DE255788C

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Publication number: DE255788C
Application number: DE1911255788D
Authority: DE
Priority date: 1911-10-21
Filing date: 1911-10-21
Publication date: 1913-01-22

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 255788 KLASSE 42 h. GRUPPE

Spektrometer. Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. Oktober 1911 ab.

Zu einem Spektroskop gehören außer dem dispergierenden Teile ein Kollimator und ein den Spalt abbildendes System. In der klassischen Form besteht das letztere für subjektives Sehen aus einem auf unendlich gestellten Fernrohr, der Kollimator, in seiner Konstruktion sich daran anschließend, aus einem Fernrohrobjektiv.

Die Lichtmenge, welche der Apparat aufzunehmen vermag, ist bedingt durch die freie Fläche des Spaltes und den körperlichen Winkel, unter dem einem im Spalte befindlichen Auge die Kollimatorlinse erscheint. Diese Lichtmenge kann im günstigsten Falle im Spaltbild wieder vereinigt werden, und die dorthin kommende Lichtmenge bestimmt zusammen mit der Größe des Spaltbildes dessen spezifische Helligkeit. Da die Höhe (Länge) des Spaltes für die spezifische Helligkeit belanglos ist, soll in folgendem zunächst nicht von ihr gesprochen werden. Wir wollen im Gegenteil annehmen, der Spalt sei so kurz und so angebracht, daß wir ihn als einen in der Achse der Kollimatorlinse gelegenen Punkt betrachten können. Es sei ferner zunächst einfarbiges Licht vorausgesetzt. Wir nehmen weiter den in der Praxis fast immer gegebenen Fall an, daß es sich um eine Lichtquelle von endlicher Ausdehnung handelt.

Es ist nun wünschenswert, möglichst hohe Lichtstärken zu erzielen, zunächst also möglichst große Lichtmengen dem Apparat nutzbar' zuzuführen. Dies läßt sich erreichen durch Vergrößerung der absoluten Öffnung der Kollimatorlinse und, da dies bald eine praktische Grenze findet, durch gleichzeitige Vergrößerung der relativen Öffnung. Beide Mittel hat man verwendet; man hat sich aber eine Anzahl konstruktiver Vorteile dadurch entgehen lassen, daß man den Kollimator immer wesentlich als eine Umkehrung des abbildenden Systems betrachtete.

Beide Systeme sind aber nach verschiedenen Gesichtspunkten zu behandeln. Im Kollimator kommt es darauf an, daß möglichst weit geöffnete Bündel (im Unendlichen) scharf abgebildet werden, dagegen genügt es (im Gegensatz zu den Anforderungen an ein photographisches oder Fernrohrobjektiv), wenn diese Bedingung nur für ein kleines, der Achse benachbartes Gebiet von Lichtpunkten erfüllt ist. Mit anderen Worten: der Kollimator ist als ein Mikroskopobjektiv (nicht als Fernrohr oder photographisches Objektiv) zu behandeln. Dieselben Bedingungen, welche dort bekanntlieh aus Gründen des Auflösungsvermögens gestellt werden, kommen hier aus Gründen der Ähnlichkeit der Abbildung und der Helligkeit in Betracht.

Das abbildende System läßt sich (für manche Fälle sogar zweckmäßig) ebenso behandeln (z. B. als ein System von zwei getrennten Linsen verschieden großer Öffnung und Brennweite) oder in der seither üblichen Weise.

Die denkbar beste Lösung muß zurückgehen auf die Verwendung aplanatischer Punkte. Als aplanatische Punkte eines Linsensystems definieren wir mit Abbe »konjugierte Punkte der Achse, für welche die sphärische Aberration eines Strahlenkegels von endlichem Öff-

nungswinkel gehoben und zugleich Proportionalität der Sinus der Neigungswinkel konjugierter Strahlen herbeigeführt ist«. Dieser Bedingung ist bekanntlich weitgehend im Immersionssystem genügt.

Die vorliegende Erfindung besteht nun darin, daß der Kollimator aus einem aus brechenden Kugelflächen gebildeten aplanatischen System besteht und der Spalt oder die Lichtquelle

ίο sich an der Stelle des einen aplanatischen Punktes befindet. Wie man mehrere brechende Kugelflächen zu einem streng aplanatischen System vereinigen kann, ist an sich bekannt. Doch ist hierbei der eine der konjugierten aplanatischen Punkte immer virtuell. Durch die Fig. 1 bis 4 sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.

An die Halbkugellinse A (Kugelmittelpunkt M₁) vom Radius P₁ = 1 cm (Brechungsexponent η = 1,5) ist gemäß Fig. 1 die Planparallelplatte B vom gleichen Brechungsexponenten angekittet; ihre Dicke

P₁M₁ (= —r, = 0,66 cm)

ist so bemessen, daß P₁ erster (innerer) aplanatischer Punkt der Kugelfläche V₁ ist. Alle von P] ausgehenden Strahlen (öffnungswinkel = 2 X 54°) werden durch die Halbkugelfläche so gebrochen, als wenn sie vom äußeren apla-. natischen Punkt P₁' ausgingen. P₁' ist wieder Mittelpunkt M₂ der Kugelfläche 2 und gleichzeitig innerer aplanatischer Punkt (P₃) der Kugelfläche 3. Die Strahlen verlassen daher die Kugelfläche 3 so, als wenn sie vom äußeren aplanatischen Punkte P₃' der letzteren Fläche ausgingen. Die Öffnung des von P₃' virtuell herkommenden Strahlenkegels ist nun schon so klein, daß die Strahlen durch die achromatische Linse D (Brennweite = 9 cm) praktisch genügend parallelstrahlig gemacht werden.

Im ersten aplanatischen Punkt P₁ befindet sich ein niedriger und sehr feiner Spalt (in Stanniol oder in versilbertes Glas eingerissen).

Die Strahlen, welche das Kollimatorsystem verlassen, fallen nun auf das dispergierende System (ablenkendes Prisma oder Prisma ä vision directe, Gitter) und können nach dem Durchgang, wie erwähnt, in verschiedener Weise behandelt werden.

Läßt man sie z. B. wieder auf ein gleiches System auffallen, so erhält man ein dem Spalt an Größe gleiches Bild, in dem aber sehr stark konvergente Strahlen zusammenlaufen. Für photographische Aufnahmen würde dies nichts schaden. Das Bild läßt sich aber auch subjektiv mit einer starken Lupe beobachten oder mit einem Mikroskop der entsprechenden Apertur. Die Größe des Bildes (im Verhältnis zum

Objekt) und damit die Konvergenz ' der Strahlen hängt natürlich von der Brennweite des abbildenden Systems ab. Wie schon angegeben, ist für dieses ein astronomisches oder photographisches Objektiv am Platze.

Der öffnungswinkel von 2 χ 54⁰ gehört dem in Fig. ι abgebildeten Kollimatorsystem als äußerster Wert zu. Wegen der Linsenfassung ist er nicht zu erreichen. Bei der obigen Anordnung ist dies aber auch nicht nötig. In Folge der Brechung im Planglase B würden nämlich streifend auffallende Strahlen mit einem Brechungswinkel von 41 ° weitergehen, d. h. in einem öffnungswinkel von 2x41° ist bereits (vom gebeugten Licht wird zunächst abgesehen) alles im günstigten Falle dem Objektiv zugeführte Licht verwendet (numerische Apertur = 1).

Von dem sehr schräg auf die Platte B auffallenden Licht wird an der Glasfläche ein beträchtlicher Prozentsatz reflektiert. Dies läßt, sich vermeiden, wenn man, wie Fig. 2 zeigt, auf ihre Vorderfläche eine Halbkugel-(oder Zylinder-) Linse aufkittet, deren Mittelpunkt (bzw. Achse) der Punkt P₁ (oder Spalt) ist. Natürlich geht dies auf Kosten der Apertür, es scheint aber doch ein Vorteil zu Gunsten der Helligkeit zu bleiben. In der Tat lag die praktisch noch in Betracht kommende Helligkeit ohne Anwendung der Zylinderlinse ungefähr bei einer äußeren Öffnung von etwa 2 X45°.

Bei der obigen Anordnung können Spalte der seither üblichen Konstruktion von verschiedener Breite, falls man den Höchstbetrag der numerischen Apertur benutzen will, nur dann verwendet werden, wenn man solche z. B. in einer Planplatte (versilberte Glasplatte) anbringt, die sich auf der Platte B verschieben läßt (mit Zedernholzöl als Zwischenmittel), oder man könnte die Platte B in zwei zerlegen; die eine derselben würde die Spalte tragen.

Will man dies nicht, so gibt es verschiedene Wege:

a. Man bringt den Spalt in einer Flüssigkeit von passendem Brechungsexponenten (Zedernholzöl) an. Hier würde sich die numerische Apertur sogar über 1 steigern lassen, . indem man ein Doppelprisma von etwa 13⁰ aufsetzte (Fig. 3). Natürlich würde man es no zweckmäßiger durch eine dem Prisma sich ungefähr anschmiegende Zylinder- oder Kugellinse ersetzen,

b. Die Dicke der Plattet wird kleiner genommen, als dem Abstand des aplanatischen Punktes P₁ von M₁ entspricht. Der Grenzfall wäre, daß die Platte B vollständig verschwindet. Das Objektiv ist dann als Trockensystem zu behandeln.

c. An der Halbkugellinse A wird die ebene Vorderfläche ersetzt durch eine Kugelfläche, deren Mittelpunkt der Punkt P₁ ist. Der.

Grenzwert der numerischen Apertur ist dann 0,8. Ein solches System erfüllt die Bedingungen des Immersionssystems für jede beliebige erste Flüssigkeit (Luft, Wasser, öl usw.), nur ändert sich je nach der letzteren die Apertur, die für Zedernholzöl den Wert 1,2 erreichen würde.

Abgesehen von dem Falle a. hat eine numerische Apertur größer als 1 natürlich nur insofern Wert, als man die vom Spalt unter großen Winkeln abgebeugten Strahlen (nicht nur die dioptrische Fortsetzung der von außen einfallenden) dem Kollimatorsystem zuführen will. Bei Spalten, namentlich den sehr engen, welche hier in Betracht kommen (0,01 mm und darunter), macht sich aber dieses abgebeugte Licht sehr stark geltend, so daß große Apertur in allen Fällen, selbst bei Lichtquellen von kleiner Ausdehnung, günstig ist (ebenso wie beim Mikroskop).

Die Betrachtungen sind streng für aplanatische Punkte und homogenes Licht. Aber auch die außerachsialen Punkte genügen in einer für unsere Zwecke ausreichenden Entfernung hinreichend den Anforderungen.

Das objektive Gesichtsfeld schwächerer Mikroskopsysteme (wie Zeiß aa, A, AA) von 2 bis 4 mm Ausdehnung ist für die vorliegenden Zwecke vollständig ausreichend. Sie liefern bei ihrer Apertur (die im Mikroskop z. B. von AA bis o,3 ausgenutzt wird) ein sehr lichtstarkes Spektrum.

Längere Spalte zu benutzen, liegt im allgemeinen keine Veranlassung vor. Da die Vergrößerung des reellen Spaltbildes gegeben ist durch das Verhältnis der Brennweite f_z des abbildenden Systems zur Brennweite f₁ des Kollimators, so wird man schon ganz von selber zu einer, eher zu beträchtlichen, Vergrößerung geführt. Will man aber längere Spalte benutzen, so wird man zweckmäßig die Kugellinsen durch ein System von Zylinderlinsen, die nach denselben Prinzipien wie die Mikroskopsysteme berechnet sind, ersetzen.

Die weitere Anordnung des Apparates hängt nun wesentlich ab von den Forderungen, welche in erster Linie gestellt werden. Wird vorzugsweise Helligkeit bei mäßigem Auflösungsvermögen gewünscht, so genügen die angegebenen Kollimatorsysteme von kleinem Querschnitt, kombiniert etwa mit einem kleinen Prisma. Soll dagegen gleichzeitig großes Auflösungsvermögen vorhanden' sein, so müssen entweder mehrere Prismen von geringem Querschnitt benutzt werden, oder es muß der kleine Querschnitt des Stiahlenzylinders erweitert werden, ehe er auf das dispergierende System von großem Querschnitt auffällt. In besonders zweckmäßiger Weise geschieht dies durch Einfügen eines teleskopischen Systems (Fig. 4).

Es war z. B. mit dem in Fig. 1 abgebildeten Kollimatorsystem und einem Rutherford ischen Prisma (abbildendes System ein Steinheilsches Femrohr) die Trennung der beiden D-Linien noch nicht sichtbar, nach Einschalten eines auf unendlich gestellten Opernguckers (Objektivdurchmesser = 4,2 cm) sofort sehr scharf und deutlich; bei Ersatz des Prismas durch eine durchsichtige Gitterkopie (Gitterkonstante = 2,8 Xo) von 5 cm Breite und Einschalten eines größeren Opernguckers (Okular von 2,4 cm, Objektiv von 5,2 cm Durchmesser) waren die Linien sehr breit getrennt. Die Erweiterung der auf das dispergierende System auffallenden Strahlen läßt sich auch in anderer Weise, z. B. mit einer Linse, erreichen. Das teleskopische System hat aber verschiedene Vorteile. Es setzt, was bei den hier gewählten Kollimatorsystemen im allgemeinen wünschenswert ist, die Vergrößerung herab, wenn es so eingeschaltet ist, wie in der Figur angegeben. Es gestattet ferner, ohne an den Einstellungen etwas ändern zu müssen, das Auflösungsvermögen rasch zu wechseln.

Die Vorteile der Anordnung sind offensichtlich die folgenden:

Für Lichtquellen, welche, vom Spalt aus gesehen, unter einem kleinen Raumwinkel erscheinen, bleibt die Helligkeit mindestens die gleiche wie bei den seitherigen Anordnungen, mit Rücksicht auf die Beugung wird sie im allgemeinen größer. Wenn dieser Winkel groß ist, kann man die ganze Quelle ausnutzen. In beiden Fällen wird dies erreicht mit verhältnismäßig kleinen Linsen und dementsprechend kleinen Prismenquerschnitten. Der ganze Apparat läßt sich sehr kompendiös herstellen. Berechnung und Ausführung der Linsen schließt sich eng an die bereits für die Zwecke des Mikroskops gut durchgeführten Operationen an.

Die große Öffnung bietet Vorteile, wenn z. B. die schwache Phosphoreszenz ausgedehnter Flächen oder das von farbigen Flächen reflektierte Licht und ähnliches untersucht werden soll. Der Apparat bedarf ferner nur einer sehr approximativen Orientierung. Soll z. B. das Spektrum von Blitzen, von Nordlicht usw. aufgenommen werden, so wird alles im Bereich der sehr großen Öffnung auftretende Licht im Apparat benutzt.

Verbietet es sich, etwa durch die Temperatur der Lichtquelle dieselbe dem Spalte zu nahe zu bringen, so läßt sich das Licht erst einem Abbeschen Beleuchtungsapparat zuführen. Die durch ihn geschaffenen Lichtkegel von sehr großer Öffnung würden für einen Spektralapparat geringer Apertur nur nach Maßgabe der letzteren ausgenutzt werden, während hier die Apertur des Beleuchtungssystems in viel weiterem Umfang zur Geltung kommt.

Claims

Pa te nt-Ansprüche:

ι. Spektrometer, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator aus einem aus brechenden Kugelflächen gebildeten aplanatischen System besteht und der Spalt oder die Lichtquelle sich an der Stelle des einen aplanatischen Punktes befindet.
2. Ausführungsform nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß auch das den Spalt oder die Lichtquelle abbildende System aus einer Anordnung aplanatischer Kugelflächen besteht.
3. Ausführungsform nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die überhalbkugelige aplanatische Frontlinse 15 (A, B) eine Halbkugel oder ein Halbzylinder angefügt ist, deren Mittelpunkt mit einem aplanatischen Punkt (P₁) zusammenfällt.
4. Ausführungsform nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Veränderung des Querschnittes der Lichtbündel in den parallelen Strahlengang ein teleskopisches System eingeschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.