DE1900952C3 - Monochromator - Google Patents

Description

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 Eintritlsspalt zum Gitter und der andere vom Gitter zum Austrittsspalt reflektiert. Ein Spezialfall, der in der Spectrophotomelrie zunehmend verwendet wird, ist der Ebert-Monochromator, der von Fasti'e 1952 auf Grund eines ursprünglich von Ebert 1889 beschriebenen Spektographen vorgeschlagen wurde. Bei diesem haben die beiden sphärischen Spiegel den gleichen Krümmungsradius und sind mit gemeinsamem Krümmungsmittelpunkt montiert, so daß sie von einem einzigen sphärischen Spiegel mit genügender Apertur gebildet werden können. Das nachstehende Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf einen Ebert-Monochromator, jedoch ist die Erfindung auf alle Czerny-Turner-Monochromatoren anwendbar.

Im Hbert-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 du.-ch 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 iuf dem gleichen Kreis liegen, die Einflüsse des Astigmatismus und anderer Abbildungsfehler im Monochromator stark verringert sind.

Die Verwendung gekrümmter Spalte in Monochromatoren ist allgemein üblich, aber im Czerny-Turner-Monochromator und insbesondere im Ebert-Monochrornator ist die Spaltkrümmung erheblich stärker als beispielsweise in dem bekannten Littrow-Monochmmator. So ist beispielsweise bei vergleichbaren 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 Licht-

■?o quelle (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 west stärkere Lichtquelle ais eigentlich nötig, weil nur ein kleiner Teil des erzeugten Lichtes tatsächlich durch den Spalt in den Monochromator eintritt. line 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 gekrümmten Spiegel, einen ebenen Beugungsgitters und Eintritts- und Austrittsspalten für nicht-monochromatisches (z. B. weißes) bzw. monochromatisches Ucht, bei dem mindestens der Eintrittsspalt gekrümmt ist, Vorkehrungen zur besseren Konzentration des nicht-monochromatischen Lichtes auf den Eintrittsspalt zu treffen.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein optisches System erreicht, das auf dem gekrümmten Eintrittsspalt ein im wesentlichen diesem kongruentes Bild einer langgestreckten, geradlinigen Lichtquelle entwirft, und das aus einem Abbildungsobjektiv und einem konkaven Zylinderspiegel besteht, der unter einem solchen Winkel gegen das vom Abbildungsobjektiv einfallende konvergierende Lichtbündel angeordnet ist, daß das von ihm entworfene gekrümmte Bild der Lichtquelle auf den Eintrittsspalt des Monochromators fällt.

t>5 Durch die Zwischenschaltung dieses optischen Systems läßt sich beispielsweise eine Lampe mit schmalem geradem Glühfaden genau auf den Eintrittsspalt abbilden, so daß nicht ein größerer, unge-

fähr rechteckiger Bereich um den Spult herum beleuchtet werden muß. Der Zylinderspiegel ist einfach und billig, denn er besitzt eine einzige optisch bearbeitete Oberfläche.

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 Überlegungen hinsichtlich der Spiegelgröße und der Konvergenz des einfallenden Lichtbündels gegeben ist. Die vom Spiegel herrührenden Abbildungsfehler können aber auch mittels des Abbildungsobjektes kompensiert werden. Dieses enthält vorzugsweise eine Konvexlr >e.

Der Zylinderspiegel, vorzugsweise ein oberflächlich aluminisierter Spiegel, befindet sich am besten in unmittelbarer Nachbarschaft des Eintrittsspaltes. Die KrüminungsHnie des Zylinderspiegeis liegt vorzugsweise in einer Ebene, die vom mittleren Radius des ao Eintrittsspaltes und der Senkrechten auf die Spaltebene im Krümmungsmittelpunkt des Spaltes aufgespannt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin as sind

Fig. 1 ein Schnitt durch einen Ebert-Monochromator 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 eriindungsgemäßen Anordnung mit einem Zylinderspiegel,

Fi g. 4 ein Grundriß der Anordnung nach Fig. 3,

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

Fig. 6 die Draufsicht des Eintrittsspaltes eines Ebert-Monochromators in der Spaitebene.

Fig. 1 und 2 zeigen einen Ebert-Monochromator 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 10 geht. Der Eintrittsspalt 12 und der Austrittsspalt 13 des Monochromators, die in einem undurchsichtiges: 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 F i g. 1.

Erfindungsgemäß ist ein optisches System vorgesehen, das ein Bild einer geradlinigen Lichtquelle au: dem gekrümmten Eintrittsspait entwirft. Ein solches System ist schematisch in F i g. 3 dargestellt. Hingeht von der Lichtquelle ein konvergierendes Lichtbündel 24 aus, das einen rechteckigen Querschnitt 2: hat. Dieses Lichtbündel fällt auf einen schräg ange ordneten konkaven Zylinderspiegel 23 mit Oh. r fiächen-Aluminisierung. Der Spiegel 23 erzeugt au: dem Lichtbündel 22 mit rechteckigem Querschnii: ein reflektiertes "ekrümmtes Lichlbündel 21. Di..-Krümmungslinie des Spiegel 23 liegt hierbei in eine Ebene, die durch den mittleren Radius des Spalte 12 und die Senkrechte auf die Spaitebene XX in Krümmungsmittelpunkt des Spaltes aufgespannt wird Wäre der Spiegel nicht vorhanden, so würde da Lichtbündel 24 "ein geradliniges Bild 25 in der Bilci ebene des zur Abbildung der Lichtquelle dienendet: Abbildungssysiems erzeugen. Durch den Spiegel TA wird die Bildebene nach ?6 abgelenkt und zu dnc. gekrümmten Linie verform'., da die Randstrahlen de·. Lichtbündels an Punkten der Spiegelfläche reflektier; werden, die näher als der Mittelstrahl an der Lieh; quelle sind

Diese Verhältnisse sind in Fig. 4 bis 6 nochmals in verschiedenen Ansichten dargestellt. Fig. 4 ist irr. wesentlichen ein Horizontalschnitt längs der Mittellinie des Spiegels durch seine Achse. Die Spiegelfläche ist mit 30 bezeichnet, während die untere Begrenzung des Spiegels durch die gestrichelte Linie 31 bezeichnet ist. Die Mitte 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 (vgl. F i g. 6). Die Fadenlampe 34 erzeugt mittels eines sammelnden Objektivs 35 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 Randstrahlen von den Spiegelrändern 31 durch die Spaltränder 33 reflektiert werden. Zwischen diesen Extremen verlaufende Strahlen treffen die Spiegelfläche an Zwischenpunkten. Der Spalt befindet sich in .1er Bildebene 26 (F i g. 3), so daß ein gekrümmtes Bild der geradlinigen Lichtquelle 34 auf den Spalt entworfen wird.

Das Beugungsgitter eines Ebert-Monochromators wird am besten mit Licht von allen Teilen des Eintrittsspaltus beleuchtet, wenn die Mitte des von jedem Teil des Spaltes ausgehenden Lichtbünde's senkrecht oder nahezu senkrecht zu der Spaltebene verläuft. Bei den üblichen Ebert-Monochromatoren wird 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 Krümmung des Spalts bestimmt ist, muß das Abbildungssystem 35 so gewählt werden, daß eine passende konjugierte Bilddistanz resultiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Monochromator mit mindestens einem gekrümmten Spiegel, einem ebenen Beugungsgitter und Eintritts- und Austrittsspalten für das nichtmonochromatische 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, bestehend aus einem Abbildungsobjekttv (35) und einem konkaven Zylinderspiegel (23), der unter einem solchen Winkel gegen das vom Abbildungsobjektiv (35) einfallende konvergierende Lichtbündel (24) angeordnet ist, daß das von ihm entworfene gekrümmte Bild (26) der Lichtquelle auf den L^;mtrittsspalt (12) des Monochromator fällt.

2. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungsobjekt (35) für die Lichtquelle (34) aus einer Konvexünse besteht.

3. Monochromator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (23) sich unmittelbar vor dem Eintrittfspalt (12) befindet.

4. Monrchromator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsmittellinie des Zylinderspiegels (23) in einer Ebene liegt, die von mittleren Radius des Eintrittsspaltes (12) und aer Senkrechten auf die Spaltebene (14) im Kxümmungsniittelpunkt des Spaltes (12) aufgespannt wird.