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Flimmerspektrophotometer Die Erfindung bezieht sich auf Spektrum photometer
zur Farbenanalyse, insbesondere auf diejenige Art, die eine Kurve der Lichtstärke,
des Reflexionsvermögens oder einer ähnlichen Cröße in Abhängigkeit von der Wellenlänge
zeichnet.
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Es ist bereits ein Gerät dieser Art bekanntgeworden, bie dem die
Farbe durch Vergleich mit einem Normal bestimmt und bei dem das Flimmerprinzip als
die Grundlage einer Wirkung benutzt wird, etwa durch lein Relais, das automatisch
die Menge des von dem Normal auf eine Photozelle reflektierten Lichtes einstellt,
so daß ein gleiches Ansprechen durch das von der Probe und dem Normal reflektierte
Licht auf die Photozelle erfolgt. Das Licht von einem Monochromator wurde durch
zwei Flächen eines Prismas über weit divergierende Wege auf die Probe und das Normal
reflektiert, und das vorn der Probe reflektierte Licht wurde dann durch einen rotierenden
Polarisator und einen feststehenden Analysator geschickt, so daß ein sich periodisch
ändernder Lichtstrom erzeugt wurde, der nach Reflexion auf die Photozelle auffiel.
Das von dem Normal reflektierte Licht wurde durch einen anderen rotierenden Polarisator
und einen feststehenden Analysator geschickt und dann auf dieselbe Photozelle reflektiert,
wobei die beiden Polarisatoren mechanisch von demselben Motor sr angetrieben wurden,
daß die Polarisation der beiden reflektierten Strahlen sich in entgegengesetzter
Phase änderte. Die Photozelle wurde dazu benutzt, eine einstellbare Blende zwischen
Normal und Polarisator und des ferneren einen Schreibstift zu betätigen.
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Die vorliegende Erfindung geht somit von einem Flimmerspektrophotometer
aus, bei dem das von einer Probe durchgelassene oder zurückgeworfene Licht mit dem
entspredienden Licht eines Norm als mit Hilfe einer Flimmereinrichtung verglichen
wird, welche die beiden zu vergleichenden Strahlenbündel mittels Polarisation im
Sinne gegenseitiger Ergänzung dadurch verändert, daß den Polarisationsebenen der
beiden Strahlenbündel eine Dreh-Joder SchwingbeweigungmitPhasenunterschied gegeben
wird, und bei dem die Strahlenbündel dann durch einen feststehenden Polarisator
geleitet werden. Sie besteht darin, daß bei einem solchen Flimmerspektro photometer
die Probe und das Normal hinter der PNolarisator-und Flimmereinrichtung angeordnet
sind, so daß auf Probe und Normal gegenphasiges, jedoch durchweg in der gleichen
feststehenden
Ebene polarisiertes Flimmerlicht auffällt.
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Diese Anordnung ermöglicht eine w Vereinfachung, und gemäß einer
weiteren 2 gestaltung der Erfindung wird ein Wolld g prisma oder eine ähnlich wirkendc
Vor tung angeordnet, durch die die beiden au die Probe und das Normal fallenden
Lichtbündel aus einem einzigen polarisierten Lichtstrahlenbündel ausgesondert werden.
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Es ist bekannt, daß, daß, wenn ein ebenpolarisierter -Lichtstrahl
auf ein Wollastonprisma auffällt, er durch das Prisma in zwei Strahlen aufgespalten
wird, die unter einer geringen Neigung zueinander austreten und in zueinander senkrechten
Ebenen polarisiert sind.
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Durch Änderung der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahles
in bezug auf das Wollastonprisma kann die relative Stärke der beiden austretenden
Strahlen geändert werden.
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Dieses bekannte Mittel zur Änderung macht die Verwendung eines Wollastonprismas
bei einem Gerät gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft.
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Durch das nahe Nebeneinanderordnen der beiden Lichtstrahlen wird
es möglich gemacht, für beide Strahlen eine gemeinsame Flimmereinrichtung und einen
gemeinsamen Endanalysator zu verwenden. Eine breitere Aussonderung hinter dem Endanalysator
kann man auf einfache Weise durch Segmentlinsen erhalten, so daß die beiden Strahlen
in getrennte Fenster einer integrierenden, mit einer Photozelle verbundenen Kugel
eintreten können, um auf die Probe bzw. das Normal aufzufallen.
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Wenn ein Stoff untersucht werden soll, dessen Reflexionseigenschaften
sich mit der Richtung der Polarisationsebene des auffallenden Lichtes ändern, wie
dies häufig vorkommt, ist das Ergebnis nach der vorliegenden Erfindung vollständig
eindeutig, da ja die Polarisationsebene mit Bezug auf die Probe feststeht. Eine
vollständige Darstellung der Reflexionseigenschaften erhält man, wenn man mit diesem
Versuchsergebnis das Ergebnis weiterer Versuche verbindet, bei denen die Probe mit
Bezug auf die Polarisationsebene in dem Gerät passend angeordnet wird. Man sieht
auch, daß die beiden aus dem feststehenden Polarisator austretenden Strahlen in
derselben Ebene polarisiert sind, was den Vergleich zwischen zwei Proben mit Richtungs
eigenschaften erleichtert.
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Die Flimmerwirkung kann man durch verschiedene Verfahren hervorrufen;
von diesen sollen einige für Strahlen, die nach obigem Vorschlag rechtwinklig zueinander
polarisiert sind, kurz betrachtet werden.
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Bei dem bevorzugten Verfahren wird den Strahlen eine konstante Verzögerung
gegeben, aber die Richtung dieser Verzögerung periodisch geändert. Zu diesem Zwecke
wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfinding ein rotierendes
Halbkellenplättchen benutzt, das zwischen dem ollastonpnsma und dem feststehenden
Polarisator angeordnet ist. Stellt man sich einen in vertikaler Ebene polarisierten
Strahl und das Halbwellenplättchen mit seiner Achse gleicher Verzögerung vertikal
stehend vor, so erfolgt keine Einwirkung auf den Strahl.
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Wenn aber diese Achse in dem Plättchen horizontal steht, so ist der
Strahl immer noch vertikal polarisiert, aber mit einer Phasendifferenz von T/2 wegen
der relativen Verzögerung. In den Zwischenstellungen treten verschiedene Anteile
von verschieden verzögertem Licht durch. Der Erfolg ist, daß die Polarisation jedes
Strahles sich periodisch ändert, so daß die feststehende Polarisationseinrichtung
eine entsprechende Änderung in der Lichtstärke jedes Strahles herbeiführt.
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Ein anderes Verfahren macht von der verhältnismäßigen Verzögerung
in zwei Viertelwellenplättchen Gebrauch. Gemäß einer anderen Verbesserung der Erfindung
steht das erste von diesen fest und verwandelt die beiden Strahlen in zirkular polarisiertes
Licht.
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Die Achse dieses Viertelwellenplättchens wird unter 450 gegen die
Polarisationsebene der ein£allenden Strahlen gesetzt, so daß die Strahlen in entgegengesetzter
Richtung zirkularpolarisiert austreten. Das zweite Viertelwellenplättchen läuft
um und verwandelt die beiden Strahlen zirkularpolarisierten Lichtes in zwei senkrecht
zueinander ebenpolatisierte Strahlen. Wegen der Drehung des zweiten Viertehvellenplättchens
drehen sich die Polarisationsebenen der austretenden Strahlen mit derselben Geschwindigkeit
wie das Vier telwellenplättchen.
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Bei einer dritten Verbesserung der Erfindung werden die Strahlen
durch einen Körper mit magnetischer Drehwirkung geschickt, der der Einwirkung eines
periodisch verändert lichen Magnetfeldes unterworfen wird, das eine Schwingung der
Polarisationsebene der Strahlen hervorruft. Die Winkelamplitude der Schwingung hängt
von der Feldstärke ab und wird vorzugsweise zu r/4 nach beiden Seiten der Hauptlast
gewählt, so daß in jeder der beiden Endstellungen der eine Strahl ausgelöscht ist
und der andere mit praktisch unverminderter Stärke durch den auf die magnetische
Einrichtung folgenden feststehenden Polarisator durchgeht.
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Bei einer vierten Verbesserung wird die Verzögerung in einer Kerrielle
e benutzt. Die Kerrzelle wird an dieselbe Stelle gesetzt wie die obenerwähnte magnetische
Drehvorrichtung, und ihre Platten werden mit Wechselstrom
beschickt
und erhalten vorzugsweise eine Gleichstromvorspannung, die gleich dem Scheitel der
Wechselspannung ist, um die Spannung auf gleichem Vorzeichen zu halten.
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Die so hervorgerufene veränderliche Verzögerung verändert wiederum
die Polarisationsebenen der beiden Strahlen.
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Bei diesen vier Anordnungen ist die Kurve, die die Stärke eines austretenden
Strahles in Abhängigkeit von der Zeit darstellt, nicht notwendig dieselbe. Diese
Kurve kann sinusartig sein oder eine andere Form haben.
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Auch wegen der chromatischen Variation der magnetischen Drehwirkung
und wegen der elektrischen und der gewöhnlichen - Doppelbrechung kann sich diese
Kurve in einem bestimmten Falle beim Durchgang durch das Spektrum ändern und einige
der weiter vorn als eben bezeichneten Polarisationen mögen im allgemeinen elliptisch
sein. Erforderlichenfalls ist nur eine periodische Veränderung der Lichtstärke der
beiden Strahlen in entgegengesetzter Richtung und von solcher Art, daß bei richtiger
Einstellung der mittleren Lichtstärken der Strahlen für Probe und Normal die Einwirkung
auf den Empfänger konstant bleibt. Der Amplitude der periodischen Ungleichheit zwischen
den Strahlen gibt man eine passende Größe.
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Schließlich wird gemäß der weiteren Erfindung zum Ausgleich optischer
Ungleichheiten in den beiden Strahlenbündeln zwischen Wollastonprisma und feststehenden
Polarisator eine optische Platte schräg angeordnet.
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Die Zeichnung zeigt als Beispiel der Erfindung die bevorzugte Ausführungsform
der Einrichtung.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung des optischen Systems.
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Gemäß der Figur wird Licht von einer geeigneten Lichtquelle durch
einen doppelten Monochromator geschickt, dessen Zwischen-oder Farbenwählerspalt
über das ganze Spektrum einstellbar ist. Die Verstellung des Zwischenspaltes ist
mit der Verstellung einer Feder längs der Wellenlängenachse einer Zeichenebene gekuppelt.
Der Monochromator und die Zeichenvorrichtung kann irgendeine geeignete bekannte
Bauweise haben; der Monochromator ist in der Figur durch seinen Austritt'sspalt
i angedeutet.
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Der Weg des Lichtes durch die verschiedenen optischen Einrichtungen
ist durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Unpolarisiertes einfarbiges Licht
tritt aus dem Monochromatorspalt 1 aus und wird durch ein achromatisches Glas-Rochon-Prisma
2, das Photometerprisma heißen soll, polarisiert.
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Dieses Prisma kann man um seine optische Achse drehen, um die Polarisationsebene
des aus demselben austretenden Lichtes zu ändern und damit das Stärkeverhältnis
der beiden auf die Probe bzw. das Normal auffallenden Lichtes gemäß der folgenden
Beschreibung zu ändern.
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Das so polarisierte Licht fällt auf ein Wollastonprisma 3, welches
es in zwei rechtwinklig zueinander polarisierte und etwas auseinandergehende Strahlen
zerlegt. Dieses Prisma 3 steht fest, und deshalb ändert sich das Stärkeverhältnis
der beiden Strahlen in Abhängigkeit von der Polarisationsebene des auf das Prisma
fallenden Lichtes, d. h. in Abhängigkeit von der Winkeleinstellung des Photometerprismas
2.
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Eine Halbwelienplatte 4 wird mit geeigneter Geschwindigkeit um die
optische Achse gedreht und erzeugt so eine Verzögerung der beiden Strahlen, die
wegen der Versetzung der Polarisationsebene um go0 ebenfalls eine Phasendifferenz
von go0 hat.
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Ein festes Prisma 5, genannt Flimmerprisma, das dem Photometerprisma
2 vollkommen ähnlich ist, polarisiert beide Strahlen in derselben Ebene. Wegen der
veränderlichen Verzögerung der beiden in das Prisma eintretenden Strahlen schwankt
die Lichtstärke der beiden Strahlen beim Austritt aus diesem Prisma; die Phasendifferenz
macht aber die Intensitätsschwankungen der beiden Strahlen einander entgegengesetzt,
so daß bei richtiger Einstellung das Licht des einen, on der Probe reflektierten
Strahles und das des anderen, von dem Normal reflektierten Strahles sich zu einem
unveränderlichen Wert addieren. Um die Polarisationsebene des auf Probe und Normal
fallenden Lichtes zu verändern, kann man dem Prisma 5 eine Einstellmöglichkeit um
die optische Achse geben.
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Die in der beschriebenen Weise in ihrer Lichtstärke wechselnden Strahlen
gehen durch Segmentlinsen 6, um ihren Divergenzwinkel zu vergrößern, und treten
durch Fenster 7 in eine Photometerhohlkugel 8 ein, deren Innenseite mit Magnesium
oxyd bedeckt ist. Den Fenstern 7 gegenüber sind in der Kugel ) ff nungen für die
Probe 9 und das Normal angebracht. Auch die Fenster 7 haben Fassungen für den Fall,
daß man den Lichtdurchgang durch eine Probe messen will.
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An geeigneter Stelle der Kugel ist ein Fenster 1 1 für die Photozelle,
die das Flimmern wahrnehmen soll, angebracht. Der Photozellenstrom wird verstärkt
und zur Betätigung eines Einstellmotors benutzt, der das Photometerprisma 2 so einstellt,
daß das von der Probe 9 und von dem Normal 10 reflektierte Licht die Photozelle
in gleichem Maße erregt.
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In der Figur sind noch die folgenden optischen Elemente dargestellt:
Eine runde Blende 12 ist unmittelbar vor das Wollastonprisma 3
gesetzt,
um die Öffnung des Systems zu begrenzen. Vorn auf das Photometerprisma ist eine
Linse 13 aufgekittet, die das Zerstreuungsprisma des Monochromators auf die Blende
12 abbildet. Diese Linse hat eine schwache Zylinderwirkung, um den Astigmatismus
des Photometerprismas 2 auszugleichen.
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Eine ähnliche Linse 14 ist auf die Rückseite des Flimmerprismas 5
aufgekittet und dient zusammen mit den Segmentlinsen6 dazu, die Blende 12 auf die
Probe und das Normal 9 und 10 abzubilden. Die Linse 14 bildet auch den Austrittsspalt
auf eine Spaltblende IS ab, von deren beiden rechteckigen Öffnungen jede gerade
breit genug ist, ein Bild' des Austrittsspalts I durchzulassen. Die Blende 15 hat
die Aufgabe, unerwünschte Strahlen abzufangen, die von den verschiedenen Polarisationseinrichtungen
erzeugt und nicht auf andere Weise vollständig weggeschafft sind.
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Bei der Eichung des Gerätes mit zwei Normaiflächen, z. B. aus Magnesiumcarbonat,
kann es vorkommen, daß eine deutliche Verschiedenheit zwischen den beiden Flächen
infolge von Unterschieden in der Wirkung der optischen Einrichtungen auf die beiden
Strahlen auftritt. Deshalb ist eine Einstellplatte 16 zwischen das Wollastonprisma
3 und das Haibweileuplättehen 4 gesetzt, um einen derartigen Stärkeunterschied der
beiden Strahlen auszugleichen. Diese Platte ist lediglich ein optisch ebener Satz,
der etwas schief gegen die zur optischen Achse senkrechte Ebene gestellt ist und
um diese Achse gedreht werden kann, so daß er bei geeigneter Einstellung innerhalb
seines Drehbarkeitsbereiches von einem Quadranten infolge der bekannten Polarisationswirkung
beim Durchgang des Lichtes durch eine schiefe Platte das Stärkeverhältnis der beiden
Strahlen bis zu 5 ovo nach der einen oder anderen Seite ändert.
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Ersichtlich sind alle beweglichen Teile, mit Ausnahme des Wellenplättchens
4, in dem optischen System nur zum Zwecke der Einstellung beweglich, d. h. für eine
bestimmte Ablesung ender einen bestimmten Kurvenpunkt stehen sie praktisch fest.
Das Halbwellenplättchen 4 ist das einzige optische Element, das, um eine Flimmerwirkung
zu erzeugen, bewegt wird, und da seine Gesamteinwirkung auf die Lichtstrahlen, abgesehen
von der Phasenverschiebung, außerordentlich klein ist, so kann es keine Störung
in der Wirkung des Gerätes hervorrufen, wie sie z. B. durch einen rotierenden Prismensatz
wegen seines Astigmatismus und seiner asymmetrischen Absorption hervorgebracht werden
würde.
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Diese Störungen offenbaren sich in Harmonischen, die die Nullstellung
unbestimmt machen, während mit der vorliegenden Erfindung eine vollkommen klare
und bestimmte Nullstellung erhalten wird, die eine zuver-]ässige Registrierung dcs
zu messenden Wertes ergibt.