DE931197C

DE931197C - Refractometer

Info

Publication number: DE931197C
Application number: DEI4703A
Authority: DE
Inventors: Erik Ingelstam
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-11-07
Filing date: 1951-10-09
Publication date: 1955-08-04
Also published as: GB705760A; US2712265A; FR1043806A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Refraktometer zur Bestimmung des Brechungskoeffizienten eines flüssigen oder gasförmigen Mittels in bezug auf ein Vergleichsmittel mit bekanntem Brechungskoeffizienten durch Vergleich der Lichtintensitäten eines von den durch die verschiedenen Mittel gehenden Lichtstrahlen entworfenen Bildes.The invention relates to refractometers for determining the refractive index of a liquid or gaseous medium with respect to a comparative medium with a known refractive index by comparing the light intensities of one of those by the various means walking beams of light designed image.

Zweck der Erfindung ist, ein Refraktometer zu schaffen, das erlaubt, Brechungskoeffizienten mit ίο einer bis jetzt nicht erreichten Genauigkeit zu messen.The purpose of the invention is to create a refractometer that allows refractive index with ίο to measure an accuracy not yet achieved.

Gemäß der Erfindung sind in einem von einem geradlinig begrenzten Spalt ausgehenden monochromatischen Lichtbündel hintereinander ein durchsichtiger Behälter zur Aufnahme des zu untersuchenden Mittels und eines Vergleichsmittels, deren Schichtgrenzen dem Spalt parallel sind, ein optisches Abbildungssystem zur Erzeugung eines Bildes des Spaltes, ein Phasenkontrastelement mit einer mittleren parallel zum Spalt verlaufenden Zone, auf das das Spaltbild entworfen wird, und ein optisches Abbildungssystem zuir Projektion des Phasenkontrastbildes auf ein Bildauffangmittel angeordnet, so daß die Lichtintensitäten der verschiedenen Teile dieses Phasenkontrastbildes zur Bestimmung der Brechungskoeffizienten gemessen werden können.According to the invention, there are monochromatic in a straight line delimited gap Light bundles one behind the other a transparent container to hold the too investigating agent and a comparative agent, the layer boundaries of which are parallel to the gap are, an optical imaging system for generating an image of the gap, a phase contrast element with a central zone running parallel to the gap on which the gap image is designed and an imaging optical system for projection of the phase contrast image arranged on an image capture means, so that the light intensities of the different parts of this phase contrast image to determine the refractive index can be measured.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erörtert, die eine Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt. The invention is discussed in more detail below with reference to the drawing, which schematically shows an embodiment of the invention.

In der Zeichnung ist L eine Lampe, die monochromatisches Licht durch einen Spalt ^ einem Behälter K zuführt, welcher, übereinander und parallel zum Spalt S geschichtet, dais Mittel, dessenIn the drawing, L is a lamp which supplies monochromatic light through a gap ^ to a container K , which is stacked one on top of the other and parallel to the gap S , the means of which

Brechung festzustellen ist, und ein Vergleichsmittel mit bekannter Brechung enthält. Vorteilhaft werden zwei gegenüberliegende Wandungen" des Behälters K aus zwei plankonvexen Linsen 0 gebildet, deren innere ebene Flächen die gegenüberliegenden parallelen inneren Wände des Behälters K bilden. Obgleich ein derartig ausgebildeter Behälter vorzuziehen ist, kann man auch einen bloßen Behälter und ein von diesem gesondertes ίο Linsensystem O verwenden zur Abbildung des Spaltes 6¹ auf ein Phasenverschiebungselement F. F ist ein Phasenverschiebungselement mit einer mittleren schmalen Zone, die dem Bild des Spaltes S und damit dem Beugungsbild des ganzen Behälters K größenmäßig entspricht. ....Refraction is to be determined, and contains a comparison means with known refraction. Two opposite walls are formed "of the container K of two plano-convex lenses 0 Advantageously, the inner flat surfaces form the opposing parallel inner walls of the container K. Although a such formed container is preferable, it is also a mere container and from this separate ίο Use lens system O to map the slit 6 ¹ onto a phase shifting element F. F is a phase shifting element with a central, narrow zone, the size of which corresponds to the image of the slit S and thus the diffraction image of the entire container K. ....

•Hinsichtlich der Lichtbeugung durch die Küvette K wird folgendes bemerkt: Die Licht-Amplituden-Verteilung in der gegen die optische Achse senkrechten Ebene, die durch die Mitte des Phasen-Verschiebungselementes F geht, entspricht der Beugungsfigur der optischen Öffnung der Küvette K oder, allgemeiner atuisgedrückit, dem Wellenbild nach dem Durchgang durch die Küvette K. Man kann diese Ebene als (Frauenhofersche) Beugungsebene bezeichnen.• With regard to the diffraction of light by the cuvette K , the following is noted: The light amplitude distribution in the plane perpendicular to the optical axis and passing through the center of the phase shifting element F corresponds to the diffraction figure of the optical opening of the cuvette K or, more generally atuisgedrückit, the wave pattern after passing through the cuvette K. This plane can be called the (Frauenhofer) diffraction plane.

Vorteilhaft besteht das Element F aus einer sahrag gestellten Platte, von· der das auf sie durch das obengenannte Linsensystem O entworfene Beugungsbild reflektiert wird. Aber die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer derartigen Sonderkonstruktion des Phasenverschiebungselementes beschränkt. Nach Durchgang durch das Phasenverschiebungselement F bzw. nach Reflexion an demselben wird das Licht durch ein nachgeschaltetes Linsensystem L gesammelt, wodurch ein Phasenkontrastbild des Behälters K in der Ebene B erhalten wird. Ein physikalischer Empfänger befindet sich in dieser Bildebene oder wird dieser Ebene entlang bewegt und" kann aus einer photographischen Platte oder einer Photomultiplikatorzelle C, wie in der Zeichnung dargestellt, bestehen, welche Zelle senkrecht zu dem Lichteintrittsspalt 6* bewegt wird und mit einem Aufzeichner R verbunden ist.The element F advantageously consists of a plate placed in a position, from which the diffraction image created on it by the above-mentioned lens system O is reflected. But the invention is not limited to the use of such a special construction of the phase shift element. After passing through the phase shifting element F or after being reflected on the same, the light is collected by a downstream lens system L , as a result of which a phase contrast image of the container K in plane B is obtained. A physical receiver is located in this image plane or is moved along this plane and "can consist of a photographic plate or a photomultiplier cell C, as shown in the drawing, which cell is moved perpendicular to the light entry slit 6 * and connected to a recorder R. " is.

Das Mittel (Mittel 1), dessen Brechung im Vergleich zu einem zweiten Mittel bekannter Brechung (Mittel 2) zu untersuchen ist, wird annähernd in der halben Höhe des Behälters K zwischen eine untere und eine obere Schicht des Mittels 2 eingebracht. Eine geringe Menge des Mittels 1 ist hinreichend, die eine Schichthöhe von ζ. Β. ι mm aufweist. The means (means 1), the refraction of which is to be examined in comparison with a second means of known refraction (means 2), is introduced at approximately half the height of the container K between a lower and an upper layer of the means 2. A small amount of agent 1 is sufficient for a layer height of ζ. Β. having ι mm.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Beschreibung, bei dem das Mittel 1 innerhalb dünner Wände ungefähr in der Mitte der Küvette eingeschlossen ist und die übrigen Teile der Küvettenöffnung vom Mittel 2 ausgefüllt sind, ist diese Beugungsfigur aus den Dimensionen und Phasen des Wellenbildes berechenbar. Wesentlich für die Meßanordnung ist, daß die Baugungsfigur der ganzen Küvette schmal ist, so daß sie hauptsächlich in die mittlere Zone des Phasenverschiebungselementes fällt und das Spaltbild, obwohl es schmal ist, vom geometrisch-optischen Gesichtspunkt aus die Struktur der Beugungsfigur der rechteckigen öffnung der ganzen Küvette hat.In the embodiment according to the description, in which the means 1 is thinner within Walls approximately in the middle of the cuvette is included and the remaining parts of the cuvette opening are filled in by means 2, this diffraction figure is made up of dimensions and phases of the wave pattern calculable. It is essential for the measuring arrangement that the structural figure of the whole cuvette is narrow, so that it falls mainly in the middle zone of the phase shift element and the slit image, although it is narrow, from the geometrical-optical point of view the structure of the diffraction figure of rectangular opening of the whole cuvette.

Die Grenzflächen der Mittel 1 und 2 müssen also gewisse Forderungen betreffend Schärfe erfüllen, und aus diesem Grunde kann der Behälter K in Übereinstimmung mit auf den Gebieten der Elektrophorese oder Diffusionsmessungen bekannten Prinzipien ausgebildet werden. Gegebenenfalls können die beiden Mittel mit Hilfe von dünnen Platten voneinander getrennt werden, die von außen eingestellt werden können.The interfaces of the means 1 and 2 must therefore meet certain requirements in terms of sharpness, and for this reason the container K can be designed in accordance with principles known in the fields of electrophoresis or diffusion measurements. If necessary, the two means can be separated from one another with the help of thin plates that can be adjusted from the outside.

. In dem Fall, bei dem ein oder mehrere Gradienten in der Flüssigkeit vorhanden sind, hat man gemäß der geometrisch-optischen Bezeichnung eine Lichtablenkung. Gemäß der Wellenbehandlung des ganzen Problems bedeutet diese Ablenkung eine Veränderung der Beugungsfigur, durch die hauptsächlich bewirkt wird, daß ein Teil des Lichts aus dem mittleren Bereich in die Randzonen abgelenkt wird. Demzufolge werden bei der nachfolgenden Abbildung hinter dem Phasenverschiebungselement F durch das optische System L auch diese Gradienten quiantiitaitiv ims Intensiütätsmaß übersetzt. Dies setzt allerdings voraus, daß die Gradientenzonen nicht zu breit sein dürfen. Die ganzen Verhältnisse werden am besten klar, wenn man die Beugungsfiguren als Fourierspektren des Wellenbildes betrachtet.. In the case in which one or more gradients are present in the liquid, there is a light deflection according to the geometrical-optical designation. According to the wave treatment of the whole problem, this deflection means a change in the diffraction pattern, by means of which it is mainly caused that part of the light is deflected from the central region into the edge zones. Accordingly, in the following illustration, behind the phase shift element F , these gradients are also translated quantitatively into the intensity measure by the optical system L. However, this assumes that the gradient zones must not be too wide. The whole situation is best made clear when one looks at the diffraction figures as Fourier spectra of the wave image.

Auf dem Phasenkontrastbild in der Ebene B zeichnet sich das Mittel 1 gegen das Mittel 2 scharf ab, und zwar infolge der verschiedenen gg Lichtstärken, die sodann auf verschiedene Art gemessen werden können.On the phase contrast image in plane B , the means 1 stands out sharply against the means 2, specifically as a result of the different light intensities, which can then be measured in different ways.

Mit Hilfe eines derartig ausgebildeten Refraktometers ist es möglich, den Unterschied zwischen Brechungskoeffizienten und gegebenenfalls auch den Gradienten der Brechungskoeffizienten genauer als mit Hilfe von allen bis jetzt bekannten Methoden, einschließlich der interferometrischen Methoden, zu messen. Ferner ist es möglich, die Empfindlichkeitsbereiche zu. ändern, und zwar zwecks Messungen größerer Differenzen.With the help of a refractometer designed in this way it is possible to see the difference between refractive index and possibly also the gradient of the refractive index more precisely than with the help of all known so far Methods to measure, including interferometric methods. It is also possible to use the Sensitivity ranges too. change for the purpose of measuring larger differences.

Zur wertmäßigen Bestimmung der Lichtstärken kann eine Vergleichseinrichtung T in der Nähe des Behälters K angebracht werden, welche Einrichtung entsprechende Stufen aufweist, von denen iede U₀ eine im voraus bestimmte Lichtstärke in der Bildebene B erzeugt, mit der die Lichtstärke des Bildes des Mittels 1 verglichen wird. Je nach der Konstruktion der Vergleichseinrichtung Γ kann letztere mit oder ohne Phasenkontrast arbeiten.In order to determine the light intensities in terms of value, a comparison device T can be attached near the container K , which device has corresponding steps, each of which U ₀ generates a light intensity determined in advance in the image plane B , with which the light intensity of the image of the means 1 is compared will. Depending on the construction of the comparison device Γ, the latter can work with or without phase contrast.

Falls polarisiertes Licht verwendet wird, in welchem Fall das Phasenverschiebungselement F vorteilhaft aus einer Platte aus Glas besteht, die unter dem Brewsterschen Winkel reflektiert und besonders ausgebildet ist, z.B. nach Franqon-Normars ki, beschrieben in der französischen Zeitschrift »Comptes rendus«, 1950, Band 230, Heft 15, S. 1392 bis 1394, weist das optische System eine Polarisationsplatte P und vorteilhaft eine weitere ähnliche Polarisationsplatte A auf, die als Analysator arbeitet, so daß die Empfind-If polarized light is used, in which case the phase shift element F advantageously consists of a plate made of glass, which reflects at the Brewster angle and is specially designed, for example according to Franqon-Normars ki, described in the French magazine "Comptes rendus", 1950, Volume 230, Issue 15, pp. 1392 to 1394, the optical system has a polarizing plate P and advantageously another similar polarizing plate A , which works as an analyzer, so that the sensitivity

lichkeit des Systems kontinuierlich geändert werden und die Änderung, falls erwünscht, für Meßzwecke verwertet werden kann.possibility of the system can be continuously changed and the change, if desired, for measurement purposes can be recovered.

Die angegebenen Polarisationsplatten P und A oder eine andere äquivalente Einrichtung zur Herabsetzung der Lichtstärke können nach einer Ausführungsform der Erfindung für. Messung der Lichtstärken der Mittel ι und 2 oder des Mittels 1 und der Vergleichseinrichtung T im Phasenkontrastbild B unmittelbar mit Hilfe des Auges benutzt werden. Der physikalische Empfänger umfaßt dann diese Lichtstärkeverminderungseinrichtung, die für Meßzwecke die beiden Lichtstärken im Phasenkontrastbild derart einzustellen erlaubt, daß sie dem Auge gleich erscheinen.The specified polarizing plates P and A or another equivalent device for reducing the light intensity can according to an embodiment of the invention for. Measurement of the light intensities of the means 1 and 2 or the means 1 and the comparison device T in the phase contrast image B can be used directly with the aid of the eye. The physical receiver then comprises this light intensity reduction device which, for measurement purposes, allows the two light intensities in the phase contrast image to be set in such a way that they appear to be the same to the eye.

Sonderanwendungen des vorliegenden Phasenkontrastrefraktometers sind z. B. Untersuchung von Diffusions- und· anderen Erscheinungen in Grenzschichten, vor allem aber Messungen von relativen Brechungskoeffizienten mit äußerst hoher Genauigkeit, besonders zur Bestimmung der Konzentration von Mischungen aus H₂O und D₂O. Als großer Vorteil ergibt sich dann die verhältnismäßig kleine Menge des Mittels 1, die für die Untersuchung erforderlich ißt.Special applications of the present phase contrast refractometer are z. B. Investigation of diffusion and other phenomena in boundary layers, but above all measurements of relative refraction coefficients with extremely high accuracy, especially for determining the concentration of mixtures of H ₂ O and D ₂ O. The relatively small advantage then results Amount of agent 1 eating required for the investigation.

Claims

Patent claims:

i. Refractometer for determining the refractive index of a liquid or gaseous medium with respect to a comparison medium with a known refractive index by comparing the light intensities of an image created by the light rays passing through the various means, characterized in that in a monochromatic slit (S) starting from a straight line delimited Light bundles one behind the other a transparent container (K) to hold the agent to be examined and a comparative agent, the layer boundaries of which are parallel to the gap (S) , an optical imaging system (O) for generating an image of the gap (S), a phase contrast element (F ) with a central zone running parallel to the slit (S) on which the slit image is designed, and an optical imaging system (L) for projecting the phase contrast image onto an image capture means (B) , so that the light intensities of the various parts of this are arranged Phase contrast images s can be measured to determine the refractive index.

2. Refractometer according to claim i, characterized in that it uses polarized light is working.

3. Refractometer according to claim 1 or 2, characterized in that the phase contrast element (F) consists of a reflective plate.

4. Refractometer according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the gap (S) on the phase contrast element (F) imaging optical system (O) consists of two lenses which simultaneously form two opposite walls of the container (K) .

5. Refractometer according to one of the preceding claims, characterized by a comparison device (T) which can be switched into the beam path and has steps of different light transmittance, the boundary lines of which are essentially parallel to those of the gap (S) , each step having a calculable light intensity in the image plane (B ) generated.

6. Refractometer according to one of the preceding claims, characterized by means for quantitative reduction of the light intensity in the agent belonging to the agent to be investigated Image area, so that the image areas of both means are brought to the same brightness can be.

1 sheet of drawings