DE4223211C2 - Zweistrahl-Gitterpolychromator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Polychromator. Ein Polychromator dient zur simultanen Erfassung eines Spektrums. Ein Lichtbündel wird durch dispergierende Mittel, üblicherweise ein Gitter, spektral zerlegt. Zu diesem Zweck wird in einer Bildebene über das Gitter ein Bild eines Eintrittsspaltes erzeugt. Durch die Beugung am Gitter wird dieses Bild jedoch wellenlängenabhängig auseinandergefächert. Es entsteht ein Spektrum. In der Ebene dieses Spektrums sitzt ein Detektorarray. Ein Detektorarray ist eine Reihe von dicht nebeneinander angeordneten Detektorelementen. Die Detektorelemente sind üblicherweise Photodioden. Jedes der Detektorelemente erfaßt einen bestimmten, engen Wellenlängenbereich des Spektrums. Es können daher gleichzeitig alle Wellenlängen des Spektrums in einem bestimmten Spektralbereich erfaßt und mit ihrer spektralen Intensität in elektrische Signale umgesetzt werden. Insofern unterscheidet sich ein Polychromator von einem Monochromator. Bei einem Monochromator ist in der Bildebene, wo das Spektrum erzeugt wird, ein Austrittsspalt angeordnet. Der Austrittsspalt läßt jeweils nur einen engen Wellenlängenbereich des Spektrums durch. Hinter dem Austrittsspalt ist ein einziger photoelektrischer Detektor, z. B. ein Photomultiplier, angeordnet. Durch Verschwenken des Gitters werden die verschiedenen Wellenlängen des Spektrums dort nacheinander abgetastet.

Bei Absorptionsmessungen hängen die Signale des Detektors bei einer bestimmten Wellenlänge nicht nur von der Absorption der Probe ab sondern auch von der Helligkeit der Lichtquelle, der Gitterefficiency, der Absorption von Küvetten und Lösungsmitteln und ähnlichen Einflüssen. Es sind daher Zweistrahlgeräte bekannt, die solche Einflüsse kompensieren. Dabei wird ein Meßlichtbündel durch die Probe geleitet. Ein Referenzlichtbündel geht von der gleichen Lichtquelle aus wie das Meßlichtbündel. Durch Verhältnisbildung der Signale von Meß- und Referenzlichtbündel kann der Einfluß von Schwankungen der Helligkeit der Lichtquelle eliminiert werden. Wenn das Meßlichtbündel nicht nur der Probenabsorption sondern auch sonstigen Absorptionseinflüssen unterworfen ist, wird das Referenzlichtbündel längs eines Pfades geleitet, der keine Probe enthält aber allen sonstigen Absorptionseinflüssen, z. B. durch eine mit Lösungsmittel gefüllte Küvette, unterworfen ist, die auch auf das Meßlichtbündel wirksam sind.

In der DE 39 39 148 C2 ist ein Zweistrahlspektrometer mit einer Lampe, einem Strahlteiler, der den Strahl der Lampe in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl aufteilt, einer Umlenkoptik, einer Meßzelle, die vom Meßstrahl durchstrahlt wird, und einem Spektrometer offenbart. Das Spektrometer besteht aus einem ersten Eintritts­ spalt, der den Meßstrahl nach Durchlaufen der Meßzelle in das Spektrometer eintre­ ten läßt, einem zweiten Eintrittsspalt, der den Referenzstrahl in das Spektrometer ein­ treten läßt, einem optischen Gitter, das sowohl den Meßstrahl als auch den Refe­ renzstrahl spektral zerlegt und aus beiden Strahlen jeweils ein Spektrum bildet, und einem Arraydetektor. Der zweite Eintrittsspalt ist hierbei getrennt vom ersten Eintritts­ spalt angeordnet, das optische Gitter ist in Form eines konkaven Gitters vorgesehen, und die beiden Eintrittsspalte, der Mittelpunkt des Gitters und die Spektren des Meß- und Referenzstrahls liegen in einer Ebene. Weiterhin sind beide Eintrittsspalte ge­ genüber der Gitternormalen in einem solchen Winkel angeordnet, daß sich das Spek­ trum des Meßstrahls der Ordnung +1 unmittelbar an das Spektrum des Referenz­ strahls der Ordnung -1 in umgekehrter Richtung anschließt und die beiden derart er­ haltenen Spektren auf einen einzigen Arraydetektor abgebildet und von diesem regi­ striert werden.

Die DE 37 11 590 A1 offenbart eine optische Anordnung für Simulationsspektrometer auf der Basis von Zeilenempfängern. In dieser Anordnung sind Lichtquellen, die je­ weils Strahlung in einem Teilbereich emittieren und denen jeweils ein Polychromator zugeordnet ist, vorgesehen. Die Lichtquellen und Polychromatoren sind symmetrisch zur Verbindungsgeraden zwischen zwei gemeinsamen Schnittpunkten, in denen Um­ lenkeinheiten vorgesehen sind, angeordnet. Weiterhin besitzen die Umlenkeinheiten neben Lichtdurchlaßbereichen beidseitig reflektierende Bereiche und arbeiten pha­ sensynchron zueinander.

Die US 4 848 904 offenbart ein Zweistrahl-Multikanal-Spektrometer, das ein einfaches und neues optisches System zusammen mit einem Photodiodenfeld sowie eine log­ arithmische Datenkonvertierungseinrichtung zum Konvertieren von Lichtsignalen in Absorptionswerte verwendet. Insbesondere sind in dem optischen System optische Elemente in einer Anordnung so vorgesehen, daß ein Proben- und Referenzstrahl, die entsprechend durch eine Proben- und Referenzzelle geführt werden, fokussiert und auf ein einzelnes Gitter eingestrahlt werden. Das Gitter dispergiert hierbei den Proben- und Referenzstrahl auf ein Paar vertikal angebrachter Photodiodenfelder. Die Lichtsignale werden schließlich durch eine logarithmische Datenkonvertierungseinrich­ tung in Absorptionseinheiten konvertiert.

Die US 4545 680 offenbart ein spektroanalytisches Zweistrahlsystem, in dem Strah­ lung von einer gemeinsamen Quelle in einen Referenz- und einen Analysestrahl auf­ gespalten wird. Die zwei Strahlen werden entlang ähnlicher Wege so gerichtet, daß der Analysenstrahl durch einen Analysebereich tritt und der Referenzstrahl um diesen Analysebereich geleitet wird. Ein Monochromator ist mit zwei Aperturbereichen verse­ hen, die derart voneinander beabstandet sind, daß ein Aperturbereich eine Eintrittsa­ pertur für den Analysestrahl und eine Austrittsapertur für einen dispergierten Teil des Referenzstrahls schafft, und der andere Aperturbereich eine Eintrittsapertur für den Referenzstrahl und eine Austrittsapertur für einen dispergierten Teil des Analyse­ strahls schafft. Die aus den beiden Austrittsaperturen austretenden Strahlen werden gleichzeitig überwacht und miteinander verglichen, um Fehler aufgrund von Quellen­ fluktuationen und dergleichen zu kompensieren.

Die JP 63-198 832 A offenbart einen spektrophotometrischen Felddetektor. In dieser Anordnung werden ein Referenzstrahl und ein Probenstrahl mit derselben Wellenlän­ ge durch eine Referenzzelle und eine Probenzelle geführt. Beide Strahlen fallen durch einen Schlitz auf ein Beugungsgitter ein, das den Spektrographen darstellt. Im An­ schluß an das Gitter ist jeweils ein Photodetektorfeld für die Probenstrahlung und ein Photodetektorfeld für die Referenzstrahlung vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gitterpolychromator störende Einflüsse wie Schwankungen in der Helligkeit der Lichtquelle oder nicht durch die Probe bedingte Absorptionen zu kompensieren.

Der Erfindung liegt speziell die Aufgabe zugrunde, einen Zweistrahl-Gitterpolychromator mit hoher Auflösung zu schaffen.

Erfindungsgemäß werden die angegebenen Aufgaben gelöst durch einen Zweistrahl-Gitterpolychromator mit einem Gitter, einem ersten Eintrittsspalt und einem ersten Hohlspiegel, durch welchen ein durch der ersten Eintrittsspalt eintretendes erstes Lichtbündel parallelgerichtet auf das Gitter geleitet wird, und einem ersten Detektorarray, auf welchem das dispergierte erste Lichtbündel durch einen zweiten Hohlspiegel als Spektrum gesammelt wird, und mit einem zweiten Eintrittsspalt, durch welchen ein zweites Lichtbündel eintritt, das durch den zweiten Hohlspiegel parallelgerichtet und auf das Gitter geleitet wird, und einen zweiten Detektorarray, auf welchem das dispergierte zweite Lichtbündel durch den ersten Hohlspiegel als Spektrum gesammelt wird, bei welchem die Eintrittsspalte und die Diodenarrays im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zur Richtung der Gitterfurchen des Gitters ist, der erste Eintrittsspalt in der Ebene des zweiten Diodenarrays neben diesem angeordnet ist und der zweite Eintrittsspalt in der Ebene des ersten Diodenarrays neben diesem angeordnet ist. Dabei ist vorteilhafterweise der erste Eintrittsspalt in der Ebene des zweiten Diodenarrays am Ort der nullten Ordnung des von dem zweiten Lichtbündel erzeugten Spektrums angeordnet und der zweite Eintrittsspalt in der Ebene des ersten Diodenarrays am Ort der nullten Ordnung des von dem ersten Lichtbündel erzeugten Spektrums angeordnet. Die Anordnung kann dann so sein, daß das erste Detektorarray zur Erfassung des Spektrums des ersten Lichtbündels in plus erster Ordnung angeordnet ist und das zweite Detektorarray zur Erfassung des Spektrums des zweiten Lichbündels in minus erster Ordnung angeordnet ist.

Die Erfindung schafft somit einen Zweistrahl- Gitterpolychromator. Meß- und Referenzlichtbündel laufen dabei über das gleiche Gitter. Der Strahlengang verläuft für Meß- und Referenzlichtbündel in einer Ebene, die mit der Dispersionsebene des Gitters übereinstimmt. Dadurch können Abbildungsfehler gering gehalten werden. Die Verringerung von Abbildungsfehlern erhöht die Auflösung des Zweistrahl- Gitterpolychromators.

Ein Ausführungsbeispiel eines Zweistrahl-Gitterpolychromators ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Strahlengang eines Zweistrahl- Gitterpolychromator für ein erstes Lichtbündel, das ein Meßlichtbündel sein kann.

Fig. 2 zeigt den Strahlengang des Zweistrahl- Gitterpolychromators für ein zweites Lichtbündel, das ein Referenzlichtbündel sein kann.

Der Zweistrahl-Gitterpolychromator enthält einen ersten Eintrittsspalt 10. Ein durch den Eintrittsspalt 10 eintretendes erstes Lichtbündel 12 fällt auf einen Hohlspiegel 14 und wird von diesem parrallelgerichtet. Die parallelen Strahlen des ersten Lichtbündels sind in Fig. 1 mit 17 bezeichnet. Das parallelgerichtete Lichtbündel 12 fällt auf ein Gitter 16. Die Gitterfurchen des Gitters 16 verlaufen senkrecht zur Papierebene in Fig. 1. Durch das Gitter 16 wird das parallel einfallende Licht je nach der Wellenlänge in verschiedene Richtungen gebeugt. In Fig. 1 sind das von dem Gitter 16 in plus erster Ordnung gebeugte, parallele Strahlenbündel 18 mit einer Wellenlänge von 200 nm, das von dem Gitter 16 in plus erster Ordnung gebeugte, parallele Strahlenbündel 20 mit einer Wellenlänge von 500 nm und das von dem Gitter 16 in plus erster Ordnung gebeugte, parallele Strahlenbündel 22 mit einer Wellenlänge von 800 nm dargestellt. Die in plus erster Ordnung gebeugten, parallelen Strahlenbündel 18, 20 und 22 fallen auf einen zweiten Hohlspiegel 24. Der zweite Hohlspiegel 24 liegt mit seiner optischen Achse in der gleichen Ebene wie der erste Hohlspiegel 14. Die optischen Achsen der beiden Hohlspiegel 14 und 24 bilden einen Winkel. Die Flächen der Hohlspiegel 14 und 24 schneiden sich in einer Kante 26. Vorteilhafterweise schließen sich die Hohlspiegel 14 und 24 längs dieser Kante unmittelbar aneinander an. Der zweite Hohlspiegel sammelt die parallelen Strahlenbündel 18, 20 und 22 in einer Ebene 28. Dort wird in erster Ordnung ein Spektrum des Wellenlängenbereiches von 200 bis 800 nm erzeugt. In nullter Ordnung wird von dem Gitter 16 ein paralleles Lichtbündel 30 zurückgeworfen. Das Lichtbündel 30 fällt auch auf den Hohlspiegel 24 und wird von diesem an einem Ort 32 in der Ebene 28 gesammelt. In der Ebene 28 ist ein Detektorarray 34 angeordnet, das aus einer Vielzahl von einzelnen Photodioden besteht. Jede dieser Photodioden erfaßt die in erster Ordnung gebeugte Strahlung aus einem engen Wellenlängenbereich. Dadurch wird das gesamte Spektrum des ersten Lichtbündels 12 in dem gesamten Wellenlängenbereich von 200 nm bis 800 nm gleichzeitig erfaßt.

Ein zweiter Eintrittsspalt 36 ist an dem Ort 32 vorgesehen, an dem die in nullter Ordnung gebeugten Strahlen des ersten Lichtbündels 12 gesammelt werden (Fig. 1). Durch diesen zweiten Eintrittsspalt 36 tritt ein zweites Lichtbündel 38. Das Lichtbündel 38 fällt auf den zweiten Hohlspiegel 24 und wird von diesem parallelgerichtet. Das parallelgerichtete zweite Lichtbündel 38 fällt auf das Gitter 16. Von dem Gitter 16 wird das Lichtbündel 38 in minus erster Ordnung gebeugt und in parallele Teillichtbündel dispergiert. In Fig. 2 sind das von dem Gitter 16 in minus erster Ordnung gebeugte, parallele Strahlenbündel 40 mit einer Wellenlänge von 200 nm, das von dem Gitter 16 in minus erster Ordnung gebeugte parallele Strahlenbündel 42 mit einer Wellenlänge von 500 nm und das von dem Gitter 16 in minus erster Ordnung gebeugte Strahlenbündel 44 mit einer Wellenlänge von 800 nm dargestellt. Die gebeugten Strahlenbündel 40, 42 und 44 fallen auf den ersten Hohlspiegel 14. Der Hohlspiegel 14 sammelt die gebeugten, parallelen Strahlenbündel 40, 42 und 44 in einer Ebene 48. In dieser Ebene 48 entsteht ein Spektrum minus erster Ordnung des zweiten Lichtbündels 38. Dieses Spektrum wird -wie das Spektrum plus erster Ordnung des ersten Lichtbündels- durch ein Detektorarray 50 erfaßt. Das von dem Gitter 16 in nullter Ordnung zurückgeworfene, parallele Strahlenbündel 52 wird durch den Hohlspiegel 14 an einem Ort 54 gesammelt. Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, ist an diesem Ort der erste Eintrittsspalt 10 angeordnet.

Claims (3)

1. Zweistrahl-Gitterpolychromator mit einem Gitter (16), einem ersten Eintrittsspalt (10) und einem ersten Hohlspiegel (14), durch welchen ein durch der ersten Eintrittsspalt (10) eintretendes erstes Lichtbündel (12) parallelgerichtet auf das Gitter (16) geleitet wird, und einem ersten Detektorarray (34), auf welchem das dispergierte erste Lichtbündel (18, 20, 22) durch einen zweiten Hohlspiegel (24) als Spektrum gesammelt wird, und mit einem zweiten Eintrittsspalt (36), durch welchen ein zweites Lichtbündel (38) eintritt, das durch den zweiten Hohlspiegel (24) parallelgerichtet und auf das Gitter (16) geleitet wird, und einen zweiten Detektorarray (50), auf welchem das dispergierte zweite Lichtbündel (40, 42, 44) durch den ersten Hohlspiegel (14) als Spektrum gesammelt wird,
bei welchem

• a) die Eintrittsspalte (10, 36) und die Diodenarrays (34, 50) im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zur Richtung der Gitterfurchen des Gitters (16) ist,
• b) der erste Eintrittsspalt (10) in der Ebene (48) des zweiten Diodenarrays (50) neben diesem angeordnet ist und
• c) der zweite Eintrittsspalt (36) in der Ebene (28) des ersten Diodenarrays (34) neben diesem angeordnet ist,

2. Zweistrahl-Gitterpolychromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der erste Eintrittsspalt (10) in der Ebene (48) des zweiten Diodenarrays (50) am Ort (54) der nullten Ordnung des von dem zweiten Lichtbündel (38) erzeugten Spektrums angeordnet ist und
• b) der zweite Eintrittsspalt (36) in der Ebene (28) des ersten Diodenarrays (34) am Ort (32) der nullten Ordnung des von dem ersten Lichtbündel (12) erzeugten Spektrums angeordnet ist

3. Zweistrahl-Gitterpolychromator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Detektorarray (34) zur Erfassung des Spektrums des ersten Lichtbündels (12) in plus erster Ordnung angeordnet ist und das zweite Detektorarray (50) zur Erfassung des Spektrums des zweiten Lichbündels (38) in minus erster Ordnung angeordnet ist.