DE2108133A1 - Optisches System zur Verwendung als Monochromator - Google Patents

Optisches System zur Verwendung als Monochromator

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DE2108133A1 DE19712108133 DE2108133A DE2108133A1 DE 2108133 A1 DE2108133 A1 DE 2108133A1 DE 19712108133 DE19712108133 DE 19712108133 DE 2108133 A DE2108133 A DE 2108133A DE 2108133 A1 DE2108133 A1 DE 2108133A1
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
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Description

PAfENfANWALTb 21081'?'?
DR.-ING. RICHARD GLAWE · DIPL-ING. KLAUS DELFS · DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL
MÜNCHEN HAMBURG MÜNCHEN
8 MÖNCHEN 26 POSTFACH 37 LIEBHERRSTR. 20 TEL (0811) 22 65 48
2 HAMBURG 52 WAITZSTR. 12 TEL. (0411) 89 22 55
IHR ZEICHEN BETRIFFT:
IHRE NACHRICHT VOM
A 15
Shimadzu Seisakusho Limited ilakakyo-ku, iCyoto / Japan
München
Uptisoht'ß System zur Verwendung als Monochromator
Die Erfindung betrifft ein für spektroskopische Messungen und insbesondere als Monochromator verwendbares optisches System.
Die Verwendung "von Doppelmonochromatoren für spektroskopische Messungen ist allgemein bekannt. Im Vergleich au einem Spektroskop hat der Monochromator den Vorteil, daß ein enger Ausschnitt des Spektrums hergestellt werden kann. "Kr umfaßt im allgemeinen ein Liehtdispersionselemcnt, v/ie
BAD OFUGINAt
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z.B. ein Prisma oder ein Beugungsgitter.
iiliti in großem Umfang gebräuchlicher Monochromator umfaßt mindestens ein iiollimationseler/ient und ein Paar von Liehtdispersionselementen, v/obei diese Elemente so angeordnet sind, daß durch den Dintrittsspalt eintretende Lichtstrahlen mittels des KollimationseLementes auf eines der Lichtdispersionselemente gelenkt v/erden, während das zerlegte Licht mittels desselben Kollitnatoreleraentos auf das andere Dispersionselenent gelenkt wird, so daß man durch einen Austrittsspalt eine monochromatische Spektrallinie erhält. Bei dieser Anordnung wird ."jedes Lichtdispersionseleaent jeweils nur einmal von einem einfallenden Lichtstrahl getroffen (ein solcher Doppelmonochromator v/ird deshalb hier genauer als Sinweg-Uoppulmonochroraator bezeichnet).
Insbesondere in jüngster Zeit hat sich das Bedürfnis ergeben, Spektroanalyoen durchzuführen, bei denen die durch den Eintrittsspalt eintretenden Lichtstrahlen eine sehr niedrige Lichtintensität haben. Hauptziel der Erfindung ist es deshalb, ein optisches System zur Verwendung in einem Monochromator zu schaffen, welches einen so hohen Disper3ionagrad hat, daß das Auflösungsvermögen und damit wiederum die Lichtstärke verbessert worden.
BAD ORiGINAL
- 2 109836/1005
Dabei soll die erfindungsgemäße Anordnung sich, durch,
besondere Einfachheit und durch das Fehlen von teuren susütnliehen 'feilen auszeichnen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht ferner darin, daß sie in einfacher und billiger Weise auch nachträglich beibereits vorhandenen Doppel— inonochromatoren angebracht v/erden kann, ohne daß hierzu
ein komplizierter Umbau erforderlich ist.
!Ferner soll das erfindungsgemäße optische System dazu beitragon, die relative Arbeitsgeschwindigkeit des Monochronators zu steigern.
Bas erfindungsgeniäße optische System kann in gedrängter Bauweise hergestellt werden und stellt keinerlei Beeinträchtigung der Punktionsfälligkeit des eigentlichen Honochromators dar.
Die erfindungsgemäße Anordnung beruht darauf, daß die Anzahl der Lichtdurchgänge durch die Liehtdispersionsele—
»nente lediglich durch die Anbringung billiger reflektierender Elemente verdoppelt wird. Demnach umfaßt der Monochromator ein Paar von Lichtdispersionselementen und eine ent—
- 3 109836/1005
sprechende Anzahl von jüiehtreflexionselementen, wobei diese Elemente so angeordnet sind, daß ,jedes der Lichtdispersionseleraente von einem Lichtstrahl zweimal getroffen wird, wodurch das Auflösungsvermögen des Instrumentes verbessert wird. Das erfindungsgemäße Instrument .kann somit als Zwei— weg-Doppelmonochromator bezeichnet werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
i'lig. 1 zeigt schematisch die Anordnung und den Strahlengang eines erfindungsgemäßen optischen Systems.
lig. 2 ist eine Schemaskizze zum Verständnis der Anordnung gemäß Pig. 1.
Pig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine anuere Ausführungsform des optischen Systems.
Die in den Seichnungen nur ßchetnatisch dargestellten Elemente sind sämtlich an eitler Halterung oder optischen i3ank von beliebiger bekannter Konstruktion befestigt, uiu nicht im einzelnen dargestellt ist.
Der Doppelmonochromator umfaßt zwei optische 'feile, die im oiDtischen Sinne symmetrisch zueinander sind, jedoch
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nicht notwendigerweise auch im geometrischen Sinn symmetrisch zueinander angeordnet sein müssen.
Das als Doppelmonochromator zu verwendende optische System enthält einen Eintrittsspalt b1 von beliebiger "bekannter Konstruktion, der einer geeigneten (nicht dargestellten) Lichtquelle nachgeschaltet ist. Lichtstrahlen von der Lichtquelle werden durch den Eintrittsspalt auf einen ersten Kollimator M1 projiziert und auf diesem der Eintrittsspalt abgebildet. Der Kollimator M1 erzeugt einen parallelen Strahlengang von dem einfallenden Licht und reflektiert die parallel gerichteten Lichtstrahlen auf ein erstes Dispersionseleraent G-1, welches bei dem dargestellten Beispiel ein Beugungsgitter ist.
Die parallelgerichteten und auf das erste Gitter G-1 projezierten Lichtstrahlen v/erden entsprechend der Wellenlänge zerlegt, und aus dem so zerlegten Licht wird nur ein Lichtbündel mit einer gewünschten Wellenlänge zu einem ebenen Reflektor oder Spiegelelement P1 gebeugt. Das am Reflektor P1 reflektierte Lichtbündel von gewünschter Wellenlänge v/ird wiederum von dem Beugungsgitter G-1 gebeugt und läuft in Richtung auf den ernten Kollima bor l»I1. Von dort aus wird es durch ein geeignetes Ablenkelement ra1 (Spiegel oder Prisma) und eine Peldlinse L zu einem Zwischenspalt S 2 gelenkt.
SAO ORIGINAL
- b
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Den Elementen in der oberen nälfte der Pig. I entsprechen genau dieselben Elemente m2, I-I2, G-2, P2 und S3 in der unteren Hälfte von Pig. 1. Das durch den Zwisehenspalt ü2 laufende Lichtb'undel gelangt soait in genau der gleichen Weise zum Austrittsspalt S3, wie es vorstehend in Bezug auf den Lichtweg vom Eintrittsspalt 31 zum 2wischenspalt S2 beschrieben wurde. Dabei ist jedoch zu beachten, daß die Beugungsgitter G1 und G2 parallel zueinander angeordnet sind. Perner ist es vorteilhaft, wenn jeder der beiden ebenen Reflektoren P1 und P2, die die Porm von ebenen Spiegel haben können, in nächster ITähe der entsprechenden Beugungsgitter G-1 und 0-2 angeordnet werden. Yorteilhafterweise sind sie zum Verändern ihres Abstand es von den (Ji t tern G-1 und (3-2 verstellbar angeordnet. Wenn die Reflektoren P1 bzw. P2 möglichst nahe an den Gittern G-1 oder U-2 angeordnet sind, kann der Einfluß von Streustrahlen unterdrückt werden.
Bei der im vorstehenden beschriebenen Anordnung kann angenommen werden, daß das vom Beugungsgitter G-1 ausgehende gebeugte Licht mit anderen Lichtstrahlen gemischt ist, die am Beugungsgitter G1 lediglich reflektiert, aber nicht zum ebenen Reflektor P1 hin gebeugt worden sind. Da diese Lichtstrahlen jedoch andere Wellenlängen als daa gebeugte Lichtbündel· haben, so können diese Lichtbündel selbst dann, wenn sie durch den Zwischenspalt S2 über den Kollimator M2
BAD ORiGINAL
1098~3 6/i"ü0
sura anderen Beugungsgitter ΰ-2 gelangen, von diesem Beugungsgitter nicht mehr zum Austrittsspalt Z'-j und/oder sum anderen ebenen Reflektor P2 gebeugt werden. Mit anderen Worten, nur das -von dem Reflektor P1 reflektierte Licht !zaun durch die übrigen optischen üilemente sum Auatrittsspalt S^ gelangen, wie dies erreicht wird, wird im folgenden anhand von Pig. 2 erläutert«
Iu Ji'ig. 2 wird angenommen, daß von dem Kollimator H1 reflektierte liichfbündel auf das Gitter G-1 in einem Winkel (·*+ Θ) in Besug auf die Gitternormale OL1 projiziert wird. Das Mehtbündel mit der gewünschten Wellenlänge geht in einem winkel <X - θ von dem Gitter aus. Das durch deu Swischenspalt S2 mittels des Kollimators 1-12 auf das Gitter G2 auftreffende Lichtbündel von gewünschter Wellenlänge hat einen Winkel (<*' - Θ1) in Bezug auf die Gitter nor ma le O1^1, da die beiden Gitter G-1 und G2, wie oben erwähnt, parallel zueinander stehen. Infolgedessen können keine anderen Lichtstrahlen als solche von gewünschter spezifischer Wellenlänge aus dem Austrittsspalt S3 austreten, iiierbei ist zu berücksichtigen, daß in dem hier beschriebenen i>enpiel die Winice 1 θ und θ1 v/erte im Bereich von nicht mehr als 20° haben.
x^alls der Wellenlängenbereich durchfahren werden
SAD ORIGINAl.
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soll, müssen lediglich, die beiden Gritter G-1 und G-2 synchron zueinander und in gleicher Richtung gedreht v/erden, während jede G-itteroberf lache dem entsprechenden ebenen Reflektor P1 oder P2 zugewendet ißt. Dies kann dadurch erreicht werden, üaß die beiden Gritter Ü-1 und G-2 durch eine geeignete Parallelführung miteinander verbunden werden.
Die wlnkeldispersion D (ausgedrückt in rad./X) kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung ausgedrückt werden durch die folgende Gleichung:
2 u 1 1
d Cos (<*-+ 9) Cos (ex. _ Q
wobei η die Anzahl der Lichtdurchgänge durch die Dispersionselemente und d die G-itterkonstante bedeuten.
Die Winkeldispersion D., des bekannten Littrow-Honochromators kann ausgedrückt v/erden durch
Die WinkeIdispersion Dp eines üblichen Üinweg-Doppelmonochrotnators loann ausgedrückt werdeu durch die Gleichung
BAD ORIGINAL
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2η
d cos cK
Da jedoch in der Praxis der Winkel θ bzw. Θ1 vernachlässigbar klein ist, kann die folgende Beziehung aufgestellt werden:
I) ϊ 2D2 I
Mit anderen Worten, die Winkeldispersion D des mit dem erfindungsgemäßen optischen System ausgerüsteten Instrumentes ist etwa zweimal so groß wie die des bekannten Einweg—Doppelmonochroraators oder -viermal so groß wie die des littrow-Monochromators·
Die in Pig. 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung enthält dieselben Elemente wie die in I1Ig. 1 dargestellte Ausführungsform. Der Unterschied liegt darin, daß bei der Ausführungsform nach !'ig. 1 alle Elemente in derselben Ebene angeordnet sind, während sie bei der Ausführungsform nach Pig. 3 in drei Dimensionen angeordnet sind. In beiden Fällen kann dieselbe Winkeldispersion D ohne jede Einschränkung erhalten v/erden.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der dargestellten Ausfuhrungsform beschränkt, sondern Abänderungen und Ausgestaltungen liegen im Bahmen der Erfindung,
- 9 -109838/1005

Claims (7)

  1. Patentansprüche
    rl.) Optisch.es System zur Verwendung als Monochromator, mit einem einer lichtquelle nachgeschalteten Eintrittsspalt, Mitteln zum Parallelrichten des vom Eintrittsspalt kommenden Lichtes, einem ersten, das Licht -vom Kollimator nach 7/ellenlänge zerlegenden Dispersionselement und einem diesem nachgeordneten zweiten Dispersionselernent, gekennze lehne t durch einen ersten Reflektor (P1), der aus dem vom ersten Dispersionselement (G-1) zerlegten Licht ein Lichfbündel der gewünschten Wellenlänge auf das erste Dispersionselement (G-1) zurückreflektiert, einem zweiten Spalt (S2), der das vom ersten Dispersionselement (G-1) über die paralle!richtenden Mittel (ί·ί1) zurückgeworfene Bündel der gewünschten Wellenlänge zum zweiten Dispersionselement (G-2) durchläßt, wo es erneut entsprechend der Wellenlänge abgelenkt wird, und einem zweiten Reflektor (P2) zumReflektieren des vom zweiten Dispersionselement (G-2) kommenden Lichtes auf dieses zurück.
  2. 2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekenn, ze ichnet, daß das erste und zweite Dispersionselement (G1 und G-2) aus Beugungsgittern bestehen.
    - 1 1G8836/1QQ5
  3. 3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennze ich net, daß die beiden Dispersionseletnente (G-1, G-2) synchron zueinander und in gleicher Drehrichtung drehbar sind, wobei die Gitteroberflache der beiden Dispersionselemente dem jeweiligen Reflektor (P1 bzw. P2) zugewendet ist.
  4. 4. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorelemente (P1 bzw. P2) in nächster Kühe der zugehörigen Dispersionselemente (G-1, G2) angeordnet sind.
  5. 5. Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorelemente (P1, P2) zum Verändern ihres Abstandes von den Dispersionselementen (G-1, G2) verstellbar sind.
  6. 6. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum ParaHe!richten der Lichtstrahlen aus mindestens zwei Kollimatorelementen bestehen.
  7. 7. Optisches System zur Verwendung als Doppe!monochromator, mit Lichtquelle, Eintrittsspalt, Einrichtungen zum Parallelrichten des Strahlenganges, zwei Dispersions-
    _ 2 -109836/1005
    elementen und diesen naehgeschalteten Austrittsspalten, wobei der Austrittsspalt des ersten Dispersionselementes der Eintrittsspalt des zweiten Dispersionselementes ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens dem einen, insbesondere beiden Dispersionselementen je ein Reflektor derart nachgeordnet ist, daß dieser das Iiichtbiindel der gewünschten Wellenlänge auf das Dispersionseleinent zurückreflektiert, von v/o es nach erneuter Dispersion zum Austrittsspalt läuft.
    3. Optisches System nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch zwei im wesentlichen spiegelsymmetrische Strahlengänge, in denen jedoch die Dispersionseletnente (G-1, G2) parallel zueinander angeordnet sind.
    -J-109836/1005
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