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Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zum Analysieren einer von einem Objekt ausgesandten Strahlung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Spektrometer zum Analysieren einer von einem mit einer Anregungsstrahlung beaufschlagten Objekt ausgesandten Objektstrahlung.
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Bekannte Spetrometer weisen ein mit einer Eintrittsöffnung ausgebildetes Gehäuse auf, wobei die Eintrittsöffnung für einen Eintritt einer von einem Objekt ausgesandten Strahlung ausgebildet ist. Das Gehäuse enthält eine Ablenkeinrichtung zum spektralen Zerlegen der durch die Eintrittsöffnung eintretenden Strahlung, die meist als ein Gitter ausgebildet ist. Das Gehäuse enthält ferner eine Detektoreinrichtung zum spektralen Erfassen der von der Ablenkeinrichtung spektral zerlegten Strahlung. Die von der Detektoreinrichtung erfasste Strahlung wird mittels einer geeigneten Analyseeinrichtung analysiert.
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Für eine einwandfreie Funktion eines Spektrometers ist es erforderlich, die vorher genannten Komponenten genau einzustellen.
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Die
DE 299 06 678 U1 offenbart ein Kleinspektrometer mit einem zylindrischen Gehäuse, wobei an einer Endfläche des Gehäuses eine Spaltblende mit dem Spektrometerspalt sowie eine Empfängerzeile vorgesehen sind und an der gegenüberliegenden Endfläche des Gehäuses ein Gitter vorgesehen ist. Der Abstand der Spaltblende von dem Gitter kann justiert werden.
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Die
DE 31 12 565 A1 offenbart ein Spektrometer mit einer Mikrocomputersteuerung, bei dem sämtliche Operationen und Bedienungsvorgänge nur durch Drücken von Schalttasten auf einem Schaltfeld an dem Spektrometer ausführbar sind, während manuelle Stellknöpfe entfallen. Dazu sind in dem Spektrometer verschiedene Stelleinrichtungen vorgesehen, beispielsweise ein Wellenlängen-Vorschubmotor zum Drehen eines Beugungsgitters, die über einen Mikrocomputer gesteuert werden können.
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Die
AT 355 343 B offenbart ein Spektrometer mit selektiver Amplitudenmodulation. Das Spektrometer weist eine Grundplatte und ein Gehäuse mit einer seitlichen Begrenzungswandung auf. In einem Abschnitt dieser Seitenwandung ist eine Eintrittsöffnung und in einem an diesen angrenzenden Wandabschnitt eine Austrittsöffnung vorgesehen. Der eintretende Strahl trifft auf ein Gitter, wird von diesem zu zwei Spiegeln reflektiert, von den Spiegeln zurück zu dem Gitter und von dem Gitter über einen halbdurchlässigen Spiegel in Richtung der Austrittsöffnung gelenkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der die wesentlichen Komponenten eines Spektrometers auf einfache Weise eingestellt werden können, wobei die dazu vorgesehenen Einrichtungen vorteilhaft auf möglichst platzsparende Weise an dem Gehäuse des Spektrometers anbringbar sind.
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Diese Aufgabe wird mit einem Spektrometer nach Anspruch 1 gelöst.
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Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Spektrometers gerichtet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren beispielhaft und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Spektrometers bei geöffnetem Gehäuse,
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2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Strahleintrittseinrichtung,
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3 eine perspektivische Explosionsansicht der Strahleintrittseinrichtung aus 2,
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4a eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ablenkeinrichtung,
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4b eine Schnittansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ablenkeinrichtung,
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5 eine perspektivische Explosionsansicht der Ablenkeinrichtung aus 4,
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6 eine perspektivische Ansicht der in einer Gehäusebohrung aufgenommenen Ablenkeinrichtung aus 5,
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7 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Spektrometers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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8 eine Schnittansicht einer mittels eines erfindungsgemäßen Detektoreinrichtungseinstellmittels relativ zu einem Gehäuse einstellbaren Detektoreinrichtung,
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9 eine andere Schnittansicht der an dem Gehäuse befestigten Detektoreinrichtung aus 8,
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10 eine weitere Schnittansicht der Detektoreinrichtung aus 8,
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11 einen Ausschnitt der in 10 gezeigten Detektoreinrichtung zur Veranschaulichung einer Einstellung derselben, und
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12 eine perspektivische Darstellung eines Spektrometers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Gemäß 1 enthält ein Spektrometer ein Gehäuse 1 mit einer Gehäuseöffnung, in der ein Sensorkopf 60 angebracht ist oder durch die hindurch ein mit einem Sensorkopf verbundenes lichtleitendes Kabel führt. Das über den Sensorkopf 60 oder das lichtleitende Kabel in das Gehäuse 1 eintretende Licht wird über eine Lichtleiterfaser 15 zu einer Strahleintrittseinrichtung 10 in dem Gehäuse 1 geleitet. Wahlweise kann die Strahleintrittseinrichtung 10 auch direkt in der Gehäuseöffnung des Gehäuses 1 montiert sein, wobei dann die Lichtleiterfaser 15 von außerhalb des Gehäuses mit der Strahleintrittseinrichtung 10 verbunden ist. Das Gehäuse 1, das beispielsweise aus Metall oder Kunststoff besteht, enthält ferner eine Ablenkeinrichtung 20, die beispielsweise als ein Gitter ausgeführt ist. Die Strahleintrittseinrichtung 10 stellt die Geometrie der auf die Ablenkeinrichtung 20 treffenden Strahlung ein. Die auf die Ablenkeinrichtung 20 treffende Strahlung wird von derselben spektral zerlegt und in Richtung einer Detektoreinrichtung 30 reflektiert. Die Detektoreinrichtung 30 detektiert mittels Detektionselementen, wie einer Zeile oder einem Array photosensitiver Elemente, auf bekannte Weise die von der Ablenkeinrichtung 20 abgelenkte Strahlung. Die Detektoreinrichtung 30 erzeugt basierend auf der detektierten Strahlung ein Signal, das für eine Auswertung zu einer (nicht gezeigten) Datenverarbeitungseinrichtung übertragen wird.
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Da der eigentliche Messvorgang, d. h. die Auswertung der detektierten Strahlung, nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist, wird er hier nicht im Einzelnen erläutert. Im Folgenden werden lediglich die für die Erfindung wesentlichen Elemente im Einzelnen erläutert.
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Gemäß 2 und 3 ist erfindungsgemäß eine Strahleintrittseinrichtung 10 vorgesehen, die zum Einstellen der Geometrie der auf die Ablenkeinrichtung 20 treffenden Strahlung ausgebildet ist. Die Strahleintrittseinrichtung 10 enthält eine Spaltblende 13, die im Inneren einer Aufnahmehülse 12 angebracht ist. Die Aufnahmehülse 12 hat die Form eines Hohlzylinders mit einer abgestuften Innenbohrung. Auf der Stufe der Innenbohrung liegt die scheibenförmige Spaltblende 13, die in ihrem Zentrum einen Spalt aufweist. Die Position der Spaltblende 13 bezüglich der Aufnahmehülse 12 ist mittels zweier an dem Außenumfang der Spaltblende 13 ausgebildeter Vorsprünge 17 festgelegt, die in entsprechende Ausnehmungen 18 der Aufnahmehülse 12 eingreifen. In Längsrichtung der Aufnahmehülse 12 wird die Spaltblende 13 mittels einer passgenau zu dem Innendurchmesser der Aufnahmehülse 12 ausgebildeten hohlzylindrischen Blendenhülse 14 fixiert, die bei in der Aufnahmehülse 12 angeordneter Spaltblende 13 in die Aufnahmehülse 12 gepresst oder geklebt oder anderweitig daran befestigt wird, so dass das in der Aufnahmehülse 12 aufgenommene Stirnende der Blendenhülse 14 die Spaltblende 13 gegen die Stufe der Aufnahmehülse drückt und in dieser Position festhält.
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In das der Blendenhülse 14 gegenüberliegende Ende der Aufnahmehülse 12 ist eine Ferrule 11 der Lichtleiterfaser 15 eingesetzt und darin vorteilhafterweise in Berührung mit der Spaltblende 13 befestigt. Aus der Lichtleiterfaser 15 austretende Strahlung wird von der Spaltblende 13 zu einem Strahl 16' begrenzt, der durch eine an dem freien Ende der Blendenhülse 14 ausgebildete Blendenöffnung weiter begrenzt und zu einem gemäß 2 nach rechts austretenden Strahl 16 geformt wird, so dass der austretende Strahl 16 die Ablenkeinrichtung 20 nicht überstrahlt.
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3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Strahleintrittseinrichtung 10 mit einem Strahleinstellmittel 19, 19a. Die Ausrichtung der Aufnahmehülse 12 wird mittels einer an dem Außenumfang der Aufnahmehülse 12 in deren Längsrichtung ausgebildeten V-Nut 19 festgelegt, mit der auch der Abstand zu dem Gitter 20 eingestellt wird. In dem Gehäuse 1 ist eine Passbohrung mit einem dem Außendurchmesser der Aufnahmehülse 12 entsprechenden Durchmesser ausgebildet. Die Achse der Passbohrung verläuft in Richtung der Ablenkeinrichtung 20. Ausgehend von einer Innenwand dieser Passbohrung ist in dem Gehäuse 1 eine Gewindebohrung 19b ausgebildet (s. 7, 12), in die ein von außerhalb des Gehäuses 1 drehbarer Gewindestift 19a eingeschraubt ist. Befindet sich die Aufnahmehülse 12 in der Passbohrung, so kann der Gewindestift 19a in Eingriff in die V-Nut 19 der Aufnahmehülse 12 gebracht werden, so dass zum einen die Ausrichtung der Aufnahmehülse 12 bezüglich des Gehäuses 1 festgelegt ist und zum anderen die Position der Aufnahmehülse 12 und damit der Lochblende 13 in der Passbohrung fixiert ist. Nach Lösen des Eingriffs des Gewindestifts 19a in die V-Nut 19 ist die Aufnahmehülse 12 in der Passbohrung verschiebbar, so dass der Abstand der Spaltblende 13 bzw. der Blendenöffnung der Blendenhülse 14 von dem Gitter 20 eingestellt werden.
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4a zeigt eine Schnittseitenansicht einer in einer von außerhalb des Gehäuses 1 (in 4a von der rechten Seite) zugänglichen Gehäusebohrung 26 des Gehäuses 1 aufgenommenen Ablenkeinrichtung 20. Die Ablenkeinrichtung 20 enthält eine rotationssymmetrische Basis 23, auf der ein Gitter 21 angebracht ist, indem es beispielsweise aufgeklebt ist (s. 5). Der zentrische Sitz des Gitters 21 ist durch eine in der Basis 23 ausgebildete passgenaue Ausnehmung 22 gewährleistet, wobei die Ausrichtung des Gitters bezüglich der Basis 23 beispielsweise durch entsprechende Markierungen vorgegeben sein kann. Die Basis 23 wiederum ist in der passgenauen Gehäusebohrung 26 des Gehäuses 1 aufgenommen, die eine Stufe 26a aufweist, so dass die axiale Position der Basis 23 in der Gehäusebohrung festgelegt und eine Drehung der Basis ermöglicht ist.
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5 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht der Basis 23 und des Gitters 21, und 6 zeigt eine perspektivische Ansicht der in der Gehäusebohrung 26 aufgenommenen Basis 23. Die Basis 23 weist auf der dem Gitter 21 abgewandten, von außerhalb des Gehäuses 1 zugänglichen Seite an ihrem Außenumfang zwei Ausnehmungen 24 mit vorbestimmter axialer Tiefe auf. Entsprechend dazu sind in der Gehäusebohrung 26 zwei weitere Ausnehmungen 26b ausgebildet, die eine etwas größere axiale Tiefe als die Ausnehmungen 24 aufweisen.
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An der freien Stirnseite der Basis 23 sind zwei Löcher 28 ausgebildet, über die die Basis 23 unter Verwendung eines geeigneten Werkzeugs gedreht werden kann. Die Drehung der Basis 23 kann durch zwei Fixierschrauben 27 begrenzt sein, die in Bohrungen 25 der Bodenwände der Ausnehmungen 26b einschraubbar sind. Dabei ragt ein Teil des Kopfes der Fixierschrauben 27 jeweils in die Ausnehmungen 24 hinein, so dass die Drehung der Basis 23 auf ein Winkelintervall begrenzt wird, das der Ausdehnung der Ausnehmungen 24 in Umfangsrichtung entspricht. Sind die Fixierschrauben gelockert, ist die Drehung der Basis 23 in dem Winkelintervall möglich. Durch die Drehung der Basis 23 kann die optimale Orientierung des an der Basis 23 befestigten Gitters 21 eingestellt werden, und anschließend können die Basis 23 und das Gitter 21 durch Festziehen der Fixierschrauben 27 fixiert werden, wobei die Köpfe der Fixierschrauben 27 an den Bodenwänden der Ausnehmungen 24 anliegen.
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4b zeigt eine Schnittansicht einer alternativen von außerhalb des Gehäuses 1 einstellbaren Ablenkeinrichtung 20. Dabei ist das Gitter 21 auf die Basis 23 aufgeklebt, die passgenau in der Gehäusebohrung 26 aufgenommen ist, wobei die axiale Position der Basis 23 in der Gehäusewand durch die Stufe 26a festgelegt ist. Durch Festziehen einer zentralen Fixierschraube 27b, die gegenüber dem Gehäuse 1 durch eine in einer an die Gehäusebohrung 26 anschließenden Aufnahmebohrung 26b aufgenommene Scheibe 24b abgestützt ist, kann die Winkelposition von Basis und Gitter fixiert werden.
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7 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spektrometers. Das Spektrometer weist ein Gehäuse 1 auf, an dem die Strahleintrittseinrichtung 10, die Ablenkeinrichtung 20 und die Detektoreinrichtung 30 angebracht sind. In 7 ist das Gehäuse des Spektrometers geöffnet dargestellt, zum Einstellen der Komponenten muss das Gehäuse jedoch geschlossen sein. Dabei ist es von Vorteil, wenn, wie in 7 gezeigt, auch bei geschlossenem Gehäuse die Strahleintrittseinrichtung 10, die Ablenkeinrichtung 20 und die Detektoreinrichtung 30 eingestellt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass der Gewindestift 19a durch eine im Gehäuse 1 und/oder in einem nicht dargestellten Deckel ausgebildete Durchgangsöffnung und Einstellmittel für die Detektoreinrichtung 30, soweit sie nicht an einer Seitenfläche des Gehäuses 1 zugänglich sind, ebenfalls durch den Deckel und/oder Durchgangsöffnungen in dem Gehäuse 1 hindurch zugänglich sind. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Innenraum des Spektrometers bei der Einstellung lichtdicht verschlossen bleibt.
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8 zeigt eine vereinfachte Frontansicht der Detektoreinrichtung 30 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, gesehen in Strahlrichtung. 9 zeigt eine Schnittansicht der Detektoreinrichtung 30 aus 8 in einer Richtung senkrecht zur Strahlrichtung.
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Die Detektoreinrichtung 30 ist von oben in eine an der Gehäusewand 31 ausgebildete Detektoraufnahme 31b eingesetzt (s. 7) und enthält einen Träger 32, der einen Detektor 33 trägt, der Detektionselemente 34 (z. B. eine Zeile oder ein Array) enthält. An der Rückseite des Trägers 32 ist ein Anschlussstecker für den Detektor 33 angebracht. Der Träger 32 ist gegen eine Anlagefläche der Gehäusewand 31 des Gehäuses 1 pressbar (s. 9). Die Gehäusewand 31 weist eine Öffnung auf, so dass der von der Ablenkeinrichtung 20 abgelenkte Strahl auf die Detektionselemente 34 treffen kann. Durch Fixierglieder 39, die beispielsweise Schrauben oder Klemmen sind, kann der Träger 32 gegen die Gehäusewand 31 gedrückt werden. Dazu sind an der Gehäusewand 31 den Träger 32 hintergreifende Ansätze 31a ausgebildet (siehe 9), die beispielsweise Bohrungen aufweisen, in die zum Drücken der Detektoreinrichtung 30 an die Gehäusewand 31 Schrauben 39 geschraubt werden können. Alternativ und/oder zusätzlich kann der Träger 32 auch an die Befestigungswand 31 geklebt werden.
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Vor einem Fixieren des Trägers 32 an der Anlagefläche kann dieser mittels Stellgliedern 35, 36, 37, 38 in der durch die Anlagefläche gebildeten Ebene ausgerichtet werden, wobei der Träger 32 in der Detektoraufnahme 31b mit U-förmigem Querschnitt aufgenommen ist (siehe 7). Dazu können auf zwei gegenüberliegenden Seiten des rechteckig ausgebildeten Trägers 32 zwei Stellglieder 35, 36 (z. B. Madenschrauben, die in durchgehende Gewindebohrungen 32a des Trägers 32 oder der Detektoraufnahme 31b schraubbar sind) angeordnet sein. Durch gleichzeitiges Verstellen der Stellglieder 35, 36 kann der Träger 32 in einer ersten Richtung (der horizontalen Richtung) verschoben werden, wobei er von den Stellgliedern 37, 38 in der Aufnahme 31b getragen wird.
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Durch Verstellen der Stellglieder 37, 38 (beispielsweise durch Einschrauben von Madenschrauben 37, 38 in vertikale durchgehende Gewindebohrungen 32b des Trägers 32) kann die vertikale Position des Träger 32 eingestellt werden. Dabei ist die horizontale Position durch die Stellglieder 35, 36 festgelegt. Nach dem Einstellen der horizontalen und der vertikalen Position kann der Träger 32 wie vorher beschrieben von außen an der Befestigungswand 31 des Gehäuses 1 fixiert werden.
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Dadurch, dass die beiden Stellglieder 37, 38 unabhängig voneinander verstellbar sind, kann der Träger 32 verkippt werden.
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Bevorzugt sind, wie in 11 gezeigt, die Positionen der beiden Stellglieder 37, 38 in der horizontalen Richtung derart, dass die vertikalen Wirklinien der Stellglieder 37, 38 durch die jeweils äußersten Detektionselemente 34 gehen. Auf diese Weise ist bei einer Verkippung des Trägers 32 die Abweichung des über einem Drehpunkt 40 liegenden Detektionselements 34 von seiner Position minimal. Das heißt, dass eine Höheneinstellung des ersten Detektionselements ohne nennenswerte Beeinflussung des letzten Detektionselements (und umgekehrt) möglich ist.
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Bei dem in 12 gezeigten Spektrometer tritt die Strahlung durch eine in dem Gehäuse des Spektrometers ausgebildete Eintrittsöffnung, in der ein Sensorkopf 60 oder ein mit einem externen Sensorkopf verbundenes Anschlusskabel angebracht ist, in das Gehäuse ein und wird über eine Lichtleiterfaser 15 zu der vorher beschriebenen Strahleintrittseinrichtung 10 geleitet. In einem durch eine Trennwand von dem Abschnitt des Spektrometers mit der Ablenkeinrichtung 20 und der Detektoreinrichtung 30 getrennten vorderen Abschnitt des Spektrometers sind eine oder mehrere (nicht gezeigte) Strahlungsquellen und/oder eine (nicht gezeigte) Auswerteelektronik angeordnet. Für die Kompaktheit des in 12 gezeigten handgehaltenen Spektrometers ist es von Vorteil, wenn die Detektoreinrichtung 30 an der der Eintrittsöffnung gegenüberliegenden Wand (der Rückseite) des Gehäuses angebracht ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der durch die Strahleintrittseinrichtung 10 hindurchtretende Strahl nicht direkt auf das Gitter bzw. die Ablenkeinrichtung 20 trifft, sondern mittels eines Umlenkspiegels 50 zurück in Richtung der Vorderseite des Gehäuses reflektiert wird und auf die in einer Bohrung in einer Außenwand des Gehäuses angebrachte Ablenkeinrichtung 20 trifft. Die Ablenkeinrichtung 20 lenkt dann den Strahl in Richtung der Detektoreinrichtung 30 ab, die wie vorher beschrieben von außen an der rückwärtigen Wand des Gehäuses befestigt ist. Auf diese Weise kann die Abmessung des Spektrometers möglichst klein gehalten werden.
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Das erfindungsgemäße Spektrometer kann in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann es in Form eines kompakten Messkopfes ausgebildet sein, der mit einer Hand handhabbar ist. Das erfindungsgemäße Spektrometer kann jedoch auch als ein größeres Gerät ausgebildet sein, beispielsweise ein Koffergerät mit einem externen Sensorkopf, der ein Anschlusskabel aufweist, das über die Eintrittsöffnung mit der Strahleintrittseinrichtung verbunden ist.
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Die Detektoreinrichtug 30 kann statt außen an dem Gehäuse 1 auch im Inneren desselben angebracht sein, solange die Stellglieder 35–38 und die Fixierglieder 39 bei geschlossenem Gehäuse von außerhalb des Gehäuses zugänglich sind.
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Der Träger 32 muss nicht notwendigerweise rechtwinklig ausgebildet sein. Es genügt, wenn an den jeweiligen Seiten desselben für einen Eingriff mit den entsprechenden Stellgliedern geeignete Abschnitte ausgebildet sind. Der Träger 32 kann auch weggelassen sein, und der Detektor 33 kann direkt über die Stellglieder eingestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Spektrometer muss nicht notwendigerweise alle der vorher beschriebenen Einstellmittel enthalten, sondern es kann eine beliebige Kombination derselben enthalten.
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Neben den vorher beschriebenen Elementen können auch weitere optische Einrichtungen in dem Spektrometer vorgesehen sein, etwa mehrere Spiegel zur Strahlumlenkung oder zur Strahlteilung. Ferner muss die über die Eintrittsöffnung in das Gehäuse eintretende Strahlung nicht direkt zu der Strahleintrittseinrichtung 10 geleitet werden, stattdessen kann die gewünschte Strahlung zunächst über eine geeignete Optik aus der in das Gehäuse eintretenden Strahlung extrahiert werden und dann zu der Strahleintrittsöffnung 10 geleitet werden.
