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Einrichtung zur Messung des optischen Drehvermögens mit Photozelle
Es ist eine Einrichtung zum Messen des optischen Drehvermögens mit einer Photozelle
bekannt, bei der das durch ein feststehendes Prisma (nach Glazebrook) polarisierte
monochromatische Licht beim Durchgang durch ein Wollastonsches Prisma in zwei stark
divergierende Strahlenbündel zerlegt wird, die sodann durch Bewegung eines passend
gewählten Biprismas senkrecht zu seinen beiden parallel verlaufenden brechenden
Kanten abwechselnd in die gleiche Richtung zur selben Stelle der empfindlichen Schicht
einer feststehenden Photozelle gelenkt werden. Das Biprisma ist mit dem Wollastonprisma
starr verbunden. Zur Bestimmung der Drehung des zwischen dem Polarisator und dem
sich meßbar drehen lassenden analysierenden System von Wollaston-und Biprisma eingeschalteten
aktiven Stoffes dient diejenige Analysatorstellung, bei der in den beiden seitlichen
Lagen des Biprismas die gleiche Lichtintensität auf die Photozelle fällt. Die bekannte
Einrichtung zum Messen des optischen Drehvermögens weist somit eine Photozelle und
zwei Polarisationsprismen auf, von denen das eine zu Meßzwecken drehbar ist; telezentrisches,
durch Polarisator, Prüfling und Analysator geführtes Licht wird in Form zweier Lichtbündel
zu ein und derselben Stelle der in der Brennebene einer Austrittslinse angeordneten
Photozelle geführt.
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Die vorliegende Erfindung besteht darin, daß bei einer solchen Einrichtung
zwischen den beiden Polarisationsprismen ein feststehendes Wollastonprisma angeordnet
und das andere Polarisationsprisma entweder frei umlaufen oder zwischen zwei festen
Anschlägen drehbar angeordnet ist. Dieses Wollastonprisma zerlegt das auffallende
Licht in zwei senkrecht zueinander polarisierte, nur schwach divergierende Strahlenbündel,
deren Helligkeiten gleich sind, wenn das aus dem P'olarisator austretende linear
polarisierte Licht unter einem Winkel von genau 45' (Nullpunkteinstellung des Polarisators)
zu den beiden Hauptebenen des Wollastonprismas schwingend auf letzteres trifft.
Hierdurch wird ein Halbschatten mit dem Winkel 9o ° gebildet, einem Werte, mit dem
die größte Empfindlichkeit im Falle der Photozelle verknüpft ist.
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Das Wollastonprisma ist gemäß weiterer Erfindung so berechnet, daß
die beiden es verlassenden Strahlenbündel nur so wenig voneinander getrennt sind,
daß durch das analysierende Prisma gerade keine störenden Interferenzerscheinungen
mehr zu beobachten sind; die beiden Strahlenbündel durchlaufen das folgende Glansche
Nicol (oder Rochon-Prisma) als Analysator, so daß in jeder Stellung des Nicols die
Summe der Lichter der beiden Komponenten konstant ist, wenn, wie oben beschrieben,
das aus dem Polarisator austretende Licht in der Halbierungsebene des Halbschattenwinkels
schwingt, wobei aber je nach der Stellung des Nicols die Intensitäten je einer Komponente
wechselweise die Helligkeitswerte zwischen o und max. annehmen.
Bei
fortgesetztem Umlauf des Analysators wird also in diesem Falle eine Anzeigevorrichtung
(Photozelle o. dgl.), auf welche die beiden ursprünglich divergierenden Lichtbündel
konvergieren, keine Helligkeitsschwankungen angeben. Wird jetzt durch Drehen des
polarisierenden Prismas oder durch Einschalten einer optisch aktiven Substanz die
Schwingungsrichtung des auf das Wollastonprisma treffenden Lichtes geändert, so
ändern sich auch die Helligkeiten der aus dem Wollastonprisma austretenden divergierenden
Lichtbündel zueinander, und die Anzeigevorrichtung wird nunmehr beim Umlauf des
Analysators periodisch wiederkehrende Helligkeitsschwankungen angeben, so lange,
bis durch entgegengesetzte Drehung des Polarisators, welche im Endfalle gemessen
die Drehung der Substanz für die jeweils eingestellte Wellenlänge angibt, die Schwingungsebene
des auf das Wollastonprisma fallenden Lichtes in die frühere Nulllage zurückgekehrt
ist.
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Bei der Durchführung der letztgenannten Anordnung ist es selbst für
sehr exakte Messungen nicht erforderlich, daß die beiden das Wollastonprisma verlassenden
Strahlenbündel in ihrem Verlaufe völlig voneinander getrennt werden. Die Konvergenz
auf die Anzeigevorrichtung wird durch Einschalten von passenden Linsen erhalten,
welche die Diaphragmenöffnung des Wollastonprismas auf der Zelle abbilden, und es
wird daher die vorliegende Erfindung dadurch weiter ausgestaltet, daß hinter dem
zweiten drehbaren Prisma zwei Linsen angeordnet sind, die für jede beliebige Wellenlänge
die Strahlenbündel (1 und II) auf ein und dieselbe Stelle der lichtempfindlichen
Zelle in gleichbleibender Größe führen. Die polarisierenden Prismen werden aus Quarz
oder anderem äquivalenten Material gefertigt, wenn auch im äußersten Ultraviolett
gearbeitet werden soll.
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Die Einrichtung zur Durchführung der Halbschattenmethode arbeitet
also mit optischen Gegenständen, die zwar sämtlich in der Polarisation bekannte
Mittel darstellen, die aber hier in einer bestimmten neuen Anordnung zueinander
verwendet werden.
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Bei der vorliegenden Vorrichtung wird kein Biprisma wie bei der bekannten
benutzt, das stets erst abwechselnd in seiner Längsrichtung verschoben werden muß,
um die beiden vom Wollastonprisma erzeugten Lichtbündel nacheinander auf dieselbe
Stelle der Photozelle zu leiten. Letzteres ist mit einem einzigen Biprisma für verschiedene
Wellenlängen nicht hinreichend genau zu erreichen, weil sich die Ablenkung durch
das Biprisma merklich mit der Wellenlänge ändert. Solche Schwierigkeiten treten
bei der Vorrichtung nach der Erfindung nicht auf. Der Fortfall des Biprismas hat
eine Vereinfachung der Anordnung und eine sehr bedeutende Heraufsetzung der Meßgenauigkeit
zur Folge.
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Bei der bekannten Methode macht die erforderliche sehr große Divergenz
der beiden Strahlenbüschel des gewöhnlichen Wollastonprismas die Verwendung großer
Linsen zur Abbildung nötig gegenüber der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zugunsten
der letzteren bedeutet dies aber eine recht große Herabminderung der Erzeugungskosten,
da es sich bei der bekannten Methode um die Verwendung von überaus teuren Quarz-Flußspat-Objektiven
handelt.
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Die Einführung des frei ständig umlaufenden Analysators läßt die übliche
sehr bequeme direkte Einstellungsart bei den gewöhnlichen Polarimetern für sichtbares
Licht auch hier ungeändert zu und stellt dadurch gegenüber der vorbekannten Einrichtung,
nach welcher die Bezugslage nur erst durch Beobachtung von Galvanometerausschlägen
mit nachfolgender Ausrechnung zu finden ist, einen technischen Fortschritt dar.
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In der Zeichnung ist in einem Ausführungsbeispiel eine schematische
Darstellung der gesamten Polarisationseinrichtung veranschaulicht.
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Der Ausgangsort des monochromatischen Lichtes sei A, beispielsweise
den Austrittsspalt eines Monochromators darstellend. Dieser Ausgangsort befindet
sich in der Brennebene der Quarzlinse B, die längs einer berechneten «'ellenlängenskala
verschiebbar und damit leicht so einstellbar ist, daß sie für die benutzte Wellenlänge
Parallelstrahlenbüschel entläßt. Aus diesen schneidet die Blende C ein axiales Bündel
aus, welches auf das mit einem Teilkreis drehbare Polarisationsprisma D fällt, das
der Polarisator, durch einen Nicol oder Rochon gebildet, sein kann. Das sich in
Richtung der Polarimeterachse fortpflanzende, linear polarisierte Licht durchläuft
nun den einzuschaltenden aktiven Stoff und wird darauf zum zweiten Male durch die
Blende E begrenzt, die sich unmittelbar vor dem Wollastonprisma F befindet. Die
aus diesem austretenden, schwach divergierenden, senkrecht zueinander polarisierten
beiden Strahlenbündel I und II durchlaufen das drehbare Polarisationsprisma G, das
in der Form analog dem Prisma D ist und der Analysator sein kann, und darauf die
beiden Quarzlinsen H und J, die gleiche Brennweite haben. Hierdurch
wird die Blende E scharf am Ort K abgebildet, zu welchem Zweck E in der Brennebene
von H, also K in der Brennebene von J liegt. Zwischen den beiden Linsen H und J
laufen die Strahlenbündel I und II einander parallel, was für jede benutzte Lichtart
leicht erzielt werden kann, weil sich die beiden Linsen durch einen mit berechneter
Wellenlängeskala versehenen
Schneckentrieb gleichzeitig einander
nähern bzw. voneinander entfernen lassen.
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Am Orte K befindet sich die Photozelle;;-deren Strom nach den verschiedensten
bekae@ tqn Methoden direkt oder mittels @ä11F@n:-verstärkung gemessen werden kann,
und zwar entweder als Strom oder elektrometrisch in seinen Eigenschaften als Auffüller
eines Kondensators, als Spannungsänderer usw.
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Das Prinzip der Einstellungen für die Drehungsmessungen ist folgendes:
Rotiert das Prisma G, so herrscht in K nur dann zeitlich gleichmäßige Lichtintensität,
wenn, wie oben ausgeführt, die Polarisationsebene von D gerade unter 45' zu den
beiden aufeinander senkrechten Hauptschnitten von F geneigt ist. Nur in diesem Fall
haben nämlich die beiden Strahlenbündel I und II beim Verlassen von F die gleiche
Helligkeit. Wird D aus dieser Nullpunktslage herausgedreht, so tritt sofort in K
ein Flackern der Lichtintensität auf, was sich im Galvanometer oder Elektrometer
durch ein Hinundherschwenken des Fadens bemerkbar macht. Auf diese einfache Weise
läßt sich das Prisma D mit einer Genauigkeit von einigen hundertstel Graden einstellen.
Es lassen sich somit einwandfreie Messungen für das Wellenlängengebiet von Ultrarot
bis o,z8,cc durchführen.
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Noch genauer, bis auf Bruchteile von einem hundertstel Grad, werden
diese Einstellungen von D gefunden, wenn man folgendermaßen verfährt: Das Prisma
G läßt sich zwischen zwei festen Anschlägen um nahezu 9o° drehen, so daß seine Polarisationsebene
in den beiden Endlagen angenähert mit je einem Hauptschnitt von F zusammenfällt.
In der Annahme, daß D sich in der Nähe seiner Nullage befindet, mißt man den Ausschlag
im Galvanometer oder Elektrometer, der eintritt, wenn G aus der einen Endstellung
in die andere gedreht wird. Darauf wird D um einen kleinen, am Teilkreis abzulesenden
Winkel weitergedreht und der neue Ausschlag gemessen, wenn G wieder um go ° gedreht
wird. Aus diesen beiden Ausschlägen und dem kleinen Drehungswinkel von D ist dann
sehr einfach die genaue Nullpunkts-Lage von D zu berechnen, bei welcher ein Umlegen
von G keinen Ausschlag mehr erzeugen würde. Natürlich ist es dabei am vorteilhaftesten,
entgegengesetzte Ausschläge herzustellen, die beiden Lagen von D also so zu wählen,
daß sie die richtige Nullpunktstellung zwischen sich einschließen.
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Wird der aktive Stoff eingeschaltet, so hat man nur das Prisma D entsprechend
nachzudrehen und seine neue Nullstellung auf7usuchen. Sonst bleibt der Strahlengang
ungeändert, so daß keine systematischen Fehler von merklichem Betrage bei den Drehungsmessungen
des aktiven Stoffes auftreten können.