DE4201922A1 - Verfahren und vorrichtung zur kohaerenzsensitiven strahlungsextinktionsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlungsextinktionsmessung.

Die Messung der Strahlungsextinktion inhomogener Medien, ins­ besondere Suspensionen, Emulsionen und Aerosolen, gehört zu den wichtigsten Verfahren, um derartige Medien bezüglich ihres Strahlungsabsorbtions- und -streuverhaltens zu charak­ terisieren. Als Strahlung wird häufig sichtbares Licht ver­ wendet, der Einsatz von UV- oder IR-Strahlung ist jedoch ebenso möglich. Aus dem Absorbtions- und -streuverhalten lassen sich Schlüsse auf vorhandene oder nichtvorhandene Homogenität oder allgemeiner, auf Konzentration und charak­ teristische Eigenschaften vorhandener Inhomogenitäten ziehen.

Gegenüber probenehmenden Meßverfahren bieten Extinktionsmes­ sungen den Vorteil einer berührungslosen Messung und der Mög­ lichkeit einer augenblicklichen Auswertung. So können bei­ spielsweise Führungsgrößen zur automatischen Steuerung und Regelung von verfahrenstechnischen Produktionsprozessen gewonnen werden.

Bei niedriger Konzentration der Inhomogenitäten und kurzer Lauflänge der Strahlung durch die Meßzone besteht gemäß dem Lambert-Beer′schen Gesetz ein linearer Zusammenhang zwischen der gemessenen Extinktion E und der Konzentration sowie dem sogenannten Extinktionskoeffizienten der Inhomogenitäten. Der Extinktionskoeffizient gibt dabei an, welcher Anteil der auf ein einzelnes Strahlungshindernis einfallenden Strahlung von seinem Weg zum Strahlungsempfänger abgelenkt und daher nicht mehr empfangen wird. Bei diesem Vorgang wird jedoch nur ein gewisser Anteil der Strahlung absorbiert, während ein anderer Anteil lediglich aus seiner ursprünglichen Ausbreitungsrich­ tung abgelenkt, d. h. gestreut, wird. Bei höheren Konzentra­ tionen der Inhomogenitäten oder größeren Lauflängen tritt da­ her Mehrfachstreuung auf, d. h. Strahlung, die durch Streuung an einer ersten Inhomogenität zunächst aus dem Aperturbereich des Empfängers abgelenkt wurde, kann durch Streuung an wei­ teren Inhomogenitäten doch noch zum Empfänger gelangen. Damit können sich erhebliche Abweichungen vom Lambert-Beer′schen Gesetz ergeben. Im Grenzfall, d. h. bei dominierender Mehr­ fachstreuung, wird sich die Strahlung analog zu einem Dif­ fusionsprozeß ungerichtet im Medium ausbreiten und zusätzlich hinzugefügte Inhomogenitäten tragen nicht mehr proportional zu ihrem Extinktionskoeffizienten, sondern nur noch nach Maß­ gabe ihres Absorptionskoeffizienten zur Abschwächung der emp­ fangenen Intensität bei.

Für eine einzelne Extinktionsmessung ist es daher oft nicht möglich zu entscheiden, ob die gemessenen Werte der Strah­ lungsabschwächung dem Extinktions- oder dem Absorptionsver­ halten der Inhomogenitäten entsprechen. Zur Unterscheidung genügt es nicht, die durch das Medium transmittierte Inten­ sität zu messen, sondern es muß zwischen direkt transmittier­ ter und mehrfach gestreuter Strahlung unterschieden werden können.

Der gestreute Strahlungsanteil, der dem Differenzbetrag zwi­ schen Extinktion und Absorbtion entspricht, muß von den ge­ messenen Strahlungsabschwächungswerten abgezogen werden, um das Extinktionsverhalten zu ermitteln.

Es ist bekannt, hierzu ein stark kollimiertes Strahlungsbün­ del in eine Meßzone einzustrahlen und die transmittierte Strahlung mit einer Anordnung von mehreren, unterschiedlich plazierten Empfängern oder mit einem Empfänger, dessen opti­ sche Apertur verändert werden kann, aufzufangen. Die mehrfach gestreute Strahlung unterscheidet sich bei diesem Verfahren von der direkt transmittierten dadurch, daß sie sich über ei­ nen breiteren Winkelbereich verteilt. Wird der kollimierte Strahl direkt auf einen Empfänger von geringer optischer Apertur fokussiert, so wird der Empfänger vor allem für den direkt transmittierten Strahlungsanteil empfindlich sein. Ein an die gleiche Stelle gebrachter Empfänger mit großer opti­ scher Apertur wird dagegen auch einen größeren Anteil der mehrfach gestreuten Strahlung miterfassen. Ein außerhalb des Fokus liegender Empfänger wird vorwiegend mehrfach gestreute Strahlung erfassen. Mit einem solchen Verfahren bzw. einer entsprechenden Vorrichtung kann jedoch nur eine annähernde Unterscheidung zwischen direkt transmittiertem und mehrfach gestreutem Intensitätsanteil getroffen werden. Die erzielbare Unterscheidung bleibt unscharf, weil sich ein Teil der mehr­ fach gestreuten Strahlung stets in der gleichen Richtung wie die kollimierte Strahlung ausbreiten wird und weil aufgrund der nicht vermeidbaren Unvollkommenheiten der optischen An­ ordnung immer auch ein Anteil der direkt transmittierten Strahlung auf die außerhalb des Fokus liegenden Sensoren oder Sensorbereiche des Empfängers gelangen wird.

Um die Extinktion auch bei hoher Konzentration an Inhomogeni­ täten möglichst störungsfrei und genau messen zu können, ist man deshalb bestrebt, den störend wirkenden Empfang gestreu­ ter Strahlung zu vermindern.

Theoretisch ist es auch möglich, als Einstrahlung eine kohä­ rente Strahlung wie z. B. Laserlicht zu verwenden. Bei diesem Verfahren unterscheidet sich die mehrfach gestreute Strahlung von der direkt transmittierten dadurch, daß sie nicht mehr kohärent ist. Es müßte bei der durch eine Meßzone transmit­ tierten Intensität nur noch zwischen dem kohärenten und dem inkohärenten Anteil unterschieden werden, wobei die Abschwä­ chung des kohärenten Anteils proportional zum Extinktionsko­ effizient erfolgt, während die Abschwächung der Gesamtinten­ sität proportional zum Absorbtionskoeffizient erfolgt. Auf diese Art wäre eine wesentlich schärfere Unterscheidung zwi­ schen direkt transmittierter und mehrfach gestreuter Strah­ lung möglich.

Eine Verwirklichung des zweitgenannten Verfahrens ist bisher daran gescheitert, daß die Funktion der als Strahlungsemp­ fänger dienenden Sensoren (Photodioden, Photowiderstände, Photomultiplier) ausnahmslos auf Quanteneffekten beruht und diese Empfänger daher nicht in der Lage sind, die Phasenlage der einfallenden Strahlung zu erkennen und zwischen kohären­ ter und inkohärenter Strahlung zu unterscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kohärenzsensitiven Strahlungsextinktionsmessung kohärenter elektromagnetischer Strahlung in inhomogenen Medien sowie ei­ ne Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzu­ stellen, mit dem bzw. der eine einfache und scharfe Unter­ scheidung der kohärenten und der nichtkohärenten Strahlungs­ anteile ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung eines abge­ wandelten Verfahrens gemäß Anspruch 26 gelöst.

Erfindungsgemäß ist es nicht zwingend notwendig, daß das Interferenzmuster exakt ausgemessen wird, sondern es reicht zumeist aus, wenn ein Signal gewonnen wird, das ein hinrei­ chend genaues Maß für den Kohärenzgrad der interferierenden Strahlen gibt.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Interferenzmuster zum Ausmessen auf einem flächigen Emp­ fänger in Form eines optischen Sensors, der ein Teil der Aus­ wertevorrichtung ist, direkt erzeugt oder durch ein optisches System wie beispielsweise eine kurzbrennweitige Linse vergrö­ ßert und auf den Empfänger projiziert. Es steht dann zu jedem Zeitpunkt der Messung die Information über das gesamte Inter­ ferenzmuster zur Verfügung, wobei die Güte der Auflösung vom Auflösevermögen des verwendeten Sensors abhängt.

Um den sensorseitigen Aufwand geringer halten zu können und das Signal/Rauschverhältnis insbesondere bei geringer auf den Sensor einfallender Strahlungsleistung zu verbessern, sieht eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, daß das Interferenzmuster auf einen optischen Sensor mit linienhafter Auflösung projiziert wird. Es werden also Sen­ sorbereiche bzw. -elemente zusammengefaßt, die zeilenförmig parallel zu Interferenzstreifen des Interferenzmusters lie­ gen, wodurch nicht nur das Signal/Rauschverhältnis verbes­ sert, sondern auch der für die Signalverarbeitung erforder­ liche Rechenaufwand reduziert ist.

Eine noch effektivere Anordnung wird erreicht, wenn die Auf­ lösung des Sensors senkrecht zur Längserstreckung der Inter­ ferenzstreifen gleich der halben Breite eines solchen ist. Vorzugsweise werden bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens die einzelnen Sensorzeilen zu zwei Gruppen zusammengefaßt, wobei um eine Interferenzstreifenbreite voneinander entfernte Sensorzeilen jeweils verschiedenen Gruppen angehören, so daß zwischen den beiden Gruppen eine Phasenverschiebung von einem halben Interferenzstreifenabstand besteht. Die Signalintensi­ täten werden für beide Gruppen zunächst separat gemittelt und erst anschließend miteinander verrechnet.

Bei einer weiteren Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird das Interferenzmuster auf eine teils reflektieren­ de, teils transmittierende Maske projiziert, die die gleiche Periodizität wie das auszumessende Interferenzmuster besitzt. Die Maske weist also ein Muster (Streifen, Lochraster) aus durchlässigen und reflektierenden Zonen auf. Der durch die Maske transmittierte und der an ihr reflektierte Strahlungs­ anteil wird separat beispielsweise mittels zweier Sensoren gemessen und für die Auswertung miteinander verrechnet. Der Vorteil dieses abgewandelten Verfahrens liegt darin, daß statt eines räumlich auflösenden Sensors nur noch billigere, zeitlich auflösende Sensoren benötigt werden.

Bei einem weiter abgewandelten erfindungsgemäßen Verfahren wird zwischen dem Interferenzmuster und der Auswertevorrich­ tung eine sich periodisch wiederholende relative Verschiebung erzeugt und der Mittelwert sowie die zeitliche Modulation der auf die Auswertevorrichtung auftreffenden Strahlungsintensi­ tät erfaßt und ausgewertet. Man erhält so ein zeitlich modu­ liertes Signal, bei dem eine Proportionalität zwischen der Modulationstiefe und dem Kohärenzgrad der einfallenden Strah­ lung besteht. Durch die sich periodisch wiederholende Rela­ tivverschiebung entfällt bei der Verwendung eines Sensors mit zeilenförmigen Sensorelementen oder einer zuvor beschriebenen reflektierenden und transmittierenden Maske die Notwendig­ keit, diese bezüglich des Interferenzmusters so zu justieren, daß ein größtmöglicher Kontrast zwischen stark und schwach beleuchteten Streifen des Sensors oder der Maske entsteht. Stattdessen muß lediglich die Parallelität zwischen den Interferenzstreifen und dem Muster sichergestellt werden. Die Gefahr, daß es beispielsweise durch eine Veränderung des Bre­ chungsindexes des in der Meßzone enthaltenen Mediums zu einer Verschiebung der Interferenzstreifen und damit zu einer De­ justierung der Auswertevorrichtung kommen kann, besteht nicht mehr. Auch die auf technischer Unvollkommenheit beruhende, nicht immer gleiche Empfindlichkeit aller Bereiche eines Sen­ sors, die selbst bei völlig gleichmäßiger Beleuchtung dessel­ ben einen gewissen Anteil interferierender Strahlung vortäu­ schen kann, führt bei der letztgenannten Abwandlung des er­ findungsgemäßen Verfahrens nicht mehr zu Fehlern.

Vorteilhaft wird die Relativbewegung zwischen dem Interfe­ renzmuster und einem Sensor der Auswertevorrichtung senkrecht zur Längsrichtung der Interferenzstreifen erzeugt. Wird das Verfahren mit einer teils reflektierenden, teils transmit­ tierenden Maske durchgeführt, braucht nur noch der Mittelwert und die zeitliche Modulation entweder des durch die Maske transmittierten Strahlungsanteils oder des an ihr reflektier­ ten Strahlungsanteils ausgewertet zu werden, so daß die Aus­ wertevorrichtung nur noch einen Sensor aufzuweisen braucht.

Die Relativbewegung zwischen dem Interferenzmuster und der Auswertevorrichtung kann auf verschiedene Weise erzeugt wer­ den. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der zur Aus­ wertevorrichtung gehörende ortsauflösende Sensor oder die alternativ verwendete Maske quer zur Längsrichtung der Inter­ ferenzstreifen bewegt.

In einer anderen Ausgestaltung werden die zwei Meßstrahlen oder ein Meßstrahl und ein Referenzstrahl durch je eine Braggzelle geleitet, so daß zwei Strahlen mit geringfügig unterschiedlicher Schwingungsfrequenz entstehen und die bei­ den interferierenden Strahlen ein wanderndes Interferenz­ muster erzeugen.

In einer weiteren Abwandlung des Verfahrens wird die optische Weglänge zumindest eines der interferierenden Strahlen modu­ liert, wodurch ebenfalls ein wanderndes Interferenzmuster er­ zeugt wird. Die optische Weglänge kann moduliert werden, in­ dem eine Küvette mit einer Flüssigkeit von veränderbarem Bre­ chungsindex in den Strahlengang gebracht wird, oder indem ein einfaches Prisma im Strahlengang eines der Meßstrahlen oder ein Fresnelprisma oder eine Linse im Strahlengang beider Meß­ strahlen quer zur Strahlrichtung verschoben wird. Die opti­ sche Weglänge kann auch moduliert werden, indem zusätzlich zu einem einfachen Prisma bzw. zum Fresnelprisma oder der Linse ein Spiegel oder eine Planparallelplatte drehbar im Strahlen­ gang beider Meßstrahlen so angeordnet ist, daß beide Meß­ strahlen bei einer Drehung des Spiegels oder der Planparal­ lelplatte parallel zur optischen Achse verschoben werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Interferenzmuster zeitlich moduliert, in­ dem die Interferenzfähigkeit der beiden Meßstrahlen bzw. des Referenz- und des Meßstrahls zeitlich verändert wird. Die zeitliche Modulation des Interferenzmusters kann beispiels­ weise durch eine zeitlich modulierte, relative Drehung der Polarisation der interferierenden Strahlen erreicht werden, die bewirkt, daß das Interferenzmuster zeitweise zum Ver­ schwinden gebracht wird. Es genügt dabei, wenn bei einem der beispielsweise linear polarisierten, interferierenden Strah­ len die Polarisation moduliert wird. Ein maximal durchmodu­ liertes Interferenzmuster kann dann nur entstehen, wenn beide Strahlen genau gleich polarisiert sind.

Wird eine Relativverschiebung zwischen Interferenzmuster und Auswertevorrichtung erzeugt, steuert in einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine an die Auswertevorrichtung angeschlossene Auswerteeinheit die Relativverschiebung di­ rekt, so daß durch Verrechnung der auf die Auswertevorrich­ tung treffenden Signale mit einem Steuersignal für die Rela­ tivverschiebung die Funktionsweise eines lock-in-Verstärkers ermöglicht ist. Die Funktionsweise eines solchen lock-in-Ver­ stärkers wird auch erzielt, indem wie zuvor beschrieben, die Interferenzfähigkeit zumindest eines Meßstrahls zeitlich moduliert wird und die diese zeitliche Modulation erzeugende Vorrichtung mit der Auswerteeinheit verbunden wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die beiden Meß­ strahlen bzw. der Referenz- und der Meßstrahl unterschied­ liche Intensität aufweisen. In einer Ausgestaltung des Ver­ fahrens werden zwei kohärente Meßstrahlen gleicher Intensität erzeugt und durch die Meßzone transmittiert. Die beiden Meß­ strahlen können dabei parallel oder zueinander konvergierend durch die Meßzone geführt werden, überschneiden sich in die­ ser jedoch nicht. Bei Messungen in Medien mit gleichmäßig verteilter Konzentration bietet diese Meßstrahlenführung ne­ ben einfacher Verwirklichung den Vorteil, daß beide Meßstrah­ len im gleichen Verhältnis abgeschwächt werden, so daß die mittlere Intensität und der Modulationsgrad des Interferenz­ musters direkt zur Gesamtintensität und zum kohärenten Strah­ lungsanteil proportional sind.

Bei Messungen in makroskopisch inhomogenen Medien werden be­ vorzugt die beiden Meßstrahlen so durch die Meßzone geführt, daß sie sich innerhalb dieser überkreuzen, wodurch erreicht ist, daß beide Meßstrahlen zumindest teilweise dasselbe Meß­ volumen erfassen. Werden dabei die Querschnitte der beiden einander überkreuzenden Meßstrahlen gleich groß gewählt und genügend stark aufgeweitet, sind die von beiden Meßstrahlen erfaßten Bereiche der Meßzone weitgehend identisch. Die sich in der Meßzone überkreuzenden Meßstrahlen bieten den Vorteil einer besseren räumlichen Auflösung, so daß eine Ungleichheit der Extinktion der Meßstrahlen, wie sie insbesondere bei makroskopisch inhomogenen Medien erwartet werden kann, nicht als Erhöhung des Gleichanteils des gemessenen Signals in Er­ scheinung tritt, wodurch die Auswertung der Meßergebnisse er­ erleichtert ist.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens werden die beiden Meßstrahlen innerhalb der Meßzone exakt aufeinanderfallend geführt. Eine Möglichkeit, die bei­ den Meßstrahlen innerhalb der Meßzone exakt aufeinanderfal­ lend zu führen und dennoch voneinander unterscheiden zu kön­ nen besteht darin, die zwei kohärenten Meßstrahlen senkrecht zueinander zu polarisieren. Dazu wird zunächst ein Bündel von polarisierter Strahlung mittels eines Strahlteilers in zwei kohärente, polarisierte Strahlen geteilt. Anschließend werden die Polarisationsebenen beider Strahlen durch polarisations­ drehende optische Elemente so gegeneinander gedreht, daß eine Differenz der Polarisationswinkel von 90° entsteht. Mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels werden die beiden Strahlen wieder vereinigt und gemeinsam durch die Meßzone geführt. Nach Passieren der Meßzone werden die beiden Meßstrahlen mit Hilfe eines polarisationsselektiv reflektierenden Spiegels voneinander getrennt und die Polarisationswinkel werden durch weitere polarisationsdrehende optische Elemente so gedreht, daß beide Strahlen wieder gleich polarisiert sind. Anschlie­ ßend wird das Interferenzmuster wie bereits beschrieben er­ zeugt und ausgemessen.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens durchläuft nur ein Meßstrahl die Meßzone, während ein anderer Strahl als Referenzstrahl konstanter Intensität di­ rekt zu dem Ort geführt wird, an dem das Interferenzmuster sich ausbilden soll. Bei diesem Verfahren sind mögliche Feh­ ler vermieden, die durch eine ungleiche Abschwächung zweier durch die Meßzone laufenden Strahlen auftreten können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auf einfache Weise auch mehrere Wellenlängen einer Strahlung gleichzeitig erfaßt werden, wenn mehrere Auswertevorrichtungen, die für jeweils unterschiedliche Wellenlängen empfindlich sind, parallel zu­ einander betrieben werden. Abhängig von den bei einer Messung zu berücksichtigenden Anforderungen können bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur elektromagnetische Strahlen, sondern auch Ultraschallstrahlen zum Einsatz kom­ men, deren Extinktion eine nur geringe Empfindlichkeit für mehrfach gestreute Strahlung zeigt. Auch eine Kombination elektromagnetischer Strahlen mit Ultraschallstrahlen kann ab­ hängig von der Art des zu untersuchenden Mediums vorteilhaft sein.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und zur Durchführung desselben geeigneter Vorrichtungen werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a ein erstes Ausführungsbeispiel einer zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeig­ neten Vorrichtung,

Fig. 1b einen Teil der in Fig. 1a gezeigten Vorrichtung in abgewandelter Ausführung,

Fig. 1c einen Teil der Vorrichtung aus Fig. 1a in noch­ mals abgewandelter Ausführung,

Fig. 2a ein zweites Ausführungsbeispiel einer zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigne­ ten Vorrichtung, wobei zwischen dem Interferenz­ muster und der Auswertevorrichtung eine sich periodisch wiederholende Relativverschiebung erzeugt wird,

Fig. 2b einen Teil der in Fig. 2a gezeigten Vorrichtung in abgewandelter Ausführung,

Fig. 2c eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 2a gezeigten Vorrichtung, bei der die sich perio­ disch wiederholende Relativverschiebung durch Frequenzmodulation erzeugt wird,

Fig. 2d einen Teil der in Fig. 2a gezeigten Vorrichtung in nochmals abgewandelter Ausführung,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigne­ ten Vorrichtung, wobei zwei Meßstrahlen deckungs­ gleich durch eine Meßzone projiziert werden, und

Fig. 4 ein die Auswertung bei der Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens erhaltener Signale erläuterndes Blockschaltbild.

Bei der in Fig. 1a gezeigten Vorrichtung wird monochroma­ tische elektromagnetische Strahlung 10 von hinreichender Ko­ härenzlänge mittels eines Strahlteilers 12 in zwei kohärente Meßstrahlen 14, 16 aufgeteilt, die typischerweise gleiche In­ tensität aufweisen. Die beiden Meßstrahlen 14, 16 werden durch eine in Fig. 1a gestrichelt angedeutete Meßzone 18 ge­ leitet, in der das zu untersuchende inhomogene Medium, bei­ spielsweise eine Suspension oder Emulsion, angeordnet ist. Nach Passieren der Meßzone 18 werden die Meßstrahlen 14, 16 durch ein Fresnelprisma 20 geleitet, das dafür sorgt, daß die Meßstrahlen 14, 16 auf einer Auswertevorrichtung 22 zur Überschneidung gebracht werden, wobei am Überschneidungsort 24 ein Interferenzmuster entsteht. Die mittlere Intensität und der Modulationsgrad des Interferenzmusters werden ausge­ messen, um die kohärenten und inkohärenten Anteile der auf die Auswertevorrichtung 22 auftreffenden Meßstrahlen 14, 16 zu ermitteln. Sind die interferierenden Strahlen 14, 16 ideal kohärent, so wird das Interferenzmuster voll durchmoduliert sein, d. h. daß zwischen den einzelnen Intensitätsmaxima In­ tensitätsminima bestehen, in denen keine Intensität meßbar ist. Mit abnehmender Kohärenz der interferierenden Meßstrah­ len 14, 16 werden sowohl die Maxima wie auch die Minima des Interferenzmusters weniger stark ausgeprägt sein. Bei feh­ lender Kohärenz tritt eine gleichförmige Verteilung der In­ tensität am Überschneidungsort 24 auf. Der Modulationsgrad des Interferenzmusters stellt also ein direktes Maß für die Kohärenz der interferierenden Meßstrahlen 14, 16 dar. Durch Ausmessen des Interferenzfeldes läßt sich die Gesamtintensi­ tät aufteilen in einen voll durchmodulierten Anteil, der dem kohärenten Intensitätsanteil entspricht, und in einen gleich­ förmig verteilten Anteil, der dem inkohärenten Anteil ent­ spricht.

Gemäß Fig. 1a werden die beiden Meßstrahlen 14, 16 direkt auf einem flächigen Sensor 26 der Auswertevorrichtung 22 proji­ ziert, der eine hohe räumliche Auflösung aufweist. Alternativ können die beiden Meßstrahlen 14, 16 bereits vor dem Sensor 26 zur Überschneidung gebracht und das entstehende Inter­ ferenzmuster durch ein optisches System, z. B. eine kurzbrenn­ weitige Linse 28, vergrößert und dann auf den Sensor 26 pro­ jiziert werden, wie in Fig. 1b dargestellt. Zur Vereinfachung der Ausmessung des Interferenzmusters ist an den Sensor 26 der Auswertevorrichtung 22 eine Auswerteeinheit 30 ange­ schlossen.

Eine Abwandlung der in Fig. 1b gezeigten Vorrichtung ist in Fig. 1c dargestellt. Dort wird das Interferenzmuster nicht auf einen räumlich auflösenden Sensor 26, sondern auf eine Maske 32 projiziert, die eine räumliche Rasterung mit der­ selben Periodizität wie das Interferenzmuster besitzt. Die Maske 32 weist durchlässige 34 und reflektierende Zonen 36 auf. Der durch die Maske 32 transmittierte Strahlungsanteil wird von einer ersten Sammellinse 38 aufgefangen und auf ei­ nen optischen Sensor 40 projiziert. Der von den reflektieren­ den Zonen 36 reflektierte Strahlungsanteil wird von einer zweiten Sammellinse 42 aufgefangen und auf einen weiteren optischen Sensor 44 projiziert. Bei der in Fig. 1c darge­ stellten Ausführungsform brauchen die optischen Sensoren 40, 44 keine räumliche Auflösungsfähigkeit mehr zu besitzen, vielmehr sind nur zeitlich auflösende Sensoren ausreichend. Die optischen Sensoren 40, 44 sind mit der Auswerteeinheit 30 verbunden, die durch geeignete Verrechnung der von den Sen­ soren 40, 44 kommenden Signalen den kohärenten und den in­ kohärenten Strahlungsanteil ermittelt.

In Fig. 2a ist eine Vorrichtung dargestellt, deren Grundauf­ bau dem in Fig. 1a gezeigten entspricht. In Abweichung zu dieser kann jedoch gemäß Fig. 2a das Fresnelprisma 20 mit­ tels einer Steuerung 46 quer zum Strahlengang der Meßstrahlen 14, 16 verschoben werden, wie in Fig. 2a durch einen Pfeil im Fresnelprisma 20 angedeutet. Die Steuerung 46, die von her­ kömmlicher Bauart ist und deswegen nicht näher erläutert zu werden braucht, prägt dem Fresnelprisma 20 eine sich perio­ disch wiederholende Bewegung quer zur Strahlungsrichtung der Meßstrahlen 14, 16 auf, wodurch ein wanderndes Interferenzmu­ ster auf dem Sensor 26 der Auswertevorrichtung 22 erzeugt wird. Die Steuerung 46 erhält ihre Signale direkt von der Auswerteeinheit 30, so daß diese die von der Auswertevorrich­ tung 22 empfangenen Signale mit dem an die Steuerung 46 gehenden Signal verrechnen kann und so die Funktionsweise eines lock-in-Verstärkers erzielt wird.

Die sich periodisch wiederholende Relativverschiebung zwi­ schen Interferenzmuster und Auswertevorrichtung 22 kann gemäß Fig. 2b auch durch eine rotierende Parallelplatte 48 erreicht werden, die eine Parallelverschiebung der interferierenden Meßstrahlen 14, 16 und somit ebenfalls ein wanderndes Inter­ ferenzmuster bewirkt.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wird das wan­ dernde Interferenzmuster durch eine Modulation der optischen Weglänge eines oder beider Meßstrahlen erzeugt. Es ist auch möglich, ein wanderndes Interferenzmuster durch eine Modula­ tion der Frequenz der beiden interferierenden Meßstrahlen 14, 16 zu erhalten. Beispielsweise kann, wie in Fig. 2c darge­ stellt, zwischen dem Strahlteiler 12 und der Meßzone 18 je eine Braggzelle 49 im Strahlengang der Meßstrahlen 14, 16 angeordnet werden, durch die den Meßstrahlen 14, 16 mit Hilfe einer herkömmlichen Braggzellensteuerung 50 eine sich gering­ fügig voneinander unterscheidende Schwingungsfrequenz aufge­ prägt wird, die ebenfalls zu einem wandernden Interferenzmu­ ster führt.

Fig. 2d zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung aus Fig. 2a, bei der die Entstehung des Interferenzmusters zeitlich modu­ liert wird. Unter der Voraussetzung, daß beide Meßstrahlen 14, 16 linear polarisiert sind, wird die Interferenzfähigkeit des Meßstrahls 16 zeitlich verändert, indem dessen Polarisa­ tion relativ zur Polarisation des Meßstrahls 14 durch allge­ mein mit 51 bezeichnete polarisationsdrehende optische Elemente periodisch gedreht wird, sodaß ein maximal durch­ moduliertes Interferenzmuster nur dann entstehen kann, wenn beide Strahlen genau gleich polarisiert sind. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Funktionsweise eines lock-in-Ver­ stärkers erzielt werden, indem die Auswerteeinheit 30 die für die Polarisationsdrehung maßgeblichen Signale an die opti­ schen Elemente 51 abgibt, so daß die Auswerteeinheit 30 diese Signale mit den von der Auswertevorrichtung 22 kommenden Si­ gnalen verrechnen kann.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrich­ tung zur kohärenzsensitiven Strahlungsextinktionsmessung. Ein Bündel polarisierter Strahlung 10a wird mittels des Strahl­ teilers 12 in zwei kohärente, polarisierte Meßstrahlen 14a, 16a geteilt. Durch polarisationsdrehende optische Elemente 51a im Strahlengang des Meßstrahls 16a wird dessen Polarisa­ tionsebene so gedreht, daß eine Differenz der Polarisations­ winkel der Meßstrahlen 14a, 16a von 90° entsteht. Hinsicht­ lich ihrer polarisationsdrehenden Wirkung brauchen die opti­ schen Elemente 51a nicht variabel zu sein. Anschließend wer­ den die Meßstrahlen 14a, 16a mit Hilfe eines Spiegels 52 und eines halbdurchlässigen Spiegels 54 wie in Fig. 3 gezeigt vereinigt und daraufhin gemeinsam durch die Meßzone 18 ge­ führt. Nach Passieren der Meßzone 18 werden die Meßstrahlen 14a, 16a durch einen polarisationsselektiv reflektierenden Spiegel 56 wieder voneinander getrennt und die Polarisations­ winkel der beiden Meßstrahlen werden durch ein weiteres pola­ risationsdrehendes optisches Element im Strahlengang des Meß­ strahls 16a so gedreht, daß die Meßstrahlen 14a, 16a wieder gleich polarisiert sind. Nach Durchlaufen des Fresnelprismas 20 wird das Interferenzmuster, z. B. wie im Zusammenhang mit den Fig. 1a bis 1c beschrieben erzeugt und ausgemessen. Die in Fig. 3 auf die Meßstrahlen 14a, 16a gesetzten Doppelpfeile symbolisieren gleich bzw. unterschiedlich polarisiertes Licht.

In Fig. 4 ist in Gestalt eines Blockschaltbildes eine Mög­ lichkeit dargestellt, wie die von der Auswertevorrichtung 22 empfangenen Signale ausgewertet werden können, um den Kohä­ renzgrad zu bestimmen. Die Kohärenz kann allgemein definiert werden als das Vermögen zweier Strahlungen, Interferenzer­ scheinungen hervorzurufen. Der Kohärenzgrad ist also iden­ tisch mit dem Modulationsgrad des durch die interferierenden Strahlen erzeugten Interferenzmusters. Der kohärente Strah­ lungsanteil der interferierenden Meßstrahlen 14, 14a und 16, 16a ergibt sich demnach aus dem Kohärenzgrad multipliziert mit der Intensität der auf die Auswertevorrichtung 22 auf­ treffenden Strahlung.

Der Intensitätsbetrag der auf die Auswertevorrichtung 22 auf­ treffenden Strahlung läßt sich aufteilen in einen nicht modu­ lierten Gleichanteil, der durch die gestreute Strahlung er­ zeugt wird, und einen voll durchmodulierten Wechselanteil, der dem kohärenten Strahlungsanteil entspricht und das Ex­ tinktionsverhalten charakterisiert. Technische Unvollkommen­ heiten oder auch eine niedrige Auflösung der eingesetzten Sensoren führen dazu, daß der meßbare Kohärenzgrad immer in einem, bei gegebener Vorrichtung feststehenden Verhältnis geringer ist als der tatsächlich vorhandene. Selbst bei voll durchmoduliertem Interferenzmuster wird demnach ein Gleich­ anteil gemessen werden, der einen bestimmten Anteil an nichtkohärenter Strahlung vortäuscht. Um dadurch entstehende Auswertefehler zu vermeiden, müssen die gemessenen Strah­ lungsabschwächungswerte auf einen Anfangswert bezogen werden, der an von Inhomogenitäten freiem Fluid ermittelt worden ist.

Wie in Fig. 4 dargestellt, wird der Intensitätsverlauf des erzeugten Interferenzmusters in Abhängigkeit des Ortes oder der Zeit gemessen, wobei mit I_R die bei einer Referenzmes­ sung an Fluid ohne Inhomogenitäten und mit I die Intensität bezeichnet ist, die beispielsweise bei einer Messung an einer Suspension von Partikeln im gleichen Fluid erhalten wurde. Sodann werden aus den gemessenen Intensitätsverläufen die Amplituden des Wechselanteils bestimmt, die der Intensität des kohärenten Strahlungsanteils proportional sind. In Fig. 4 ist der Wechselanteil der jeweils von der sinusförmigen Kurve eingenommene Bereich der Intensität, während der Gleichanteil den vom Nullpunkt bis zum Wechselanteil reichenden Sockel bildet, auf dem der Wechselanteil sitzt.

Der bei der Referenzmessung ermittelte Amplitudenwert des Wechselanteils wird in einem Referenzwertspeicher abgelegt. Die beispielsweise an einer Suspension ermittelten Amplitu­ denwerte des Wechselanteils werden dann zu dem im Referenz­ wertspeicher abgelegten Wert ins Verhältnis gesetzt. Aus die­ sem Verhältnis zwischen eigentlicher Messung und Referenz er­ gibt sich als Maß für die Extinktion die Abnahme des kohären­ ten Intensitätsanteils direkt.

Claims (26)

1. Verfahren zur kohärenzsensitiven Strahlungsextink­ tionsmessung kohärenter elektromagnetischer Strahlung (10, 10a) in inhomogenen Medien mit mindestens einer fluiden Phase, mit den Schritten:

• - Einkoppeln zumindest eines ersten kohärenten elektromagne­ tischen Strahls (14, 14a) in die fluide Phase,
• - Transmittieren des zumindest einen Strahls (14, 14a) durch eine Meßzone (18),
• - Erzeugen eines Interferenzmusters durch zur Deckung brin­ gen des transmittierten ersten kohärenten Meßstrahls (14, 14a) mit einem transmittierten zweiten kohärenten Meß­ strahl (16, 16a) oder mit einem kohärenten Referenzstrahl,
• - Projizieren des Interferenzmusters auf eine Auswertevor­ richtung (22), und
• - Ausmessen des Modulationsgrades des Interferenzmusters zur Ermittlung des Kohärenzgrades.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenz­ muster auf einen optischen Sensor (26) mit hoher Auflösung projiziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenz­ muster auf einen optischen Sensor mit linienhafter Auflösung projiziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung des Sensors (26) die halbe Breite eines Interferenzstreifens be­ trägt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils um eine Interferenzstreifenbreite voneinander entfernte streifenför­ mige Sensorbereiche zu zwei Gruppen, die um eine halbe Inter­ ferenzstreifenbreite gegeneinander verschoben sind, zusammen­ gefaßt werden, und daß die Signalintensitäten für beide Grup­ pen zunächst separat gemittelt und dann miteinander verrech­ net werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenz­ muster auf eine teils reflektierende, teils transmittierende Maske (36) projiziert wird, welche die gleiche Periodizität wie das auszumessende Interferenzmuster besitzt, wobei die durch die Maske (36) transmittierten und die an der Maske re­ flektierten Strahlungsanteile separat gemessen und für die Auswertung miteinander verrechnet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Interferenzmuster und der Auswertevorrichtung (22) eine sich periodisch wiederholende relative Verschiebung erzeugt wird, wobei Mittelwert und zeitliche Modulation der von der Auswer­ tevorrichtung (22) empfangenen Strahlungsintensität erfaßt und ausgewertet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert und die zeitliche Modulation der durch die Maske (36) trans­ mittierten Strahlung oder der Mittelwert und die zeitliche Modulation der an der Maske (36) reflektierten Strahlung aus­ gewertet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevor­ richtung (22) zu Interferenzstreifen des Interferenzmusters verschoben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßstrahlen (14, 16) oder ein Meßstrahl (14) und ein Referenzstrahl durch je eine Braggzelle (49) geleitet werden, so daß zwei Strahlen mit geringfügig unterschiedlicher Schwingungsfrequenz erzeugt werden und sich ein wanderndes Interferenzmuster ausbildet.

11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weg­ länge zumindest eines der interferierenden Strahlen (14, 16) moduliert wird, wodurch ein wanderndes Interferenzmuster er­ zeugt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weg­ länge durch eine im Strahlengang positionierte Küvette mit einer Flüssigkeit von veränderbarem Brechungsindex moduliert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge durch ein einfaches Prisma im Strahlengang eines der Meßstrahlen (14, 16) oder durch ein Fresnelprisma (20) oder eine Linse im Strahlengang beider Meßstrahlen (14, 16) modu­ liert wird, wobei das Prisma bzw. das Fresnelprisma (20) oder die Linse quer zur Strahlrichtung verschoben wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weg­ länge durch ein einfaches Prisma im Strahlengang eines der Meßstrahlen (14, 16) oder durch ein Fresnelprisma (20) oder eine Linse im Strahlengang beider Meßstrahlen (14, 16) modu­ liert wird, wobei beide Meßstrahlen (14, 16) durch einen rotierenden Spiegel oder eine rotierende Planparallelplatte (48) in einer Richtung parallel zur optischen Achse verscho­ ben werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenz­ muster zeitlich moduliert wird, indem die Interferenzfähig­ keit zumindest eines der beiden Meßstrahlen (14a, 16a) bzw. des Referenz- und/oder des Meßstrahls (14a, 16a) zeitlich verändert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenz­ muster durch eine zeitlich modulierte relative Drehung der Polarisation der interferierenden Strahlen zeitweise zum Ver­ schwinden gebracht wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei kohärente Strahlen gleicher Intensität erzeugt und durch die Meßzone (18) transmittiert werden.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meß­ strahlen (14, 16; 14a, 16a) parallel zueinander durch die Meßzone (18) geführt werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meß­ strahlen (14, 16; 14a, 16a) zueinander konvergierend durch die Meßzone (18) geführt werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meß­ strahlen (14, 16; 14a, 16a) einander überkreuzend durch die Meßzone (18) geführt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der beiden einander überkreuzenden Meßstrahlen (14, 16; 14a, 16a) gleich groß und so stark aufgeweitet sind, daß die von beiden Strahlen erfaßten Bereiche der Meßzone (18) weitgehend identisch sind.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meß­ strahlen (14, 16; 14a, 16a) aufeinanderfallend durch die Meßzone (18) geführt werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß zwei senkrecht zueinander polarisierte kohärente Meßstrahlen (14a, 16a) ver­ wendet werden.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Erfassung mehrerer Wellenlängen einer Strahlung mehrere Aus­ wertevorrichtungen (22), die bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten, parallel zueinander betrieben werden.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Auswertevorrichtung (22) die Extinktion einer anderen Art von Wellen, wie z. B. Ultraschall, mißt und nur geringe Empfind­ lichkeit für mehrfachgestreute Strahlung zeigt.

26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 23, gekennzeichnet durch einen ersten Strahlteiler (12), der eine polarisierte Einstrahlung (10a) in zwei ko­ härente Meßstrahlen (14a, 16a) teilt, polarisationsdrehende optische Elemente (51a) zur unterschiedlichen Polarisation der Meßstrahlen (14a, 16a), einen halbdurchlässigen Spiegel (54), durch den die beiden Meßstrahlen (14a, 16a) im we­ sentlichen deckungsgleich in eine Meßzone (18) projiziert werden, sowie einen zweiten Strahlteiler (56), zwei ortho­ gonal zueinander angeordnete Analysatoren und weitere polari­ sationsdrehende optische Elemente (51a), um die aus der Meß­ zone (18) austretenden Strahlen (14a, 16a) wieder parallel zu polarisieren, bevor sie auf einer Auswertevorrichtung (22) zur Interferenz gebracht werden.