DE1572621B2

DE1572621B2 - Vorrichtung zur schnellen spektralen Abtastung, insbesondere für die Infrarot-Spektrometrie

Info

Publication number: DE1572621B2
Application number: DE19671572621
Authority: DE
Inventors: Michel Gif-sur-Yvette Clerc (Frankreich)
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: 1970-12-23
Also published as: ES347369A1; BE705882A; LU54870A1; CH486012A; DE1572621A1; GB1201504A; NL6716291A; US3537795A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schnellen spektralen Abtastung, insbesondere für die Infrarot-Spektrometrie, die einen Drehspiegel, der das zu beobachtende dispergierte Lichtbündel auffängt, und mehrere feste Spiegel zur Ablenkung des vom Drehspiegel reflektierten Bündels enthält.

Derartige Abtastvorrichtungen werden beispielsweise dazu benutzt, um den zeitlichen Verlauf der Konzentration vergänglicher chemischer Körper zu verfolgen, die bei einer schnellen chemischen Reaktion auftreten können. Im allgemeinen ist bei diesen Vorrichtungen ein Drehspiegel in Form eines Planspiegels vorhanden, der das zu beobachtende Lichtbündel, das durch ein Gitter oder ein Prisma dispergiert wird, reflektiert. Bei einer Anordnung von Littrow mit doppeltem Weg des Lichtbündels ist als Zerstreuungssystem ein Prisma vorgesehen.

Die bekannten Anordnungen sind insofern unvorteilhaft, als die Zeiträume der Nutzabtastung durch größenordnungsmäßig zwanzigmal längere Zeiträume getrennt sind, in denen das Lichtbündel vom Drehspiegel nicht zurückgeschickt und somit nicht registriert wird. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß ein auf seinen beiden Seiten reflektierender Drehspiegel vorhanden ist und daß der Drehwinkel, innerhalb dessen jede Seite des Drehspiegels die gewünschten Wellenlängen zurückwirft, 9° beträgt (er liegt im allgemeinen zwischen 5 und 10°), so ist das Verhältnis zwischen den Zeitdauern der unwirksamen Zeiträume und

1OQ 9

der abwechselnd wirksamen Zeiträume —„— ⁼ 19·

Die Vorrichtung ist also während 95% der Zeit blind, so daß die Gefahr besteht, daß interessante Übergangserscheinungen oder chemische Körper mit sehr kurzer Lebensdauer nicht erfaßt werden.

Durch eine Vergrößerung der Umdrehungszahl des Drehspiegels kann zwar die absolute Dauer der unwirksamen Zeiträume verringert werden, aber das Verhältnis zwischen den unwirksamen und wirksamen Zeiträumen bleibt unverändert. Wenn an Stelle eines einzigen Drehspiegels ein System von Drehspiegeln verwendet würde, die eine Art Drehprisma bilden, so ergäbe sich eine verhältnismäßig komplizierte Einrichtung.

Es ist ferner eine Abtastvorrichtung bekannt, bei der zur Ablenkung des vom Drehspiegel reflektierten Bündels vier nebeneinanderliegende feste Spiegel vorgesehen sind, wobei das Bündel vor dem Auftreffen auf die festen Spiegel auf vier den Spiegeln zugeordnete Spalte fokussiert wird. Diese Spiegel liegen jedoch so dicht nebeneinander, daß das reflektierte Bündel in bezug auf eine halbe Umdrehung des Drehspiegels nur während einer verhältnismäßig kleinen Schwenkbewegung aufgefangen werden kann. Den Zeiträumen für eine Nutzabtastung stehen auch bei dieser Vorrichtung wesentlich größere Zeiträume gegenüber, in denen ias vom Drehspiegel reflektierte Bündel nicht erfaßt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur schnellen spektralen Abtastung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß ein relativ hohes Verhältnis zwischen der Dauer eines jeden wirksamen Zeitraumes und eines jeden unwirksamen Zeitraumes und außerdem eine Verringerung der Dauer der unwirksamen Zeiträume erzielt wird. Die Abtastvorrichtung soll weiterhin einen einfachen Aufbau haben und preisgünstig herstellbar sein.

Gemäß der Erfindung ist zur Lösung der gestellten Aufgabe eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart ausgebildet, daß die festen Spiegel so um die Drehachse des Drehspiegels angeordnet sind, daß sie während einer halben Umdrehung des Drehspiegels in etwa gleichen Zeitabständen nacheinander das von diesem zurückgeworfene dispergierte Bündel empfangen und auf mehrere Spalte fokussieren, hinter denen das Bündel mittels Sammelspiegel auf Detektoren gesammelt wird.
In weiterer Ausbildung der Erfindung können als

ίο feste Spiegel mehrere Planspiegel oder mehrere Parabolspiegel dienen, die in bezug auf die Drehachse des Drehspiegels so angeordnet sind, daß die verschiedenen Wellenlängen des zu beobachtenden Spektrums nacheinander Linien auf einem der Spalte bilden.

Eine abgewandelte Ausführungsform enthält gemäß der Erfindung eine Reihe von festen Parabolspiegeln, die auf einem Kreis um die Drehachse des Drehspiegels herum angeordnet sind, wobei jeder Spalt einem dieser Parabolspiegel zugeordnet ist und das zu beobachtende Spektrum empfängt, das nacheinander von dem Drehspiegel und dem festen Parabolspiegel reflektiert wird.

Die Bilder der Spalte können in weiterer Ausbildung der Erfindung auf zwei Detektoren durch elliptische Spiegel abgebildet werden.

Die nach der Erfindung ausgebildete Abtastvorrichtung bietet für die Infrarot-Spektrometrie zunächst den Vorteil, daß je Umdrehung des Drehspiegels eine größere Anzahl von Spektren aufgezeichnet werden kann als mit den bekannten Vorrichtungen. Weiterhin ist der Anteil der zur Aufzeichnung ausgenutzten Zeiträume im Vergleich zur Gesamtdauer verhältnismäßig hoch. Die Vorrichtung besitzt nur einen einzigen drehbaren Spiegel, bei dem es sich um einen Planspiegel handelt, der relativ klein sein kann und mit großer Geschwindigkeit antreibbar ist. Die genaue Einstellung der feststehenden Spiegel ist verhältnismäßig einfach durchführbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform mit vier festen Parabolspiegeln und
F i g. 2 eine Ausführungsform mit acht festen Parabolspiegeln.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform enthält der Drehspiegel m zwei reflektierende Seiten In₁ und m₂ für den Empfang des zu beobachtenden dispergierten Bündels R₂. Bei dieser Ausführungsform wird das ursprünglich parallele Bündel R₀ durch ein Prisma 1 dispergiert, wobei der Querschnitt des aus dem Prisma austretenden Bündels R₁ (von dem die Grenzlichtstrahlen für die beiden Grenzwellenlängen dargestellt sind) durch ein Cassegrainsches Fernrohr mit Spiegeln 2 und 3 (oder gegebenenfalls 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 könnea, der mit hoher Drehzahl, 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 Af₁, Af₂ und Af₃, Af₄, wobei die Spiegel Af_x und Af₂ des ersten Paares einen gemeinsamen Brennpunkt ,F₁ und die Spiegel Af₃ und Af₄ des zweiten Paares einen gemeinsamen Brennpunkt F₂ haben, welcher zu .F₁ in 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 /M₁ desselben das Bündel R₂ als Bündel R₃ auf den Spiegel M₁, der es als Bündel i?₄ reflektiert und eine Linie auf der durch F₁ gehenden Brennfläche Z₁ bildet. In F i g. 1 ist der Weg der beiden Lichtbündel der Grenzwellenlängen Z₁ und I₂ dargestellt, welche Bilder bei F₁ und F₃ bilden, wobei jede Wellenlänge auf den Spiegeln in Form eines parallelen Bündels aber mit einem Einfallwinkel ankommt, welcher eine Funktion dieser Wellenlänge ist.

Da ein Spalt G₁ bei F₁ senkrecht zu dem Bündel i?₄ angeordnet ist, lauf en die Linien verschiedener Wellenlängen vor diesem Spalt vorbei, wenn sich der Spiegel m um einen Winkel von z. B. größenordnungsmäßig 20° dreht, während welchem er mit seiner Fläche /M₁ das Bündel R₂ auf den Spiegel M₁ wirft. Dreht sich der Spiegel m in dem Sinn des Pfeils T, so reflektiert seine Fläche /M₁, nachdem sie das Bündel R₂ auf den festen Spiegel M₃ geworfen hat, dieses nacheinander auf die festen Spiegel M₁, M₁ und M₂, wobei der Spiegel M₂ das Bündel R₂ auch auf den bei F₁ angeordneten Spalt G₁ wirft, während die Spiegel M₃ und M₄ dieses Bündels R₂ auf einen Spalt G₂ reflektieren, welcher bei R₂ senkrecht zu dem auf ihn fallenden Bündel angeordnet ist. Ein Gehäuse 5 begrenzt die an dem Spiegel m ankommenden oder von diesem reflektierten Lichtbündel.

Die Rolle von Kameraobjektiven spielende elliptische Spiegel N₁ und N₂ fokussieren das Licht eines jeden Spaltes G₁ und G₂ bei D₁ bzw. D₂, wo sich 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 werden können, der die zu untersuchenden Spektren nacheinander aufzeichnet.

Bei einer vollständigen Umdrehung des Spiegels m wird das Bündel R₂ nacheinander gemäß der nachstehenden Tabelle reflektiert.

^mi -* M₁ -> F₁ -> N₁ -> D₁
In₁ -> M₂ -*■ F₁ -> N₁ -> D₁

m₂ -> M₃ -> F₂ -» N₂ -»- D₂ jti j

⁴ aufeinanderfolgende

m₂ -> M₄ -» F₂ -» N₂ ->■ D₂ Anzeige an einem

m₂ -> M₁ -> F₁ -> JV₁ -» W₁ einzigen Kathoden-
_. Strahloszillographen

m₂ -»■ M₂ ->· F₁ -*■ N₁ -> D₁

/M₁ -> M₃ ~> F₂ -> N₂ -*■ D₂

W₁ -*- M₄ -» F₂ -> N₂ -» D₂

Während einer Drehung des Spiegels m um 360° werden also acht Spektren aufgezeichnet. Wenn jedes Spektrum einer Drehung um 20° entspricht, ergibt sich ein Verhältnis zwischen den Dauern der wirksamen und der unwirksamen Zeiträume von

20-8

360-20.8

160
1Ö0

= 0,8.

Dieses Verhältnis kann noch vergrößert werden, wenn man ein oder mehrere Paare von zusätzlichen festen Spiegeln in den Grenzen des verfügbaren Platzes vorsieht.

Ein Vorteil der Anordnung der F i g. 1 ist ihre Einfachheit und die Tatsache, daß alle festen Parabolspiegel eine identische Form haben.

Bei einer abgewandelten Ausführung können die vier festen Spiegel M₁, M₂, M₃ und M₄ anstatt durch Parabolspiegel durch elliptische Spiegel gebildet werden, die so angeordnet sind, daß sie einen ersten gemeinsamen Brennpunkt bei der Spur 4 der Drehachse x-y des Drehspiegels m in der Ebene der F i g. 1 und ίο einen zweiten Brennpunkt bei F₁ für die Spiegel M₁ und M₂ und bei F₂ für die Spiegel M₃ und M₄ haben. In diesem Fall geht jeder von 4 kommende Lichtstrahl durch F₁ oder F₂, wobei nach der grundsätzlichen Eigenschaft der Ellipsoide alle optischen Wege ^WF₁, Tm₂T₁, Tm₃T₂, TmUf₂

gleich sind. Zur Erzielung der besten Astigmatismusbedingungen richtet man es so ein, daß der von dem Bündel R₂ auf dem Spiegel m gebildete Lichtfleck mögliehst klein ist, z. B. durch Defokussierung des Cassegrainschen Fernrohrs 2,3, damit das Lichtbündel R₂ auf die Oberfläche/M₁ oderm₂ des Drehspiegels in der Nähe des Punktes 4 konvergiert. Von diesen beiden Änderungen (Spiegel M₁ bis M₄ elliptisch und Defokussierung des Cassegrainschen Fernrohres) abgesehen entspricht die Anordnung der in F i g. 1 dargestellten.

In F i g. 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die sozusagen als räumliche Ausdehnung der Ausführungsform nach F i g. 1 angesehen werden kann.

Die festen Parabolspiegel M₁ bis M₈ sind um die lotrechte Drehachse x-y des Planspiegels m mit reflektierenden Flächen /M₁, m₂ in der Nähe der waagerechten Ebene P angeordnet, in der sich der mittlere Strahl des zu beobachtenden dispergierten Bündels R₂ befindet. In F i g. 2 ist bei ρ der Kreis der Ebene P dargestellt, die durch die reflektierende Fläche der Spiegel M₁ bis M₈ geht, welche zwischen den Kreisen P₁ und p₂ so angeordnet sind, daß sie praktisch die Hälfte der Oberfläche des zwischen p_x und p₂ liegenden Streifens einnehmen. Die Brennpunkte F₁ bis F₈ dieser Parabolspiegel M₁ bis M₈ liegen auf einem waagerechten Kreis c kleinen Durchmessers, welcher erheblich über den Streifen P₁-P₂ liegt und auf die Achse x-y zentriert ist.

Elliptische Spiegel N₁ und JV₂ schicken das Bild der Spalte G₁ bis G₈ — 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, die die Lichtstärke praktisch linear in eine elektrische Spannung umformen, wobei der Ausgang der Detektoren z. B. mit einem einzigen Oszillographen verbunden ist.

In Fig. 2 ist gestrichelt um den mittleren Strahl herum der Querschnitt der verschiedenen Bündel angegeben (der bei den Bündeln R₂ und R₃ kreisförmig und bei dem Bündel i?₄ elliptisch ist), während die Fortpflan'zungsrichtung dieses mittleren Strahls bis zu dem bei D₁ befindlichen Detektor durch Pfeile angegeben sind.

Bei der Ausführungsform der F i g. 2 ermöglicht jede Seite des Spiegels m während einer halben Drehung die Aufzeichnung von acht Spektren. Man erhält also 16 Spektren je Umdrehung des Spiegels, wobei das Verhältnis zwischen den Dauern der unwirksamen Zeiträume und den Dauern der wirksamen

Zeiträume größenordnungsmäßig 1 beträgt, was einem Ausnutzungskoeffizienten von 50% entspricht.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur schnellen spektralen Abtastung, insbesondere für die Infrarot-Spektrometrie, mit einem Drehspiegel, der das zu beobachtende dispergierte Lichtbündel auffängt, und mehreren festen Spiegeln zur Ablenkung des vom Drehspiegel reflektierten Bündels, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Spiegel (M) so um die Drehachse des Drehspiegels (m) angeordnet sind, daß sie während einer halben Umdrehung des Drehspiegels (m) in etwa gleichen Zeitabständen nacheinander das von diesem zurückgeworfene dispergierte Bündel empfangen und auf mehrere Spalte (G) fokussieren, hinter denen das Bündel mittels Sammelspiegel (N) auf Detektoren (D) gesammelt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als feste Spiegel (M) mehrere Planspiegel vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als feste Spiegel (M) mehrere Parabolspiegel dienen, die so in bezug auf die Drehachse (x-y) des Spiegels (m) angeordnet sind, daß die verschiedenen Wellenlängen des zu beobachtenden Spektrums nacheinander Linien auf einem der Spalte (G) bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Reihe von festen Parabolspiegeln (M in Fig. 2), welche auf einem Kreis um die Drehachse (x-y) des Drehspiegels (hi) herum angeordnet sind, und daß jeder Spalt (g) einem dieser Parabolspiegel (M) zugeordnet ist und das zu beobachtende Spektrum empfängt, welches nacheinander von dem Drehspiegel (m) und dem festen Parabolspiegel (M) reflektiert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilder der Spalte (G) auf zwei Detektoren (D₁, Z)₂) durch elliptische Spiegel (N) abgebildet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen