DE19833356A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausfiltern einer bestimmten zu untersuchenden Wellenlänge aus einem Lichtstrahl - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Ausfiltern einer bestimmten zu untersuchenden Wellenlänge aus einem Lichtstrahl unter Verwendung eines Eintrittsspaltes, eines oder mehreren ausbildenden dispergierenden optischen Elementen und eines Ausgangsspaltes. Das durch einen unbeweglichen Eingangsspalt eintretende Licht wird über ein feststehendes abbildendes dispergierendes optisches Element auf ein unbewegliches reflektierendes Element fokusiert und von diesem durch einen beweglichen Spalt wieder über das optische Element zum Eingangsspalt oder einem Ausgangsspalt zurückreflektiert. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Spalt entweder nur in Dispersionsrichtung verschoben oder befindet sich auf einer drehbaren Scheibe. Die Erfindung ermöglicht eine Anordnung mit mit geringen Präzisionsanforderungen und nur einem Gitter, die gleichzeitig eine schnelle Abtastung ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausfiltern einer bestimmten zu untersuchenden Wellenlänge aus einem Lichtstrahl unter Verwendung eines Eintrittsspaltes, eines oder mehreren abbildenden dispergierenden optischen Elementen und eines Austrittspaltes und einen Monochromator.

Das allgemeine Grundprinzip bei Monochromatoren besteht darin, daß ein Eingangsspalt für eine bestimmte Wellenlänge auf einen Ausgangsspalt abgebildet wird. Die Wellenlänge, für die das der Fall ist, wird durch ein dispergierendes Element mit einer stark wellenlängenabhängigen Abbildungseigenschaft festgelegt. Dies ist in der Regel ein Prisma oder ein Gitter.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn ein auf einem nicht planen Träger aufgebrachtes Gitter gleichzeitig zur Dispersion und zur Abbildung des Eingangs- auf den Ausgangsspalt benutzt wird. Damit werden Abbildungsfehler und Streulicht durch zusätzliche optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel vermieden. Die Einstellung der Wellenlänge geschieht dadurch, daß die relative Lage von dispergierenden Elementen und Spalten geändert wird. Dabei muß sichergestellt werden, daß trotz der beweglichen Aufhängung einer dieser Komponenten für jede Wellenlänge eine korrekte Abbildung des Eingangsspaltes auf den Ausgangsspalt erfolgt. Wird das Gitter gedreht, so ist infolge der Winkelübersetzung durch den Abstand zu den Spalten ein präzises Lager erforderlich, um eine Verschiebung des Bildes senkrecht zu der Dispersionsebene zu vermeiden. Die Empfindlichkeit gegenüber einem Winkelfehler der Drehachse, bezogen auf die Abbildungsebene entfällt, wenn anstelle der Drehbewegung des Gitters einer der Spalte bewegt wird. Nachteilig hier ist, daß dabei auch die Lichtquelle oder der Detektor bewegt werden müssen.

Es gibt auch Doppelmonochromatoren, bei denen das Bild des Eingangsspaltes durch einen ersten Monochromator auf einen Zwischenspalt und dieser Zwischenspalt durch einen zweiten Monochromator auf den Ausgangsspalt fokussiert wird. Hier können Gitter, Ein- und Austrittsspalt fest bleiben und lediglich der Zwischenspalt muß bewegt werden. Diese Monochromatoren vereinigen gute optische Eigenschaften, d. h. geringes Streulicht mit geringer mechanischer Empfindlichkeit. Allerdings sind jetzt zwei dispergierende Elemente, wie Gitter oder Prisma, notwendig und das Gerät wird doppelt so groß.

Normalerweise erfolgt bei den Monochromatoren, wie bereits vorstehend erwähnt, eine Bewegung des Gitters, während der Eingangs- und der Ausgangsspalt fixiert sind. Um beispielsweise ein Gitter, das ein relativ großes und schweres Teil ist, um seine eigene Achse zu bewegen, ist zur Vermeidung von Abbildungsfehler durch Wackeln oder Kippen eine aufwendige Motoranordnung erforderlich. Außerdem erfolgt die Drehung sehr langsam.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit vorzuschlagen, die eine kompakte Anordnung mit geringen Präzisionsanforderungen bei schneller Auswahl der abzubildenden Wellenlänge ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der als Monochromator bezeichneten Vorrichtung sind den diesbezüglich rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.

Gemäß dem Verfahren wird das durch einen unbeweglichen Eingangsspalt eintretende Licht über ein feststehendes abbildendes dispergierendes optisches Element durch einen bewegbaren Spalt auf ein unbewegliches reflektierendes Element fokussiert und von diesem durch den Spalt wieder über das dispergierende optische Element zum Eingangsspalt oder einem Ausgangsspalt zurückreflektiert.

Entsprechend weist der Monochromator einen feststehenden Eingangsspalt, ein feststehendes dispergierendes optisches Element und eine Reflexionseinrichtung auf. Die Reflexionseinrichtung wirft das eintreffende Licht wieder über das optische Element zu dem Eingangsspalt oder einem Ausgangsspalt zurück, wobei die Reflexionseinrichtung ein unbewegliches reflektierendes Element und eine relativ dazu bewegliche, die durchgelassene Wellenlänge begrenzende Spaltanordnung, durch die das Licht gelangt, aufweist. Die Reflexionseinrichtung kann auch als Prisma mit geringem Strahlversatz oder gewölbt sein.

Bei der Erfindung werden die Vorteile der unbeweglichen Gittermontierung ohne den Aufwand eines zweiten Gitters oder Prismas ausgenutzt. Statt dessen wird ein reflektierender Aufbau gewählt, bei dem nach dem dispergierenden Element nicht ein Ausgangsspalt sondern ein reflektierendes Element angeordnet ist, das die Strahlung über das dispergierende Element wieder zurückwirft. Lediglich vor dem Auftreffen auf das reflektierende Element wird die Strahlung durch einen beweglichen Spalt auf dieses fokussiert und durch den Spalt auf den unbeweglichen Ausgangsspalt zurückgeworfen. Der Ausgangsspalt kann dabei neben oder über dem Eingangsspalt angebracht sein. Es ist auch möglich, daß der Eingangsspalt gleichzeitig die Funktion des Ausgangsspaltes erfüllt, d. h. das Licht in sich zurückgeworfen wird, und die zurücklaufende Strahlung in einem davor befindlichen Element abgetrennt wird.

Die jetzt für den Lichtdurchsatz maßgeblichen optischen Elemente sind alle unbeweglich und können daher stabil montiert werden. Lediglich der die durchgelassene Wellenlänge bestimmende Spalt muß präzise geführt werden. Gemäß einer Ausführungsform wird der Spalt in Dispersionsrichtung geführt, wobei eine kleine Abweichung seiner Bahn senkrecht dazu nicht zu Lichtverlusten wie eine minimaler Achsenfehler bei der aus dem Stand der Technik bekannten einleitend genannten Anordnung führt.

Gemäß einer weiteren Ausbildungsform wird der beweglich angeordnete Spalt auf einer rotierenden Scheibe angebracht, so daß eine kontinuierliche Drehbewegung der Scheibe möglich ist. Eine Verschiebung des Spaltes in seiner Längsrichtung hat keinen Einfluß, so daß er länger als das Bild des Eintrittsspaltes sein kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung dieser Anordnung können mehrere gleiche Spalte auf dem Umfang der Scheibe angebracht werden, so daß nach dem Abfahren des Spektrums durch einen ersten Spalt sofort der nächste Spalt in Aktion tritt. Dadurch wird eine Rücklaufzeit, wie bei hin- und hergehenden Bewegungen vermieden. Des weiteren können vorteilhafterweise mehrere verschieden breite Spalte auf dem Umfang der Scheibe angebracht werden, so daß nach dem Abfahren des Spektrums durch beispielsweise einen ersten breiten Spalt ein zweiter schmaler Spalt in Aktion tritt. Dadurch wird zunächst das Spektrum mit einer geringen und danach mit einer höheren Auflösung gemessen, ohne daß, wie bei anderen Verfahren, der Spalt mechanisch verstellt werden muß. Hier bleibt es der nachgeschalteten Auswerteelektronik überlassen, die gewünschte Auflösung zur Anzeige zu bringen.

Das vorstehend beschriebene Verfahren sowie Anordnung weist an einer fehlerunempfindlichen Stelle bewegliche Teile auf und erfordert somit eine geringe Präzision. Der Aufbau entspricht von der Leistungsfähigkeit her einem Doppel- Monochromator, vermeidet jedoch dessen Nachteile. Die vorliegende Erfindung ist:

a) Fehlertolerant, d. h. robust

Anstelle einer in allen 3 Achsen notwendigen präzisen Bewegung von Gittern wird hier eine Blende bewegt. Die Genauigkeits-Anforderung ist dabei auf nur eine Dimension, nämlich diejenige in Dispersionsrichtung beschränkt; sie bestimmt die Genauigkeit der ausgewählten Wellenlänge.

Abweichungen in den anderen beiden Dimensionen haben weniger gravierende Auswirkungen: Abweichungen in Strahlrichtung entsprechen einer veränderten Blendenbreite, d. h. die Bandbreite der optischen Durchlaßkurve verändert sich; dies ist in vielen Anwendungsfällen unkritisch. Abweichungen parallel zum Reflexionsspiegel wirken sich als Änderungen in der Durchgangsdämpfung aus; auch dies ist in vielen Fällen sekundär.

b) Kompakt

Wegen des Reflexionsprinzips wird der Doppelmonochromator gefaltet, d. h. in den Dimensionen halbiert.

c) Schnell

Die rotierende Blende ist leicht und erlaubt eine schnelle und kontinuierliche, d. h. ruckfreie Bewegung.

d) Universell

Weiterhin sind auf Grund des i.a. schmalen Zwischenbildes in der Spiegelebene mehrere Blendenschlitze auf einem Umfang der Blendenscheibe möglich und sinnvoll. Diese Eigenschaft kann erfindungsgemäß zu weiteren Verbesserungen ausgenutzt werden:

• 1) Durch Wahl unterschiedlicher Blendenbreiten kann die Bandbreite der Durchlaßkurve eingestellt werden.
• 2) Die Blenden können auch optische Filter (z. B. Polarisationsfilter, Verzögerungsplatten, Interferenzfilter, Neutralfilter) tragen, mit deren Hilfe die Eigenschaften des Gerätes verbessert und/oder weitere optische Parameter gemessen werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 Einen Monochromator mit einem Gitter und in Dispersionsrichtung beweglichem Spalt und

Fig. 2 einen Monochromator mit einem Gitter und beweglichen Spalten auf einer drehbaren Scheibe.

In den Figuren ist der Eingangsspalt 1 beispielsweise als das Ende einer Lichtleitfaser dargestellt. Aus dieser tritt das Licht in Pfeilrichtung aus und trifft auf das Gitter 2. Der vom Gitter dispergierte Lichtstrahl wird auf das feststehend reflektierende Element 3, beispielsweise ein Spiegel, fokussiert. Vor dem Auftreffen durchläuft der Lichtstrahl den in dem Element 4 angeordneten Spalt 5. Das Element 4 ist in Dispersionsrichtung, wie mit dem Pfeil gekennzeichnet, beweglich. In dem Ausführungsbeispiel wird der reflektierenden Strahl von dem Element 3 wieder über das Gitter 2 auf eine zweite, als Ausgangsspalt 6 wirkende Lichtleitfaser geworfen.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 entspricht der von Fig. 1 mit dem Unterschied, daß eine um ihre Achse drehbare Scheibe 7 vor dem beweglichen Element 4 angeordnet ist, und diese Scheibe 7 mehrere Spalten 8, 9 mit unterschiedlichen Breiten aufweist.

In den Ausführungsbeispielen sind lediglich die prinzipiellen Anordnungen dargestellt. Die entsprechende Auswertung mit entsprechender Elektronik für den jeweiligen Anwendungsfall vermittelt die dem Fachmann geläufigen Maßnahmen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Ausblenden einer bestimmten zu untersuchenden Wellenlänge aus einem Lichtstrahl unter Verwendung eines Eingangsspaltes, eines oder mehreren abbildenden dispergierenden optischen Elementen und eines Ausgangsspaltes, dadurch gekennzeichnet, daß das durch ein unbeweglichen Eingangsspalt eintretende Licht über ein feststehendes abbildendes dispergierendes optisches Element (2) durch einen beweglichen Spalt auf ein unbewegliches reflektierendes Element (3) fokussiert und von diesem durch einen beweglichen Spalt (5) wieder über das optische Element zum Eingangsspalt (1) oder einem Ausgangsspalt (6) zurückreflektiert wird.

2. Monochromator mit Eingangsspalt, abbildendem dispergierendem optischen Element und Ausgangsspalt, gekennzeichnet durch einen feststehenden Eingangsspalt (1), ein feststehendes dispergierendes optisches Element (2) und eine Reflexionseinrichtung, die das eintreffende Licht wieder über das optische Element (2) zu dem Eingangsspalt (1) oder einem Ausgangsspalt (6) zurückwirft, wobei die Reflexionseinrichtung ein unbewegliches reflektierendes Element (3) und eine relativ dazu bewegliche, die durchgelassene Wellenlänge begrenzende Spaltanordnung (4, 5; 7, 8, 9) durch die das dispergierte und reflektierte Licht gelangt, aufweist.

3. Monochromator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Spaltanordnung eine lichtundurchlässige in Dispersionsrichtung verschiebbare Blende (4) mit einem Durchgangsspalt (5) aufweist.

4. Monochromator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Spaltanordnung eine um eine Achse drehbar gelagerte lichtundurchlässige Scheibe (7) mit einem oder mehreren Durchgangsspalten (8, 9) aufweist.

5. Monochromator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Scheibe (7) mehrere Durchgangsspalten (7, 8) mit unterschiedlicher Breite angeordnet sind.