DE1964509B2 - Spektralfotometer - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Spektralfotometer gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein Spektralfotometer dieser Art ist aus der DT-AS 39 870 bekannt. Bei diesem Spektralfotometer wird der von dem Monochromator kommende Strahl durch eine Linse auf einen rotierenden Spiegel projiziert, dessen Mantelfläche eine ungerade Anzahl ebener Spiegelflächen aufweist. Die der Lichtquelle zugewandte Seite des rotierenden Spiegels bildet den ersten Reflektor, während die der Strahlquelle abgewandte Seite des rotierenden Spiegels den zweiten Reflektor bildet. Bei dieser Anordnung ändert sich die relative Lage der reflektierenden Fläche des rotierenden Spiegels gegenüber den Spiegeln der beiden Spiegelpaare ständig, so daß kein ruhender Strahl auftritt, d. h. die Strahlen wandern über die Spiegel der beiden Spiegelpaare, die den Strahlengang durch die Meßprobe bzw. den Strahlengang durch die Bezugsprobe bilden. Dadurch wird stets eine neue Stelle aller insgesamt verwendeten Ablenkspiegel beaufschlagt, wodurch entsprechende Reflexionsungenauigkeiten infolge fertigungstechnisch bedingter Störungen der Spiegeloberflächen auftreten, die sich nicht ohne weiteres kompensieren lassen, da sie stets verschieden sind. Dieses bekannte Spektralfotometer ist daher nicht im strengen Sinne symmetrisch, vielmehr führt die Verwendung eines nur in einer Richtung umlaufenden, rotierenden Spiegels zu einer umgekehrten Symmetrie.

Ferner wandern auch die zu vergleichenden Strahlen über die beiden Vergleichszellen, so daß eine entsprechende Ungenauigkeit dadurch eingeführt wird, daß nicht ein eng definierter Bereich ausgewählt wird.

Es ist ferner ein Spektrairotomeier bekannt (US-PS 30 22 704), bei dem ein aus einem Monochromator kommendes Strahlenbündel von einem rotierenden Spiegel mit lichtdurchlässigen Sektoren abwechselnd hindurchgelassen und reflektiert wird. Das reflektierte Strahlenbündel wird direkt auf einen Ablenkspiegel geworfen, während das hindurchgelassene Strahlenbündel erst über einen Zwischenspiegel auf einen Ablenkspiegel geworfen wird. Nach dem Durchlaufen jeweils einer Probenzelle und einer Bezugszelle gelangen diese Strahlenbündel über Ablenkspiegel auf einen Reflektor, der aus zwei im Winkel zueinander angeordneten Spiegeln besteht, die das von den Ablenkspiegein auf sie fallende Strahlenbündel auf eine Fotozelle lenken. Bei diesem Spektralfotometer ist an der Fotozelle die Intensitätsverteilung über den Querschnitt des einen Strahlenbündels spiegelsymmetrisch zu der Intensitätsverteilung über den Querschnitt des anderen Strahlenbündels. Da die lichtempfindliche Oberfläche einer Fotozelle nie eine völlig gleichmäßige Lichtempfindlichkeit aufweist, ergeben sich wegen der unterschiedlichen Intensitätsverteilung der beid»n Strahlenbünde! nicht vernachlässigbare Abweichungen im Ausgangssignal der Fotozelle, die zu Meßverfälschungen führen können. Außerdem werden mit dem Reflektor dieses Spektralfctometers die Strahlenbündel aus unterschiedlichen Richtungen auf die Fotozelle geworteti, »as weiter die Fehlermöglichkeit vergrößert.

Bei einem weitei».r bekannten Spektrofotometer (GB-PS 8 69 194) werden Lichtstrahlen verwendet, die aus der Strahlenquelle in verschiedenen Winkeln austreten. Dadurch kann schon nicht gewährleistet werden, daß diese Strahlen die gleiche Intensität und Farue haben, da davon ausgegangen werden muß, daß bei einer normalen Strahlungsquelle eine unterschiedliche und unregelmäßige Intensitäts- und Farbverteilung über die strahlende Fläche vorliegt. Die Strecke zwischen den Spiegeln des einen Strahlenganges ist größer als die Sirecke zwischen den Spiegeln des anderen Strahlenganges. Diese unterschiedlichen Strekken können sich auch nicht in ihrer jeweiligen Wirkung kompensieren, da jeweils Spiegel dazwischengeschaltet sind, die eine strahlintensitäts- und farbabhängige Dämpfung einführen, so daß sich eine unterschiedliche Behandlung der Strahlen insgesamt ergibt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Spektralfotometer der obengenanten Art zu schaffen, bei dem die von der Strahlquelle abwechselnd durch die Probenzelle und die Bezugszelle geführten Strahlenbündel mit Ausnahme der Beeinflussung durch die Probenzelle und die Bezugszelle genau gleichen Einflüssen unterliegt, so daß eine Meßverfälschung durch die unterschiedlichen Wege, über die die beiden Strahlenbündel abwechselnd geführt werden, mit Sicherheit ausgeschlossen ist. Insbesondere soll ein derartiges Spektralfotometer geschaffen werden, bei dem die Strahlengänge durch die Probenzelle und die Meßzelle vollständig äquivalent sind, so daß keine Kompensation der 100%-Linie erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Spektralfotometer wird eine vollständige Symmetrie für die Strahlengänge zwischen der Strahlungsquelle über die Proben- und Bezugsquelle bis hinein in die

Meß-Photozelle erreicht. Dabei ist zu beachten, daß stets der gleiche Fleck der Strahlungsquelle auf der gleichen Stelle der Photozelle abgebildet wird. Dadurch wird einerseits erreicht, daß die durch die beiden Zellen laufenden Lichtstrahlen genau die gleiche intensität und Farbe haben, während andererseits sichergestellt ist, daß die Photozelle stets mit der gleichen Empfindlichkeit arbeitet. Weiterhin wird erreicht, daß die zu vergleichenden Strahlen genau die gleiche Strecke durchlaufen, wodurch eine gleiche Dämpfung durch diese Laufstrecken für beide Strahlen gewährleistet ist. Schließlich werden die zu vergleichenden Strahlen von der gleichen Anzahl an Spiegeln reflektiert, die an symmetrischen Stellen angeordnet sind, wodurch auch eine Reflexion in genau dem gleichen Winkel jeweils an der gleichen Stelle des entsprechenden Spiegels erreicht wird. Durch diese hundertprozentig gleiche Strahlenreflexion wird wiederum eine genau gleiche Etehandlung der beiden zu vergleichenden Strahlen erreicht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figur.

In der Figur ist eine Lichtquelle 30 gezeigt, deren Licht über einen Eintrittsspalt 32 in einen Monochrometor 3 eintritt, in dem es auf einen Austrittsspalt 38 fokussiert wird. Der monochromatische, aus dem Monochromator austretende Strahl verläuft entlang einer optischen Achse 37 auf einen Konkavspiegel 39. Die Achse 40 des Konkavspiegels 39 liegt iichräg und bildet einen Winkel θ mit der optischen Achse 37 des austretenden, monochromatischen Lichtstrahls.

Ein reflektierender Unterbrecher 50 schickt dei durch den Konkavspiegel 39 reflektierten, monochromatischen Lichtstrahl abwechselnd entlang einem Weg 51R oder einem Weg 515 zu Konkavspiegeln 44/? bzw. 445. Die Lichtstrahlen längs der Wege 51« und 515 werden im folgenden als Bezugstrahl bzw. Probenstrahl bezeichnet. Die Spiegel 44/? und 445 sind zu dem Unterbrecher 50 symmetrisch angeordnet, wobei jeder der Spiegel 44/? und 445 so liegt, daß seine Achse mit der optischen Achse des Bezugsstrahles 51/? bzw. des Probestrahles 515 einen vorbestimmten Winkel θ bildet. Der Bezugsstrahl 51/? und der Probenstrahl 515 gehen dann durch eine Bezugszelle 42/? bzw. eine Probenzelle 425 und treffen auf Konkavspiegel 46/? bzw. 465 auf.

Das oben beschriebene, optische System zwischen dem Monochromator und den Zellen ist derart ausgeführt, daß die mmdionalen und sagittalen Bildebenen absichtlich axial voneinander verschoben werden. Dies wird dadurch bewirkt, daß der Spiegel 39 derart in den Strahlengang eingesetzt ist, daß seine Achse mit der Achse des optischen Systems einen vorbestimmten Winkel bildet. Bei dieser Anordnung hat das Lichtstrahlenbündel über eine beträchtliche Strecke entlang der optischen Achse eine wohldefinierte, sehr kleine und im wesentlichen gleiche Querschnittsfläche. Auf diese Strecke ist die Probenzelle bzw. die Meßzelle so angeordnet, daß die Querschnittsfläche des monochromatischen Lichtstrahlenbündels im wesentlichen mit derjenigen der Zelle über deren gesamter Länge zusammenfällt.

Die von den Spiegeln 46/? und 465 reflektierten Lichtstrahlen werden mit Hilfe eines zweiten, reflektierenden Unterbrechers 52, der synchron mit dem Unterbrecher 50 rotiert, abwechselnd auf einen Konkavspiegel 53 reflektiert, der das Licht auf der lichtempfindlichen Oberfläche einer Fotovervielfacherröhre 43 sammelt. Die Spiegel 46/? und 465 sind symmetrisch zu dem Unterbrecher 52 angeordnet. Um zu bewirken, daß die ganze durch die Probe hindurchtretende Lichtenergie durch die lichtempfindliche Oberfläche der Fotovervielfacherröhre 43 aufgenommen wird und daß das Licht eben und gleichförmig auf die ganze wirksame lichtempfindliche Oberfläche der Fotovervielfacherröhre 43 auftrifft, haben die Spiegel 465 und 53 bzw. die Spiegel 46/? und 53 gegebenenfalls unter Mitwirkung des Unterbrechers 52 dieselbe Zuordnung wie die Spiegel 39 und 445 bzw. 39 und 44/?. Die Krümmungen und Winkellagen der Spiegel 465 und 53 bzw. 56/? und 53 sind so festgelegt, daß das ganze durch die Probenzelle 425 oder die Bezugszelle 42R übertragende Licht eben und gleichförmig auf die ganze lichtempfindliche Oberfläche der Fotovervielfacherröhre 43 auftrifft.

Aus der vorhergehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Spektralfotometers ergibt sich noch folgendes. Da alle verwendeten, optischen Elemente Reflektoren sind, wird keine chromatische Aberration eingeführt. Da Bezugsstrahl und Probenstrahl äquivalent sind, kann die Absorption der Probe ohne jegliche Kompensation gemessen werden. Da das von dem Monochromator ausgehende Licht alternativ als Bezugsstrahl und als Probenstrahl ausgenutzt wird, wobei' die beiden Betriebsweisen an der Betriebszeit anteilig beteiligt sind, kann für die Messung 100 Prozent der Lichtenergie ausgenutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Spektralfotometer, bei dem eine Lichtquelle einen Strahl entlang einer festen optischen Achse auf einen ersten Reflektor richtet, von dem der Strahl abwechselnd auf den einen oder den anderen Spiegel eines ersten Spiegelpaares gelangt, von denen die Strahlen durch eine Probenzelle bzw. eine Bezugszelle geschickt werden, und bei dem die aus den Zellen austretenden Strahlen von einem zweiten Spiegelpaar, das symmetrisch zu dem ersten Spiegelpaar angeordnet ist, auf einen zweiten Reflektor geworfen werden, wobei der zweite Reflektor die beiden Strahlen auf einen Detektor richtet, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Reflektor zwei getrennte, synchron umlaufende, reflektierende Unterbrecher (50, 52) sind, und daß das erste Spiegelpaar (449. 44R) symmetrisch zu der reflektierenden Fläche des ersten Unterbrechers (50) und das zweite Spiegelpaar (465, 46R) symmetrisch zu der reflektierenden Fläche des zweiten Unterbrechers (52) angeordnet ist, wobei die jeweiligen optischen Achsen der von den Unterbrechern (50,52) reflektierten und der von den Unterbrechern (50, 52) durchgelassenen Strahlen in ihrer jeweiligen Richtung unverändert bleiben.

2. Spektralfotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (3t) und dem ersten Unterbrecher (50) ein Kcr.kavspiegel (39) vorgesehen ist, der den Strahl auf den ersten Unterbrecher 50) umlenkt und daß zwischen dem zweiten Unterbrecher (52) und dem Detektor (43) ein zweiter Konkavspiegel (53) vorgesehen ist, der die aus der Richtung des zweiten Unterbrechers (52) kommenden Strahlen auf den Detektor (43) umlenkt.