DE1472198B2 - Spektralphotometer nach dem optischen Null-Prinzip - Google Patents

Description

ersten sphärischen oberflächenverspiegelten Hohlspiegel 24. Dieser ist so angeordnet, daß sich die Strahlungsquelle 11 im Brennpunkt des Hohlspiegels 24 befindet. Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist, werden die Strahlen 5 und R durch den Hohlspiegel 24 als durch Kollimation gerichtete Strahlen reflektiert, so daß sie parallel zueinander weiterlaufen. Die beiden Strahlen erhalten durch den Hohlspiegel 24 auch eine etwa gleichmäßige Strahlungsdichte in ihrem Querschnitt sowie eine etwa gleichmäßige Intensität, da beide Strahlen von der gleichen Quelle stammen.

Die reflektierten Strahlen 5 und R gehen dann durch ein zweites Paar öffnungen 26 und 27 in einer Platte 28. Beide Öffnungen haben vorzugsweise rechteckige oder quadratische Formen. Außerdem ist die Blendenöffnung 27 vorzugsweise etwas größer als die Öffnung 26. Zur Unterbrechung des Bezugsstrahls R, der die Öffnung 27 durchsetzt, dient eine Schieberblende 31 in Form einer rechteckigen dunklen Platte, die durch einen Servomotor 33 mit Vorgelege 32 hin und her bewegt werden kann. Das Vorgelege 32 übersetzt die Bewegung der Welle des Servomotors 33 in eine lineare Bewegung für die Schieberblende 31 und verstellt auch über ein Vorgelege 35 ein Potentiometer 34. Das Potentiometer dient zur Bestimmung der Lage der Schie- as berblende 31. Diese dient zur Querschnittsschwächung des Bezugsstrahls R durch die Blendenöffnung 27, so daß die Strahlen 5 und R nach dem Durchgang durch die Öffnungen 26 und 27 beide gleiche Strahlungsintensität haben.

Dann werden die Strahlen 5 und R durch einen zweiten achsentfernten sphärischen oberflächenverspiegelten Hohlspiegel 36 gesammelt.

Das zweiteilige aus den Hohlspiegeln 24 und 26 bestehende achsentfernte sphärische optische System kann als abgewandeteltes zweiteiliges achsentferntes sphärisches optisches System nach Czerny-Turner bezeichnet werden. Durch Verwendung eines solchen zweiteiligen optischen Systems wird das aus dem zweiten Hohlspiegel 36 erhaltene Bild selbsttätig korrigiert, oder mit anderen Worten, es werden die sphärischen Aberrationsfehler beseitigt. Die durch den ersten Spiegel erzeugten sphärischen Aberrationsfehler werden durch die von dem zweiten Spiegel erzeugten gleichen Aberrationsfehler aufgehoben, so daß hinter dem zweiten Spiegel ein gutes scharfes Bild von hoher Güte in der Vokalebene erhalten wird. Die beiden Hohlspiegel 24 und 36 sind für den Bezugsstrahl und den Untersuchungsstrahl gemeinsam vorhanden.

Beide Strahlen werden durch den Hohlspiegel 36 reflektiert und durch eine beispielsweise schlitzförmige öffnung 39 in einer Trägerplatte 41 auf eine Dispersionsvorrichtung 38 fokussiert. Die Dispersionsvorrichtung 38 formt mehrfarbiges Licht in einfarbiges Licht um, oder mit anderen Worten, es verwandelt die beiden Strahlen 5 und R in zwei getrennte einfarbige Strahlen von der gleichen Wellenlänge. Im vorliegenden Falle besteht die Dispersionsvorrichtung aus einem an sich bekannten Kreisfilter, der im gemeinsamen Strahlengang vor dem Empfänger 48 angeordnet ist.

Der Kreisfilter 38, der sich an der öffnung oder dem Schlitz 39 vorbeibewegt, wird von einem Gleichstrommotor 43 mit regelbarer Geschwindigkeit angetrieben. Der Kreiskeilfilter 38 ist mit der Ausgangswelle 44 des Motors verbunden. Zur Messung der Stellung der WeI-Ie des Motors 43 dient ein ständig umlaufendes Potentiometer 46.

Der Empfänger 48, beispielsweise eine Bleisulfidzelle, wird von einem Arm 49 an der Platte 41 gehalten.

Zur Bildung eines Bezugssignals.ist ein den Ausgangswert der Strahlungsquelle 11 ständig abfüllender Detektor 51, beispielsweise eine Diode, vorgesehen, der auf der Platte 22 angebracht ist. Er empfängt das durch die Öffnungen 18 und 52 in der Platte 22 hindurchtretende Licht. Die öffnung 52 ist gegenüber den Öffnungen 12 und 13 um 90° entgegen dem Uhrzeigerdrehsinn versetzt. An den Detektor ist ein Kraftverstärker 53 angeschlossen, dessen Ausgang mit der Bezugssignalwicklung 33a des Servomotors 33 verbunden ist.

Der Ausgang des Empfängers 48 ist mit einem Vorverstärker 54 verbunden und dieser wieder mit einem Kraftverstärker 55, dessen Ausgang zu der Steuersignalwicklung 33ό des Servomotors geführt ist. Das Potentiometer 46 ist mit dem Streifenantrieb eines Meßstreifenschreibers 56 verbunden. Der Ausgang des Potentiometers 34 ist mit dem Schreibstift 56a des Meßstreifenschreibers verbunden.

Zur Einführung einer zu untersuchenden Probe in den Untersuchungsstrahl dient ein Probenhalter 61, der beispielsweise zwischen dem optischen Element 24 und der Platte 28 angebracht sein kann. Ferner ist die Möglichkeit der Anbringung eines Probenhalters 62 zwischen dem optischen Element 36 und der Dispersionsvorrichtung 38 vorgesehen. Die Probenhalter 61 bzw. 62 sind mit öffnungen 63 bzw. 64 versehen, durch die der Untersuchungsstrahl hindurchtritt. Die Stellen, an denen die Probenhalter 61 und 62 vorgesehen sind, sind nur zur Erläuterung dienende Beispiele. Die Probenhalter können an beliebigen Stellen angeordnet werden, an denen die Energie des Untersuchungsstrahls periodisch unterbrochen ist. Da der Untersuchungsstrahl durch den Unterbrecher 16 sehr dicht an der Strahlungsquelle 11 unterbrochen wird, besteht eine sehr weitgehende Auswahlmöglichkeit für die Anbringung der Probe im Wege des Untersuchungsstrahls. Für eine normale Routine-Analyse kann ein verhältnismäßig großer Probenhalter 61 dort benutzt werden, wo der Strahl verhältnismäßig breit ist. Soll jedoch eine Mikro-Analyse vorgenommen werden, so kann der Probenhalter an der Stelle 62 angebracht werden, um die MikroProbe zu analysieren, da an dieser Stelle der Untersuchungsstrahl einen bedeutend kleineren Querschnitt hat.

Die Arbeitsweise des neuen optischen Null-Spektralphotometers bei Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist kurz folgende: Es sei angenommen, daß das Spektralphotometer bereits in Betrieb ist und daß in den Probenhaltern 61 oder 62 keine Probe eingesetzt ist; dann wird die Blende 31 so eingestellt, daß die Öffnung 27 so groß wie die Öffnung 26 ist, so daß die beiden mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° unterbrochenen Strahlen 5 und R die gleiche Intensität haben, auf die Dispersionsvorrichtung 38 fokussiert sind und durch den Detektor 48 überwacht werden. Der Detektor dient zur algebraischen Addition der beiden einfarbigen Strahlen, die von ihm aufgenommen werden und die um 180° phasenverschoben und von gleicher Intensität sind. Da die beiden Strahlen in dieser Weise aufeinander bezogen sind, bringt der Detektor 48 einen Gleichstrom hervor, der einem nicht zerhackten Ausgangssignal entspricht. Es besteht dann ein Null-Zustand, weil der Servomotor 33 nur auf ein der Steuersignalwicklung 33b zugeführtes Wechselstromsignal anspricht.

Der Bezugssignalwicklung 33a des Servomotors wird

ständig eine Bezugsfrequenz zugeführt. Läuft der Motor 21 mit 1800 U/min, so beträgt die Bezugsfrequenz 30 Hz. Diese Bezugsfrequenz stammt aus dem Bezugsdetektor 51, der, wie schon erwähnt, so angeordnet ist, daß das Licht aus der Strahlungsquelle 11 durch die öffnungen 18 und 52 hindurch auf ihn fällt, so daß das Licht 30mal pro Sekunde unterbrochen wird. Die öffnung 52 ist so angeordnet, daß das Licht mit 90° Phasenverschiebung gegenüber dem Licht, das durch die öffnungen 12 und 13 hindurchtritt, unterbrochen wird. Dieses 30-Hz-Signal, das aus einem Licht mit hoher Intensität abgeleitet ist, wird direkt einem Kraftverstärker 53 zugeführt, der es verstärkt und an die Bezugssignalwicklung 33a des Servomotors, d. h. an die eine Phase des Zweiphasenmotors 33, weiterleitet.

Es sei nun angenommen, daß eine Probe in einen der Probenhalter 61 oder 62 eingeführt und die Intensität des Untersuchungsstrahles, die durch den Detektor abgefühlt wird, kleiner ist als die Intensität des Bezugsstrahles. Ist dies der Fall, so erzeugt der Empfänger 48 ao ein einphasiges Wechselstromsignal, das durch den Vorverstärker 54 verstärkt und dem Leistungsverstärker 55 zugeführt wird. Das Wechselstromsignal dreht dann den Servomotor 33 in derjenigen Richtung, bei welcher die Blende 31 die öffnung 27 kleiner macht. Dies geschieht, bis die Intensitäten des Untersuchungsund des Bezugsstrahls gleich sind; dann fühlt der Empfänger 48 den Gleichgewichtszustand, womit wieder ein Null-Zustand herbeigeführt ist, auf Grund dessen der Servomotor 33 stillgesetzt wird.

Dieses Intensitätssignal wird über das Potentiometer 34 dem Schreibstift 56a des Meßstreifenschreibers zugeführt, so daß dieser X- K-Schreiber seine V-Information erhält. Das Potentiometer 46 liefert das Signal für den Betrieb des Motors des Meßstreifenschreibers und für die Steuerung der Meßstreifengeschwindigkeit, d. h. die X-Information für den X- V-Schreiber. Wie schon erwähnt, mißt das Potentiometer 46 die Stellung des Kreiskeilfilters oder Dispersionselements 38, das in dem bereits erwähnten früheren Patent im einzelnen beschrieben wurde. Das Kreiskeilfilter überträgt eine Reihe von Wellenlängen, die allmählich abnehmen oder allmählich zunehmen, beispielsweise von 1,7 Mikron auf 3,4 Mikron, um es zu ermöglichen, das Absorptionsband oder die Absorptionsbänder der Probe und den übertragenen bzw. absorbierten Prozentsatz in dem Übertragungs- bzw. Absorptionsband der Probe zu bestimmen. Der Ausgangswert des Potentiometers 46 ist direkt auf die durch den Kreiskeilfilter 38 übertragene Wellenlänge bezogen und kann dazu benutzt werden, den Meßstreifen des Meßstreifenschreibers 56 anzutreiben.

Es sei nun angenommen, daß die Intensität des Bezugsstrahls größer ist als die des Untersuchungsstrahls ; dann erzeugt der Empfänger 48 ein Wechselstromsignal, das gegenüber dem Signal bei größerer Intensität des Untersuchungsstrahls um 180° phasenverschoben ist; dadurch wird der Servomotor in Gegenrichtung angetrieben und bewegt die Blende 31 so, daß die Öffnung 27 vergrößert wird, bis in derselben Weise wie vorher ein Null-Zustand erreicht ist. Der Servomotor 33 wird also in der einen Richtung angetrieben, wenn der eine Strahl die größere Intensität hat. Nur bei gleicher Intensität beider Strahlen wird ein Null-Zustand erreicht und der Servoantrieb 33 zum Stillstand gebracht.

Da der Empfänger 48 die durch den Kreiskeilfilter 38 hindurchgehende Energie mißt, kann der durch die Probe durchgelassene oder an dieser reflektierte Energiebetrag bei einer bestimmten Wellenlänge ermittelt und auf dem X- V-Schreiber 56 registriert werden. Das in F i g. 1 dargestellte optische Null-Spektralphotometer ist also zur Bestimmung der Absorptions- oder Übertragungsbänder sowie des Prozentsatzes der Übertragung oder des Prozentsatzes der Absorption in dem Band verwendbar, d. h., die Information wird photometrisch behandelt.

Das neue optische Null-Spektralphotometer hat viele grundsätzliche Vorteile. Da die Strahlen durch KoIIimation gerichtet werden, lassen sich beliebige Umrißformen, z. B. eine rechteckige oder quadratische Form, für die öffnungen verwenden, in weichen der jeweils durchgehende Teil des Strahls durch eine dunkle Blende unterbrochen werden kann; das Ausmaß der Unterbrechung ist direkt proportional der prozentualen Übertragung im Untersuchungsstrahl, mit anderen Worten, die Stellung der Blende bestimmt das Ausmaß der Schwächung des Untersuchungsstrahls. Die Verwendung durch Kollimation gerichteter Strahlen ermöglicht eine sehr einfache Gesamtanordnung. Da die kollimierten Strahlen pulsierende Rechteckwellen sind, kann jede Art von Schwächung oder Dämpfung benutzt werden; stets beaufschlagt eine Rechteckwelle den Spektraldetektor, mit anderen Worten, die Schwächung des kollimierten Strahles ändert nicht seine Wellenform.

Dadurch, daß die periodische Unterbrechung nahe an der Quelle der Strahlungsenergie erfolgt, wird das optische Null-Spektralphotometer besonders unempfindlich gegen Streulicht; praktisch kann damit auch bei normalen Umgebungslichtverhältnissen zufriedenstellend gearbeitet werden. Ein weiterer großer Vorteil des optischen Systems besteht darin, daß die optischen Elemente sowohl dem Untersuchungsstrahl als auch dem Bezugsstrahl gemeinsam sind. Das optische System ist äußerst wirkungsvoll, besonders auf Grund der Verwendung eines Kreiskeilfilters. Das optische System ist auch sehr kompakt gebaut.

Das neue Spektralphotometer wird in Verbindung mit einem Meßstreifenschreiber 56 beschrieben; jedoch ist die Verwendung eines Antriebsmotors 43 für die Dispersionsvorrichtung 38 nicht absolut erforderlich. Diese kann gewünschtenfalls auch von Hand bewegt werden, desgleichen in Übereinstimmung mit der jeweiligen Stellung des Kreiskeils der Meßstreifen. Wahlweise kann ein Antriebsmotor benutzt werden, um einen Nocken zur Betätigung von Kontakten für die Erzeugung von Impulsen anzutreiben, welche ihrerseits statt des kontinuierlichen Antriebs über das Potentiometer 46 das Aufzeichnungsgerät antreiben.

Der Kreiskeilfilter hat eine Dispersion im Betrage eines konstanten Prozentsatzes der zentralen Wellenlänge, wenn es in Verbindung mit einer festen Begrenzungsöffnung verwendet wird. Gewünschtenfalls können auch mehrere feste öffnungen benutzt werden, welche schrittweise bei verschiedenen Stellungen des Keilfilters an ihren Platz gebracht werden. Die vorgesehene öffnung braucht also kein stetig veränderbarer Schlitz zu sein. So kann eine öffnung zur Wirkung gebracht werden, um eine Dispersion zu erreichen, die ein konstanter Prozentsatz der zentralen Wellenlänge des Teiles des Kreiskeilfilters ist, der zu diesem bestimmten Zeitpunkt benutzt wird. Die öffnungen verschiedener Größen können unmittelbar dazu verwendet werden, eine optimale Bandbreite für jede Wellenlänge zu erhalten. Bei dem Kreiskeilfilter entsprechen die Lagen

der zentralen Wellenlängen linear dem Winkel.

Die dem Servomotor 33 dargebotene Phasenbeziehung ist direkt abhängig von der zu messenden optischen Erscheinung, da das um 90° phasenverschoben^ Signal in dem Spektralphotometer selbst dadurch erhalten wird, daß der Bezugsdetektor 51 um 90° außer Phase mit den öffnungen 12 und 13 gebracht wird. So steht bei dem neuen Gerät das Ausgangssignal aus dem Bezugsdetektor in einer direkten mechanischen Bezie-

hung zu der gerade gemessenen Strahlungserscheinung. Daher ist das Gerät nicht frequenzabhängig, und es können weitere Schwankungen der Netz- oder Speisespannung zugelassen werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer tragbaren Ausführung des Gerätes, beispielsweise bei Speisung aus einem Umrichter, der seinerseits gegebenenfalls aus einer 12-V-Batterie betrieben werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409536/108

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Spektralphotometer nach dem optischen Null-Prinzip, bestehend aus einer Strahlungsquelle, einem zur Aufteilung der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung in ein Probenstrahlenbündel und ein Bezugsstrahlenbündel dienenden Strahlenteiler, einem zur periodischen und zueinander phasenversetzten Unterbrechung beider Strahlenbündel dienenden rotierenden Unterbrecher, einer zur Fokussierung beider Strahlenbündel auf einen Strahlungsempfänger dienden Optik, einer in Bezugs- und Probenstrahlengang angeordneten Dispersionsvorrichtung und einem hinter dieser angeordneten Strahlungsempfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler aus einer rechteckigen Platte (14) mit zwei nebeneinander angeordneten öffnungen (12, 13) und die Optik aus zwei gleichen, sphärischen, oberflächenverspiegelten Hohlspiegeln (24,36) besteht, deren Achsen parallel zueinander liegen und gegen die optische Achse des Strahlenganges von Bezugs- und Probenstrahlenbündel geneigt sind, und von denen der erste (24) dazu dient, die von der Strahlungsquelle (11) ausgehende Strahlung parallel zu richten und der zweite (36) dazu, Bezugsstrahlenbündel und Probenstrahlenbündel unabhängig vom Unterbrecher (16) zusammenzuführen, daß die Schwächungseinrichtung eine im Bezugsstrahlengang angeordnete rechteckige Blendenöffnung (27) von vermittels einer Schieberblende (31) linear veränderlich einstellbarer Öffnungsgröße ist, vermittels welcher das Bezugsstrahlenbündel linear meßbar auf gleiche Intensität wie das Probenstrahlenbündel abschwächbar ist, und daß die Dispersionsvorrichtung aus einem an sich bekannten Kreisfilter (38) besteht, der im gemeinsamen Strahlengang vor dem Empfänger (48) angeordnet ist.

   Die Erfindung bezieht sich auf einen Spektralphotometer nach dem optischen Null-Prinzip, bestehend aus einer Strahlungsquelle, einem zur Aufteilung der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung in ein Probenstrahlenbündel und ein Bezugsstrahlenbündel dienenden Strahlenteiler, einem zur periodischen und zueinander phasenversetzten Unterbrechung beider Strahlenbündel dienenden rotierenden Unterbrecher, einer zur Fokussierung beider Strahlenbündel auf einen Strahlungsempfänger dienenden Optik, einer in Bezugs- und Probenstrahlengang angeordneten Strahlungsempfänger.

   Bei einer bereits bekannten Anordnung dieser Art (Kortüm, »Kolorimetrie, Photometrie und Spektrometrie«, Springer-Verlag, 1962, Seite 310, Fig. 154) erfolgt die Aufteilung der von einer Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung in ein Probenstrahlenbündel und ein Bezugsstrahlenbündel vermittels eines umlaufenden Spiegels, der zugleich zur periodischen und zueinander phasenversetzten Unterbrechung beider Strahlenbündel dient. Eine weitere, gleichfalls an dem rotierenden Unterbrecher angeordnete Spiegelfläche dient zur Ablenkung eines der beiden Strahlenbündel auf eine Dispersionsvorrichtung. Die Führung der beiden Strahlengänge erfolgt über voneinander getrennte, einander entgegengesetzt außeraxial benutzte sphärische Hohlspiegel und über je eine mit dem rotierenden Unterbrecher umlaufende Planspiegelfläche.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Untersuchungsstrahl an der Lichtquelle oder nahe bei ihr periodisch zu unterbrechen oder zu zerhacken, um die Empfindlichkeit gegen Streulicht herabzusetzen.

   Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Strahlenteiler aus einer rechteckigen Platte mit

   ίο zwei nebeneinander angeordneten öffnungen und die Optik aus zwei gleichen, sphärischen, oberflächenverspiegelten Hohlspiegeln besteht, deren Achsen parallel zueinander liegen und gegen die optische Achse des Strahlenganges von Bezugs- und Probenstrahlenbündel geneigt sind, und von denen der erste dazu dient, die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung parallel zu richten und die zweite dazu, Bezugsstrahlenbündel und Probenstrahlenbündel unabhängig vom Unterbrecher zusammenzuführen, daß die Schwächungsein-

   ao richtung eine im Bezugsstrahlengang angeordnete rechteckige Blendenöffnung von vermittels einer Schieberblende linear veränderlich einstellbare Öffnungsgröße ist, vermittels welcher das Bezugsstrahlenbündel linear meßbar auf gleiche Intensität wie das

   as Probenstrahlenbündel abschwächbar ist, und daß die Dispersionsvorrichtung aus einem an sich bekannten Kreisfilter besteht, der im gemeinsamen Strahlengang vor dem Empfänger angeordnet ist.

   Ein solches Gerät hat insbesondere den Vorteil, daß es auch unter erschwerten Bedingungen verwendbar ist und sich beispielsweise im Weltraum einsetzen läßt.

   Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt die schematische Darstellung eines optischen Null-Spektralphotometers gemäß der Erfindung, in welcher die elektrische Schaltungsanordnung als Blockschema gezeigt wird.

   11 ist die Strahlungsquelle, beispielsweise ein von einem Glas- oder Quarzgehäuse umschlossener Wolframdraht. Ferner wäre auch eine Nernstsche Strahlungsquelle geeignet. Die Strahlungsquelle kann auch ein schwarzer Körper, ein Glühstab oder eine sonstige Strahlungsquelle sein, wie sie bei Spektralinstrumenten gebräuchlich ist. Die Strahlung verläuft durch zwei Öfft nungen 12 und 13 in einer Platte 14 von rechteckiger Form, so daß zwei Strahlen S und R gebildet werden. Die Öffnungen 12 und 13 können gegebenenfalls auch kreisrund sein. 5 ist der Untersuchungsstrahl und R der Bezugsstrahl. Beide Strahlen werden durch einen dunklen optischen Unterbrecher oder Zerhacker 16 zeitweise unterbrochen, so daß sie als um 180° phasen verschobene Rechteckwellen pulsieren. Der optische Unterbrecher besteht aus einer drehbaren Scheibe 17 mit zwei halbkreisförmigen schlitzartigen Ausnehmungen 18, 19, deren Breite jeweils derjenigen der öffnung 12 bzw. 13 proportional ist. Die Schlitze 18 und 19 erstrekken sich um je 180° auf der Scheibe 17 und sind um 180° auf ihr versetzt. Die Lage ist so gewählt, daß der Strahl 5 durch die öffnung 19 hindurchgeht. Ein auf der Platte 22 angeordneter Elektromotor 21 dient zum Antrieb der auf seiner Welle 23 sitzenden Unterbrecherscheibe 17. Die Umlaufgeschwindigkeit der Scheibe 17 kann etwa 1800 U/min betragen, so daß die Strahlen S und R mit einer entsprechenden Geschwindigkeit, beispielsweise dreißigmal in der Sekunde, periodisch unterbrochen werden.

   Nachdem die beiden Strahlen 5 und R auf diese Weise zerhackt oder moduliert sind, treffen sie auf einen