DE3113984A1

DE3113984A1 - Doppelmonochromator

Info

Publication number: DE3113984A1
Application number: DE19813113984
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. 7700 Überlingen Witte
Original assignee: Bodenseewerk Perkin Elmer & Co 7770 Ueberlingen GmbH; Bodenseewerk Perkin Elmer and Co GmbH
Current assignee: PE Manufacturing GmbH
Priority date: 1981-04-07
Filing date: 1981-04-07
Publication date: 1982-10-14
Also published as: GB2096792B; GB2096792A; IT8220387A0; IT1150502B; JPS57179630A; US4453826A; JPH044537B2; DE3113984C2

Description

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" - -" ^: PATENTANWÄLTE" - -" ^; DipL-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Cbem. Dr. RUDOLF WOLGAST

BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT 11- LANGENBERG Postfach 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895

Patentanmeldung

Bodenseewerk Perkin-Elmer & Co. GmbH,

D 7770 Überlingen 15

Doppelmonochromator

Die Erfindung betrifft einen Doppelmonochromator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Einf achnionochromatoren enthalten einen Li chiquellentoi1 mit einer Lichtquelle und einem Hohlspiegel, durch welchen die Lichtquelle auf den Eintrittsspalt des eigentlichen Monochromators abgebildet wird. Bei einem solchen Einfachmonochromator fällt auf den Eintrittsspalt Licht verschiedener Wellenlängen, beispielsweise ein KontinuuiTu Dieses Licht läuft nicht nur längs des idealen, theoretischen Strahlenganges durch das Gerät, wobei nur ein definiertes Spektralband durch den Austrittsspalt gelangen würde. Vielmehr gelangt auch ein gewisser Anteil des durch den Eintrittsspalt eingetretenen Lichts durch Streuung od.dgl. auf anderen Wegen zum Austrittsspalt, so daß am Ausstrittsspalt außer dem gewünschten Spektralband auch ein Anteil anderer, unerwünschter Wellenlängen erscheint. Dieser Anteil kann möglicherweise

zwar klein sein. Durch ungünstige Empfindlichkeitscharakteristiken mancher photoelektrischer Empfänger,
die am Rande des abgetasteten Wellenlängenbereichs eine steil abfallende Flanke haben, kann dadurch jedoch das Verhältnis von Störsignal zu Nutzsignal in untragbarer Weise verschlechtert werden.

Durch die DE-AS 27 30 613 ist ein Doppelmonochromator
bekannt, bei welchem der Lichtquellenteil durch einen

Vormonochromator ersetzt ist. Dieser Vo!monochromator
enthält einen feststehenden Hohlspiegel und ein verschwenkbares ebenes Beugungsgitter. Das von der Lichtquelle ausgehende Lichtbündel wird von dem Hohlspiegel auf das Beugungsgitter geleitet. Ein monochromatisiertes Lichtbündel, dessen Wellenlänge von der Stellung des verschwenkbaren Beugungsgitters abhängt, fällt auf den Eingangsspalt des Hauptmonochromators. Durch einen
Wellenlängenantrieb werden beide Monochromatoren synchron durchgestimmt. Auf diese Weise gelangt in den Strahlengang des Hauptmonochromators bereits nur Licht aus einem begrenzten Wellenlängenbereich um den gewünschten Wellenlängenbereich herum. Dadurch kann der Anteil an Störlicht, der auf den Austrittsspalt gelangt, erheblich
vermindert werden.

Der Vormonochromator nach der DE-AS 27 30 613 hat einen besonders einfachen Aufbau. Der Hohlspiegel ist im
Strahlengang vor dem Beugungsgitter derart angeordnet, daß er das Beugungsgitter mit einem konvergenten Lichtbündel beaufschlagt. Der Vormonochromator besitzt eine wesentlich größere spektrale Bandbreite als der Hauptmonochromator. Der Wellenlängenantrieb weist einen
Stellantrieb auf, der eine lineare Verdrehung des Beugungsgitters des Vormonochromators mit der Wellenlänge

bewirkt. Infolge dieses einfachen Aufbaus kann ein

us-

solcher Vormonochromator in vielen Fällen anstelle eines Lampenteils eines Einfachmonochromators vorgesehen werden, ohne daß hierzu wesentliche Änderungen am Grundaufbau und an den Abmessungen des Gerätes vorgenommen werden müßten. Bei manchen Konstruktionen ist dies jedoch nicht möglich. Insbesondere bietet eine nachträgliche Umrüstung solcher Geräte Schwierigkeiten.

Durch die US-PS 3 909 134 und die US-PS 3 930 728 sind Monochromatoren mit konkaven Gittern bekannt, bei denen das Gitter um seinen Scheitelpunkt ver<=chwenkt wird. Der Monochromator enthält dabei einen feststehenden Eintrittsspalt und einen ebenso feststehenden Austrittsspalt in bestimmten Lagen zu dem Gitter. Die Abbildung des Eintrittsspalts über das Gitter auf den Austrittsspalt soll dabei durch die Verschwenkung des Gitters nur wenig beeinflußt werden.

Bei der US-PS 3 909 134 sollen die Gitterlinien von den Schnittlinien der das konkave Gitter bildenden Kugelkalotte mit einer Schar von Rotationskegelschnitten gebildet sein, wobei ein Brennpunkt jedes dieser Rotationskegelschnitte mit dem Krümmungsmittelpunkt der Kugelkalotte zusammenfällt. Das Gitter ist daher hinsichtlich der Verteilung der Gitterlinien symmetrisch. Bei der US-PS 3 930 728 sind die Gitterlinien bei einem holographisch hergestellten Gitter definiert durch Int^rferenzlinien, die von zwei in bestimmter Weise unsymmetrisch in Bezug auf das Gitter angeordneten, kohärenten Lichtquellen auf der das Gitter bildenden Kugelkalotte erzeugt werden. Diesp Bedingung führt zu einer unsymmetrischen Verteilung der Gitterlinien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelmonochromator nach dem Oberbegriff des Patentanspruch auszubilden, daß der Vormonochromator ohne weiteres

anstelle des üblichen Lampenteil eines Einfachmonochromators vorgesehen werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen erreicht.

Es kann dan" das verschwenkbare Beugungsgitter des Vormonochromators ohne weiteres an die Stelle des Hohlspiegels des Lampenteils treten. Durch geeignete unsymmetrische Teilung des Beugungsgitters kann erreicht werden, daß auch unter Berücksichtigung der Abbildungseigenschaften des Gitters während der gesamten Abtastung des Wellenlängenbereichs die Lichtquelle in der Ebene des Eintrittsspalts auf diesen monochromatisch abgebildet wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Ein Ausfnhrungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch die optische Anordnung eines Doppelmonochromator.

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Bildweite des konkaven Beugungsgitters von der Wellenlänge bei einer bevorzugten Aus-^ου führung des Beugungsgitters.

In Fig. 1 ist mit 10. eine Lichtquelle bezeichnet, die durch ein verschwenkbares konkaves Beugungsgitter 12 auf den Eintrittsspalt 16 eines Hauptmonochromators abgebildet wird. Der Hauptmonochromator 18 enthält einen Kollimatorspiegel 20, in dessen Brennebene der Eintrittsspalt 16 liegt. Der Kollimatorspiegel 20

erzeugt ein einfallendes Parallellichtbündel 22, das auf ein Beugungsgritter 24 fällt. Das Beugungsgitter wirft für jede Wellenlänge ein gebeugtes Parallellichtbündel 26 zurück. Normalerweise würde von dem Beugungsgitter ein Kontinuum von gebeugten Parallellichtbündeln in verschiedene von der jeweiligen Wellenlänge abhängige Richtungen zurückgeworfen. Durch den Vormonochromator, der generell mit 28 bezeichnet ist, wird aus diesem Kontinuum jedoch schon ein relativ schmales Spektralband ausgesondert. Die gebeugten Parallellichbündel fallen wieder auf den Kollimatorspiegel 20, und dieser erzeugt aus den Parallellichtbündeln 26 über einen Planspiegel 30 ein aus Bildern des Eintrittsspaltes 16 bestehendes Spektrum in der Ebene eines Austrittsspaltes 32.

In den Strahlengang des Vormonochromators 28 zwischen Lichtquelle 10 und Beugungsgitter 12 taucht ein Filterschieber 34 ein. Dieser Filterschieber 34 ist mit einem Wellenlängenantrieb 36 gekuppelt. Mit dem Wellenlängenantrieb 36 ist außerdem über einen durch eine gestrichelte Linie angedeuteten linearen oder sonstwie möglichst einfachen Stelltrieb 40 das Beugungsgitter 12 gekoppelt, das um eine Achse 38 verschwenkbar ist. Mit dem Wellenlängenantrieb 36 ist weiterhin das Beugungsgitter 24 des Hauptmonochromators 18, das um eine Achse 42 verschwenkbar ist, über einen Sinustrieb 44 gekuppelt, so daß der Sinus des Schwenkwinkels proportional der vom Wellenlängenantrieb 36 vorgegebenen Wellenlänge wird. EJn solcher Sinustrieb, der an sich bekannt ist, kann eine nach Maßgabe der Wellenlänge verdrehbare Spindel enthalten, auf der eine geradgeführte Mutter sitzt. Ein mit dem Beugungsgitter 24 verbundener Hebel liegt kraftschlüssig an einer Planfläche der Mutter an.

Bei einer bestimmten Wellenlänge wird durch den Filterschieber 34 ein Planspiegel in den Strahlengang eingeschoben, über diesen Planspiegel wird das Lichtbündel einer zweiten Lichtquelle 1OA, z.B.

einer Wolframlampe, in den Strahlengang eingespiegelt.

Es kommt bei der beschriebenen Anordnung darauf an, daß die Lichtquelle 10 über das konkave Beugungsgitter 12 stets in der Ebene des Eintrittsspalts 16 abgebildet wird, daß also die Bildweitenvariation gering gehalten wird. Gegenüber normalen ebenen Beugungsgittern zeigen konkave Beugungsgitter nicht nur eine einzige Gitterkonstante. Vielmehr variiert die Gitterkonstante über die Gitteroberfläche. Der spektral'e Verlauf der Bildweite ist sehr stark von dieser Variation abhängig. Üblicherweise ist die Änderung der Gitterkonstante über die Gitteroberfläche hinweg symmetrisch, praktisch so, daß die Gitterlinien von vorn auf das Gitter gesehen in gleichen Abständen erscheinen. Der Gradient der Gitterkonstante im Scheitelpunkt des Beugungsgitters ist null. Eine solche Ausbildung des Beugungsgitters führt zu einer

sehr starken Bildweitenvariation mit der Wellenlänge. 25

Bei der vorliegenden Anordnung ändert sich die Gitterkonstante über das Gitter hinweg unsymmetrisch. Im Zentrum oder im Scheitelpunkt des Gitters ergibt sich ein endlicher Gradient der Gitterkonstanten. Die

^au Parameter können dann so gewählt werden, daß sich die Bildweite beim Verschwenken des Gitters und damit bei der Veränderung der Wellenlänge der die Abbildung auf dem Eintrittsspalt 16 hervorrufenden Strahlung praktisch nicht ändert.

Bei dem dargestellten Ausf^hrungsbeispiel, bei dem der Lampenteil eines üblichen Einfachmonochromators

durch einen entsprechend aufgebauten Vormonochromator ersetzt werden sollte, wobei an die Stelle des Hohlspiegels ein konkaves Beugungsgitter tritt, waren folgende Parameter der geometrischen Anordnung vorgegeben:

Die Gegenstandsweite beträgt a = 60 mm, die Bildweite b = 120 mm, so daß sich ein Abbildungsverhältnis von 2 : 1 ergibt. Der Winkel zwischen einfallendem und ausfallendem Bündel ist ß = 35 .

Es wurden Formeln abgeleitet, die die Berechnung der Bildweite bei einen konkaven Beugungsgitter für beliebige, von 1 : 1 verschiedene Abbildungsverhältnisse gestatten. Mittels eines Rechners, der die Ergebnisse als graphische Darstellungen liefert, wurden die Variationen der Bildweiten für verschiedene Parameter dargestellt. Es gelang dabei durch geeignete Parameterwahl ein konkaves Beugungsgitter 12 zu finden, das bei den oben angegebenen Größen a, b und ß in einem Spektralbereich von 190 nm bis 900 nm eine praktisch vernachlässigbare Bildweitenvariation zeigt.

Als Kehrwert der Gitterkonstante g wurde bei dem Ausführungsbeispiel im Zentrum des Beugungsgitters

— = 600 Linien/mm

gewählt. Der Krümmungsradius des Beugungsgitters beträgt

R = 83,2 mm.

_Q(- Der relative Gradient der Gitterkonstante, d.h. die auf den Absolutwert der Gitterkonstante bezogene

Änderung der Gitterkonstante pro Millimeter beträgt im Scheitelpunkt des Gitters

G¹ = - 0,00393. 5

Für den Bereich des Drehwinkels ergeben sich für den vorerwähnten Wellenlängenbereich folgende Grenzwerte:

10

2\|nmJ	sin β
190	0,0598
900	0,2831

In Fig. 2 ist als Abszisse sin « als lineares Maß für die Wellenlänge aufgetragen. Die vorgenannten Bereichsgrenzen sind durch die beiden senkrechten Striche gekennzeichnet. Als Ordinate ist die normierte, also auf den Krümmungsradius R des Beugungsgitters 12 bezogene, Bildweite

_{B =}

aufgetragen. Entsprechend erscheint als Parameter die ebenfalls normierte Gegenstandsweite

A = — R

30

Der Sollwert B der normierten Bildweite B, welcher einer Abbildung auf dem Eintrittsspalt 16 des Hauptmonochromators 18 entspricht, liegt bei

B = 2 A.
^s

Dieser Sollwert ist in Fig. 2 durch eine waagerechte Linie dargestellt. Man erkennt, daß bei den gewählten

Parametern A, ß und G¹ die maximalen positiven und negativen Abweichungen der Bildweite B von dem Wert 2 A etwa gleich groß sind. Sie sind, wenn man die starke Ordinatendehnung von Fig. 2 in Betracht zieht, die einen Ordinatenbereich zwischen 1,4 und 1,46 umfaßt, praktisch vernachläßigbar. Die relative Bildweite B liegt im Bereich von

B = 2 A - 0,008,

absolute Bildweite b ergibt sich dann

was einer Abweichung von — 0,55 % entspricht. Für die

b = 120 mm — 0,66 mm.

Die Schwankung der Bildweiten sind daher bei günstigerem mechanischen Aufbau um eine Größenordnung geringer als bei der Anordnung nach der DE-AS 27 30 (vgl. dort Tabelle 1).

Die Verschwenkung des Beugungsgitters 12 erfolgt nicht über einen Sinustrieb sondern z.B. linear mit der Wellenlänge. Der Vormonochromator 28 hat eine wesentlich größere spektrale Bandbreite als der Hauptmonochromator 18. Es läßt sich zeigen, daß unter den oben angegebenen Verhältnissen die lineare Verdrehung des Beugungsgitters 12 (statt einer Verdrehung über einen Sinustrieb) praktisch keinen Einfluß auf die spektrale Zusammensetzung der in den Hauptmonochromator eintretenden Strahlung hat.

Die Erfindung ist vorstehend an einem konkreten Beispiel mit bestimmten geometrischen Verhältnissen erläutert worden. Die Anwendbarkeit der Erfindung ist aber nicht "" auf dieses konkrete Beispiel beschränkt. Bei anderen Abmessungen und anderen Abständen der Bauteile kann in

der oben skizzierten Weise ebenfalls eine Unsymmetrie des Beugungsgitters ermittelt werden, die zu einer praktischen Unabhängigkeit der Brenn- oder Bildweite des konkaven Beugungsgitters von der Wellenlänge führt.

Der Stelltrieb 40 kann linear sein. Er kann aber auch eine geringfügig nichtlineare (nicht-sinusförmige) Charakteristik haben, wenn sich eine solche aus Gründen der konstruktiven Vereinfachung ergibt. Schließlich könnte natürlich auch eine Verstellung des Beugungsgitters 12 über einen Sinustrieb erfolgen, obwohl eine solche für den Vormonochromator an sich nicht notwendig ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

/ 1. j Doppelmonochromator zur Mon''chromatisierung der Strahlung einer Lichtquelle mit

(a) einem Hauptmonochromator,

(b) einem als Gittermonochromator mit einem verschwenkbaren Beugungsgitter ausqebil-

deten Vormonochromator, und

(c) einem Wellenlängenantrieb zur synchronen Durchstimmung der beiden Monochromatoren

dadurch gekennzeichnet, daß

(d) der Vormonochromator (28) ein konkaves Beugungsgitter (12) aufweist, über welches eine Lichtquelle (10) oder ein Lichtquellen

bild unmittelbar auf einen Austrittsspalt (16) abgebildet wird, und

(e) das Beugungsgitter (12) so unsymmetrisch geteilt ist, daß die Bildweite (b) bei der

Schwenkbewegung des Beugungsgitters (12) im wesentlichen ungeändert bleibt.
2. Doppelmonochromator nach Anspruch 1, dadurch ^u gekennzeichnet, daß

(f) der Vormonochromator (28) eine wesentlich

größere spektrale Bandbreite besitzt als der Hauptmonochromator und

(g) der Wellenlängenantrieb (36) einen Stell antrieb (40) aufweist, der eine lineare Verdrehung des Beugungsgitters (12) des Vormonochromators (28) mit der Wellenlänge bewirkt.