DE2239944A1 - Spektrometer - Google Patents

Description

Dr. Ing. H. Negendank Dipl. Ing. H. Hauck - Dipl. Phys. W. Schmitz Dipl. Ing. E. Graalfs - Dipl. Ing. VV. Wehnert

8 München 2, Mosarlstraße 23

Telefon 5330586

The Bendix Corporation
Executive Offices
Bendix Center

Southfield, Mich. 48075 8. August 1972

■USA Anwaltsakte M-2283

Spektrometer

! I

'Die Erfindung betrifft Spektrometer, insbesondere Hologramm-Spek·=· trometer.

;Für Spektrometer, die auch Spektralanalysegeräte genannt werden, sind viele Anwendungen bekannt. Beispielsweise können mit solch einem Gerät die verschiedenen Energiewellenlängen, die eine Weiß·= lichtquelle bilden, identifiziert werden. Ferner kann dieses Instrument auch zum Nachweis der Anwesenheit eines bestimmten cherai= sehen Stoffes, eines Elementes oder einer Verbindung in cter Atmos= phäre verwendet werden. Weiterhin kann es zum Nachweis oder zur Messung der Luftverschmutzung eingesetzt werden. Wie bekannt ist_s existieren viele andere Verwendungszwecke für Spektrometer und di© vorstehend erwähnten Fälle dienen lediglich als Beispiel«,

Infolge der vielen Anwendungsgebiets für Spektrometer wurde für /ersuche, si© wirtschaftlicher und mit siaeiii höhsren Genauigkeits =

jgrad herzustellen, erhebliche Mühe aufgewandt. Wegen der theoretisch möglichen Genauigkeit von Lasergeräten, wurden Versuche gemacht, diese bei Spektrometern unter Anwendung der für Hologramme

und Fresnel-Zonenplattenanordnungen geltenden Grundsätze einzusetzen.

j
Das Hologramm eines Einzelpunktgegenstandes stellt sich als

jFresnel-Zonenplattenanordnung dar. Eine Fresnel-Zonenplattenanordnung wirkt als Linse mit der Brennweite

j _R 2

wobei:

R₁ s Abstand zum ersten Ring in der Fresnel-Zonenplattenanordnung;

η = Brechungsindex des Fortpflanz.ungsmediums;

X = Wellenlänge der Beleuchtungsquelle im Vakuum. Da die Brennweite von der Wellenlänge der Beleuchtungsenergie oder Lichtquelle abhängt, kann eine Fresnel-Zonenplatte als ein Gerät zur Aussiebung der Wellenlänge, d.h. als Spektrometer verwendet werden.

Dies geht aus Fig. 1 hervor, welche das bekannte Verfahren zeigt

ne

und auch zur Erklärung der diesem Verfahren irÜwohnenden Schwierigkeiten dient, die es für die Praxis ungeeignet und unwirtschaft-

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lieh machen. Wie Fig. la zeigt, wird das Nadelloch 11 durch eine Quelle beleuchtet, so daß das Licht mit der Wellenlänge λ - zerstreut wird, um den Protokoll- oder Bildträger 12 voll zu beleuchten.Durch die gleichzeitige Beleuchtung des Bildträgers 12 mit parallelen Strahlen einer zweiten Punktlichtquelle, die ebenfalls von der Wellenlänge X₁ und mit den Strahlen der ersten Quelle kohärent sind, kann ein Interferenzbild aufgebaut werden. Das Interferenzbild wirf, dauerhaft aufgezeichnet. Der Aufzeichnungs- oder bildträger kann beispielsweise lichtempfindliches Fotomaterial sein, das anschließend entwickelt wird und ein Interferenzbild zeigt. [ Nach der dauerhaften Entwid&ung des Interferenzbildes kann es zur Aussiebung der Wellenlänge des Lichtes verwendet werden, das zu seiner Beleuchtung dient. Dies ist anhand der Fig. 1b gezeigt, in welchem Licht mit der Wellenlänge X das Interferenzbild 12 so

!beleuchtet, daß die Lichtstrahlen im wesentlichen parallel verlaufen. Wenn die Wellenlänge λ gleich ist der zur Ausformung des 'Interferenzbildes dienenden Wellenlänge X₁, dann bündelt sich ein erheblicher Teil des das Interferenzbild durchlaufenden Bildes am Nadelloch 13, das genau im gleichen Abstand angeordnet ist wie der Abstanu zwischen dem Nadelloch 11 und dem Interferenzbild 12 der Fig. 1a. Wenn jedoch die Wellenlänge Λ von X₁ verschieden ist, dann wird das Liöit am Punkt 14 gebündelt, der sich in einem anderei Abstand vom Bild 12 befindet wie der Abstand zwischen dem Nadeliloch 11 und dem Bildträger 12 während der Ausformung des Interferenzbildes. JUor Abstand Ü zwischen dein Nadelloch 13 und dem Punkt '14 stellt die Änderung der Weilenlänge zwischen dem Licht dar,

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welches das Interferenzbild aufgebaut hat und dem weißen Licht, das anschließend das aufgezeichnete Interferenzbild dauernd be- !leuahtet. Daher kann der Abstand D als Mittel zur Bestimmung der

!Wellenlänge λ des Lichtes verwendet werden, das das aufgezeichnete j ^x

Interferenzbild dauernd beleuchtet.

Wenn es sich bei der das aufgezeichnete Bild 12 dauernd bestrahlenden ünergie um weißes Licht handelt, so daß es verschiedene Wellenlängen enthält, dann können diese Wellenlängen durch Bewegung des Nadelloches 13 und durch Beobachtung der Stellung, an welcher die ^maximale Ausgangsenergie des Nadelloches empfangen wird, nachge-

^wiesen werden. Der Weg, um welchen das Nadelloch weiterbewegt wird,¹

i ι

jwird aufgezeichnet und zeigt eine der Wellenlängen an, die das zusammengesetzte weiße Licht bilden.

Diese Anordnung arbeitet zwar in der Theorie, ist jedoch in der ' Praxis sehr schwer durchzuführen, da die genaue Positionierung des , Nadelloches 13 höchst kritisch ist, insbesondere, da es sehr klein sein muß, um eine gute Unterscheidung und Auflösung zu erreichen, und daher ist es äußerst schwierig, eine solche Hinrichtung genau anzuordnen und zu eichen. Ausßerdem ist auch die Bewegung des Nadelloches 13 zur anschließenden Stellung 14 äußerst kritisch, da die seitliche Toleranz der Stellung sehr eng ist. Somit sind genaue Lagemessungen äußerst schwierig durchzuführen. \

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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird das Problem der Posi- ! tionierung durch Ausformung des holographischen Interferenzbildes j auf einem Bildträger gelöst, der gegenüber dem Nadelloch eine j dauerndfeste Lage einnimmt. Diese feste Lage wird während der ; spektrographischen Messungen unter Verwendung des Interferenzbil-

des beibehalten. Durch Verwendung derselben optischen Anordnung für die Aufzeichnung des Interferenzbildes und für die Messungen werden Fehler, die durch Mangel der optischen Anordnung bedingt sind, ; automatisch ausgeglichen. Nach Ausformung des Interferenzbildes ■ lassen sich spektrographisehe Messungen des weißen Lichtes durch Veränderung der Länge der optischen Bahn durchführen, welche das Licht in der Anordnung durchläuft. Diese Veränderung der optischen Bahn bewirkt, daß die verschiedenen Lichtwellenlängen, aus der die Weißlichtquelle besteht, an verschiedenen Raumpunkten inaerhalb der Anordnung fokussieren. Daher können durch eine Veränderung des optischen Weges einer jeden Wellenlänge die einzelne» Wellenlängen der Weißlichtquelle identifiziert werden, wobei jede Wellenlänge an einem hinter einem zweiten Nadelloch angeordneten Detektor fokussiert wird und die zur Fokussierung einer jeden Wellenlänge erforderliche Änderung des optischen Weges beobachtet j oder notiert wiid.

Somit ist erfindungsgemäß die Abtastung des Spektrums S Lichtquelle durch" wahlweise Änderung der optische» Wi gesehen» die das Licht in der Einrichtung durchläuft. Diss' Amder«

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ung kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden. Beim ersten Verfahren zur Änderung der optischen Weglänge wird ein bewegliches Nadelloch für den Wiederaufbau des Bildes zwischen dem Interferenzbild und dem Detektor angeordnet. Wenn das bild-wiederaufbauende Nadelloch auf einer zur Ebene des Interferenzbildes senkrecht stehenden Achse bewegt wird, dann wird die spezielle WellenlängeX bei f(A) ^s Rj /2λ fokussiert. Somit ergibt die richtige Positionierung des beweglichen Nadelloches die maximale Ausbeute des Lichtes, welches das feststehende Nadelloch durchläuft. Gleichzeitig werden die nicht fokussierten Wellenlängen fast vollkommen dur<|:h das feststehende Aufzeichnungs-Nadelloch unterdrückt. Diese Unterdrückung kann dadurch verbessert werden, daß nach Bedarf eine Scheibenblende am Mittelpunkt des Interferenzbildes angeordnet wird. Wenn jetzt f (λ) gegenüber dem Abstand zwischen dem feststehenden Nadelloch und dem Interferenzbild groß ausgelegt wird, dann ist die Fluchtung des beweglichen Nadelloches viel weniger kritisch.

Beim zweiten Verfahren zur Änderung der optischen Weglänge wird der Brechungsindex der Einrichtung geändert und alle Abstände bleiben konstant (d.h., die beiden Nadellöcher und das Interferenz·· bild bleiben in ihren Abmessungen zueinander fixiert). Die Brechungszahl zwischen dem Interferenzbild und dem feststehenden Aufzeichnungs-Nadelloch kann ebenso geändert werden wie die Brechungszahl zwischen dem Interferenzbild und dem feststehenden bildwiederaufbauenden Nadelloch; ebenso können beide Brechungs-

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zahlen verändert werden. In beiden Fällen bietet die für die Fokussierung einer jeden Wellenlänge am entsprechenden Nadelloch erforderliche Änderung der Brechungszahl eine Anzeige für die fokussierte Wellenlänge.

Eine dauernde maßhaltige Positionierung zwischen dem Interferenz-, bild und dem Nadelloch ergibt sich durch Ausformung dieser beiden Elemente auf den entgegengesetzten Flächen eines für die zu untersuchende Strahlung durchlässigen Trägers. Somit werden auf den entgegengesetzten Seiten eines Glas- oder Kunststoffträgers wie eines Würfels oder rechtwinkligen Prismas die Interferenz-Registriereinrichtung und das Nadelloch so aufgebracht, daß sie einander gegenüber stehen. Während der Aufzeichnung des Interferenzbildes wird die Dünnschicht des Aufzeichnungsmediums gleichzeitig I durch das feststehende Nadelloch und durch eine Bezugslichtquelle !beleuchtet, deren Wellenlänge und Phase mit der Wellenlänge und

I Phase des das Nadelloch durchlaufenden Lichtes identisch ist. Nach j

i - ι

der dauerhaften Aufzeichnung des Interferenzbildes können spektro-; graphische Messungen vorgenommen werden, in-dem das feststehende Aufzeichnungs-Nadelloch und von dort aus das Interferenzbild beleuciitet wird. Wellenlängen, die mit den das Interferenzbild , Hervorrufenden Wellenlängen identisch sind fokussieren sodann am bildwiederaufbauenden Nadelloch, während andere Wellenlängen entweder vor oder hinter diesem Nadelloch gebündelt werden. Durch Ver4 !änderung des optischen Weges zwischen dem bildwiederaufbauenden wadelloch und dem Interferenzbild kann man diese anderen IVe Ilen-

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längen ebenfalls an diesem Nadelloch fokussieren lassen. Durch Beobachtung und Notierung der das bildwiederaufbauende Nadelloch zum Detektor durchlaufenden Lichtmenge können die verschiedenen Spektralanteile der weißen Lichtquelle erfaßt und identifiziert werden.

\ Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 ein früheres Verfahren zur Ausformung und Anwendung einer

I Fresnel-Zonenplatte; '

Fig. 1a zeigt das Verfahren zur Herstellung der Fresnel-Zonenplattfe; Fig. 1b zeigt den Einsatz der dauerhaften Aufnahme-Fresnel-Zonenplatte für spektrographische Messungen.

j Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit der Darstellung des im feststehenden Abstand zum Interferenz-

' bild angeordneten Nadelloches.

Fig. 3 die vereinfachte Darstellung eines Anwendungsverfahrens für , die erfindungsgemäße Anordnung als Spektrometer, bei welchem zwischen der Lichtquelle und dem Interferenzbild ein beweglicnes Nudelloch verwandt wird.

;Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines

j !

hinter dem Interferenzbild angeordneten beweglichen Nadel- j lociies.

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Fig. 5 das am Aufzeichnungsmedium entstehende Interferenzbild in ι Fresnel-Ring-Anordnung.

;Fig. 6 das bei einer monochromatischen Lichtquelle am Detektor anliegende Ausgangssignal als Funktion der optischen Weglänge.

Fig. 7 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei ; welchem Änderungen der optischen Weglänge durch eine Ander™

' ; ung der Brechungszahl der optischen Einrichtung bewirkt werden.

'Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Spektrometers zur Untersuchung der Wellenlängen_verteilung und der Zusammensetzung von weißem Licht beschrieben. Die Erfindung kann jedoch ebenso ■für den Nachweis von Gasen, Chemikalien, Elementen oder Verunreinigungen angewandt werden, die in der Luft oder in anderen Strömungsmitteln vorhanden sein können.

Fig. 2 zeigt ein erstes bevorzugtes Auführungsbeispiel der dung in einer leicht vereinfachten Form. Die erfindungsgemäße An« Ordnung besteht aus dem Träger 16, der für die fragliche Strahlungsenergie durchlässig ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Strahlungsenergie das monochromatische Licht einer Lasa-quell© 17. Der Träger 16 kann aus Glas, Kunststoff oder einem anderen festen Stoff gefertigt sein, der für die Ausgangsstxahlung- des JLasers 17 durchlässig ist. Der Querschnitt des Trägers 16 kann quadratisch, kreisförmig oder von einer' anderen geeigneten Form

je nachdem speziellen Anwendungszweck der Einrichtung sein. Der Träger 16 ist so ausgeformt, daß er zwei parallele ebene Oberflächen besitzt, auf welchen seine aktiv wirkenden Teile angeordnet sind. Auf einer der parallelen Oberflächen ist der Werkstoff 18 mit dem ,Nadelloch 19 angebracht. Der Werkstoff 18 wird nach verschiedenen Gesichtspunkten ausgewählt. Erstens kann er für das Licht des Lasers 17 vollkommen undurchlässig sein. Wenn diese Art von Maske zur !Ausbildung des Nadelloches 19 an der Fläche 18 verwendet wird, muß eine andere Anordnung zur Lenkung des Bezugsstrahls auf den strahlungsempfindlichen Stoff 21 vorgesehen werden, der sich an

der anderen Oberfläche des Trägers 16 befindet. Der Bezugsstrahl kann so angeordnet werden, daß er die Bildschicht 21 entweder von !der Seite des Nadelloches 19 oder von der anderen Seite aus beleuchtet. Zweitens kann der Werkstoff 18 so beschaffen sein, daß er einen Teil der auftreffenden Strahlung absorbiert und einen j anderen Teil durchläßt. Der durchgelassene Teil dient dann als der! erforderliche Bezugsstrahl. Drittens kann der Werkstoff 18 aus ! einem durchlässigen Stoff bestehen, dessen Brechungszahl von der Trägerstoffes 16 verschieden ist. In diesem Falle bewirkt das in der Schicht 18 angeordnete Nadelloch 19 aufgrund der durch die Linse 22 fokussierten Strahlung die Bildung von Fresnelringen. Gleichzeitig durchlaufen parallele und andere nicht fokussierte ■Strahlen den Werkstoff 18 und dienen als Bezugsstrahl.

Zwischen dem Träger 16 und dem Laser 17 ist die Bündelungslinse 22 angeordnet. Die Ausgangsstrahlung des Lasars 17 wird durch die Linse 22 am Nadelloch 19 fokussiert, das im Werkstoff 18 ausgebil-

det ist. Das Nadelloch 19 dient als Einzelpunktgegenstand, so daß ;

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aus dem Licht, das es durchläuft, ein Interferenzbild entstellt, das von der photographischen Platte .21 aufgenommen wird» Um ein als Fresnel-Zonenplatte dienendes Hologramm auf der photograph!- scnen Platte 21 zu erzeugen, muß die Platte 21 mit einem Bezugsstrahl beleuchtet werden, dessen Wellenlänge gleich der Wellenlänge der Strahlung des Lasers 17 ist. Wenn der Werkstoff 18 für die Strahlung des Lasers 17 teilweise oder vollständig durchlässig ist, dann läßt sich die Ausgangsstrahlung des Lasers 17 hierfür verwenden. Andererseits kann auch eine optische Mickstrahleinrichtung unter Verwendung von Prismen oder SpiegpLn dazu verwendet werden, einen Teil der Ausgangsstrahlung des Las'ers 17 um das Gerät herumzuleiten, so daß die photographische Platte 21 von der anderen Seite her belichtet wird, d.h. von der rechten Seite der in Fig. 2 gezeigten Anordnung her. Nachdem-die photographische Platte 21 gleichzeitig mit dem Interferenzbild des Nadelloches 19 und dem \ jßezugsstrahl belichtet worden ist, wird sie wie eine herkömmliche | photographische Platte entwickelt, und das Interferenzbild bleibt i

i dann dauerhaft aufgezeichnet.

^ ach der dauerhaften Aufzeichnung des Interferenzbildes bildet '

eine
dieses Fresnel-Zonenplatte, und die Anordnung kann auf verscniedene Arten als Spektrometer eingesetzt werden, von denen eine in Fig. 4 dargestellt ist. In Fig. 4 ist das daueriiaft aufgezeichnete Interferenzbild bzw. die Fresnel-Zonenplatte 21 so angeordnet, daß sie ί weißes Licnt von der Quäle 23 durch das bildaufbauende Nadelloch 1U ernält. Das von der Quelle 23 emittierte weiße Licht kann durch ' ein nicht gezeigtes Nadelloch geleitet -werden, so daß es als Purii.tquelle ersencint. Das weihe Licht wird am Nadelloch 19 -12-j

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fokussiert und läuft durch den Träger 16 hindurch, um das Interferenzbild 21 zu beleuchten. Das Licht durchläuft das Interferenzibild 21 und wird aneinem Punkt hinter diesem in Abhängigkeit von ι
der Wellenlänge der Strahlung gebündelt. Der Schlitten 25 ist mit | dem verschiebbaren Nadelloch 24 versehen und im Tubus 27 befestigte Der Schlitten 25 ist im Tubus 27 so angeordnet, daß er in Längs-Irichtung verschiebbar ist, um den Abstand zwischen dem Interferenzbild 21 und dem Nadelloch 24 verändern zu können, während die axiale Fluchtung der Nadellöcher 19 und 24 erhalten bleibt.

Hinter dem Nadelioch 24 ist der Detektor 28 angeordnet, so daß das vom Interferenzbild 21 abgestrahlte Licht das Nadelloch 24 durch- I läuft und auf den Detektor 28 auftrifft.

Wie oben erwähnt, wird das vom Interferenzbild 21 abgestrahlte \Licht in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge an einem Punkt hinter dem Bild fokussiert. Somit können die verschiedenen Wellenlängen aus denen sich das Licht der Quelle 23 zusammensetzt, durch Bewegen des Nadelloches 24 zum Gewinn des maximalen Ausgangssignals des Detektors 28 nachgewiesen und identifiziert werden. Der

Detektor 28 kann ein Photoelektronenvervielfacher oder auch eine andere Art von Straiilungsdetektor sein.

Wenn die Wellenlänge A. der von der Beleuchtungsquelle 23 ausgehenden Strahlung gleich ist der Strahlung, die das Interferenzbild ι
ausformte, d.h. gleich ist der in Fig. 2 gezeigten Wellenlänge Λ^ »

dann fokussiert das die Fresnel-Zonenplatte 21 durchlaufende I Licht an einem Punkt, der sich im gleichen Abstand vom Bild 21

j ■ -13-

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wie das Nadelloch 19 befindet. Wenn jedoch die Wellenlänge X der von der Beleuchtungsquelle 23 ausgehenden Strahlung von A₁ verschieden ist, dann fokussiert die das Interferenzbild 21 durch-

laufende Strahlung an einem Punkt, dessen Abstand vom Interferenzbild 21 gegenüber dem Abstand des Nadelloches 19 von diesem Bild differiert.

Die Änderung des Brennpunktes als Funktion der Wellenlänge wird anhand der bekannten Theorie der Fresnelring-Interferenz erklärt. Fig. 5 zeigt ein Fresnelring-Bild. Der Radius des nten Ringes ist

^Rn ^a h^
wobei:

R₁ = Radius des ersten Ringes.

Wenn das Ringbild mit der Wellenlänge X₁ aufgezeichnet worden ist, dann kann der Radius R₁ wie folgt definiert werden:

τ? ²- ?~X 7
wobei:

Z₁ * Ahstand zwischen Quelle und Nadelloch»

Wenn man somit den Faktor Z₁ als konstant annimmt, dann wird die spezielle Wellenlänge X in f(\.) ~ R₁ /2\ fokussiert. Die nicht-J fokussierten Wellenlängen werden fast vollständig vom Nadelloch unterdrückt.

Das Signal R des Photoelektronenvervielfachers 28 ist als Funktion von Z=R (Z) und ergibt die in Fig. 6 gezeigte Ausgangsspannungsspitze. Somit ist es offensichtlich, daß eine Bewegung der -14-

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Quelle das vom Detektor 28 empfangene Ausgangssignal verändert:. Die Breite der Spitze in Fig. 6 wird durch die Schärfentiefe (f/ü) bestimmt und beträgt X(f/D) .

Die beiden WellenlängenX und X +ΔΧ können unterschieden werden, wenn

f (λ) - F (λ +Δλ)^ΔΖ = (f/D)² = -^Δ}= f daher:

__ 7 —

^A D 2D

wobei:

D - Durchmesser des größten Rhges des Interferenzbildes. f = Abstand,in welchem das durch die Fresnel-Zonenplatte ge-

j beugte Licht fokussiert \ird.

Da die als Beleuchtung dienende Weißlichtquelle 23 verschiedene Wellenlängen der Strahlung enthält, erfordert die Bestimmung der Wellenlängen der sie zusammensetzenden Frequenzen eine Längenänderung des optischen Lihtweges zwischen dem Bild 21 und dem Nadel-I loch 24. Ein Verfahren zur Änderung der optischen Weglänge besteht

darin, wie anhand der Fig. 4 erklärt wurde, das Nadelloch 24

!auf der Verbindungsachse zwischen diesem und dem Nadelloch 19 zu

!bewegen. Die Stellungsänderung des Nadelloches 24 ergibt eine Fokussierung der verschiedenen Lichtquellenlängen genau am Nadelloch 19.

Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung kann als Spektralanalysegerät

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- is - . - 2232

einfach dadurch verwendet werden, daß der Photoelelctronenvervielfächer 28 an ein geeignetes Anzeigegerät gekoppelt wird» Dann wird die optische Weglänge in eier der vorbeschiaebenen Weisen ver= ,ändert, und die Stellungsänderungen der bewegten Bauelemente werden

i :

dotiert; wenn das maximale Ausgangssignal des Photoelelctronenver=·

:vielfachers anliegt, läßt sich die Wellenlängenzusammensetzung

ι der von der Quelle 23 ausgehenden Strahlung bestimmen«

!Andererseits kann die Einrichtung auch zum Nachweis eines bestimmten Stoffes oder einer Verbindung in der Luft benutzt werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Bestimmung der Wellenlänge der von dieser Verbindung ausgehenden Strahlung» Unter Anwendung von be-= !

kannten Verfahren ist dies auf einfache Weise durchzuführen, denn j .das Spektrum des die meisten chemischen Stoffe durchlaufenden Lichtes ist bekannt und kann aus Tabellen entnommen xirerden» Daher !kann das Nadelloch 24 von der Fresnel°Zonenplatte 21 in einem Ab= stand angeordnet werden, der die erforderliche Fokussierung ergibt. '[Wird dies durchgeführt und dann das die Atmosphäre, in welcher die^!

i . ι

!Anwesenheit der Verbindung angenommen wird_s durchdringende Licht ;

i !untersucht, und das Ausgangssignal des in der Nähe des Nadelloches^: 24 angeordneten Photoelelctronenvervielfachers registriert_s dann läßt /die Anwesenheit oder Abwesenheit der Verbindung in der Atmosphäre nachweisen, durch welche das Licht geleitet wird,, j

Ebenso können Verunreinigungen oder Gase in größeren Entfernungen !nachgewiesen werden, und die Lichtanalyse in größeren Entfernungen kann mithülfe eines Teleskops verbessert werden, das zusammen mit der in Fig. 4 gezeigten 1: in richtung eingesetzt, wird. Bei -If-

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einer solchen Anlage ist das Teleskop vor der Linse 26 angeordnet i

j und dient zur Bündelung des Lichtes entfernter Strahlungsquellen !

auf die Linse 26 und damit auf das Nadelloch 19, wie es für die j Analyse gebraucht wird. Das verwendete Teleskop kann von bekannter Art sein und sein Einbau in die Anlage ist dem Fachmann bekannt.

Die Erfindung eignet sich für spektrometrische Zwecke, da sie ein j genau arbeitendes Gerät und ebenso einfach und billig herzustellen ist. Die Erfindung ist auch vorteilhaft, da ihre optischen Bauteile keine Präzisionsbauteile und nicht kompensiert sein müssen. j Die vorstehend erwähnte Auflösung kann normalerweise nur dann erreicht werden, wenn die optischen Bündelungselemente wie die Linse oder das Teleskop bis auf den Bruchteil einer Wellenlänge genau und vollkommen wären. Somit müßten alle Linsen, Glasplatten und Emulsionen bis auf den Faktor 0, 1 perfekt sein. Diese Forderung ist äußerst schwierig und nur mit sehr hohen Kosten zu erreichen. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung können alle Linsen und optischen Bauteile in der gleichen geometrischen Beziehung sowohl für die Aufzeichnung des Interferenzbildes als auch für die spektrographischen Messungen verwendet werden. Daher lassen sich auch weniger genaue optische Bauteile verwenden, da die Unvollkommenheiten kompensiert werden, weil die dinch die Unvollkommenheiten bei der Aufnahme erzeugten "Fehler" genau beim Bildwiederaufbau ausgeglichen werden. '■

Die Möglichkeit zur Verwendung weniger perfekter optischer Bau- , teile erstreckt sich auch auf die Herstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Somit kann auch das Nadelloch 19 weniger genau

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- 17 - . ι:

dimensioniert und positioniert werden, da sich die Fehler bei der J Aufnahme oder Aufzeichnung und dem Bildxviederaufbau aufheben» Da

i die Einrifhtung mit optischer Rückverkleinerung arbeitet, braucht auch das Nadelloch 24 nicht so eng toleriert zu sein» Der Grund dafür liegt darin, daß sich das bewegliche Nadelloch 24 in einem verhältnismäßig großen Abstand von der Kombination Nadelloch 19/ Zonenplatte 21 befindet, woraus sich weniger strenge Toleranzfor™ derungen ergeben.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfin= dung wird die optische Weglänge durch eine Stellungsänderung von einem oder mehreren Elementen der optischen Einrichtung verändert» Ein anderes Verfahren zur Änderung der optischen Weglänge besteht aus einer Änderung der Brechungszahl der optischen Einrichtung. Bei der Einrichtung der Fig„ 2 kann der Brechungsindex dadurch ver änderlich gemacht werden, daß der Träger 16 als ein durchsichtiges Hohlteil hergestellt wird» Ebenso muß eine Möglichkeit zum Einfüllen und ^auslassen einer Flüssigkeit in und aus dem Hohlraum des Trägers vorgesehen sein» Eine Flüssigkeit mit einer bekannten Brechungszahl wird in den Träger 16 eingefüllt und dann wird ein Interferenzbild unter Verwendung einer bekannten Lichtwellenlänge aufgenommen. Wird dann dieses Aggregat als Spektrometer benutzt, dann fokussiert das Licht mit der gleichen Wellenlänge wie das für die Aufnahme benutzte Licht an einem Punkt, der sich im gleichen Abstand vom Interferenzbild 21 wie das Nadelloch 19 befindet» Andere Wellenlängen fokussieren jedoch entweder vor oder hinter diesem Punkt. Die optische Wegiänge im Träger 16 kann durch eine

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Änderung der Brechungszahl des Trägers 16 verändert werden. In der Anordnung der Fig. 3 kann die optische Weglänge durch eine Herabsetzung der Brechungszahl der Flüssigkeit im Träger 16 vergrößert werden. Ebenso wird eine Verkleinerung der optischen Weglänge durch eine Erhöhung der Brechungszahl bewirkt. Somit können die Teilfrequenzen der Quelle 23 durch eine Auswechslung der Flüssigkeit im Träger 16 identifiziert werden.

Die Schemazeichnung der Fig. 7 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Anwendung des Verfahrens der Änderung der optischen Weglänge der Einrichtung durch eine Änderung der i ßrechunüzahl der Einrichtung. Die Einrichtung umfaßt den Träger 16, der eine variable oder feste Brechungszahl besitzen kann, das Nadelloch 19 sowie das Aufnahmemedium 21 für das Interferenzbild wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 2. Der Träger 16 ist mit der Hohllinse 33 fest verbunden, so daß das Licht vom Bild 21 zum Nadelloch 34 in der Linse 33 läuft. Die Linse 33 ist mit einem beliebigen geeigneten Verschlußstöpsel 36 versehen, so daß die Linse 33 mit Flüssigkeit gefüllt und wieder entleert werden kann. Der Detektor 37 ist nahe dem Nadelloch 34 angeordnet, um das Fokussieren und Nicht-fokusieren am Nadelloch 34 anzuzeigen.

Am Eingang der Einrichtung sind der Beleuchtungsträger 38 und der Linsenträger 39 vorgesehen. Die Träger 38 und 39 dienen als Halterung für die Lichtquelle 41 und die Fokussierlinse 43. Die Quelle 41 ist die zu analysierende Strahlungsquelle, und die Linse 4 2 bündelt das Licht am Nadelloch 19.

-19-

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Die Quelle 41, Linse 42, der optische Träger 16 und die HohUinse

33 sind auf der Grundplatte 43 montiert, so daß ihre relativen ι
!Ausrichtungen und Abstände fixiert sind.

Wenn ein Interferenzbild aufgenommen wird_s dann wird die Quelle 41 durch eine Quelle mit kohärentem Licht ersetzt, und das Medium 21 i wird so belichtet, wie es vorstehend anhand der Fig. 2 beschrieben: wurde. Zur Zeit der Aufnahme enthält die Hohllinse 33 ein Strömung^

mittel, dessen Brechungsindex eine Fokussierung der bildaufbauen- !den Wellenlänge am Nadelloch 34 bewirkt» Dann wird das Interferenz bild dauerhaft aufgenommen»

Dann wird die kohärente Lichtquelle durch die zu untersuchende Quelle 41 ersetzt. Wenn die Quelle 41 eine Teilfrequenz mit einer Wellenlänge enthält, die gleich ist der bildaufbauenden Wellenlänge, dann ergibt sich eine Spannungsspitze wie in Fig. 6. Andere Wellenlängen fokussieren entweder vor oder hinter dem Nadelloch 34 Durch eine entsprechende Vergrößerung oder Verkleinerung des Brechungsindex des in der Hohllinse 33 enthaltenen Strömungsmittel können auch diese Wellenlängen zur Bündelung am Nadelloch 34 gebracht werden. Die Beziehung zwischen Brennweite, Wellenlänge und j Brechungszahl wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

wobei:

f = R_T ²/2n\

R₁= Abstand zum ersten Ring in der Fresnel-Zonen-

platte. !

Λ = Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung im Vakuum*

3098 11/06 9 2

" ²⁰ ' 22399U

η = Brechungszahl des Mediums, durch welchen der optische Weg verläuft.

Wenn f und R₁ konstant sind, dann ist die auf das Ifelelloch fokussierte Wellenlänge der Brechungszahl umgekehrt proportional:

λ =ot/n

wobei:

<X= R₁ ²/2f ;

!Falls gewünscht, kann der optische Träger auch mit einem veränder-'liehen Brechungsindex ausgelegt werden. Da sowohl der Brechungsindex des Trägers 16 oder der Linse 33 bzw. beide Brechuiß zahlen verändert werden können, steht ein weiter Bereich von Variationen zur Verfügung, so daß Lichtquellen mit einem großen Bereich von pektralanteilen genau analysiert werden können.

Verschiedene Vorteile der Einrichtung der Fig. 7 sind sofort augencheinlich. Erstens, da die gleichen optischen Bausteine sowohl für ie Aufnahme als auch für den Bildwiederaufbau verwendet werden und| la die Stellungen und Ausrichtungen der Bausteine feststehen, wird lutomatisch ein wreitgehend vollständiger Ausgleich für Mängel der iausteine geboten. Zweitens, da keine Abmessungsdaten erforderlich ind, können die Bausteine permanent und fest auf der Grundplatte ι 3 angebracht werden, wodurch das Gerät entsprechend stabil wird. Aufgrund der automatischen Fehlerkompensation können auch billige optische Bausteine verwendet werden. Aus den gleichen wirtschaftlichen Gründen ist keine Präzisionsmontage der Bausteine erforderlich^ v/odurch die Lohnkosten bei der herstellung der üinrichtung sehr

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! - 21 -

iniedrig gehalten werden können.

j
Fig. 3 zeigt ein anderes Anwendungsverfahren für die dauerhaft aufgezeichnete Fresnel-Zonenplatte als Spektrometer. In diesem Fall ist das dauerhaft aufgezeichnete Interferenzbild oder die Fresnel-Zonenplatte 21 so angeordnet, daß es weißes Licht von der Quelle , 46 durch das Nadelloch 47 empfängt. Das vom Nadelloch 47 ausgestrahlte weiße Licht wird durch die linse 48 gebrochen, so daß es

ι im wesentlichen in der Form von paralleüm Strahlen auf das Inter- :

ferenzbild auftrifft. Wenn die Wellenlänge X der von Beleuchtungs-j quelle 46 emittierten Strahlung gleich ist der das Interferenzbild j aufbauenden Wellenlänge, d.h. der in Fig. 2 dargestellten Strahlung

N I

Λ. , dann fokussiert das die Fresnel-Zonenplatte 21 durchlaufende ' Licht am Nadelloch 19 in der Schicht 18. Wenn jedoch die Wellen-" länge a_y der von der Lichtquelle 46 aus gesandten Strahlung vonX verschieden ist, dann fokussiert die das Interferenzbild 21 durchlaufende Strahlung an einem Punkt, der seitlich des Nadelloches 19 liegt und durch die gestrichelten Linien 49 dargestellt wird. Die Bündelung der Strahlung am Nadelloch 19 wird durch den Detektor 28 in der gleichen Weise abgetastet wie bei den anderen, vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung.

Wenn eine Weißlichtquelle als Lichtquelle 46 dient, dann enthält das das Nadelloch 47 durchlaufende und von ihm aus abgestrahlte Licht verschiedenen Wellenlängen. Bei den früheren Verfahren wurden! die verschiedenen Fokuspunkte dieser Strahlung gegenüber dem Nadelj loch 19 durch eine Verschiebung dieses Nadelloches gegenüber dem | Interferenzbild 21 bestimmt. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung

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läßt sich dies jedoch nicht durchführen, da der Abstand zwischen dem Nadelloch 19 und dem Interferenzbild 21 dadurch fixiert wurde, daß diese beiden Elemente auf den lichtdurchlässigen Träger 16 aufgebracht wurden. Um daher die Wellenlänge der Teilfrequenzen der Lichtquelle 46 bestimmen zu können, muß die Länge des optischen Weges, den das Licht zwischen der Quelle 46 und dem Nadelloch 19 durchläuft, geändert werden. Dies wird durch eine Verschiebung des Nadelloches 47 auf der Verbindungsachse zwischen der Quelle 46 und dem Nadelloch 19 erreicht, d.h. durch eine Verschiebung auf einer

! zur Oberfläche des Interferenzbildes 21 senkrechten Achse. Die

! Stellungsänderung des Nadelloches 47 ergibt eine Fokussierung der ι verschiedenen Lichtwellenlängen genau am Nadelloch 19 in Übereinstimmung mit dem vorstehend gegebenen Beziehungen und Gleichungen.

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Claims (19)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur Herstellung eines Spektrometer, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: Herstellung eines Trägers aus einem für di© 21a. untersuchende Strahlung durchlässigen Stoff, so daß der Träger zwei parallele Obarf lachen besitzt, Aufbringen einer strahlungsempfindlichen Schicht auf die eine Oberfläche des Stoffes, die eine dauerhafte Aufnahme des in der auffallenden Strahlung enthaltenen Interferenzbildes anfertigen kann. Aufbringen einer Schicht aus j strahlungsbeugendem Stoff auf die andere Oberfläche, Ausformung eines Nadelloches im strahlungsbeugenden Stoff, gleichzeitige ^! Beleuchtung des strahlungsempfindlichen Stoffes und des Nadel- 1 loches mit Strahlung von einer bestimmten Wellenlänge zum Aufbau eines Interferenzbildes im strahlungsempfindlichen Stoff und eine Behandlung dieses Stoffes zur dauerhaften Aufzeichnung des Interferenzbildes.

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2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden parallelen Oberflächen so gewählt wird, daß die das Interfeimzbild beleuchtende Strahlung von einer bestimmten Wellenlänge am Nadelloch gebündelt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsbeugende Stoff so gewählt wird, daß er einen Teil der einfallenden Strahlung absorbiert und einen Teil davon durchläßt, so daß die Beleuchtung dadurch bewirkt wird, daß der strahlungsbeugende Stoff mit der Ausgangsstrahlung einer kohärenten Strahlungsquelle beleuchtet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsbeugende Stoff so gewählt wird, daß er für die Strahlung duimlässig ist und eine Brechungszahl hat, die von deJ: Brechungszahl des Trägers verschieden ist.
5. 5. Hologrammspektrometer zur Identifizierung der Wellenlängen eine:" von einer Quelle nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 4 emittierten elektromagnetischen Strahlung, dadurch gekennzeich- j net, daß es die folgenden Baugruppen umfaßt: eine Anordnung (16, 18, 21) mit einer dauerhaften Aufnahme eines Interferenzbildes entsprechend einer bestimmten Wellenlänge der Strahlung, eine elektromagnetische Strahlungsquelle (23, 41, 46) zur Beleuchtung der Anordnung, einen Strahlungsdetektor (28, 37) zur Abtastung der Strahlung der Quelle, nachdem sie die Anordnung durchlaufen hat, und schließlich üinrichtungen (47, 24, 34, 16,'

   33) zur .Veränderung der Länge des optischen Weges zwischen der

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   Quelle und dem Strahlungsdetektor (28, 37).
6. 6. Spektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (16, 18, 21) die folgenden Baugruppen umfaßt: einen

   für die bildaufbauende Strahlng durchlässigen Träger (16) mit ! mindestens zwei parallelen ebenen Oberflächen (18, 21), eine ι erste Stoffschicht mit einem gewünschten Muster (19) auf einer der Oberflächen (18), so daß die die Schicht durchlaufende Strahlung das Muster auf die andere Oberfläche (21) wirft, eine Sdiicht aus s trahlungs empfindlichem Stoff auf der anderen Ober- ] fläche (21) zur dauerhaften Aufzeichnung des in der Strahlung enthaltenen Informationsbildes (Fig. 5).
7. 7. Spektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) dreidimensional ist und eine optische Weglänge zwischen den 0berflächen(18, 21) aufweist, die so gewählt ist, daß die Strahlung von einer gewählten Wellenlänge normalerweise auf eine der Oberflächen fokussiert wird, wenn die Strahlung von Punkten auf der anderen Oberfläche austritt.
8. 8. Spektrometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild eh holographisches Interferenzbild ist und die j Strahlung die kohärente Ausgangsstrahlung eines nach den Grundsätzen der Lasertechnik arbeitenden Gerätes ist.
9. 9. Spektrometer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung die monochromatische Ausgangsstrah-

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   lung einer Lichtquelle (17) ist.
10. 10. Spektrometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

    daß der Träger(16) ein Festkörper aus einem Stoff ist, dessen Brechungszahl größer als 1 ist.
11. 11. Spektrometer nach Anspruch 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stoffschicht (18) aus einem strahlungsdurchlässigen Material besteht, dessen Brechungszahl von der Brechungszahl des Träger (16) verschieden ist sowie dadurch, daß das Muster (19) ein Nadelloch ist.
12. 12. Spektrometer nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) ein lichtdurchlässiger Hohlbehälter mit Einrichtungen zum tinfüllen und Ablassen eines Strömungsmittels ist, um die Brechungszahl des Trägers zu ändern, so daß die optische Weglänge variabel ist.
13. 13. Spektrometer nach Anspruch 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (18) für einen Teil der einfallenden Strahlung gleichmäßig durchlässig und für den anderen Teil der einfallenden Strahlung gleichmäßig undurchlässig ist.
14. 14. Spektrometer nach Anspruch 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlung eine kohärente Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge ist sowie dadurch, daß die optische .'.'eglänge zwiscnen den Schichten (Fig. 2) so gewühlt ist, daß die

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    das Interferenzbild durchlaufende Energie voiieiner bestimmten Wellenlänge am Nadelloch (19) fokussiert.
15. 15. Spektrometer nach Anspruch 5 bis "14, dadurch gekennzeichnet, daß es auch eine in unmittelbarer Nähe, des Detektors (28, 37) i angeordnete Strahlungsöffnung (19,(FIg₀ 3); 24; 34) umfaßt. j
16. 16. Spektrometer nach Anspruch 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlungsquelle eine Laser_quelle (17) und eine ! Linse (22) umfaßt, daß die Linse einen Teil der Ausgangsstrah-, lung des Lasers am Nadelloch (19) bündelt und daß ein anderer , Teil der Ausgangsstrahlung des Lasers den durchlässigen Stoff (18) als Bezugsstrahl durchläuft, so daß ein Interferenzbild erzeugt wird (Fig. 2).
17. 17. Spektrometer nach Anspruch 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine starr am Träger (16) befestigte Hohllinse (33) vorgesehen ist, daß die Hohllinse (33) auf ihrer Abstrahlfläche ein Nadelloch (34) besitzt sowie dadurch, daß die Einrichtung zur Änderung der optischen Weglänge zwischen der Quelle (41) und dem Detektor (37) mit Mitteln zur Änderung der Brechungs- \ zahl von mindestens jeweils des Trägers (16) und der Hohllinse (33) versehen ist.
18. 18. Spektrometer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die liohllinse (33) Einrichtungen (36), beispielsweise einen beliebigen geeigneten Stöpsel, zum liinfüllen in die und Ablassen aus dor liohllinse eines Strömungsmittels mit der entsprechende^

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    - 28 Brechungszahl besitzt.
19. 19. Spektrometer nacli einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekenn+· zeichnet, daß die Einrichtungen zur Änderungen der optischen ;

    Weglänge zwischen der Quelle (23, 46) und dem Detektor (28) I eil Nadelloch (47, 24) umfaßt, das entweder zwischen der Quelle! und dem Interferenzbild (21)(Fig. 3) oder zwischen dem Inter- ;

    ferenzbild (21) und dem Detektor (28) (Fig. 4) gleitend ge- | lagert ist. |

    2CK Spektrometer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (28) so angeordnet ist, daß er zusammen mit dem Nadelloch (24) verschoben wird.

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