CH634656A5

CH634656A5 - Spektrophotometer.

Info

Publication number: CH634656A5
Application number: CH1243078A
Authority: CH
Inventors: Hans Erdmann Korth; Franz Schedewie
Original assignee: Ibm
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1978-12-05
Publication date: 1983-02-15
Also published as: FR2413644B1; FR2413644A1; IT1160375B; JPS54109890A; JPS6038644B2; IT7831080A0; DE2758141C2; DE2758141A1; GB2012067A; GB2012067B; CA1108429A

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektrophotometer mit einem reflektierenden Dispersionselement und einer in der Auswertebene angeordneten Vielfach-Photodetektorenanordnung.

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 bestimmter 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 dieser Art ein erheblicher apparativer Aufwand erforderlich ist, sind die nach diesem Verfahren arbeitenden Geräte sehr teuer, gross und störanfällig. Weil sie gegen Erschütterungen sehr empfindlich 5 sind, sind häufige 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 io an dem Synchronismus der Drehung mit den Zeitpunkten der einzelnen Messungen hohe Anforderungen gestellt werden, sind mit den Vorrichtungen der obengenannten Art durchgeführte Messungen auch sehr zeitraubend.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung isp 27 39 585.3 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 20Interferenzfilters 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 25 spektralen Komponenten gleichzeitig erfolgt. Da jedoch die in dem Bereich einer Photodiode gelangende Intensität höchstens gleich der dem keilförmigen Interferenzfilter zugeführten Gesamtintensität dividiert durch die Anzahl der Photodioden ist, sind derartige Spektralphotometer wenig empfindlich, was u.a. 30 zur Folge hat, dass, insbesondere bei geringen Strahlungsintensitäten, bestimmte Messgeschwindigkeiten nicht überschritten werden können.

In der US-Anmeldung Ser. No. 754810 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der die an einem Gitter spektral zerlegte 35 Strahlung über einen Hohlspiegel auf eine Vielfach-Diodenan-ordnung abgebildet wird. Der Nachteil dieser zwar eine höhere Empfindlichkeit als die oben genannten Spektrophotometer aufweisenden Vorrichtung besteht vor allem darin, dass dem Hohlspiegel oder dem Gitter wegen der bei divergenten oder 40 schiefen Strahlenbündeln auftretenden Abbildungsfehler des Hohlspiegels zur Erlangung eines hohen Auflösungsvermögens eine möglichst gut kollimierte Strahlung zugeführt werden muss, was die Empfindlichkeit und somit die Arbeitsgeschwindigkeit der Vorrichtung begrenzt.

45 Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Spektrophotometer anzugeben, das bei extrem einfachem Aufbau, niedrigem Gewicht und geringen Abmessungen ein hohes Auflösungsvermögen, eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aufweist. Darüber hinaus sollen selbst relativ 50 grosse Abweichungen der Istrichtung von der Sollrichtung der zu analysierenden Strahlung ohne Einfluss auf die Messgenauigkeit und die Empfindlichkeit sein. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

Die in bezug auf vergleichbare Vorrichtungen der obenge-55 nannten Art sehr hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemässen Spektralphotometers wird vor allem dadurch erreicht, dass zwischen Eintrittsapertur und reflektierendem Dispersionselement eine vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft des reflektierenden Dispersionselements angeordnete Linse vorgesehen ist, 60 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 Abwei-65 chungen 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

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reflektierende Dispersionselement auftretenden Strahlenbündels auf, so dass keine Lageänderungen 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 Parallelstrahlenbündel richtende Linse gleichzeitig die den einzelnen Wellenlängen zugeordneten Abbildungen der Eintrittsapertur auf die Vielfach-Photodetektorenanordnung bewirkt, ist beim erfindungsgemäs-sen Spektralphotometer die Anzahl der erforderlichen optischen Elemente geringer als bei allen bisher bekannten vergleichbaren Vorrichtungen der obengenannten Art. 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 erfindungsgemässen Vorrichtung gegen Erschütterungen oder Verschmutzungen gegenüber allen bekannten Spektralphotometern ganz wesentlich erhöht wird.

Nachdem auch die die Eintrittsapertur enthaltende Platte mit der Vielfach-Photodetektoranordnung fest verbunden sein kann, besteht vorzugsweise ein erfindungsgemässes Spektralphotometer praktisch nur aus zwei relativ einfach auch durch Massenproduktion herstellbaren Komponenten, die ohne besonders hohe Anforderungen an die gegenseitige Ausrichtung durch eine nur wenige cm 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 Vielfach-Photodetektor-anordnung in unmittelbarer Nähe der kreisförmig, quadratisch oder rechteckförmig ausgebildeten Eintrittsapertur werden 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 Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellenden 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 in unmittelbarer Nachbarschaft der Apertur 3 angeordneten, aus Photodioden 6 bestehenden Vielfach-Photodiodenan-ordnung 5, einer Linse 8 und einem als 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 s 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 eine Linse 20 als konvergentes Strahlenbündel 12 innerhalb der im Brennpunkt der Linse 8 liegenden Eintritts-loapertur 3 fokussiert und tritt aus dieser als divergentes Strahlenbündel in Richtung auf die Linse 8 aus. Beim Durchtritt durch diese Linse wird das divergente Strahlenbündel in ein Parallelstrahlenbündel umgewandelt, das unter einem kleinen Einfallwinkel auf das reflektierende Dispersionselement 9 auftrifft. 15 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 20 und durch die Linse auf jeweils eine einer bestimmten Wellenlänge zugeordneten Photodiode 6 abgebildet. Zur Vereinfachung der Darstellung und Erhöhung der Übersichtlichkeit werden diese Verhältnisse nur anhand eines einzigen, die rechte Begrenzung des die Eintrittsapertur 3 durchsetzenden divergen-25ten 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 Far-30 ben Rot, Grün und Blau zugeordneten Richtungen sind mit 13R, 13G und 13B bezeichnet. Beim Durchtritt durch die Linse 8 werden diese Strahlen in Richtung auf die ihren Farben zugeordneten Photodioden 6R, 6G bzw. 6B abgelenkt. Es ist ohne weiteres einzusehen, dass das gleiche mit jedem parallel zur 35 optischen Achse der Linse 8 verlaufenden, auf das reflektierende Dispersionselement 9 auftreffenden Strahl erfolgt, so dass die von der ganzen Fläche des Dispersionselements reflektierte Strahlung einer bestimmten Wellenlänge jeweils auf eine bestimmte Photodiode 6 fokussiert wird.

40 Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass die Messergebnisse bei einem einen kleineren Divergenzwinkel aufweisenden Strahlenbündel 12, sofern dieses nur den gleichen Lichtfluss aufweist, nicht verändert und auch die Empfindlichkeit der Messung nicht herabgesetzt wird. Weist der durch die Eintrittsapertur 3 eintre-45 tende 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 Ein-fluss auf die Lage der Abbildungen der einzelnen Farbkomponenten auf der Vielfach-Photodiodenanordnung 5 und auf die 50 Messempfindlichkeit. Das erfindungsgemässe Spektralphotometer kann somit beispielsweise im Zusammenhang mit einem Messmikroskop verwendet werden, ohne dass besondere Massnahmen zur Ausrichtung der optischen Achse des Spektralphotometers auf die optische Achse des Messmikroskops erforder-55 lieh sind.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Spektrophotometer mit einem reflektierenden Dispersionselement und einer in der Auswertebene angeordneten Vielfach-Photodetektorenanordnung, gekennzeichnet durch eine zwischen Eintrittsapertur (3) und reflektierendem Dispersionselement (9) angeordnete Linse (8), die alle die Eintrittsapertur in beliebigen, innerhalb des Aperturwinkels der Linse liegenden Richtungen durchsetzenden Strahlen (12) als Paral-lelstrahlenbündel auf das reflektierende Dispersionselement richtet und die die vom reflektierenden Dispersionselement in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Wellenlängen in unterschiedlichen Richtungen gebeugten Komponenten (13B, 13G, 13R) auf die jeweils bestimmten Wellenlängen zugeordneten Photodetektoren (6B, 6G, 6R) fokussiert.

2. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Dispersionselement (9) als reflektierendes Strichgitter ausgebildet ist.

3. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Dispersionselement (9) als reflektierendes Stufengitter ausgebildet ist.

4. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Dispersionselement (9) als Dispersionsprisma mit verspiegelter Rückseite ausgebildet ist.

5. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (8) in unmittelbarer Nachbarschaft des reflektierenden Dispersionselements (9) angeordnet ist.

6. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Dispersionselement (9) mit der Linse (8) verkittet ist.

7. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Dispersionselement (9) einstückig mit der Linse (8) ausgebildet ist.

8. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsapertur (3) in der Brennebene der Linse (8) angeordnet ist.

9. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodetektoranordnung (5) aus entlang einer parallel zur oder in der Brennebene der Linse (8) in unmittelbarer Nähe der Eintrittsapertur (3) verlaufenden Photodetektoren (6) besteht.

10. Spektrophotometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsapertur (3) kreisförmig, quadratisch oder rechteckförmig ausgebildet ist.