DE2758141C2 - Spektrophotometer - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Spektrophotometer nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei der Untersuchung von Proben verschiedenster Art, wie Textilfasern und -geweben. Flüssigkeiten und Gasen aller Art, insbesondere verschmutzter Luft usw. werden fast ausschließlich spektralanalytische Methoden verwendet. Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von Spektrophotometern, das sind Vorrichtungen zur Messung der spektralen Helligkeitsverteilung einer Strahlung, entwickelt, die eine schnelle, sichere und einfache Ermittlung der Zusammensetzung der untersuchten Proben oder die Feststellung des Vorliegens beslimmter Komponenten in diesen Proben gestatten.

So werden bei einem beispielsweise in der Literaturstelle »Classical Methods«, Vol. 1, von I. Estermann, Academic Press, New York and London, 1959, S. 398 bis 400, beschriebenen Monochromator die in verschiedenen Farben erzeugten Abbildungen des Eintrittsspalts durch eine gemeinsame Verstellung eines Dispersionsprismas und eines Planspiegels nacheinander über einen Austrittsspalt bzw. über ein strahlungsempfindliches Element verschoben. Da insbesondere bei ein hohes Auflösungsvermögen aufweisenden Vorrichtungen die· ser Art ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich ist, sind die nach diesen Verfahren arbeitenden Geräte sehr teuer, groß und störanfällig. Weil sie gegen Erschütterungen sehr empfindlich sind, sind häufig sehr zeitraubende Justagen zumindest nach jedem Transport unumgänglich. Nachdem die auf die einzelnen Spektralkomponenten entfallenden Intensitäten nicht gleichzeitig sondern in zeitlicher Aufeinanderfolge durch Drehung einer empfindlichen optischen Anordnung gemessen werden, wobei an dem Synchronismus der Drehung mit den Zeitpunkten der einzelnen taessungen hohe Anforderungen gestellt werden, sind mit den Vorrichtungen der obengenannten Art durchgeführte Messungen auch sehr zeitraubend.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 27 39 5853 wird ein Spektrophotometer beschrieben, das aus einem keilförmigen Interferenzfilter besteht dessen eine Fläche mit einer Vielfach-Photodiodenanordnung verbunden ist Die Anordnung ist so ausgebildet daß aufgrund der sich örtlich ändernden spektralen Durchlaßcharakteristik des keilförmigen Interferenzfilters jede Photodiode nur mit Strahlung einer bestimmten Wellenlänge beaufschlagt werden kann. Diese Vorrichtung ist zwar leicht wenig störanfällig und relativ schnell, da die Photodiodenanordnung mit dem keilförmigen Interferenzfilter fest verbunden ist und die Messung der Intensitäten aller spektralen Komponenten gleichzeitig erfolgt Da jedoch die in den Bereich einer Photodiode gelangende Intensität höchstens gleich der dem keilförmigen Interferenzfilter zugeführten infolge der geringen Apertur der Lichtleitfasern kleinen Gesamtintensität dividiert durch die Anzahl der Photodioden ist, sind derartige Spektralphotometer wenig empfindlich, was u.a. zur Folge hat daß, insbesondere bei geringen Strahlungsintensitäten, bestimmte Meßgeschwindigkeiten nicht überschritten werden können.

Aus der Veröffentlichung »A Compact Multichannel Spectrometer for Field Use« von G. A. H. Walker und anderen in Rev. Sei. Instrum., Vol.45, Nr. 11, November 1974, S. 1349—1352 wird ein Spektrometer mit der bekannten Littrow-Anordnung beschrieben, bei der das von einer spaltförmigen Eingangsapertur ausgehende Licht durch ein abbildendes System kollimiert wird und nach Reflexion und Aufspaltung an einem reflektierendem Gitter von demselben optischen Abbildungssystem auf eine Detektoranordnung mit mehreren einzelnen Detektoren abgebildet wird. Eingangsspalt und Detektoranordnung liegen dabei beiderseits und symmetrisch zur optischen Achse des abbildenden Systems. Diese symmetrische Anordnung hat den Nachteil, daß die auf das Reflexionsgitter einfallenden und davon ausgehenden Strahlenbündel außeraxial zum optischen Abbildungssystem verlaufen, so daß zur Vermeidung starker Abbildungsfehler nur geringe Spaltbreiten verwendet werden können; damit sinkt aber auch die insgesamt zur Verfügung stehende Lichtintensität. Außerdem muß zur Vermeidung von Abbildungsfehlern bei schiefer Strahlführung ein korrigiertes optisches, aus mehreren Linsen bestehendes System verwendet werden.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, ein Spektrophotometer der eingangs genannten Art anzugeben, das mit einfachen optischen Elementen aufgebaut werden kann und trotzdem eine hohe Empfindlichkeit (und damit eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit) und ein hohes Auflösungsvermögen aufweist und keine hohen Anforderungen an die Justierung bei der Zusammenschaltung mit anderen optischen Komponenten (z. B. Mikroskop) erfordert.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der

Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Da das erfinciungsgemäße Spektrophotometer von der in Verbindung mit reflektierenden Dispersionsgittern ausschließlich verwendeten Uttrow-Anordnung abweicht und die Eingangsapertur in die optische Achse des Abbildungssystems legt, liegen die zur Abbildung beitragenden Strahlenbündel alle in der Nähe der optischen Achse und erleiden somit nur geringe Abbildungsfehler. Durch die Anordnung des Photodetektors in unmittelbarer Nähe der Eingangsapertur gilt entsprechendes auch für die vom Reflexionsgitter ausgehenden Strahlenbündel. Bei dieser Anordnung können ohne weiteres kreisförmige oder (näherungsweise) quadratische Eingangsaperturen mit relativ großer öffnung verwendet werden, so daß eine große Lichtintensität zur Verfügung steht. Das hier beschriebene Spektrophotometer eignet sich infolge seines kompakten Aufbaus insbesondere dazu, direkt auf den Tubus eines handelsüblichen Mikroskops aufgesetzt zu werden; die (näherungsweise) rotationssymmetrische Form der Eingangsapertur hat zur Folge, daß keine weitere Justierung des Spektrophotometers zum Strahlengang im Mikroskop erforderlich ist

Die in bezug auf vergleichbare Vorrichtungen der obengenannten Art sehr hohe Empfindlichkeit des Spektrophotometers wird auch dadurch erreicht, daß zwischen Eintrittsapertur und reflektierendem Dispersionselement eine vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft des reflektierenden Dispersionselements angeordnete Linse vorgesehen ist, die einen aus der in der Nähe ihrer Brennebene angeordneten Eintrittsapertur kommenden Strahl unabhängig von seinem Divergenzwinkel als Parallelstrahlenbündel auf das reflektierende Dispersionselement richtet. Bedingt durch den geringen Abstand zwischen Linse und Dispersionselement treten bei Abweichungen der Richtung des Zentralstrahls des die Eintrittsapertur durchsetzenden divergenten Strahlenbündels von der optischen Achse des Geräts keine ins Gewicht fallenden seitlichen Verschiebungen und keine Richtungsänderungen des auf das reflektierende Dispersionselement auftreffenden Strahlenbündels auf, so daß keine Lageänderung der den einzelnen Wellenlängen zugeordneten Abbildungen der Eintrittsapertur auf der Vielfach-Photodetektoranordnung stattfinden. Da die das zu analysierende Strahlenbündel unabhängig von dessen Divergenzwinkel — sofern dieser nur innerhalb des Aperturwinkels der Linse liegt — und der Richtung seines Zentralstrahls auf das reflektierende Dispersionselement als Paiallelstrahlenbiindel richtende Linse gleichzeitig die den einzelnen Wellenlängen zugeordneten Abbildungen der Eintrittsapertur auf die Vielfach-Photodetektorenanordnung bewirkt, ist beim erfindungsgemäßen Spektrophotometer das optische Abbildungssystem einfacher als bei allen bisher bekannten vergleichbaren Vorrichtungen der obengenannten Art; es kann aus einer einzigen Linse bestehen. Da ein besonders kleiner Abstand zwischen der Linse und dem reflektierenden Dispersionselement besonders wünschenswert ist, können diese beiden Elemente entweder miteinander verkittet oder sogar aus einem Stück hergestellt werden, wodurch die Einfachheit und die Unempfindlichkeit der Vorrichtung gegen Erschütterungen oder Verschmutzungen gegenüber allen bekannten Spektrophotometern ganz wesentlich erhöht wird.

Durch die quadratische oder kreisförmige Ausbildung der Eintrittsöffnung ist die Möglichkeit gegeben, einen eng begrenzten, nahezu beliebig kleinen Bereich des zu untersuchenden Objektes zu erfassen, ein Vorteil, der mit keinem der vorbekannten Spektrophotometer der in Frage kommenden Art in diesem Umfang zu erreichen ist

Nachdem auch die die Eintrittsapertur enthaltende Platte mit der Vielfach-Photodetektoranordnung fest verbunden sein kann, kann das das Spektrophotometer praktisch nur aus zwei relativ einfach auch durch Massenproduktion herstellbaren Komponenten bestehen, die ohne besonders hohe Anforderungen an die gegenseitige Ausrichtung durch eine nur wenige Zentimeter lange und breite Hülse miteinander verbunden sind.

Die durch diese Ausführungsform erreichte Einfachheit, Kleinheit, Billigkeit und Robustheit kann mit keinem der bisher bekannt gewordenen Spektrophotometer auch nur annähernd erreicht werden.

Durch die Anordnung der linearen Vielfadi-Photodetektoranordnung in unmittelbarer Nähe der kreisförmig, quadratisch oder näherungsweise quadratisch ausgebildeten Eintrittsapertur werde.;· die bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art nur selten vermeidbaren schiefen Bündel und die damit verbundenen Fehler weitgehend vermieden.

Die Erfindung wird anschließend anhand der ein Ausführur.gsbeispiel der Erfindung dargestellten Figur näher erläutert. Das in der Figur schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus einem eine zu untersuchende Probe 2 aufnehmenden Probenhalter 1, einer Linse 20, einer eine quadratische Apertur 3 aufweisenden Platte 4, aus einer auf dieser Platte 4 in unmittelbarer Nachbarschaft der Apertur 3 angeordneten, aus Photodioden 6 bestehenden Vielfach-Photodiodenanordnung 5, einer Linse 8 und einem als

J5 Stufengitter ausgebildeten reflektierenden Dispersionselement 9. Die Platte 4 ist mit dem Dispersionselement 9 durch eine Hülse 10 verbunden, die oben durch einen Deckel 21 abgeschlossen ist.
Die auf dem Probenhalter 1 angeordnete Probe 2 wird durch eine schräg einfallende polychromatische Strahlung 11 beleuchtet. Anstelle einer schiefwinkligen Beleuchtung kann auch eine senkrechte Beleuchtung über einen zwischen Probe 2 und Linse 20 angeordneten, in der Figur nicht dargestellten, halbdurchlässigen Spiegel erfolgen. Die an einem Punkt der Oberfläche der Probe 2 diffus gestreute oder reflektierte Strahlung wird durch die Linse 20 als konvergentes Strahlenbündel 12 innerhalb der im Brennpunkt der Linse 8 liegenden Eintrittsapertur 3 fokussiert und tritt aus

so dieser als divergentes Strahlenbündel in Richtung auf die Linse 8 aus. Beim Durchtritt durch diese Linse 8 wird das divergente Strahlenbündel in ein Parallelstrahlenbündel umgewandelt, das unter einem kleinen Einfallwinkel jui das reflektierende Dispersionselement 9 auftrifft. Dieses ist so ausgebildet, daß eine Beugung des auftreffenden Lichtes im wesentlichen nur in Richtung der ersten Beugungsordnung stattfindet. Da die Richtung einer Beugungsordnung von der Wellenlänge abhängig ist, wird die erste Beugungsordnung für jede Wellenlänge in einer anderen Richtung reflektiert und durch die Linse 8 auf jeweils eine einer bestimmten Wellenlänge zugeordneten Photodiode 6 abgebildet. Zur Vereinfachung der Darstellung und Erhöhung der Übersichtlichkeit werden diese Verhältnisse nur anhand

^fa5 eines einzigen, die rechte Begrenzung des die Eintrittsapertur 3 durchsetzenden divergenten Strahlenbündels darstellenden Strahls 13 dargestellt. Der die Linse 8 durchsetzende Strahl 13 wird von dieser in einen

zur optischen Achse dieser Linse parallel verlaufenden Strahl umgewandelt, der an dem reflektierenden Dispersionselement 9 nur in Richtung der ersten Ordnung gebeugt wird. Die den Farben Rot, Grün und Blau zugeordneten Richtungen sind mit 13/?, 13G und 135 bezeichnet. Beim Durchtritt durch die Linse 8 werden diese Strahlen in Richtung auf die ihren Farben zugeordneten Photodioden 6/?, 6C bzw. 6fl abgelenkt. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß das gleiche mit jedem parallel zur optischen Achse der Linse 8 verlaufenden, auf das reflektierende Dispcrsionselc· ment 9 auftreffenden Strahl erfolgt, so daß die von der ganzen Fläche des Dispersionselements 9 reflektierte Strahlung einer bestimmten Wellenlänge jeweils auf eine bestimmte Photodiode 6 fokussiert wird.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Meßergebnissc bei einem einen kleineren Divergenzwinkel aufweisenden Strahlenbündel 12, sofern dieses nur den gleichen Lichtfluß aufweist, nicht verändern und auch die Empfindlichkeit der Messung nicht herabgesetzt wird. Weist der dsirch die Eintrittsapertur 3 eintretende Strahl, was die Regel sein wird, einen Divergenzwinkel auf. der wesentlich kleiner als der Aperturwinkel der Linse 8 ist. so ist die Richtung der Zentralachse dieses Strahles ohne Einfluß auf die Lage der Abbildungen der einzelnen Farbkomponenten auf der Vielfach-Photodiodenanordnung 5 und auf die Meßempfindl chkeit. Das Spektralphotomcicr kann somit beispielsweise im Zusammenhang mn einem Meßniikroskop verwendet werden, ohne daß besondere Maßnahmen zur Ausrichtung der optischen Achse des Spektralphotometers auf die optische Achse des Meümikroskops erforderlich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 Patentansprüche:

1. Spektrophotometer mit einem reflektierenden Dispersionselement und Einrichtungen zur optischen Abbildung der monochromatischen Bilder und Eintrittsöffnung auf eine in der Ebene der Eintrittsöffnung liegende Vielfach-Photodetektoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (3) kreisförmig, quadratisch oder näherungsweise quadratisch ausgebildet ist und symmetrisch zur Mittelachse des Spektrometers liegt und daß die Photodetektoranordnung (5) in unmittelbarer Nähe der Eintrittsöffnung (3) angeordnet ist

2. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Einrichtung (8) zur optischen Abbildung als Einzellinse ausgebildet ist

3. Spektrophotometer nach den Ansprüchen 1 oder 2, da4urch gekennzeichnet, daß das reflektierende Diipersionselement (9) als reflektierendes Strichgitter ausgebildet ist

4. Spektrophotometer nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das reflektierende Dispersionselement (9) als reflektierendes Stufengitter ausgebildet ist

5. Spektrophotometer nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Dispersionseiement (9) als Dispersionsprisma mit verspiegelter Rückseite ausgebildet ist

6. Spektrophotometer nach einem der Ansprüehe 1 bis 0, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (8) zur optischen Abbildung in unmittelbarer Nachbarschaft Ues reflektierenden Dispersionselements (9) angeordnet is .

7. Spektrophotometer nach einem der Ansprü- J5 ehe 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Dispersionselement (9) mit der Einrichtung (8) zur optischen Abbildung verkittet ist.