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Beleuchtungsanordnung für Spektralgeräte Die Erfindung betrifft Beleuchtungsanordnungen
für Spektralgeräte. Sie bezieht sich auf vor allem für quantitative Spektralanalyse
verwendete spektroskopische Geräte, und zwar auf die Lichtführung von der Lichtquelle
bis zum Kollimatorobjektiv.
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Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, wird an diese Lichtführung
die Forderung gestellt, daß, im Idealfall, jeder Punkt-praktisch jedes Flachenelement
von zulässiger Größe-der Kollimatornutzfläche und der Spaltfläche Licht von jedem
Punkt der Lichtquelle erhält, wobei eine gleichmäßige Lichtintensität über die Spalthöhe
nicht unbedingt notwendig, meist aber automatisch vorhanden ist.
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Bei den bekannten Beleuchtungsanordnungen für Spektralgeräte geht
das Licht vielfach direkt von der Lichtquelle a (vgl. die Abb. 1 und 1 a) durch
den Spalt S zum Kollimator, oder die Lichtquelle wird von einer Linse Ls in den
Kollimator abgebildet. Bei dieser Ausführung erhält jedes Flächenelement der Spaltfläche
Licht von jedem Punkt der Lichtquelle, nicht aber jedes Flächenelement der Nutzfläche
des Kollimatorobjektivs 0 ; im Gegenteil erhält jedes Flächenelement, vor allem
bei Verwendung einer Linse L2, Licht nur von einem bestimmten Flächenelement der
Lichtquelle. Ungleichmäßige Änderungen der Flächenelemente der Lichtquelle oder
ein Wandern ; der Lichtquelle kommen daher in 0 nur an bestimmten Stellen zur Wirkung.
Durch Vignettierung und Unterschiede der Absorption zwischen brechender Kante und
Basis der Prismen können Intensitätsfälschungen über das Spektrum auftreten und
die quantitative Analyse nicht mehr reproduzierbar machen.
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Diese Fehler lassen sich bei der Beleuchtungsanordnung gemäß der
Erfindung dadurch beseitigen, daß Mittel Verwendung finden, die bewirken, daß jedes
Flächenelement der Kollimatornutzfläche und auch der Spaltfläche von jedem Punkt
der Lichtquelle Licht erhält, wobei diese Mittel in mindestens einem (im Lichtweg)
vor dem Spalt angeordneten Linsen-oder Spiegelraster in Kombination mit einer Kondensorlinse
oder einem optisch gleichartig wirkenden Element (Spiegel) bestehen, dessen-positive
bzw. negative-Rasterelemente (Rasterlinsen, Rasterspiegel) je ein-reelles bzw. virtuelles-Bild
der Lichtquelle vor dem Spalt erzeugen, und, gegebenenfalls, in einer vorzugsweise
unmittelbar vor dem Spalt angeordneten Linse, die die Bilder der Lichtquelle in
den Kollimator abbildet. Auch kann ein zweites Raster Verwendung finden, das in
der Fläche liegt, in der die von dem ersten Raster erzeugten Bilder der Lichtquelle
liegen. Das zweite Raster kann das erste Raster auf den Spalt abbilden, und in diesem
Fall kann sowohl das erste als auch das zweite Raster mit einer Linse kombiniert
sein.
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Es sind bereits Beleuchtungseinrichtungen bekanntgeworden, die dazu
dienen, eine gleichmäßige Ausleuchtung der zu beleuchtenden Fläche zu bewirken.
Dabei handelt es sich aber nicht um Beleuchtungsanordnungen für Spektralgeräte,
sondern für Projektionsgeräte, insbesondere Laufbildgeräte. Bei diesen bekannten
Anordnungen fehlt eine Spaltfläche, so daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe,
nämlich dafür zu sorgen, daß jedes Flächenelement sowohl der Kollimatornutzfläche
als auch der Spaltfläche von jedem Punkt der Lichtquelle Licht erhält, überhaupt
nicht vorliegt. Ebensowenig wie die Aufgabe war den bekannten Beleuchtungseinrichtungen
eine Anregung für die neue Lösung oder gar die neue Lösung-Abbildung in die Kollimatornutzfläche
und in die Spaltfläche bzw. gleichmäßige Ausleuchtung der Kollimatornutzfläche und
derSpaltfläche-zu entnehmen.
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In den Abb. 1 und 1 a ist die eingangs erwähnte bekannte Lichtführungsanordnung
dargestellt. Es ist ersichtlich, daß wohl zu jedem Punkt des Spaltes S (MP1P2) Licht
von jedem Punkt der Lichtquelle Q geht, daß aber im Kollimatorobjektiv 0, besonders
im Falle der Abb. 1 a, das Gegenteil der Fall ist. Jeder Punkt der Lichtquelle Q
(1, 2, 3) wird auf einen eigenen Punkt (1', 2', 3') in 0 abgebildet. Treten z. B.
nur im Gebiet von Punkt 2 Intensitätsänderungen in der Lichtquelle auf, dann werden
diese Änderungen wegen der Absorption in den Prismen Pr sich im kurzwelligen Gebiet
stärker bemerkbar machen als im langwelligen Gebiet, in welchem sie unter Umständen
sogar ohne Wirkung sein können. Durch Vignettieren können natürlich ähnliche Fälschungen
auftreten.
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In der Abb. 2 ist eine Ausführungsform der Lichtführung gemäß der
Erfindung im Horizontalschnitt wiedergegeben.
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Die Lichtquelle Q wird im Abstand A durch die Linse L mit der Brennweite
F auf den Spalt S im Abstand B scharf abgebildet, so daß die Mitte der Lichtquelle
auf dem Spalt liegt. In dieses Strahlenbündel wird ein Linsenraster R', das aus
vielen gleichartigen sphärischen oder zylindrischen Rasterlinsen L'zusammengesetzt
ist, eingesetzt. Das Linsenraster wird meist von der Linse L
getrennt
sein und aus einzelnen konvexen oder konkaven Rasterlinsen bestehen. Es wird am
besten direkt neben die Linse L gesetzt. Auf diesen Fall beziehen sich auch die
folgenden Gleichungen. Die einzelne Rasterlinse L' mit der Brennweite F'und dem
Durchmesser d'ergibt zusammen mit der Linse L eine Doppellinse mit der Brennweite
Fd. Die Rasterlinsen erzeugen ein vielfaches Bild V im Abstand B'. Die Brennweite
F'muß jetzt so gewählt sein, daß das entstehende Vielfachbild V vor dem Spalt liegt.
Eine positive Rasterlinse (wie in Abb. 2) gibt ein reelles Vielfachbild zwischen
L'und S. Eine negative Rasterlinse liefert dagegen nur bei ausreichender Brechkraft
ein virtuelles Bild, das vor der Linse L'auf der Seite der Lichtquelle liegt. Es
ist aber zweckmäßiger, positive Rasterlinsen zu verwenden, weil das reelle Bild
auf einem Schirm bequem beobachtet und gegebenenfalls ausgeblendet werden kann.
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Das von der einzelnen Rasterlinse entworfene Bild b' der Lichtquelle
wird unter Umständen durch L2 nur in die Kollimatornutzfläche K abgebildet, wenn
es in dem Strahlenkegel liegt, der von der Rasterlinse mit der Breite d'und dem
Spalt gebildet wird. Diese Forderung geht aus der Abb. 2 anschaulich hervor. Bildteile,
die außerhalb dieses Kegels liegen, werden nicht mehr in 0 abgebildet. Die Breite
des so begrenzten Bildes sei b'.
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Dann gilt die Beziehung d'b' = (1) B B-B' Bezeichnet man die Breite
der Lichtquelle mit α, so gilt a b' A B' Weiterhin gilt für die Brennweiten
AB 1/F = 1/A + 1/B ; F =. (3) B+B Fd = A + ,:Fa=A BB' 1/F' + 1/Fd - 1/G ; F'=. (5)
B-B' Soll also eine Lichtquelle mit einer bestimmten Breite a zur quantitativen
Ausleuchtung herangezogen werden, so sind Brennweiten und Abstände entsprechend
zu wählen.
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Diese optische Anordnung wird durch insgesamt vier unabhängige Größen
bestimmt, aus denen sich die weiteren berechnen lassen. Für eine Anordnung auf der
optischen Bank, für die die Größen a, A, B und d'gegeben sind, läßt sich B'aus Gleichung
(1) und (2) erhalten nach +B Meist soll eine Lichtquelle Q (Größe a) mit einem bestimmten
Linsenraster R' (Brennweite F'und Durchmesser d') und einer beliebig wählbaren Linse
L (Brennweite F) abgebildet werden. Dann sind die Abstände A und B festgelegt nach
Gleichung (1), (2) und (5) zu A =F' (7) und B=---.(8) aF'+ d'F
Die einfache Form
von (7) gibt einen schnellen tuberblick über die mit einem Raster von bekanntem
Offnungsverhältnis erreichbaren Werte.
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Bei der praktischen Aufstellung der Linsenrasteranordnung ist verschiedenes
zu beachten : 1. Je größer die Rasterzahl z ist, um so näher kommt man der eingangs
erwähnten idealen Forderung. z soll größer als 10 sein, also z = d/d'größer 10.
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2. Die Größe der Lichtquelle wird zwischen 2 und 10 mm, meist näher
2 mm, liegen, so daß d'ebenfalls möglichst klein gewählt werden muß.
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3. Das Verhältnis d/B muß mindestens gleich dem Öffnungsverhältnis
des Kollimatorobjektivs sein.
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4. Die Umgrenzung der Rasterlinse bestimmt auch die Umgrenzung des
Lichtquellenbildes. Eine quadratische oder rechteckige Form wird einer runden oder
sechseckigen vorzuziehen sein.
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Die Abstände der Linsen werden erst berechnet und nach der Aufstellung
justiert. Die Lichtquelle wird mittels der Linse L scharf auf den Spalt abgebildet,
dann wird das Linsenraster eingesetzt und das Vielfachbild F auf einem Schirm im
Kollimatorobjektiv beobachtet.
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Vor den Spalt wird eine Linse L2 gesetzt, die das Vielfachbild in
die Eintrittsöffnung abbildet. Sie ist zwar bei der Abbildung im Horizontalschnitt
nicht unbedingt erforderlich, da der Spalt als sehr enge Blende wirkt, wohl aber
im Vertikalschnitt, in dem der Spalt eine bestimmte Höhe hat.
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Die Lichtführung im Vertikalschnitt ist in der Abb. 3 wiedergegeben.
Im Vertikalschnitt ist die im vorstehenden vereinfachte Anordnung mit L2 nur bedingt
brauchbar, da der Spalt eine endliche Höhe hat. Die maximale Spalthöhe h, die im
günstigsten Falle von einem Punkt 0 des Rasterbildes (Abb. 3) gerade noch voll ausgeleuchtet
wird, wird von den Strahlen G'OP'und GOP begrenzt.
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Sie ist la=d'B-B B' und nach Einsetzen von (6) h=α#B/A. (9)
Ein Rasterbild MM'von der maximalen Breite b'andererseits leuchtet nur noch eine
Spalthöheh = 0 (Punkt T) gleichmäßig aus, wie es der Anordnung für die Ausleuchtung
im Horizontalschnitt entspricht. Ist das zur Ausleuchtung verwendete Lichtquellenbild
kleiner als b', also beispielsweise nur NN'= b", so kann umgekehrt noch eine Spalthöhe
h"gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Die Spalthöhe A"wird durch den oberen und unteren
Grenzstrahl von G über N nach R (bzw. G'N'R') ausgeschnitten. Aus der Proportion
ON PR b"hh" OM PT b'h und b"h" b"+ It"1 (10) und Daraus läßt sich die bei einer
verkleinerten Spalthöhe h"zulässige Bildhöhe b"berechnen. Da die maximale Spalthöhell
meist mehr als 10 mm beträgt, darf man bei einer angewendeten Spalthöhe von h"=
t bis 2 mm fast die volle zulässige Bildhöhe b'verwenden. Deshalb ist die etwas
umständlichere Aufstellung des im folgenden erläuterten zweiten Linsenrasters nicht
unbedingt notwendig. Die Verkleinerung des Bildes bedeutet allerdings eine verringerte
Helligkeit. Auch hier muß das
Vielfachbild durch die vor dem Spalt
stehende Linse L2 in die Kollimatornutzfläche K abgebildet werden.
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Die Lichtführung mit einem zweiten Linsenraster Rf' ist aus der Abb.
4 ersichtlich.
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Wenn die volle Bildhöhe b'zugleich mit der maximalen Spalthöhe h
ausgenutzt werden soll, ist Rf'an der Stelle des Vielfachbildes erforderlich, wobei
Rf'die Offnung der Rasterlinse L'auf den Spalt abbildet. Ihre Brennweite ergibt
sich aus den zwei Bildweiten B und B-B'zu Fy-B' = B (BB) (11) Für die Abbildung
des Linsenrasters R'auf den Spalt muß also ein weiteres Linsenraster Ru an der Stelle
von V verwendet werden. Die Einzellinse dieses Rasters hat dann einen Durchmesser
b'. Jede Einzellinse L'wird dann durch die entsprechende Linse Lf an die gleiche
Stelle auf den Spalt abgebildet, so daß der Spalt gleichmäßig ausgeleuchtet ist.
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Die Beweglichkeit dieser an sich optisch einwandfreien Anordnung
ist gering, da zwei verschiedene Rastergrößen verwendet werden müssen und auch die
Abstände B und B'nicht geändert werden dürfen.
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Es ist daher vorteilhafter, die Linse L in zwei Linsen La und Lb
mit den Brennweiten A und B aufzuteilen (Abb. 4). Zwischen den Linsen laufen dann
alle von Q kommenden Strahlen parallel. In diesen telezentrischen Strahlengang wird
ein aus zwei gleichen Linsenrastern R' und Rf'bestehendes optisches Element eingefügt.
Der Abstand der beiden Raster ist gleich ihrer Brennweite (F'= Ff). Dann bildet
das Raster R'ein Vielfachbild in das Raster Rf ab, und Rf zusammen mit Lb wiederum
bildet R'auf den Spalt ab.
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Wenn die Größe a der abzubildenden Lichtquelle wechselt, wird am
besten eine Zwischenabbildung der Lichtquelle eingeführt, da durch Verschieben der
Linsen nur eine geringe Änderung möglich ist. Wird eine bestimmte Rasterlinse verwendet,
so ist es zweckmäßiger, die Linse La bzw. Lb zu tauschen. Die Brennweite für La
kann aus den oben angegebenen Gleichungen, besonders aus Gleichung (7) und (3),
und für Lb aus der Gleichung (7) erhalten werden, wenn Fa = A gesetzt wird : F (12)
= (12) Fα F' Hierin ist d'/F' das Öffnungsverhältnis der Rasterlinse.
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Die Umgrenzung des von der Lichtquelle abgebildeten Teiles ist von
der Umgrenzung der Rasterlinse abhängig.
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Soll also beispielsweise ein Teil der Lichtquelle herangezogen werden,
der eine längliche rechteckige Form hat, muß entweder die Rasterlinse die entsprechende
Form haben oder es müssen zwei gekreuzte Zylinderlinsen entsprechender Brennweite
und Breite verwendet werden.
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Während für die quantitativen Aufnahmen im allgemeinen die sphärischen
Linsenraster verwendet werden, sind mit einem Zylinderlinsenraster allein die gestellten
Forderungen nicht mehr zu erfüllen. Trotzdem ist es in manchen Fällen vorteilhaft
zu verwenden. Ein senkrechtes Zylinderlinsenraster, das entsprechend der Abb. 2
im Horizontalschnitt aufgestellt ist, bildet die Lichtquelle
vielfach nebeneinander
auf K ab. Im Vertikalschnitt findet dagegen keine Vervielfachung statt. Deshalb
kann die vertikale Struktur der Lichtquelle entweder von L scharf auf den Spalt
abgebildet werden, z. B. bei der Abbildung der Kathodenschicht oder eines hin-und
hertanzenden Funkens auf den Spalt bei qualitativen Aufnahmen, oder sie wird nur
mit der Linse La vor dem Spalt in K abgebildet. Die sphärische Linse L muß dann
gegen eine einfache senkrechte Zylinderlinse ausgetauscht werden.
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Gegenüber einer einfachen Abbildung auf die Eintrittsöffnung treten
Lichtverluste außer durch die zusätzliche Reflexion an den Linsen nicht auf, wenn
die Größe des verwendeten Lichtquellenbildes gleich ist. Deshalb ist die Lichtführung
mit Linsenrastern der Verwendung von Mattscheiben, durch die das Lichtquellenbild
(allerdings unkontrollierbar) verwischt werden kann, an Helligkeit (und besonders
an Klarheit des Strahlenganges) stark überlegen.
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Zum mindesten eine Verwischung des Lichtquellenbildes ist durch eine
zusätzliche mechanische Bewegung der Linsen erreichbar ; sie ist vor allem wirkungsvoll,
wenn die Zahl z der Raster zu klein ist.
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Sinngemäß läßt sich die für den Horizontalschnitt angegebene Kombination
Linse + Linsenraster auch durch einen Hohlspiegel mit einem Raster aus kleineren
Hohlspiegeln ersetzen.