Negli anni 20 del secolo scorso l'astronomo svizzero R.J. Tümpler, scoprì che gli ammassi stellari distanti apparivano più scuri di quanto dovessero esserlo per via della loro distanza. Da ciò ne dedusse che una parte della luce stellare diretta verso la terra svanisce. Alcuni anni più tardi l'astronomo americano E.P. Hubble scoprì che la Via Lattea è più brillante in direzione della costellazione del Sagittario, anziché guardando per esempio in direzione del gran carro dell'orsa maggiore. Oltre alle nuvole di gas luminose, prevalentemente composte da idrogeno, nel cosiddetto piano galattico si trovano anche numerose zone scure che "inghiottiscono" quasi completamente la luce proveniente dagli oggetti retrostanti. Era stata scoperta la polvere interstellare.

La polvere interstellare è prevalentemente composta da piccolissime particelle – il loro tipico diametro si aggira tra 0,1 e 1 µm – che diffondono e assorbono la luce stellare. Poiché queste particelle non si lasciano analizzare con i processi alternativi quali per esempio l'ultramicroscopia, l'applicazione della teoria della diffusione della luce era ed è tuttora estremamente importante per gli astronomi che si dedicano allo studio di polveri interstellari o interplanetarie.

Nel laboratorio, o così per dire nelle applicazioni terrestri, le condizioni sono un po' più semplici. O più precisamente: le sfide sono ben altre. La struttura ottica dell'intero sistema si lascia ovviamente adattare alle esigenze. Le conoscenze acquisite sui campioni analizzati superano di gran lunga quelle riguardanti le particelle presenti nello spazio. Con il suo largo spettro di lunghezze d'onda, la luce stellare si lascia sostituire dalla luce laser monocromatica, mentre la composizione chimica del campione è spesso ben nota. In compenso subentrano nuove difficoltà, soprattutto nella preparazione del collettivo di particelle da misurare.

La strutturazione è sostanzialmente sempre uguale: Un raggio di luce, prevalentemente proveniente da un laser, irradia il campione da misurare. La distribuzione dell'intensità generata dalla diffusione viene rilevata con un detettore. Si fa notare che il collettivo di particelle da misurare non deve formare agglomerati. La distribuzione dell'intensità misurata mostra un sistema di numerosi anelli più o meno concentrici, la cui distanza si trova in correlazione alle dimensioni delle particelle. Le particelle grandi generano degli anelli strettamente adiacenti, mentre le particelle piccole formano anelli più distanti l'uno dall'altro. Se si determina ora la distanza di ciascun anello, sarà possibile calcolare le dimensioni delle particelle.

Prima di contemplare l'attuazione tecnica concreta di questo semplice principio, è consigliabile esaminare più a fondo le caratteristiche dei processi fisici rilevanti.

Passiamo ora al tema della diffusione. Qui viene fatta differenza tra due differenti forme di diffusione: La diffusione inelastica (l'energia e di conseguenza la lunghezza d'onda della luce variano) e la diffusione elastica (la lunghezza d'onda rimane invariata). Per noi conta solo l'ultima variante, motivo per cui la diffusione inelastica non deve essere trattata e perché il termine "diffusione" intende sempre "diffusione elastica".

La diffusione indica tutto ciò che devia la luce cadente dalla sua direzione originaria. Ciò può essere suddiviso in tre parti; primo, la riflessione, secondo, la rifrazione e terzo, la diffrazione.

La riflessione avviene generalmente sulla superficie della particella e, secondo l'aspetto geometrico, viene descritta in conformità della legge „L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di emergenza". Se si considera l'andamento complessivo dipendente dall'angolo di distribuzione dell'intensità generata da diffusione, si noterà che la riflessione su una superficie sferica fornisce una quota molto liscia. In linea di massima la riflessione nei materiali trasparenti può avvenire anche nelle superfici limite esterne, fatto che è soprattutto importante in combinazione alla rifrazione della luce.

Secondo la relativa legge, nella rifrazione cambia solo la direzione del fascio di luce al momento del passaggio tra due materiali con differente indice di rifrazione. Se per esempio un raggio di luce cade su una goccia di pioggia, verrà dapprima spezzato al centro della goccia, per poi riflettersi all'interno della stessa dopo essere passato sui suoi bordi. Una parte dei raggi lascia abbandona la goccia durante ogni riflessione. In questo modo è possibile spiegare per esempio la formazione di un arcobaleno, ma anche numerosi dettagli strutturali delle distribuzioni dell'intensità constatate nelle misurazioni a diffusione a laser sulle particelle.

Per comprendere la diffrazione bisogna immaginarsi il raggio di luce come un largo fronte d'onde che colpiscono una particella, aggirandola parzialmente, ovverosia un'onda d'acqua che urta su un palo o su un ostacolo di maggiori dimensioni. A causa della sovrapposizione di diverse parti del fronte d'onda (interferenza) spezzato, dietro alle particelle si forma un caratteristico modello di diffrazione (il cui processo viene descritto dalla teoria di Fraunhofer) il quale viene chiaramente definito dal diametro della particella.

La figura qui illustrata è la rappresentazione grafica dell'amplitudine di diffusione di una particella sferica, che si lascia descrivere in modo preciso con la cosiddetta funzione di Bessel. Qui si riconosce ottimamente la diffrazione centrale massima per gli angoli piccolissimi di diffusione di quali mostrano la massima intensità di luce diffusa. Per quel che riguarda gli angoli di diffusione più grandi - e con questo le maggiori distanze dal centro del detettore di un corrispondente misuratore - seguono alternativamente anelli scuri e chiari, la cui distanza, come sopra menzionato, si trova in diretta relazione al diametro delle particelle: Più gli anelli sono stretti, maggiore sarà la particella e viceversa.

Iniziamo con il design convenzionale. Qui viene generato un ampio raggio laser parallelo nel quale introdurre la cellula di misura con le particelle di diffusione. Tra la cellula di misura e detettore si posiziona la lente Fourier. Dal momento che in questa disposizione il campo di misura viene determinato dalla messa a fuoco della lente Fourier, è necessario sostituire la lente per modificarlo. La lente deve essere aggiustata con la massima precisione, visto che nelle particelle di maggiori dimensioni vengono misurati angoli molto piccoli, e perché lo sversamento della lente Fourier influenzerebbe fortemente il risultato della misurazione. Un'ulteriore svantaggio di questa disposizione sono le possibilità limitate di misurare i grandi angoli di diffusione. E come ben sappiamo, questi angoli sono necessari per misurare le piccole particelle.

25 anni venne per questo motivo lanciata come alternativa la trasformata inversa di Fourier. Con il primo modello della serie ANALYSETTE 22, la FRITSCH GmbH fu la prima azienda ad impiegare l'ottica inversa di Fourier per eseguire l'analisi granulometrica. A differenza della struttura convenzionale, la lente Fourier si trova davanti alla cellula di misura in modo che la cellula non venga attraversata da un raggio laser parallelo, bensì da uno convergente. In questo modo la luce diffusa viene direttamente focalizzata sul detettore, senza bisogno di ulteriori elementi ottici. Nonostante la disposizione sostanzialmente uguale dei singoli componenti (laser - lente di Fourier - cellula di misura - detettore), le diverse ottiche inverse di Fourier si differenziano notevolmente.

I piccoli angoli di diffusione - vale a dire le grandi particelle - vengono coperte con il detettore principale, mentre per i grandi angoli di diffusione delle particelle piccole trova impiego un detettore laterale. Per i grandi angoli di diffusione che si avvicinano a 180° è necessario integrare un secondo sistema spesso formato da una sorgente luminosa blu – generalmente un LED – con sistema ottico e detettore.

Lo svantaggio principale di questo sistema consiste nel fatto che per ogni misurazione l'intero campo di misurazione disponibile viene coperto dall'apparecchio (è possibile tralasciare solo il campo con diametri molto piccoli accendendo o spegnendo la seconda sorgente luminosa). Perché è uno svantaggio? La distribuzione della grandezza della maggior parte dei campioni da misurare copre solo una parte dell'intero campo di misurazione dell'apparecchio impiegato. Un grande campo di misurazione risulta pertanto interessante, al fine di poter analizzare possibilmente molti differenti campioni. In molti, o addirittura nella maggior parte dei casi, questa versione delle ottiche inverse di Fourier copre un campo di misura non necessario, per il quale pagare un prezzo molto alto: Precisione di misurazione ridotta, bassa risoluzione granulometrica e sensibilità ridotta. Più aumenta il campo di misurazione dell'apparecchio, più drastico sarà questo effetto. Perché succede?

Nei casi più semplici, un campione è composto da un materiale monodisperso, il che significa che la distribuzione dell'intensità mostra una semplice struttura anulare dalla quale determinare direttamente le dimensioni della particella. Più esatta sarà la misurazione di questa intensità, maggiore sarà il risultato raggiungibile. Ciò significa che la precisione di misurazione dipende direttamente dalla quantità dei canali di misurazione disponibili per l'intervallo attuale di misurazione. Se durante una misurazione il campo massimo disponibile viene costantemente coperto, gli anelli di diffrazione con sufficiente intensità (per esempio per un campione con grandi particelle) si limiteranno sempre alla zona centrale del detettore. Il numero degli elementi del detettore in questo campo centrale è naturalmente esiguo, i canali esterni per questo materiale rimangono inutilizzati.

Ecco un esempio comparativo: è come se si misurasse la tensione di una batteria da 1,5 volte con un misuratore, il cui campo di misurazione è impostato da 0 a 1000 V …

Per separare due dimensioni di particelle strettamente adiacenti la risoluzione è altrettanto dipendente dal numero effettivo dei detettore impiegati: Per misurare con la massima precisione le differenze nella distribuzione dell'intensità è indispensabile avere un elevato numero di elementi.