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Photoelektrisches Mikrospektrophotometer Es sind photoelektrische
Spektrophotometer bekannt, bei denen die von einer Lichtquelle ausgehende Strahlung
mittels eines periodisch schwingenden Spiegels abwechselnd über einen ein Bezugsobjekt
enthaltenden Strahlengang und über einen ein Meßobjekt enthaltenden Strahlengang
geleitet wird und danach zwecks Intensitätsvergleiches auf einen gemeinsamen elektronischen
Lichtdetektor gerichtet wird.
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Die Erfindung hat ein nach diesem Prinzip arbeitendes Mikrospektrophotometer
zum Gegenstand; bei Mikrospektrophotometern ergeben sich die besonderen Umstände,
daß die die Probensubstanz und die die Vergleichssubstanz enthaltenden Meßzellen
außerordentlich klein sein müssen, und ferner ergibt sich die Aufgabe, daß mikroskopisch
kleine Raumteile für die Untersuchung ausgenutzt werden sollen.
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Bei Interferenzmikrometern, insbesondere nach der britischen Patentschrift
639 014, ist es bereits bekannt, in einem geradsichtigen Strahlengang das von einer
Lichtquelle ausgehende Licht auf zwei parallele Wege aufzuspalten, von denen der
eine Strahlengang das zu untersuchende Objekt enthält, damit die beiden Strahlengänge
zwecks Interferenzbildung nach Durchsetzen des Objekts wieder miteinander vereinigt
werden können. Dabei ist auch bei derartigen Anordnungen die relative Einstellbarkeit
des Untersuchungsobjekts in bezug auf den Strahlengang von Bedeutung, damit der
Untersuchungsbereich des Objekts in einfacher Weise gewählt werden kann.
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Die Erfindung bezweckt ein photoelektrisches Mikrospektrophotometer,
daß, wie die vorgenannten photoelektrischen Spektrophotometer, mit einem abwechselnd
durchlaufenden Meßstrahlengang und einem Bezugsstrahlengang arbeitet, damit in einem
gemeinsamen elektronischen Lichtdetektor ein Intensitätsvergleich der die beiden
Strahlengänge abwechselnd durchsetzenden Strahlung erfolgen kann.
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Die Erfindung bezweckt eine Einstellbarkeit des Untersuchungsbereichs
in der Probenzelle, ohne daß dabei die Auftreffstelle der die Probenzelle und auch
die Meßzelle durchsetzenden Strahlen auf der Photoschicht des Lichtdetektors geändert
wird. Es ist wichtig, sicherzustellen, daß die die Probenzelle und die die Bezugszelle
durchsetzende Strahlung auf dieselbe Stelle des lichtelektrischen Detektors der
Spektrophotometeranordnung abgebildet werden, da andernfalls sich Fehlerquellen
einschleichen können.
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Ein photoelektrisches Mikrospektrophotometer kennzeichnet sich gemäß
der Erfindung dadurch, daß eine im optischen Strahlengang einer Lichtquelle vor
einer schwingenden Spiegelanordnung angeordnete
Blende durch eine hinter der Spiegelanordnung
angeordnete Linse, in deren Brennebene der schwingende Spiegel der Spiegelanordnung
liegt, in die gemeinsame Ebene eines Bezugsobjekts und eines Meßobjekts abgebildet
wird und diese Ebene durch ein Mikroskopsystem auf einen gemeinsamen Lichtdetektor
fokussiert wird und daß die schwingende Spiegelanordnung in einem um die optische
Achse des Mikroskopsystems drehbaren Gehäuse angeordnet ist.
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Zweckmäßigerweise ist das Spiegelsystem als ein geradsichtiges optisches
Spiegelsystem ausgebildet. In diesem Fall kann das drehbare Gehäuse außer dem schwingenden
Spiegel zwei rechtwinklig reflektierende Spiegel enthalten, die so angeordnet sind,
daß die Achsen des in das Gehäuse eintretenden optischen Strahlenganges und des
das Gehäuse verlassenden Strahlenganges koinzidieren, wenn sich der schwingende
Spiegel in seiner Mittellage befindet.
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Der schwingende Spiegel wird zweckmäßigerweise von einer elektromagnetischen
Antriebsvorrichtung angetrieben, deren Antriebsströme über ein einstellbares Potentiometer
zugeführt werden, so daß die Endlagen des schwingenden Spiegels und damit ebenfalls
der Untersuchungsbereich der Probenzelle einstellbar sind.
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Die Erfindung wird im nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Figuren
beispielsweise näher erörtert.
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Von den Figuren zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der Erfindung, F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen
optischen Meßvorrichtung in vergrößertem Maßstab.
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Gemäß F i g. 1 wird eine Lichtquelle 1 über einen Kollimator 2 auf
den Eingangsspalt 3 eines Monochromators abgebildet, der nach spektraler Zerlegung
die Lichtquelle auf den Ausgangsspalt 5 abbildet.
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Das Bild im Ausgangsspalt wird mittels des optischen Systems 6 auf
die Eingangsöffnung des Kondensors 10 mittels eines stationären Spiegels 8 und eines
um 90° ablenkenden Spiegel systems 9 abgebildet. Das Spiegelsystem 9 besteht aus
vier totalreflektierenden, in bezug aufeinander parallelen Spiegelflächen, wobei
der eine Spiegel 11 mittels eines elektromagnetischen Systems 12 so angetrieben
wird, daß er zwei verschiedene Stellungen einnimmt, die eine parallele Ablenkung
der das Objekt bzw. die Probenzelle durchsetzenden Strahlen bedingt. Infolge der
Spiegelablenkung werden die optischen Strahlen von dem Spiegelsystem 9 winkelmäßig
etwas versetzt nach zwei verschiedenen Richtungen reflektiert, die durch die Endstellungen
des schwingenden Spiegels 11 bestimmt sind.
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Die Spiegelanordnung 9 und der Antriebsmotor 12 sind fest miteinander
verbunden und sind um eine mit der optischen Achse des Mikroskops zusammenfallende
Achse drehbar. Die gemeinsame, durch die beiden Strahlungsbündel verlaufende Ebene
kann in diesem Fall verschiedene Richtungen annehmen, so daß die Meßpunkte in dem
mikroskopischen Objekt frei gewählt werden können.
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Eine einstellbare Blende 7 wird in der Objektebene 13 abgebildet.
Verwendet man eine hinreichend kleine Öffnung der Blende 7 und eine hinreichend
große Amplitude der Schwingung des Spiegels 11, so ergeben sich zwei beleuchtete
Flächen in der Objektebene.
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Da die beiden Flächen in der Objektebene durch dieselbe Lichtquelle
identisch beleuchtet werden, so wirkt sich ungleiche Intensitätsverteilung in dem
Strahlenbündel nicht aus. Die beiden Flächen werden identisch von gleicher Größe
gemessen, und ihre Größe kann innerhalb bestimmter Grenzen gewählt werden. Der schwingende
Spiegel 11 und das feste Spiegelsystem 9 gehören den beiden Lichtwegen gemeinsam
an, so daß Reflexionsverluste in den beiden Lichtwegen identisch sind. Der auf die
Eintrittsöffnung des Kondensors 10 abgebildete Spalt 5, der als Lichtquelle wirkt,
erscheint infolge des schwingenden Spiegels 11 als doppelte Lichtquelle, da jedoch
die Schwingungsamplitude des Spiegels 11 klein ist, werden sich die beiden Bilder
des Spaltes 5 auf dem Kondensor 10 fast überlappen.
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Das Meßobjekt und das Bezugsobjekt werden durch das Objektiv 14 in
der Bildebene des Okulars 15 abgebildet. Die Kathode 17 des Photovervielfachers
wird in die Ausgangspupille des Okulars gebracht. Auf diese Weise treffen die beiden
Lichtstrahlenbündel auf dieselbe Oberfläche der Photokathode, da die Bilder der
Lichtquelle sich in der Ebene der Austrittspupille überlappen.
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Der Einfluß der Lichtintensität und deren Schwankungen auf die lichtempfindliche
Kathode des Photo-
vervielfachers hängt in erster Linie von den optischen Eigenschaften
des zu untersuchenden Objekts und der Betriebsweise des schwingenden Spiegels ab.
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Wenn der schwingende Spiegel zwei momentane Endlagen (tl und t2) während
seiner Schwingperiode einnimmt, verlaufen die Strahlen abwechselnd durch das Bezugsobjekt
und das Meßobjekt und sind konstant während des Zwischenintervalls zwischen beiden
Lagen. Die periodischen Bewegungen, welche der Spiegel ausführen soll, sollten daher
einer Rechteckwelle entsprechend sein.
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Die erforderliche Bewegung des Spiegels 11 erfolgt mittels eines
elektromagnetischen Systems 12, das eine hohe mechanische Dämpfung hat und dem eine
Spannung zugeführt wird, die eine rechteckige Kurvenform hat. Die Spannung dieser
Kurvenform wird dadurch gewonnen, daß eine Sinusspannung hoher Amplitude über einen
Kondensator 20 einer doppelten Diode 19 mit konstanter Spannung zugeführt wird.
Von einem Potentiometer 21 wird der Elektromagnetenanordnung die Spannung zugeführt,
welche die gewünschte Schwingungsamplitude des Spiegels liefert. Indem man die Schwingungsamplitude
des Spiegels konstant hält, bleiben während des Meßvorganges die vom Strahlengang
durchsetzten beiden Flächenbereiche in der Objektebene 13 unverändert.
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Auf diese Weise lenkt der schwingende Spiegel 11 die Strahlung abwechselnd
über die beiden unterschiedlichen optischen Wege in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen
gleicher Dauer. Es wird daher die Lichtintensität während des einen Intervalls t1
durch das Bezugsobjekt und während des anderen Intervalls t2 durch das Meßobjekt
moduliert.
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Fig. 2 zeigt die Konstruktion und die Wirkungsweise der Spiegelanordnung.
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Das Licht, welches auf den Spiegel 8 der Fig. 1 auftrifft, wird in
F i g. 2 durch den Spiegel 43 auf den Spiegel 44 um 900 gelenkt. Diese beiden Spiegel
sind in bezug aufeinander parallel. Der Spiegel 44 reflektiert das Licht mit einem
Winkel von 900 auf den Winkel 45, von dem das Licht auf den schwingenden Spiegel
11 reflektiert wird.
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Wenn der schwingende Spiegel sich in seiner Ruhelage befindet, so
liegt er parallel zur Ebene des Spiegels 45 und hat dann von dem letzteren einen
solchen Abstand, daß der austretende Lichtstrahl in seiner Richtung vollständig
mit der des auf das Spiegelsystem auffallenden Lichtstrahls übereinstimmt.
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Es hat dann das Spiegelsystem keinen Einfluß auf die Richtung des
ursprünglichen Lichtstrahls. Die Spiegel 43, 44 und 45 sind fest an dem Spiegelhalter
46 befestigt.
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Der schwingende Spiegel 11 ist an einer Welle 47 befestigt, die mit
dem Anker 48 des Elektromagneten 12 verbunden ist. Die Elektromagnetenanordnung
ist mittels eines Armes 49 mit dem Träger 46 verbunden.
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Die Elektromagnetenanordnung besteht aus dem Permanentmagneten 50
und den magnetisch gleitenden Teilen 51 und der Wicklung 52.
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Wenn der Wicklung des Elektromagneten eine Wechselspannung zugeführt
wird, ergibt sich eine Hin- und Herbewegung, wobei die Rotationsachse mit der Rotationsachse
des Spiegels 11 übereinstimmt. Der schwingende Spiegel lenkt dann das reflektierte
Licht in eine Ebene ab, die senkrecht zur Pendelachse liegt. Die Größe der winkelmäßigen
Schwenkung der Lichtstrahlen in bezug auf die
optische Achse ist
bestimmt durch die Spannung, die der Wicklung zugeführt wird.
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Die Spiegelanordnung 46 ist auf einer Welle 53 befestigt, die eine
axiale Bohrung hat und in einem Stirnlager eines festen Teils 54 gelagert, der ebenfalls
eine axiale Bohrung aufweist. Die Achsen der Bohrungen stimmen mit den optischen
Achsen überein.
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Die Welle 53 und dementsprechend das gesamte Spiegelsystem können
sich in bezug auf den festen Teil 54 drehen, wobei die Rotationsachse mit der optischen
Achse übereinstimmt. Wenn daher die Spiegelanordnung gedreht wird, so kann die Schwingebene
des Lichtstrahls in jede gewünschte optische Richtung in bezug auf den festen Teil
54 gebracht werden.
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Dementsprechend lenkt der Spiegel 11 den Lichtstrahl nach den beiden
Endstellungen ab, wobei die Abbildungen der Blende 7 durch den Kondensor 10 in die
Ebene fallen, in der sich das Bezugsobjekt und das Meßobjekt 13 befinden. Wenn die
Schwingungsebene gedreht wird, können zwei optische Meßflächen 13 ausgewählt werden
innerhalb der kreisförmigen Linien, die neben den Strahlungswegen in Fig. 1 gezeigt
sind.
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Indem man die Schwingungsamplitude des Spiegels ändert und die Schwingungsebene
ändert, können zwei gewünschte Meßflächen innerhalb des Gesichtsfeldes des Mikroskops
ausgewählt werden.