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Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Anisotropiezustandes
von optisch aktiven Materialien durch Messen der Orientierungsdoppelbrechung Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Anisotropiezustandes
von optisch aktiven Materialien, z.B. transparenten oder transluzenten Polymeren,
durch Messen der Orientierungsdoppelbrechung unter Verwendung eines Kompensators,
der den zum Bestimmen der Doppelbrechung notwendigen Gangunterschied liefert.
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Zur Erläuterung der Grundlagen der Erfindung und eines Ausführungsbeispiels
sollen die beigefügten Zeichnungen dienen.
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In diesen stellen dar: Abbo 1 die Aufspaltung eines linear polarisierten
Lichtstrahls in die beiden Hauptspannungsrichtungen Qi 1 und Abb. 2 die Entstehung
des Gangunterschiedes durch die unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten in Anisotropierichtung
und senkrecht dazu (c1 > c2).
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Abb. 3 die zirkular polarisierte Welle, Abb. 4 die linear polarisierte
Welle, Abb. 5 die Lichtintensitätsverteilung auf dem Kompensat ionske il a) ohne
b) mit überlagertem doppelbrechenden Medium
Abb. 6 die Anordnung
der Meßeinrichtung zur kontinuierlichen Ermittlung der optischen Anisotropie.
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Die physikalischen Hintrgründe für das Zustandekommen der Doppelbrechung
sind an sich bekannt, sie sollen hier nur kurz erläutert werden.
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Trifft eine linear polarisierte Lichtwelle auf ein optisch aktives
Medium, so wird sie in zwei zueinander senkrecht bevorzugte Richtungen zerlegt,
wie in Abb. 1 gezeigt ist, in der die Lichtquelle mit 9, der Polari-sator mit 11,
das Modell mit F und der Analysator mit 12 bezeichnet sind. Das Phänomen der Doppelbrechung
beruht darauf, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der beiden Lichtwellen-Komponenten
innerhalb des doppelbrechenden Mediums in den beiden zueinander senkrechten Schwingungsebenen
voneinander verschieden sind; sie treten zeitlich versetzt aus dem Medium aus, haben
also eine Phasendifferenz in einer bestimmten Größenordnung #* (siehe Abb. 2). Beim
Austritt aus dem Medium addieren sich die beiden Lichtwellen-Komponenten wieder
vektoriell zu einer Welle, die, analog zur Eintrittswelle, je nach der Größe der
Phasenverschiebung im allgemeinen Ball elliptisch, in speziellen Pällen zirkular
oder linear polarisiert sein kann.
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Zirkulare Polarisation (Abb. 3) tritt auf, wenn die Phasenverschiebung
der Komponenten die Werte #* = #/2, 3/2#, 5/2#....
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bzw. #* = (2z+1) #/2 hat, wobei die Ordnungszahl z die Werte 0, 1,
2, ... usw. haben kann. Lineare Polarisation (Abb. 4) wird erreicht, wenn #*= zu
ist, wobei wiederum z = 0, 1, 2, .... usw.
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sein kann. Im Palle, daß #*= z 25- (z = O, 1 2, ... entsprechend ganzzahligen
Vielfachen der Wellenlänge ) ist, schwingt die linear polarisierte Ausgangswelle
in der gleichen Ebene wie die linear polarisierte Eingangswelle, d.h. durch einen
hinter dem doppelbrechenden Medium aufgestellten Analysator, der identisch mit dem
Polarisator ist, jedoch im allgemeinen eine um 900 zu diesem gedrehte Polarisationsebene
hat, dringt kein Licht durch; es erfolgt also Lichtauslöschung.
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Das gilt bei monochromatischem Licht, während bei weißem Licht die
komplementärfarbe zur ausgelöschten Farbe erscheint. Da der Gangunterschied ff ,
der auch als Phasen-2# verschiebung #* bezeichnet wird, wobei #* = # ist, @ eine
lineare Funktion des von den LichtwellenXzurückgelegten Weges im doppelbrechenden
Medium darstellt, bezieht man ihn auch auf die Dicke d der betrachteten Probe des
Mediums. Die Doppelbrechung ß n ergibt sich dann zu # n = n, - n# = @/d wobei n
# und nf die Lichtbrechungsindices in Richtung der Anisotropie bzw. senkrecht dazu
bezeichnen. Diese an sich bekannten Grundsätze wurden bisher in der Praxis in mehreren
bekannten Verfahren angewendet.
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Eine Möglichkeit zur Bestimmung des Gangunterschiedes bietet das in
der Physik bekannte Verfahren nach Sénarmont.
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Dieses Verfahren setzt die Kenntnis des Gangunterschiedes an mindestens
einem Punkt in der Umgebung der zu untersuchenden Stelle voraus. An dem bekannten
Punkt beträgt der Gangunterschied gewöhnlich ein ganzzahliges Vielfaches der verwendeten
monochromatischen Lichtwellenlänge (# = z # ).
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Mit Hilfe des Verfahrens nach Sénarmont kann nun der Bereich zwischen
den- ganzzahligen Ordnungen bestimmt werden. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens
ist der Umstand, daß der Gangunterschied mindestens an einer Stelle der Probe bekannt
sein muß.
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Eine weitere Möglichkeit der allerdings nur näherungsweisen Bestimmung
des Gangunterschieds besteht in der subjektiven Farbbeurteilung bei der Verwendung
von weißem Licht. Da das subjektive Parbempfinden aber sehr unterschiedlich ist,
ist dieses Verfahren im allgemein recht ungenau, selbst dann, wenn man eine von
der Firma Zeiß, Oberkochen, herausgegebene Farb-Vergleichstafel benutzt.
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Auch mit Hilfe des Berek-Kompensators der Firma Zeiß sowie einer Analyse
des Transmissionsspektrums elektromagnetischer Wellen im sichtbaren Bereich kann
diese Bestimmung durchgeführt werden.
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Nachteile dieser bekannten Verfahren sind Langwierigkeit und Umständlichkeit
des dabei nötigen Meßaufwandes sowie eine notwendige nachfolgende Umwandlung der
gefundenen Meßgröße in ein elektrisches Ausgangssignal zwecks Prozeßsteuerung.
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Es ist auch bereits bekannt, den Anisotropiezustand von optisch aktiven
Werkstoffen über eine Bestimmung der Anisotropie einiger physikalischer Eigenschaften
zu ermitteln, z.B. der Differenz der maximalen Zugspannung in Anisotropierichtung
und senkrecht dazu b = L=f( (Orientierungszustand) oder der Differenz der Wärmeleitfähigkeit
d 2 - = f (Orientierungszustand).
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Diese Beziehungen sind analog zu n = n - nl = f (Orientierungszustand).
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Auch dieses Verfahren ist umständlich und zeitraubend und eignet sich
daher nicht für quasi-kontinuierliche Anwendungen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren sowie
eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen, das es ermöglicht, quasi-kontinuierlich,
d.h.
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praktisch fortlaufend, den Anisotropiezustand von optisch aktiven
Materialien, z.B. die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit, Kompressibilität, Ausdehnung,
Festigkeit, Schallgeschwindigkeit zu beurteilen, z.B. bei der Herstellung von
verstreckbaren
Flachfolien aus Plastomeren. Die Kenntnis der Orientierungsdoppelbrechung und der
Temperaturgeschichte während der Verstreckung und Abkühlung läßt Rückschlüsse auf
den Wert und die Anisotropie der genannten Eigenschaften zu. Außerdem soll die Homogenität
und die Richtung dieser Eigenschaften bestimmt werden.
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Diese Aufgabe, ein quasi-kontinuierliches analoges Ausgangssignal
für die Höhe des Gangunterschiedes zu erhalten, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß zum Messen des optischen Gangunterschiedes eine fotoelektronische Analyse des
Interferenzfarbbildes vorgenommen wird, das hinter einem dem Kompensator, z.B. einem
Keilkompensator, nachgeschalteten Analysator erhalten wird. Dabei wird der als optisch
sichtbares Signal erscheinende Gangunterschied mit Hilfe lichtemDfindlicher
z.B. Fotozellen, Fotoelemente, Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände, Fotovervielfacher,
in ein elektrisches Signal umgewandelt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein positionsempfindlicher
Streifendetektor vorgesehen sein, der in der Lage ist, die gesamte auf ihn einfallende
Lichtintensität bei gleichzeitiger Angabe des Ortes maximaler Helligkeit zu messen,
und mit dessen Hilfe das vom Kompensator erhaltene Interferenzbild aufgenommen wird.
Stattdessen könnte aber zum selben Zweck auch ein Vielfachdetektor vorgesehen sein.
Schließlich könnten hierfür aber auch ein oder mehrere lichtempfindliche Elemente
in Betracht kommen, auf die das Interferenzbild einwirkt und die zum Ermitteln des
Ortes maximaler Helligkeit (bei parallelen Polarisatoren) bzw.
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maximaler Dunkelheit (bei gekreuzten Polarisatoren) über den Kompensator
elektromechanisch bewegbar sind.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für das Bestimmen des
Anisotropiegrades an biaxial verstreckten Folien werden mindestens zwei Strahlengänge
ausgewertet, von denen einer bevorzugt senkrecht und ein anderer unter einem beT
stimmten Winkel (Schrägeinstrahlung) die zu untersuchende Probe durchdringt.
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Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar,
wenn das elektrische Signal für den optischen Gangunterschied zur Steuerung des
Herstellungsprozesses, z.B. einer Kunstatoff-Bolie, dient oder zur kontinuierlichen
bzw. quasi-kontinuierlichen Qualitätskontrolle mit Re ohnersteuerung.
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Der bei der Doppelbrechung auftretende Gangunterschied wird also mit
Hilfe eines Kompensators, z.B. eines Kompensationskeiles, zu Null kompensiert und
die Stelle maximaler Dunkelheit (bei gekreuzten Polarisatoren) bzw. maximale Helligkeit
(bei parallelen Polarisatoren) fotoelektronisch ermittelt.
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Der hier verwendete, an sich bekannte Kompensationskeil besteht im
allgemeinen aus zwei anisotropen Keilen, deren Anisotropierichtungen gekreuzt sind.
Trifft eine linear polarisierte Welle auf den Keil, so wird tie doppelt gebrochen,
d.h.
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in zwei Wellen zerlegt und zwar eine in Anisotropierichtung und eine
senkrecht dazu. Aufgrund der Anisotropie durchdringt die eine Welle den anisotropen
Keil schneller als die andere Welle. Im zweiten Keil durchdringt aufgrund der gekreuzten
Anisotropierichtungen die vorher verzögerte Welle schneller das anisotrope Material
des Keiles. An der Stelle des Keiles, an der beide Geschwindigkeitsdifferenzen gleich
sind, ergibt sich beim Austritt beider Lichtwellen aus dem Keilmedium eine gesamte
Geschwindigkeitsdifferenz von Null, d.h. der summarische Gangunterschied ist Null.
An dieser Stelle auf dem Keil erscheint bei gekreuzten Polarisatoren eine achwarze
Linie und bei parallelen Polarisatoren eine weiße. Auf der übrigen Keilfläche erscheinen
Interferenzfarben O-ter bis n-ter Ordnung, Jedoch nicht wieder schwarz bzw. weiß,
was durch die geringe Kohärenzlänge von natürlichem Licht bedingt ist.
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Gewöhnlich ist der Keil mit einer Skalenteilung versehen, so daß direkt
der Gangunterschied, z.B. in Nanometer, abgelesen werden kann. Überlagert man dem
Kompensationskeil ein doppelbrechendes anisotropes Material, so addieren sich die
Gangunterschiede von Kompensationskeil und Material, d.h. die schwarze
b
zw. weiße Linie auf dem Kompensationskeil verlagert sich.
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Die örtliche Verlagerung der schwarzen bzw. weißen Linie ist ein direktes
Maß für den Gangunterschied im betrachteten anisotropen Material. Keile der oben
genannten Art werden z.B.
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in Polarisationsmikroskopen zur Bestimmung des Gangunterschiedes optisch
anisotroper Materialien eingesetzt.
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Der Ort der z.B. maximalen Helligkeit auf dem Kompensationskeil ist
ein Maß für den Gangunterschied, der, dividiert durch die Dicke der zu analysierenden
doppelbrechenden Probe, die Doppelbrechung A n, d.i. die Differenz der Lichtbrechungsindizes
in Richtung der Anisotropie n (bei Polymeren z.B. die Orientierungsrichtung) und
senkrecht dazu n#, ergibt.
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Das ein Maß für den Gangunterschied daratellende Ortssignal wird in
ein analoges elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Analogsignal für die
Probendicke des untersuchten, anisotropen Materials kann aus einer externen, nach
bekannten Verfahren arbeitenden Dickenmeßanlage (Isotopen-, Infrarot-, Meßfhhler-,
Stauiruck-Dickenmeßanlage) gewonnen werden. Eine elektronische Division ergibt dann
ein analoges Ausgangssignal für die Orientierungs-Doppelbrechung n n.
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Ein analoges Ausgangseignal für die Höhe des Anisotropiearades AG
innerhalb der betrachteten Materialprobe erhält man z.B., wenn das Ausgangssignal
für z n durch ein konstantes elektrisches Signal, welches die für das untersuchte
Material maximal mögliche Doppelbrechung # nmax (Materialkonstante) repräsentiert,
dividiert wird:
Für den Fall, daß die funktionalen Zusammenhänge zwischen Doppelbrechung (Richtungsabhängigkeit
der Lichtgeschwindigkeit) und -Anisotropie anderer phylikalischer Eigenschaften
(eine Vielzahl von Veröffentlichungen liegen hierüber vor) oder zwischen Doppelbrechung
und Orientierungsgrad bzw.
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Orientierungagrad und Anisotropie physikalischer Eigenschaften bekannt
sind, bietet sich hier die Möglichkeit einer kontinuierlichen Messung der Richtungsabhängigkeit
einer Vielzahl von physikalischen Eigenschaften.
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Auf diese Weise kann also eine Meßgröße gewonnen werden, durch die
z.B. der durch den Herstellungsprozeß im Endprodukt bei transparenten und transluzenten
Werkstoffen erzeugte molekulare Orientierungszutand und somit die Richtungsabängigkeit
einer Vielzahl physikalischer Eigenschaften beurteilt werden kann.
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Zur Erläuterung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens beschrieben; Für Schrumpffolien (Verpackungsmaterial) wird überwiegend
Polyäthylen eingesetzt. Die Herstellung der Folien erfolgt im Folienblasformprozeß
oder durch biaxiale Verstreckung von Flachfolien. Beim Folienblasen wird eine biaxiale
Verstreckung zum einen durch das Verhältnis von Abzugsgeschwindigkeit zu Düsenaustrittsgeschwindigkeit
(Verstreckung in Längsrichtung) und zum anderen durch das Aufblasverhältnis (Verstreckung
in Umfangsrichtung des Folienschlauches) erzeugt. Aus einer Verstreckung resultiert
gewbhnlich eine Orientierung der Makromoleküle im Polymermaterial und daraus wiederum
eine Anisotropie des Materials, d.h. eine Richtungsabhängigkeit einer Vielzahl von
physikalischen Eigenschaften, wie z.B. der Schrumpf. Schrumpf tritt ein, wenn z.B.
infolge von Wärmezufuhr die Beweglichkeit der Makromoleküle erhöht und dadurch eine
Desorientierung, d.h. ein Ubergang vom geordneten zum ungeordneten Zustand ermöglicht
wird. Für Schrumpffolien wird im allgemeinen gefordert, daß der Schrumpf in allen
Richtungen gleich groß sein soll, d.h., daß sich die Folie' bezüglich des Schrumpfes
isotrop verhält.
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Es existiert bisher keine Möglichkeit, das Schrumpfverhalten im Verarbeitungsprozeß
kontinuierlich zu ermitteln. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch der
Anisotropiegrad überwacht und für den Fall einer Abweichung' vom Sollwert (im genannten
Beispiel: Anisotropiegrad = 0) die Richtung, ob in Abzugs- oder Umfangsrichtung,
angegeben werden. Die weiße Linie maximaler Intensität (bei parallelen Polarisatoren)
auf dem Kompensationskeil befindet sich für den Fall, daß der Anisotropiegrad "Null"
ist, auf der Markierung "O". Für den Fall,
daß Längs- ober Querorientierung
überwiegt, wandert die weiße Linie maximaler Intensität zu positiven oder negativen
Werten des Gangunterschiedes. Das analoge Ausgangssignal könnte einen Regelprozeß
derart einleiten, daß z.B.
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bei zu hoher Längsorientierung die Abzugsgeschwindigkeit verringert
oder das Aufblasverhältnis erhöht wird.
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Ein Meßgerät zur Anwendung des Verfahrens ist am Beispiel der kontinuierlichen
Qualitätskontrolle, insbesondere des Orientierungsgrades, im Extrusionsprozeß bei
der Herstellung einer Kunststoff-Flachfolie in Abb. 6 dargestellt.
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Die Folie wird durch eine Meßanordnung geführt, bei der durch ein
Isotopen-Dickenmeßgerät 1 kontinuierlich die Dicke erfaßt wird. Dann durchläuft
die Folie eine Meßapparatur, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt
wird. Nach Verlassen der Meßstrecke wird die Folie abgezogen und aufgewickelt.
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Die Meßapparatur selbst weist eine weiße Lichtquelle 2 auf, von der
das Licht durch einen Polarisator 3 linear polarisiert auf die Folie (Tafel) trifft.
Nach dem Durchdringen der zu messenden Folie gelangt die Lichtwelle über eine optisch
anisotrope Platte 4 ( x A- Plättchen) mit definiertem Gangunterschied, die den Gangunterschied
der Folie (Platte) an den Meßbereich eines Kompensationskeiles 5 anpaßt. Die Platte
4 ist jedoch nur dann erforderlich, wenn der Meßbereich des Keiles nicht im Bereich
des Gangunterschiedes der zu messenden Probe liegt. Im Kompensationskeil 5 wird
der gesamte Gangunterschied von Folie (Tafel) und Anpassungsplatte 4 neutralisiert.
Hinter einem Analysator 6, der im vorliegenden Fall parallel zum Polarisator ausgerichtet
i3t, erfolgt die fotoelektronische Auswertung. Die Intensitätsverteilung auf dem
Kompensationskeil wird vorteilhaft mit Hilfe eines Spiralspaltes (Archimedische
Spirale), der in eine durch einen Motor 9 antreibbare Scheibe 7 gefräst ist, spaltförmig
abgefragt, wobei das durch den Spalt der Scheibe dringende Lichtstrahlenbündel
auf
einen positionsempfindlichen Streifendetektor 8 gelangt (z.B. von der Firma United
Detector Technology Inc, Santa Monica, Cal.), der in der Lage ist, die gesamte auf
ihn einfallende Lichtintensität bei gleichzeitiger Angabe des Ortes maximaler Helligkeit
zu messen. Dieser Streifendetektor mißt also die Intensität des durch den Spalt
dringenden Lichtes und den Ort des hellsten Lichtflecks auf dem Detektor. Ein aus
einem Impedanzwandler und einem Vorverstärker bestehender Operationsverstärker 10
liefert zwei Spannungen, ein Intensitätssignal U5 und ein Ortssignal UD. Um Schwankungen
im Detektorsystem auszuschalten, wird in einem Dividierglied 11 das Intensitätssignal
Ug durch das Ortssignal UD dividiert und dann als normiertes Ortssignal ß einem
Feld-Effekt-Transistorschalter (FET-Schalter) 12 zugeführt. Das Intensitätssignal
U5 wird außerdem (als a ) einem Schmitt-Trigger 13 zugeführt, der nur bei maximaler
Intensität vonvc den FED-Schalte 12 durchschaltet, d.h. daß das Ortssignal nur im
Augenblick maximaler Intensität durchgeschaltet wird. Das gepulste Ortssignal rwird
dann von einem Hold-and-Sample-Verstärker 14 für die Zeitdauer eines Abfragezyklus
( ) konstant gehalten. Die Abfragefrequenz beträgt 50 Hz. Hieraus folgt ein analoges
Ausgangssignal für den Gangunterschied.
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Das elektrische analoge Ausgangssignal für den Gangunterschied wird
dann durch ein elektrisches analoges Ausgangssignal für die Foliendicke d, gewonnen
aus einer z.B. Isotopen-Dickenmessung 1, in einem Prozeßrechner 15 elektrisch dividiert.
Der die Doppelbrechunga n repräsentierende Analogausgang wird schließlich durch
ein konstantes elektrisches Signal, das die für das untersuchte Polymere maximal
mögliche Doppelbrechung 8 nmaX darstellt, in einem weiteren Prozeßrechner 16 dividiert.
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Die so erhaltene Meßgröße ist der zu bestimmende Anisotropiegrad AG.
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Nomenklatur C Lichtgeschwindigkeit im Vakuum C1, C2 Lichtgeschwindigkeit
des benutzten Lichtes$ im Prüfkörper n n = n# - n#= Doppelbrechung = Differenz der
Berechnungsindezes parallel und senkrecht zur Anisotropierichtung mm Wellenlänge
nm Gangunterschied #* 1 Phasenverschiebung z 1 Ordnungszahl #B nm Bezugswellenlänge,
die dem Gangunterschied entspricht d Foliendicke