CH634656A5

CH634656A5 - SPECTROPHOTOMETER.

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: FR2413644A1; JPS6038644B2; GB2012067A; GB2012067B; JPS54109890A; DE2758141C2; IT7831080A0; DE2758141A1; CA1108429A; FR2413644B1; IT1160375B

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektrophotometer mit einem reflektierenden Dispersionselement und einer in der Auswertebene angeordneten Vielfach-Photodetektorenanordnung. The invention relates to a spectrophotometer with a reflective dispersion element and a multiple photodetector arrangement arranged in the evaluation plane.

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. When analyzing samples of all kinds, such as textile fibers and fabrics, liquids and gases of all kinds, especially polluted air, etc., almost exclusively spectral analysis methods are used. For this purpose, a series of spectrophotometers, that is devices for measuring the spectral brightness distribution of a radiation, have been developed which allow a quick, safe and simple determination of the composition of the examined samples or the determination of the presence of certain components in these samples.

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. For example, in a monochromator described in the reference "Classical Methods", Vol. 1, by I. Estermann, Academic Press, New York and London, 1959, pp. 398 to 400, the images of the entrance gap produced in different colors are represented by a joint adjustment of a dispersion prism and a plane mirror are successively shifted over an exit slit or over a radiation-sensitive element. Since, in particular with devices of this type which have a high resolution, a considerable outlay on equipment is required, the devices which work according to this method are very expensive, large and prone to failure. Because they are very sensitive to vibrations, 5 very time-consuming adjustments are essential, at least after each transport. After the intensities on the individual spectral components are measured not at the same time but in chronological succession by rotating a sensitive optical arrangement, high demands being made on the synchronism of the rotation with the times of the individual measurements, measurements are carried out with the devices of the type mentioned above also very time consuming.

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 the unpublished German patent application isp 27 39 585.3, a spectrophotometer is described which consists of a wedge-shaped interference filter, one surface of which is connected to a multiple photodiode arrangement. The arrangement is designed in such a way that due to the locally changing spectral transmission characteristics of the wedge-shaped interference filter, each photodiode can only be exposed to radiation of a certain wavelength. Although this device is light, less susceptible to interference and relatively fast, since the photodiode arrangement is firmly connected to the wedge-shaped interference filter and the intensities of all 25 spectral components are measured simultaneously. However, since the intensity reaching in the area of a photodiode is at most equal to the total intensity supplied to the wedge-shaped interference filter divided by the number of photodiodes, such spectrophotometers are not very sensitive, which among other things. 30 has the consequence that, in particular with low radiation intensities, certain measuring speeds cannot be exceeded.

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. In U.S. application Ser. No. A device is described in 754810 in which the radiation spectrally broken down on a grating is imaged onto a multiple diode arrangement via a concave mirror. The disadvantage of this device, which has a higher sensitivity than the above-mentioned spectrophotometer, is that the concave mirror or the grating must be supplied with the best possible collimated radiation because of the aberration of the concave mirror which occurs with divergent or 40 oblique beams in order to achieve a high resolution , which limits the sensitivity and thus the operating speed of the device.

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. 45 The invention is based on the object of specifying a spectrophotometer which, with an extremely simple construction, low weight and small dimensions, has a high resolution, a high sensitivity and a high operating speed. In addition, even relatively large deviations of the actual direction from the target direction of the radiation to be analyzed should have no influence on the measurement accuracy and sensitivity. This object is achieved by the invention described in claim 1.

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 The very high sensitivity of the spectral photometer according to the invention in relation to comparable devices of the type mentioned above is achieved above all by the fact that a lens, which is preferably arranged in the immediate vicinity of the reflective dispersion element, is provided between the entrance aperture and the reflective dispersion element, 60 one of which is shown in FIG The beam coming near its focal plane is directed towards the reflective dispersion element as a parallel beam regardless of its divergence angle. Due to the small distance between the lens and the dispersion element, deviations in the direction of the central beam of the divergent beam passing through the entrance aperture from the optical axis of the device result in no significant lateral displacements and no changes in direction

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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. reflective dispersion element occurring radiation beam so that no changes in position of the images of the entrance aperture associated with the individual wavelengths take place on the multiple photodetector arrangement. Since the beam of rays to be analyzed, irrespective of its divergence angle - insofar as this lies only within the aperture angle of the lens - and the direction of its central beam onto the reflecting dispersion element as a parallel beam, simultaneously effects the images of the entrance aperture onto the multiple photodetector arrangement assigned to the individual wavelengths, In the spectrophotometer according to the invention, the number of optical elements required is lower than in all previously known comparable devices of the type mentioned above. Since a particularly small distance between the lens and the reflecting dispersion element is particularly desirable, these two elements can either be cemented to one another or even made from be made in one piece, whereby the simplicity and the insensitivity of the device according to the invention to shocks or soiling compared to all known spectral photo meters is significantly increased.

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. Since the plate containing the entrance aperture can also be firmly connected to the multiple photodetector arrangement, a spectral photometer according to the invention preferably consists practically only of two components which can be produced relatively easily and also by mass production and which have no particularly high demands on the mutual alignment due to a length of only a few cm and wide sleeve are interconnected.

Die durch diese Ausführungsform erreichte Einfachheit, Kleinheit, Billigkeit und Robustheit kann mit keinem der bisher bekannt gewordenen Spektrophotometer auch nur annähernd erreicht werden. The simplicity, smallness, cheapness and robustness achieved by this embodiment cannot even be achieved with any of the previously known spectrophotometers.

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. The arrangement of the linear multiple photodetector arrangement in the immediate vicinity of the circular, square or rectangular inlet aperture largely avoids the crooked bundles which are rarely avoidable in the known devices of this type and the errors associated therewith.

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. The invention is subsequently explained in more detail with reference to the figure which represents an embodiment of the invention. The exemplary embodiment of the invention shown schematically in the figure consists of a sample holder 1 receiving a sample 2 to be examined, a lens 20, a plate 4 having a square aperture 3, and a photodiode 6 arranged on this plate in the immediate vicinity of the aperture 3 existing multiple photodiode arrangement 5, a lens 8 and a reflective dispersion element 9 designed as a step grating. The plate 4 is connected to the dispersion element 9 by a sleeve 10, which is closed at the top by a cover 21.

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. The sample 2 arranged on the sample holder 1 is illuminated by an obliquely incident polychromatic radiation 11. Instead of obliquely angled illumination, vertical illumination can also take place via a semitransparent mirror which is arranged between sample 2 s and lens 20 and is not shown in the figure. The radiation diffusely scattered or reflected at a point on the surface of the sample 2 is focused by a lens 20 as a convergent beam 12 within the entrance aperture 3 located in the focal point of the lens 8 and emerges from it as a divergent beam in the direction of the lens 8 . When passing through this lens, the divergent beam is converted into a parallel beam which strikes the reflective dispersion element 9 at a small angle of incidence. 15 This is designed such that the incident light is diffracted essentially only in the direction of the first diffraction order. Since the direction of a diffraction order depends on the wavelength, the first diffraction order for each wavelength is reflected 20 in a different direction and is imaged by the lens onto a photodiode 6 assigned to a specific wavelength. In order to simplify the representation and increase the clarity, these relationships are shown only on the basis of a single beam 13 which represents the right boundary of the divergene-ray bundle penetrating the entrance aperture 3. The beam 13 passing through the lens 8 is converted by the latter into a beam which runs parallel to the optical axis of this lens and which is diffracted only in the direction of the first order on the reflective dispersion element 9. The directions associated with the colors red, green and blue are designated 13R, 13G and 13B. When passing through the lens 8, these beams are deflected in the direction of the photodiodes 6R, 6G and 6B assigned to their colors. It can be readily seen that the same is done with each beam that strikes the reflective dispersion element 9 and runs parallel to the optical axis of the lens 8, so that the radiation of a certain wavelength reflected from the entire surface of the dispersion element in each case onto a certain photodiode 6 is focused.

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. 40 It is readily apparent that the measurement results for a beam 12 having a smaller divergence angle, provided that it only has the same light flux, do not change and the sensitivity of the measurement is not reduced. If the beam entering through the entrance aperture 3, which will be the rule, has a divergence angle that is significantly smaller than the aperture angle of the lens 8, the direction of the central axis of this beam has no influence on the position of the images of the individual color components on the multiple photodiode arrangement 5 and on the 50 measurement sensitivity. The spectrophotometer according to the invention can thus be used, for example, in connection with a measuring microscope without requiring special measures for aligning the optical axis of the spectrophotometer with the optical axis of the measuring microscope.

C C.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Spectrophotometer with a reflective dispersion element and a multiple photodetector arrangement arranged in the evaluation plane, characterized by a lens (8) arranged between the entrance aperture (3) and reflective dispersion element (9), all of which have the entrance aperture in any desired position, within the aperture angle of the lens Directional rays (12) directed as a parallel beam onto the reflective dispersion element and the components (13B, 13G, 13R) diffracted by the reflective dispersion element in different directions depending on their respective wavelengths at the respective wavelengths assigned to photodetectors (6B, 6G , 6R).

2. Spectrophotometer according to claim 1, characterized in that the reflective dispersion element (9) is designed as a reflective grating.

3. Spectrophotometer according to claim 1, characterized in that the reflective dispersion element (9) is designed as a reflective step grating.

4. Spectrophotometer according to claim 1, characterized in that the reflective dispersion element (9) is designed as a dispersion prism with a mirrored back.

5. Spectrophotometer according to one of claims 1 to 4, characterized in that the lens (8) is arranged in the immediate vicinity of the reflective dispersion element (9).

6. Spectrophotometer according to one of claims 1 to 5, characterized in that the reflective dispersion element (9) with the lens (8) is cemented.

7. Spectrophotometer according to one of claims 1 to 5, characterized in that the reflective dispersion element (9) is integrally formed with the lens (8).

8. Spectrophotometer according to one of claims 1 to 7, characterized in that the entrance aperture (3) is arranged in the focal plane of the lens (8).

9. Spectrophotometer according to one of claims 1 to 8, characterized in that the photodetector arrangement (5) consists of along a parallel to or in the focal plane of the lens (8) in the immediate vicinity of the entrance aperture (3) extending photodetectors (6).

10. Spectrophotometer according to one of claims 1 to 9, characterized in that the entrance aperture (3) is circular, square or rectangular.