielsweise durch Drähte in der Schnur 107, wird die Ausgangsspannung der Zelle 109 zu Schleifringen 110 auf der Welle 103 geführt _o Diese Ausgangsspannung wird einem Verstärker 111 zugeführt, und durch ei^ie Verstärkungssteuerung 112 an ein schreibendes Williaraperemeter 113.

Auf der Welle 103 befindet sich ferner ein Zahnrad 1i4_f das ein größeres Zahnrad 115 antreibt, das auf einer Welle 116 sitzt» Das Zahnrad 114 weist eine Kerbe auf, die mit einem Mikrosehalter 117 zusammenwirkt, der die Kupplung 102 und den Motor 100 steuert. Wenn die Kerbe mit den* Mikroschalter 117 registriert, ist die Kupplung gelöst und der Motor abgeschaltet. Die Größe des Zahnrades 115 ist so gewählt, und die Phasenlage des Zahnrades so angeordnet, daß die Kerbe mit dem Mikroschalter registriert, wenn sich die Hülse 105 in ihrer radial innersten Stellung befindet.

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Die Welle 116 treibt auch die Verstärkungssteuerung 112 an.

Die Fotozelle 109 beschreibt auf diese Weise einen Spiralweg vom Umfang zum Zentrum des Beugungsmusters in der Fernfeldebene. Die Verstärkungssteuerung 112 ist so gewählt, daß die Verstärkung des Detektors proportional d ist. Die Ausgangsspannung wird im Milliamperemeter 113 aufgezeichnet. Der Ver~ ■ stärker 111 kann mit der Fotozelle 109 Gleich- oder Wechsel strom-gekoppelt sein. Xm letzteren Falle 1st die Ablesung proportional Vp

Die Filter werden entsprechend dem Zweck konstruiert» für den die Vorrichtung gedacht 1st. Theoretisch werden die besten Filter nach dem Halbtonprinzip konstruiert. Die Filterflache kann so in eine große Anzahl von kleinen, im wesentlichen gleichen Flächen aufgeteilt werden, beispielsweise ein Quadrat« netzmuster. IM einen Mittelpunkt werden dann die Quadrate entweder geschwärzt oder transparent gelassen, entsprechend den Transmissionskoeffizienten, die für den Bereich benötigt werden» in dem sich das Quadrat befindet· Anschließend wird das gezeichnete Muster verkleinert und das verkleinerte Bild wird dazu verwendet, einen Ittagliodruck herzustellen.

in praktischen, kommerziellen Geräten ist diese hohe Genauigkeit nicht notwendig geworden. Je nach der Leichtigkeit, mit der die fragliche Gleichung befriedigt werden kann, wird eines von drei Verfahren verwendet:

a. Alternierende dunkle und transparente Ringe um das Zentrum;

b. helle und lichte Flächen, die In ttafangsrlchtung alternieren und auswärts reichem oder

c. eine Kombination von (a) und (b).

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Ein Filter zur Bestimmung des η-ten Momentes hat die Leucht« dichte-Übergangsfunktion T (d, 0) « 2d, ²""ⁿ, wobei a eine Konstante ist· In der Praxis reicht es aus, daß die mittlere Leuchtdichte-Übergangsfunktion in vorgegebenen Zonen den Anforderungen der Gleichung genügt· Praktische Filter haben des halb die in Figuren 7 bis 10 dargestellte Form. In praktischen Geräten muß die GrUBe des Filters für die sogenannte "Kameralänge" L des Diffraktometers geeignet sein_P und der Radius r muß groß genug sein» um den Minimalwert D von d einzuschließen» für den die Leuchtdichte merkliche Werte hat« Dieser Radius ist gegeben durch

K D
wobei K die Wellenzahl des Lichtes ist.

Figur 7 zeigt ein Filter mit alternierenden dunklen und transparenten, konzentrischen Ringen um ein Zentrum. In einigen Fällen ist für die Dunkelheit ein linearer Gradient vorhanden, und in anderen ein anderer Gradient, beispielsweise ein parabolischer Gradient.

Figur 8 zeigt ein Filter, bei dem ringförmige Sektoren in Umfangsrichtung verteilte dunkle und transparente Reihen mit einem radialparabolisehen Gradienten aufweisen.

Figur 9 zeigt ein Filter, das an ein stielloses vierblättriges Kleeblatt erinnert, während Fig. 10 ein Filter zeigt, in dem die transparente Fläche ein gerades Kreuz ist.

Eine breite Vielzahl anderer Filterformen sind möglich, die beschriebenen vier haben sie jedoch als adequat für die meisten praktischen Anwendungsfälle der Erfindung gezeigt.

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Die Erfindung betrifft das Ortsperiodenspektrum und seine Momente. Das Ortsperiodenspektrum kann auf verschiedene Weise erhalten werden» aber die folgenden beiden sind die typischen Möglichkeiten?

a. Es wird ein Filter verwendet» wie in Fig· 3 dargestellt ist. Der durch die Breite der ringförmigen Öffnung in der Blende 33 eingeschlossene Winkel ändert sich linear mit dem Abstand von der Fotozelle. Die kombinierte Wirkung des linearen Filtere mit der Blende ergibt also den gleichen Effekt wie ein Filter mit einem parabolischen Gradienten»

b. Das Ortsperiodenspektrum kann bei der Ausf Uhrungsform stach Fig. 1 mit einem ähnlichen Filter mit einem parabolischen Gradienten betrachtet werden·

c. Es wird ein Halbtonfilter mit parabolischem Transmissionskoeffizienten mit der Vorrichtung nach Fig. 6 verwendet.

Das nullte Moment wird erhalten» wenn die Filter nach Fign. oder 9 beispielsweise in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet werden,, wenn der Betrachtungsschirm durch eine Fotozelle ersetzt worden ist. Wie noch beschrieben wird» kann es auch bei der AusfUhrungsform nach Fig. 4 erhalten werden» um weiter verarbeitet zu werden.

Das erste Moment wird mit dem Filter nach Fig. 7 mit linearem Gradienten erhalten·

Das dritte Moment wird mit dem Filter nach Fig. 10 erhalten·

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In der zur Beschreibung der Erfindung verwendeten Terminologie 1st das zweite Moment des Ortsperiodenspektrums das» was auf dem Betrachtungsschirm nach Flg. 1 erscheint, wenn kein Filter 14 vorhanden ist, das heißt» was auf dem Betrachtungsschirm der bekannten Vorrichtung erscheint. Die Messung des zweiten Momentes bildet deshalb insoweit keinen Teil der Er« findung, sofern es nicht in Kombination mit den anderen Momenten des Ortsperiodenspektrums erhalten wird.

Weitere Momente des Ortsperiodenspektrums sind prinzipiell mit geeigneten Filtern erzielbar, soweit bekannt, besteht jedoch derzeit kein praktisches Bedürfnis für diese höheren Momente.

Außer zur Betrachtung von Licht- oder Elektronen-Mikrofotos 1st die Betrachtung des Ortsperiodenspektrums oder seiner. Momente nicht von großem praktischen Nutzen. Grafische oder digitale Ausdrucke, die durch die Erfindung erhältlich sind, sind Jedoch von sehr großem Wert. Wenn die Diagramme geeignet kalibriert werden, und die Ausdruckmechanismen in geeigneter Weise einjustiert werden, können die Ablesungen quantitativ verschiedene geometrische Eigenschaften eines untersuchten Systems darstellen.

Einige dieser Charakteristiken sinds

a. Größenverteilung von diskreten Elementen Il einem System;

bo die Anzahl von Komponenten in einem System - diese sind proportional dem nullten Moment des Ortsperiodenspektrums;

c. die Ilsearen Abmessungen der Komponenten des Systems die proportional dem ersten Moment des Ortsperiodenspektruma sind;

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d. die Fläche der Komponenten (zweites Moment);

e. das Volumen der Komponenten (drittes Moment);

f. mittlere lineare Dimension (erstes Moment geteilt durch nulltes Moment gemäß Flg. 4)?

g«, spezifische Oberfläche (zweites Moment geteilt durch drittes Moment); und

h» mittleres Volumen der Komponenten (drittes Moment geteilt durch nulltes Moment).

Anhand der Gleichungen (1) und (2) dürften Fachleute keine Schwierigkeiten haben, die notwendigen Kalibrierungen und Einstellungen zur Erzielung dieser quantitativen Maße auszuführen»

• Ansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Analyse von geometrischen Eigenschaften der? Komponenten eines lichtdurchlässigen Systems» bei d®m das System alt kohärentem Licht beleuchtet wird* das Perafeld-" Beugimgsmuster des beleuchteten Systems empfangen wird₉ und das so empfangene Muster in geometrische Eigenschaften umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet _ΐ daß das Muster so gefiltert wird, daß ein Parameter eines Ortsperiodönspektrums gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Huster optisch gefiltert wird_e um den Parameter zu erhalten.

3. Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß das Huster elektrisch detektiert wird und die elektrische Ausgangsspannung gefiltert wird, um den Parameter zu erhalten»

4« Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Komponente von empfangenem Signalen ausgefiltert wird und das variable Signal als Haß eines Parameters des Ortsperiodenspektrums der Komponenten des Systems integriert wird,

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dad der Parameter «in Ortsperiodenspektrum ist«

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6· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4„ dadurch gekennzeichnet» daß der Parameter ein Moment des Ortsperiodenspektrums 1st.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nullte Moment des Ortsperiodenspektrums als Haß .für die Anzahl der Komponenten des Systems gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet t daß das erste Moment des Ortsperiodenspektrums als Maß für die linearen Dimensionen der Komponenten des Systems gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichne t _r daß das dritte Moment des Ortsperiodenspektrums als Maß für das Volumen der Komponenten des Systems gebildet wird.

1Oo Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichne t _s daß das erste und das nullte Moment des Ortsperiodenspektrums gebildet werden und dann das erste Moment durch das nullte Moment geteilt wird, um ein Maß für die mittlere lineare Dimension der Komponenten des Systems zu erhalten.

11c Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und das dritte Moment des Ortsperiodenspektrums gebildet werden und dann das zweite Moment durch das dritte Moment geteilt wird, um ein Maß für die spezifische Oberfläche der Komponenten des Systems zu erhalten.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte und das nullte Moment des Ortsperiodenspektrums gebildet warden und dann das dritte Moment durch das nullte Moment geteilt wird, um eic Maß für das mittlere Volumen der Komponenten zu erhalten.

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13· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche» bestehend aus einer Quelle für kohärentes Licht» einer Halterung» mit der das System im Weg des kohärenten Lichtes gehaltert wird, und einem Empfänger» der in einer Ebene in einem solchen Abstand von der Halterung angeordnet ist» daß das Fernfeld-Beugungsmuster des beleuchteten Systems auf den Empfänger auftrifft» dadurch gekennzeichnet » daß eine Filterung vorgesehen ist» mit der das Muster derartig gefiltert wird» daß der Empfänger einen Parameter eines Orteperiodenspektruae des Systems liefert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet» daß das Filter ein optisches Filter ist» das zwischen dem Empfänger und der Halterung angeordnet ist.

15· Vorrichtung nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet» daß der Empfänger ein Betrachtungsschirm ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet» daß der Empfänger ein Lichtdetektor 1st.

. 17. Verrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16» dadurch " gekennzeichnet» daß der Filterdichte vom Zentrum sich nach außen in Ausdrücken der Gleichung

/2T + a / 4 + b - - 1~^ :—

a -* ο 2 a b /IT

b ^m^f ο

und ά·Β gewünschten Parameters ändert.

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18o Vorrichtung nach einen der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet » daß sich die Filterdichte vom Zentrum nach außen in Ausdrücken der Gleichung

am

R (d) * J P (d, φ ) d 4 O

und des gewünschten Paraaetere ändert.

Torrichtung nach einen der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß das Filter im wesentlichen nach Figuren 7 bis 10 aufgebaut ist. ;

20. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzel ch« n e t , daß der Empfänger aus einen Lichtdetektor besteht und Einrichtungen aufweist» alt denen die Verstärkung des Ausgangs« des Detektors zur Filterung des Musters einjustierbar ist.

21= Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß der Detektor aneinandergrenzende Ring« Sektionen des Musters getrennt detektiert.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgabeeinrichtung» insbesondere ein Drucker für die getrennten Ausgangsspannungen vorgesehen ist.

23· Vorrichtung nach Anspruch 2O₉ dadurch gekennzeichnet , daß zwei Empfänger vorgesehen sind» ein Strahlenteiler zwischen den Empfängern und der Halterung angeordnet ist» und eine Filterung wenigstens einen Empfänger zugeordnet ist.

24· Vorrichtung nach Anspruch 23» dadurch gekennzeichnet» daß «ine Einrichtung zur Bildung des Verhältnisses zwischen den Auegangsspannungen der beiden Snpfanger -vorgesehen ist.

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25» Vorrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine kleine Fotozelle ist und eine Einrichtung vorgesehen ist_f mit der die Fotozelle auf einem spiralenf önaigen Weg zwischen dem Zentrum und dem Umfang des Beugungsmusters in der Empfäsgerefoene geführt werden kann.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 Με 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtereinrichtung zum Ausfiltern der konstanten Komponente aus empfangenen Signalen vorgesehen ist, und ein Integrator für die variablen Komponenten, der als Ausgang des Detektors dient.

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