DE1572621A1

DE1572621A1 - Vorrichtung zur optischen Abtastung,insbesondere fuer schnelle Infrarotspektrographie

Info

Publication number: DE1572621A1
Application number: DE19671572621
Authority: DE
Inventors: Michel Clerc
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1966-11-30
Filing date: 1967-11-02
Publication date: 1970-03-26
Also published as: NL6716291A; ES347369A1; DE1572621B2; LU54870A1; BE705882A; CH486012A; GB1201504A; US3537795A

Description

Dr, W. P. R«dt Dip'.-Ir.g. Γ. ίϊ. '■'■· Lei Dipl.-Ing. W. :.·..-nesti Pateiitariv.-äita

Bochum

Heimich-König-Stf. 18

COMMISSARIAT A L'L¹

3912-67

ATOMIQUE

Vorrichtung zur optischen Abtastung, insbesondere für schnelle Infrarotspektrographie

Priorität: Frankreich, vom 30. November 1966

Die Erfindung betrifft die Vorrichtungen zur

optischen Abtastung, d.h. Vorrichtungen, welche gestatten, auf einen einzigen optischen Detektor oder eine kleine Zahl von optischen Detektoren eine zeitliche Folge von lichtbündeln zu schicken. Von derartigen Vorrichtungen betrifft die Erfindung insbes., wenn auch nicht ausschliesslich, solche für die schnelle Infrarotspektrographie, d.h. Vorrichtungen, welche die Registrierung einer Reihe von zeitlich verschobenen Infrarotspektren

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während einer einzigen Drehung des Spiegels zur Abtastung der Wellenlängen in einem Gerät zur Infrarotspektrographie oder -Spektrophotographie gestatten.

Bekanntlich sind bereits Abtastvorrichtungen für die Infrarotspektrographie ausgeführt worden, um z.B. den zeitlichen Verlauf der Konzentration von bei einer schnellen chemischen Reaktion auftretenden vergänglichen chemischen Körpern zu verfolgen. Die ^ei^tca dieser Vorrichtungen verwenden einen D_rehspie£el, welcher ein auf dem Weg des durch ein Gitter oder ein Prisma zerstreuten zu beobachtenden Bündels angeordneter Planspiegel ist. So ist insbes. die den Rückgang des Bündels bewirkende Drehung des Spiegels in einer Anordnung von Littrow mit doppeltem Weg des Lichtbündels durch das Zerstreuungssystem (insbes. ein Prisma) vorgesehen v/orden. Dieses Verfahren bietet den Nachteil, dass die Zeiträume der llutzabtas-üung ciurch grössenordnungsmässig zwanzigmal längere Zeiträume getrennt werden, während welcher das Bündel von dem Spiegel nicht zurückgeschickt und somit nicht registriert wird. Wenn z.B. angenommen wird, dass ein auf seinen beiden Seiten reflektierender Spiegel benutzt wird, und dassuöl Drehwinkel, während welcher jede Seite des Spiegels die gewünschten Wellenlängen zurückwirft, 9° beträgt (er liegt im allgemeinen zwischen 5° und 1O°), beträgt das Verhältnis zwischen den Zeitdauern der unwirksamen Zeiträume und der abwechselnden wirksamen Zeiträume ■■ = 19· Es besteht daher die Gefahr, dass sehr interessante Übergangserscheinungen ausgelassen werden, da die Vorrichtung *φ, d.h. 95 i* der Zeit blind ist. Es besteht daher die Gefahr, dass gewisse chemische

nicht
Körper mit kurzer Lebensdauer/festgestellt v/erden. Es ist zu

bemerken, dass die Erhöhung des Drehzahl des Spiegels zwar die

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absolute Dauer der unwirksamen Zeiträume verringert, aber das Verhältnis zwischen den Dauernder unwirksamen und der wirksamen Zeiträume nicht verändert. Es könnte daran gedacht v/erden, anstelle eines einzigen Spiegels ein ^öystein von Spiegeln zu benutzen, welche so angeordnet sind, daes sie ein Drehprisma bilden, eine derartige Anordnung ist jedoch schwerer mit grosser Geschwindigkeit in Umdrehung "zu versetzen. Wenn man sicher sein will, mit Vorrichtungen der bisher bekannten Bauart nicht gewisse sehr kurze Erscheinungen auszulassen, besteht die einzige lösung darin, mehrere Spektrographen zu benutzen, diese Lösung ist jedoch kostspielig.

Die Erfindung hat nun eine Vorrichtung zur

optischen Abtastung zum Gegenstand, welche die obigen Nacirueile nicxit aufweist.

Sie betrifft eine Verbesserung dieser Vorrichgestattet,
tungen, welche/insbes· ein hohes Verhältnis zwischen der Dauer eines jeden Nutzzeitraums und der eines jeden unwirksamen unbenutzbaren Zeitraums und eine Verringerung der Dauer eines jeden unwirksamen Zeitraums herzustellen und andererseits einen geringen Grestehungspreis und einen gesteigerten kräftigen Aufbau zu gewährleisten.

Die Erfindung hat eine Vorrichtung zur Ver-

vielfachung optischer Abtastungen sum Gegenstand, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie in Kombination mit dem üblichen das zu beobachtende xerstreute Bündel auffangenden Drehspiegel eine Eciiie v.:i i-cr^en Spiegeln aufweist, welche zweckmässig parabolisch oder elliptisch und so angeordnet sind, dass sie während einer halben Drehung des Spiegels nacheinander das von diesem zurückgeworfene zerstreute Bündel auffangen, um diese

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Bündel auf einen, zwei oder eine geringe Zahl von Spalten zu fokussieren, welche durch eine kleinere Zahl von zweckmässig elliptischen Konzentrationsspiegeln auf einen, zwei oder eine * sehr kleine Zahl von Detektoren projiziert werden.

Die Erfindung ist bes. auf die Vorrichtungen zur Vervielfachung von optischen Abtastungen für die schnelle Infrarotspektrographie anwendbar.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert, auf welcher Pig. 1 und 2 zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemässen Vorrichtung P zur Vervielfachung optischer Abtastungen darstellen.

Bei der in Pig. 1 dargestellten Ausführungsform ist m der Drehspiegel mit zwei reflektierenden Seiten m- und m₂, welcher das zu beobachtende zerstreute Bündel Rg empfängt. Bei dieser Ausführungsform wird das ursprüngliche parallele Bündel R₀ durch das Prisma 1 zerstreut, wobei der Querschnitt des aus dem Prisma austretenden Bündels R^ (von welchem die Grenzlichtstrahlen für die beiden Grenzwellenlängen dargestellt sind) durch ein Cassegrainsches Fernrohr mit Spiegeln 2 und 3 (oder ggfs. k durch ein Fernrohr mit zwei konkaven Parabolspiegeln der in den littrowschen Anordnungen mit Drehspiegel benutzten Art) verkleinert wird, um einen Spiegel m kleiner Abmessungen benutzen zu können, welcher mit hoher Drehzahl (von z.B. grössenordnungsmässig 5000 bis 10.000 U/s) angetrieben werden kann.

Die Vorrichtung enthält ausserdem eine Reihe

von festen Spiegeln, z.B. zwei Paare von Parabolspiegeln M^, Mg und H,, M«, wobei die Spiegel M- und Mp des ersten Paares einen geneinsamen Brennpunkt F., und die Spiegel M- und K, des zweiten Paares einen reneinsanen Brennpunkt F« haben, v/elcher zu P-j in • ' 0098 1 3/0666

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Bezug auf die Drehachse x-y des Drehspiegels m, deren Spur bei 4 in der Zeichenebene erscheint, symmetrisch ist.

In der dargestellten Stellung des Spiegels m

• wirft die reflektierende Fläche m- desselben das Bündel Rp als Bündel R* auf den Spiegel M-, welcher es als Bündel R, reflektiert und eine Linie auf der durch F.j gehenden Brennfläche f^ bildet. In Pig. 1 ist der Weg der beiden Licht bündel der Grena/el lenlängen -I.. und Ip dargestellt, welche Bilder bei F.. und F, bilden, wobei jede Wellenlänge auf den Spiegeln in Form eines parallelen Bündels aber mit einem Einfallwinkel ankommt, welcher eine Punktion dieserμ Wellenlänge ist.

Da ein Spalt G^ bei F.j senkrecht zu dem Bündel R. angeordnet ist, laufen die Linien verschiedener Wellenlängen vor diesem Spalt vorbei, wenn sich der Spiegel m um einen Winkel von z.B. grossenordnungsmassig 20° dreht, während welchem er mit seiner Fläche m-j das Bündel R₂ auf den Spiegel M^ wirft. Unter der Annahme, dass sich der Spiegel m in dem Sinn des Pfeils T dreht, reflektiert seine Fläche m^, nachdem sie das Bündel R₂ auf den festen Süiegel M, geworfen hat, dieses nacheinander auf ' die festen Spiegel I»L, M₁ und M₂, wobei der Spiegel M₂ das Bündel R₂ auch auf den bei J?^ angeordneten Spalt G₁ wirft, wahrend die Spiegel M^ und M. dieses Bündels Rg auf einen Spalt Gg reflektieren, welcher bei Rg senkrecht zu dem auf ihn fallenden Bündel angeordnet ist (für die Spiegel M₂, M, und M. ist in Pig. 1 nur der mittlere Strahl dargestellt). Ein Gehäuse 5 begrenzt die an dem Spiegel m ankommenden oder von diesem reflektierten Lichtbündel.

Nach einer halben Drehung des Spiegels m befindet sich dieser wieder in der dargestellten Stellung, jedoch

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sind seine Seiten m.. und nu miteinander vertauscht, und ein ähnlicher Zyklus von 180° beginnt, wobei die Seite m« das Bündel R₂ nacheinander auf M,, M , M und M wirft, wobei die beiden letzteren dieser Spiegel die linien vor dem bei P₁ angeordneten Spalt Gr* vorbeilaufen lassen, während die Spiegel M, und M. die Lichtstrahlen so zurückwerfen, dass die Linien vor uem bei Pp angeordneten Spalt G₂ vorbeilaufen.

Die Rolle von Kameraobjektiven spielende

elliptische Spiegel IL und Up fokussieren das Licht eines jeden Spalts ο., und Gp ^De^ -^i ¹³²W* ^₂, ^{w0 sicn} schnelle Detektoren (z.B. mit dotiertem Germanium) befinden, welche die (infrarote) Lichtstärke praktisch linear in eine elektrische Spannung umwandeln, wobei die Spannungen der beiden Detektoren auf einem einzigen Kathodenstrahloszillographen angezeigt worden können, welcher die zu untersuchenden Spektren nacheinander aufzeichnet.

Bei einer vollständigen Umdrehung des Spiegels

m wird das Bündel R„ nacheinander gemäss der nachstehenden Tabelle reflektiert

aufeinanaerfolgende Anzeige an einem einzigen Kathoden- - Strahloszillographen

Während einer Drehung des Spiegels m um 360° werden also acht Spektren aufgezeichnet (anstelle von zwei Spektren bei der bekannten Technik). Wenn jedes Spektrum einer

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Drehung um 20 entspricht, ergibt sich ein Verhältnis zwischen den Dauern der wirksamen und der unwirksamen Zeiträume von 20 χ 8 . 160 _ _n o
360-20.8 ~ 2ÜÜ " ^υ»

Dieses Verhältnis kann noch vergrössert werden, wenn man ein oder mehrere Paare von zusätzlichen festen Spiegeln in den Grenzen des verfügbaren Platzes vorsieht (eine andere Losung wird durch die Ausführungsform der Pig. 2 gegeben).

Ein Vorteil der Anordnung der Pig. 1 ist ihre Einfachheit und die Tatsache, dass alle festen Parabolspiegel eine identische Form haben.

Bei einer Ausführungsabwandlung der in Pig. 1

dargestellten Ausführungsform können die vier festen Spiegel M₁, M₂t M, und KL anstatt durch Parabolspiegel durch elliptische Spiegel gebildet werden, welche so angeordnet sind, dass sie einen ersten gemeinsamen Brennpunkt bei der Spur 4 der Drehachse' x-y des Drehspiegels m in der Ebene der Pig. 1 und einen zweiten Brennpunkt bei P₁ für die Spiegel M₁ und M₂ und bei P₂ für die Spiegel M, und H. haben. In diesem Pail . eht jeder von 4- kommende Lichtstrahl durch P- oder P«, wobei nach der grundsätzlichen Eigenschaft der Ellipsoide alle optischen Wege

P₂, 4M.F^ gleich sind. Zur Erzielung der besten Asticmatismusbedingungen richtet -can es so ein, dass der von dem Bündel Rp auf den Spiegel m gebildete Lichtfleck möglichst klein ist, z.B. durch Defokussierung des Cassegrainschen Pernrchrs 2, 3, damit das Lichtbündel R₂ auf die Oberfläche m₁ oder nu des Drehspiegels in der Kähe des Punkts 4jkonvergiert. Von diesen beiden Änderungen (Spiegel M₁ bis M. elliptisch und Defokussierung des

abgesehen
Cassegrainschen Pernrohrs)/entspricht, die Anordnung der in Pig.1 dargestellten.

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Die in Pig. 2 dargestellte Ausführungsform

bildet sozusagen die räumliche Ausdehnung der Ausführungsform der . · Jig. 1.

Sie festen Parabolspiegel M- bis Mg sind um

die lotrechte Drehachse x-y des Planspiegels m mit reflektierenden »' Flächen m₁, mg in der Nähe der waagerechten Ebene P angeordnet» in welcher sich der mittlere Strahl des zu beobachtenden zerstreuten Bündels E₂ befindet (in Pig. 2 ist bei p_ der Kreis der Ebene P dargestellt, welche durch die reflektierende Fläche der Spiegel M₁ bis Mg geht, welche zwischen den Kreisen P₁ und P₂ so angeordnet sind, dass sie praktisch die Hälfte der Oberfläche des zwischen P₁ und p« liegenden Streifens einnehmen). Die Brennpunkte P₁ bis Fg dieser Parabolspiegel M₁ bis Mg liegen auf einem waagerechten Kreis £ kleinen Durchmessers, welcher erheblich über dem Streifen P-J-P₂ liegt und auf die Achse x-y zentriert ist.

In Pig· 2 ist der Weg des mittleren Strahls der Bündels H₂, R-, H. dargestellt. An dem Punkt F₁ ist ein Spalt G₁ angeordnet, an dem Punkt F₂ ein Spalt G₂ usw. Die Anordnung der acht an den Brennpunkten F ₁ bis Pg der festen Parabolspiegel Ά. bis Mg angeordneten Spalte (J₁ bis Gg liegt auf einem * Kegel C (zwischen zwei Kreisen C₁ und C₂), welcher den Kreis £ berührt und senkrecht zu den von den Spiegeln M₁ bis Mg kommenden mittleren Strahlen (z.B. Strahl B.) liegt..

Elliptische Spiegel IT₁ und N₂ schicken das

Bild Her S_paite G₁ bis Gg - vor deren jedem die aufeinanderfolgenden Wellenlängen des zu untersuchenden Spektrums vorbeilaufen,. wenn sich der Spiegel m dreht - zu Punkten D₁ und D₂, an welchen ,. ultrarapide Infrarotdetektoren (z.B. mit dotiertem Germanium) angeordnet sind, welche die Lichtstärke praktisch linear in eine

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elektrisch Spannung umformen, wobei der Ausgang der Detektoren z.B. mit einem einzigen Oszillographen verbunden ist.

In Pig. 2 ist gestriohelt um den mittleren

Strahl her^um der Querschnitt der verschiedenen Bündel angegeben, (welcherbei den Bündeln Rg und R, kreisförmig und bei dem Bündel R. elliptisch ist), während die Portpflanzungsrichtungen dieses mittleren Strahls bis zu dem bei D^ befindlichen Detektor durch Pfeile angegeben sind.

Bei der Ausführungsform der Pig. 2 ermöglicht jede Seite des Spiegels m während einer halben Drehung die Aufzeichnung von acht Spektren. Man erhält also 16 Spektren je Um- ™ drehung des Spiegels, wobei das Verhältnis zwischen den Dauern der unwirksamen Zeiträume und der Dauern der wirksamen Zeiträume grössenordnungsmässig 1 beträgt, was einem Ausnutzungskoeffizienten von 50 i<> entspricht und ausgezeichnet ist.

Man erhält also durch die erfindungsgemässe

Ausführung eine Vorrichtung zur Vervielfachung von Abtastungen, insbes. für die schnelle Infrarotspektrographie, welche gegenüber den bereits bekannten Abtastvorrichtungen' zahlreiche Vorteile .besitzt, insbes. folgende: (

Sie ermöglicht zunächst die Aufzeichnung einer grossen Zahl von Spektren je Umdrehung des Drehspiegels, wobei der Anteil der zur Aufzeichnung der Spektren ausgenutzten Zeiträume in der G-esamtdauer hoch ist.

Sie besitzt nur einen einzigen drehbaren Teil, nämlich einen Planspiegel, welcher klein sein und daher mit sehr grosser Geschwindigkeit angetrieben werden kann.

Die Schwierigkeiten des Einbaus sind auf die

festen !Peile der Vorrichtung verlegt, was die Einstellungen vereinfach.. 00 98 13/0666 _KDOSÄ

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Die Vorrichtung ist kräftig und hat einen
geringen Gestehungspreis.

Die Erfindung kann natürlich abgewandelt

werden. So können insbes. anstelle der elliptischen oder parabolischen Spiegel Planspiegel benutzt werden, welche so angeordnet sind, dass sie zu einer begrenzten Zahl von Punkten (wie P₁, Fg) die von dem Drehspiegel m reflektierten Bündel (z.B. R,) zurückwerfen.

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Claims

- 11 - 3912-67 _Λ C₇₀C₀₁

! O / /04 I

Patentansprüche

1») Vorrichtung zur "Vervielfachung von opti-

schen Abtastungen, insbes. fur die schnelle Infrarotspektrographie, gekennzeichnet durch einen an sich bekannten das zu beobachtende zerstreute Bündel empfangenden Drehspiegel (m) und eine Reihe von festen Spiegeln (H), welche zweckmassig Parabolspiegel oder elliptische Spiegel sind und so angeordnet sind, dass sie wahrend*einer halben Umdrehung des Spiegels (m) nacheinander das von diesem zurückgeworfene zerstreute Bündel empfangen und diese Bündel auf einen, zwei oder eine kleine Zahl von Spalten (Gr) " fokussieren, welche durch eine kleinere Zahl von zweckmassig elliptischen Konzentrationsspiegeln (N) auf einen, zwei oder eine sehr kleine Zahl von Detektoren projiziert werden.
2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere feste Parabolspiegel (M), deren Brennpunkte an zwei in Bezug auf die Drehachse (x-y) des Spiegels (m) symmetrischen Punkten (P₁, P₂) angeordnet sind, wobei die Spalte (Gr) auf der Höhe dieser beiden Punkte so angeordnet sind, dass die verschiedenen Wellenlängen des zu beobachtenden zerstreuten Bündels nacheinander Linien auf einem dieser Spalte gemass dem festen Spiegel bilden, welcher dieses von dem beweglichen Spiegel (m) zurückgeworfene zerstreute Bündel reflektiert.

3·) Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, eine Reihe von festen Parabolspiegeln (M, Fig. 2), welche auf einem Kreis um die Drehachse (x-y) des Drehspiegels (m) herum angeordnet sind, wobei die Brennpunkte dieser verschiedenen festen Spiegel (M) auf einen Kreis (c.), dessen Durchmesser

. kleiner gegenüber den Durchmesser des Kreises (p_) ist, auf wfcl-

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Ρ-Λ.0 OPJOiNAL

ehern die Spiegel (M) angeordnet sind, in einer zu der Drehachse des Spiegels (m) senkrechten Ebene in einer gewissen Entfernung von dem Kreis (jd) liegen, auf welchem die Spiegel (M) angeordnet * sind, wobei jeder Spalt (G) auf einen dieser Brennpunkte (F) zentriert und so angeordnet ist, dass er praktisch senkrecht das zu beobachtende zerstreute Bündel empfangt, welches nacheinander von dem Drehspiegel (m) und dem festen Parabolspiegel (M), dessen Brennpunkt im Zentrum des Spalts (G) liegt, reflektiert wird. ♦

4·) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder der Spalte auf zwei Detektoren, welche zweckmässig dotiertes Germanium enthalten, durch Kameraobjektive bildende elliptische Spiegel (N) projiziert werden.

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