DE683723C - Flimmerspektrophotometer - Google Patents

Flimmerspektrophotometer

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DE683723C
DE683723C DEH140722D DEH0140722D DE683723C DE 683723 C DE683723 C DE 683723C DE H140722 D DEH140722 D DE H140722D DE H0140722 D DEH0140722 D DE H0140722D DE 683723 C DE683723 C DE 683723C
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/42Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Durch Änderung der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahles in bezug auf das Wollastonprisma kann die relative Stärke der beiden austretenden Strahlen geändert werden.
  • Dieses bekannte Mittel zur Änderung macht die Verwendung eines Wollastonprismas bei einem Gerät gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die so hervorgerufene veränderliche Verzögerung verändert wiederum die Polarisationsebenen der beiden Strahlen.
  • 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.
  • 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.
  • Schließlich wird gemäß der weiteren Erfindung zum Ausgleich optischer Ungleichheiten in den beiden Strahlenbündeln zwischen Wollastonprisma und feststehenden Polarisator eine optische Platte schräg angeordnet.
  • Die Zeichnung zeigt als Beispiel der Erfindung die bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung.
  • Die Figur zeigt eine schematische Darstellung des optischen Systems.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Flimmerspektrophotometer zur Farbanalyse, bei dem das von einer Probe durchgelassene oder zurückgeworfene Licht mit dem entsprechenden Licht eines Normals 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-oder Schwingbewegung mit Phasenunterschied gegeben wird, und bei dem die Strahlenbündel dann durch einen feststehenden Polarisator geleitet werden. dadurch gekennzeichnet, daß die Probe und das Normal hinter der Polarisator-und Flimmereinrichtung angeordnet sind, so daß auf Probe und Normal gegenphasiges, jedoch durchweg in der gleichen feststehenden Ebene polarisiertes Flimmerlicht auffällt.
  2. 2. Spektrophotometer nach Anspruch I, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Wollastonprismas (3) oder einer ähnlich wirkenden Vorrichtung, durch welche die beiden auf die Probe und das Normal fallenden Lichtbündel aus einem einzigen polarisierten Lichtstrahlenbündel ausges ondert werden.
  3. 3. Spektrophotometer nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anordnung eines rotierenden Halbwellenverzögerungsplättchens (4) zwischen dem Wollastonprisma (3) und dem feststehenden Polarisator (5).
  4. 4. Spektrophotometer nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anordnung eines feststehenden Viertehvellenverzögerungsplättchens mit darauffolgendem rotierendem Viertelwellenverzögerungsplättchen zwischen dem Wollastonprisma und dem feststehenden Polarisator.
  5. 5. Spektrophotometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wollastonprisma und dem feststehenden Polarisator ein Medium mit magnetischer Drebwirkung angeordnet ist, auf das ein sich periodisch änderndes magnetisches Feld einwirkt.
  6. 6. Spektrophotometer nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wollastonprisma und feststehendem Polarisator eine Kerrzelle angeordnet ist, deren Platten durch eine Wechselspannung erregt werden, die zweckmäßig eine Gleichstromvorspannung gleich dem Scheitalwert der Wechselspannung erhält.
  7. 7. Spektrophotometer nach jedem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich optischer Ungleichheiten in den beiden Strahlenbündeln zwischen Wollastonprisma und feststehendem Polarisator eine optische Platte (I6) schräg angeordnet ist.
DEH140722D 1934-03-19 1934-07-20 Flimmerspektrophotometer Expired DE683723C (de)

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