DE1900952A1 - Monochromator - Google Patents

Description

Si|i].-l2«. S. W^itihßöSen München, den ?. Januar 1969

P 274 - Dr.Hk/D.

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Pye Limited, Cambridge, Großbritannien

Konochromator

Die Erfindung betrifft einen Monochromator, d.h. ein Gerät zur Erzeugung von Licht einer einzigen Wellenlänge bzw. in Wirklichkeit eines sehr schmalen Wellenlängenbandes. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Monochromator, der einen sphärischen Spiegel aufweist, welcher das Licht von einem gekrümmten Eintrittsspalt auf ein drehbar angeordnetes ebenes Beugungsgitter reflektiert, während das Licht von dem Gitter-zu einem Austrittsspalt reflektiert wird. Solche Monochromatoren sind als Czerny-Turner-Monochromatoren bekannt. Im allgemeinen werden zwei axial versetzte sphärische Spiegel verwendet, von denen der eine das Licht vom Eintrittsspalt ζu:n Gitter und der andere vom Gitter zum Austrittsspalt reflektiert. Ein opezialfall, der in der Spectrophotometrye zunehmend verwendet wird, ist der Ebert-Monochromator, der VOL Fastie 1952 auf Grund eines ursprünglich von Ebert 1889

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sind.

beschriebenen Spectographen vorgeschlagen wurde. Bei diesem haben die beiden sphärischen Spiegel den gleichen Krümmungsradius und sind mit gemeinsamem Krümmungsmittelpunkt montiert, so daß sie von einem einzigen syrischen Spiegel mit genügender Apertur gebildet werden können. Das nachstehende Ausführung sbeispiel der Erfindung bezieht sich auf einen Ebert-Monochromator, jedoch ist die Erfindung auf alle Czerny-Turner-Monochromatoren anwendbar.

Im Ebert-Monochromator befinden sich der Eintrittsspalt und der Austrittsspalt in einem undurchsichtigen Schirm, der in einer Ebene durch oder parallel zu der Drehachse des Gitters liegt, und sind im allgemeinen stark gekrümmt» Die Wellenlänge des durch den Austrittsspalt austretenden monochromatischen Lichtes hängt von dem Winkel ab, unter dem das einfallende Licht das drehbare Gitter trifft» Fastie hat gezeigt, daß dann, wenn die beiden Spalte konzentrisch sind und auf dem gleichen Kreis,liegen, die Einflüsse des Astigmatismus und anderer Abbildungsfehler im Monochromator stark verringert

Die Verwendung gekrümmter Spalte in Monochromatoren ist allgemein üblich, aber im Czerny-Turner-Monochromator und insbesondere im Ebert-Monochromator ist die Spaltkrümmung erheblich stärker als beispielsweise in iem bekannten Littrow-Monochromator, So ist beispielsweise bei vergleich-

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baren Monochromatoren mit gleicher Brennweite der Krümmungsradius der Spalte eines Ebert-Monochromators 7,5 cm und der Krümmungsradius der Spalte eines entsprechenden Littrow-Monochromators 50 cm.

Die Beleuchtung des Eintrittsspaltes eines Littrow-Monochromators mit einer langgestreckten Lichtquelle ( z. B, einer Glühlampe mit geradem Glühfaden) ist annehmbar, da ein kurzer gekrümmter Spalt nahezu als Gerade angesehen werden kann, aber dies gilt nicht für den Eintrittsspalt eines Ebert-Monochromators mit vergleichbarer Länge, der deshalb im allgemeinen durch gleichmäßige Beleuchtung der ganzen Fläche, in der sich der Spalt befindet, ausgeleuchtet wird. Dieses Verfahren ist unwirtschaftlich und erfordert eine weit stärkere Lichtquelle als eigentlich nötig, weil nur ein kleiner Teil des erzeugten Lichtes tatsächlich durch den Spalt in den Monochromator eintritt. Eine geringere Spaltkrümmung verringert die verlorengehende Lichtmenge, verkleinert aber die gerade dem Ebert-Monochromator zukommenden Vorteile.

Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, bei einem Monochromator mit mindestens einem sphärischen Spiegel, einem ebenen Beugungsgitter und Eintritts- und Austrittsspalten für nicht-monochromatisches (z. B. weißes) bzw. monochromatisches Licht, bei den mindestens der Eintrittsspalt gekrümmt ist,

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Vorkehrung en zur besseren Konzentration des nicht-monochromati.sclaen Lichtes auf den Eintrittsspalt zu treffen.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein optisches System erreicht, das auf" dem gekrümmten Eintrittsspalt ein im wesentlichen nahezu kongruentes Bild einer langgestreckten geradlinigen Lichtquelle entwirft.

Durch die Zwischenschaltung dieses optischen Systems läßt sich beispielsweise eine Lampe mit schmalem geradem Glühfaden genau auf den Eintrittsspalt abbilden, so" daß nicht ein ungefähr rechteckiger Bereich um den Spalt herum beleuchtet werden muß.

Die Erfindung ist wie gesagt besonders anwendbar auf einen Ebert-Monochromator, der einen einzigen sphärischen Spiegel und Ein- und Austrittsspalte mit starker Krümmung besitzt.

Es lassen sich verschiedene optische Systeme denken, die ein gekrümmtes Bild einer geradlinigen Lichtquelle erzeugen« Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das optische System aus einem Objektiv, z. B, einer konvexen Linse, zur Erzeugung eines reellen Bildes der Lichtquelle und einem konkaven Zylinderspiegel, vorzugsweise einem

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oüO.L rl'ächl ich aluminisLerten Spiegel, der sduäg zu dem einfallenden konvergenten Lichtbündel angeordnet ist. Der Spiegel ist so angeordnet, daß das von ihm erzeugte gekrümmte 'HId des konvergenten Lichtbündels auf den Eintrittsspalt .IeL Iloi'iochromators entworfen wird. Vorzugsweise befindet .;ich der Spiegel in unmittelbarer Nachbarschaft des Eintrittsspaltes. Der Krümmungsmittelpunkt des Zylinderspiegels liegt ■rory, u/sweise in der Ebene, die durch den Mittelradius des Eintrittsspaltes und die Senkrechte auf die Spaltebene im Krümmungsmittelpunkt des Spaltes aufgespannt wird.

Der Spiegel kann gewisse Abbildungsfehler des gekrümmten Lampenbildes hervorrufen, aber diese Abbildungsfehler können klein gehalten werden, wenn der Einfallswinkel des Lichtbündels auf die Spiegeloberfläche bis zu einer Grenze verringert wird, die durch Ueberlegungen hinsichtlich der Spiegelgröße und der Konvergenz des einfallenden Lichtbündels gegeben ist. Die vom Spiegel herrührenden Abbildungsfehler können aber auch in dem Abbildungssystem für die Lichtquelle kompensiert werden«

Sin ähnliches optisches System wie am Eintrittsspalt kann auch am Austrittsspalt -vorgesehen werden, um das dort auftretende gekrümmte EiId bei Bedarf in ein geradliniges Bild des Spaltes zu verwandeln.

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2in Ausfühxungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind:

Fig. 1 ein Schnitt durch einen Ebert-Monochrcmiator senkrecht zu der in der Ebene des Beugungsgitters liegenden Drehachse desselben;

Fig. 2 eine Stirnansicht in Richtung des Pfeiles A in | Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Zylinderspiegel;

Fig. 4 ein^Grundriß der Anordnung nach Fig. 3;

Fig. 5 ein Schnitt durch den in Fig. 4 erkennbaren Zylinderspiegel;

™ Fig„ β die Draufsicht des Eintrittsspaltes eines Ebert- , Monochromators in der Spaltebene;

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Berechnungsmethod-e der Spiegelabmessungen;

Fig.. 8 eine weitere Darstellung des Eintrittsspal'ces mit mathematischen

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Fig. 9 ein Schnitt eines Zylinderspiegels mit mathematischen Bezeichnungen
und

Fig«, 10 eine perspektivische Darstellung des Zylinderspiegels,

Fig. 1 und 2 zeigen einen Ebert-Konochromator bekannter Art. Er besteht hauptsächlich aus einem sphärischen Spiegel 10 und einem ebenen Beugungsgitter 11, das um eine zur Papierebene senkrechte Achse drehbar ist, wobei vorausgesetzt ist, daß die Papierebene durch den Krümmungsmittelpunkt des Spiegels geht. Der Eintrittsspalt 12 und der Austrittsspalt 13 des Honochromators,' die in einem undurchsichtigen.Schirm 14 ausgebildet sind, sind gemäß Fig. 2 gekrümmt. Der Schirm 14 liegt in einer Ebene durch die oder parallel zu der Drehachse des Gitters. Die Wellenlänge des durch den Austrittsspalt 13 austretenden monochromatischen Lichtes hängt von dem Winkel ab, unter welchem das einfallende Licht auf das drehbare Gitter einfällt. Wenn die beiden Spalte konzentrisch sind und sich auf dem gleichen Kreis befinden, so sind, wie erwähnt, die Einflüsse des Astigmatismus und anderer Bildfehler in dem Monochromator stark verringert. Der Eintrittsspalt und der Austrittsspalt befinden sich also beim Ebert-Monochromator in der mit XX bezeichneten Ebene in Fig. 1.

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: Erfindungsgemäß ist ein optisches System vorgesehen, das : ein Bild einer geradlinigen Lichtquelle auf dem gekrümmten Eintrittsspalt entwirft. Ein solches System ist schemati'sch in Fig. 3 dargestellt« Hier geht von der Lichtquelle ein konvergierendes einfallendes Lichtbündel 24 aus, das einen rechteckigen Querschnitt 22 hat« Dieses Lichtbündel fällt auf einen schräg angeordneten konkaven Zylinderspiegel 23 mit Oberflächen-Aluminisierung. Der Spiegel 23 erzeugt aus P dem Lichtbündel 22 mit rechteckigem Querschnitt ein reflektiertes gekrümmtes Lichtbündel 21» Der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 23 liegt hierbei in einer Ebene, die durch den mittleren Radius des Spaltes 12 und die Senkrechte auf die Spaltebene XX im Krümmungsmittelpunkt des Spaltes aufgespannt wird. Wäre der Spiegel nicht vorhanden, so würde das Lichtbündel 24 ein geradliniges Bild 25 in der Bildebene des zur Abbildung der Lichtquelle dienenden Abbildung ssystems erzeugen. Durch den Spiegel 23 wird die ^ BildäEne nach 26 abgelenkt und zu einer gekrümmten Linie . verformt, da die Randstrahlen des Lichtb/ündels an Punkten <3er Spiegelfläche reflektiert werden, die näher als der Mittelstrahl an der Lichtquelle sind,

'■ ". Diese Verhältnisse sind in Pig, 4 - β nochmals in verschiedenen Rissen dargestellt» Fig*4 ist im wesentlichen ein

. Horizontalschnitt l&ngß 4er Hittellinie des Spiegeis durch

";'■-"-. ' —9—

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seine Achse. Die Spur der Spiegelfläche ist mit 30 bezeichnet, während die untere Begrenzung des Spiegels durch die gestrichelte Linie 31 bezeichnet ist. Die Spur des Eintrittsspaltes 12 ist mit 32 bezeichnet, während das Ende des Spaltes in Höhe des untersten Randes des Spiegels durch die gestrichelte Linie 33 bezeichnet ist. Die Fadenlampe 34 erzeugt mittels eines konvergierenden Objektivs 3 5 einen Lichtstrahl 36, der am Spiegel 23 so reflektiert wird, daß er durch den Spalt hindurchgeht. Der Mittelstrahl wird von der Spiegelmitte durch die Spaltmitte 32 reflektiert, während die Sandstrahlen von den Spiegelrändern 31 durch die Spaltränder reflektiert werden. Zwischen diesen Extremen verlaufende Strahlen treffen die Spiegelfläche an Zwischenpunkten. Der Spalt befindet sich in der Bildebene 26 (Fig. 3), so daß ein gekrümmtes Bild der geradlinigen Lichtquelle 34 auf den Spalt entworfen wird.

Fig. 7 erläutert die angewandte Methode zur Berechnung der erforderlichen Spiegelabmessungen, Die Mittellinie des Zylinderspiegels 23 ist mit 40 und die Randlinie mit 41 bezeichnet, Mitte und Ränder des Spaltes sind mit 42 und 43 bezeichnet. Ein Strahl 44 bezeichnet die Mittelebene eines konvergierenden Lichtbündels, das einen Winkel 2 O mit der Normale auf die Spiegelebene bildet. Die Längsachse 40 des Spiegels 23 bildet einen Winkel O mit der Normale auf die

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Spaltebene. Der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels befindet sich in der Ebene, die durch den mittleren- Radius des Spaltes und die Normale auf die Spaltebene im Krümmungsmittelpunkt des Spaltes aufgespannt wird. Infolgedessen geht das Licht nach der Reflection senkrecht zur Spaltebene durch den Spalt.

Fig. 8 zeigt die Abmessungen des Spaltes 12 und Fig. 9 und 10 zeigen die Abmesssungen des Spiegels 23, die in die nachfolgenden Rechnungen eingehen. Für den Spalt bedeutet dx den Abstand des Spaltmittelpunktes von der Sehne, welche die Spaltenden verbindet, und R den Krümmungsradius. Für den Spiegel bedeutet R den Krümmungsradius des Zylinders, dy den Abstand zwischen dem Spiegelmittelpunkt und der Sehne, welche die Spiegelränder verbindet, und ¥0 die Länge des Spiegels. In Fig. 7 ist der Deutlichkeit halber der Spiegel 23 langer dargestellt, als es unbedingt notwendig wäre. Die Größe ¥0 gibt die erforderliche Mindestlänge an.

Zur Berechnung des Spiegels dienen folgende Formeln:

dy = dx (1)

2 cos O

^{2 R}s ^COS °

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Π ff # t r'

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Wo «s dx f\ + sin d _r\

ί 2 Sin O tan 2 O. Sin (O-ö)J

Hierbei ist β der halbe Oeffnungswinkel des Lichtbündels, Ferner ist die Differenz der Brennweite zwischen der Spiegel mitte und dem Spiegelrand durch folgende Formel gegeben!

dx /1 - cos 2Q
^ Sin 20

Beispielsweise habe . der Eintrittsspalt 12 eines Ebert— Monochromators einen Krümmungsradius von 66 mm und eine Pfeilhöhe dx von 5 mm und es sollen die Abmessungen des Zylinderspiegeis 23 berechnet werden, die erforderlich sind, um von einem konvergierenden Bündel mit einem halben Oeffnungswinkel von 6° ein gekrümmtes Bild auf dem Spalt zu entwerfen, wenn ohne Verwendung des Spiegels ein geradliniges Bild der Lichtquelle in der Spaltebene so lang wie die Spaltsehne wäre, nämlich 50 mm.

Der Winkel O, unter dem der Spiegel 23 hinsichtlich der Spaltebene XX ageordnet ist, muß ein Kompromiß zwischen der zulässigen Brennweitendifferenz *4f und der noch unterzubringenden Spiegellänge Wo sein_f wobei die Brennweiten- <3i£fe*«ne mit O zunimmt und die Spiegellänge abnimmt. Für die Rechnung muß jedoch ein Anfangswert von Q gewählt werden und praktische üeberlegungen zeigen, daß 20° für diesen

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- 12 Zweck befriedigend sind.

Setzt man diese Ausgangswerte in die obigen Formeln ein, so erhält man folgende Spiegelabmessungen:

Zylindertiefe dy = 2,8 mm
Zylinderradius R * 124 mm
Zylinderlänge Wo = 8,6 mm

Ferner ergibt sich für die Brennveitendifferenz der Wert & £ = 1,8 mm ·

Hierbei ist vorausgesetzt, daß der Spiegel so geschnitten und montiert ist, daß er unmittelbar an die Spaltebene anschließt und daß es möglich ist, den Spiegel so genau mit dem einfallenden Lichtbündel auszurichten, daß eine Kaustik ver-* mieden wird. Aus praktischen Gründen wird man deshalb die Spiegellänge und die Spiegeltiefe um z, B. 10 % vergrößern.

Wird die Brennweitendifferenz bzw· Bildweitendifferenz als zu groß angesehen, so kann der Spiegel unter Annahme suk~ zessiver Werte von Q neu berechnet werden, bis das Optimum errgieht ist. Pie oben errechnete Differenz von 1,8 mm kann über die Spaltlänge kompensiert werden, indem das optische Abbildungssystem in bekannter Weise absichtlieh eine BiId-

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feldwölbung erhält. Der erforderliche Wölbungsradius wäre im vorliegenden Falle etwa 178 mm.

Das Beugungsgitter eines Ebert-Monochromators wird am besten mit Licht von allen Teilen des Eintrittsspaltes beleuchtet, wenn die Mitte des von jedem Teil des Spaltes ausgehenden Lichtbündels senkrecht oder nahezu senkrecht zu der Spätebene verläuft. Bei den üblichen Ebert-Monochromatoren kann aus diesem Grunde eine Feldlinse, d, h. eine konvexe Linse, mit passender Brennweite unmittelbar vor dem Eintrittsspalt angebracht werden. In dem oben beschriebenen Monochromator kann der zylindrische Spiegel 23 statt der Feldlinse verwendet werden. Da die Spiegelkrümmung durch die obigen Ueberlegungen bestimmt ist, muß das Abbildungssystem so gewählt werden, daß es eine passende konjugierte Bilddistanz de hat. Diese konjugierte Bilddistanz ist der Abstand von der dem Spalt in der Spiegelmitte am nächsten kommenden Spiegelkante zu dem Schnittpunkt zweier Linien, von denen die erste im Abstand des halben Krümmungsradius von der Spiegelmitte und parallel zu dieser in der Ebene der Krümmungsachse und der Spiegelmitte verläuft, während die zweite Linie zwischen der erwähnten der Spaltmitte benachbarten Spiegelkante und der Mitte der Apertur des Abbildungssystems verläuft. Es kann gezeigt werden, daß diese konjugierte ßilddistanz de den

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Wert Rm haben sollte. Bei dem obigen Beispiel, wo

2 sin O
Em = 124 mm und O = 20 war, ergibt sich de = 181 mm. Die Lage des Objektivs 35 in Fig. 4 wird deshalb vorzugsweise auf diese Weise bestimmt.

Statt eines konkaven Zylinderspiegels können auch andere Mittel zur Bildkrümmung verwendet werden, beispielsweise andere Hohlspiegel, Konvexspiegel, konkave oder konvexe Linsen, die jeweils schräg zu der Spaltebene des Monochromator s angeordnet sein müssen.

Ein gleichartiges optisches System kann verwendet werden, um ein geradliniges Bild des gekrümmten Austrittsspaltes des Monochromators zu entwerfen.

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Claims (8)

«■ MOnohOtnga München, den γ. Januar 1969 ■« ... P 274 - Dr. Hk/D, 4 »* Pye Limited, Cambridge, Großbritannien Ansprüche

1. Monochromator mit mindestens einem sphärischen Spiegel, einem ebenen Beugungsgitter und Eintritts- und Austrittsspalten für. das nicht-monochromatische bzw. das monochromatische Licht, wobei mindestens der Eintrittsspalt gekrümmt ist, gekennzeichnet durch ein optisches System (23, 35), das auf dem gekrümmten Eintrittsspalt (12) ein im wesentlichen diesem kongruentes Bild einer langgestreckten geradlinigen Lichtquelle (34) entwirft.

2» Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reflexion des Lichtes vom Sintrittsspalt (12) auf das Gitter (11) und von diesem auf den Austrittsspalt (13) ein einziger sphärischer Spiegel (lO) vorgesehen ist.

3. Monochromator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (34) eine Glühlampe mit geradem Glühfaden ist,

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ylfc

4, Monochromator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein Abbildungsobjektiv (35) für die Lichtquelle und einen konkaven Zylinderspiegel (23) umfaßt, wobei letzterer unter einem solchen Winkel gegen das einfallende konvergierende Lichtbündel (24) vor dem Bildort (25) angeordnet ist, daß das von ihm entworfene gekrümmte Bild (26) der Lichtquelle auf den Eintrittsspalt (12) des Monochromators fällt.

5, Monochromator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungsobjektiv für die Lichtquelle eine Konvexlinse enthält.

6, Monochromator nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel(23) sich unmittelbar vor dem Eintrittsspalt (12) befindet.

7, Monochromator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadtueh gekennzeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt des Zylinderspiegels (23) in einer Ebene liegt, die vom mittleren Radius des Eintrittsspaltes und der Senkrechten auf die Spaltebene im Krümmungsmittelpunkt des Spaltes aufgespannt wird.

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8. Monochromator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein optisches System, welches das gekrümmte Bild des Austrittsspaltes (13) in ein geradliniges Bild verwandelt.

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