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Die
Erfindung betrifft ein Spektrometer nach dem Oberbegriff des einzigen
Anspruchs.
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Ein
solches Spektrometer ist beispielsweise aus der
EP 0 215 648 B1 bekannt.
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Bei
Spektrometern mit akustooptisch durchstimmbarem Filter (AOTF = Acousto
Optic Tunable Filter) wird die Strahlung einer polychromatischen Strahlungsquelle
mittels eines Kollimators zu einem polychromatischen Strahlungsbündel kollimiert,
welches in das akustooptische Filter eingestrahlt wird. Das akustooptische
Filter besteht aus einem TeO2-Kristall,
in den auf einer Seite Ultraschallwellen mit einstellbarer Frequenz
eingeleitet werden. Die Einstrahlung des polychromatischen Strahlungsbündels erfolgt
unter einem geringen Neigungswinkel gegenüber den Ultraschallwellenfronten,
wobei infolge der Wechselwirkung der Strahlung mit den Ultraschallwellen
von dem polychromatischen Strahlungsbündel ein monochromatisches
Strahlungsbündel unter
einem filtertypischen Diffraktionswinkel abgelenkt wird. Durch Variation
der Frequenz der Ultraschallwellen ist die Wellenlänge des
monochromatischen Strahlungsbündels
einstellbar. Das diffraktierte monochromatische Strahlungsbündel wird
von dem nicht abgelenkten polychromatischen Strahlungsbündel getrennt
mittels einer Optik in eine Lichtleitfaser 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 Ausgangssignale des
Strahlungsdetektors werden mittels chemometrischer Kalibrationsverfahren
ausgewertet.
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Es
besteht das Problem, dass sich das kollimierte monochromatische
Strahlungsbündel
hinter dem akustooptischen Filter auf die Eintrittsöffnung der
Lichtleitfaser mit vorgegebenem handelsüblichen 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 Verwendung einer möglichst
punktförmigen Strahlungsquelle
erlaubt zwar eine gute Kollimation der Strahlung und eine vollständige Einkopplung
in die Lichtleitfaser, jedoch wird aufgrund von dazu in der Praxis
erforderlichen langen Brennweiten nur wenig Licht aus der Lichtquelle
genutzt und es ergeben sich große
Baulängen
des Spektrometers. Außerdem
sind nahezu punktförmige
Lichtquellen recht aufwendig und weniger robust, als beispielsweise handelsübliche Halogenlampen
für Kraftfahrzeuge.
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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, einzukoppeln.
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Gemäß der Erfindung
wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Spektrometer gelöst.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Spektrometers ist in Anspruch
2 angegeben.
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Sobald,
wie bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer
vorgesehen ist, die Abbildung der Strahlungsquelle auf der Stirnfläche der
Lichtleitfaser mindestens so groß wie ihre Eintrittsöffnung 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 Erschütterungen
unempfindlicher wird. Außerdem
ist der auf die Eintrittsöffnung
der Lichtleitfaser vollständig
abgebildete mittlere Bereich der Strahlungsquelle heller als deren Randbereiche.
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Schließlich erlaubt
die vergrößerte Abbildung
der Stahlungsquelle auf der Eintrittsöffnung der Lichtleitfaser größere Abmessungen
der Strahlungsquelle bzw. eine kürzere
dingseitige Brennweite, um so einen möglichst großen Lichtstrom durch die Optik zu
erreichen. Dabei ist die Strahlungsquelle 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 Strahlungsbündel bis ± 3° divergieren,
wobei anschließend
das nicht abgelenkte polychromatische Strahlungsbündel und
das davon unter dem Diffraktionswinkel von 6° abgelenkte monochromatische
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°.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen;
im Einzelnen zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Spektrometers,
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2 eine
vereinfachte ersatzweise Darstellung des Spektrometers als optisches
System mit zwei Hauptebenen,
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3 ein
Beispiel für
die in dem akustooptischen Filter erfolgende Ablenkung eines monochromatischen
Strahlungsbündels
von einem leicht divergenten polychromatischen Strahlungsbündel und
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4 ein
Beispiel für
die Abbildung der Strahlungsquelle auf die Stirnfläche der
Lichtleitfaser.
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Das
in 1 gezeigte Spektrometer weist eine breitbandige
Strahlungsquelle 1, hier eine Halogenlampe, auf, deren
polychromatische Strahlung 2 mittels eines Kollimators 3 zu
einem polychromatischen Strahlungsbündel 4 kollimiert
wird. Das polychromatische Strahlungsbündel 4 wird in ein
akustooptisches Filter 5 eingestrahlt. Dieses besteht im
Wesentlichen aus einem TeO2-Kristall 6,
auf dem einseitig ein Ultraschallwandler 7 aufgebracht
ist, der von einem steuerbaren Hochfrequenzgenerator 8 mit
einstellbarer Frequenz angesteuert wird. Die von dem Ultraschallwandler 7 erzeugten
Ultraschallwellen werden in den Kristall 6 eingeleitet
und breiten sich dort aus. Das polychromatische Strahlungsbündel 4 fällt unter
einem kleinen Neigungswinkel gegen die Ultraschallwellenfronten
in den Kristall 6 ein. Infolge der Wechselwirkung der Strahlung
mit den Ultraschallwellen wird von dem polychromatischen Strahlungsbündel 4 ein
monochromatisches Strahlungsbündel 9 unter
einem filtertypischen Diffraktionswinkel αD abgelenkt.
Durch Variation der Frequenz der Ultraschallwellen kann die Wellenlänge des
monochromatischen Strahlungsbündels 9 durchgestimmt werden.
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Nach
Durchlaufen des akustooptischen Filters 5 werden das polychromatische
Strahlungsbündel 4 und
das diffraktierte monochromatische Strahlungsbündel 9 mittels einer
Blendeneinrichtung 10, bestehend aus einer Linse 11 und
einer nachgeordneten 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 Licht zeitfaser 16 eingekoppelt, die die monochromatische Strahlung
an einen Messkopf 17 führt,
wo mittels eines Strahlungsdetektors 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 Recheneinrichtung 20, die auch die Frequenz des Hochfrequenzgenerators 8 und
damit die der Ultraschallwellen und letztlich so die Wellenlänge der
monochromatischen Strahlung steuert.
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Wie 2 zeigt,
lässt sich
das Spektrometer vereinfachend als ein optisches System mit zwei Hauptebenen
H1 und H2 beschreiben. Die die Strahlungsquelle 1 bildende
Halogenlampe ist mit ihrem Glühwendel
A in der Brennebene FK des Kollimators 3 positioniert,
so dass alle von einem Punkt in der Brennebene FK und
damit von einem Punkt des Glühwendels
A ausgehenden Strahlen in zueinander parallele Strahlen umgesetzt
werden. Die Größe des Glühwendels
A und die Brennweite fK des Kollimators 3 sind
so gewählt,
dass das von dem Kollimator 3 erzeugte Strahlungsbündel 4 mit
einem Winkel αS von hier ± 3° divergiert, wobei dieser Winkel αS aus
dem Diffraktionswinkel αD des Kristalls 6 von hier 6° als dessen
Hälfte
abgeleitet ist. Damit gilt ½ A/fK = tanαS, so dass z. B. bei einem 1 mm großen Glühwendel
A die Brennweite fK des Kollimators 3 etwa
9,6 mm beträgt.
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Wie 3 zeigt,
wird in dem Kristall 6 von dem mit ± αS divergierenden
polychromatischen Strahlungsbündel 4 unter
dem Diffraktionswinkel αD das monochromatische Strahlungsbündel 9 abgelenkt,
das ebenfalls mit dem Winkel ± αS divergiert. Solange αS < ½ αD ist,
existieren in keinem der beiden Strahlungsbündel, 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 1 ge zeigten Blendeneinrichtung 10 sehr
einfach und effektiv getrennt werden können.
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Im
Weiteren wird wieder auf 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 Spektrometers mit
NAin = ½ d/fK =
0,3125.
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Das
optische System bildet den Glühwendel A
auf der Stirnfläche
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 = fK 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☐·ωa =
L·B☐·ωb,wobei
L die Leuchtdichte der Glühwendelfläche A☐, B☐ die
Fläche
der Abbildung B, ωa den dingseitigen Raumwinkel und ωb 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 αS = ½ αD des
Strahlungsbündels 4 ergibt
sich somit bei A☐ = A2 für den Lichtstrom: Φ =
L·π·d2·tan2αS.
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Um
den Lichtstrom Φ möglichst
vollständig
in die Lichtleitfaser 16 einkoppeln zu können, könnte die
Brennweite der Optik 13 (1) so kurz
gewählt werden,
dass die Abbildung B bzw. deren Fläche B☐ kleiner
als oder gleich der Eintritts öffnung
D bzw. deren Fläche
D☐ ist. Aufgrund der vorgegebenen
numerischen Apertur NA = sinε der
Lichtleitfaser 16 werden innerhalb der Lichtleitfaser 16 nur
Strahlen 21 weitergeführt,
deren Einfallswinkel gegenüber
der Senkrechten zur Eintrittsöffnung
der Lichtleitfaser 16 kleiner als oder gleich dem Winkel ε ist. Ist
daher die Abbildung B des Glühwendels
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.
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Um
den Wirkungsgrad η1 zu verbessern, könnte daher unter Beibehaltung
der Größe der Abbildung
B die bildseitige Brennweite b vergrößert werden, so dass der Winkel β kleiner
wird und sich dem Winkel ε annähert. Aufgrund
der Abbildungsgleichung A/a = B/b müsste dann aber die dingseitige Brennweite
a erheblich vergrößert und
zugleich die Größe des Glühwendels
A verringert werden, was seinerseits zu einer erheblichen Verringerung
des Lichtstroms Φ durch
das optische System des Spektrometers führen würde.
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Wie 2 zeigt,
ist bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer
die Abbildung B des Glühwendels
A größer als
die Eintrittsöffnung
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 = (tan2 ε·D☐)/(tan2β·B☐),wobei aufgrund der oben
bereits erwähnten
vereinfachten Beziehung 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 Lichtleitfaser 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.
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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 fK des Kollimators 3 so
kurz bemessen sind, dass das kollimierte Strahlungsbündel 4 mit
einem bis dem halben Diffraktionswinkel αD entsprechenden
Winkel αS 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 Eintrittsöffnung
D der Lichtleitfaser 16 ist.
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Da
die Abbildung B größer als
die Eintrittsöffnung
D ist, können,
wie 4 zeigt, die optischen Achsen 22, 23 der
Optik 13 und der Lichtleitfaser 16 bis zum Betrag
B–D gegeneinander
versetzt sein, ohne dass dadurch die Lichteinkopplung in die Lichtleitfaser 16 beeinträchtigt wird.
Aufgrund dieser Toleranz wird zum einen der Aufbau und die Justierung des
Spektrometers vereinfacht und zum anderen die Empfindlichkeit des
Spektrometers gegenüber
Erschütterungen
verringert. Schließlich
ergibt sich der Vorteil, dass der auf die Eintrittsöffnung der
Lichtleitfaser 16 vollständig abgebildete mittlere Bereich
des Glühwendels
A heller ist als seine kühleren
Randbereiche.