DE1949040C - Optisches Zonenelement fur Spektro meter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Zonenelement, das als Einlaß- und Auslaßöffnung für ein Spektrometer verwendbar ist und dessen Oberfläche in zwei Mehrfachanordnungen von Zonen unterschiedlicher optischer Beschaffenheit (Transparenz, Opazität, Reflexion) für die einfallende Strahlung unterteilt ist, wobei die Begrenzungslinien der Zonen ein in wenigstens einer Richtung wiederholungsfreies Muster bilden und wobei die Flächensummen der beiden Mehrfachanordnungen gleich bemessen sind.

Es sind bereits optische Zonenelemente für Spektrometer bekannt, deren wirksame Oberfläche zwei Mehrfachanordnungen von Zonen unterschiedlicher optischer Beschaffenheit in vorgenanntem Sinn aufweist, Das durch die Begrenzungen dieser Zonen gebildete Muster ist dabei in Dispersionsrichtung des Spektrums wiederholungsfrei ausgebildet. Wenn also zwei übereinstimmende optische Elemente dieser Art übereinandergelegt werden, so besteht außer in derjenigen Relativstellung, bei welcher sämtliche Zonenbegrenzungslinien des einen Elementes mit demjenigen des anderen Elementes zusammenfallen, keine andere Relativstellung mehr, in der eine Mehrzahl von Zonenbegrenzungsli.iien zusammenfallen.

Wenn nun ein mit zwei derartigen Zonenelementen in der Eingangspupille und in der Ausgangspupille versehenes Spektrometer mit einer monochromatischen Strahlvng beaufschlagt wird und wenn ferner das Dispersionssystem dieses Gerätes auf eine der Strahlungswellenlänge entsprechende Stellung eingestellt ist, so überlagern sich die Abbildungen der Zonenbegrenzungslinien des tiingangselementes mit denjenigen des Ausgangselementes, während das durch die Zonenbegrenzungslinien des Eingangselementes gebildete Muster für eine abweichende Wellenlänge in Dispersionsrichtung verschoben ist. so daß eine vollständig zusammenfallende Abbildung der Zonen des Eingangselements auf die Zonen des Ausgangselementes nicht mehr gegeben ist.

Bei einigen bekannten Spektrometern sind Einrichtungen für eine optische Modulation bzw. Kommutation vorgesehen, wodurch abwechselnd ein Eingangselement oder ein Ausgangselement durch sein komplementäres Element ersetzt wird, d. h. durch ein bis auf die optische Beschaffenheit der Zonen identisches Element, wobei die optische Beschaffenheit der Zonen jeweils umgekehrt ist.

Bei einer anderen bekannten Art von Spektrometern ist ein rechtwinklig zur Dispersionsrichtung des Spektrums wirkender Vibrationsantrieb vorgesehen, mittels dessen das Eingangselement bezüglich des Ausgangselementes in periodische Bewegung versetzt wird. Weiterhin ist es bereits bekannt, das Eingangselement in bezug auf das Ausgangselement in Umdrehung zu versetzen, wofür ein einfacher Drehantrieb des Eingangselementes oder des Ausfangselementes verwendet werden kann. Bei allen diesen Spektrometern wird die Ausgangsstrahlung von einem entsprechenden Strahlungsempfänger mit nachgeschaltetem, auf die Modulationsfrequenz der Vibration oder Rotation abgestimmten Wechselspannungsverstärker aufgefangen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines optischen Zonenelementes zur Verwendung für spektrographische Zwecke, welches insbesondere bei dem dritten der genannten Gerätetypen, d. h. bei solchen Geräten, bei denen sich das Eingangselement bezüglich des Ausgangselementes dreht, eingesetzt werden kann und eine einfachere und empfindlichere Messung wie bisher zuläßt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Umfang des Elementes und die Begrenzungslinien der Zonen eine Rotationssymmetrie der Ordnung 2 N (N ganzzahlig) bilden und daß die maximale Anzahl der voneinander unabhängigen, ΐτν Symmetrie, Zentrum zusammenlaufenden Bahnen, die beim Durchlaufen der Begrenzungslinien gezogen werden

ίο können, ein ungeradzahliges Vielfaches von 2N ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Zonenelementes ergeben sich erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der praktischen Handhabung der damit ausgerüsteten Spektrometer und hinsichtlich

der dabei erzielten Ergebnisse. Insbesondere hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß ein Signal erzeugt werden kann, das der Strahlung entspricht, deren Wellenlänge gleich der Einstellwellenlänge des Dispersionssystems ist. Wenn das erfindungsgemäße Zonen-

ao element bei Spektrometer des dritten Typs verwendet wird, ist weiterhin vorteilhaft, daß einwandfreie Meßwerte geliefert werden, ohne daß eine genaue Winkeleinstellung des feststehenden Fensters erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Zonenelement eignet sich

as auch in vorteilhafter Weise zum Einbau in Spektrometer des obenerwähnten ersten und zweiten Typs. Dabei ist vorteilhaft, daß eine genaue Winkeleinstellung der Zoneneiemente bezüglich der Disrersionsrichtung nicht notwendig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen. Hierin zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Spektrometerelementes, während

Fig. 2 bis 11 verschiedene geometrische Gestaltungsmöglichkeiten der Ofe-'i fläche des erfindungsgemäßen optischen Elementes wiedergeben und

Fig. 12 das prinzipielle Schaltungs- bzw. Wirkungsschema eines spektrometrischen Gerätes.

An Hand von F i g. 1 werden Aufbau und Herstellung eines erfindungsgemäßen Spektrometerelementes erläutert. Danach gliedert sich die Umfangslinie 10 des Elementes in geradlinige Abschnitte 11, 12 und Kurvenabschnitte 13, die in geradzahliger Symmetrie (2, 4, 6 usw.) im kristallographischen Sinne angeordnet sind. Der Abschnitt 1I₂ entsteht aus dem Abschnitt H₁ durch eine Drehung um einen Winkel von nJN im Bogenmaß um das Zentrum S, wobei N eine ganze Zahl ist. Entsprechend gehen die Abschnitte

so 12₂ und 13, aus den Abschnitten 12, und 13. durch

die gleiche Drehung hervor, wobei das Ende I4j des

Abschnittes 12, mit dem Anfang 15, des Abschnittes 11, zusammenfällt.

Es wird nun eine Anordnung E, von in ihrer An-

zahl ungeraden Bahnen bzw. Linien e_v e(, C₁" aufgezeichnet, die von irgendwelchen Umfangspunkten ausgehend im Zentrum S zusammenlaufen. Diese Linien sind voneinander unabhängig, und zwar in dem Sinne, daß keinerlei gemeinsame Linien-

abschnitte, Schnittpunkte oder Berührungspunkte bestehen und keine der Linien durch Drehung um das Zentrum 5 in eine andere dieser Linien überführt werden kann. Wie die Anordnung E_x wird graphisch im Abstand einer Winkelperiode n/N wiederholt, so daß die Vereinigung der Anordnungen E eine Rotationssymmetrie der Ordnung 2 N ergibt. Innerhalb der dargestellten Anordnung E_t ergibt sich die Linie e₂ z, B. aus der Linie e, durch eine Drehung um den

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genannten Winkel, Gleiches gilt für die Linien e_s' und sich für monochromatische Einstrahlung mit einer

e," bezüglich der Linien e,' und e", der Einstellung des Dispersionssystems entsprecnen-

' Sodann wird gegebenenfalls eine erste bogenför- den Wellenlänge am Ausgang des photoelektnschen

mige Linie Z₁ aufgetragen, die nur zwischen zwei Wandlers ein Signal, wie es rechts unten zu Mg.^

Punkten der Umfangslinie 10 verläuft und das Zen- 5 schematisch angedeutet ist,

trum S nicht berührt. Danach wird eine bogenförmige Bei der Ausführung nach F i g. 3 ist daa Zonen-Linie Z, aufgetragen, die aus der Linie Z₁ wiederum element wiederum durch eine kreisförmige Umfangsdurch iine Drehung um den Winke* n/N hervorgeht. linie 20 begrenzt und durch Radiallinien e_v e_x und Entsprechend können weitere bogenförmige Linien e" in Quadranten aufgeteilt. Die Quadrantfelder Z₁', Z₁" usw. aufgetragen werden, die in Fig. 1 nicht xo sind durch zueinander parallele und zu den jeweils anaedeutet sind und mit der UnIeZ₁ eine in bezug benachbarten Radiallinien gleichwinklig angeordnete auf Drehung wiederholungsfreie Anordnung F₁ bil- Sehnen f_vf_i,f₃ usw. in entsprechende Zonen unterden. Aus dieser Anordnung ergeben sich durch auf- schiedlicher optischer Beschaffenheit unterteilt. Die einanderfolgende Drehung um den Winkel π/Ν wei- Abstände der Sehnen und damit die Zonenbreiten tere Anordnungen F, (mit den Linien Z.,), F, usw. bis 15 sind entsprechend wie bei der Ausführung nacn y._{v t}. " " Fig. 2 bemessen. Die so gebildeten vierLimenanord-

Die durch die Zwischenräume der Linien gebilde- nungen weisen somit außer den jeweils zwei Punkte -ei Zonen erhalten nun eine unterschiedliche op- der Umfangslinie 20 berührenden Sehnen in jedem p-jhe Leitfähigkeit bzw. Lichtdurchlässigkeit, und Quadranten eine von dnem Umfangspunkt aus- j- ar in der Weise, daß die Zonen zu beiden Seiten ao gehende und zum Zentrum S führende, geschlossene - ,er Linie jeweils eine unterschiedliche optische Be- Bahn auf, z. B. die in Fig. 3 im Quadranten linKs γ -laffenheit aufweisen. Gegebenenfalls können noch oben angedeutete Bahn E₁ auf, wob^i die vier Linien- : sich geschlossene g_v g,' usw. unter Bildung einer muster bzw. Bahnen durch Drehung um π/2 auteini menanordnung G₁ sowie weitere entsprechende anderfolgend ineinander überfuhrt werden können. K.rven g.„ g,' usw. unter Bildung einer zweiten a₅ Die Wirkungsweise eines solchen mit Ottnungen I aienano'rdnung G., aufgetragen werden, wobei die gemäß Fig. 3 ausgerüsteten Spektrometers ist ann- :- ztgenannte Anordnung aus der crsteren wiederum Hch derjenigen gemäß Fig. 2, wobei jedoch die im- :rch eine Drehung um den Winkel π/Ν hervorgeht. pulsspitzen des Ausgangssignals mit einer bezogen ι ,; erwähnte unterschiedliche optische Beschaffen- auf Fig. 2 vierfachen Frequenz auftreten. In Bezug Mt ist dann auch für die Zonen innerhalb der 30 auf die Dispersionsrichtung des Spektrums Kann^ aas 1 nienanordnungen G herzustellen. Das durch die feststehende Zonenelement auf unterschiedliche / menbegrenzungslinien der Anordnungen E, F Orientierungen eingestellt werden, die insgesamt aus und G gebildete Muster ist hierbei in bezug auf Ver- den zu Fig. 3 rechts unten angedeuteten veKtors' hiebung in wenigstens einer Richtung wieder- diagramm hervorgehen. . holungsfrk 35 Bei der Ausführung nach Fig. 4 ist das durch e.ne Zwei derartige optische Elemente können als kreisförmige Umfangslinie 20 begrenzte ^nen-Zo enelement eines Spektrometers verwendet wer- element wieder zunächst durch zwei durch das wenden! wobei das eine Zonenelement in seiner Ebene trum S verlaufende, fluchtende Linienabschnitte β, beweglich angeordnet ist, und zwar drehbar oder und e/ unterteilt. Ferner sind zu einer bezüglich schwingbar. Bei derartigem periodischem Antrieb 40 e_v e/ rechtwinkligen Diametralen (nicht angedeutet) dieses Elementes ergibt sich am Ausgang des dem symmetrisch angeordnete Hyperbellinien ;_v J₂ usw. Strahlungsempfänger, einem photoelektnschen Wand- beziehungsweise Z₁, Z₂ usw. aufgetragen. Die beiden ler, nachgeschalteten Verstärkers ein Wechselspan- erwähnten, zueinander rechtwinkligen Diametralen nungssignal, dessen Frequenz der Bewegungsfrequenz bilden die Asymptoten dieser gleichseitigen Hyperbeldes Zonenelenwntes oder einem Mehrfachen dieser 45 scharen. Die Kurvenschare f geht aus der Kurven-Freauenz entspricht. schare 3 durch Drehung um 180° um das Zentrum S El werden'nun die Oberflachengliederungen ge- hervor. Ein in dieser Weise ausgebildetes feststehen-, maß den Fig. 2 bis 12 erläutert. Nach Fig 2 sind des Zonenelement wird mit der Dian« ra\ene e auf der Fläche des Zonenelements zwei durch das gemäß dem in Fig.4 ^Xf^J^J^ Zentrum S verlaufende, miteinander fluchtend ₅o zur Dispersionsrichtung des Spektrums angeorfnet Linienabschnitte e, und e_t vorgesehen, die zusammen Bei der Ausführung nach F ig. 1 st wie der eine eine zwei diametrale Punkte der Umfangslinie 20 zur kreisförmiger. Umfangslinie 20!radiale dcn das miteinander verbindende Bahn bilden. Auf beiden Zentrum 5 verlaufende ^^m^^T^ Seiten sind mit Abstand und parallel zu dieser dia- vorgesehen die mit einer um 60 verdrehtenHe metralen Bahn weitere Linien Z,, *, usw. beziehungs- ss grenz-Migs in« *,' einen MusKrsektor m < ^w'^^m weise Z₂, 8, usw. angeordnet. Hierdurch ergeben sich hyperbelformigem, zu den be.den Radien₍ symme entsprechend parallele streifenförmig«! Zonen Z₁, Z, irischen Begrenzungsl.nien /,, Z, usw. Äü usw. beziehungsweise Z ' Z₁' usw., die abwechselnd Radien e_t und e, sind die ^Ptoten J Hype transparent und reflektierend ausgebildet sind. Die bein. Durch Aneinanderfügen der 60 Rektoren er Dispersionsrichtung des Spektrums ist in Fig. 2 60 gibt sich ein rotationssymmetr.seh« Oeumtmus^e durch den Pfeil Φ angedeutet. Die Bedingung der der Ordnung 6 mit N = ³· ^« ^fjj^e _a ^B _b ^e _w ⁶ _e^. Wiederholungsfreiheit des Linienmusters kann z. B. zungslimen gebildeten ^ne«iJiaben w ede abwech durch zum 2*ntrumabstand umgekehrt proportionale selnd unterschiedliche Strahlungsleit ah«gjeit. Bemessung der Linienabstände eingehalten werden. Be. der Ausführung nach F. g. 6.ist. wiede unidas Bei Verwüidnng zweier derartiger Elemente als Ein- «5 Zentrum S durch einen L'"¹⁶"?^"¹"^g"« ^e^ gangs- und Ausgangsöffnung eines Spektrometers, Umfangepunkt verbunden. ^Die *°^^ζ"^ηβ ™" iobei das eine Element fest angeordnet ist und das Abschnitts bildet ein dageget J^JJ» ^¹JjJj andere Element um das Zentrum S rotiert, ergibt L.nienabschn.tt e,, der die Asymptote einer unsym

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metrisch gekrümmten Zonenbegrenzungslinie/, und trum5 mit zwei diametralen Umfangspunkten des

/_t bildet. Weiterhin sind ähnlich verlaufende Begrenzungslinien /,, /,, /₄ usw. vorgesehen. Sämtliche /-Linien verlaufen nur zwischen zwei Umfangspunkten und berühren das Zentrum 5 nicht. Durch Verdrehung des bisher beschriebenen Teilmusters um 180° ergibt sich das wiederum rotationssymmetrische Gesamtmuster nach F i g. 6. Bei der Ausführung naeh Fig. 7 handelt es sich um eine danach Zonenelements verbindende Begrenzungslinien «?, und e/ vorgesehen, die im Zentrum 5 fluchtend ineinander übergehen. Weiterhin umfaßt das Element S eine Mehrzahl von fleckenartigen Zonen, die untereinander gleich oder auch unterschiedlich und mit zufallsbedingter Verteilung angeordnet sein können. Die Zonen g_t und g_t beiderseits der Linien e, und e,' sind jeweils von unterschiedlicher Strahlungsdurch-

„ „ . .„. . jes n unterscedlicher Stahlungs

ohne weiteres verständlieh« Abwandlung der Aus- i« llssigkeii. Entsprechendes gilt auch für die Musterführung gemäß F i g. 6. grundflikhe beiderseits der erwähnten Linien. Die

Bei der Ausführung nach F i ft. 8 sind zwei spiral' durch letztere geteilten Flecken weisen entsprechende förmige, mit gegenseitigem Abstand vom Zentrum 5 Abschnitte unterschiedlicher optischer Beschaffenheit naeh außen und spater zusammenfallend bis zum auf. Die Ausführung nach P i g. 11 ähnelt der voran Punkt 21 der Umfangslinie 20 verlaufende Zonen- 15 gehenden, wobei jedoch geradlinige, radiale Begren- begrenzungsliflien e und e. vorgesehen. Die letzt- zungslinien «, vorgesehen sind, und zwar insgesamt

sechs um 60^r gegeneinander verdrehte Radien mit

einer entsprechenden Anzahl von inversen Durchlassigkeitttonen bzw. Sektormustem. Insgesamt er- » gibt sich eine Rotationssymmetrie der Ordnung fi (N i).

Zufolge der Gerlteschaltung nach Fig. 12 ist eine Eingangsöffnung 30 in einer der vorerwähnten Aus führungen mit nachgeordneter Dispersionsvorrich 1$ tung 31 einstellbarer Wellenlänge und wiederum

genannte Spirallinie geht dabei aus der erstgenannten durch Verdrehung um das Zentrum S hervor, wobei ein Verdrehungswinkel von 180° gegeben ist. Die Gleichung der Linie e in Polarkoordinaten lautet

α θ

IUdherektor

KoMUnte

Zettfrlwiofcel

und diejenige der Linie e_t entsprechend der genannten Verdrehung

g = α]/θ ± *

nachfolgender AuslaBdffnung 32 vorgesehen. Die Strahlung r, trifft auf die Öffnung 30 auf und gelangt als entsprechend veränderter Strahl r_t zur Disper sionsvorrichtvng 31. Von hier aus gelangt ein wiederum veränderter Strahl r, über die öffnung 32 in Form eines weiteren Strahls r, zu einem lichtelek trischen Wandler 33 mit nachgeschaltetem Wechsel spannungsverstärker 34. Wenigstens eine der Offnun gen 30. 32 ist beweglich gelagert und mit einem

Bei einem mit Elementen gemäß F i g. 8 versehenen Spektrometer ist die Winkelstellung des feststehenden Elements indifferent, so daß eine beson dere Einstellung entfällt. Durch entsprechenden 3$ durch Pfeil 35 bzw. 36 veranschaulichten, periodischen Antrieb eines der beiden Elemente oder auch beider Bewegungsantrieb versehen. Die Bewegung erfolgt Elemente wird die erforderliche Relativdrehung er- jeweils in der Ebene der öffnung, und zwar sowohl zielt. Hierbei wird der Strahl auf der gesamten für den Fall der gleichförmigen wie auch der ovil Znnenelementfläche verändert; es ergibt sich eine lierenden Drehbewegung und der geradlinigem geringe Empfindlichkeit des Ausgangssignals auf eine 4« Schwingbewegung. Der Verstärker 34 ist auf die Be ungleichmäßige Hetligkeitsverteilung. wegungsfrequenz oder ein Vielfaches davon aber

Ein solches Zonenelement kann auch in einem stimmt. Spektrometer mit Vibrationsmodulation verwendet werden, wobei die Winkeleinstellung des festen Elements in bezug auf die Dispersionsrichtung indiffe- rent ist und geringe Abweichungen der Winkelstellung beider Elemente keine wesentliche Beeinträchtigung des Modulationssignals zur Folge haben.

Bei der Ausführung nach Fig.9 sind insgesamt vier spiralförmige, um jeweils 90° gegeneinander verdrehte Zonenbegrenzungslinien e,, e_t', <?," und e{" vorgesehen. Die Gleichung dieser Linien ist dieselbe wie bei Fig. 8 mit gegebenenfalls anderen Zahlenwerten. Ein hiermit ausgerüstetes Spektrometer verhält sich analog zu einem solchen mit Zonenelementen gemäß F i g. 8, wobei die erstgenannte Ausführung jedoch bei gleicher Drehgeschwindigkeit der Elemente die doppelte Modulationsfrequenz liefert.

Es ist auch möglich, geeignete Zonenelementmuster mn Hilfe einer Kurvenschar von 2 N Spiralen der Gleichung

ο = α}' θ ± π/

zu bilden. ⁱvobei N ganzzahlig ist.

Bei der Ausführung nach Fig. 10 sind wiederum zwei um 180" gegeneinander verdrehte, das Zen-

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optisches Zonenelement, das als F.inlaß und Auslaßöffnung für ein Spektrometer ver wendbar ist und dessen Oberfläche in rwe Mehrfachanordnungen von Zonen unterschiedlicher optischer Beschaffenheit (Transparent Opazität, Reflexion) für die einfallende Stran lung unterteilt ist, wobei die Begrenzungslinier der Zonen ein in wenigstens einer Richtung wiederholungsfreies Muster bilden und wobei du Flächensummen der beiden Mehrfachanordnun gen gleich bemessen sind, dadurch geker. n zeichnet, daß der Umfang (10.20) des Eic ments und die Begrenzungslinien (e. f. g) de Zonen eine Rotationssymmetrie der Ordnung 2 Λ (JV ganzzahhg) bilden und daß die maximale" An zahl der voneinander unabhängigen, im Symme triezentrnm (S) zusammenlaufenden Bahnen, di beim Durchlaufen der Begrenzungslinien (e. f. g gezogen werden können, ein unßeradzahliee Vielfaches von 2 N ist.

2. Element nach Anspruch 1_? dadurch gekenn zeichnet, daß die Umfangsform des Elements al zu dem Symmetriezentnim konzentrischer Krei (20) ausgebildet ist (F i g. 2 bis 11).

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ordnungszahl der Rotationssymmetrie 2 beträgt (/V= 1).

4. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der voneinander unabhängigen Bahnen 2 N beträgt.

5. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hegfenzungslinien (e) der Zonen als Spiralen to •««gebildet sind (F i g. 8 und 9).

6. Element nach Anspruch 5, dadurch gelennzelchnet, daß die Spiralen nach der Polar-

koordinaten bezüglich des Symmetriezentrums gerechneten Gleichung

a = atf θ ± njN

der Radiusvektor, von einem Bezugs-Zentriwinkel und N

ausgebildet sind, wobei <
α eine Konstante, θ der
Radiusvektor ausgemessene
eine ganze Zahl ist (F i g. 9).

1. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungslinien der Zonen durch zwei Spiralen gebildet sind (F i g. 8).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen