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Die Erfindung betrifft ein ATR(= attenuated total reflection)-Objektiv für ein IR(= Infrarot)-Mikroskop.
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Ein solches IR-Mikroskop mit einem ATR-Kristall ist beispielsweise aus der
US 5,581,085 bekannt geworden.
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Mittels Infrarot(= IR)-Spektroskopie können analytische Informationen über eine Probe gewonnen werden. Die chemischen Bindungen in der Probe absorbieren bzw. reflektieren IR-Licht in Abhängigkeit von der Wellenlänge des IR-Lichts.
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Bei Proben, die weder ein ausreichendes Reflexionsvermögen noch eine ausreichende Transparenz aufweisen, kann eine IR-spektroskopische Untersuchung mittels abgeschwächter Totalreflektion (ATR, attenuated total reflection), manchmal auch als interne Reflexion (internal reflection) bezeichnet, erfolgen. Bei der abgeschwächten Totalreflexion wird IR-Strahlung durch einen stark im IR-Bereich brechenden Kristall (etwa aus Germanium), welcher die Oberfläche der Probe berührt, geleitet. Die IR-Strahlung dringt geringfügig in die Probe ein, wodurch eine ausreichende Wechselwirkung für eine spektroskopische Analyse erfolgt, und wird anschließend durch den Kristall zurückgeführt und mit einem IR-Detektor detektiert. Für eine gute ATR-Messung ist ein inniger Kontakt zwischen ATR-Kristall und Probe notwendig, wofür der ATR-Kristall auf die Probe gepresst wird, meist über eine Feder. Für verschiedene Probentypen (insbesondere Probenhärten) werden verschiedene Anpressdrücke eingesetzt. Die
DE 695 30 473 T2 beschreibt zum Beispiel zu einem Cassegrain-Objektiv einen ATR-Kristallträger, bei welchem der ATR-Kristall an einem beweglichen Element angeordnet ist, welches über eine Feder gegen ein äußeres, röhrenförmiges Element vorgespannt ist.
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In einem IR-Mikroskop kann die analytische Information spezifisch für einen bestimmten Ort oder einen bestimmten Bereich der Probe gewonnen werden. Vorteilhafter Weise ist in einem IR-Mikroskop sowohl ein Strahlengang für sichtbares Licht als auch ein Strahlengang für IR-Licht eingerichtet. Aufgrund des weitgehend gemeinsamen Strahlengangs des sichtbaren Lichts und des IR-Lichts kann mittels des sichtbaren Lichts der Ort oder der Bereich der Probe, aus der die analytische Information mittels des IR-Lichts gewonnen wird, visualisiert werden.
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Bei einem IR-Mikroskop mit ATR-Objektiv im Strahlengang behindert der ATR-Kristall grundsätzlich die Beobachtung der Probe mit sichtbarem Licht. Im optischen Betrachtungsmodus muss der ATR-Kristall daher aus dem Strahlengang entfernt werden. Dazu wird der ATR-Kristall im Stand der Technik manuell zur Seite verschwenkt oder manuell nach oben von der Probenposition weg gezogen. Im „HYPERION Benutzerhandbuch” der Firma Bruker Optik GmbH, Ettlingen, DE, S. 79–81 (2010) wird eine Arretierung einer ATR-Kristall-Halterung mit einem Wippschalter gelöst und die Halterung manuell zwischen einer oberen Position für einen optischen Betrachtungsmodus und einer unteren Position für einen IR-ATR-Messmodus verstellt. Die Halterung verfährt dabei unterhalb eines Cassegrain-Objektivs. Durch mehrere axiale Rastposition unterhalb der oberen Position können verschiedene Druckstufen für den Kontakt zur Probe eingestellt werden.
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Die manuelle Umstellung der Betriebsmodi und auch der Druckstufen ist aufwändig und beschränkt die Möglichkeiten von automatisierten Probenuntersuchungen. Bisher sind keine praxistauglichen automatisierten ATR-Objektive verfügbar.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein praxistaugliches, automatisiertes ATR-Objektiv für ein IR-Mikroskop zur Verfügung zu stellen, insbesondere mit welchem die Betriebsmodi und verschiedene Anpressdrücke des ATR-Kristalls auf eine Probe auf einfache Weise umgestellt werden können.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein ATR(= attenuated total reflection)-Objektiv für ein IR(= Infrarot)-Mikroskop, mit:
- – einem auf eine Probenposition fokussierenden Cassegrain-Objektiv, dessen beide Spiegel jeweils eine zentrale Bohrung aufweisen,
- – einem ATR-Kristall,
- – einer Haltestange, welche durch die beiden zentralen Bohrungen geführt ist, und an welcher der ATR-Kristall an einem probenseitigen Ende befestigt ist,
- – einem Halteelement, welches im Bereich oder jenseits der probenabgewandten Seite des Cassegrain-Objektivs angeordnet ist,
- – dünnen Streben, welche die Haltestange mit dem Halteelement starr verbinden, und welche einen in das Cassegrain-Objektiv ein- oder auslaufenden Strahlengang des ATR-Objektivs derart schneiden, dass sie weniger als 10% des Strahlquerschnitts des Strahlengangs abschatten, und
- – einem motorischen Antrieb zur axialen Bewegung des Halteelements relativ zur Probenposition.
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Das erfindungsgemäße ATR-Objektiv für ein IR-Mikroskop weist jeweils einen Durchbruch in den beiden Spiegeln des Cassegrain-Objektivs auf, um durch diese Durchbrüche eine Haltestange für den ATR-Kristall hindurchzuführen. Jenseits (im IR-Mikroskop oberhalb) des Cassegrain-Objektivs oder auch im Bereich der Bohrung des probenabgewandten Cassegrain-Spiegels ist die Haltestange mittels dünnen Streben an einem Halteelement befestigt. Die dünnen Streben kreuzen den Strahlengang; wegen der geringen Fläche tritt dadurch aber keine merkliche Beeinträchtigung der optischen Betrachtungs- und IR-Messfunktionen des ATR-Objektivs ein. Das Halteelement, welches außerhalb des Strahlengangs angeordnet und axial geführt ist, ist an einen motorischen Antrieb angelenkt, mit welchem die axiale Position des Halteelements – und damit auch des ATR-Kristalls – motorisch eingestellt werden kann.
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Durch die Erfindung wird der mechanische Zugriff auf den ATR-Kristall vom probennahen Bereich weg nach (im IR-Mikroskop) oberhalb des Cassegrain-Objektivs gelegt, so dass ein ausreichender Platz für Getriebe und Antriebsmotorik zur Verfügung steht. Dabei kann der Platz oberhalb des Cassegrain-Objektivs auch gut für eine motorische Einstellung des Anpressdrucks auf die Probe genutzt werden. Dadurch wird die Automatisierung des ATR-Objektivs bedeutend vereinfacht.
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Die Betätigung der Motorik für den axialen Antrieb des ATR-Kristalls und ggf. für die Einstellung des Anpressdrucks erfolgt bevorzugt über eine elektronische Steuereinrichtung. Das ATR-Objektiv kann durch einen motorisch (in typischerweise vertikaler z-Richtung) betätigbaren Hubtisch für die Probe ergänzt werden, welcher bevorzugt ebenfalls über die elektronische Steuereinrichtung betätigt wird. Der Hubtisch kann auch eine motorische Verstellung in der Probenebene (typischerweise der horizontalen xy-Ebene) zum Scannen der Probe umfassen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen ATR-Objektives ist ein erster Wegaufnehmer vorhanden, mit welchem die axiale Position der Haltestange relativ zur Rahmenstruktur erfassbar ist. Mit dem Wegaufnehmer kann dadurch die Position der Haltestange relativ zur Probenposition bzw. der Fokusebene des Cassegrain-Objektivs verfolgt werden, insbesondere um die axiale Verfahrposition eines Hubtischs mit der Probe einzustellen, oder um die Anpresskraft auf die Probe nachzuverfolgen oder einzustellen.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, die vorsieht, dass ein Hubelement an einer Rahmenstruktur axial verfahrbar gelagert ist, wobei die Rahmenstruktur starr mit dem Cassegrain-Objektiv verbunden ist, dass das Halteelement an das Hubelement gekoppelt ist und je nach Betriebszustand relativ zum Hubelement mittels des motorischen Antriebs axial verfahrbar oder fixiert ist, und dass eine Federanordnung vorhanden ist, mit welcher einer axialen Bewegung des Hubelements weg von der Probenposition eine Kraft, insbesondere eine zunehmende Kraft, entgegengesetzt wird. Der motorische Antrieb kann hier das Halteelement und das Hubelement relativ zueinander axial verfahren oder gegeneinander fixieren. Über das Hubelement und die Federanordnung wird bei Fixierung am motorischen Antrieb eine Kraft, die dem Verfahren des ATR-Kristalls auf das Cassegrain-Objektiv zu (nach oben) entgegenwirkt, bereitgestellt. Man beachte, dass diese Kraft auf Federwirkung oder auch ganz oder teilweise auf der Gewichtskraft der beweglichen Teile (vor allem des Hubelements) beruhen kann. Über die relative Verfahrposition von Halteelement und Hubelement kann dabei in vorteilhafter Weise die Stärke dieser Kraft – und damit die Anpresskraft des ATR-Kristalls auf die Probe – gewählt werden. Der selbe motorische Antrieb kann dann also sowohl den Betriebsmodus (optische Betrachtung oder IR-ATR-Messung), als auch die Anpresskraft im IR-ATR-Betrieb einstellen. Man beachte, dass die Anpresskraft bei geeigneter Ausbildung des motorischen Antriebs und der Federanordnung stufenlos eingestellt werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst die Federanordnung mehrere Federelemente, derart, dass die Federkonstante der gesamten Federanordnung mit der axialen Position des Hubelements veränderlich ist, insbesondere wobei die Federkonstante der gesamten Federanordnung mit zunehmendem axialen Abstand des Hubelements von der Probenposition zunimmt. Dadurch wird ein größerer Bereich von möglichen Anpresskräften bei geringer Baugröße einstellbar. Beispielsweise können parallel angeordnete Federelemente eingesetzt werden, welche eine unterschiedliche Grundlänge aufweisen und erst ab einer gewissen Verstellposition sowohl mit dem Hubelement als auch mit der Rahmenstruktur in Kontakt kommen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen Hubelement und Rahmenstruktur zur vollständigen oder teilweisen Kompensation der Eigengewichte der axial beweglichen Teile eine Entlastungsfeder vorhanden. Bevorzugt werden durch die Entlastungsfeder (welche eines von mehreren Federelementen der Federanordnung sein kann) die Eigengewichte der axial beweglichen Teile im Wesentlichen vollständig kompensiert. Dadurch können auch kleine Anpressdrücke auf die Probe realisiert werden, da das Eigengewicht der beweglichen Teile bei Herstellung des Probenkontakts nicht über die Probe abgestützt werden muss. Axial bewegliche Teile sind insbesondere die Haltestange, das Halteelement und das Hubelement (und ggf. an diesen Teilen befestigte weitere Bauteile).
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Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass ein oder mehrere Hebelelemente vorhanden sind, mit denen die axiale Bewegung des Hubelements relativ zur Probenposition gegenüber der Federanordnung untersetzt wird. Durch das oder die Hebelelemente wirkt nicht der volle Weg des Hubelements relativ zur Probenposition (bzw. zur Rahmenstruktur), sondern nur ein Bruchteil (typischerweise zwischen 1/3 und 1/20, oft ca. 1/10) dieses Weges gegenüber der Federanordnung. Dadurch kann die Gegenkraft der Federanordnung zumindest über den Weg des Hubelements bei Kontaktierung des ATR-Kristalls durch die Probe (und typischerweise auch insgesamt innerhalb einer Kraftstufe) näherungsweise konstant gehalten werden, was die Einstellung einer definierten Anpresskraft der Probe an den ATR-Kristall erleichtert. Um verschiedene Anpresskraftstärken (Kraftstufen) einstellen zu können, kann dann beispielsweise eine Federanordnung mit mehreren parallelen Federelementen genutzt werden. Bei Verwendung mehrerer Federelemente wird typischerweise ein Hebelelement je Federelement eingesetzt; es ist aber auch möglich, alle Federelemente an das selbe Federelement anzubinden.
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Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung, bei der ein zweiter Wegaufnehmer vorhanden ist, mit welchem die axiale Position des Hubelements relativ zur Rahmenstruktur erfassbar ist. Dadurch kann die Gegenkraft des Hubelements (bedingt beispielsweise durch die Federanordnung) nachverfolgt oder eingestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der an der Rahmenstruktur ein axialer Anschlag für das Halteelement oder die Haltestange ausgebildet ist. Wird mit dem Anschlag die Bewegung des Halteelements bzw. der Haltestange blockiert, so wird das das Halteelement antreibende Element (in der Regel das Hubelement, an dem der motorische Antrieb befestigt ist) durch den motorischen Antrieb relativ zur Rahmenstruktur verfahren; dies kann insbesondere für die Einstellung der Anpresskraft genutzt werden.
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Ebenfalls besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der der motorische Antrieb ein Piezotranslatorsystem umfasst. Das Piezotranslatorsystem hat sich in der Praxis bewährt. Im Vergleich zu einem Elektromotor vermeidet es insbesondere starke mechanische Schwingungen.
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen ATR-Objektivs mit Hubelement, Federanordnung und axialem Anschlag, mit folgenden Schritten:
- a) mit dem motorischen Antrieb wird das Halteelement auf die Probenposition zu verfahren;
- b) sobald eine Messfläche des ATR-Kristalls die Probenposition um eine vorgegebene axiale Strecke S1 überschritten hat, wird die axiale Bewegung des Halteelements mittels des Anschlags gestoppt;
- c) das Hubelement wird mittels des motorischen Antriebs gegen die Kraft der Federanordnung von der Probenposition weg über eine vorgewählte axiale Strecke S2 verfahren, wodurch das Halteelement oder die Haltestange gegen den Anschlag gepresst wird;
- d) eine Probe wird von einer dem Cassegrain-Objektiv abgewandten Seite mittels eines Hubtisches axial auf die Probenposition zu verfahren, mit dem ATR-Kristall in Kontakt gebracht und werter verfahren, bis die Messfläche des ATR-Kristalls im Fokus des Cassegrain-Objektivs ist. Mit diesem Verfahren kann die Vermessung einer Probe an einem erfindungsgemäßen ATR-Objektiv automatisch durchgeführt werden. S1 bestimmt die Strecke, über die die Probe den ATR-Kristall in Schritt d) anheben muss; diese Strecke ist im Wesentlichen durch die Objektivgeometrie festgelegt. S2 bestimmt die Anpresskraft, die die Probe durch den ATR-Kristall erfährt; hierbei legt S2 in Schritt c) in der Regel die Federstärke fest (etwa durch Kontakt zu verschiedenen Federelementen bei verschiedenen Verfahrwegen); die Anpresskraft nach Schritt d) ergibt sich bei merklicher Länge S1 auch über den Weg S1 (meist beeinflusst S1 aber aufgrund des Einsatzes von Hebelelementen die Anpresskraft nur in geringem Maße). Während Schritt c) verfährt das Hubelement relativ zur Rahmenstruktur („Abheben”). Während Schritt d) sind Halteelement und Hubelement gegeneinander über den motorischen Antrieb fixiert, so dass das Hubelement durch den Hubtisch über die Haltestange angehoben wird; dieser axialen Bewegung wirkt die Federkraft der Federanordnung und/oder eine Gewichtskraft der axial beweglichen Teile des ATR-Objektivs entgegen. Nach Schritt d) kann die IR-Messung an der Probe erfolgen.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch werter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine schematische, angeschnittene Schrägansicht eines erfindungsgemäßen ATR-Objektivs im optischen Beobachtungsmodus;
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1b das ATR-Objektiv von 1a im schematischen vertikalen Querschnitt;
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2a das ATR-Objektiv von 1a in schematischer, angeschnittener Schrägansicht, im IR-ATR-Messmodus;
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2b das ATR-Objektiv von 2a im schematischen vertikalen Querschnitt;
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3 das ATR-Objektiv von 2a in einer schematischen Schrägansicht von unten;
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4 das ATR-Objektiv von 2a in einer schematischen Aufsicht;
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5a–5g schematische, vertikale Querschnittsansichten eines erfindungsgemäßen ATR-Objektivs in verschiedenen Stadien der Positionierung des ATR-Kristalls.
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Die 1a und 1b illustrieren ein erfindungsgemäßes ATR-Objektiv 1 von schräg oben und im Querschnitt entlang einer Symmetrieachse A eines Cassegrain-Objektivs 2, welches in das ATR-Objektiv 1 integriert ist.
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Im dargestellten optischen Beobachtungsmodus wird von einer Probenposition 3 ausgehendes sichtbares Licht über einen ersten, konkaven Spiegel 2a des Cassegrain-Objektivs 2 auf einen zweiten, konvexen Spiegel 2b des Cassegrain-Objektivs 2 reflektiert und von diesem im Wesentlichen parallel zur vertikalen Achse A nach oben auf einen Zwischenfokus 4 reflektiert. Vom Zwischenfokus 4 aus wird das Bild der Probe (welche nicht dargestellt ist) beispielsweise auf eine Videokamera abgebildet (ebenfalls nicht dargestellt).
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Die beiden Spiegel 2a, 2b weisen zentrale Bohrungen (Öffnungen) 5a, 5b auf. Diese Bohrungen 5a, 5b beeinträchtigen jedoch nicht den Abbildungsbereich, da bereits der äußere Rand des unteren Spiegels 2b die Abbildung in gleicher Weise begrenzt. Die Bohrungen 5a, 5b werden dazu genutzt, einen ATR-Kristall 7 verfahrbar aufzuhängen.
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Der ATR-Kristall 7 ist dazu an einer Haltestange 8 unterenends befestigt; die Haltestange 8 ist in einer vertikalen Führung 8a gelagert. Oberenends ist die Haltestange 8 über dünne Streben 9 an einem Halteelement 10 starr befestigt. Das Halteelement 10 ist an bolzenartigen, vertikalen Führungen 10a gelagert. Die Führungen 8a, 10a sind Teil der (nicht beweglichen) Rahmenstruktur 11 des ATR-Objektivs 1.
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Das Halteelement 10 ist über einen motorischen Antrieb 12 an ein Hubelement 13 angebunden. Dieses Hubelement 13 ist wiederum an einer bolzenartigen, vertikalen Führung 13a gelagert, welche ebenfalls Teil der Rahmenstruktur 11 ist. Das Halteelement 10 bildet ein Vermittlungsgestänge 14 aus, an welchem der motorische Antrieb 12 angreift. Der motorische Antrieb 12 ist am Hubelement 13 gelagert, so dass bei Betätigung des motorischen Antriebs 12 das Halteelement 10 gegen das Hubelement 13 axial verfahren werden kann, und bei Arretierung des motorischen Antriebs 12 das Hubelement 13 und das Halteelement 10 gegeneinander fixiert sind. In der Situation von 1a, 1b ist das Halteelement 10 – und damit der ATR-Kristall 7 – in einer nach oben verfahrenen Position, in der der ATR-Kristall 7 den Strahlengang für das sichtbare Licht nicht blockiert.
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Das Hubelement 13 ist über insgesamt drei Hebelelemente 21a, 21b, 21c, die in der Rahmenstruktur 11 gelagert sind, an je ein Federelement gekoppelt. Diese drei Federelemente (von denen nur das dritte Federelement 15c in 1a erkennbar ist), die zusammen eine Federanordnung 15 bilden, sind ebenfalls in der Rahmenstruktur 11 gelagert. Die Hebelelemente 21a–21c dienen dazu, den Weg des Hubelements 13 relativ zur Rahmenstruktur 11 in einen (hier) 10-fach kleineren Federweg zu übersetzen. Dadurch ergibt sich über den Hub des Hubelements 13 (und insbesondere den Verfahrweg der Probe im Kontakt mit dem ATR-Kristall 7) eine nur geringe Federkraftänderung, so dass an der Probe gut definierte Messverhältnisse eingestellt werden können (zur Arbeitsweise der Federelemente 15a–15c siehe auch 5a–5g).
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Durch Betätigung des motorischen Antriebs 12, der hier als Piezotranslatorsystem ausgebildet ist, kann das Halteelement 10 relativ zum Hubelement 13 nach unten verfahren werden. Die 2a und 2b zeigen eine nach unten (in den oberen, probenabgewandten Cassegrain-Spiegel 2a hinein) verfahrene Stellung des Halteelements 10, die zum IR-ATR-Messmodus gehört. Hierbei befindet sich der ATR-Kristall 7 im Strahlengang der IR-Strahlung, die in gleicher Weise wie das sichtbare Licht in den 1a und 1b durch das ATR-Objektiv 1 geführt wird; eine unterseitige Messfläche des ATR-Kristalls 7 ist dabei an der Probenposition 3. Das Halteelement 10 sitzt auf einem axialen Anschlag 16 der Rahmenstruktur 11 auf, so dass durch weitere Betätigung des motorischen Antriebs 12 das Hubelement 13 relativ zur Rahmenstruktur 11 verfahren würde.
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Mit der Haltestange 8 wird in beiden Betriebsmodi der ATR-Kristall 7 im axialen Zentrum der Strahlengänge gehalten, und das Halteelement 10 umgreift die Strahlengänge. Der motorische Antrieb 12 und das Hubelement 13 sind seitlich der Strahlengänge und oberhalb des Cassegrain-Objektivs 2 angeordnet. Dadurch werden die Strahlengänge nur minimal beeinträchtigt (nämlich nur durch die dünnen Streben 9), was in der Regel eine sehr viel geringere Abschattung bewirkt als die Haltestreben 17, welche den unteren Spiegel 2b halten.
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Die Haltestreben 17 einerseits und die dünnen Streben 9 andererseits sind in der Ansicht von schräg unten in 3 und der Aufsicht von oben in 4 gut zu erkennen. Die dünnen Streben 9 nehmen hier ca. 3% des näherungsweise kreisringförmigen Querschnitts des Strahlengangs ein.
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Die 5a bis 5g illustrieren die Verwendung eines erfindungsgemäßen ATR-Objektivs 1 (vergleichbar dem ATR-Objektiv 1 von 1a) zur Vorbereitung und Durchführung einer IR-ATR-Messung, wobei das ATR-Objektiv 1 in stark vereinfachter, vertikaler Querschnittsdarstellung gezeigt ist. In Abweichung zu 1a findet für eine bessere Übersichtlichkeit jedoch keine Übersetzung von Hub- und Federwegen mit Hebelelementen statt.
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Die 5a zeigt eine Parkposition, wobei der ATR-Kristall 7 von der Fokusebene 3a, die gleichzeitig die Probenposition in axialer (vertikaler) Richtung definiert, nach oben zurückgezogen ist. In dieser Stellung kann eine Probe (nicht dargestellt) optisch betrachtet werden; der ATR-Kristall 7 stört die Beobachtung nicht.
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Das Halteelement 10 ist über das Vermittlungsgestänge 14 mittels eines nicht näher dargestellten motorischen Antriebs nahe an das Hubelement 13 herangezogen. Das Hubelement 13 ist an einer Führung 13a, welche fest in der Rahmenstruktur 11 ausgebildet ist, gelagert. Die Rahmenstruktur 11 verfügt über eine Federanordnung 15, hier umfassend drei Federelemente 15a, 15b, 15c, mit denen am Hubelement 13 Kräfte aufgebracht werden können. In der Stellung von 5a liegt das Hubelement 13 an der Rahmenstruktur 11 auf, wobei jedoch durch das Federelement 15a die Gewichtskraft der axial beweglichen Teile, nämlich des Hubelements (einschließlich des motorischen Antriebs), des Halteelements 10 (einschließlich Vermittlungsgestänge 14 und einer skalierten Messhilfe 18) und der Haltestange 8 (einschließlich des ATR-Kristalls 7) zum größten Teil kompensiert (aufgehoben) wird. Das Federelement 15a wird daher auch Entlastungsfeder oder Kompensationselement genannt.
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Die Verfahrposition des Halteelements 10 bzw. der Haltestange 8 kann über die skalierte Messhilfe 18 und/oder einen ersten elektronischen Wegaufnehmer 21 mitverfolgt werden.
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Zur Vorbereitung einer IR-ATR-Messung wird nun das Halteelement 10 mittels des (nicht dargestellten) motorischen Antriebs vom Hubelement 13 weg, also nach unten verfahren. 5b zeigt eine Verfahrposition, in der der ATR-Kristall 7 mit seiner unterseitigen Messfläche (die meist nur Bruchteile eines Quadratmillimeters groß ist) gerade in der Fokusebene 3a ist. Das Halteelement 10 hat dabei einen axialen Anschlag 16 noch nicht ganz erreicht. In dieser Position ist eine ATR-Referenzmessung ohne Probenkontakt möglich.
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Das Halteelement 10 wird dann darüber hinaus noch geringfügig um eine weitere Strecke S1 abgesenkt, bis das Halteelement 10 den Anschlag 16 erreicht, vgl. 5c. Das weitere Verfahren des Hubelement 13 vom Halteelement 10 weg führt dann zu einem „Abheben” des Hubelements 13 von der Rahmenstruktur 11. In 5c ist eine Stellung gezeigt, in der der Abhebeweg S2 so gering ist, dass sich zwar das Federelement 15a geringfügig entspannt hat, die oberen Federelemente 15b, 15c aber noch nicht kontaktiert wurden. Die geringfügige Entspannung des Federelements 15a führt zu einer (gegenüber 5b) reduzierten Grad der Kompensation der Gewichtskraft der beweglichen Teile. Um den ATR-Kristall 7 anzuheben, etwa mit einer von unten heranfahrenden Probe, ist eine gewisse Kraft (entsprechend der nicht kompensierten Gewichtskraft der beweglichen Teile, hier etwa 0,8 N) notwendig. Eine Vergrößerung der Strecke S2 führt zu einer proportionalen Vergrößerung der notwendigen Kraft zum Anheben des ATR-Kristalls 7 (so weit der Kontakt zum Federelement 15a noch nicht verloren geht und das nächste Federelement 15b noch nicht erreicht wird).
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Wird S2 auf eine mittlere Strecke vergrößert (was durch eine entsprechende Ansteuerung des motorischen Antriebs erfolgt), vgl. 5d, so löst sich das Hubelement 13 im gezeigten Beispiel schließlich vom unteren Federelement 15a, wodurch die volle Gewichtskraft der beweglichen Teile wirkt. Zusätzlich kontaktiert das Hubelement 13 das Federelement 15b, welches einem Anheben des ATR-Kristalls (bzw. der beweglichen Teile) entgegenwirkt. Zum Anheben des ATR-Kristalls 7 wird nun eine mittlere Kraft (hier etwa 1,6 N) benötigt, wobei durch Vergrößern der Strecke S2 diese Kraft proportional erhöht wird (so weit das weitere Federelement 15c noch nicht kontaktiert wird).
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Bei weiterer Vergrößerung von S2 kontaktiert das Hubelement 13 das weitere Federelement 15c, vgl. 5e. Dabei vergrößert sich die zum Anheben des ATR-Kristalls 7 erforderliche Kraft entsprechend weiter (hier auf ca. 3,2 N). Auch hier kann durch eine weitere Vergrößerung von S2 eine weitere proportionale Vergrößerung dieser Kraft erreicht werden.
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In allen Anwendungsbereichen (von 5c, 5d und 5e) kann über S2 die Gegenkraft zum Anheben des ATR-Kristalls 7 kontinuierlich über den motorischen Antrieb (typischerweise elektrisch) automatisiert eingestellt werden. Falls erforderlich, kann ein zweiter elektronischer Wegaufnehmer (nicht dargestellt) die Verfahrstrecke S2 zwischen Hubelement 13 und Rahmenstruktur 11 mitverfolgen.
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Wenn das Hubelement 13 um die gewünschte Strecke S2 verfahren ist, wird die zu vermessende Probe 19 von unten an den ATR-Kristall 7 herangefahren, und mit der Probe 19 der ATR-Kristall 7 angehoben, bis die unterseitige Messfläche des ATR-Kristalls 7 wieder in der Fokusebene 3a ist, vgl. 5f (basierend auf der Ausgangsstellung von 5e). Dabei kann ein Hubtisch (nicht dargestellt), auf dem die Probe 19 angeordnet ist, eingesetzt werden. Das Halteelement 10 wird vom Anschlag 16 abgehoben, und das Hubelement 13 verfährt (hier) gegen die Kraft der beiden Federelemente 15b, 15c nach oben. Man beachte, dass beim Anheben des ATR-Kristalls 7 (hier) auch die Gewichtskraft der beweglichen Teile aufgebracht werden muss.
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Die zum Anheben des ATR-Kristalls 7 aufgebrachte Kraft intensiviert den Kontakt zwischen der unterseitigen Messfläche des ATR-Kristalls 7 und der Oberfläche der Probe 19. Man beachte, dass der Anhebeweg in 5f der Strecke S1 aus 5c entspricht. Nun kann die eigentliche ATR-Messung (meist als FTIR-ATR-Messung) an der Probe 19 stattfinden.
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Falls die Probe 19 bzw. der ATR-Kristall 7 zu stark angehoben wird, fährt das Hubelement 13 gegen einen Schalter 20, über den ein Überlast-Alarmsignal erzeugt und/oder eine Hubtischbewegung abgeschaltet werden kann, vgl. 5g.
