DE2806777A1

DE2806777A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen phasenmodulation

Info

Publication number: DE2806777A1
Application number: DE19782806777
Authority: DE
Inventors: Robert William Allington
Original assignee: Instrumentation Specialties Co
Current assignee: Isco Inc 68504 Lincoln Nebraska Us
Priority date: 1977-03-04
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1978-09-07
Also published as: GB1596650A; US4289403A; GB1596649A; DE2806777C2; CA1090160A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Phasenmodulatoren und auf Interferometer, die Phasenmodulatoren zur Bestimmung optischer Längen, beispielsweise zur Bestimmung des Brechungsindex von Materialien verwenden.

Bei einer Art interferometrisch arbeitender Refraktometer wird jeder von zwei Lichtstrahlen durch eine andere Flußzelle einer dualen Flußzelleneinheit geleitet, wobei einer der beiden Lichtstrahlen durch eine Referenzflußzelle läuft und der andere durch eine Flußzelle, die mit einer chromatographischen Säule verbunden ist, deren Abfluß überwacht wird. Die beiden Lichtstrahlen werden kombiniert und das Interferenzmuster von einer Fotozelle erfaßt, wobei das Signal von der Fotozelle zu einer Schaltung übertragen wird, die den Brechungsindex des abfließenden Mediums von der chromatographischen Säule anzeigt, der auf der Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtstrahlen beruht, die durch das Lösungsmittel in dem abfließenden Medium verursacht wird.

In interferometrischen Refraktometern dieser Art nach dem Stand der Technik werden ein elektrisches Signal, das durch das Interferenzmuster erzeugt wird, und ein elektrisches

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Signal, das durch den ursprünglichen Lichtstrahl erzeugt wird, in einem speziellen elektromechanischen Komparator verglichen, was die Verwendung eines komplizierten trigonometrischen Aufbaus erfordert, um die Phasenverschiebung zu bestimmen, die durch Änderungen in dem Brechungsindex des Fluids von der chromatographischen Säule verursacht wird. Ein Beispiel für derartiges interferometrisches Refraktometer ist dem Aufsatz "A Laser Interferometer for Detection of Chromatographie Effluent and Measurement of Volume Elasticity of Liquids" von H. Z. Hazelbrook, erschienen in Journal of Physics E: Scientific Instruments 5, 19 72, 180 bis 185, offenbart.

Interferometrische Refraktometer nach dem Stand der Technik besitzen verschiedene Nachteile. Beispielsweise ist eine komplizierte elektromechanische Verbindung notwendig, und die Vorrichtung ist empfindlich gegenüber Änderungen der Intensität der Primärlichtquelle, was eine verhältnismäßig komplexe Überwachungsanordnung für die Lichtintensität erfordert.

Es ist bereits ein Interferometer bekannt, in dem zwei kohärente Lichtstrahlen in bezug zueinander phasenmoduliert sind, bevor sie durch die jeweiligen Zellen in eine duale Flußzelle laufen, und dann zur Bildung eines Interferenzmusters kombiniert werden. Das Interferenzmuster wird mit einem Signal

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verglichen, das die Lichtstrahlen moduliert, wodurch ein Signal erhalten wird, das Änderungen in der optischen Länge der Lichtstrahlen anzeigt, wenn sie durch die Flußzellen laufen, was wiederum Änderungen in dem Brechungsindex des Fluids in der Flußzelle angibt. Es sind Techniken zur Charakterisierung von Interferometern bekannt, in denen zwei kohärente Lichtstrahlen in bezug zueinander zur Erzeugung von Interferenzmustern phasenmoduliert sind. Diese Interferenzmuster werden erfaßt und aufgezeichnet. Jedoch moduliert bei dieser Arbeitsweise die Auftreffplatte oder das Target einen der Lichtstrahlen, indem es ihn von seiner Oberfläche reflektiert. Eine derartige Arbeitsweise ist in dem Aufsatz "Fringe-Shift Generators for Characterizing Interferometer System Response" von K.W. Henry und G.A. Carlson, erschienen in November 1973, Rev. Sei. Instrum. V. 44, n. 11, Seiten 1654 bis 1657, offenbart. Es sind auch Interferometer bekannt, die elektronisch die Eigenheiten der Interferenzmuster erfassen; ein derartiges Interferometer ist in dem Aufsatz "A New Reversible High-Speed Fringe Counter for Laser Interferometry" von F.T. Arecchi, G. Zepre und A. Sona, erschienen im August 1964 in Alta Frequenza, Vol. XXXIII, Seiten 534 bis 540, offenbart.

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Diese Vorrichtungen nach dem Stand der Technik stellen nicht das gleiche, identische Modulationselement in beide Lichtbahnen. Da sich nicht das gleiche Modulationselement in jedem Lichtweg befindet, sind die Interferometer nach dem Stand der Technik Instabilitäten, beispielsweise Temperaturabweichungen, unterworfen. Darüber hinaus hat sich ergeben, daß die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zur Phasenmodulierung von Lichtstrahlen extrem kostenaufwendig sind.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex von Substanzen zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein neuartiges Interferometer zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zur Phasenmodulierung von Lichtstrahlen zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein neuartiges interferometrisches Refraktometer zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die verhältnismäßig einfach und kostengünstig zur Messung des Brechungsindex von Substanzen verwendet werden können.

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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex einer Substanz zu schaffen, wobei die Vorrichtung keine komplizierten, sich bewegenden Teile aufweist.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein neuartiges interferometrisches Refraktometer mit einem automatisch einstellenden Maßstab zu schaffen.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein neuartiges interferometrisches Refraktometer zu schaffen, das gegenüber Änderungen der Lichtintensität nicht empfindlich ist.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine ökonomische Vorrichtung zur gegenseitigen Phasenmodulierung von Lichtstrahlen zu schaffen.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Refraktometer mit einem selbsteinstellenden Maßstab zu schaffen, das gegenüber Abweichungen in der Intensität der Lichtquelle nicht empfindlich ist.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Interferometer zu schaffen, das extrem kleine Wegunterschiede auflösen kann, etwa in der Größenordnung eines Tausendstels einer Linie (fringe).

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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Interferometer zu schaffen, das eine einzige Phasenmodulation für beide Lichtstrahlen aufweist, wodurch die Stabilität und Empfindlichkeit verbessert wird.

Gemäß den oben angegebenen und weiteren Zielen der Erfindung besitzt das Interferrometer einen periodisch modulierten Lichtstrahlgenerator, einen optischen Weglängensensor und eine Indikatorschaltung.

In der bevorzugten Ausführung besitzt der periodisch modulierte Lichtstrahlgenerator eine Lichtquelle, die zwei getrennte Strahlen bildet, die durch einen Quarzkristall geführt werden, der winklig zu den Strahlen angeordnet ist. Der Quarzkristall ist so geschnitten, daß er in einem vorgegebenen Frequenzbereich in der Biegeschwingungsform erster Ordnung vibriert, und er besitzt Elektroden, die geeignet sind, den Kristall in vier Schwingungen zweiter Ordnung in dem Frequenzbereich, das dem der Biegeschwingungen erster Ordnung entspricht, anzutreiben. Da die Vibration eines Kristalls, der in Scherschwingungen zweiter Ordnung erregt wird, die Bewegung und die Belastung in dem Kristall darstellt, wenn er in der Biegeschwingung erster Ordnung erregt wird, ist der Kristall zu Biegeschwingungen erregt. Wenn der Kristall in der Biegungs-

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form vibriert, verlaufen die durch die Enden geführten Lichtstrahlen durch unterschiedliche Weglängen des Quarzes und sind deshalb jeweils um unterschiedliche Beträge verzögert, was dazu führt, daß die Lichtstrahlen zueinander phasenmoduliert sind.

In der bevorzugten Ausführung besitzt der optische Weglängensensor zwei Flußzellen, die dazu ausgelegt sind, ein Referenzlösungsmittel und das abfließende Medium von einer chromatographischen Säule aufzunehmen, wobei die Flußzellen derartig angeordnet sind, daß sie unterschiedliche Strahlen der beiden modulierten Lichtstrahlen von dem periodisch modulierten Lichtstrahlgenerator empfangen.

Die Lichtstrahlen werden kombiniert, um nach dem Durchlaufen durch die Flußzelle ein Interferenzmuster zu bilden und treffen nach einer weiteren Modulation durch das abfließende Medium auf eine Fotozelle. Die Fotozelle ist elektrisch mit der Indikatorschaltung verbunden, an die sie elektrische Signale abgibt, die ein Interferenzmuster anzeigen, das sich ändert, wenn die Lichtstrahlen der Phase zueinander durch den Kristall und wenn die optischen Weglängen der Lichtstrahlen durch das abfließende Medium moduliert worden sind. Die Indikatorschaltung erfaßt das Interferenzmuster und liefert eine Anzeige der Zeitbeziehung zwischen dem Interferenzmuster und dem Modulierpotential, das an den periodisch

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modulierten Lichtstrahlgenerator angelegt wird. In der bevorzugten Ausführung zeigt diese Beziehung den Refraktionsindex des Fluids an, der proportional zu der Änderung der optischen Länge zwischen einem Referenzfluid und dem Lösungsmittel ist.

Im Betrieb werden die beiden Lichtstrahlen von der gleichen Lichtquelle durch einen Phasenmodulator übertragen. Vorzugsweise ist der Phasenmodulator ein Kristall, der in einem Winkel zu den beiden Lichtstrahlen angeordnet ist, wobei jeder Lichtstrahl durch ein anderes Ende des Kristalls verläuft. Der Kristall wird in Biegeschwingungen versetzt, indem ein sinusförmiges Modulationssignal an die Elektroden gelegt wird, die ihn in Schervibrationen zweiter Ordnung mit einer Frequenz erregen, die der Frequenz des Kristalls für Biegeschwingungen erster Ordnung entspricht. Die Vibration des Kristalls führt dazu, daß sich das eine Ende in eine Stellung bewegt, die einer rechtwinkligen Stellung zum Lichtstrahl näherkommt, während das andere Ende sich derart bewegt, daß es einen größeren Winkel aufweist, was verschiedene Phasenverschiebungen in dem Licht verursacht.

Die phasenmodulierten Lichtstrahlen werden an einen optischen Weglängensensor gelegt, um in Übereinstimmung mit

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einer Messung weiter moduliert zu werden. In der bevorzugten Ausführung wird jeder der Lichtstrahlen durch eine unterschiedliche Flußzelle geführt, von denen die eine ein Referenzfluid und die andere ein Fluid enthält, das überwacht werden soll, so daß ein Vergleich der Modulation der Lichtstrahlen, die durch die Fluide verursacht wird, den Brechungsindex des zu überwachenden Fluids anzeigt.

Nach dem Durchgang durch die Fluide werden die Lichtstrahlen zur Bildung einer Interferenzmusters auf einer fotosensitiven Vorrichtung kombiniert. In der bevorzugten Ausführung erfaßt ein Übergangsspannungsdetektor den Nullspannungsübergangspunkt des Signals, das von der fotosensitiven Vorrichtung in Ansprache auf die Änderung des Interferenzmusters erzeugt wird, und erzeugt Ausgangsimpulse, die zeitlich den Nullübergangspunkten entsprechen. Diese Impulse takten oder gaten einen Eingang eines Phasenmessers, der das sinusförmige Modulationssignal als Referenzeingabe verwendet. Der Phasenmesser zeigt dann die Phasenverschiebung an, die durch das abfließende Medium verursacht wird.

Dieses Verfahren und die Vorrichtung besitzen eine Reihe von Vorteilen, beispielsweise: (1) die Bildung eines automatischen Maßstabs/ (2) kein Vorhandensein von komplizierten, sich bewegenden Teilen, (3) eine verhältnismäßig einfache Be-

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Stimmung der optischen Weglängen und insbesondere des Brechungsindex einer Substanz ohne die Verwendung von komplizierten, sich bewegenden Teilen, (4) Unempfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber Änderungen der Intensität des Lichtes von der Primärlichtquelle, (5) Vernachlässigbarkeit der geradzahligen und ungeradzahligen harmonischen Störungen des Brechungsindex (die Ausgabe ist direkt proportional dem Brechungsindex), und (6) der Phasenmodulator ist kostengünstig und verhältnismäßig frei von Fehlern, die durch die Temperatur erzeugt werden.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 ein Blockdiagramm eines Interferometers gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführung;

Figur 2 die schematische Darstellung eines Generators für periodisch modulierte Lichtstrahlen, der ein Teil des Interferometers nach Figur 1 ist;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung eines Generators für periodisch modulierte Lichtstrahlen, die anstelle der Ausführungen gemäß Figur 2 verwendet werden kann;

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Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung eines Generators für periodisch modulierte Lichtstrahlen, die anstelle der Ausführungen gemäß Figur 2 verwendet werden kann;

Figur 5 eine teilweise geschnittene schematische Darstellung eines optischen Weglängensensors, die in einer Ausführung der Erfindung Verwendung finden kann;

Figur 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung eines optischen Längensensors, die in einer Ausführung der Erfindung verwendet werden kann; und

Figur 7 die schematische Darstellung einer Schaltung für die Indikatorschaltung, die zweckmäßig für die Ausführung des Interferometers gemäß Figur 1 ist.

In Figur 1 ist ein Interferometer 10 gezeigt, das einen modulierten Lichtstrahlgenerator 12, einen optischen Weglängensensor 14 und eine Indikatorschaltung 16 aufweist. Der modulierte Lichtstrahlgenerator 12 liefert phasenmodulierte Lichtstrahlen zu dem optischen Weglängensensor 14, der eine Probe empfängt oder erhält, deren optische Weglänge erfaßt werden soll, und der ein Ausgangssignal an die Indikatorschaltung 16 liefert. Die Indikatorschaltung 16 steuert den modulierten Lichtstrahlgenerator 12 und zeigt in Übereinstimmung mit dem Ausgang von dem optischen Weglängensensor 14 Änderungen in

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der optischen Weglänge oder Informationen, die leicht von derartigen Änderungen abgeleitet werden können.

Um zwei zueinander phasenmodulierte Lichtstrahlen zu erzeugen, besitzt der Lichtstrahlgenerator 12 eine Lichtquelle 18, einen Strahlenteiler 20 und einen elektrischen Strahlphasenrelationsmodulator 22.

Der Strahlteiler 20 ist derart angeordnet, daß er Licht von der Lichtquelle 18 empfängt, und er besitzt eine Vorrichtung: (1) zur Erzeugung von zwei monochromatischen Lichtstrahlen mit konstanter Phasenbeziehung zueinander, und (2) zur übertragung der beiden Lichtstrahlen zu dem elektrischen Strahlphasenrelationsmodulator 22. Der elektrische Strahlphasenrelationsmodulator 22 ist derart angeordnet, daß er die beiden Lichtstrahlen von dem Strahlteiler 20 aufnimmt, und er besitzt eine Vorrichtung, die elektrisch mit der Indikatorschaltung 16 über den Leiter 36 zur gegenseitigen Phasenmodulation der Lichtstrahlen in Ansprache auf das Signal auf dem Leiter 36 verbunden ist.

Die Lichtquelle 18 ist in der bevorzugten Ausführung ein Helium-Neon-Laser, der eine der mehrere intensive Spektrallinien bei einer Wellenlänge von 628 ran aufweist. Es

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können jedoch auch andere Lichtquellen, beispielsweise eine Niederdruckquecksilberdampflampe oder andere Spektrallampen für Anwendungen benutzt werden, die mit ihren Charakteristiken zu vereinbaren sind.

Um die beiden Lichtstrahlen mit der gleichen Phase aus dem Licht, das von der Lichtquelle 18 empfangen wird, zu erzeugen, besitzt der Strahlenteiler 20 beispielsweise halbdurchlässige Spiegel, um getrennte Lichtstrahlen zu bilden, die aus dem von der Lichtquelle 18 empfangenen Licht gebildet werden, wie es beispielsweise in einem Mach-Zehnder-Interferrometer zum Stand der Technik gehört.

Um die beiden Lichtstrahlen zu modulieren, besitzt der elektrische Strahlphasenrelationsmodulator 22 eine Vorrichtung, um zumindest einen Lichtstrahl aufzunehmen und ihn zu verzögern oder zu beschleunigen, so daß er seine Phasenbeziehung zum anderen Lichtstrahl ändert. Die Vorrichtung überträgt auch die beiden phasenmodulierten Lichtstrahlen zu dem optischen Weglängensensor 14, nachdem die Lichtstrahlen zueinander phasenmoduliert worden sind.

In der bevorzugten Ausführung werden die beiden Lichtstrahlen durch die Endabschnitte eines Quarzkristalls übertragen,

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der in einem Winkel bezüglich der Lichtstrahlen angeordnet ist und in der Hauptrichtung der Lichtstrahlen vibriert, so daß die beiden Lichtstrahlen jeweils durch Stärken des Kristalls übertragen werden, die sich durch die Vibrationen ändern. Jedoch können auch andere Vorrichtungen für den gleichen Zweck verwendet werden, beispielsweise ein elektrischer, doppelbrechender Modulator. Allgemein gesagt kann der elektrische Strahlphasenrelationsmodulator eine beliebige Vorrichtung sein, die in der Lage ist, periodisch die Phasenbeziehung zwischen den Lichtstrahlen um einen beträchtlichen Wert, beispielsweise - pi, zu variieren, um somit periodische Zeitpunkte einer Nullphasenabweichung zwischen den Wellen der Lichtstrahlen zu liefern.

Um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die optische Weglänge durch eine Probe oder eine sich bewegende Probe liefert, besitzt der optische Weglängensensor 14 einen Probenhalter 24, eine Lichtstrahlzusammenführung 26 und einen Lichtsensor 28, wobei der Probenhalter 24 derart angeordnet ist, daß einer der phasenmodulierten Lichtstrahlen von dem modulierten Lichtstrahlgenerator 12 durch die Probe verläuft oder sie berührt und der andere Lichtstrahl durch eine Referenzprobe oder direkt zu der Strahlenzusammenführung 26 verläuft. Die Strahlenzusammenführung 26 ist so angeordnet, daß sie die beiden Lichtstrahlen aufnimmt und zusammenfaßt, nachdem sie durch die Probe ver-

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laufen sind oder sie berührt haben, und daß sie die zusammengefaßten Lichtstrahlen zu dem Lichtsensor 28 überträgt, der ein repräsentatives elektrisches Signal erzeugt.

Die Indikatorschaltung 16 besitzt einen Modulationssignalgenerator 32 und einen Phasenmesser oder ein Phasenmeter 34, wobei der Modulationssignalgenerator 32 über den Leiter 36 elektrisch mit dem elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 verbunden ist, um die Modulation der beiden Lichtstrahlen zu steuern, und außerdem über den Leiter 38 an das Phasenmeter 34 angeschlossen ist. Das Phasenmeter 34 ist elektrisch mit dem Lichtsensor über den Leiter 30 verbunden und zeigt das Verhältnis zwischen dem von dem Modulationssignalgenerator 32 und dem von dem Lichtsensor 28 erzeugten Signal an.

Vor dem Betrieb des Interferometers 10 wird die Probe in dem Probenhalter 24 angeordnet. Beispielsweise kann die Probe ein abfließendes Medium von einer chromatographischen Säule sein, in diesem Fall wird das reine Lösungsmittel, das in der chromatographischen Säule verwendet wird, in der einen Flußzelle einer dualen Flußzelle angeordnet, und das Fluid von der chromatographischen Säule wird durch die andere Flußzelle geführt, so daß der eine Lichtstrahl durch ein Referenzlösungsmittel verläuft und der andere Lichtstrahl durch das abfließende Medium von der chromatographi-

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sehen Säule. Es wird dann eine Grundlinie eingerichtet. Beispielsweise wird in dem obigen Beispiel das Phasenmeter abgelesen, um eine Grundlinienphase anzuzeigen, wenn das reine Lösungsmittel durch beide Flußzellen fließt. In anderen Ausführungen wäre es möglich, den Indikator oder Aufzeichner auf eine Nullanzeige mit reinem Lösungsmittel einzustellen.

Im Betrieb überträgt der elektrische Strahlenphasenrelationsmodulator 22 zwei Lichtstrahlen durch den Probenhalter 24, der durch die beiden Flußzellen einer dualen Flußzelle gebildet werden kann, und durch die Strahlenzusammenführung 26, die ein Interferenzmuster erzeugt, das sich ändert, wenn die Phase der beiden Lichtstrahlen sich ändert. In Abhängigkeit von der optischen Weglänge durch die Probe oder von der Probe liefert die Strahlenzusammenführung 26 ein Interferenzmuster an den Lichtsensor 28, der ein Signal durch den Leiter zu der Indikatorschaltung 16 überträgt, damit das Phasenmeter 34 die optische Weglänge anzeigt, die den Brechungsindex für den Fall darstellen kann, in dem ein Abflußmedium von einer chromatographischen Säule zu überwachen ist.

Um zwei zueinander modulierte Lichtstrahlen zu schaffen, überträgt die Lichtquelle 18 Licht einer Wellenlänge von 628 nm zu dem Strahlaufteiler 20, indem es aufgeteilt wird,

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um zwei Lichtstrahlen zu bilden, die von dem Strahlengenerator zu dem elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator übertragen werden.

Die beiden Lichtstrahlen sind zueinander durch den elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 phasenmoduliert in Übereinstimmung mit den Signalen, die auf dem Leiter 36 vom Demodulationssignalgenerator 32 empfangen werden, und zwar mit einem Phasenwinkel, der groß genug ist, um eine ausreichende Modulationsbreite zu liefern, und sie werden weiterhin durch den Probenhalter 24 geführt, um die optische Weglänge durch die Probe oder bis zur Probe zu erfassen. Ganz allgemein werden die beiden Lichtstrahlen um einen Phasenwinkel moduliert, der größer als pi ist, um die Bildung von Brechungslinien (fringes) sicherzustellen. In der Tat muß die Modulationslänge nur ausreichen, so daß Linien gebildet werden, wenn die Verzögerung, die durch die zu messende Probe verursacht ist, zusammen mit der maximalen Modulation wenigstens pi beträgt.

Um den Brechungsindex eines abfließenden Mediums von einer chromatographischen Säule in den Fällen, in denen dieses Medium die Probe darstellt, zu erfassen, wird ein reines Lösungsmittel durch eine Flußzelle der dualen Flußzelle gegeben, die den einen der Lichtstrahlen von dem elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 aufnimmt, und

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das abfließende Medium von der chromatographischen Säule wird in die andere Flußzelle gegeben, die den anderen Strahl vom elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 aufnimmt.

Wenn das reine Lösungsmittel durch beide Flußzellen fließt, wird die Phasenrelation zwischen den Lichtstrahlen, die durch die Flußzellen verlaufen, nicht durch das Lösungsmittel beeinträchtigt, so daß der Zeitpunkt der Nullphasendifferenz zu periodischen Zeiten auftritt, die durch den Strahlenmodulator gesteuert werden, oder die Phase wird nur in einer feststehenden Weise beeinträchtigt, die kompensiert wird durch die ursprüngliche visuelle Einstellung oder Ausrichtung der optischen Wege. Wenn jedoch ein Abflußmedium von der chromatographischen Säule durch eine Flußzelle läuft, ändert der Brechungsindex des abfließenden Mediums die Zeit, die für den Lichtstrahl erforderlich ist, die Flußzelle zu durchqueren, wodurch das Phasenverhältnis zwischen den beiden Lichtstrahlen geändert wird.

Die beiden Lichtstrahlen werden in der Strahlenzusammenführung 26 zusammengefaßt und auf den Lichtsensor 28 in der Form eines sich ändernden Interferenzmusters gegeben, wobei sich das Muster in der Lichtintensität ändert, wenn die Phasenrelation zwischen den beiden Lichtstrahlen, die

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von dem Probenhalter 24 übertragen werden, sich ändert. Der Lichtsensor 28 erzeugt in Ansprache auf das wechselnde Interferenzmuster ein variierendes elektrisches Signal, das die Änderung in der Lichtintensität des Interferenzmusters anzeigt, und liefert das Signal durch den Leiter 30 zu der Indikatorschaltung 16.

Um die optische Weglänge zu messen, vergleicht die Indikatorschaltung 16 das auf der Leitung empfangene Signal mit dem Signal, das von dem Modulationssignalgenerator auf dem Leiter 38 empfangen wird. Wenn beispielsweise ein reines Lösungsmittel durch die beiden Flußzellen in den Probenhalter 24 fließt, zeigt das Interferenzmuster eine Nullphasenverschiebung zu denselben Zeitabschnitten an, die durch den Modulationssignalgenerator 32 gebildet werden.

Wenn die optische Weglänge sich ändert, beispielsweise wenn ein Abflußmedium mit einem unterschiedlichen Brechungsindex von der chromatographischen Säule durch die eine der Flußzellen in der dualen Flußzelle fließt, ändert sich das Phasenverhältnis. Diese Änderung wird auf dem Phasenmeter 34 angezeigt, das in Einheiten des Brechungsindex kalibriert werden kann. Das Phasenmeter kann einen Probenkollektor oder einen Aufzeichner in einer an sich bekannten Art steuern, um unterschiedliche Abflußmedien in verschiedenen Behältern zu sammeln oder um auf einer Aufzeichnung den Brechungsindex

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des Abflußmediums anzuzeigen, was ein Maß für den Lösungsmittelgehalt ist.

Wie der obigen Beschreibung entnommen werden kann, hat das Interferometer 10 mehrere Vorteile, beispielsweise (1) liefert es einen automatischen Maßstabsausgang, (2) weist es keine komplizierten bewegenden Teile, (3) ist es verhältnismäßig einfach, die Länge des optischen Weges zu bestimmen, und zur Durchführung sind keine komplizierten bewegenden Teile notwendig, und (4) ist die Vorrichtung gegenüber Änderungen in der Lichtintensität von der Primärlichtquelle nicht empfindlich, da die Messung auf Phasenänderungen anstatt auf Änderungen der Amplitude der Lichtintensität beruht.

In Figur 2 ist eine Ausführung des Generators 12A für den modulierten Lichtstrahl gezeigt, bei dem der Strahlenteiler 2O so angeordnet ist, daß er Licht von der Primärlichtquelle 18 aufnimmt und zwei Lichtstrahlen zu dem elektrischen Strahlphasenrelationsmodulator 22 (siehe Figur 1) überträgt, der in Figur 2 ein Kristallmodulator ist. Um zwei parallele Strahlen von kohärentem Licht zu bilden, besitzt der Strahlenteiler 20 einen halbdurchlässigen Spiegel 40 und einen Spiegel 42 zwischen der Primärlichtquelle 18 und dem elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22, die in der

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genannten Reihe angeordnet sind. Der halbdurchlässige Spiegel 40 ist eine auf der Oberfläche leicht versilberte Glasplatte und in üblicher Weise aufgebaut, um einen Teil des Lichtes zu reflektieren und einen anderen Teil durchzulassen, so daß ein erster und ein zweiter Lichtstrahl 48 und 46 in einem Winkel zueinander von der gleichen Lichtquelle gebildet werden. Er
ist in dem Lichtstrahl von der Lichtquelle 18 angeordnet und bildet mit diesem einen Winkel von 135°, um einen zweiten
Lichtstrahl 46 in einem Winkel von 90° von dem ersten Strahl zu reflektieren, wobei der erste Strahl 48 direkt zu dem Modulator 22 übertragen wird. Der Spiegel 42 ist in einem Winkel von 135° zu dem zweiten Strahl 46 und in ihm liegend angeordnet, so daß er den zweiten Strahl zu dem Modulator 22
parallel zum ersten Strahl reflektiert.

Um die beiden Lichtstrahlen 46 und 48 zu modulieren, besitzt der elektrische Strahlphasenrelationsmodulator 22 in der Ausführung gemäß Figur 2 einen Quarzkristall 50 der Y-Schnittklasse oder Orientierung II, der entweder ein gerader Y-Schnitt oder ein rotierter Y-Schnitt, beispielsweise ein
temperaturabhängiger Kristall oder AT-Schnitt sein kann und
der zwei lichtdurchlässige Endabschnitte 52 und 54 besitzt,
durch die die Lichtstrahlen 46 und 48 verlaufen, sowie Paare von Elektroden, deren eines Paar 56A und 56B auf der einen
Stirnseite und deren anderes Paar 58A und 58B auf der entgegengesetzten Stirnseite angeordnet ist. Die Elektroden 56A

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und 58b sind elektrisch mit dem Leiter 36 verbunden, um die Modulationsspannung von dem Modulationssignalgenerator 32 (Figur 1) aufzunehmen, die Elektroden 56B und 58A sind geerdet, wobei jede Elektrode in üblicher Weise mit einer Platte auf dem Quarzkristall 50 verbunden ist, um den Quarzkristall in der Dickenscherung zweiter Ordnung (second-order thickness shear mode) zu beanspruchen, wodurch er in der Biegelängendicke in der ersten Ordnung (first-order flexural length-thickness mode) vibriert.

In diesem Betrieb biegt sich der Kristall, um die durch die Enden verlaufenden Lichtstrahlen in der Phase zu modulieren. Diese Art der Vibration, nicht jedoch der optische Effekt, ist beschrieben in "PIEZOELECTRICITY" von Walter Guyton Cady, veröffentlicht von McGraw-Hill Book Company, Inc., London 1946, 1st Ed., Seiten 446, 448 und 449. Weitere Einzelheiten des Aufbaus derartiger Vibrationselemente sind in einem Aufsatz "A Length-Thickness Flexure Mode Quartz Resonator" von Robert W. Allington, veröffentlicht in Proceedings of the 29th Annual Frequency Control Symposium - 1975 auf den Seiten 195 bis 201 beschrieben.

Der Kristall wird in einem Winkel zu der Ebene, die rechtwinklig zu der Richtung der beiden Lichtstrahlen liegt, befestigt. Demgemäß biegt sich bei einer Biegung in eine

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Richtung in der Biegeschwingung in der Längen-Dicke-Richtung in erster Ordnung ein Ende in Richtung der Ebene senkrecht zur Richtung der beiden Lichtstrahlen, und das andere Ende biegt sich weiter weg von der Ebene, was für das eine Ende einen kürzeren Weg zu dem Kristall und dem anderen Ende einen längeren Weg für die Lichtstrahlen ergibt.

In der bevorzugten Ausführung wird eine sinusförmige Impulsfolge an die Elektroden des Kristalls in der Resonanzfrequenz angelegt, um beide Enden von der Ruhestellung weg zu deformieren. Jedoch kann in anderen Ausführungen eine Sägezahnfolge oder ähnliches verwendet werden, um den elektrischen Strahlphasenrelationsmodulator 22 zu betätigen. Darüber hinaus ist es möglich, andere Ordnungen der Biegeschwingung anstatt der Biegeschwingung erster Ordnung zu verwenden, um andere Lichtmodulationseffekte zu erhalten. Jedoch wird bei der Verwendung von zwei Enden des Kristalls in der bevorzugten Stoß-Zieh-Betriebsweise mit der Resonanzbiegeschwingung erster Ordnung eine gute Korrektur des Temperaturkoeffizienten erhalten, und die geradzahligen und ungeradzahligen harmonischen Fehler sind verhältnismäßig klein.

Der Quarzkristall ist in der bevorzugten Ausführung in einem Winkel von 20 bezüglich der Ebene rechtwinklig zu den Lichtstrahlen befestigt. Dies verringert die Stärke

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der Biegung, die notwendig ist, um die geeignete Dicke zum Ändern des Durchgangsweges, den die Lichtstrahlen an den beiden Enden passieren, zu erzeugen. Jedoch sind verschiedene Kristalle in verschiedenen Winkeln befestigt, wobei die Winkel und die Anordnung der Fenster an den Kristallen so ausgewählt wird, daß die Phase der Lichtstrahlen um ungefähr pi moduliert wird, wobei der Kristall mit einer Amplitude vibriert, die keine übermäßige Beanspruchung des Kristalls darstellt.

Bei diesem Winkel des Kristalls bei einer extremen Vibration wird der Lichtstrahl 46 durch die maximale Dicke des gebogenen Kristalls 50 zu dem gleichen Zeitpunkt übertragen, zu dem der Lichtstrahl 48 durch die minimale Dicke verläuft. Gleichermaßen läuft der Lichtstrahl 46 durch eine minimale Dicke des Kristalls, wenn bei dem anderen Extrem der Vibration der Lichtstrahl 48 durch die maximale Dicke des Kristalls verläuft. Zwischen diesen beiden Extremen ist der Unterschied in der Dicke des Kristalls und die Unterschiede in den Wegen durch die Räume, die die Strahlen durchqueren, im wesentlichen proportional zu einer phasenbezogenen Spannung, die an den Kristall gelegt wird, da der Unterschied in der Länge exakt proportional den Unterschieden in den Biegewinkeln ist, die proportional dem

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Wert der Spannung sind, die den Kristall moduliert. Dieses Ergebnis wurde empirisch gefunden und ist aus den Gleichungen, die das Verhältnis zwischen Kristallbewegung und den effektiven Lichtwegänderungen beschreiben, nicht unmittelbar ersichtlich, jedoch haben sich die Ergebnisse aus der Praxis ergeben, was ein überraschendes Ergebnis darstellt.

Da der Brechungsindex des Kristall unterschiedlich von dem der Luft ist, werden die beiden Strahlen zueinander in der Phase moduliert, wenn ein Strahl stärker verzögert wird als der andere. Die Weglängenänderung für einen Strahl, der durch ein Ende des Kristalls entsprechend einem Extrem der Vibrationsauslenkung zum anderen verläuft, kann einer halben Wellenlänge des 628 nm-Lichtes gleich sein, was 314 nm entspricht. Dies erzeugt eine Lichtstrahlphasenmodulation von 2 pi, was eine gesamte Wellenlänge ist.

Der Winkel des Kristalls 50 bezüglich der Lichtstrahlen wird gemäß den Gegebenheiten, wie beispielsweise den Aus~ maßen des Kristalls, dem Verhältnis des Brechungsindex des den Kristall umgebenden Mediums zu dem Kristall selbst, gemäß der Stelle, an der die Lichtstrahlen den Kristall treffen, oder gemäß der Art, in der der Kristall erregt wird, ausgewählt. Tatsächlich muß der Kristall nicht unbedingt in einigen Anordnungen einen Winkel aufweisen, beispielsweise

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wenn ein Lichtstrahl durch die Mitte des Kristalls verläuft und ein weiterer durch ein Ende des Kristalls. Jedoch muß der Kristall und das Verhältnis der Brechungsindices von Luft zu dem Kristall derart sein, daß eine adäquate Phasenverschiebung, die in der Größenordnung von pi liegt, erreicht wird.

Kristalle mit einer Dicke von 0,38 mm, einer Länge von 2,5 cm, einem Brechungsindex von 1,55 und einer Biegung von plus oder minus 0,18° reichen für diesen Zweck völlig aus, wenn sie mit einem Licht von 62 8 nm Wellenlänge von einem Helium-Neongaslaser bestrahlt werden, dessen Strahl moduliert werden soll. Falls andere Wellenlängen verwendet werden, können andere Winkel oder andere Dicken des Kristalls notwendig werden, um die erforderliche Verzögerung für die unterschiedlichen Lichtwellenlängen zu liefern. Die notwendige Vibrationsgröße ist leicht mit Quarzkristallen zu erreichen, die in der Längen- und Dickenbiegung in der ersten Ordnung vibrieren.

Für kleinere Vibrationen ist der Einfallswinkel der Lichtstrahlen 46 und 48 auf die Enden des Kristalls 50 linear proportional zu der Biegung an dem Ende des Kristalls, die ihrerseits durch die Beanspruchung in dem Kristall verursacht wird, die durch das elektrische Feld erzeugt

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wird, das durch die Erregungselektroden 56A und 56B und 58A und 58B angelegt wird. Mit einer geeignet ausgelegten Schaltung existiert ein festes Phasenverhältnis zwischen der Spannung an den Erregungselektroden 56A, 56B und 58A, 58B und der Vibration des Kristalls. Somit kann, da kleine Amplituden der Kristallvibration (gewöhnlich eine Biegung von weniger als 1 ) verwendet werden, die Winkelstellung der Enden des Kristalls in linearer Beziehung zu der Erregungsspannung des Kristalls gesetzt werden. Die Erregungsspannung an dem Kristall kann als ein Phasenreferenz verwendet werden, da sie als eine Kristallstellungsreferenz verwendet werden kann. Jedoch können auch andere Arten von Phasen und Stellungsreferenzen verwendet werden. Ein naheliegender Weg ist es, einen dritten Lichtstrahl von dem Ende des Kristalls zu reflektieren und den Winkel des reflektierten Strahls fotoelektrisch zu messen.

Das lineare Verhältnis zwischen der Erregungsspannung oder der Winkelstellung des Kristalls und der optischen Weglängenmodulation ist ein vollständig unerwartetes Ergebnis. Die Gleichung für Änderungen in einer der optischen Weglängen bezüglich des Einfallswinkels des Strahls zu dem Kristall, wenn ein Ende des Kristalls durch unterschiedliche Beträge von der Normalen während der Modulation abweicht, ist eine nicht lineare Funktion des Einfallswinkels

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oder der Winkelabweichung aufgrund der Vibration. Die Glei chung für die Änderung in der optischen Weglänge eines der Strahlen ist in Gleichung 1 gezeigt, und die Gleichung für die unterschiedlichen Weglängenänderung ist in Gleichung 2 gezeigt.

δ =

wobei:

Gleichung 1

(η-1)}

J = Änderung in der optischen Weglänge bei nur einem der Lichtstrahlen

φ - Winkel des Kristalls in Ruhestellung zu den Lichtstrahlen

θ = Winkel des einen Endes des Kristalls bei maximaler Auslenkung zur Ruhestellung

η = Brechungsindex des Kristalls t = Dicke des Kristalls

Gleichung 2

Δ = δ(+θ) -δ (-Θ)

die differentielle Weglängenänderung ist, die die Gesamtphasendifferenz zwischen den beiden Lichtwegen verursacht.

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Eine überprüfung dieser Gleichungen würde zuerst den Anschein erwecken, als ob wesentliche gerade und ungerade harmonische Störungen in der Weglängenmodulation bezüglich dem Potential, das ursprünglich die Modulation erzeugt, existierten. Jedoch fallen durch die Verwendung beider Kristallenden Nichtlinearitäten, die als Störungen zweiter Ordnung oder geradzahlig harmonischer Art beschrieben werden können, weg. Noch überraschender machen jedoch eine erste Prüfung der Gleichungen 1 und 2 nicht deutlich, daß die ungeradzahligen harmonischen wegfallen. Es ist nicht zu erwarten, daß ungeradzahlige Harmonische in transzendentalen Gleichung wegfallen, außer bei einer sehr ungewöhnlichen Gleichung, die den Einfallswinkel auf Erregungsspannung bezieht. Es ist notwendig, daß die Gleichung eine gerade Funktion ist, um derartige ungeradzahlige Harmonische zu vermeiden, jedoch verhalten sich die Gleichungen 1 und 2 überraschenderweise als eine gerade Funktion und noch genauer im wesentlichen als eine Funktion zweiter Ordnung oder Quadratfunktion.

Es wurde herausgefunden, daß die Nichtlinearität des Verhältnisses zwischen Phase und der Winkelbewegung an einem Ende des Quarzkristalls 50 fast exakt durch den nicht linearen Effekt in der Phase des Lichtstrahls am entgegengesetzten Ende des Kristalls 50 kompensiert wird. Mit anderen Worten

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ist der optische Weglängenunterschied, der durch die Vibration des Kristalls verursacht wird, direkt und linear proportional der Verschiebung des Quarzkristalls während der Schwingung. Ein Wegfall der Fehler durch geradzahlig harmonischen Störungen findet vermutlich aufgrund der Symmetrie der Lichtstrahlen an den entgegengesetzten Enden des Kristalls statt, das Wegfallen der Fehler aufgrund der ungeradzahlig harmonischen Störungen tritt jedoch üblicherweise nicht unter Umständen wie dieser Art von Symmetrie auf. Jedoch zeigen eine Computersimulation und die tatsächliche Erfahrung, daß ein derartiges Wegfallen existiert.

Die Auswahl des Winkels des Kristalls in seiner Ruhestellung bezüglich der Lichtstrahlen ist ein Kompromiß zwischen (1) einem großen Winkel, der den Vorteil einer größeren Änderung in der optischen Weglänge bei der gleichen Kristallbiegung im Gegensatz zu kleineren Winkeln des Kristalls bei Ruhestellung bezüglich der Lichtstrahlen besitzt, und (2) kleineren Winkeln, die leichter zu befestigen sind und weniger Raum beanspruchen. Ein Einfallswinkel von 20° wird bevorzugt. Ein im wesentlichen vollständiges Wegfallen von Fehlern liegt bei allen außer sehr kleinen Winkeln vor, und bei kleinen Winkeln muß der Kristall, um eine gute Modulation zu erhalten, zu einem Punkt erregt werden, bei dem er zerstört oder beschädigt werden kann.

Diese Arbeitsweise der Phasenmodulation hat die Vorteile, daß eine geringe Verzerrung bei vielen Anwendungen vorgesehen ist, bei denen Information durch die zueinander modulierten Lichtstrahlen übertragen wird, beispielsweise wo das Modulationssignal auf dem Leiter 36 eine zu übertragende Information enthält und in einer entfernten Station, wo die Strahlen verglichen werden, interpretiert wird.

In Figur 3 ist ein Generator 12B für einen modulierten Lichtstrahl ähnlich dem modulierten Lichtstrahlgenerator 12A gezeigt, jedoch wird anstelle des Kristalls 50, der in Figur 2 gezeigt ist, ein doppelbrechender Modulator 23 verwendet. In diesem modulierten Lichtstrahlgenerator werden zwei Strahlen monochromatischen Lichts 46 und von der Primärlichtquelle 18 durch den Strahlteiler 20 in der gleichen Weise wie in der Ausführung gemäß Figur 2 erhalten, und die Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie die Elemente in der Ausführung, die in Figur 2 dargestellt ist, versehen.

In der Ausführung gemäß Figur 3 ist der doppelbrechende Modulator 23 so angeordnet, daß er die Lichtstrahlen und 48 empfängt, nachdem sie durch zwei Licht polarisierende Schichten 44A und 44B gelaufen sind. Die polarisie-

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renden Schichten 44A und 44B werden unter dem Warenzeichen POLAROID vertrieben, wobei die POLAROID-Folie 44A den Lichtstrahl 46 in einer Richtung parallel zur Papierebene in Figur 3 linear polarisiert und die POLAROID-Folie 44B den Strahl 48 rechtwinklig zur Papierebene in Figur 3 polarisiert.

Um die Lichtstrahlen zu polarisieren, enthält der doppelbrechende Modulator 23 in einer Umhüllung eine Substanz 25, die doppelbrechend wird, wenn durch die Elektroden 27A und 27B ein elektrisches Feld angelegt wird. Das durch die Elektroden erzeugte Feld führt dazu, daß der Brechungsindex der Substanz 25 in Feldrichtung größer als senkrecht zur Feldrichtung ist, was dazu führt, daß der Lichtstrahl 48, der durch die POLAROID-Schicht 44B polarisiert ist, in seiner Phase bezüglich des Lichtstrahls 46, der senkrecht durch die POLAROID-Schicht 44A polarisiert ist, verzögert wird. Die Strahlen 46 und 48 durchqueren den doppelbrechenden Modulator und laufen zu einer linearen POLAROID-Schicht 29. Die Polarisationsrichtung dieser Schicht liegt zwischen den gegenseitigen senkrechten Polarisationen der Strahlen, so daß nach dem Durchqueren der POLAROID-Schicht 29 die Strahlen beide in der gleichen Richtung, die einen Winkel von 45° mit der Papierebene bildet, polarisiert sind.

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Vorzugsweise sollte der doppelbrechende Modulator 23 einen Brechungsindexunterschied haben, der linear proportional zu dem durch die Elektroden erzeugten Feld ist. Unter diesen Umständen ist, falls das Erregungssignal ein linearer Anstieg oder Sägezahn ist, die Lichtstrahlphasendifferenz eine lineare Funktion der Zeit. Falls ein quadratisch abhängiger doppelbrechender Modulator verwendet wird, kann jede beliebige von verschiedenen linearen Kompensationsvorrichtungen verwendet werden, um ein exaktes Referenzsignal für das Phasenmeter zu liefern.

In Figur 4 ist ein Generator 12C für einen modulierten Lichtstrahl gezeigt, der ähnlich den Generatoren 12A und 12B für modulierte Lichtstrahlen ist, jedoch anstelle des doppelbrechenden Modulators 23 oder des Kristalls 50 zwei Kerr-Zellen 21A und 21B verwendet. Der Strahlteiler 20 liefert zwei Lichtstrahlen 46 und 48 in der gleichen Weise wie in den Ausführungen gemäß den Figuren 2 und 3.

In der Ausführung gemäß Figur 4 werden die beiden Lichtstrahlen 46 und 48 durch eine Polarisationsschicht 47 polarisiert, nach der der erste Strahl 48 zu einer Kerr-Zelle 21B geführt wird, und der zweite Strahl wird zu einer Kerr-Zelle 21A geführt, wobei die Kerr-Zellen 21A und 21B entgegengesetzte Wechselspannungsverbindungen

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36A und 36B und die gleiche Gleichspannungsvorspannung besitzen. Die Wechselspannung vergrößert den Brechungsindex der einen Kerr-Zelle, während der Brechungsindex der anderen Kerr-Zelle zu den polarisierten Lichtstrahlen 46 und 48 abnimmt _r so daß die Lichtstrahlen bezüglich zueinander in Abhängigkeit von der Wechselspannung moduliert werden.

Im Betrieb werden bei allen Generatoren 12A, 12B und 12C für die modulierten Lichtstrahlen, die in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigt sind, zwei monochromatische Lichtstrahlen gebildet und an den Phasenmodulator gelegt, der sie gemäß einem an den Leiter 36 in der in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Art angelegten Signal phasenmoduliert.

Um die beiden monochromatischen Lichtstrahlen zu bilden, erzeugt die Lichtquelle 18, die ein Helium-Neonlaser mit einer starken Spektrallinie bei 628 nm der bevorzugten Ausführung ist, Licht, das in zwei Strahlen durch den Mach-Zehnder-Strahlteiler 20 aufgeteilt wird.

In der Ausführung gemäß Figur 2 werden die beiden monochromatischen Lichtstrahlen 46 und 48 durch die jeweiligen Enden des Quarzkristalls 50 geführt, der in einem

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Winkel von 20° zu den Lichtstrahlen angeordnet ist. Das
sinusförmige Signal auf dem Leiter 36 wird an die Scherelektroden gelegt, wobei ein dem an die Elektroden 56B
und 58a angelegtes entgegengesetztes Potential an die
Elektroden 56A und 58B gelegt wird, um eine Scherdickenbeanspruchung zweiter Ordnung in dem Kristall zu induzieren. Der Kristall wird zur Vibrierung in der Biegevibration erster Ordnung durch die Scherbeanspruchung
bei der gleichen Frequenz erregt, die die Biegeresonanzfrequenz ist, auf die der Quarzkristall 50 zugeschnitten ist, so daß die beiden Lichtstrahlen durch unterschiedliche Dicken des Quarzes während der sinusförmigen Modulation laufen, was eine Phasenmodulation der Strahlen
zueinander ergibt.

In der Ausführung gemäß Figur 3 werden die Lichtstrahlen 46 und 48 rechtwinklig zueinander durch die beiden POLAROID-Schichten 44A und 44B polarisiert und durch den doppelbrechenden Modulator 23 geführt, der den Brechungsindex, wenn er durch eine Wechselspannung auf dem Leiter 36 versorgt wird, in einer der senkrechten Richtungen in bezug auf die andere moduliert, was dazu führt, daß die beiden Lichtstrahlen zueinander moduliert sind. Die beiden Lichtstrahlen laufen dann durch die linear polarisierte Schicht

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29, die in einem 45 -Winkel polarisiert ist, so daß das polarisierte Licht in einer den beiden Strahlen 46 und 48 gemeinsamen Ebene verläuft, was dazu führt, daß die beiden polarisierten Lichtstrahlen in der gleichen Ebene polarisiert und in bezug zueinander moduliert sind durch das auf den Leiter 36 angelegte Anstiegspotential.

In der Ausführung gemäß Figur 4 sind die Lichtstrahlen 46 und 48 in der gleichen Richtung polarisiert und werden auf zwei verschiedene Kerr-Zellen 21A und 21B gegeben. Die Kerr-Zellen 21A und 21B modulieren die Lichtstrahlen bezüglich ihrer gegenseitigen Phase in Abhängigkeit von dem angelegten Wechselspannungspotential mit entgegengesetzten Polaritäten.

In Figur 5 ist eine Ausführung des optischen Weglängensensors 14A dargestellt, wobei die Strahlenzusammenführung angeordnet ist, um (1) Licht zu empfangen, das durch eine duale Flußzelle 24A verläuft; (2) nach der Lichtaufnahme die Lichtstrahlen zusammenzuführen, und (3) die zusammengeführten Lichtstrahlen zu dem Lichtsensor 28 zu übertragen, der eine Fotozelle sein kann.

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Um die Lichtstrahlen mit einer Information zu modulieren, die das ausfließende Medium betrifft, besitzt die duale Flußzelle 24A einen ersten Flußweg 68 und einen zweiten Flußweg 70, wobei der erste Flußweg 68 mit einem Einlaß 72 und einem Auslaß 74 für den Durchfluß eines Lösungsmittels in Verbindung steht und der zweite Flußweg 70 mit einem Einlaß 76 und einem Auslaß 78 für den Durchfluß eines Lösungsmittels und des Ausflußmediums.

Um die Lichtstrahlen zusammenzuführen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das den Brechungsindex des Ausflußmediums repräsentiert, ist die Strahlenzusammenführung 26 eine Mach-Zehnder-Strahlenzusammenführung mit einem Spiegel 26A und einem Strahlteiler 26B, wobei der Flußweg 68 und der Strahlteiler 26 der Mach-Zehnder-Strahlenzusammenführung 26 in dem Lichtstrahl 46 angeordnet ist und der zweite Flußweg 70 und der Spiegel 26A der Mach-Zehnder-Strahlenzusammenführung 26 in dem Lichtstrahl 48 liegt, so daß beide Lichtstrahlen in der Strahlenzusammenführung kombiniert werden und an den Lichtsensor 28 gelegt werden, wodurch als Ergebnis ein Interferenzmuster von der Zusammenführung der Lichtstrahlen auf dem Lichtsensor 28 geformt wird.

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Ähnliche Mach-Zehner-Elemente werden in dem Spiegel 26A und dem Strahlteiler 26B (Figur 5) und dem Spiegel 42 und dem Teiler 40 (Figuren 2, 3 und 4) verwendet, und die Elemente sind derart angeordnet, daß die beiden optischen Weglängen gleich sind, wodurch die Kalibrierung vereinfacht wird und Fehler aufgrund von Änderungen des Brechungsindex der Luft in den optischen Wegen und aufgrund von winzigen Wellenlängenänderungen in den Spektrallinien des Lasers verringert werden.

In Figur 6 ist eine weitere Ausführung des optischen Weglängensensors 14B dargestellt, der kurze Entfernungen entweder während der Einstellung einer Zielscheibe oder eines Targets 45 oder kontinuierlich während der Bewegung eines Targets 45 messen kann. Bei Verwendung dieser Ausführung ist das Phasenmeter 34 (Figur 1) in Einheiten der Länge kalibriert, um beispielsweise direkt in Nanometern anstatt in Einheiten des Brechungsindex ablesen zu können.

Der optische Weglängensensor 14B arbeitet mit der Strahlenzusammenführung 26 und dem Lichtsensor 28 in einer ähnlichen Weise wie der optische Weglängensensor 14A (Figur 5) zusammen. Für diesen Zweck besitzt er einen Spiegel 75, einen Strahlteiler 77 und ein Target 45 in dem Probenhalter 24B, wobei das Target in seiner Stellung beweglich ist. Der

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_ ₅₈ _ 28QR777

Spiegel 75 ist in Linie mit einem Lichtstrahl 46 in einem Winkel ausgerichtet, der den Lichtstrahl auf den Spiegel 26A der Strahlenzusammenführung 26 reflektiert, und der andere Spiegel 77 ist derart angeordnet, daß der Lichtstrahl 48 auf die spiegelnde Fläche des Targets 45 läuft und der reflektierte Lichtstrahl zur Reflektion zu dem anderen Strahlteiler 26B der Strahlenzusammenführung 26 aufgenommen wird, wobei die Strahlenzusammenführung 26 die beiden Lichtstrahlen kombiniert und auf den Lichtsensor 28 als Interferenzmuster führt.

Im Betrieb werden die modulierten Lichtstrahlen 46 und 48 zu dem Probenhalter 24 gebracht, der in der Ausführung gemäß Figur 5 die Lichtstrahlen durch die Flußzellen 68 und 70 passieren läßt und in der Ausführung gemäß Figur 6 die Lichtstrahlen gegen die Spiegel 75 und 77 richten läßt. In einem optischen Weglängensensor 14A, wie beispielsweise der nach der Ausführungsform gemäß Figur 5, wird das durch die Flußzellen passierende Licht phasenbeschleunigt oder verzögert von der modulierten Form durch ein Lösungsmittel in der Flußzelle 70, so daß das auf dem Lichtsensor 28 gebildete Interferenzmuster von dem wiederholten Muster von dem Betrag abweicht, um den der Strahl, der durch die Flußzelle 40 verläuft, durch das Lösungsmittel in der Flußzelle beschleunigt oder verzögert wurde. Gleichermaßen wird

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in der Ausführungsforia gemäß Figur 6 der Lichtstrahl 48 durch die Änderungen in der Stellung des Targets 45 phasenbeschleunigt oder -verzögert, so daß das Interferenzmuster, das auf dem Lichtsensor 28 gebildet wird, von dem sich wiederholenden Muster um den Betrag abweicht, um den das Target 45 bewegt wurde.

In beiden Ausführungsformen wird das elektrische Signal, das durch den Lichtsensor 28 erzeugt wird, in Phase durch die Änderungen in dem Probenhalter 24A und 24B verschoben, und diese Phasenänderungen werden auf den Leiter 30 zur Verarbeitung in die Indikatorschaltung 16 geführt.

In Figur 7 ist eine Indikatorschaltung 16 gezeigt, die einen Modulationssignalgenerator 32 und ein Phasenmeter 34 aufweist, wobei der Modulationssignalgenerator 32 in der bevorzugten Ausführungsform ein Sinusgenerator ist. Das Phasenmeter 34 besitzt einen Impulsgenerator 80, einen Flip-Flop 82 und ein Meßgerät 84. Das Phasenmeter 34 ist mit dem Leiter 30 verbunden, um Impulse aufzunehmen, die das Interferenzmuster anzeigen, und der Modulationssignalgenerator 32 erzeugt die modulierenden Signale, die über den Leiter 36 zu dem elektrischen Strahlphasenrelationsmodulator 22 (Figur 1) und den Phasenmeter 34 über den Leiter 38 geführt werden. Mit diesen Verbindungen vergleicht das Phasenmeter 34 das Modulationssignal

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auf dem Leiter 38 mit dem Interferenzmuster, und aus diesem Vergleich bestimmt sie die Phasenverschiebung und damit in Beziehung stehenden Größen, wie z.B. den Brechungsindex in einigen Ausführungen, der durch den optischen Weglängensensor 14A oder 14B (Figuren 1, 5 und 6) verursacht wird.

Um Impulse zu erzeugen, die zu der Phasenverschiebung in den Lichtstrahlen in einem zeitlichen Verhältnis stehen, besitzt der Torimpulsgenerator 80 zwei Schmitt-Trigger 86A und 86B, wobei der Schmitt-Trigger 86A mit seinem Eingang am Leiter 30 und der Schmitt-Trigger 86B mit seinem Eingang über einen Inverter 85 am Leiter 30 liegt. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 86A ist elektrisch mit dem Seteingangsanschluß des Flip-Flops 82 über die Reinverbindung des Differenziergliedes 87A und die Durchlaßrichtung einer Diode 89A, die in der genannten Reihe angeschlossen sind, verbunden, und der Ausgang des Schmitt-Triggers 86B liegt an dem Seteingangsanschluß des Flip-Flops 82 über die Reihenverbindung des Differenziergliedes 87B und die in Durchlaßrichtung betriebene Diode 89B. Die Differenzierglieder 87A und 87B besitzen jeweils einen Kondensator 88A bzw. 88B und einen Widerstand 90A bzw. 90B, wobei die Kondensatoren 88A und 88B mit dem einen Pol an dem Ausgang des entsprechenden.Schmitt-Triggers 86A und 86B und mit dem anderen Pol sowohl über den Widerstand 90A bzw. 90B an

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_ ₆₁ _ 280B777

Erde als auch der Anode der entsprechenden Diode 89A bzw. 89B liegen.

Um eine elektrische Spannung zu erzeugen, die die Phasenverschiebung der Lichtstrahlen von den Taktimpulsen, die durch den Torimpulsgenerator 80 erzeugt werden, darstellen, arbeitet das Flip-Flop 82 in üblicher Weise, um ein analoges Ausgangssignal zu erzeugen, das der Zeit proportional ist, mit der ein Tor- oder Gateimpuls von dem Torimpulsgenerator 80 dem Start eines Referenzzeitsignals nacheilt, wie beispielsweise dem Start jedes Wechselspannungszyklus von dem Modulationssignalgenerator 3 2.

Um die Analogspannung anzuzeigen, die die Phasenverschiebung, die durch ein Extraktionsmittel verursacht wird, kann die Meßschaltung 84 ein übliches Gleichspannungsvoltmeter besitzen, dessen Ansprechgeschwindigkeit sehr viel langsamer als die Frequenz des Modulationssignalgenerators 32 ist. Das Voltmeter erfaßt die Durchschnittsspannung von dem Flip-Flop 82, so daß das Voltmeter einen Wert anzeigt, der äquivalent der durch die Änderung des Brechungsindex in der Flußzelle beim Durchfluß eines Lösungsmittels verursachten Phasenverschiebung ist.

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Falls eine Phasenverschiebungsanzeige vorliegt, wenn die beiden Lichtwege nominell gleich sind, kann dies durch eine geeignete Kompensierungsplatte in einem der spaltenden Lichtstrahlen korrigiert werden, indem eine den Meßwert verschiebende Vorrichtung in der Meßschaltung 84 aufgenommen wird oder ein Phasenverschiebungsnetzwerk in dem Leiter 38 eingeführt wird. Falls ein doppelbrechender Modulator anstelle eines vibrierenden Kristalls verwendet wird, kann es vorteilhaft sein, einen Sägezahngenerator als ModulationsSignalgenerator 32 und ein anderes geeignetes Phasenmeter 34 zu verwenden.

Die Natur der fast linearen Beziehung zwischen dem Zeitpunkt der Nulldurchgänge des Signals auf dem Leiter 30 und der Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtwegen ist weniger offensichtlich als man denken könnte. Falls die Modulation sinusförmig ist, besteht die verhältnismäßig komplexe Wellenform auf dem Leiter 30 aus Harmonischen der Modulationsfrequenz, deren Größen ohne Berücksichtigung der Effekte der gemessenen optischen Weglängenänderungen Bessel-Funktionen der ersten Art sind, wobei die Ordnung die Ordnung jeder Harmonischen ist und das Argument die Größe der Phasenmodulation, die den Lichtstrahlen durch den Strahlphasenrelationsmodulator aufgeprägt wird. Der Effekt der gemessenen Änderung in den optischen Weglängen liegt darin, die ungeradzahligen Harmonischen mit dem Kosinus der Phasendifferenz

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zu multiplizieren, die von der zu messenden Weglängenänderung bezogen wird, und die geradzahligen Harmonischen mit dem Sinus der gleichen Phasendifferenz zu multiplizieren. Falls alle Harmonischen mit Ausnahme der ersten und zweiten durch Filtern entfernt werden, ohne daß die Phase oder die zeitliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Harmonischen geändert wird, ist die Phase des Signals auf dem Leiter 30, wie es durch die Anordnung von einigen der Nullkreuzungszeitpunkte gebildet wird, fast linear proportional zur Weglängendifferenz, vorausgesetzt, daß der Strahlphasenrelationsmodulator zur Bildung einer gewissen optimalen Modulationsgröße gesetzt ist. Abhängig von der Frequenzflachheit oder seitlichen Unterdrückung bei der Filterung des Signals von dem Lichtsensor beträgt die Modulationsgröße etwa -1,8 Radian. Die Phasen jeder der verschiedenen Harmonischen variieren nicht von selbst, wenn sich der Lichtwegunterschied ändert, nur die Nulldurchgänge der resultierenden Sinuswelle ändern sich. Die Phase des modulierenden Signals auf dem Leiter 38 kann variiert und derart gesetzt werden, daß das Phasendetektor-Flip-Flop 82 in diesem LinearÜbertragungsbereich arbeitet.

Im Betrieb wird die Spannung von dem Lichtsensor 28 (Figur 1) an den Leiter 30 gelegt, die das Phasenverhältnis zwischen den beiden Lichtstrahlen in Abhängigkeit von einem Interferenzmuster auf dem Lichtsensor darstellt. Diese Spannung wird

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zu den Schmitt-Triggern 86A und 86B geführt, die jeweils Zeitimpulse bei jedem positiv zu Null Übergangspunkt und negativ zu Null Übergangspunkt der Spannung auf dem Leiter 30 erzeugen, die die maximale Dunkelheit mal den Interferenzstreifen anzeigt. Die zeitliche Anordnung der Impulse im Verhältnis zu der Spannung der Sinuswelle des Modulationssignalgenerators 32 zeigt den Betrag der Verschiebung der modulierten Lichtstrahlen an, die durch ein Abflußmedium in einer der Flußzellen der dualen Flußzelle 24 verursacht wird.

Diese Zeitimpulse werden differenziert und zu dem Resetanschluß des Flip-Flops 82 geführt, was eine Auslese liefert, die auf dem Verhältnis ihrer zeitlichen Lage relativ zu der zeitlichen Lage der Wechselspannung von dem Generator 32 beruht. Falls die durch die Flüssigkeit in der dualen Flußzelle oder durch eine Änderung der in der Stellung des Targets 45 verursachte Phasenverschiebung den normalen Maßstab überschreitet, überquert ein weiterer Interferenzstreifen den Lichtsensor, was einen Impuls erzeugt, der das Flip-Flop zu einem früheren Zeitpunkt zurücksetzt und resetet, was eine niedrigere Spannungsauslese verursacht. Diese niedrigere Spannungsauslese dient als automatische Faltung oder Anpassung des Maßstabs, so daß eine Anzeige andauernder Änderungen gegeben ist, obwohl der Maßstab des Meßgerätes 84 überschritten wurde.

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Die analoge Spannung kann auch verstärkt werden, bevor sie Meßgerät 84 zugeführt wird, so daß der volle Skalenausschlag weniger als einen Streifen beträgt. Jedoch wird in solchen Fällen die automatische Skaleneinstellung schwierig, obwohl es mit einem geeigneten Aufbau nicht unmöglich ist. Natürlich kann ein Aufzeichnungsgerät· vorgesehen werden, um die Impulsfolge aufzuzeichnen.

Obwohl ein Flip-Flop 82 in den bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, um den Zeitunterschied zwischen einem modulierenden Impuls und einem Streifen zu einer Amplitudenspannung zu konvertieren, sind andere Arten von Konvertern möglich. Tatsächlich können andere Phasenmeter anstelle des Phasenmeters 34 verwendet werden.

Aus der obigen Beschreibung kann entnommen werden, daß das Interferometer 10 eine Reihe von Vorteilen aufweist, beispielsweise (1) besitzt es keine komplexen, sich bewegenden Teile, (2) hat es eine automatische Skalennachstellung, (3) ist es nicht empfindlich gegenüber Abänderungen in der Intensität des Lichtes von der Lichtquelle. Darüber hinaus hat der elektrische Strahlphasenrelationsmodulator 22, der in Figur 2 dargestellt ist, die Vorteile, daß er (1) ökonomisch und zuverlässig im Aufbau ist, (2) preisgünstiger als übliche doppelbrechende Modulatoren bei Bewirkung der gleichen Ar-

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beitsweise ist, (3) sowohl ungeradzahlige als auch geradzahlige harmonische Fehler aufhebt, und (4) eine ihm innewohnende Temperaturkorrektur aufweist. Diese Vorteile wären auch zum großen Teil vorhanden, falls getrennte, optisch klare Platten an den Enden eines opaken, flexibel vibrierenden Elementes befestigt werden.

Obwohl die bevorzugte Ausführung der Erfindung mit einigen speziellen Angaben beschrieben wurde, können im Rahmen der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen der Erfindung vorgenommen werden. Die Erfindung ist deshalb im
Rahmen der zugehörigen Ansprüche auch anders als in der
speziell beschriebenen Ausführungsform aufzufassen.

ah:Iv:bü

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L e e r s e it

Claims

Ansprüche

Verfahren zur Phasenmodulierung zweier Lichtstrahlen relativ zueinander, gekennzeichnet durch die Schritte: Phasenmodulation des ersten und des zweiten Lichtstrahls relativ zueinander in Abhängigkeit von einem Modulationssignal an einer ersten Stelle; Mischen des ersten Lichtstrahls mit dem zweiten Lichtstrahl an einer zweiten Stelle zur Bildung eines Interferenzmuster ;

Ableiten eines in einem zeitlichen Verhältnis zum Interferenzmuster stehenden zweiten Signals als Anzeige für das Modulationssignal an der zweiten Stelle;

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INSPECTED

wobei bei der Phasenmodulation der Unterschied zwischen den beiden optischen Weglängen des ersten und des zweiten Lichtstrahls durch Störung eines von beiden Lichtstrahlen durchsetzten lichtdurchlässigen Materials gemäß dem modulierenden Signal variiert wird, so daß das Interferenzmuster verhältnismäßig frei von Rauschen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des zweiten Signals das Interferenzmuster auf einen Lichtsensor projiziert und ein mit der Intensität des Interf erenz-mustars variierendes elektrisches Signal abgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Phasenmodulation des ersten und des zweiten Lichtstrahls die beiden Lichtstrahlen zueinander phasenmoduliert werden, indem wenigstens einer der Lichtstrahlen zusätzlich zum Durchqueren des lichtdurchlässigen Materials durch eine Zelle verläuft, in der sich der Brechungsindex zeitlich ändert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Störung des lichtdurchlässigen Materials eine Signalspannung moduliert wird

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und die Signalspannung an ein piezoelektrisches Element angelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannung an einen Y-geschnittenen Quarzkristall angelegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannung an einen rotierenden, Y-geschnittenen Quarzkristall angelegt wird.
7. Verfahren zur interferometrischen Messung einer Eigenschaft eines mit einer optischen Weglänge in Beziehung stehenden Testgegenstandes, gekennzeichnet durch:

Erzeugen eines modulierenden Signals;

Phasenmodulieren eines ersten und eines zweiten Lichtstrahles in bezug zueinander in Abhängigkeit von dem modulierenden Signal;

Einwirken des ersten Lichtstrahles auf den Testgegenstand;

Mischen des ersten Lichtstrahls mit dem zweiten Lichtstrahl nach dem Einwirken auf den Testgegenstand, um ein Interferenzmuster zu schaffen;

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Ableiten eines zweiten Signals, das mit dem Interferenzmuster in einem zeitlichen Verhältnis steht; und

Vergleichen des modulierenden und des zweiten Signals, um ein drittes Signal zu erhalten, das das Anwachsen der optischen Weglänge in dem ersten Lichtstrahl, die durch den Testgegenstand verursacht wurde, anzeigt, wodurch die Eigenschaft bestimmt werden kann.
8. Meßverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Phasenmodulierung der Unterschied zwischen den beiden optischen Weglängen durch Störung eines lichtdurchlässigen Materials, das von beiden Lichtstrahlen durchquert wird, in Abhängigkeit von dem modulierenden Signal variiert wird.
9. Meßverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des zweiten Signals das Interferenzmuster auf einen Lichtsensor projiziert wird und ein elektrisches Signal abgeleitet wird, das mit der Intensität des Interferenzmusters variiert.
10. Meßverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Phasenmodulierung der Einfallswinkel des Lichts auf ein vibrierendes Teil variiert wird.

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11. Verfahren nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Phasenmodulierung der Brechungsindex
des Materials, durch das das Licht verläuft, variiert
wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Phasenmodulierung der erste und der zweite Lichtstrahl mit unterschiedlichen Achsen polarisiert werden, und die beiden Lichtstrahlen durch wenigstens ein doppelbrechendes Medium hindurchgeführt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Variation des Einfallswinkels das modulierende Signal an ein piezoelektrisches Element gelegt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Phasenmodulierung das Licht durch zwei transparente Flächen fällt, von denen wenigstens eine durch
das piezoelektrische Element in Bewegung versetzt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen des Teils Biegeschwingungen aufweisen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Passieren des Lichts durch zwei Flächen wenigstens

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eine der beiden Flächen durch die Enden des vibrierenden Teils in Bewegung gehalten ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vibrierung des Teils ein Y-geschnittener Quarzkristall vibriert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vibrierung des Teils ein rotierter Y-geschnittener Quarzkristall vibriert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Vergleich des ersten und des zweiten Lichtstrahls der erste Lichtstrahl durch eine Substanz geführt wird und der zweite Lichtstrahl durch eine Referenzsubstanz, wodurch eine Anzeige des Brechungsindex der Substanz vorgesehen wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleichen des ersten und des zweiten Lichtstrahls der erste Lichtstrahl durch eine Flußzelle mit einem Fluid aus einer chromatographischen Säule, das durch die Flußzelle hindurchfließt, geführt wird, und der zweite Lichtstrahl durch eine weitere Zelle geführt wird.

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21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des zweiten Signals das Interferenzmuster auf einen Lichtsensor projiziert wird und ein elektrisches Signal abgeleitet wird, das mit der Intensität des Interferenzmusters variiert.
22. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Vergleichen des ersten und des zweiten Lichtstrahls der erste Lichtstrahl auf ein reflektierendes Target einwirkt, wodurch die Eigenschaft eine Entfernung des Targets von einer Referenzfläche repräsentiert.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des zweiten Signals das Interferenzmuster auf einen Lichtsensor projiziert wird und ein elektrisches Signal abgeleitet wird, das mit der Intensität des Interferenzmusters variiert.
24. Vorrichtung zur Phasenmodulierung von Lichtstrahlen in bezug zueinander, gekennzeichnet durch einen Leiter (36) zur Führung eines Modulationssignals; eine Übertragungsvorrichtung zur Übertragung der beiden Lichtstrahlen (46, 48) entlang eines ersten bzw. eines zweiten vorgegebenen Weges; eine Phasenmodulierungsvorrichtung (22, 50, 25, 21a, 21b) zur Modulierung der beiden Lichtstrahlen in bezug zueinander in Übereinstimmung mit dem

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Modulationssignal; eine der Phasenmodulationsvorrichtung zugeordnete Variationsvorrichtung zur Änderung der optischen Weglänge in einem der Wege relativ zum anderen; wobei die Variationsvorrichtung wenigstens ein lichtdurchlässiges Element aufweist, durch das beide Lichtstrahlen passieren und das lichtdurchlässige Element durch das Modulationssignal gestört wird; und eine Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der beiden modulierten Lichtstrahlen, um ein Ergebnis an einer von der Modulationsstelle entfernten Stelle zu erzeugen, wodurch das Ergebnis interpretiert werden kann.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter eine Erzeugungsvorrichtung (32) zur Erzeugung eines Wechselspannungsmoduliersignals mit einer Sinusform aufweist und die Phasenmoduliervorrichtung einer Vorrichtung zur Modulierung der beiden Lichtstrahlen mit dem Sinussignal und zur Modulierung wenigstens eines der Lichtstrahlen durch Änderung der optischen Weglänge in Übereinstimmung mit dem Informationssignal besitzt.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsvorrichtung ein piezoelektrisches Element (50) besitzt.

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27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsvorrichtung eine chromatographische Flüßzelle (68, 70) besitzt.
28. Interferometer zur Bestimmung von Unterschieden in effektiven optischen Weglängen, gekennzeichnet durch: einen Leiter (36) zur Lieferung eines Moduliersignals;

eine Übertragungsvorrichtung für einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl (46, 48) auf jeweils einem ersten und einem zweiten Weg;

eine Phasenmodulationsvorrichtung (22) zur Modulierung des ersten und des zweiten Lichtstrahls zueinander gemäß dem Moduliersignal, die eine Variationsvorrichtung zur Änderung der optischen Weglänge in einem der Lichtstrahlen bezüglich dem anderen besitzt;

eine Zusammenführvorrichtung (26) zur Zusammenführung der beiden Lichtstrahlen, nachdem einer der Lichtstrahlen in seiner optischen Weglänge variiert wurde, um ein Interferenzmuster zu erhalten;

eine Erzeugungsvorrichtung (28) zur Lieferung eines Interferenzmustersignals, das den Änderungen in der Lichtintensität in dem Interferenzmuster entspricht; und

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eine Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen des Interferenzmustersignals mit dem Modulationssignal, um ein Vergleichssignal zu erhalten.
29. Interferometer nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationsvorrichtung ein einziges transparentes Element (5O, 25) aufweist, durch das die beiden Lichtstrahlen laufen, und eine Vorrichtung zum Stören des transparenten Elements durch das Moduliersignal besitzt.
30. Interferometer nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung eine Fotozelle (28) und eine Vergleichsschaltung (34) , die mit dem Ausgang der Fotozelle verbunden ist, aufweist.
31. Interferometer nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Variationsvorrichtung eine übertragungsvorrichtung für den ersten Strahl durch eine Substanz besitzt, wodurch die Vergleichsvorrichtung einer Anzeige des Brechungsindex der Substanz erhält.
32. Interferometer nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (36) zur Lieferung des Moduliersignals eine Vorrichtung (32) zur Erzeugung des Wechselspannung smodulxersignals mit Sinuswellenform aufweist.

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33. Interferometer nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationsvorrichtung ein piezoelektrisches Element (50) besitzt.
34. Interferometer nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element transparente Flächen (52, 54) besitzt, durch die beide Strahlen passieren.
35. Interferometer nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationsvorrichtung Vibrationsvorrichtungen (56a, 56b, 58a, 58b) besitzt, die das piezoelektrische Element in Biegeschwingungen versetzt.
36. Interferometer nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (50) ein Y-geschnittener Quarzkristall ist.
37. Interferometer nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (36) zur Führung des Moduliersignals eine Vorrichtung zur Führung des Moduliersignals mit der Biegeresonanzfrequenz erster Ordnung des piezoelektrischen Elements ist.

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38. Interferometer nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (50) ein rotierter Y-geschnittener Quarzkristall ist.
39. Interferometer nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (36) zur Führung des Moduliersignals eine Vorrichtung (22) zur Erzeugung eines Wechselspannungssägezahnmoduliersignals aufweist.
40. Interferometer nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationsvorrichtung einen Modulator (25) besitzt, der ein Material enthält, dessen Brechungsindex durch das Modulationssignal variiert wird.
41. Interferometer nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, dessen Brechungsindex durch das Moduliersignal variiert wird, ein Material ist, das in Ansprache auf das Moduliersignal Doppelbrechungen verursacht.
42. Interferometer nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Variationsvorrichtung eine Vorrichtung zur Einwirkung des ersten Lichtstrahls auf eine reflektierende Fläche einer Probe (75) und zur übertragung des

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Lichtes von der Probe zur Zusammenführung des ersten und des zweiten Lichtstrahles besitzt.
43. Interferometer nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (36) zur Führung des Moduliersignals eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Wechselspannungssinusmoduliersignals aufweist.
44. Interferometer nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenrelationsvorrichtung (32) ein Element aufweist, das derart geschnitten ist, daß es in der Biegung erster Ordnung in Resonanz vibriert.
45. Interferometer nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenrelationsvorrichtung ein piezoelektrisches Element aufweist.
46. Interferometer nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsvorrichtung für die beiden Lichtstrahlen ein piezoelektrisches Element (50) besitzt, das piezoelektrische Element wenigstens einen lichtdurchlässigen Teil (52) aufweist und bezüglich der beiden Lichtstrahlen derart angeordnet ist, daß beide Lichtstrahlen durch den lichtdurchlässigen Teil passieren können, und eine Elektrode (56a, 56b; 58a, 58b)

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mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist, um das piezoelektrische Element in Vibration in Richtung der Lichtstrahlen zu versetzen, und daß die Vorrichtung zur Lieferung der Modulierspannung elektrisch mit den Elektroden verbunden ist.
47. Interferometer nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (50) ein Quarzkristall ist.
48. Interferometer nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzkristall (50) ein Y-geschnittener Quarzkristall ist.
49. Interferometer nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall ein rotierter Y-geschnittener Quarzkristall ist.
50. Phasenmodulator, gekennzeichnet durch ein piezoelektrisches Element (50) mit wenigstens einem lichtdurchlässigen Abschnitt; eine Lichtwegvorrichtung zur Übertragung eines ersten Lichtstrahls (46) durch den einen Abschnitt (52) und eines zweiten Lichtstrahles, der nicht durch den einen Abschnitt, durch den der erste Lichtstrahl verläuft, geführt wird; und durch eine

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Vibriervorrichtung (56a, 56b; 58a, 58b) zur Vibrierung des einen Abschnitts des Elementes hauptsächlich in der Richtung des ersten Lichtstrahls, wodurch die Lichtstrahlen in bezug zueinander phasenmoduliert werden.
51. Phasenmodulator nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Abschnitt von dem Mittelpunkt des piezoelektrischen Elements (50) entfernt ist und das Element zur Biegung geschnitten ist.
52. Phasenmodulator nach Anspruch 51, gekennzeichnet durch einen zweiten lichtdurchlässigen Abschnitt (54), der entfernt von dem Mittelpunkt des piezoelektrischen Elementes (50) in der entgegengesetzten Richtung des anderen Abschnitts liegt, und daß die Vibriervorrichtung (56a, 56b; 58a, 58b) eine Vorrichtung zur Vibrierung des zweiten Abschnitts besitzt.
53. Phasenmodulator nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (50) in einem Winkel zu den Lichtstrahlen (46, 48) liegt, wenn es nicht vibriert.
54. Phasenmodulator nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwegvorrichtung eine Lichtquelle (18) und einen Strahlteiler (20) zur Bildung von zwei Licht-

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strahlen aus dem aus der Lichtquelle emittierten Licht aufweist.
55. Phasenmodulator nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall ein Quarzkristall (50) der Y-Schnittklasse ist und zur Vibration des Kristalls eine Vorrichtung (56, 58) den Kristall in Resonanz bei der
Biegeschwingung erster Ordnung durch Anlegen einer
Scherbeanspruchung zweiter Ordnung mit gleicher Frequenz versetzt.
56. Phasenmodulator nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (50) ein Quarzkristall der Y-Schnittklasse ist und zur Vibration des Kristalls eine Vorrichtung (56, 58) den Kristall in Resonanz bei der
Biegeschwingung erster Ordnung durch Anlegen einer
Scherbeanspruchung zweiter Ordnung mit gleicher Frequenz versetzt.
57. Phasenmodulator nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (50) ein rotierter, Y-geschnittener Quarzkristall ist.
58. Phasenmodulator nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) ein Laser ist.

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59. Phasenmodulator nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, daß das Element zu den Lichtstrahlen in einem Winkel liegt, wenn es nicht vibriert.
60. Phasenmodulator nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwegvorrichtung eine Lichtquelle (18) und einen Strahlenteiler (20) zur Bildung von zwei Lichtstrahlen aus dem von der lichtemittierten Lichtquelle aufweist.
61. Phasenmodulatcr nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (50) ein Quarzkristall der Y-Schnittklasse ist und zur Vibration des Kristalls eine Vorrichtung (56, 58) den Kristall in Resonanz bei der Biegeschwingung erster Ordnung durch Anlegen einer Scherbeanspruchung zweiter Ordnung mit gleicher Frequenz versetzt.
62. Phasenmodulator nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall ein rotierter, Y-geschnittener Quarzkristall ist.
63. Phasenmodulator nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) einen Laser aufweist.

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64. Phasenmodulator nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwegvorrichtung eine Lichtquelle (18) und einen Strahlenteiler (20) zur Bildung von zwei
Lichtstrahlen (46, 48) aus dem von der Lichtquelle
emittierten Licht aufweist.
65. Phasenmodulator nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall ein Quarzkristall der Y-Schnittklasse ist und die Vorrichtung zur Vibration des Kristalls eine Vorrichtung zur Vibration des Kristalls in der Biegeschwingung erster Ordnung durch Anlegen einer Scherbeanspruchung zweiter Ordnung mit der gleichen
Frequenz besitzt.
66. Phasenmodulator nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (50) ein rotierter, Y-geschnittener Quarzkristall ist.
67. Phasenmodulator nach Anspruch 66, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) ein Laser ist.
68. Phasenmodulator nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (5O) ein Quarzkristall der Y-Schnittklasse ist und zur Vibration des Kristalls eine Vorrichtung (56, 58) den Kristall in Resonanz bei der
Biegeschwingung erster Ordnung durch Anlegung einer

Scherbeanspruchung zweiter Ordnung mit gleicher Frequenz versetzt. 809836/0588
69. Phasenmodulator nach Anspruch 68, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (50) ein rotierter, Y-geschnittener Quarzkristall ist.
70. Phasenmodulator nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser ist.
71. Differentieller Phasenmodulator, gekennzeichnet durch erste und zweite Phasenmodulationselemente, eine Erzeugungsvorrichtung (20) zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Lichtstrahls, die Anordnung eines der ersten und zweiten Phasenmodulationselemente (22) in einem der ersten und zweiten Lichtstrahlen und des anderen der ersten und zweiten Modulationselemente in dem anderen der ersten und zweiten Lichtstrahlen, wobei jedes Phasenrelationselement eine Vorrichtung zur Phasenmodulierung als eine nicht lineare, jedoch gerade Punktion des angelegten elektrischen Signals aufweist, wodurch ein Element ein Anwachsen der effektiven optischen Weglänge zu dem gleichen Zeitpunkt annimmt, zu dem das andere Element ein Abnehmen der effektiven optischen Weglänge hervorruft, und die Elemente derart vorgespannt sind, daß die differentielle Phasenmodulation eine lineare Funktion des Signals ist.

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