DE2952901C1

DE2952901C1 - Spektralphotometer

Info

Publication number: DE2952901C1
Application number: DE2952901A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Akitomo; Isao Katsuta Iabaraki Nemoto; Shigeo Tohyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-06-23
Filing date: 1979-06-20
Publication date: 1985-01-10
Also published as: JPS552916A; WO1980000189A1; US4352561A; JPS628728B2

Description

(A) eine Peak-Ermittlungseinheit (26), der die in ei-

nem Vorverstärker (24) verstärkten Ausgangssignale des Lichtdetektors (20) zugeführt werden und die bei kontinuierlicher Wellenlängen- Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektralphotomeabtastung mit dem Dispersionselement (18) 25 ter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es etwa durch die Wellenlängen-Verstelleinheit (22) bei aus der US-PS 35 83 813 bekannt ist.

Auftreten eines Peaks ein Ausgangssignal lie- Bei Spektralphotometern sind die Wellenlängen- und

fert; die Spaltbreiten-Genauigkeit des Monochromators von

(B) einen mit der Peak-Ermittlungseinheit (26) ver- ausschlaggebender Bedeutung für die Leistungsfähigbundenen Impulsspeicher (30), der bei Ermitt- 30 keit des Geräts. Insbesondere bei hochwertigen Gerälung eines Peaks durch die Peak-Ermittlungs- ten müssen sie in bezug auf Aufbau und mechanische einheit (26) die Peak-Wellenlänge in Form der Präzision auf theoretische Grenzwerte einstellbar sein, der Abtastposition der Wellenlängen-Verstell- Ferner müssen die Verstelleinheiten besonders unempeinheit (22) entsprechenden Impulszahl abspei- findlich aufgebaut sein, um sowohl Erschütterungen chert; und 35 während des Transports als auch sonstige mechanische

(C) eine mit der Peak-Ermittlungseinheit (26) ver- Belastungen auszuhalten.

bundene Spaltbreiten-Kalibriereinheit (27) mit Bei herkömmlichen Spektralphotometern werden die

Wellenlängen- und die Spaltenbreiten-Verstelleinheiten

— einem Speicher (28), der das Ausgangssi- mechanisch betätigt. Dabei wird die Wellenlänge durch gnal des Lichtdetektors (20) nach Verstär- 40 eine Wellenlängen-Verstelleinheit eingestellt, die mit eikung im Vorverstärker (24) als Peakwert nem Wellenlängenzähler oder einer Wellenlängen-Abspeichert, wenn die Peak-Ermittlungsein- tasteinheit gekoppelt ist. Die Spaltbreite wird in Verbinheit (26) einen Peak ermittelt hat, dung mit einer Spaltbreitenanzeige eingestellt, wobei

— einem Vergleicher (32), der einen festgeleg- die Kalibrierung der Spaltbreite nach dem Zusammenten Bruchteil des im Speicher (28) gespei- 45 bau im allgemeinen schwierig ist. Somit stellt sich das cherten Peakwerts mit dem Ausgangssi- Problem, daß bei einer Verschiebung der mechanischen gnal des Lichtdetektors (20) nach Verstär- Systeme oder einer geringfügigen Lageänderung wähkung im Vorverstärker (24) bei kontinuier- rend des Transports oder durch Benutzung im Lauf der licher Wellenlängenabtastung vergleicht Zeit Abweichungen die Wellenlängen- und die Spalt- und bei Gleichheit beider Werte ein Aus- 50 breitengenauigkeit unmittelbar beeinträchtigen, wogangssignal liefert, und durch die Präzision des Spektralphotometers vermin-

— einem Impulsspeicher (34), der die der dertwird.

Spaltbreite entsprechende Impulszahl Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten und Verzählt und speichert, mit der die Wellenlän- einfachung der Wellenlängen-Kalibrierung von Monogen-Verstelleinheit (22) von der Ermittlung 55 chromatoren wurde bereits eine Wellenlängen-Erfasdes Peaks durch die Peak-Ermittlungsein- sungsvorrichtung vorgeschlagen (JP-OS 50-126 906), heit (26) bis zum Auftreten des Ausgangssi- bei der ein Wellenlängenzähler aufgrund eines Wellengnals des Vergleichers (32) verstellt wird. längen- Kalibriersignals auf einen festen Zählwert eingestellt wird, das auftritt, wenn die abgestimmte Wellen-

2. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch 60 länge des Monochromators gleich einer vorbestimmten gekennzeichnet, daß Wellenlänge A₁- ist, so daß der Zählwert des Wellenlängenzählers auf den der abgestimmten Wellenlänge des

— die Wellenlängen-Verstelleinheit (22) durch die Monochromators entsprechenden Wert kalibriert wird. Spaltbreiten-Kalibriereinheit (27) derart an- Im einzelnen ist dabei in Wellenlängen-Verstelleinsteuerbar ist, daß beim Auftreten eines Aus- 65 heiten des Strichsystems ein durch eine Vorschubspingangssignals des Vergleichers (32) die Richtung del bewegbarer Schieber mit einer Klinke vorgesehen, der Wellenlängenabtastung umgekehrt wird. Wenn die abgestimmte Wellenlänge A des Monochro- und mators gleich der vorgegebenen Wellenlänge A₁- gewor-

ORIGINAL INSPECTED

IO

15

20

den ist, d. h. wenn die Strecke x, um die sich der Schieber bewegt hat, gleich einer entsprechenden Strecke x_c ist, löst die Klinke einen Schalter aus. Das Auslösesignal des Schalters wird dem Wellenlängenzähler als Wellenlängen-Kalibriersignal zugeführt, worauf der Zähler auf den A₁- entsprechenden Festwert gesetzt wird. Mit derartigen Wellenlängen-Erfassungsvorrichtungen wird der Zählwert des Wellenlängenzählers jedesmal, wenn die abgestimmte Wellenlänge des Monochromators gleich Ac wird und der Schalter betätigt wird, automatisch durch das Wellenlängen-Kalibriersignal geeicht. Solche Vorrichtungen weisen daher die Eigenschaft auf, daß der Zählwert des Wellenlängenzählers auch dann automatisch kalibrierbar ist, wenn er aus irgendeinem Grund abgewichen war, z. B. durch Ausfall eines Schrittmotors. Bei dieser Kalibrierung mit Hilfe eines Wellenlängen-Kalibriersignalgebers, der mit der Vorschubspindel oder einem Getriebe gekoppelt ist, ergibt sich aber das Problem, daß Kalibrierungen bei Wellenlängenabweichungen, die hauptsächlich durch die Optik des Monochromators bedingt sind, z. B. durch Winkelabweichungen zwischen dem Dispersionselement und einem Hebel, nicht möglich sind. Für die Wellenlängenkalibrierung bei solchen Abweichungen wurde ferner bereits ein Verfahren angegeben (JP-OS Nr. 50-1 26 906), bei dem eine Kalibrierlichtquelle verwendet wird, die ein bekanntes Linienspektrum aussendet. Bei diesem Verfahren müssen in einem normalen Monochromator zusätzlich die Kalibrierlichtquelle und ein Hilfsdetektor untergebracht werden, um das Linienspektrum der Kalibrierlichtquelle mit dem Hilfsdetektor überwachen und die Anzeige des Wellenlängenzählers gesondert mit einem Ausgangssignal des Hilfsdetektors kalibrieren zu können, so daß die Optik entsprechender Geräte sehr kompliziert wird. Ferner kann bei keinem dieser Geräte eine Spaltbreiten-Kalibrierung durchgeführt werden.

Aus Journal of Physics E, Vol. 7, S. 79/80, 1974, ist es bekannt, daß die Halbwertsbreite einer Linie weitgehend entsprechend zur Spaltbreite ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Spektralphotometers mit einem Monochromator, bei dem die Spaltbreite in optimaler Weise kalibrierbar ist, wobei eine durch die Optik bedingte Differenz zwischen Ist- und Soll-Spaltbreite kalibrierbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Peak-Ermittlungseinheit ist dabei so ausgelegt, daß sie Peaks aus einem Hellinienspektrum oder von Licht nullter Ordnung ermittelt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Spektralphotometers,

Fig.2 ein detailliertes Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1,

Fig.3 das Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels und

F i g. 4 das Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels, bei dem ein Mikroprozessor verwendet ist.

Das Spektralphotometer von F i g. 1 weist eine Lichtquelle 10 auf, die ein Linienspektrum emittiert. Lichtquellen mit Linienspektrum sind z. B. Quecksilber-, Hohlkathoden-, Xenon- und Deuteriumlampen; andere Lichtquellen haben normalerweise kein Linienspektrum. Bei Spektralphotometern für den UV- und den sichtbaren Bereich ist eine Deuteriumlampe besonders günstig, weil sie im UV-Bereich von 200 bis 300 nm ein starkes kontinuierliches Spektrum besitzt und daher als allgemeine Lichtquelle eingesetzt werden kann, und weil sie bei 656,1 nm eine Linie in einem normalerweise nicht verwendeten Bereich aufweist. Die Lichtquelle 10 kann auch eine Lichtquelle ohne Linienspektrum sein. In einem solchen Fall kann, wie noch erläutert wird. Licht nullter Ordnung verwendet werden. Das von der Lichtquelle 10 emittierte Licht tritt durch einen Eintrittsspalt 14 in einen Monochromator 12 ein. Die Spaltbreite des Eintrittsspalts 14 kann durch eine Spaltenbreiten-Verstelleinheit 16 geändert werden. Das durch den Eintrittsspalt 14 gelangende Licht wird von einem Dispersionselement 18, z. B. einem Beugungsgitter oder einem Prisma, zerlegt; aus einem (nicht dargestellten) Austrittsspalt tritt Licht einer bestimmten Wellenlänge aus und wird von einem Lichtdetektor 20 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Normalerweise sind der Ein- und der Austrittsspalt gekoppelt und werden von einer einzigen Spaltbreiten-Verstelleinheit 16 betätigt. Das Dispersionselement 18 wird von einer Wellenlängen-Verstelleinheit 22 betätigt, wodurch Wellenlängen abgetastet werden. Für die Spaltbreiten-Verstelleinheit 16 und als Wellenlängen-Verstelleinheit 22 sind verschiedene Ausführungen bekannt (vgl. zum Beispiel die US-PS 30 98 408 und die US-PS 38 68 499, die JP-OS 50-1 26 906 sowie die DE-OS 25 13 225). Die Spaltbreiten- und die Wellenlängen-Verstelleinheit erzeugen den jeweiligen Verschiebungen entsprechende Impulse unter Einsatz von Schrittmotoren und Codierern. Ein Vorverstärker 24 verstärkt das Ausgangssignal des Lichtdetektors 20. Eine Peak-Ermittlungseinheit 26 ermittelt Peaks im Ausgangssignal des Vorverstärkers 24. Ein Speicher 28 in der Spaltbreiten-Kalibriereinheit 27 speichert das Ausgangssignal des Vorverstärkers 24, wenn die Peak-Ermittlungseinheit 26 einen Peak erfaßt hat. Ein Impulsspeicher 30 speichert als Wellenlängenposition der Lichtquelle 10 die Abtastlage der Wellenlängen-Verstelleinheit 22 zu dem Zeitpunkt, in dem die Peak-Ermittlungseinheit 26 den Peak festgestellt hat. Ein Vergleicher 32 vergleicht einen festgelegten Bruchteil, z. B. die Hälfte, des im Speicher 28 gespeicherten Werts mit dem Ausgangssignal des Vorverstärkers 24, das sich im Verlauf der Wellenlängenabtastung ändert, und liefert ein Ausgangssignal, wenn beide Werte gleich sind. Ein Impulsspeicher 34 speichert die Anzahl der Impulse von der Wellenlängen-Verstelleinheit 22 im Zeitraum von der Peak-Erfassung durch die Peak-Ermittlungseinheit 26 bis zum Auftreten des Ausgangssignals des Vergleichers 32.

Im folgenden wird die Arbeitsweise näher erläutert. Das aus der Lichtquelle 10 austretende Licht mit Linienspektrum wird vom Eintrittsspalt 14 und dem Dispersionselement 18 zu monochromatischem Licht gemacht, das der Lichtdetektor 20 in ein elektrisches Signal umwandelt, das vom Vorverstärker 24 verstärkt wird. Die Peak-Ermittlungseinheit 26 erfaßt den Peak des Ausgangssignals des Vorverstärkers 24, wobei das Dispersionselement 18 von der Wellenlängen-Verstelleinheit kontinuierlich verstellt wird. Wenn die Peak-Ermittlungseinheit 26 einen Peak erfaßt hat, fällt die Monochromatorwellenlänge gerade mit der entsprechenden Wellenlänge des Linienspektrums zusammen. Dann wird die Wellenlänge in Form der der Abtastposition entsprechenden Impulszahl im Impulsspeicher 30 gespeichert, die vorher eingegeben wurde.

Wenn die Peak-Ermittlungseinheit 26 den Peak erfaßt hat, wird das Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 in diesem Moment im Speicher 28 gespeichert. Wenn das

30

35

50

60

65

Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 und ein festgelegter Bruchteil, z. B. der halbe Wert, des im Speicher 28 gespeicherten Werts gleich geworden sind, erzeugt der Vergleicher 32 ein Ausgangssignal. Die Anzahl Vorschubimpulse, um die die Wellenlängen-Verstelleinheit 22 im Zeitraum von der Peak-Erfassung durch die Peak-Ermittlungseinheit 26 bis zum Wirksamwerden des Vergleichers 32 bewegt wurde, wird im Impulsspeicher 34 gespeichert Die dort gespeicherte Impulszahl entspricht der Verschiebung der Spaltbreiten-Verstelleinheit 16, die die Breite des Eintrittsspalts 14 verstellt. Infolgedessen entspricht die durch den vorstehend erläuterten Vorgang gespeicherte Impulszahl direkt der Spaltbreite.

Die erläuterte Abtastung wird vom Spektralphotometer unmittelbar nach dem Einschalten automatisch durchgeführt, also die Wellenlängen- und die Spaltbreiten-Kalibrierung vorgenommen, so daß eine Spaltbreiten-Abweichung während eines Transports bzw. im Lauf der Zeit eintretende Änderungen nach langem Gebrauch vernachlässigbar werden.

Das vorstehend angegebene erste Ausführungsbeispiel wird unter Bezug auf F i g. 2 im einzelnen erläutert. Der Eintrittsspalt 14 wird von einem Schrittmotor 160 der Spaltbreiten-Verstelleinheit 16 betätigt, während das Dispersionselement 18 von einem Schrittmotor 220 der Wellenlängen-Verstelleinheit 22 angetrieben wird. Die Schrittmotoren 160 und 220 werden von Schrittmotor-Antriebsgliedern 162 bzw. 222 gesteuert. Hierfür sind verschiedene Schrittmotor-Antriebe bekannt (vgl. zum Beispiel JP-OS 51-1 04 863).

Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 gelangt zu einem Vergleicher 260 der Peak-Ermittlungseinheit 26, der ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 einen Schwellenwert übersteigt Der Vergleicher 260 wird eingesetzt, um einen ungewollten Betrieb der Peak-Ermittlungseinheit 26 infolge von Störsignalen im Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 zu vermeiden. Ein Schalter 262 wird vom Signal des Vergleichers 260 eingeschaltet, so daß das Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 in ein Differenzierglied 264 gelangt. Ob das Ausgangssignal des Vorverstärkers ein Peak ist, kann in Abhängigkeit davon festgestellt werden, ob der differenzierte Wert des Eingangssignals gleich Null ist. Das Ausgangssignal des Differenzierglieds 264 wird daher einem Null-Detektor 266 zugeführt Dieser erzeugt ein Koinzidenzsignal, wenn das Eingangssignal gleich Null ist. Das Koinzidenzsignal wird in einer Gateschaltung 268 in ein analoges Gatesignal umgewandelt. Das Ausgangssignal der Peak-Ermittlungseinheit 26 wird dem L-Eingang eines voreinstellbaren Vorwärts-Rückwärts-Zählers 300 im Impulsspeicher 30 zugeführt Mit einem Preset-Eingang des Zählers 300 ist ferner ein Festwertspeicher 302 verbunden. Infolgedessen wird in dem Augenblick, in dem die Peak-Ermittlungseinheit 26 eine Entscheidung über den Peak getroffen hat, der Inhalt des Festwertspeichers 302 durch das Ausgangssignal der Peak-Ermittlungseinheit 26 in den Zähler 300 eingeführt. Wenn die Lichtquelle 10 eine Deuteriumlampe ist, beträgt ihre Wellenlänge 656,1 nm. Die Wellenlängenänderung infolge der durch das Schrittmotor-Antriebsglied 222 erzeugten Impulse beträgt 0,0125 nm je Impuls. Die Frequenz der Ausgangsimpulse des Schrittmotor-Antriebsglieds 222 wird von einem Frequenzteiler 36 geteilt. Dieser besteht aus drei Flipflops 360, 362 und 364. Die nach der Frequenzteilung durch acht resultierenden Impulse werden dem Zähler 300 des Impulsspeichers 30 zugeführt. Daher wird im Zähler 300 ein Impuls für jeweils acht Ausgangsimpulse des Schrittmotor-Antriebsglieds 222 gezählt. In diesem Fall wird als Zähler 300 ein fünfstelliger BCD-Zähler verwendet. Im Festwertspeicher 302 ist in Form von Hardware eine Logik in Form des BCD-Codes 6561 vorgesehen. Wenn also in den Zähler 300 der vorbestimmte Eingangswert eingegeben wurde, wird darin 6561 gesetzt. Durch Verbinden eines Decodierers/Treibers mit sieben Segmenten mit

ίο dem Ausgang des Zählers 300 kann der Inhalt des Zählers 300 als Wellenlänge zur Anzeige gebracht werden. Wenn die Wellenlängenabtastung erfolgt ist, gelangen die Impulse nach der Frequenzteilung durch acht zu einem Aufwärts- oder einem Abwärts-Eingang des Zäh lers 300, und zwar entweder über ein UND-Glied 304 oder ein UND-Glied 306, und der Inhalt des Zählers 300 ändert sich gemeinsam mit der Wellenlängenabtastung. Das UND-Glied 304 bzw. 306 wird durch eines der Signale »1« bzw. »0« angesteuert, durch die die Vorwärts- und die Rückwärtsdrehung der Wellenlängenabtastung unterstrichen wird. Der Inhalt des Festwertspeichers 302 kann durch Einsatz eines Digitalschalters od. dgl.

änderbar gemacht werden.

Das Ausgangssignal der Peak-Ermittlungseinheit 26

wird ferner den Impulsspeichern 30 und 34 zugeführt. Das dem Impulsspeicher 34 zugeführte Signal setzt ein Flipflop 340 und loscht gleichzeitig den Inhalt eines Aufwärts- Abwärts-Zählers 342. Wenn das Flip-Flop 340 gesetzt ist, wird ein UND-Glied 344 geöffnet Der andere Eingang des UND-Glieds 344 empfängt Impulse vom Schrittmotor-Abtriebsglied 222, deren Frequenz im Frequenzteiler 36 durch vier geteilt wurde. Die durch das UND-Glied 344 durchgelassenen Impulse werden einem Aufwärts-Eingang des Zählers 342 zugeführt und gezählt. Der Speicher 28 speichert den Peak-Wert mit Hilfe des Ausgangssignals der Peak-Ermittlungseinheit 26. Als Speicher 28 kann eine Abtast- und Halteschaltung eingesetzt werden. Der im Speicher 28enthaltene Wert wird mit einem Spannungsteiler 320 durch zwei geteilt und dann einem Eingang eines Vergleichers 322 zugeführt. Der andere Eingang des Vergleichers 322 empfängt das Ausgangssignal des Vorverstärkers 24, das sich mit der Wellenlängenabtastung ändert. Das Flipflop 340 wird vom Ausgangssignal des Vergleichers 322 in dem Augenblick rückgesetzt, in dem die beiden Eingangssignale des Vergleichers gleich geworden sind. Daraufhin wird das UND-Glied 344 gesperrt, und der Zähler 342 hört auf zu zählen. Der Inhalt des Zählers zu diesem Zeitpunkt entspricht der abgefahrenen Wellen länge von der Position des Peaks bis zum halben Peak- wert, was der halben Halbwertsbreite entspricht. Bei einer Wellenlängenabtastung von 1 nm ist die Anzahl der vom Schrittmotor-Antriebsglied 222 erzeugten Impulse gleich 80. Der Frequenzteiler 36 gibt folglich 20 Ausgangsimpulse ab, und der Inhalt des Zählers 342 wird gleich 20. Wenn der Zähler 342 ein BCD-Aufwärts-Abwärts-Zähler ist, kann die Anzeige von 2,0 nm in einfacher Weise mittels eines 7-Segment-Decodierer-/Treibers und Gleitkommabetrieb erhalten werden. Im oben erläuterten Fall betrugen die Wellenlängenabtastung 1,0 nm und die Halbwertsbreite zu diesem Zeitpunkt 2,0 nm. Infolgedessen bezeichnet der angezeigte Inhalt unmittelbar die Spaltbreite. Zur Anzeige der Spaltbreiten gibt es zwei Möglichkeiten: Bei der ersten wird die Spaltbreite selbst in mm angezeigt, während bei der zweiten die Bandbreite in nm angezeigt wird. Beide Anzeigen stehen zueinander in einer Proportionalitätsbeziehung; so entspricht z. B. 6,2 nm einer Spalt-

breite von 4 mm. Im allgemeinen wird die Bandbreitenanzeige verwendet. Auf der anderen Seite beträgt die Änderung der Spaltbreite infolge der durch das Schrittmotor-Antriebsglied 162 erzeugten Impulse 0,025 nm je Impuls. Die Frequenz der vom Schrittmotor-Antriebsglied 162 erzeugten Impulse wird von zwei Flipflops 380 und 382 eines Frequenzteilers 38 durch vier geteilt. Die resultierenden Impulse werden dem Aufwäts- oder Abwärts-Eingang des Zählers 342 über ein UND-Glied 346 oder ein UND-Glied 348 zugeführt. Die UND-Glieder 346 und 348 werden von einem Signal »1« bzw. einem Signal »0« angesteuert, wodurch die Vorwärts- bzw. Rückwärtsdrehung bei der Spaltbreitenänderung unterschieden wird.

Es ist erwünscht, daß diese Vorgänge unmittelbar nach dem Einschalten des Geräts automatich durchgeführt werden, bevor mit dem Spektralphotometer gemessen wird. Aufgrund eines Schalters 40 werden daher Steuersignale von einer Schaltkonsole 42 im Zeitraum zwischen dem Einschalten und der Beendigung der Kalibriervorgänge nicht angenommen.

In der vorstehenden Erläuterung ist die Änderung der Wellenlänge durch den von dem Schrittmotor-Antriebsglied 222 erzeugten Einheitsimpulse 0,0125 nm je Impuls, während die Spaltbreitenänderung durch den vom Schrittmotor-Antriebsglied 162 erzeugten Einheitsimpuls 0,025 nm je Impuls beträgt. Wenn jedoch die Wellenlängenänderung durch den Einheitsimpuls 0,025 nm je Impuls beträgt, wird in ähnlicher Weise so verfahren, daß ein Ausgang des Flipflops 360 des Frequenzteilers 36 mit dem UND-Glied 344 des Speichers 34 verbunden wird.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel gibt der Vergleicher 32 zu dem Zeitpunkt, an dem das Ausgangssignal des Vorverstärkers der Hälfte des im Speicher 28 gespeicherten Peak-Werts entspricht, ein Signal ab. Das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 und dem Peak-Wert muß jedoch nicht zwingend V₂ betragen, sondern kann z. B. auch V₄ sein. Ins- löscht und durch das Signal des Vergleichers 32 geschlossen. Es ist aber auch möglich, die Genauigkeit dadurch weiter zu verbessern, daß der Vorgang wiederholt und eine Mitteilung durchgeführt wird.

Der Wellenlängen-Schrittmotor kann auch umgekehrt geschaltet werden, wobei die Anzahl der Impulse zwischen der Peak-Wellenlänge und der der Hälfte des Peak-Werts entsprechenden Wellenlänge auf der der vorhergehenden Seite gegenüberliegenden Seite gezählt wird und die Summe dieser Impulsanzahl und der Impuisanzahl entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel als die der Halbwertsbreite entsprechende Impulsanzahl betrachtet werden kann.

Ferner ist es möglich, daß dann, wenn das Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 gleich der Hälfte des Peak-Werts geworden ist, der Impulsspeicher 34 gelöscht, gleichzeitig die Drehrichtung des Schrittmotors für die Wellenlänge umgekehrt und die Anzahl der Impulse bis zu der der Hälfte des Peak-Werts entsprechenden Wellenlänge auf der entgegengesetzten Seite gezählt und als der Halbwertsbreite entsprechende Impulsanzahl betrachtet wird. In diesem Fall weicht die Schaltung von der nach F i g. 2 geringfügig ab, wenn der Vergleicher 322 nach dem Erfassen der Koinzidenz einen positiven Impuls erzeugt, entfällt das Flipflop 340. Der Ausgang des Vergleichers 322 wird direkt an den Löschanschluß CL des Zählers 342 und das Schrittmotor-Antriebsglied 222 angeschlossen und ist über ein NICHT-Glied mit einem Eingang des UND-Glieds 344 verbunden. Somit wird durch das Ausgangssignal des Vergleichers 322 der Zähler 342 gelöscht, und das Schrittmotor-Antriebsglied 222 erzeugt ein Umschaltsignal. Da die Umschaltung des Schrittmotors mit einer geringen Zeitverzögerung verbunden ist, wird das UND-Glied 344 durch das erste Koinzidenz-Ausgangssignal des Vergleichers 322 geöffnet, so daß das Zählen beginnt; es wird durch das zweite Koinzidenz-Ausgangssignal des Vergleichers 322 wieder gesperrt und beendet den Zählvorgang. In beiden Fällen muß, wenn die der Halbwertsbreite

besondere ist die Form des Peaks in bezug auf den 40 entsprechende Impulszahl vom Impulsspeicher 34 ge-

Peak-Wert symmetrisch. Infolgedessen entspricht die halbe Linienbreite bei V₄ des Peak-Ausgangssignals dem Bandbereich. Die Bandbreiten-Anzeige kann leicht durch Einstellen des Frequenzteilungsverhältnisses der Frequenzteiler 36 und 38 erfolgen. Dementsprechend kann jedes gewünschte Verhältnis angewandt werden; üblicherweise wird jedoch ein Verhältnis von V2 angewandt.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel erfolgt die Wellenlängen-Einstellung auf der Grundlage einer Peak- Wellenlänge, sie kann jedoch auch auf der Grundlage von Licht nullter Ordnung erfolgen. Solches Licht ist im Gegensatz zu Spektrallinien nicht monochromatisch, hat jedoch ebenso wie dieses einen Peak. Infolgedessen ist es auch möglich, Licht nullter Ordnung für die WeI-lenlängen- und die Spaltbreiten-Kalibriervorgänge zu nutzen. Bei Spektralphotometern für den UV- und den sichtbaren Bereich, die Wellenlängen von 200 bis nm erfassen, liegt z. B. die Stelle, an der das Licht nullter Ordnung auftritt, bei der Wellenlänge 0 nm. In- so folgedessen kann das Licht nullter Ordnung durch Einstellen des Monochromators nahe 0 nm erfaßt werden. Bei Verwendung von Licht nullter Ordnung für die Kalibriervorgänge kann Null vorher in dem Festwertspeicher 302 gesetzt werden. Die Kalibrierung der Spalt- breite erfolgt dann wie oben angegeben.

Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel wird ferner der Impulsspeicher 34 vom Verknüpfungsglied 268 gezählt wird, das Frequenzteilungsverhältnis des Frequenzteilers 36, der mit dem Impulsspeicher 34 verbunden ist, gleich V₈ gemacht werden.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel erfolgen die Spaltbreiten- und die Wellenlängen-Kalibrierung unmittelbar nach dem Einschalten des Spektralphotometers. Der Zeitpunkt, zu dem diese Kalibriervorgänge durchgeführt werden, ist jedoch nicht auf die Zeit unmittelbar nach dem Einschalten beschränkt, da die Kalibrierung im Bedarfsfall jederzeit durchgeführt werden kann.

Gemäß den vorstehenden Ausfuhrungsbeispielen kann die Kalibrierung in manchen Fällen unbefriedigend durchgeführt werden, wenn das Hellinienspektrum entweder zu stark oder zu schwach ist. F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem dieser Nachteil beseitigt ist. Es entspricht dem von F i g. 2, umfaßt jedoch zusätzlich einen Diskriminator 44, der die Stärke des Ausgangssignals des Vorverstärkers 24 bestimmt, eine Verstärkungsregelstufe 46, die die Verstärkung des Lichtdetektors 20 entsprechend dem Ausgangssignal des Diskriminators 44 einstellt, und eine Warneinheit 48, die ein Alarmsignal abgibt, wenn die Verstärkungsregelstufe 46 die Verstärkung über die Obergrenze erhöht hat. Der übrige Aufbau sowie die Spaltbreiten-Kalibriervorrichtung entsprechen dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel.

Nach F i g. 3 wird das vom Vorverstärker 24 erzeugte

Signal auch dem Diskriminator 44 zugeführt. Der Diskriminator 44 wird vom Ausgangssignal der Peak-Ermittlungseinheit 26 betätigt und umfaßt einen oberen Vergleicher 440 sowie einen unteren Vergleicher 442 und bildet sozusagen einen Fenstervergleicher. Der s Vergleicher 440 erzeugt ein positives Signal, wenn das Eingangssignal größer als ein vorgegebener Wert ist, während der Vergleicher 442 ein positives Signal abgibt, wenn das Eingangssignal kleiner als ein vorgegebenes Signal ist Wenn das Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 zu stark ist, und die Möglichkeit besteht, daß der Lichtdetektor 20 sich im Sättigungsbereich befindet, gibt der Vergleicher 440 des Diskriminators 44 an einen Schalter 460 der Verstärkungsregelstufe 46 einen Befehl zur Verringerung der Verstärkung ab. Wenn umgekehrt t s das Ausgangssignal zu schwach ist, erhält ein Schalter 462 der Verstärkungsregelstufe 46 einen Befehl zur Erhöhung der Verstärkung. Bei Empfang dieses Befehls erhöht bzw. verringert die Verstärkungsregelstufe 46 die Verstärkung des Lichtdetektors 20. Wenn der Schalter 460 angesprochen hat, wird eine vorgegebene Spannung V\ von einem invertierenden Verstärker 464 verstärkt Wenn der Schalter 462 angesprochen hat, wird die vorgegebene Spannung Vi von einem Verstärker 466 verstärkt, wobei das eine Summensignal der Ausgangssignale der Verstärker 464,466 und einer Bezugsspannung Vb von einem Pufferverstärker 468 verstärkt wird Das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 468 wird von einem Gleichspannungswandler 470 in eine Hochspannung umgewandelt, die den Verstärkungsfaktor des Lichtdetektors 20 ändert. Ferner schwankt das Ausgangssignal des Vorverstärkers 24 in dem Augenblick, in dem die Verstärkungsregelstufe 46 den Befehl abgegeben hat; und um die schwankende Komponente ignorieren zu können, wird ein Signal zur Nicht beachtung der Schwankung von der Verstärkungsregelstufe 46 an die Peak-Ermittlungseinheit 26 abgegeben.

Wenn die Verstärkungsregelstufe 46 die Verstärkung über die vorgegebene Obergrenze angehoben hat, wird von einem Vergleicher 472 automatich ein Überlaufsignal erzeugt Dieses wird der Warneinheit 48 zugeführt, die eine Bedienungsperson alarmiert.

Wenn bei diesem Aufbau die jeweilige Linie zu stark oder zu schwach ist, führt das Spektralphotometer selbst die automatische Regelung durch, um den Optimalzustand herzustellen. Auch dann, wenn die Lichtquelle kein Licht emittiert, wird von der Warneinheit 48 automatisch Alarm gegeben.

Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel verstellt die Verstärkungsregelstufe 46 elektrisch den Verstärkungsfaktor des Lichtdetektors 20. Es können aber auch die Verstärkung des Vorverstärkers 24 oder die der Lichtquelle 10 zugeführte Spannung bzw. die Lichtmenge durch Steuerung der Spaltbreite über die Spaltbreiten-Verstelleinheit 16 eingestellt werden. ss

Beim oben erläuterten Ausführungsbeispiel werden die arithmetischen Verarbeitungsschritte für die jeweiligen Schaltstufen durchgeführt; diese können jedoch auch mit einem Rechner durchgeführt werden.

In F i g. 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Spektralphotometers dargestellt, bei dem die arithmetischen Schritte von einem Rechner durchgeführt werden.

Als Lichtquellen werden eine Wolframlampe W und eine Deuteriumlampe D₂ verwendet, die mit einem Spiegel M\ umschaltbar sind. Als Monochromator wird ein Doppelmonochromator mit einem Prisma P und einem Beugungsgitter G und den Spalten Si, S₂, Si verwendet. Ferner ist ein zentraler Mikroprozessor MPU vorgesehen; das Programm liegt in einem Festwertspeicher ROM vor; ein Schreib/Lese-Speicher RAM dient zum Speichern veränderlicher Daten. Die Ellenlängen des Monochromator werden dadurch abgefahren, daß das Prisma Fund das Beugungsgitter Ggleichzeitig von einem Schrittmotor unter Steuerung durch den Mikroprozessor MPU angetrieben werden. Befehle zum Umschalten optischer Elemente, die auf der Grundlage der Wellenlänge vom Mikroprozessor erzeugt werden, werden Umschalteinheiten 50 und 52 für die Lichtquelle und die Detektoren zugeführt, so daß eine automatische Umschaltung stattfindet. Ein Photovervielfacher PM wird als Detektor für den UV- und den sichtbaren Bereich eingesetzt; eine PbS-ZeIIe wird als Detektor für den nahen Infrarotbereich verwendet. Die photometrischen Ausgangssignale der Detektoren werden in einem A/D-Wandler 54 unmittelbar nach Durchlaufen des Vorverstärkers 240, 242 einer Analog-Digital-Umsetzung unterworfen. Die erhaltenen Digitalsignale werden dem Rechner zugeführt und auf der Grundlage eines Signals eines Phasendiskriminators 56, das synchron mit dem Lichtstrahl unterteilenden Sektorspiegeln 5Mi und SM₂ erhalten wird, in ein Referenzsignal R, ein Abtastsignal 5 und ein Nullsignal Z unterschieden und gespeichert. Aus den photometrischen Signalen wird durch eine digitale Signalverarbeitung aus (S-Zy(R-Z) die prozentuale Transmission T bzw. durch digitale Logarithmus-Transformation daraus die dekadische Extinktion erhalten. Das Signal gelangt zusammen mit dem Wellenlängenwert durch einen Zweikanal-D/A-Wandler 58; das Spektrum wird in einem Koordinatenschreiber 60 aufgezeichnet. Das Referenzsignal R oder das Abtastsignal S wird mit einem vorher im Festwertspeicher ROM eingespeicherten Festwert verglichen; dann erfolgt eine Dynoden-Rückkopplung oder die Servosteuerung der Spaltbreite durch den Mikroprozessor, so daß der Wert des Signals den Optimalwert annimmt Die Wellenlänge, der photometrische Meßwert oder andere Informationen werden auf einer Siebsegment-Leuchtdiodenanzeige 64 über eine Anzeigeeinheit 62 angezeigt. Die Zustände der Steuerschalter 66 werden vom Mikroprozessor über eine Steuertafel 68 ausgelesen.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig.4 werden die Ausgangssignale der Vorverstärker 240 und 242 durch den A/D-Wandler 54 in Digitalsignale umgesetzt; die jeweiligen Schrittmotoren der Wellenlängen-Verstelleinheit 22 und der Spaltbreiten-Verstelleinheit 16 werden durch Interface-Einheiten 70 und 72 gesteuert Alle unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel erläuterten Wellenlängen- und Spaltbreiten-Kalibriervorgänge werden vom Mikroprozessor MPU durchgeführt.

Diese Kalibriervorgänge werden wie folgt durchgeführt. Nach dem Einschalten der Stromversorgung werden die Heizelemente der Wolframlampe W und der Deuteriumlampe Di eingeschaltet. Dann werden der Spiegel Ms auf die Seite der Wolframlampe und der Spiegel M₂ auf die Seite des sichtbaren Bereichs umgeschaltet. Anschließend wird zur Grobeinstellung der Wellenlänge der Schrittmotor für die Wellenlängenverstellung in eine Grobeinstellposition gebracht, die auf etwa 920 nm eingestellt ist. Diese Wellenlänge liegt auf der langwelligen Seite des sichtbaren Bereichs. Die Erfassung der Grobeinstcllposition erfolgt durch einen Mikroschalter od. dgl. Dann wird der Wellenlängen-Schrittmotor in die Position 680 nm gebracht, d. h. in die Nähe einer Wellenlängen-Kalibrierposition. Während

dieser Vorgang durchgeführt wird, wird die Dcuteriumlampe D₂ eingeschaltet. Danach wird der Spiegel M\ auf die Deuteriumlampe D₂ umgeschaltet, worauf eine Peak-Suche durchgeführt wird. Wenn in einem Entscheidungsschritt kein Peak festgestellt wird, wird die dem Photovervielfacher PM zugeführte Hochspannung HV erhöht. Dabei wird überprüft, ob eine übermäßige Erhöhung der Hochspannung vorliegt; wenn alles normal ist, wird die Peak-Suche erneut durchgeführt. Wenn die Hochspannung höher als ein vorgegebener Wert ist, wird die Spaltbreite vergrößert. Eine übermäßige Vergrößerung der Spaltbreite wird in einem weiteren Entscheidungsschritt geprüft; wenn alles normal ist, wird die Peak-Suche erneut durchgeführt. Wenn die Spaltbreite größer als ein vorgegebener Wert ist, liegt ein anomaler Zustand vor, z. B. wenn die Deuteriumlampe D₂ ausgebrannt ist; dann wird ein Fehler angezeigt. Wenn im Entscheidungsschritt ein Peak erfaßt wurde, wird entschieden, ob der Peak-Wert zu groß ist. Bei zu großem Peak-Wert wird die Hochspannung vermindert; wenn der Peak-Wert normal ist, ist die Kalibrierung beendet.

Die Peak-Suche geschieht folgendermaßen: Zunächst beginnt die Wellenlängen-Kalibrierung. Dabei werden die Ausgangssignale des Lichtdetektors sequentiell in eine Eingangsstufe eingegeben. Das erste Ausgangssignal wird in einem Speicher B gespeichert; die folgenden Ausgangssignale werden unabhängig davon in einem weiteren Speicher A gespeichert. Dann wird entschieden, ob der im Speicher A gespeicherte Wert einen vorgegebenen Wert übersteigt. Diese Entscheidung wird durchgeführt, um eine auf Störsignale zurückzuführende fehlerhafte Peak-Erfassung zu vermeiden. Gleichzeitig bedeutet sie die Erfassung des Peak-Anstiegs, so daß der im Speicher A gespeicherte Wert größer als der vorgegebene Wert ist. Infolgedessen erhöhen sich die Ausgangssignale von da an gleichförmig bis zum Peak-Wert. In einem folgenden Entscheidungsschritt wird festgestellt, ob der im Speicher A gespeicherte Wert größer als der vorher im Speicher B gespei- cherte Wert ist. Wenn der Wert im Speicher A größer ist, wird er in den Speicher B eingeschrieben. Umgekehrt besteht die Möglichkeit, daß der Peak erfaßt wurde, was in einem Entscheidungsschritt bestätigt wird. Der im Speicher A zu diesem Zeitpunkt gespeicherte Wert ist der Peak-Wert und wird daher in einem weiteren Speicher D abgespeichert. Gleichzeitig wird im Wellenlängenzähler die Peak-Wellenlänge 656,1 nm der Linie der Deuteriumlampe D₂ eingestellt. Dann erfolgt die Kalibrierung der Spaltbreite. Hierzu wird der Spalt- so breitenzähler gelöscht. Danach werden Ausgangssignale des Lichtdetektors eingegeben, und der Zählvorgang wird ausgelöst. Die eingegebenen Ausgangssignale werden in einem Speicher £ gespeichert. In einem Entscheidungsschritt wird dann festgestellt, ob der im Speicher E gespeicherte Wert gleich der Hälfte des im Speicher D gespeicherten Werts ist. Die Koinzidenz bei diesem Entscheidungsschritt entspricht dem Zeitpunkt, in dem die Halbwertsbreite der Spaltbreite erfaßt worden ist. Bei Koinzidenz wird der Zählvorgang beendet.

Wie bereits erwähnt, ist bei Spektralphotometern für den UV- und den sichtbaren Bereich die Anwendung einer Deuteriumlampe für die Wellenlängen- und Spaltenbreiten-Kalibrierung günstig. Dagegen werden bei Fluoreszenzspektrometern vorteilhaft Xenonlampen eingesetzt, während bei Atomabsorptionsspektrometern Hohlkathoden- oder Quecksilberlampen günstig sind. Jede dieser Lampen emittiert mehrere Linien, die folglich für die Kalibrierung unterschieden werden müssen. Eine solche Diskriminierung ist einfach wie folgt durchführbar: Zunächst wird der Referenzwert des Vergleichers 260 relativ groß gemacht. Zum anderen wird die Ausgangsposition für die Kalibrierung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 bestimmt, wobei die Wellenlängenabtastrichtung für die Kalibrierung von den kürzeren zu den längeren Wellenlängen hin oder umgekehrt verlaufen kann.

Auch bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform kann der Verstärkungsfaktor des Lichtdetektors elektrisch verstellt werden; dies geschieht über einen D/A-Wandler 74, über den die Verstärkung des Photovervielfachers PM eingestellt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

- Leerseite -

Claims

1 2 — die Spaltbreiten-Kalibriereinheit (27) derart Patentansprüche: ausgebildet ist, daß bei Auftreten des Ausgangssignals des Vergleichers (32) der Impulsspeicher

1. Spektralphotometer mit (34) gelöscht und die Impulszahl bei ungekehr-

5 ter Abtastrichtung gezählt wird, bis ein zweites

— einer Lichtquelle, Ausgangssignal des Vergleichers (32) auftritt.

— einem der Lichtquelle nachgeschalteten Monochromator mit einem Eintrittsspalt, einem Dis- 3. Spektralphotometer nach Anspruch 1 oder 2, persionselement und einem Austrittsspalt, gekennzeichnet durch ein Mikroprozessorsystem

— einem Lichtdetektor, der das vom Monochro- io mit einem zentralen Mikroprozessor (MPU), einem mator austretende Licht erfaßt, Festwertspeicher (ROM), einem Schreib/Lese-Spei-

— einer Wellenlängen-Verstelleinheit, die das Dis- eher (RAM), einem Vorverstärker (240, 242), einem persionselement des Monochromators zur WeI- D/A-Wandler (58), einem A/D-Wandler (54), einem lenlängenabtastung verstellt, und Phasendiskriminator (56) und einer Anzeigeeinheit

— einer Spaltenbreiten-Verstelleinheit, die die 15 (62) mit einer Anzeige (64), das die Funktionen der Spaltbreite des Ein-und Austrittsspalts des Mo- Peak-Ermittlungseinheit (26), des Impulsspeichers nochromators verstellt, (30) und der Spaltbreiten-Kalibriereinheit (27) mit

Speicher (28), Vergleicher (32) und Impulsspeicher

gekennzeichnet durch (34)durchführt.