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Zweistrahl -Wechsellichteinrichtung, insbesondere für Ultrarot-Spektralphotometer
Die Erfindung betrifft eine Zweistrahl-Wechsellichteinrichtung, insbesondere für
Ultrarot-Spektralphotometer mit einem Spiegel, der so beweglich angeordnet ist,
daß er abwechselnd in eine Lage innerhalb und in eine Lage außerhalb des Strahlenganges
gebracht werden kann. Bei dieser durchsetzen die von einer linienförmigen Lichtquelle,
wie z. B. einem Silitstab, ausgehenden Strahlen auf zwei Strahlenwegen abwechselnd
eine Küvette mit einer Probe und eine Vergleichsküvette und erzeugen danach Bilder
der linienförmigen Lichtquelle an einem Ort, der z. B. mit dem Spalt eines Spektrometers
zusammenfällt.
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Es sind Zweistrahl-Wechsellichteinrichtungen bekannt, die unter Verwendung
von Kugelspiegeln und Planspiegeln eine linienförmige Lichtquelle über zwei verschiedene
Strahlengänge an dem gleichen Ort in optischer Äquivalenz abbilden. Bei diesen Geräten
ist die Anordnung der Probenküvette und der Vergleichsküvette jedoch so, daß die
beiden Küvetten nicht in einem gemeinsamen, von optischen Teilen des Spiegelsystems
freien Küvettenraum liegen. Das Fehlen eines gesonderten, von drei Seiten zugänglichen
Küvettenraumes ist ein Nachteil dieser Zweistrahlsysteme. Dieser Nachteil wird vermieden
durch bekanntgewordene Zweistrahl - Wechsellichteinrichtungen, denen Spiegelsysteme
zugrunde liegen, die von einer linienförmigen Lichtquelle auf zwei Strahlenwegen
zwei getrennt liegende Bilder dieser Lichtquelle erzeugen und diese Bilder weiterhin
so abbilden, daß Bilder an dem gleichen Ort entstehen, wobei eine dreigliedrige
Raumaufteilung in der Weise erhalten wird, daß ein beide Küvetten aufnehmender Raum
völlig getrennt ist von dem Raum, der die Lichtquelle und den die beiden Strahlenwege
erzeugenden Teil des Spiegelsystems enthält, und von dem Raum, der den Teil des
Spiegelsystems enthält, welcher die beiden Strahlenwege wieder zusammenführt. Der
Küvettenraum umfaßt dabei zweckmäßig die beiden getrennt liegenden Bilder der Lichtquelle
oder liegt in deren unmittelbarer Nähe, um die am Ort der Lichtquellenbilder vorhandene
geringste Ausdehnung des Strahlenbündelquerschnitts für eine geeignete Dimensionierung
der Küvetten auszunutzen. Ein solcher gesonderter Küvettenraum, der von oben und
von zwei Seiten frei zugänglich ist, bietet als Experimentierraum verschiedene Vorteile,
da mannigfache Zubehörteile in bequemer und sicherer Weise in die Strahlengänge
einsetzbar sind. Eine Beschädigung und Gefährdung der hochwertigen optischen und
mechanischen Teile der Zweistrahl-Wechsellichteinrichtung ist ausgeschlossen. Diese
bezüglich des Küvettenraumes vorteilhaften bekannten Zweistrahl-Wechsellichteinrichtungen
ha-
ben jedoch den Nachteil, daß die Spiegel in den beiden Strahlengängen so angeordnet
sind, daß eine vollkommene Deckungsgleichheit der am gleichen Ort erzeugten Bilder
nicht erzielt wird. Insbesondere macht sich ein Wechsel im Krümmungssinn des bei
der Abbildung durch die Spiegelsysteme entstehenden gekrümmten Bildes beim Übergang
von einem Strahlengang zum anderen störend bemerkbar. Diese sowie jede andere Ungleichheit
der Bilder durch verschiedene Krümmungen, die von den beiden Strahlengängen am gleichen
Ort erzeugt werden, beeinträchtigen den Wert der Zweistrahleinrichtung für photometrische
oder spektralphotometrische Zwecke zum Teil sehr erheblich, weil durch die damit
verknüpfte unterschiedliche Ausleuchtung in den Wechsellichtperioden störende Wirkungen
in dem elektrischen Teil des Gerätes auftreten.
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Solche störenden Wirkungen können auch auftreten, wenn der bewegliche
(rotierende) Spiegel, der die Periodizität des Wechsellichtes erzeugt, an einer
solchen Stelle im Strahlengang steht, wo kein Bild der linienförmigen Lichtquelle
erzeugt wird. Das am beweglichen Spiegel reflektierte Strahlenbündel führt dann
bei ungenauer Spiegelbewegung zu seitlichen Auslenkungen des Lichtquellenbildes.
Befindet sich am Ort des Bildes der Spalt eines Spektrometers, so ist der Lichtstrom,
der in das Spektrometer eintritt, Schwankungen unterworfen.
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Die Erfindung erstrebt eine Verbesserung der optischen Abbildung
bei einer Zweistrahleinrichtung mit gesondertem Küvettenraum mit Hilfe eines Spiegelsystems
aus sphärischen Hohlspiegeln und Planspiegeln, um die beiden Bilder, die von den
beiden Strahlengängen am gleichen Ort erzeugt werden, nicht nur in gleicher Größe,
sondern mit gleicher Helligkeit und
gleicher Gestalt, insbesondere
mit gleicher Krümmung, d. h. also deckungsgleich, zu erhalten. Damit werden die
Nachteile beseitigt, die die bisher bekannten Spiegelanordnungen der Zweistrahleinrichtungen
aufweisen.
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Es ist bekannt (M. Dühmke, Physikalische Zeitschrift, 43 [1942],
S. 33, insbesondere S. 33 bis 36), daß die Abbildung einer linienförmigen Lichtquelle
oder eines Spaltes durch zwei Hohlspiegel verschieden ist; je nachdem wie die Hohlspiegel
angeordnet sind, ergibt sich ein Z-förmiger oder ein rückläufiger Abbildungsstrahlengang.
Dabei versteht man unter einer Z-förmigen Anordnung eine solche, bei welcher die
Verbindungslinie zwischen Spalt und der Mitte des ersten Hohlspiegels einerseits
und zwischen der Mitte des zweiten Hohlspiegels und dem Spaltbild andererseits auf
verschiedenen Seiten der Verbindungslinie der beiden Hohlspiegelmitten liegt. Unter
einer rückläufigen Anordnung versteht man eine solche, bei welcher die entsprechenden
Verbindungslinien zwischen Spalt und der Mitte des ersten Hohlspiegels einerseits
und zwischen der Mitte des zweiten Hohlspiegels und dem Spaltbild andererseits auf
der gleichen Seite der Verbindungslinie der beiden Hohlspiegelmitten liegen. Die
unterschiedliche Abbildung eines Spaltes durch eine Z-förmige und eine rückläufige
Anordnung der Hohlspiegel ergibt sich dabei, wenn sowohl zwischen den Hohlspiegeln
paralleler Strahlenverlauf als auch zwischen ihnen ein Zwischenbild des Spaltes
erzeugt wird. Bei den Ultrarot-Spektralphotometern, auf die sich die vorliegende
Erfindung besonders bezieht, sind infolge der zum Teil sehr geringen zur Verfügung
stehenden Strahlungsenergie Hohlspiegel mit großem Öffnungsverhältuis und auch verhältnismäßig
großen Spalthöhen erforderlich. Dadurch ergibt sich bei der außeraxialen Abbildung
durch einen Hohlspiegel ein deutlich merkbare Krümmung des von einem geraden Spalt
erzeugten Spaltbildes. Dieser Abbildungsfehler ist ebenso wie die in der obengenannten
Veröffentlichung von D ü h m k e untersuchten Abbildungsfehler unterschiedlich,
je nachdem man die Spaltabbildung durch eine Z-förmige oder eine rückläufige Anordnung
erzeugt. So wird durch eine rückläufige Anordnung die Krümmung des Spaltbildes,
die durch den ersten Hohlspiegel entsteht, im allgemeinen verstärkt, während bei
der Z-förmigen Anordnung die Krümmung vermindert oder gar aufgehoben werden kann.
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Diese an sich bekannte Z-förmige oder rückläufige Anordnung der Hohlspiegel
wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung angewandt.
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Eine Zweistrahl-Wechsellichteinrichtung mit einem gesonderten Küvettenraum
und einem aus sphärischen Hohlspiegeln und Planspiegeln bestehenden Spiegelsystem
wird zu dem Zweck der Abbildung in den beiden Strahlengängen zwischen der linienförmigen
Lichtquelle oder dem beleuchteten Spalt und den am gleichen Ort erzeugten Bildern
dieser Lichtquelle bzw. dieses Spaltes so eingerichtet, daß der Lichtquelle bzw.
dem Spalt Bilder mit gleicher Größe, gleicher Helligkeit, gleicher Gestalt, insbesondere
mit gleicher Krümmung, d. h. also deckungsgleiche Bilder, entsprechen. Dies wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwei Spiegelsysteme Anwendung finden, von
denen mittels des einen von der linienförmigen Lichtquelle oder dem beleuchteten
Spalt zwei optisch äquivalente Bilder und von diesen beiden Bildern mittels des
anderen Spiegelsystems zusammenfallende
Bilder erzeugt werden, wobei die beiden Hohlspiegel
eines jeden Spiegelsystems gleichen Krümmungsradius und eine solche gegenseitige
Lage haben, daß ihre Achsen einander parallel sind, und die Planspiegel eine solche
Lage, daß auch die Achsen derjenigen Teile der beiden abbildenden Strahlenbündel
einander parallel sind, die je zwischen einem Hohlspiegel und einem Planspiegel
liegen, und daß ferner die Anzahl der Spiegelungen in beiden Strahlengängen gleich
groß ist.
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Ferner wird der bewegliche Spiegel am Orte der zusammenfallenden
Bilder angeordnet, und es sind optische Mittel vorzusehen, um die zusammenfallenden
Bilder auf dem Spalt des Spektralphotometers abzubilden.
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Die beiden Strahlenbündel, die zur Bilderzeugung an zwei Stellen
erforderlich sind, können entweder durch eine Strahlenteilungseinrichtung mit physikalischer
oder geometrischer Teilung gebildet werden oder von vornherein vorhanden sein, indem
aus dem Bereich der ausgesandten Strahlen beispielsweise einer Lichtquelle zwei
Teilbündel benutzt werden.
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Im Falle physikalischer Strahlenteilung mittels einer Platte mit
Teilungsschicht kann es zur Aufrechterhaltung gleicher optischer Weglängen vorteilhaft
sein, besondere Ausgleichsmittel vorzusehen.
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In der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Zweistrahl-Wechsellichteinrichtung für ein Ultrarot-Spektralphotomete r veranschaulicht.
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Von einer linienförmigen Strahlungsquelle L gehen zwei Strahlenbündel
aus, deren eines durch einen Planspiegell und einen Hohlspiegel 3 so abgelenkt wird,
daß ein Bild Ot der Strahlungsquelle L entsteht, und deren anderes durch einen Planspiegel
2 und einen Hohlspiegel 4 so abgelenkt wird, daß ein Bild O2 von L entsteht.
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Das zweite Spiegelsystem enthält zwei Hohlspiegel 9 und 10 und vier
Planspiegel 6, 7, 8 und 12, von denen der mit 12 bezeichnete um eine Achse 11 drehbar
ist.
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Die Spiegel 10, 8 und 7 entwerfen von dem Bild 0 und die Spiegel 9
und 6 entwerfen von dem Bild °2 ein Zwischenbild am Orte eines drehbaren Spiegels
12 mit sektorförmigen Ausschnitten. Das von °1 ausgehende Strahlenbündel wird bei
Rotation des Spiegels 12 nach Reflexion an den Spiegeln 10, 8 und 7 durchgelassen
und trifft auf einen zusätzlichen Hohlspiegel 13, der bewirkt, daß bei S ein Bild
von O entsteht.
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Das von 02. ausgehende Strahlenbündel wird nach Reflexion an den Spiegeln
9 und 6 bei Rotation des Spiegels 12 noch von diesem Spiegel reflektiert und bewirkt,
daß bei S auch ein Bild von O2 entsteht. Die Anordnung der Spiegel ist so getroffen,
daß die beiden bei S entstehenden Bilder miteinander zusammenfallen. Mit 14 und
15 sind die beiden Küvetten des Photometers bezeichnet.