DE2539183A1 - Optisches system mit strahlenteilern - Google Patents
Optisches system mit strahlenteilernInfo
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Description
PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
αη-Μα
H. KiNKELDEY
[»MG
2539183 W. STOCKMAlR
K. SCHUMANN
P. H. JAKOB
OFt-MG
G. BEZOLD
MÜNCHEN E. K. WEIL
LINDAU
8 MÜNCHEN 22
3. Sept. 1975 P 94-36
The Perkin-Elmer Corporation
Norwalk, Connecticut 06852, USA
Norwalk, Connecticut 06852, USA
Optisches System mit Strahlenteilern
Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Blende und mit zwei Strahlenteilern in dem gleichen Strahlengang,
sowie ein optisches Meßinstrument mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zum Formen eines ersten Strahlenbündels,
einem ersten Strahlenteiler in dem ersten Strahlenbündel, der einen Probenstrahl und einen Bezugstrahl formt, einem
zweiten Strahlenteiler, Gliedern zum Lenken des Probenstrahles und des Bezugstrahles in den zweiten Strahlenteiler, um
einen wiedervereinigten Strahl zu bilden, und mit einer Ein-
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richtung zum Analysieren des wiedervereinigten Strahles.
Die Erfindung ist bevorzugt für optische Instrumente, wie
Atomabsorptionsspektrometer, nützlich. In einem Typ eines
Atomabsorptionsspektronieters werden zwei Strahlenteiler verwendet. Der eine empfängt Strahlung von einer Lampe und teilt diese
in einen Probenstrahl und einen Bezugstrahl. Der Probenstrahl wird zu einem Spaltbild in dem Probenatomisierungsbereich
(z.B. einer Flamme) fokussiert und danach vereinigt der zweite Strahlenteiler den Probenstrahl und den Bezugstrahl
wieder und der vereinigte Strahl wird danach durch einen Monochromator zu einem Detektor geschickt. Die Strahlenteiler, die
zuerst für die Verwendung in dem oben erwähnten Instrument vorgeschlagen wurden, sind vom herkömmlichen "ZiegelM-Typ
(brick-type). Bei der Anwendung solcher Strahlenteiler hat sich Jedoch herausgestellt, daß ein unerwünscht hoher Rauschpegel
vorhanden war. Untersuchungen fanden, daß dieses Rauschen von einer zeitabhängigen Schwankung in der optischen Homogenität
der Flamme oder Probe stammt. Das im Probenbereich erzeugte Spaltbild ist annähernd 0,5 mm breit und 3-7 mm hoch. Das
Ziegelmuster des ersten Strahlenteilers wurde auf dem zweiten durch eine Iiochoptik über das Medium des Spaltbildes in rohen
Zügen abgebildet. Es stellte sich heraus, daß Sehliereneffette
das Bild des ersten Strahlenteilers auf dem zweiten Strahlenteiler sich verschieben oder schwanken ließen, wodurch ein
Bauschen entstand.
Die Erfindung will deshalb zwei Strahlenteiler für ein optisches Meßinstrument vorsehen, die das durch Schliereneffekte
verursachte Rauschen auf ein Minimum reduzieren. Es ist jedoch auch noch wichtig, einige andere, für ein gut konstruiertes
Instrument entscheidende Gesichtspunkte zu beachten. Deshalb will die Erfindung auch noch Strahlenteiler vorsehen, deren
Verhältnis von reflektiertem zu durchfallendem licht über den UV-Bereich und den sichtbaren Bereich im wesentlichen
konstant ist, die ferner eine Einstellung dieses Verhältnis-
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sea auf einen gewünschten Wert gestatten, die in den optischen Eigenschaften, wie der relativen Intensität, der Wellenlänge
und der Breite des Spektralspaltes, zueinander passen und die schließlich eine hohe Effizienz "bieten, etwa durch niedrige
Absorptionsverluste.
Erfindungsgemäß hat in einem optischen System der eingangs erwähnten Art jeder Strahlenteiler abwechselnde reflektierende
und durchlässige Streifen, wobei die Streifen des ersten Strahlenteilers im rechten Winkel zu denjenigen des zweiten
Strahlenteilers verlaufen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
Pig.1 ein Atom-Absorptionsspektrometer, das die erfindungsgemäßen
Strahlenteiler enthält;
Pig.2 eine Seitenansicht eines der erfindungsgemäßen Strahlenteiler;
Pig.3 eine Seitenansicht des anderen Strahlenteilers gemäß
der Erfindung;
Pig.4 die Abbildung des einen Strahlenteilers auf dem anderen
zum besseren Verständnis der Punktionsweise der Erfindung.
In Pig.1 ist ein Atom-Absorptionsspektrometer 10 dargestellt,
das eine Strahlungsquelle 12, etwa eine Hohlkathodenlampe, hat. Die Strahlungsquelle 12 richtet ein Bündel monochromatischer
Strahlung auf einen ebenen Spiegel 14, von wo das Strahlenbündel zu einem fokussierenden Toroidspiegel 16 gelenkt
wird. Der Spiegel 16 richtet die Strahlung auf einen ortsfesten Strahlenteiler 18, der einen Teil der Strahlung in
einem Probenstrahl S reflektiert, von dem in dem !Erobenbereich
20 ein Spaltbild I der Strahlungsquelle geformt wird. Der durchgehende Teil der Strahlung geht weiter durch den
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Strahlenteiler 18 zu einem Planspiegel 22, der einen Bezugstrahl S formt, der in einem Abstand parallel zum Probenetrahl
verläuft. Hach dem Durchgang durch den Probenbereich
wird der Probenstrahl von einem Planspiegel 24 auf einen zweiten, ortsfesten Strahlenteiler 26 reflektiert, der auch in
dem Bezugstrahl R liegt. Dabei werden der Probenstrahl und der Bezugstrahl wiedervereinigt und ein Toroidspiegel 28 reflektiert die Strahlung durch eine Eintrittsblende 34 und über
Planspiegel 30, 32 zu einem Bild im Eintrittsspalt 36 eines
Monochromators 38. Der Monochromator 38 arbeitet in üblicher
V/eise mit einem parallelrichtenden Spiegel 40 und einem Gitter 42, um ein schmales Wellenlängenband auszublenden und mit
ihm am Austrittsspalt 44 ein Bild zu erzeugen, worauf die Strahlung vom Austrittsspalt auf einen Detektor 46 fällt. Ein von
einem Motor 50 angetriebener lichtundurchlässiger Zerhacker 48 ist derart angeordnet, daß er periodisch den Probenstrahl
und den Bezugstrahl in der gewünschten Folge abdeckt.
Zwei der fünf angestrebten Zeiele der Erfindung, nämlich die
TJnempfindlichkeit gegenüber zeitabhängigen Änderungen der optischen
Homogenität der Probenumgebung und das Zueinanderpassen
der optischen Eigenschaften der Strahlen können mit halbdurchlässigen Strahlenteilern erreicht werden. Solche Strahlenteiler
können beispielsweise durch Aufdampfen einer gleichmäs— sigen dünnen reflektierenden Schicht auf einem Quarzglassubstrat gebildet werden. Doch würden solche Strahlenteiler entweder
die übrigen Ziele nicht erreichen oder sie wären in der Praxis nur schwer zu kontrollieren. Die Strahlenteiler
mit "Ziegelaufbau11, die bisher verwendet werden, erfüllen
zwar die zweite der oben genannten Bedingungen, sind aber, wie schon erwähnt, empfindlich für Schliereneffekte, die in
der Probenumgebung entstehen. Die erfindungsgemäßen Strahlenteiler, die in Kombination alle oben aufgeführten Ziele
erreichen, werden nun mit Bezugnahme auf die Fig·2 und 3 beschrieben·
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Fig· 2 zeigt den Strahlenteiler 18. Er weist ein Quarzglassubstrat
auf, auf dem eine mit Aluminium bedampfte spiegelnde Oberfläche in der Form mehrerer vertikaler reflektierender
Streifen 52 angebracht ist, die voneinander durch durchsichtige Bereiche 54 getrennt sind. Weiter weist der Strahlenteiler 18 einen linken reflektierenden Teil 56 und einen rechten reflektierenden !Teil 58 auf, die breiter sind als die reflektierenden Streifen 52. Das Verhältnis der reflektierenden zu den durchlässigen Bereichen des Strahlenteilers 18 kann an die jeweiligen Verwendungsbedingungen angepaßt werden. Bei dem dargestellten Strahlenteiler sind z.B. die reflektierenden und
durchlässigen Streifen annähernd gleich und haben eine Breite von etwas mehr als 1 mm.
Streifen 52 angebracht ist, die voneinander durch durchsichtige Bereiche 54 getrennt sind. Weiter weist der Strahlenteiler 18 einen linken reflektierenden Teil 56 und einen rechten reflektierenden !Teil 58 auf, die breiter sind als die reflektierenden Streifen 52. Das Verhältnis der reflektierenden zu den durchlässigen Bereichen des Strahlenteilers 18 kann an die jeweiligen Verwendungsbedingungen angepaßt werden. Bei dem dargestellten Strahlenteiler sind z.B. die reflektierenden und
durchlässigen Streifen annähernd gleich und haben eine Breite von etwas mehr als 1 mm.
Pig.3 veranschaulicht den zweiten Strahlenteiler 26, der in den
meisten Punkten dem Strahlenteiler 18 gleicht. Doch laufen
bei dieser Ausführung die Streifen horizontal in Form von reflektierenden Streifen 62, die durch transparente Bereiche 64 voneinander getrennt sind. Der Strahlenteiler 26 hat außerdem einen oberen reflektierenden Teil 66 und einen unteren reflektierenden Teil 68, die beide breiter sind als die reflektierenden Streifen 62. Das Verhältnis von Eeflexion zu Transmission kann auch beim zweiten Strahlenteiler variiert werden, um den gestellten Anforderungen zu genügen; in einer Ausführungsform jedoch, die zur Benutzung mit dem vorher beschriebenen Strahlenteiler 18 bestimmt ist, sind die reflektierenden Streifen etwas breiter als die transparenten Streifen, um einen größeren Anteil der Strahlung vom Probenstrahl S aufzunehmen. In einem praktischen Beispiel beträgt die Breite jedes reflektierenden Streifens 62 annähernd 2,36 mm, während die Breite jedes
durchlässigen Streifens 64 annähernd 1,15 mm ist.
bei dieser Ausführung die Streifen horizontal in Form von reflektierenden Streifen 62, die durch transparente Bereiche 64 voneinander getrennt sind. Der Strahlenteiler 26 hat außerdem einen oberen reflektierenden Teil 66 und einen unteren reflektierenden Teil 68, die beide breiter sind als die reflektierenden Streifen 62. Das Verhältnis von Eeflexion zu Transmission kann auch beim zweiten Strahlenteiler variiert werden, um den gestellten Anforderungen zu genügen; in einer Ausführungsform jedoch, die zur Benutzung mit dem vorher beschriebenen Strahlenteiler 18 bestimmt ist, sind die reflektierenden Streifen etwas breiter als die transparenten Streifen, um einen größeren Anteil der Strahlung vom Probenstrahl S aufzunehmen. In einem praktischen Beispiel beträgt die Breite jedes reflektierenden Streifens 62 annähernd 2,36 mm, während die Breite jedes
durchlässigen Streifens 64 annähernd 1,15 mm ist.
Die gestrichelten Linien 60 sind nicht körperliche Teile der
Strahlenteiler 18 und 26, sondern definieren nur die freie
Öffnung des Systems; sie sind angebracht, um ein wichtiges
Merkmal zu illustrieren, nämlich daß an den betreffenden Strah-
Strahlenteiler 18 und 26, sondern definieren nur die freie
Öffnung des Systems; sie sind angebracht, um ein wichtiges
Merkmal zu illustrieren, nämlich daß an den betreffenden Strah-
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lenteilem die Streifen sich vertikal bzw. horizontal ein gutes
Stück über die Öffnung hinaus erstrecken, aber horizontal bzw. vertikal ein Stück weit in die Öffnung gerückt sind.
Wie oben erläutert, hat das Spaltbild I eine Breite von nur etwa 0,5 mm und wirkt daher als Loch, das eine rohe Abbildung
dea Strahlenteilers 18 auf dem Strahlenteiler 26 erzeugt. Das
Resultat iat in Fig·4 veranschaulicht, wo etwas sohemati—
eiert der Strahlenteiler 26', überlagert von dem Bild 18» des
Strahlenteilers 18, gezeigt ist. Die Umrisse der beiden Strahlenteiler sind verzerrt, so daß sie sich nicht abdecken, und
die Streifen sind in geringerer Zahl und viel breiter als in Wirklichkeit dargestellt, um die Punktion der Erfindung deutlich
zu machen. Die Öffnung 60 ist mit gestrichelten Linien gezeigt.
Der Probenstrahl wird an den reflektierenden Teilen des Strahlenteilers
18 reflektiert und wo diese reflektierten Teile des Probenstrahles auf die reflektierenden Teile des Strahlenteilers
26 auftreffen, werden sie noch einmal reflektiert und sind als schräg schraffierte Bereiche S1 dargestellt. Das durch
die durchlässigen Teile des Strahlenteilers 18 fallende licht bildet den Bezugstrahl und die Teile, die danach auch durch
die durchlässigen Teile des Strahlenteilers 26 gehen, treten in den wiedervereinigten Strahl ein und sind durch eine entgegengesetzte
Schraffierung veranschaulicht und mit E1 bezeichnet.
Himrnt man nun an, daß Schliereneffekte im Probenbereich 20
des Spektrometers das Bild 18* des ersten Strahlenteilers sich
auf der Oberfläche des Strahlenteilers 26' bewegen lassen, so ist zu beobachten, daß dabei keine merkliche Inderung des
Verhältnisses der Probenstrahl-Strahlung S1 zur Bezugstrahl-Strahlung
E* eintritt. Da die Streifen rechtwinkelig zueinander
verlaufen, ist die Kombination von horizontalen und vertikalen Streifen unempfindlich gegen eine Strahlablenkung.
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Außerdem werden Randeffekte dadurch ausgeschaltet, daß die
Streifen innerhalb der freien Öffnung 60 gehalten werden und der Strahl im Probenbereich im optischen Strahl des Systems
etwas überwiegt·
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Claims (10)
1. Optisches System mit einer Blende und zwei Strahlenteilern
im gleichen Strahlengang, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahlenteiler (18, 26) sich abwechselnde reflektierende
und lichtdurchlässige Streifen (52, 54; 62, 64) hat una
daß die Streifen (52, 54) des einen Strahlenteilers (18) im rechten Winkel zu denjenigen (62, 64) des anderen
Strahlenteilerβ (26) verlaufen·
2· System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Streifen von wenigstens einem der Strahlenteiler
(18, 26) über die Ränder der freien öffnung (60) hinausreichen·
3· System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Enden der Streifen beider Strahlenteiler (18, 26) über die
Ränder der öffnung (60) hinausreichen.
4. Optisches Meßinstrument mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zum Formen eines ersten Strahlenbündels, einem
ersten Strahlenteiler in dem ersten Strahlenbündel, der einen Probenstrahl und einen Bezugstrahl formt, einem zweiten
Strahlenteiler, Glieder zum Lenken des Probenstrahles und des Bezugstrahles auf den zweiten Strahlenteiler, um
einen wiedervereinigten Strahl zu bilden, und einer Einrichtung zum Analysieren des wied ervereinigt en Strahles,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahlenteiler (18, 26) einander abwechselnde reflektierende und lichtdurchlässige
Streifen (52, 54$ 62, 64) hat und daß die Projektionen der Streifen des einen Strahlenteilers in eine zur optischen
Achse senkrechte Ebene orthogonal um die optische Aohse zu den Projektionen der Streifen des anderen Strahlenteilers
sind·
5. Meßinstrument nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß
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— g _
der Probenstrahl (S) in dem Strahlengang zwisehen dem ersten
und zweiten Strahlenteiler (18, 26) einen Brennpunkt bildet.
6· Meßinstrument nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Streifen von wenigstens einem der
Strahlenteiler über die Ränder der optischen öffnung des
Instrumentes hinausreichen.
7. Meßinstrument nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Streifen beider Strahlenteiler
(18, 26) über die Ränder der optischen Öffnung dea Instrumentes hinausreichen.
8. Meßinstrument nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Streifen wenigstens eines der
Strahlenteiler in der optischen Öffnung des Instrumentes liegen.
9. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ränder der Streifen beider Strahlenteiler in der optischen öffnung des Instrumentes liegen.
10. Meßinstrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Probenstrahl (S) im Strahlengang zwischen dem ersten und zweiten Strahlenteiler (18, 26) ein Bild formt.
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