DE2612513C2 - Strahlschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlschalier nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

In bestimmter¹. Spektralfotomeiern wird die von einem einzigen .Strahler ausgehende Strahlung in ein Meßbündel, das eine Probe durchsetzt, und ein Releren/büiidel aulgeteilt, die in Form von periodischen Lichtimpulsen möglichst hoher Frequenz einer optischen und elektronischen Auswerieapparatur zugeführt werden. An den für die Erzeugung der beulen Slrahlungsbündel benötigten Strahl teiler werden eine Reihe von zum Teil schwierig realisierbaren Forderungen gestellt. So ist es /. B. in vielen !'allen erwünscht, dall die Strahlung genau symmetrisch aufgeteilt wird, d. h. die optischen Achsen der beiden Bündel oder »Kanäle« sollten mit der Richtung der einfallenden Strahlung gleiche Winkel mit entgegengesetzten Vor/eichen bilden, damit bei ebenfalls symmetrischer, in beiden

ίο

Kanülen gleichförmiger Optik die bei der Messung erzeugten elektronischen Auswertesignale nicht verfälscht werden. Auch eine unterschiedliche Polarisation ist zu vermeiden, weshalb beide Bündel von ein und demselben teilenden Element erzeugt werden müssen. Die resultierende Impulsform der elektronischen Signale sollte von herkömmlichen Elektroniksystemen problemlos zu verarbeiten sein. Zu diesem Zweck ist ein gewisses »Verharren« der Strahlen im jeweiligen Kanal erforderlich, da ein zu schnelles Überstreichen der Probe zu dreieckförmigen Signalen führt, die bei der Verarbeitung Schwierigkeiten bereiten und einigen Aufwand erfordern. Es wird deshalb eine Signalform (im Idealfall Rechteck oder Trapez) mit zeitlich im wesentlichen konstanter Amplitude angestrebt, die dann gemessen wird.

Ein anderes Frfordernis für den Strahlenteiler besteht darin, daß die erzeugten Bündel eine möglichst hohe intensität haben, also keine Absorption der durchlaufenden Strahlung erfolgt. Ferner sollen die Strahlabmessungen nicht durch den Strahlteiler beeinflußt werden. Schließlich kann es erwünscht sein, daß der Strahlteiler problemlos in sogenannten geschachtelten (mehrfach abbildenden) Strahlengängen einsetzbar ist. Auf den Wunsch nach hohen Abfragefrequenzen (zur Zeit sind 10 bis 50 Hz üblich) zur Gewährleistung hoher Registriergeschwindigkeiten bei Spektralfotometern wurde oben schon hingewiesen.

Strahlteiler, die allen diesen Forderungen gerecht werden, gibt es bisher nicht. Bekannt ist unter anderem die Verwendung unbewegter verspiegclter Prismen, die den einfallenden Strahl gleichzeitig in verschiedene Richtungen aufteilen, wobei ein Zerhacker in Form einer Sektorenscheibe od. dgl. für die Erzeugung der gewünschten zeitlich versetzten Lichtimpulse benötigt wird. Derartige »statische« Strahlteiler ermöglichen zwar relativ hohe Abl'ragefrequenzen, erfordern bei symmetrischem Aufbau aber gesonderte Elemente für die beiden Kinäle und haben vor allem den Nachteil, daß die Strahlungsintensität in den Ausgangskanälen höchstens gleich der halben Intensität der einfallenden Strahlung sein kann.

Es sind auch schon »dynamische« Strahlieiler bekannt, bei denen ein rotierender oder schwingender Spiegel den einfallenden Strahl abwechselnd in die beiden Kanäle lenkt, so daß sich ein Zerhacken erübrigt und die Intensität der beiden erzeugten Bündel etwa doppelt so groß ist wie bei den »statischen« Systemen. Üblich sind rotierende Sektorenspiegel, bei denen der einfallende Strahl je nach Stellung durchgelassen oder abgelenkt wird; ihre Verwendungsmöglichkeit wird durch unsymmetrische Strahlführung, unterschiedliche Polarisation und unterschiedliche Elemente für beide Kanäle erheblich eingeschränkt. Eine andere Möglichkeil ist die Verwendung eines schwingenden Spiegelpaares, dessen Strahlung durch feststehende Blenden zerhackt wird; derartige Strahlteiler vermeiden zwar weitgehend die Nachteile unsymmetrischer Kanäle, doch ergeben sieh Schwierigkeiten wegen einer zu geringen räumlichen Trennung beider Bündel, und vor allem sind aus mechanischen (!runden keine hohen Frequenzen möglich.

Ähnliche Probleme wie bei Sirahlteilern von Spektralfotometein treten ;mch in anderen Füllen auf. Insbesondere werden häufig optische Elemente mit der umgekehrten Funktion der .Strahlkopplung, also der Zusammen Führung von getrennten l.ichtbündeln benötigt. Auch kann die Zerhackung einer Strahlung mit

hoher Frequenz für andere Zwecke erforderlich sein. Ein für alle solche Fälle verwendbares optisches Element muß kein Strahlteiler im eigentlichen Sinn sein, sondern wird allgemeiner als Strahlschalter be-eichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Systeme zu vtrmeiden und einen. Strahlschalter anzugeben, mit dem aus einer gegebenen Eingangsstrahlung zeitlich versetzte Folgen von Strahlungsimpulsen erzeugt werden können, die einerseits annähernd die Intensität der Eingangsstrahlung und andererseits bei symmetrischer Strahlführung eine höhere Frequenz haben als bisher.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Strahlschalter gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein solcher Strahlschalter hat den Vorteil, daß er einerseits einen genau symmetrischen Aufbau der optischen Kanäle, andererseits aber wesentlich höhere Abiragefrequenzen als insoweit vergleichbare bekannte Strahlteiler .rlaubi. Dabei können zwei erzeugte Strahlenbündel ca. 92% der Intensität einer einfallenden Strahlung haben. Für beide Kanäle wird ein und dasselbe optische Element (das Prisma) verwendet, das die Polarisation der Strahlen unbeeinflußt läßt und auch den Sirahlungsquerschnitt nicht einschränkt (dieser letztere Vorteil gilt besonders gegenüber »dynamischen« Strahlteilern, die mit einem Oszillographenspiegel arbeiten und an sich eine hohe Abtastfrequenz bei symmetrischer Strahlführung ermöglichen). Der Strahlschalter gemäß der Erfindung ist in mehrfach abbildenden (»geschachtelten«) Strahlengängen einsetzbar. Er ist mechanisch sehr einfach und robust und erlaubt auch eine besonders einfache Verarbeitung resultierender elektronischer Signale.

Aufgrund dieser F.igenschaften ist der hier beschriebene Strahlschalter wesentlich vielseitiger verwendbar als alle bisher bekannten Systeme.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Ablenkung eines Strahls durch ein Prisma.

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Ablenkwinkels eines gegebenen Prismas vom Einfallswinkel bzw. vom Drehwinkel,

F i g. 3 den prinzipiellen Aufbau des Sirahlschalters und

F Ί g. 4 den Verlauf des Ablenkwinkels bei mehreren Umdrehungen eines Prismas.

Die Funktionsweise des hier beschriebenen Strahlschalters beruht auf dem optischen Phänomen, daß die Ablenkung eines Strahls durch ein Prisma der hier interessierenden An einen bestimmten Mininuilwert hat. wie aus, Fig. 1 klar wird·. Bei einer Änderung des Einfallswinkels λι durch rotierende Bewegung des Prismas um eine Achse parallel zur Schwerpunktachse wird der mit dem Winkel λ2 ausfallende Strahl gegenüber dem einfallenden Strahl um den Winkel d abgelenkt, wobei die Winkcländerung JA klein gegenüber der Änderung Λ\ι ist und die Bewegungsrichtung von d wahrend einer Umdrehung das Vor/eichen wechselt. Der Verlauf des Ablenkwinkels Λ in Abhängigkeit vom Einfallswinkel \| (und somit \om Drehwinkel) ist in F i g. 2 für ein willkürlich gegebenes Prisma quantitativ dargestellt.

!'tilgende Formeln beschreiben diesen Zusammen hang, wenn ö den Winkel der Ablenkung des ausfallenden Strahls gegenüber dem einfallenden Strahl.

Φ den brechenden Winkel des Prismas und η den Brechungsindex des Prismenmaterials bedeuten:

l) = It₁ (- «, - Φ

sin,

Ii₂ =■·= φ - /;,

Hierbei haben die Winkel ß\ und /i; die F 1 g. I zu entnehmende Bedeutung.

Der ausfallende Strahl macht bei einer gleichförmigen Rotation in der Ebene, die senkrecht auf der ^> Schwerpunktachse (Rotationsachse) des Prismas steht, eine Bewegung auf die ursprüngliche optische Achse zu, mal aus der einen, mal aus der anderen Richtung (Vorzeichenwechsel), ohne die Achse zu berühren. Dieser Vorgang is! auch in F i g. 4 dargestellt.

Die kleinste Ablenkung von der ursprünglichen optischen Achse beträgt

wobei a'der Wert von Λι für den FaIItXi = .vist.

Wie F i g. 2 zu entnehmen ist, bleibt die Änderung des Ablenkwinkels rt, also die Bewegung der ausfallenden Strahlen, in der Nähe der kleinsten Ablenkung sehr

V) gering, Die bei manchen Anwendungen eventuell unerwünschte Bewegung des Strahls läßt s'ch durch mitrotierende Blenden in abbildenden Systemen begrenzen oder durch eine zweckmäßige Anordnung des .Strahlschalters im optischen abbildenden System

.-,5 beeinflussen, wie unten noch näher erläutert wird.

Die Drehachse des Prismas verläuft vorzugsweise senkrecht zu seinen Dreiecksflächen und kann insbesondere in seiner Schwerpunktachse liegen. Eine Drehung um eine Achse, d'e durch die Seitenflächen (brechenden Flächen) parallel zur Prismenbasis verläuft, ist ebenfalls möglich, doch sind Halterung und Antrieb dann nicht so einfach auszulühren. wie bei der bevorzugten -Uislührungsform.

Eine praktische Ausführungsform des Strahlschaliers ist in F i g. J dargestellt, bei der es sich um ein Prinzipbild handelt und zur Vereinfachung nur die wichtigsten Teile dargestellt sind. Dieser Strahlteiler eignet sieh insbesondere für den Einsatz in einem konventionellen Spekiralfoiometer für den UV- und visuellen Spektral·

so bereich. Ein Prisma 1 aus Quarzglas ist auf einer seiner Dreiecksflächeii stehend auf einem Drehteller 4 befestigt, der um die oben angegebene Achse des Prismas I drehbar gelagert ist. Der Drehteller 4 hat an seinem Umfang eine mit dem Prisma rotierende Markierung 5 in Form einer Aussparung, die von zwei um 180 \ ersetzten justierbaren Abtasteinrichtungen 5 abgetastet wird, welche eine Information über die jeweilige Stellung (Probe- oder Referen/kanal) des Strahlschalters liefern und z. B. jeweils aus einer

(>■· Leuchtdiode und einem Phototransistor bestehen können.

Das Prisma I ist in dem Strahlengang d einei (nicht dargestellten) Lichtquelle angeordnet, mn Jessen Richtung die durch die Pleile 7. 8 angedeuteten

1.s erzeugten Strahlenbündel der beiden Ausgangskanäle enigcücngesei/i gleiche Winkel bilden, die dem minimalen Ahlcnkv. inkel des Prismas entsprechen.
Auf der Basis ties Prismas I ist eine undurchsichtige

Blende 2 befestigt, die verhindert, daß ;in den Seitenflächen reflektiertes Lieht in die abbildende Optik gelangt. Eine zusätzliche, bei 9 angedeutete Blende kann parallel zur Basisblcnde an der Spitze des Prismas angeordnet sein. Durch den bei Verwendung des hier beschriebenen Strahlschalters möglichen streng symmetrischen Aufbau der Optik eines Spcktralfolomeiers könnte sich die Reflexion an den brechenden ('lachen des Prismas störend auswirken, da die heute verwendeten Empfänger über blanke, plane Flächen verfügen, die wie Spiegel wirken und einen Teil des aus dem einen Kanal ankommenden Lichtes in den anderen Kanal zurücklenken, das dann über Reflexion an den brechenden Flächen des Prismas wieder in den ersten Kanal gelangen könnte. Dieser unerwünschte Effekt, der bei einem »abgeblockten« Kanal mit einem undurchsichtigen, aber nicht ideal schwarz reflektierenden Material besonders bemerkbar wäre, kann durch entsprechende Ausführung der mitrotierenden Blenden unterdrückt werden.

Die Blenden 2, 9 bewirken, daß nur ein bestimmter Bereich des Einfallwinkels ausgenutzt wird. Damit wird auch eine Bewegung der ausfallenden Strahlen begrenzt. Wie schon erwähnt wurde, kann eine Bewegung der Strahlenbündel in den beiden Ausgangskanälen unerwünscht sein. Wenn der Strahlschalter sich im optischen System an oder in der Nähe einer Abbildungsstelle befindet, können die Blenden ausfallende Strahlen mit Ablcnkwinkcln größer als n„„„ weitgehend unterdrücken. Wenn der Strahlschalter aber im abbildenden optischen System nicht in der Nähe einer Abbildung angeordnet wird, ist eine mitrotierende Blende zur Vermeidung einer Strahlcnbewcgung nicht unbedingt notwendig, weil sich eine Hcll-Dunkcl-Umschaltung ergibt (ähnlich der Wirkung einer üblichen Blende in Abbildungssystemen). Letzteres ist auch für die Abhängigkeit der Ablenkung Λ vom Brechungsindex /ides Prismcnmatcrials und somit von der Wellenlänge von Bedeutung.

Zur Vermeidung von Verschmutzungen isi es /weckmäßig, das in F i g. 3 dargestellte System in einem mii Quitiv.fcnslcrn versehenen Gehäuse iin/iiordncn.

I'ig. 4 zeigt, wie sich der Ablenkwinkel ύ der beiden erzeugten Strahlungsbündel in der positiven bzw. negativen Winkelrichtung, also in den Richtungen der beiden zu speisenden Kanäle 7, 8 etwa eines Spektrallotomelcrs, in Abhängigkeit vom Drehwinkel \ des kontinuierlich rotierenden Prismas 1 gemäß I" ig. 3 ändert. Die Ablenkung der beiden erzeugten (oder im > umgekehrten I all zusammenzuführenden) Strahlungsbündel muß nicht sehr groß sein, da über zusätzliche Optiken eine weitere räumliche Trennung problemlos möglich ist.

Aufgrund i\<:r mechanischen Anordnung und insbesondere der geringen Masse des Prismas sind ohne Schwierigkeiten bei Verwendung eines entsprechenden Motors (nicht dargestellt) hohe Abfragefrequenzen möglich. In Versuchen wurden Frequenzen von mehr als 300 Hz erreicht. Mit diesen Frequenzen können schnelle

is Spektrenrcgistrierungcn mit Wellcnlängcnvorschubgcschwindigkeiten bis zu ca. 50 nm/sek vorgenommen werden, was ?.. B. in der Farbmetrik, Produktionskontrollc. Rezeptur usw. von Interesse ist. Ebenso lassen sich Vorgänge der Reaktionskinetik der Biochemie.

klinischen Chemie usw. im Sekundenbereich genauer verfolgen, als es bisher möglich war.

Durch Variation der Größe, des brechenden Winkels, der Blenden und des Antriebsmoiors läßt sich der Strahlschaltcr für den jeweiligen Anwendungszweck optimieren. Dabei ist auch der Einsatz als Strahlzusammenführungssystem denkbar, wie schon erwähnt wurde. Durch die Wahl des Prismcnmaterials ergibt sich der spektrale Anwendungsbereich. Für Anwendungen im UV-, im visuellen und im NIR-Bcrcich entstehen bei

jo Verwendung hochwertiger Quarze nur Rcflexionsverlusic, so daß die Ausgangsstrahlungsbündel (im Gegensatz zu den «statischen« Strahlteilern) ca. 92% der Intensität der Eingangsstrahlung haben.
Weitere Anwendungen ergeben sich durch die

is Kombination mit Lichtleitern. Wenn z.B. eine Lichtquelle mit relativ hoher Frequenz zerhackt werden soll, überstreicht der Lichtstrahl nebeneinander in der Ablenkungsebcne angebrachte, aber getrennte Lichtleiter, die einen gemeinsamen Ausgang haben. Ebenso

.io können eine Anzahl verschiedener Lichtquellen schnell nacheinander auf einen gemeinsamen Leiter geschaltet werden.

Durch übereinanderstehende, starr verbundene Prismen kann das beschriebene System beliebig erweitert

.is werden.

Hierzu 2 Hhitl /eichnmmen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Strahlschalter mit einem rotierenden optischen Element, das periodisch einen einfallenden Strahl ablenkt und zwei räumlich getrennten optischen Kanälen zugeordnet ist, insbesondere zur Erzeugung zeitlich versetzter Folgen von Strahlungsimpulsen in den Meß- und Referenzkanälen eines Spektralfotometers, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein rotierendes Prisma (I) ist, das in einem Strahlengang (6) angeordnet ist, mit dessen Richtung die Achsen der beiden optischen Kanäle (7, 8) entgegengesetzt gleiche Winkel bilden, die dem minimalen Ablenkwinkel (<)) des Prismas (I) entsprechen.

2. Sirahlschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (1) um eine senkrecht auf seinen Dreiecks/lachen stehende Achse drehbar montiert ist.

3. Strahlschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Prismas (1) in seiner Schwerpunktachse liegt.

4. Strtihlschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (1) mit mindestens einer gemeinsam mit ihm rotierenden Blende (2, 9) verbunden ist, die sich parallel zur Drehachse des Prismas (1) in einem Abstand von dieser erstreckt.

5. Strahlschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende (2, 9) auf der Basis des Prismas (1) und/oder parallel zur Basis an der Spitze des Prismas (1) angebracht ist.

6. Strahlschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Prisma (1) rotierende Markierung (3) vorgesehen ist, die von einer die jeweilige Stellung des Prismas (1) anzeigenden Einrichtung (5) abtastbar ist.

7. Sirahlschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung (3) eine photoelektrisch abtastbare Aussparung in einem das Prisma (1) tragenden Drehteller (4) ist.