DE10031636A1 - Spektrometer - Google Patents

Abstract

Bei einem Spektrometer mit einer Strahlungsquelle, deren Licht nach Durchgang durch ein akustooptisch durchstimmbares Filter in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wird, ist die Brennweite des optischen Systems derart bemessen, dass die von ihm auf der Stirnfläche der Lichtleitfaser (16) erzeugte Abbildung (B) der Strahlungsquelle (1) mindestens so groß wie die Eintrittsöffnung (D) der Lichtleitfaser (16) ist.

Description

Bei Spektrometern mit akustooptisch durchstimmbarem Filter (AOTF = Acousto Optic Tunable Filter) wird die Strahlung einer polychromatischen Strahlungsquelle mittels eines Kolli­ mators zu einem polychromatischen Strahlungsbündel kolli­ miert, welches in das akustooptische Filter eingestrahlt wird. Das akustooptische Filter besteht aus einem TeO₂-Kris­ tall, in den auf einer Seite Ultraschallwellen mit einstell­ barer Frequenz eingeleitet werden. Die Einstrahlung des poly­ chromatischen Strahlungsbündels erfolgt unter einem geringen Neigungswinkel gegenüber den Ultraschallwellenfronten, wobei infolge der Wechselwirkung der Strahlung mit den Ultraschall­ wellen von dem polychromatischen Strahlungsbündel ein mono­ chromatisches Strahlungsbündel unter einem filtertypischen Diffraktionswinkel abgelenkt wird. Durch Variation der Fre­ quenz der Ultraschallwellen ist die Wellenlänge des monochro­ matischen Strahlungsbündels einstellbar. Das nicht abgelenkte polychromatische Strahlungsbündel wird nach seinem Austritt aus dem akustooptischen Filter mittels einer Blendeneinrich­ tung ausgeblendet. Das diffraktierte monochromatische Strahlungsbündel wird mittels einer Optik in eine Lichtleit­ faser eingekoppelt, die die monochromatische Strahlung zu einem Messort mit einer zu analysierenden Probe führt, wobei die durch die Probe transmittierte oder an ihr reflektierte Strahlung auf einen Strahlungsdetektor gelangt. Die Ausgangs­ signale des Strahlungsdetektors werden mittels chemometri­ scher Kalibrationsverfahren ausgewertet.

Es besteht das Problem, dass sich das kollimierte monochroma­ tische Strahlungsbündel hinter dem akustooptischen Filter auf die Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser mit vorgegebenem han­ delsüblichen Kerndurchmesser von z. B. 0,6 mm und numerischer Apertur von z. B. 0,22 nicht ohne weiteres vollständig innerhalb des durch die numerische Apertur vorgegebenen Sichtwinkels der Lichtleitfaser einkoppeln lässt. Die Ver­ wendung einer möglichst punktförmigen Strahlungsquelle er­ laubt zwar eine gute Kollimation der Strahlung und eine voll­ ständige Einkopplung in die Lichtleitfaser, jedoch wird auf­ grund von dazu in der Praxis erforderlichen langen Brenn­ weiten nur wenig Licht aus der Lichtquelle genutzt und es er­ geben sich große Baulängen des Spektrometers. Außerdem sind nahezu punktförmige Lichtquellen recht aufwendig und weniger robust, als beispielsweise handelsübliche Halogenlampen für Kraftfahrzeuge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Spektrometer mit akustooptischem Filter möglichst viel Licht auf kurzer Weglänge in die Lichtleitfaser, insbesondere bei kleinem Kerndurchmesser und kleiner numerischer Apertur, ein­ zukoppeln.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Spektrometer gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Spek­ trometers ist in Anspruch 2 angegeben.

Sobald, wie bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer vorgesehen ist, die Abbildung der Strahlungsquelle auf der Stirnfläche der Lichtleitfaser mindestens so groß wie ihre Eintritts­ öffnung ist, ist die Lichteinkopplung optimal und kann nicht weiter verbessert werden. Wenn also die Abbildung der Strahlungsquelle so groß ist, dass nur noch ein Teil von ihr die Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser ausfüllt, dann ist der Wirkungsgrad für die Einkopplung des Lichtstroms aus der Optik in die Lichtleitfaser von der Größe der Abbildung und der bildseitigen Brennweite unabhängig. Allerdings ist bei einer vergrößerten Abbildung der Strahlungsquelle auf der Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser ein Versatz zwischen den optischen Achsen der abbildenden Optik und der Lichtleitfaser ohne Verschlechterung der Lichteinkopplung möglich, so dass dadurch der Aufbau und die Justierung des Spektrometers vereinfacht werden und dieses gegenüber mechanischen Er­ schütterungen unempfindlicher wird. Außerdem ist der auf die Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser vollständig abgebildete mittlere Bereich der Strahlungsquelle heller als deren Rand­ bereiche.

Schließlich erlaubt die vergrößerte Abbildung der Stahlungs­ quelle auf der Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser größere Abmessungen der Strahlungsquelle bzw. eine kürzere dingsei­ tige Brennweite, um so einen möglichst großen Lichtstrom durch die Optik zu erreichen. Dabei ist die Strahlungsquelle vorzugsweise so groß und die Brennweite des Kollimators so kurz, dass das von dem Kollimator erzeugte polychromatische Strahlungsbündel mit einem bis dem halben Diffraktionswinkel des akustooptischen Filters entsprechenden Winkel divergiert. Bei einem filtereigenen Diffraktionswinkel von z. B. 6° kann das in das akustooptische Filter eingestrahlte Strahlungs­ bündel bis ±3° divergieren, wobei anschließend das nicht abgelenkte polychromatische Strahlungsbündel und das davon unter dem Diffraktionswinkel von 6° abgelenkte monochromati­ sche Strahlungsbündel immer noch auf einfache Weise durch die Blendeneinrichtung voneinander trennbar sind, ohne dass dazu beispielsweise aufwendige Polarisatoren erforderlich sind. Die Größe der Strahlungsquelle im Verhältnis zur Brennweite des Kollimators entspricht bei diesem Beispiel dem doppelten Wert von tan 3°.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zei­ gen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spektrometers,

Fig. 2 eine vereinfachte ersatzweise Darstellung des Spektrometers als optisches System mit zwei Haupt­ ebenen,

Fig. 3 ein Beispiel für die in dem akustooptischen Filter erfolgende Ablenkung eines monochromatischen Strah­ lungsbündels von einem leicht divergenten poly­ chromatischen Strahlungsbündel und

Fig. 4 ein Beispiel für die Abbildung der Strahlungsquelle auf die Stirnfläche der Lichtleitfaser.

Das in Fig. 1 gezeigte Spektrometer weist eine breitbandige Strahlungsquelle 1, hier eine Halogenlampe, auf, deren poly­ chromatische Strahlung 2 mittels eines Kollimators 3 zu einem polychromatischen Strahlungsbündel 4 kollimiert wird. Das polychromatische Strahlungsbündel 4 wird in ein akustoopti­ sches Filter 5 eingestrahlt. Dieses besteht im Wesentlichen aus einem TeO₂-Kristall 6, auf dem einseitig ein Ultraschall­ wandler 7 aufgebracht ist, der von einem steuerbaren Hoch­ frequenzgenerator 8 mit einstellbarer Frequenz angesteuert wird. Die von dem Ultraschallwandler 7 erzeugten Ultraschall­ wellen werden in den Kristall 6 eingeleitet und breiten sich dort aus. Das polychromatische Strahlungsbündel 4 fällt unter einem kleinen Neigungswinkel gegen die Ultraschallwellen­ fronten in den Kristall 6 ein. Infolge der Wechselwirkung der Strahlung mit den Ultraschallwellen wird von dem polychroma­ tischen Strahlungsbündel 4 ein monochromatisches Strahlungs­ bündel 9 unter einem filtertypischen Diffraktionswinkel α_D abgelenkt. Durch Variation der Frequenz der Ultraschallwellen kann die Wellenlänge des monochromatischen Strahlungsbündels 9 durchgestimmt werden.

Nach Durchlaufen des akustooptischen Filters 5 werden das polychromatische Strahlungsbündel 4 und das diffraktierte monochromatische Strahlungsbündel 9 mittels einer Blenden­ einrichtung 10, bestehend aus einer Linse 11 und einer nach­ geordneten Blende 12, voneinander getrennt, wobei die Blende 12 nur die monochromatische Strahlung durchlässt. Mittels einer Optik 13, die hier aus der Linse 11 vor der Blende 12 und weiteren Linsen 14 und 15 hinter der Blende 12 besteht, wird das monochromatische Strahlungsbündel 9 in eine Lichtleitfaser 16 eingekoppelt, die die monochromatische Strahlung an einen Messkopf 17 führt, wo mittels eines Strahlungs­ detektors 18 die Transmission der monochromatischen Strahlung durch eine zu analysierende Probe erfasst wird. In einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung 19 wird das Amplituden- bzw. Intensitätsspektrum der durch die Probe transmittierten Strahlung mittels chemometrischer Verfahren ausgewertet. Die Auswerteeinrichtung 19 ist Bestandteil einer Recheneinrich­ tung 20, die auch die Frequenz des Hochfrequenzgenerators 8 und damit die der Ultraschallwellen und letztlich so die Wellenlänge der monochromatischen Strahlung steuert.

Wie Fig. 2 zeigt, lässt sich das Spektrometer vereinfachend als ein optisches System mit zwei Hauptebenen H1 und H2 be­ schreiben. Die die Strahlungsquelle 1 bildende Halogenlampe ist mit ihrem Glühwendel A in der Brennebene F_K des Kolli­ mators 3 positioniert, so dass alle von einem Punkt in der Brennebene F_K und damit von einem Punkt des Glühwendels A ausgehenden Strahlen in zueinander parallele Strahlen um­ gesetzt werden. Die Größe des Glühwendels A und die Brenn­ weite f_K des Kollimators 3 sind so gewählt, dass das von dem Kollimator 3 erzeugte Strahlungsbündel 4 mit einem Winkel α_S von hier ±3° divergiert, wobei dieser Winkel α_S aus dem Dif­ fraktionswinkel α_D des Kristalls 6 von hier 6° als dessen Hälfte abgeleitet ist. Damit gilt ½ A/f_K = tanα_S, so dass z. B. bei einem 1 mm großen Glühwendel A die Brennweite f_K des Kollimators 3 etwa 9,6 mm beträgt.

Wie Fig. 3 zeigt, wird in dem Kristall 6 von dem mit ±α_S divergierenden polychromatischen Strahlungsbündel 4 unter dem Diffraktionswinkel α_D das monochromatische Strahlungsbündel 9 abgelenkt, das ebenfalls mit dem Winkel ±α_S divergiert. So­ lange α_S < ½ α_D ist, existieren in keinem der beiden Strah­ lungsbündel, z. B. 4, Strahlen, die parallel zu Strahlen des jeweils anderen Strahlungsbündels, z. B. 9, sind, so dass die beiden Strahlungsbündel 4 und 9 mittels der in Fig. 1 gezeigten Blendeneinrichtung 10 sehr einfach und effektiv ge­ trennt werden können.

Im Weiteren wird wieder auf Fig. 2 Bezug genommen. Bei den oben als Beispiel angegebenen Werten und einem Durchmesser d der Linse des Kollimators 3 von z. B. 6 mm ergibt sich eine relativ hohe Eingangsapertur des optischen Systems des Spek­ trometers mit NA_in = ½ d/f_K = 0,3125.

Das optische System bildet den Glühwendel A auf der Stirn­ fläche der Lichtleitfaser 16 ab, wobei sich die Größe der Abbildung B aus der Abbildungsgleichung A/a = B/b ergibt; a ist hierbei der Abstand des Glühwendels A von der Hauptebene H1 mit a = f_K und b ist der Abstand der Abbildung B von der Hauptebene H2. Der Lichtstrom Φ durch das optische System berechnet sich zu:

Φ = L . A . ω_a = L . B . ω_b,

wobei L die Leuchtdichte der Glühwendelfläche A , B die Fläche der Abbildung B, ω_a den dingseitigen Raumwinkel und ω_b den bildseitigen Raumwinkel bezeichnen. Bei nicht zu großen Winkeln gilt vereinfacht:

Φ = L . A . π . tan²α = L . B . π . tan²β mit tanα = ½ d/a,

wobei d den Durchmesser des Kollimators 3 bezeichnet. Bei vorgegebenem Divergenzwinkel α_S = ½ α_D des Strahlungsbündels 4 ergibt sich somit bei A = A² für den Lichtstrom:

Φ = L . π . d² . tan²α_S.

Um den Lichtstrom Φ möglichst vollständig in die Lichtleit­ faser 16 einkoppeln zu können, könnte die Brennweite der Optik 13 (Fig. 1) so kurz gewählt werden, dass die Abbildung B bzw. deren Fläche B kleiner als oder gleich der Eintrittsöffnung D bzw. deren Fläche D ist. Aufgrund der vorgegebenen numerischen Apertur NA = sinε der Lichtleitfaser 16 werden innerhalb der Lichtleitfaser 16 nur Strahlen 21 weiter­ geführt, deren Einfallswinkel gegenüber der Senkrechten zur Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser 16 kleiner als oder gleich dem Winkel ε ist. Ist daher die Abbildung B des Glüh­ wendels A kleiner als oder gleich der Eintrittsöffnung D der Lichtleitfaser 16, so erfolgt die Einkopplung des Lichtstroms Φ in die Lichtleitfaser 16 mit einem Wirkungsgrad

η₁ = [π . (b tanε)²]/[π . (b . tanβ)²] = tan²ε/tan²β.

Um den Wirkungsgrad η₁ zu verbessern, könnte daher unter Bei­ behaltung der Größe der Abbildung B die bildseitige Brenn­ weite b vergrößert werden, so dass der Winkel β kleiner wird und sich dem Winkel ε annähert. Aufgrund der Abbildungs­ gleichung A/a = B/b müsste dann aber die dingseitige Brenn­ weite a erheblich vergrößert und zugleich die Größe des Glüh­ wendels A verringert werden, was seinerseits zu einer erheb­ lichen Verringerung des Lichtstroms Φ durch das optische System des Spektrometers führen würde.

Wie Fig. 2 zeigt, ist bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer die Abbildung B des Glühwendels A größer als die Eintritts­ öffnung D der Lichtleitfaser 16. Dies führt dazu, dass der oben genannte Wirkungsgrad η₁ mit einem weiteren Wirkungsgrad η₂ = D /B zu multiplizieren ist. Damit ergibt sich für den Gesamtwirkungsgrad

η = η₁ . η₂ = (tan²ε . D )/(tan²β . B ),

wobei aufgrund der oben bereits erwähnten vereinfachten Be­ ziehung für den Lichtstrom

Φ = L . A . π . tan²α = L . B . π . tan²β

der im Nenner stehende Ausdruck tan²β . B konstant ist. Wenn also die Abbildung B so groß ist, dass nur ein Teil ihrer Fläche B auf die Fläche D der Eintrittsöffnung der Licht­ leitfaser 16 fällt, dann ist der Gesamtwirkungsgrad η für die Einkopplung des Lichtstroms Φ in die Lichtleitfaser 16 von der Größe der Abbildung B und der bildseitigen Brennweite b unabhängig.

Insgesamt wird also bei dem gezeigten Spektrometer möglichst viel Licht auf möglichst kurzer optischer Weglänge in die Lichtleitfaser 16 eingekoppelt, indem zur Erzielung eines möglichst großen Lichtstroms Φ durch das optische System des Spektrometers die Abmessungen der Strahlungsquelle 1, hier der Glühwendel A, so groß und die Brennweite f_K des Kollimators 3 so kurz bemessen sind, dass das kollimierte Strahlungsbündel 4 mit einem bis dem halben Diffraktions­ winkel α_D entsprechenden Winkel α_S divergiert, und indem zur optimalen Lichteinkopplung in die Lichtleitfaser 16 die Brennweite der Optik 13 derart bemessen ist, dass die von ihr auf der Stirnfläche der Lichtleitfaser 16 erzeugte Abbildung B des Glühwendels A mindestens so groß wie die Eintritts­ öffnung D der Lichtleitfaser 16 ist.

Da die Abbildung B größer als die Eintrittsöffnung D ist, können, wie Fig. 4 zeigt, die optischen Achsen 22, 23 der Optik 13 und der Lichtleitfaser 16 bis zum Betrag B-D gegen­ einander versetzt sein, ohne dass dadurch die Lichteinkopp­ lung in die Lichtleitfaser 16 beeinträchtigt wird. Aufgrund dieser Toleranz wird zum einen der Aufbau und die Justierung des Spektrometers vereinfacht und zum anderen die Empfind­ lichkeit des Spektrometers gegenüber Erschütterungen ver­ ringert. Schließlich ergibt sich der Vorteil, dass der auf die Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser 16 vollständig ab­ gebildete mittlere Bereich des Glühwendels A heller ist als seine kühleren Randbereiche.

Claims (2)

1. Spektrometer mit einer polychromatischen Strahlungsquelle (1), deren Strahlung (2) mittels eines Kollimators (3) zu einem polychromatischen Strahlungsbündel (4) kollimiert wird, mit einem von dem polychromatischen Strahlungsbündel (4) durchstrahlten, akustooptisch durchstimmbaren Filter (5), welches von dem polychromatischen Strahlungsbündel (4) ein monochromatisches Strahlungsbündel (9) mit einstellbarer Wellenlänge unter einem filtertypischen Diffraktionswinkel (α_D) ablenkt,
mit einer nur das diffraktierte, monochromatische Strah­ lungsbündel (9) durchlassenden Blendeneinrichtung (10) und
mit einer Optik (13), die das von der Blendeneinrichtung (10) durchgelassene monochromatische Strahlungsbündel (9) in eine Lichtleitfaser (16) zur Weiterleitung an eine zu untersuchen­ de Probe und einen Strahlungsdetektor (18) einkoppelt,
wobei die Brennweite der Optik (13) derart bemessen ist, dass die von ihr auf der Stirnfläche der Lichtleitfaser (16) er­ zeugte Abbildung (B) der Strahlungsquelle (1) mindestens so groß wie die Eintrittsöffnung (D) der Lichtleitfaser (16) ist.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Abmessungen (A) der Strahlungs­ quelle (1) so groß und die Brennweite (f_K) des Kollimators (3) so kurz bemessen sind, dass das kollimierte Strahlungs­ bündel (4) mit einem bis dem halben Diffraktionswinkel (α_D) entsprechenden Winkel (α_S) divergiert.