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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für den Wechsel der
Gitter in Spektralphotometern mit zwei Gittern, die unterschiedliche, aneinander
anschließende Wellenlängenbereiche besitzen und auf die abwechselnd der zu zerlegende
Lichtstrahl gerichtet werden kann, wobei die Gitter zur Auswahl der Wellenlänge
um ihre Achse drehbar sind.
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Bei Spektralphotometern dieser Bauart ist gewöhnlich ein Gitter so
ausgelegt, daß es über einen bestimmten Wellenlängenbereich arbeitet. Zur Überdeckung
breiterer Spektralbereiche werden mehr als ein Gitter gewählt, von denen jedes mit
einer anderen Rillenzahl versehen ist. Bei mehreren Gittern ist es notwendig, während
des Zerlegungsvorgangs von einem Gitter zum anderen zu wechseln, um den von allen
Gittern umfaßten Wellenlängenbereich zu erfassen. Es ist bekannt, für den Gitterwechsel
die Gitter auf einem Drehtisch anzuordnen, der um seine Achse drehbar ist, so daß
ein ausgewähltes Gitter in den optischen Weg des Instruments gebracht werden kann.
Bei dieser Anordnung muß jedoch der Wellenlängenzerlegungsvorgang für den Wechsel
der Gitter unterbrochen werden, wobei der Zerlegungsunterschied zwischen den Gittern
an einer Stelle ihrer Vertauschung unterschiedliche Spektraleinheiten und ein diskontinuierliches
Spektrum ergibt. Es ergibt sich ferner ein Fluchtungsproblem, da die Mittellagen
der Gitter immer für das Vertauschen bewegt werden. Die Lage des Gitters zum Strahlenbündel
ist jedoch von größter Bedeutung, da sie den Einfallswinkel des Lichtbündels und
damit die Genauigkeit der erhaltenen Wellenlänge oder Wellenzahl beeinflußt; stets
besteht beim Wechseln der Gitter in eine Betriebslage die Möglichkeit von Fluchtungsfehlern.
Diese treten bei allen bekannten Anordnungen auf, in denen die Mitten der Gitter
in irgendeiner Weise für den Gitterwechsel verschoben werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Gattung zu schaffen, bei der der Zerlegungsvorgang des Lichtbündels
nicht beim Gitterwechsel unterbrochen werden muß, sondern ein kontinuierliches Spektrum
erhalten werden kann.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß das eine Gitter im Weg des
zu zerlegenden Lichtstrahls, das andere seitlich davon angeordnet ist und zum Gitterwechsel
in den Weg des Lichtstrahls ein diesen auf das andere Gitter richtender Planspiegel
bewegbar ist, daß beide Gitter einander teilweise überlappende, benachbarte Wellenbereiche
besitzen und mittels einer Steuereinrichtung gleichzeitig um ihre Achse derart drehbar
sind, daß sie beim Gitterwechsel im Überlappungsbereich gleichzeitig gleiche Wellenlänge
erzeugen, wobei der Planspiegel zum Gitterwechsel während der Lichtzerlegung in
diesem Überlappungsbereich bewegbar ist.
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Bei dieser Ausgestaltung bleiben die Gitter ortsfest, werden also
die Mitten der Gitter nicht verschoben, so daß Fluchtungsfehler vermieden werden.
Darüber hinaus wird in geschickter Weise die Tatsache nutzbar gemacht, daß beim
Verschieben des Planspiegels in einem bestimmten Bereich Licht von beiden Gittern
gleichzeitig reflektiert wird. Läßt man in diesem Bereich beide Gitter gleichzeitig
gleiche Wellenlängen erzeugen, so kann der Wechsel von einem Gitter zum anderen
ohne Unterbrechung
bei der Lichtzerlegung erfolgen, so daß eine Kontinuität des erhaltenen
Spektrums gewährleistet ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen optischen
Aufriß eines Doppelgitter-Spektralphotometers nach der Erfindung, F i g. 2 schematisch
in perspektivischer Darstellung den Teil des Spektralphotometers, auf den sich die
Erfindung insbesondere bezieht und der die Gittervertauschungsvorrichtung, den Wellenzahlenantrieb
und Filterwechseleinrichtungen zeigt, F i g. 3 eine der F i g. 2 entsprechende Darstellung
mit einem anderen Wellenzahlantrieb, F i g. 4 ein Diagramm, das die unterschiedlichen,
sich teilweise überlappenden benachbarten Bereiche der von den beiden Gittern umfaßten
Wellenlängen und Wellenzahlen verdeutlicht.
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Gemäß Fig. 1 wird die Strahlung aus einer Quelle 10 durch ein Paar
von Spiegeln 11 und 12 in zwei Strahlenbündel 13 R und 13 S geteilt, die jeweils
durch Fokussierspiegel 14 und 15 reflektiert werden.
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Die reflektierten Strahlenbündel gehen durch eine Bezugsquelle 16R
und eine Probezelle 16S und bilden dann erste Abbildungen der Quelle. An diesen
Abbildungsstellen sind in die Bezugs- und Probestrahlenbündel ein Keil 17 bzw. ein
Trimmer 18 zur optischen Dämpfung eingesetzt. Das Bezugsstrahlenbündel wird durch
ein Paar von Planspiegeln 18 a und 19 auf einen Fokussierspiegel 20 gerichtet. Zwischen
den Spiegeln 19 und 20 befindet sich ein Unterbrecher aus einem Halbkreisscheibenspiegel
21, der mit einem Motor 22 rotiert wird. Das Probestrahlenbündel wird durch einen
Planspiegel 23 auf den Unterbrecher gerichtet, so daß er bei Reflexion dem gleichen
Weg folgt wie das Bezugsstrahlenbündel. Rotiert der Unterbrecher, so treffen das
Bezugs- und Probestrahlenbündel abwechselnd mit der Unterbrecherfrequenz auf den
Spiegel 20.
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Das den Spiegel 20 verlassende alternierende Strahlenbündel wird
durch einen Planspiegel 23' reflektiert und bildet an einem Eintritts sp alt 24
eine zweite Abbildung der Strahlenquelle. Das Strahlenbündel vom Eintrittsspalt
wird durch einen Kollimatorspiegel 25 aufgefangen und von diesem zu einem ersten
Gitter G1 oder einem zweiten Gitter G2 gerichtet. Das gebeugte Strahlenbündel wird
durch den Spiegel 25 zu einem Spiegel 26 geleitet und bildet an einem Austrittsspalt
27 eine Abbildung. Die Strahlung aus diesem Spalt geht durch eine Filtereinheit
28, wird dann durch einen Spiegel 29 reflektiert und schließlich durch einen Spiegel
30 auf einen Detektor 31 fokussiert, dessen Meßergebnis dazu verwendet wird, den
Keil 17 bis zur Erzielung des Nullausgleichs anzutreiben. Die Verschiebung des Keils
17 wird in eine entsprechende Bewegung eines nicht dargestellten Schreibstiftes
auf einer ebenfalls nicht dargestellten Karte umgewandelt.
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Die Gitter G1 und G2 können Echelettegitter sein und besitzen eine
unterschiedliche Zahl aufgebrachter Rillen oder Striche für die Überdeckung unterschiedlicher
Wellenlängen- oder Wellenzahlenbereiche. Von besonderer Bedeutung ist, daß die von
den beiden Gittern überdeckten Bereiche sich teilweise überlappen. Dies ist schematisch
in der Fig. 4 angedeutet. Das erste Gitter G1 kann einen Wellenlängenbereich von
1 bis Ä 3, das zweite Gitter einen Wellenlängenbereich von 2 bis 24
überdecken,
wobei A3 größer als A2 ist. In einem praktischen Anwendungsfall an einem Infrarot-Gitterspektralphotometer
können die Gitter G1 und G2 150 und 50 Rillen pro Millimeter haben und können bei
Wellenlängen von 4 und 12 bestrahlt werden und überdecken Bereiche von 4000 bis
1350cm-t bzw. von 1450 bis 400cm-1 in erster Ordnung. Die Kombination der beiden
Gitter überdeckt nicht nur einen breiteren Wellenzahlbereich von 4000 bis 400 cm-1,
sondern gestattet auch die gleichzeitige Verwendung der beiden Gitter im Überlappungsabschnitt
der Bereiche, und zwar in der Weise und für den Zweck, wie es im folgenden beschrieben
wird.
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Die Zerlegung der durch die beiden Gitter gelieferten Spektralbereiche
wird in der Weise erreicht, daß die Gitter zur Veränderung des Einfallwinkels des
Strahlungsbündels auf die Gitter um ihre Achse rotiert werden. Die Bewegung jedes
Gitters um seine eigene Achse kann durch jedes geeignete Mittel gesteuert werden,
z. B. über einen Nockenantrieb gemäß F i g. 2 oder einen mechanisch trigonometrischen
Funktionsgenerator gemäß F i g. 3. Die Gitter G 1 und G2 sind von geeigneten, in
den Figuren schematisch als vertikale Wellen 32 bzw. 33 bezeichneten Einrichtungen
drehbar getragen. In der F i g. 3 werden die Gitter G 1 und G 2 durch Nocken C 1
bzw. C 2 gesteuert, gegen die Nockenfolgeelemente F1 und F2 gedrückt werden, die
sich auf mit den Wellen 32 bzw. 33 verbundenen Hebeln L1 und L2 befinden. Diese
Nocken C1 und C2 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 34, die durch einen Motor 35
angetrieben wird; die Nocken haben die Wirkprofile P1 und P2, deren Spannen in der
Figur zur größeren Verdeutlichung an gegenüberliegenden Enden durch Punktes1 und
A3 bzw. A2 und i14 A4 definiert sind. Der Profile P1 und P2 sind in folgender Weise
ausgelegt: Wenn die Folgeelemente F 1 und F 2 bei Drehung der Welle 34 über die
ganzen Spannen laufen, werden die entsprechenden Gitter G 1 und G2 um ihren eigenen
Achsen gegenüber dem einfallenden Strahlenbündel so gedreht, daß sie die Wellenlängenbereiche
von A1 bis A3 bzw. A2 bis A4 zerlegen. Solange das Folgeelement F 1 auf dem ProfilP1
zwischen A1 und Ä 2 läuft, zerlegt das Gitter G1 über den entsprechenden Wellenlängenbereich,
während sich das Folgeelement F 2 auf dem wirkungslosen Umfangsabschnitt des Nockens2
befindet. In dem Moment jedoch, in dem das Folgeelement F 1 über den Punkt 2 hinausläuft,
kommt das andere Folgeelement F2 in Berührung mit dem Wirkprofil P2, wodurch das
Gitter G2 in Betrieb gesetzt wird.
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Dann arbeiten die beiden Gitter gleichzeitig, bis das Folgeelement
F 1 den Punkt A3 überschreitet, wonach allein das Folgeelement F 2 auf der Wirkfläche
P2 des Nockens C2 läuft und dementsprechend allein das Gitter G2 in Betrieb ist.
Die Anordnung muß in der folgenden Weise getroffen sein: Solange die beiden Folgeelemente
auf den ihnen zugeordneten Nockenwirkflächen zwischen den Punkten 2 und A3 laufen,
wird durch die beiden Gitter gleichzeitig die gleiche Wellenlänge erzeugt.
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Dies ist für die im folgenden beschriebene Übertragung zwischen den
beiden Gittern von Bedeutung.
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Der Nockenantrieb in Fig.2 kann durch einen Kosekausstangenantrieb
gemäß Fig.3 ersetzt werden, in der die gleichen Bezugszeichen die gleichen
Teile
bezeichnen wie in Fig. 2. Die Stützwelle für das Gitter G 1 ist mit dem einen Ende
einer Kosekansstange B1 verbunden, die eine Berührungskante El besitzt. Die Berührungskante
wird stets, beispielsweise durch eine nicht gezeigte Feder, gegen ein linear angetriebenes
Element gedrückt, das eine RolleR1 sein kann, die auf einer mit einer Präzisionsspindel
S 1 im Eingriff befindlichen Mutter N1 sitzt. In gleicher Weise wird das zweite
Gitter G2 auf der Welle 33 gedreht, und zwar durch eine andere Kosekansstange B2
mit einer Kante E2, die sich in Berührung mit einer linear angetriebenen Mutter
N2 befindet, welche eine Rolle trägt und auf einer Führungsspindel S 2 läuft. Die
Bezugszeichen 36 und 37 gehören zu Führungsstangen für die Muttern N 1 bzw. N2.
Die Schraubspindeln S1 und S2 liegen einander parallel und werden durch eine Wellen-Zahnradverbindung
39 von einem Motor 38 gleichzeitig gedreht. Die Berührungskanten El und E2 haben
eine derartige Kontur, daß sie eine vorbestimmte unterschiedliche Kosekanswirkung
ausüben: Laufen die Rollen R 1 und R2 bei Drehung der Spindel1 und S2 über ihren
ganzen Betriebsweg, so werden die Gitter G1 und G2 zur Zerlegung über unterschiedliche
Wellenzahlbereiche gedreht, die den obengenannten Bereichen von 11 bis 3 bzw. 2
bis Ä 4 entsprechen. Auch in diesem Fall muß die Anordnung so getroffen sein, daß
die beiden Gitter zwischen den Punkten 2 und 13 gleichzeitig die gleiche Wellenzahl
erzeugen.
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Für die Erfindung ist charakteristisch, daß die Mittelstellung der
Gitter G1 und G2 zum Vertauschen niemals verschoben werden und daß die Vertauschung
ohne Anhalten des Wellenlängenantriebsvorgangs vorgenommen werden kann. Dies wird
durch einen verschiebbaren Planspiegel M erreicht, wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt
ist. Der Spiegel M kann zwischen zwei durch ausgezogene und unterbrochene Linien
dargestellten Stellungen bewegt werden, die als StellungA bzw. B bezeichnet werden.
Für die Verschiebung des Spiegels M kann beispielsweise ein schematisch dargestellter,
durch einen Motor 40 angetriebener Bandtrieb verwendet werden. Der Motor wird durch
einen Mikroschalter 41 angelassen, der seinerseits durch einen GitterwahlnockenC3
betätigt wird, die sich in der Wellenlängenantriebseinrichtung befindet. Bei Umlauf
des Motors 40 bewegt das Band 42 den Spiegel aus der Stellung A, bis ein an dem
Band befestigtes Betätigungselement 43 den Mikroschalter 44 betätigt, um den Motor
anzuhalten, woraufhin der Spiegel in der Stellung B angehalten wird. Für das Anhalten
des Motors nach der Überführung des Spiegels aus der Stellung B in die Stellung
A ist ein ähnlicher Mikroschalter 44 a vorgesehen. In der Stellung A befindet sich
der Spiegel M im Weg des den Kollimatorspiegel 25 verlassenden Strahlungsbündels,
so daß der Strahl vom Gitter G2 vollständig ferngehalten und auf das erste Gitter
G 1 gerichtet wird. Das durch das Gitter G1 gebeugte Strahlenbündel wird durch den
Spiegel M zum Kollimatorspiegel 25 zurückreflektiert. In der Stellung B ist der
Spiegel M vollständig außerhalb des den Kollimatorspiegel 25 verlassenden Strahlenbündels,
so daß es zum zweiten Gitter G2 gerade durchlaufen kann. In dieser Weise wird das
Vertauschen der beiden Gitter ohne Veränderung der Stellung der Gitter zum Strahlenbündel
durchgeführt, so daß
das Problem von Fluchtungsfehlern vollständig
gelöst ist.
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Bei Verschiebung des Spiegels M aus der Stellung A bleibt ein abnehmender
Oberflächenbereich des Spiegels im Weg des Strahlungsbündels. Dies bedeutet, daß
ein abnehmender Teil des Strahlenbündels durch diesen noch im Bündelweg befindlichen
Abschnitts des Spiegels M reflektiert wird und auf das erste Gitter G1 trifft, während
der verbleibende zunehmende Teil des Strahlenbündels von dem zweiten Gitter G2 aufgefangen
wird. Die beiden Gitter arbeiten mit anderen Worten so lange gleichzeitig, bis der
Spiegel M vollständig aus dem Strahlungsweg bewegt ist.