DE3734821A1 - Schlierenoptikgeraet - Google Patents

Description

Wenn uneinheitliche physikalische oder chemische Zustände in transparenten Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen Änderungen der Brechungsindizes hervorrufen, wird durch dieses Medium durchtretendes Licht gebrochen, und die uneinheitlichen Zu­ stände können durch Verwendung eines Schlierenoptikgeräts als helle und dunkle Schatten sichtbar gemacht werden.

In Fig. 1 ist ein Beispiel für ein konventionelles Schlieren­ optikgerät gezeigt. Das Gerät weist ein Nadelloch 4, welches von einer Lichtquelle 1 kommendes und von einer Kondensorlinse 2 fokussiertes Licht als Punktlichtquelle 3 verwendet, eine lichtquellenseitige Frontschlierenlinse 5, welche das von der Punktlichtquelle 3 emittierte Licht parallelrichtet, eine rückseitige (bildseitige) Schlierenlinse 7 zum Sammeln der parallelen Strahlen nach deren Durchtritt durch eine Probe 6, eine am hinteren Brennpunkt der hinteren Schlierenlinse 7 angeordnete Meßschneide 8, eine Abbildungslinse 9 zum Entwer­ fen eines Bildes der Probe und einen photographischen Bildemp­ fänger 10 in Form eines photographischen Films, eines Schirms o.dgl. auf, der in der Abbildungsposition der Abbildungslinse 9 angeordnet ist. Als Lichtquelle 1 wird eine Wolfram- oder Halogenlampe verwendet, während ein mechanisches messerförmi­ ges Bauteil als Meßschneide 8 verwendet wird. Die Abbildungs­ linse besteht aus einer einzigen Linsengruppe.

Für Experimente innerhalb eines begrenzten Instrumentenraums, beispielsweise in einem künstlichen Erdsatelliten, sind ein kompaktes Design und geringes Gewicht im Interesse einer Ko­ steneinsparung bei der Montage des experimentellen Geräts im künstlichen Erdsatelliten erwünscht. Ein niedriger Energiever­ brauch ist gefordert, da eine Hochleistungsenergiequelle mit einem künstlichen Erdsatelliten nicht ohne weiteres eingesetzt werden kann. Notwendig ist auch eine hohe Zuverlässigkeit, damit die Gefahr eines Fehlschlages des Experiments minimiert ist. Außerdem ist eine niedrige Wärmeentwicklung anzustreben, da im Raum keine Konvektion erzeugt wird und der Kühleffekt gering ist.

Wenn das oben beschriebene konventionelle Schlierenoptikgerät zur Beobachtung einer Probe verwendet würde, die einen Stoff oder ein Medium mit einem hohen Brechungsindex und einem großen Einfluß auf die optische Weglänge enthält, z.B. eine Lösung zur Kristallzüchtung, ist es aus den nachfolgend be­ schriebenen Gründen sehr schwierig, ein kompaktes, leichtes Gerät zu konstruieren. Eine erste Bedingung zur Konstruktion eines kompakten Geräts ist die Verkürzung der optischen Weg­ länge l von der Probe 6 zum photographischen Empfänger 10 (Fig. 1). Bei dem oben beschriebenen konventionellen Schlie­ renoptikgerät wird die sphärische Aberration durch die die als Einzelgruppen vorgesehene Abbildungslinse 9 korrigiert, und daher muß die optische Weglänge l unvermeidlich lang sein, um eine sphärische Aberration korrigieren zu können. Außerdem erzeugt die als Lichtquelle 1 im konventionellen Schlierenop­ tikgerät verwendete weiße Lichtquelle, z.B. eine Wolfram- oder Halogenlampe, eine beträchtliche chromatische Aberration und erschwert zusätzlich die Konstruktion eines kompakten und leichtgewichtigen Schlierenoptikgeräts. Außerdem hat das kon­ ventionelle Schlierenoptikgerät, bei dem eine Wolfram- oder Halogenlampe als Lichtquelle 1 eingesetzt wird, eine hohe Wärmeleistung und kann in einem abgeschlossenen Raum oder unter Vakuum, beispielsweise im von Konvektion freien Welt­ raum, nicht eingesetzt werden.

Schließlich hat eine Wolfram- oder Halogenlampe einen hohen Energieverbrauch und eine relativ geringe Zuverlässigkeit. Bei dem konventionellen Schlierenoptikgerät findet zudem ein me­ chanisches messerförmiges Bauteil als Meßschneide 8 Verwen­ dung, das eine mechanische Halterungsstruktur zur Halterung der Meßschneide bedingt. Daher kann die Meßschneide 8 durch Vibration und/oder starke Schwerkraftänderungen infolge von Beschleunigungen beim Start eines Raumschiffs eine Lageände­ rung erfahren und kann die für Experimente in einem Raumschiff erforderliche hohe Zuverlässigkeit nicht bieten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schlieren­ optikgerät zur Verfügung zu stellen, das geringe Aberrationen erzeugt, in kompakter Bauform und mit geringem Gewicht kon­ struiert werden kann und bei niedriger Wärmeabgabe und niedri­ gem Energieverbrauch eine hohe Zuverlässigkeit im betriebli­ chen Einsatz hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in überraschend einfacher Weise dadurch gelöst, daß als Lichtquelle ein Festkörperele­ ment eingesetzt ist, das monochromatisches Licht emittiert.

Das Schlierenoptikgerät nach der Erfindung erzeugt nur eine geringe chromatische Aberration im optischen System und macht es dadurch möglich, die optische Weglänge von der Probe zur Bildebene zu verkürzen und das Gesamtgerät entsprechend kom­ pakt und leichtgewichtig zu gestalten. Da das lichtemittieren­ de Festkörperelement eine niedrige Wärmeentwicklung und eine niedrige Leistungsaufnahme und hohe Zuverlässigkeit hat, wer­ den bei dem erfindungsgemäßen Schlierenoptikgerät die Vorteile der niedrigen Wärmeabgabe, der Energieeinsparung und der Zu­ nahme an Zuverlässigkeit erreicht.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Schlierenoptikgeräts ist die Abbildungsoptik aus zwei Linsengruppen zusammengesetzt. Diese Ausbildung macht es mög­ lich, eine sphärische Aberration günstig zu korrigieren, die optische Weglänge von der Probe zur Bildebene zu verkürzen und das optische Gerät als Ganzes kompakter und leichter zu ma­ chen.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird eine Meßschneide dadurch geschaffen, daß die Oberfläche der Abbil­ dungslinse mit einem Licht-abschirmenden Material beschichtet ist. Diese Ausführung erleichtert die Realisierung eines kom­ pakten und leichtgewichtigen Designs und ermöglicht eine aus­ gezeichnete Vibrationsfestigkeit, eine Widerstandsfähigkeit gegen Beschleunigungen und eine hohe Zuverlässigkeit des opti­ schen Geräts.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung darge­ stellten bevorzugten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines typischen Bei­ spiels für herkömmliche Schlierenoptikgeräte;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des Grundauf­ baus eines Ausführungsbeispiels des Schlierenop­ tikgeräts nach der Erfindung.

Fig. 3 eine Frontansicht der Meßschneide, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 Verwendung findet;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schlie­ renoptikgeräts; und

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Schlierenoptikgeräts nach der Erfindung.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert.

Fig. 2 zeigt ein in einem verschlossenem Behälter eingebautes optisches Gerät zur Beobachtung des Wachsprozesses eines Kri­ stalls in einer Lösung: das optische Gerät weist ein optisches Durchlichtsystem eines Mikroskops für die Beobachtung der Oberfläche eines Kristalls (das optische System A-A in Fig. 2) und ein Schlierenoptiksystem (B-B in Fig. 2) zur Beobachtung der Konzentrationsverteilung (optische Änderung des Brechungs­ indexes) um den Kristall als Ausführungsbeispiel 1 der Erfin­ dung auf. Die Schlierenoptik wird weiter unten genauer be­ schrieben. Als Punktlichtquelle 11 dient eine lichtemittieren­ de Diode mit monochromatischer Eigenschaft. Das von der Punkt­ lichtquelle 11 emittierte monochromatische Licht wird von einem Kondensor 12 fokussiert, um ein Bild der Lichtquelle an der Position des frontseitigen Brennpunkts einer Frontschlie­ renlinse 16 zu entwerfen. In der Bildebene sind eine Streu­ scheibe 13 zur Beseitigung von Ungleichmäßigkeiten des Licht­ quellenbildes und ein Nadelloch bzw. eine Nadellochblende zum Abschneiden des überschüssigen Lichts des Lichtquellenbildes angeordnet. Die von dem Lichtquellenbild emittierten Strahlen werden von einem Spiegel 15 reflektiert, von einer (lichtquel­ lenseitigen) Frontschlierenlinse bzw. -optik 16 parallel ge­ richtet und bestrahlen eine Lösung 18 und einen Kristall 19, die in einem Kristallzüchtgefäß 17 aufgenommen sind. Das Be­ zugszeichen 20 stellt eine rückwärtige (bildseitige) Schlie­ renlinse bzw. -optik dar, welche die Konzentrationsverteilung als Maß für die Änderung des Brechungsindexes bestimmt und sie zu Abbildungslinsen bzw. -optiken 21 und 22 überträgt. Die Abbildungslinsen 21 und 22 richten das Bild mit Hilfe eines Spiegels 23 auf eine photographische Oberfläche 25 einer CCD- Kamera 24. Die Oberfläche (Fläche C in Fig. 2) der Abbil­ dungslinse 21 ist in der in Fig. 3 gezeigten Weise mit einer halbkreisförmigen Schicht aus Licht-abschirmendem Material 21 a beschichtet, um die Hälfte der von der Lichtquelle 11 emit­ tierten Strahlen zu sperren. Die halbkreisförmige Material­ schicht wirkt als Meßschneide. Der Licht-abschirmende Überzug 21 a der Abbildungslinse 21 kann durch Drehen des Linsenrahmens 26 der Linse 21 gedreht und in einer optischen Drehlage unter Verwendung der in Fig. 2 als Schraube gezeigten Befestigungs­ vorrichtung 27 fixiert werden. Daher ist es möglich, das Schlierenoptiksystem so einzustellen, daß durch Drehen des Linsenrahmens 26 ein gewünschter Schliereneffekt gewonnen wird.

Im folgenden wird die Funktion des zuvor beschriebenen Schlie­ renoptikgeräts erläutert.

Da das beschriebene Schlierenoptikgerät eine lichtemittierende Diode mit monochromatischen Eigenschaften als Lichtquelle 11 benutzt, erzeugt das optische System nur eine sehr geringe chromatische Aberration, wodurch es möglich wird, die optische Weglänge, gemessen von der Lösung 18 zur photographischen Ebene 25 der CCD-Kamera 24 zu verkürzen und das optische Ge­ samtgerät kompakt und leichtbauend auszuführen. Da außerdem die lichtemittierende Diode selbst eine geringe Wärmeleistung hat, können günstigere Eigenschaften in bezug auf Energiever­ brauch und Zuverlässigkeit als diejenigen bei Geräten mit Wolfram- oder Halogenlampen als Lichtquellen erreicht werden. Da die Abbildungsoptik eine Zwei-Gruppen-Zusammensetzung hat, können Aberrationen korrigiert und trotzdem die optische Weg­ länge von einer Probe zur photographischen Ebene 25 der CCD- Kamera 24 verkürzt werden, so daß das beschriebene Schlieren­ optikgerät kompakt und leichtbauend selbst dann ausgeführt werden kann, wenn die Probe eine Lösung 18 hohen Brechungsin­ dexes enthält, die einen sehr starken Einfluß auf die optische Weglänge hat. Da außerdem die Meßschneide durch einen Teil­ überzug aus einem Licht-abschirmenden Material 21 a auf der Oberfläche der Abbildungslinse 21 gebildet ist, erübrigt sich eine besondere mechanische Haltevorrichtung, so daß das Schlierenoptikgerät sowohl kompaktbauend als auch leicht und mit optimalen Eigenschaften in bezug auf die bleibende Positi­ onierung bei starken Vibrationen und Beschleunigungen ausge­ führt werden kann. Dementsprechend hoch ist die Zuverlässig­ keit des beschriebenen Schlierenoptikgeräts.

Das zweite Ausführungsbeispiel ist äquivalent dem zuvor be­ schriebenen ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Lichtquelle 28 eines optischen Durchlichtsystems eines Mikroskops zum Beobachten der Kristalloberfläche (das optische System A-A in Fig. 2) und die Lichtquelle 11 des Schlierenoptiksystems (das optische System B-B in Fig. 2) zum Beobachten der Konzentrati­ onsverteilung der Lösung um den Kristall dienen und durch Dioden gebildet werden, die Licht bei unterschiedlichen Wel­ lenlängen emittieren. Das Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß es verschiedene Beobachtungsarten ohne ungünstigen Einfluß auf das jeweils andere optische System ermöglicht.

Fig. 4 stellt das Ausführungsbeispiel 2 der Erfindung dar, wobei das Schlierenoptiksystem B′-B′ ebenfalls in Richtung senkrecht zur Papieroberfläche in dem Schlierenoptikgerät gemäß Fig. 2 angeordnet ist. Da das Schlierenoptiksystem B′-B′, denselben Aufbau wie das optische System B-B hat, sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Komponenten mit den in Fig. 2 verwendeten Bezugszeichen und zusätzlichen Apostrophen be­ zeichnet, und es erübrigt sich eine genaue Beschreibung des Ausführungsbeispiels. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht die Beobachtung der Konzentrationsverteilung der Lösung 18 in zwei Richtungen und hat den Vorteil, daß es eine dreidimensio­ nale Beobachtung der Konzentrationsverteilung erlaubt. Auch ist es bei diesem Ausführungsbeispiel erwünscht, zum Zwecke gleichzeitiger Beobachtungen Dioden zu verwenden, welche Licht bei voneinander abweichenden Wellenlängen emittieren.

Fig. 5 zeigt das Ausführungsbeispiel 3 der Erfindung, wobei eine (22) von zwei Gruppen von Abbildungslinsen entlang der optischen Achse in Richtung des Doppelpfeils verschoben und an einer optischen Position mit Hilfe bekannter Mittel, z.B. einer Rastvorrichtung im Schlierenoptiksystem fixiert werden kann, um die Konzentrationsverteilung der Lösung um den Kri­ stall zu beobachten. Das Ausführungsbeispiel 3 hat den Vor­ teil, daß es eine Korrektion von Aberrationen durch Verschie­ ben der Abbildungslinse 22 entlang der optischen Achse ermög­ licht, wenn sich der Brechungsindex der Lösung 18 oder die Dicke L der Lösung 18 ändert.

Claims (12)

1. Schlierenoptikgerät mit einer Punktlichtquelle (11), einer ersten Schlierenlinse bzw. -optik (16), welche die von der Lichtquelle emittierten Strahlen parallel richtet, einer zweiten Schlierenlinse bzw. -optik (20), welche die parallelen Strahlen nach deren Durchtritt durch eine Probe (18, 19) sam­ melt, einer in der Position des hinteren Brennpunkts der zwei­ ten Schlierenlinse angeordneten Meßschneide und einer Abbil­ dungsoptik (21, 22), welche ein Bild der Probe entwirft, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle ein monochromatisches Licht emittie­ rendes Festkörperelement (11; 11′) ist.

2. Schlierenoptikgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abbildungsoptik aus einer ersten Linsengruppe (21), die an der Position des hinteren Brennpunkts der zweiten Schlierenlinse (20) angeordnet ist, und einer mit Abstand (Luftspalt) hinter der ersten Linsengruppe angeordneten zwei­ ten Linsengruppe (22) besteht.

3. Schlierenoptikgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Linsengruppe (22) entlang der optischen Achse verschiebbar ist.

4. Schlierenoptikgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßschneide aus einem Licht-abschirmen­ den Überzug (21 a) besteht, der auf der Oberfläche der ersten Linsengruppe (21) gebildet ist.

5. Schlierenoptikgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linsengruppe (21) um die optische Achse drehbar ist.

6. Schlierenoptikgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Mikroskop-Durch­ lichtsystem (A-A) vorgesehen ist, dessen optische Achse an der Position einer Probe (19) die optische Achse die erste Schlie­ renlinse und die zweite Schlierenlinse aufweisenden Schlieren­ optiksystems (B-B) schneidet.

7. Schlierenoptikgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wellenlänge des von der Punktlichtquelle (11) emittierten Lichts von derjenigen des dem Mikroskop-Durch­ lichtsystems (A-A) als Lichtquelle dienenden lichtemittieren­ den Festkörperelements abweicht.

8. Schlierenoptikgerät, gekennzeichnet durch
ein erstes Schlierenoptiksystem (B-B) mit einer ersten Punktlichtquelle (11) aus einem monochromatisches Licht emit­ tierenden Festkörperelement, einer ersten Schlierenlinse bzw. -optik (16) zur Parallelrichtung des von der ersten Lichtquel­ le emittierten Lichts, einer zweiten Schlierenlinse bzw. -op­ tik (20) zum Sammeln der parallel gerichteten Strahlen der ersten Punktlichtquelle nach deren Durchtritt durch eine Probe (18, 19), einer an der Position des hinteren Brennpunkts der zweiten Schlierenlinse angeordneten ersten Meßschneide und einer ersten Abbildungsoptik (21, 22) zum Entwerfen eines Bildes der Probe;
ein zweites Schlierenoptiksystem (B′-B′) mit einer zwei­ ten Punktlichtquelle (11′) aus einem monochromatisches Licht emittierenden Feststoffelement, einer dritten Schlierenlinse bzw. -optik (16′), welche das von der zweiten Punktlichtquelle (11′) emittierte Licht in parallele Strahlen richtet, einer vierten Schlierenlinse bzw. -optik (20′) zum Sammeln der pa­ rallel gerichteten Strahlen der zweiten Punktlichtquelle nach deren Durchtritt durch die Probe, einer an der Position des hinteren Brennpunkts der vierten Schlierenlinse angeordneten zweiten Meßschneide (21 a′) und einer Abbildungsoptik (21′, 22′) zum Entwerfen eines Bildes der Probe, wobei sich die optischen Achsen der beiden Schlierenoptiksysteme an der Posi­ tion der Probe rechtwinklig schneiden, und
ein optisches Mikroskop-Durchlichtsystem (A-A), dessen optische Achse die optischen Achsen der beiden Schlierenoptik­ systeme an der Stelle der Probe rechtwinklig schneidet.

9. Schlierenoptikgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Abbildungsoptik eine an der Stelle des hinteren Brennpunkts der zweiten Schlierenlinse (20) angeord­ nete erste Linsengruppe (21) und eine mit einem Zwischenraum (Luftspalt) hinter der ersten Linsengruppe (21) angeordnete zweite Linsengruppe (22) aufweist und daß die zweite Abbil­ dungsoptik eine an der Position des hinteren Brennpunkts der vierten Schlierenoptik (20′) angeordnete dritte Linsengruppe (21′) und eine mit einem Zwischenraum (Luftspalt) hinter der dritten Linsengruppe angeordnete vierte Linsengruppe (22′) aufweist.

10. Schlierenoptikgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Linsengruppe (22) und die vierte Linsen­ gruppe (22′) entlang ihrer zugehörigen optischen Achsen ver­ schiebbar angeordnet sind.

11. Schlierenoptikgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Meßschneide aus einem Licht-abschirmenden Überzug (21 a) besteht, der auf der Ober­ fläche der ersten Linsengruppe (21) angeordnet ist und die zweite Meßschneide aus einem auf der Oberfläche der dritten Linsengruppe (21′) angeordneten Licht-abschirmenden Überzug (21 a′) besteht.

12. Schlierenoptikgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linsengruppe (21) und die dritte Linsengruppe (21′) um ihre zugehörigen optischen Achsen drehbar angeordnet sind.