DE2643943C3 - Monochromator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Monochromator ge

mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem solchen Prismenmonochromator mit linearer Wellenlängenskala ist die Brechungsdispersion des verwendeten Prismas im ultravioletten Wellenlängenbereich derart groß, daß ein Prismenantriebsnocken vorgesehen sein muß, dessen Kontur sich im ultravioletten Wellenlängenbereich stark ändert, was eine Einbuße an Genauigkeit und Präzision bei der Wellenlängenauswahl zur Folge hat. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit haben bereits komplizierte, spiralförmige Nocken oder eine Wellenlängen-Wählscheibe mit in ungleichen Abständen angeordneten Skalenmarkierungen Verwendung gefunden, die jedoch unpraktisch und schwierig herzustellen sind.

Aus der US-Patentschrift 3521960 ist z.B. ein Monochromator dieser Art bekannt, bei dem das Prisma zur Erzielung einer linearen Wellenlängenanzeige über eine drehbare Nockenscheibe angetrieben wird, an deren Umfang ein mit der Drehachse des Prismas fest verbundener Hebel entlang fährt. Hierbei treten hinsichtlich der Ausbildung der Kontur der Nockenscheibe zur Steuerung der Drehung des Prismas für den Übergang in den ultravioletten Spektralbereich dis vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Monochromator zu schaffen, dessen Nockensteuerung einfacher herstellbar ist als die mit nur einer Nokkenscheibe arbeitenden bekannten Nockensteuerungen dieser Art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Bei Verwendung mehrerer Einzelnocken, von denen z. B. ein Nocken dem bezüglich der Brechungsdispersion kritischen ultravioletten Wellenlängenbereich und ein anderer Nocken dem übrigen Spektralbereich mit unkritischem Dispersionsverhalten zugeordnet ist, sind die Anforderungen an die Konturen der Einzelnocken geringer, da keine abrupten Übergänge erforderlich sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Brechungsindex eines Prismas und der Wellenlänge,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles des Monochromator,

Fig. 3 eine schematische Darstellungeines zweiten Ausführungsbeispieles des Monochromators,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles des Monochromators,

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung der Anordnung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispieles des Monochromators, und

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Teil der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 4 und 6.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Brechungsindex eines Quarzprismas und der Wellenlänge. Wie aus der Kurve hervorgeht, iindert sich der Brechungsindex unterhalb von 400 ηm stark, so daß die UmfangskonUir des Prisicnantriebsnockens sich in diesem Wellenlängenbeleieh stark andern muß.

Wenn zwei verschiedene Nocken für die beiden unterschiedlichen Wellenlängenbereiche I und II verwendet werden, kann einer der Nocken derart ausgestaltet sein, daß er eine Umdrehung für den Wellenlängenbereich I von 180 bis 400 nm ausführt, so daß dieser Nocken eine Umfangskontur aufweisen kann, die weniger steil ist und sich weniger ändert, als dies bei einem Nocken in dem Bereich von 180 bis 400 nm der Fall wäre, der eine Umdrehung für den gesamten Wellenlängenbereich von 180 bis 3000 nm ?nsführt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel des Monochromators ist in Fig. 2 gezeigt, bei dem ein Prisma 10 auf einem Drehlisch 11 fest angeordnet ist, der um eine Achse 12 drehbar ist. Ein Hebel 13 ist an dem Tisch befestigt und weist zwei Nockenfolgerrollen 14 und 15 auf, die unter Abstand entlang des Hebels angeordnet sind. Ein erster Nocken 16 ist an einer drehbaren Welle 17 befestigt und mit einer derartigen Kontur versehen, daß er in dem WellenlLngenbereich von 400 bis 3000 nm wirksam ist. Ein zweiter Nocken 18 ist an einer drehbaren Welle 19 befestigt und hat eine solche Kontur, daß er in dem Wellenlängenbereich von 180 bis 400 nm wirksam ist. An den Wellen 17 und 19 sind Zahnräder 20 bzw. 21 befestigt, die miteinander kämmen. Eine Skala 24 kann mit dem Zahnrad 20 verbunden sein, um die Auswahl der Wellenlänge treffen zu können. Eine Feder 22 spannt den Hebel 13 in der Weise vor, daß eine der Rollen 14 und 15 in Kontakt mit dem Umfang des entsprechenden Nockens 16 oder 18 ist. Eine Ausnehmung 23 ist derart in dem Umfang des Nockens 16 ausgebildet, daß die Rolle 14 von dem Nocken 16 abgehoben wird und die Rolle 15 gleichzeitig mit dem Nocken 18 in Anlage kommt.

Ein Lichtstrahl L von einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) tritt durch einen Eintrittsspalt 51 hindurch und wird von einem Planspiegel Ml auf einen Kollimationsspiegel MI reflektiert, der die Lichtstrahlen parallel macht und sie auf das Prisma 10 richtet. Das Prisma zerlegt das Licht in Strahlen verschiedener Wellenlänge, von denen einer ausgewählt und durch den Kollimationsspiegel MI auf einen Austrittsspalt 52 fokussiert wird. Die Auswahl der durch den Ausstrittsspalt 52 hindurchiretenden Wellenlänge wird durch Drehen des Prismas um die Achse 12 in an sich bekannter Weise bewirkt.

Die Übersetzung der beiden Zahnräder 20 und 21 ist derart vorgegeben, daß der Nocken 18 beispielsweise fünfzehn Umdrehungen ausführt, während der Nocken 16 eine Umdrehung für den gesamten Wellenlängenbereich ausführt, der von dem Monochromator überdeckt werden soll. Das Übersetzungsverhältnis muß derart vorgegeben sein, daß nur die Nockenfolgerrolle 15 in Kontakt mit dem Nocken 18 gebracht wird, wenn die Nockenfolgerrolle 14 die Ausnehmung 23 erreicht hat, so daß sie von dem Nokken 16 abgehoben wird. In dem Bereich von 400 bis 3000 nm wird die Nockenfolgerrolle 15 außer Eingriff mit dem Nocken 18 gehalten, während sich im Bereich von 180 bis 400 nm, in dem sich die Nockenfolgerrolle 14 in der Ausnehmung 23 befindet, die Nockenfolgerrolle 15 in Kontakt mit dem Nocken 18 befindet.

Es wird daher ein Nocken für denjenigen Teil des gesamten zu überdeckenden Wellenlängenbereiches benutzt, in dem die Änderungdes Brechungsindex des Prismas extrem steil ist, und der andere Nocken wird während des restlichen Teiles des Wellenlängenbereiches benutzt, in dem die Änderung des Brechungsindex langsamer vor sich geht. Hierdurch wird das bei bekannten Monochromatoren vorliegende Erfordernis umgangen, einen einzigen Nocken mit einer solchen Kontur zu versehen, daß sie sich im ultravioletten Bereich abrupt und stark ändert. Bei dem vorstehend beschriebenen Monochromator wird dagegen erreicht, daß die Einstellung der Wellenlänge mit einem hohen Maß an Genauigkeit und Präzision vorgenom-

K) men werden kann.

Wenn die Drehung des Zahnrades 20 auf einen Wellenlängenzähler (nicht gezeigt) durch eine geeignete Übertragungseinrichtung übertragen wird, kann auf einfache Weise eine lineare Wellenlängenanzeige über den gesamten, zu überdeckenden Wellenlängenbereich erhalten werden.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Monochromators, welches als Doppelmonochromator ausgebildet ist, bei dem sowohl ein Prisma als auch ein Gitter eingesetzt werden. Die Bezugszeichen und Symbole gemäß Fig. 1 bezeichnen entsprechende Teile und Elemente in Fig. 3, so daß sich deren Beschreibung erübrigt.

An eine Welle 30 sind ein Gewindeabschnitt 31 ausgebildet und ein Zahnrad 32 befestigt. Eine Schraubenmutter 33 greift an dem Gewindeabschnitt 31 derart an, daß sie axial zu der Welle 30 bewegt wird, wenn die Welle gedreht wird. Ein Hebel 34 ist mit seinem einen Ende an der drehbaren Welle 17 des Nockens 16 befestigt, während sein anderes Ende an der Schraubenmutter 33 angreift.

Wenn die Welle 30 über ein geeignetes Getriebe 35 von der Wähleinrichtung 24 gedreht wird, bewegt sich die Schraubenmutter 33 axial zu der Welle 30, so daß der Hebel 34 verschwenkt wird, wodurch wiederum der Nocken 16 und ein darauf vorgesehenes Gitter G um die Achse der Welle 17 gedreht werden. Gleichzeitig dreht das Zahnrad 32 den Nocken 18 durch den Eingriff mit dem Zahnrad 21.

4Ii Der Nocken 16 ist somit in dem Wcllenlängenbereich von 400 bis 3000 nm wirksam, während der Nocken 18 in dem Wellenlängenbereich von 180 bis 400 nm wirksam ist, wobei das Gitter G in dem gesamten Wellenlängenbereich wirksam ist. Wie an sich bekannt ist, dient das Gitter zur Feineinstellung der Wellenlängen des von dem Prisma 10 zerlegten Lichtes.

Der durch den Eintrittsspalt 51 eintretende Lichtstrahl L wird durch einen Kollimationsspiegel Af2auf

5Ii das Prisma 10 gerichtet. Das zerlegte Licht wird wieder über den Kollimationsspiegel MI und dann durch einen Planspiegel Ml, einen Zwischenspalt Si und einen Planspiegel M3 sowie einen Kollimationsspiegel M4 reflektiert, so daß es auf das Gitter G projiziert wird, wo es eine Feinaufspaltung erfährt. Der von dem Gitter zerlegte Lichtstrahl wird wieder über den Kollimationsspiegel iV/4 durch einen Austrittsspalt 52 geführt.

In Fig. 4 ist eine Anordnung zur leichten Korrektur

wi und Nachjustierung von Abweichungen der Dispersion des Prismas von den Sollwerten gezeigt. Der Hebel 13 gemäß den Fig. 2 und 3 ist in Fig. 4 durch zwei Hebel 13' und 13" ersetzt. An dem einen Ende des Hebels 13' ist die drehbare Welle 12 des Dreh-

(,5 tiscl.'s 11 befestigt, während an dem anderen Ende eine Rolle 41 vorgesehen ist. Der Hebel 13" ist um einen Drehzapfen 42 drehbar und mit den beiden Nockenfolgerrollen 14 und 15 versehen, die abwech-

selnd den entsprechenden Nocken 16 bzw. 18 wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel berühren. Der Hebel 13" hat ferner einen Anschlag 43, gegen den die Rolle 41 auf dem Hebel 13' durch eine Feder 22' gedrückt wird.

Wenn somit der Hebel 13" um den Drehzapfen 42 gedreht wird, w< 'bei entweder die Nockenfolgerrolle 14 oder die Nockenfolgerrolle 15 in Kontakt mit dem Nocken 16 oder dem Nocken 18 ist, wird der Hebel 13' durch die Anlage der Rolle 41 an dem Anschlag ι ο 43 um die Achse 12 gedreht, so daß das Prisma 10 um die Achse 12 gedreht wird. Dadurch wird eine bestimmte Wellenlänge entsprechend dem Drehwinkel des Nockens 16 oder des Nockens 18 erhalten.

Das Prinzip der Anordnung gemäß Fig. 4 wird nun anhand von Fig. 5 näher beschrieben. Bei der Anordnung von Fig. 4 wird, selbst wenn die Länge / des Hebels 13' (oder der Abstand zwischen der Drehachse 12 des Hebels 13' und der Drehachse 41' der Rolle) geändert wird, die Position, an der die Nockenfolgerrolle 14 oder 15 mit dem Nocken 16 bzw. 18 in Kontakt kommt, nicht geändert. Wenn der Nocken 16 oder der Nocken 18 gedreht wird, um den Anschlag 43 in eine Position 43' zu bringen, wo der Anschlag 43 parallel zu einer Geraden liegt, die die Drehachse 12 des Prismas und die Drehachse 42 des Hebels 13" verbindet, dreht sich das Prisma 10 nicht, selbst wenn die Länge / des Hebels 13' geändert wird.

Unter der Bedingung, daß der Anschlag 43 sich in der Position 43'befindet, die in Fig. 5 in gestrichelten m\ Linien angedeutet ist, werden unter Verwendung einer Quecksilberdampflampe als (nicht gezeigte) Lichtquelle der Winkel, unter dem das Prismas 10 auf dem Drehtisch 11 angebracht ist, und folglich der Hebel 13' sowie die Position der WeÜeniangen-Wähleinrichtung gegenüber der Einrichtung zur Einstellung der Wellenlänge derart eingestellt, daß eine vorgegebene Wellenlänge, beispielsweise 546,1 nm tatsächlich an dem Austrittsspalt S2 erhalten wird. Dann wird die Einrichtung zur Einstellung der Wellenlänge der- an art betätigt, daß der Anschlag 43 in eine andere, vorgegebene Position gebracht wird, wie sie beispielsweise durch die ausgezogene Linie dargestellt ist. worauf die Länge / des Hebels 13' (Abstand zwischen der Drehachse 12 des Prismas 10 und der Drehachse 41' der Rolle 41) so eingestellt wird, daß eine andere, vorgegebene Wellenlänge, beispielsweise 253,7 nm erhalten wird. Das in diesem Falle der Anschlag 43 schräg zu der axialen Richtung des Hebels 13' liegt, wird bei einer Änderung des Abstands bzw. der Länge / das Prisma 10 leicht um die Achse 12 gedreht, so daß die erwartete Wellenlänge (253,7 nm) an dem

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zur Einstellung der Wellenlänge wieder betätigt wird, um den Anschlag 43 in die in gestrichelten Linien dargestellte Position zurückzuverstellen, wird dann die entsprechende Wellenlänge von 546,1 nm wieder fehlerfrei reproduziert.

Auf diese Weise kann eine Korrektur über den gesamten Welienlängenbereich lediglich durch zwei Ju- eo Stiervorgänge durchgeführt werden. Zuerst wird der Montagewinkel des Prismas gegenüber dem Hebel 13' bei einer vorgegebenen Wellenlänge einjustiert und sodann die Justierung der Länge / des Hebels 13' bei einer anderen, vorgegebenen Wellenlänge vorgenom- r,s men. so daß die beiden Wellenlängen, die aufgrund der Auslegung des Mechanismus zu erwarten sind, genau erhalten werden.

Es sei angenommen, daß der Abstand zwischen dem Drehzapfen 42 und der Nockenfolgerrolle 14 oder 15 gleich α ist. Der Abstand zwischen dem Drehzapfen 42 und der Achse 41' der Rolle 41 an dem Hebel 13' sei b. Die Bewegung der Rolle 41 wird dann um b/a der Bewegung der Nockenfolgerrolle untersetzt. Dies bedeutet, daß die Wellenlängengenauigkeit des Monochromator^ um einen Faktor b/a im Vergleich zu dem Fall verbessert wird, bei dem der Hebel 13' direkt durch den Nocken bewegt wird, wenn man voraussetzt, daß die Herstellungstoleranzen des Prismas und der zugehörigen Elemente gleich sind.

Fig. 6 zeigt eine Weiterbildung des in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels. Es sind zwei Prismen 10a und 10f> vorgesehen, deren zugehörige Elemente und Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 4 unter Hinzufüguhg von α bzw. b gekennzeichnet sind. Der Hebel 13" weist zwei Anschläge 43a und 43b auf, die an Rollen 41a bzw. 4Ii) angreifen können, um die Bewegung des Hebels 13" gleichzeitig auf die Hebel 13'a und 13'b zu übertragen.

Damit die beiden Prismen 10a und 106 in derselben Weise wirksam sind, müssen die Prismen und ihre zugehörigen Teile derart angeordnet sein, daß ein Dreieck, welches durch die Geraden gebildet wird, die den Drehzapfen 42 des Hebels 13", die Drehachse 12a des Prismas 10a und die Drehachse 41'a der Rolle 41a verbinden, kongruent mit dem Dreieck ist, welches durch die Geraden gebildet wird, die den Drehzapfen 42 und die Achsen 12b und 41'b verbinden, wobei die Anschläge 43a und 43b denselben Winkel in bezug auf die Grundseiten der beiden Dreiecke einnehmen. Die Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 6 ist ähnlich wie die der Anordnung gemäß Fig. 4, so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigt.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 4 und 6 kann der Anschlag 43 (43a, 43b) durch eine andere geeignete Einrichtung, beispielsweise einen Vorsprung oder eine Ausnehmung, ersetzt werden, die direkt auf oder in dem Hebel 13" ausgebildet ist, so daß die Rolle 41 (41a, 41b) daran angreifen kann. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Nocken 16 und 18 auf ihren jeweiligen Wellen 17 und 19 montiert. Die beiden Wellen können sich jedoch auch unabhängig voneinander um eine gemeinsame Achse drehen. Die beiden Nockenfolgerrollen 14 und 15 können an zwei getrennten Hebeln angebracht sein, um das Prisma 10 gemäß den Fig. 2 und 3 zu drehen.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zur Änderung der Länge / des Kcbcls 13'. In Fig. 7 ist die in den Fig. 4 oder 6 gezeigte Rolle 41 durch eine Kugel 45 ersetzt, um ein höheres Maß an Genauigkeit und Präzision zu erreichen.

Die Kugel 45 hat eine mittige, durchgehende Bohrung 46 und ist an gegenüberliegenden Seitenabschnitten abgeschnitten, um gegenüberliegende, plane Flächen 47 und 47' zu bilden. Der äußere Endabschnitt des Hebels 13' ist durch die Bohrung 46 hindurchgeführt, um die Kugel 45 darauf festzuhalten, wobei zwei Schraubenmuttern 48 und 49 auf den äußeren Endabschnitten des Hebels 13' aufgeschraubt sind, um die Kugel 45 zwischen sich zu halten. Durch Verstellung der Schraubenmuttern 48 und 49 kann die Kugel axial zu dem Hebel 13' verschoben werden, wodurch sich die Länge / ändert.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Monochromator mit

a) einem drehbar gelagerten Prisma zur spek- s traten Zerlegung von einfallendem Licht,

b) einer mit dem Prisma gekoppelten und dieses bei einer Auslenkung verdrehenden Hebelanordnung, und

c) einer Nockensteuerung zur Auslenkung der ι» Hebelanordnung längs eines eine lineare Wellenlängenanzeige gestattenden Weges,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Nockensteuerung wenigstens zwei, jeweils unterschiedliche Wellenlängenbereichen zugeordnete Einzelnocken (16 bzw. 18) aufweist, deren Drehbewegungen synchronisiert änd und die derart angeordnet und ausgebildet sind, daß sie während ihrer Drehbewegungen jeweils nacheinander in Eingriff mit der Hebelanordnung (13; 13', 13") kommen.

2. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelanordnung nur einen Hebel (13) aufweist, der mit einer der Zahl der Einzelnocken (16, 18) entsprechenden Zahl von Nockenfolgerelementen (14,15) ausgestattet ist, welche im Abstand zueinander entlang des Hebels (13) derart angeordnet sind, daß sie bei Drehung der Nocken nacheinander mit dem jeweils zugeordneten Nocken (16, 18) in Eingriff kommen.

3. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelanordnung aufweist:

a) einen ersten drehbar gelagerten Hebel (13"), an dem eine der Zahl der Einzelnocken (16, 18) entsprechende Zahl von Nockenfolgerelementen im Abstand zueinander angebracht ist, welche bei Drehung der Nocken jeweils nacheinander mit dem jeweils zugeordneten Nocken (16, 18) in Eingriff gelangen, und

b) einen zweiten Hebel (13'; 13'a), dessen eines Ende mit dem Prisma (10) gekoppelt ist und dessen anderes Ende an einem eine geradlinige Verschiebungdieses Endes gestattenden ersten Anschlag (43; 43a) des ersten Hebels (13") anliegt.

4. Monochromator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelanordnung einen dritten Hebel (13'b) umfaßt, dessen eines Ende mit einem weiteren drehbaren Prisma (10b) gekoppelt ist und dessen anderes Ende an einem eine geradlinige Verschiebung dieses Endes gestattenden zweiten Anschlag (43b) des ersten Hebels (13") anliegt, und daß die Führungslinie des zweiten Anschlags (43b) mit der den Drehpunkt (42) des ersten Hebels (13") und den Drehpunkt (Hb) des weiteren Prismas (10i>) verbindenden Gera- (,0 den den gleichen Winkel einschließt, wie die Führungslinie des eisten Anschlags (43a) mit der den Drehpunkt (42) des eisten Hebels (13") und den Drehpunkt des Prismas (10a) verbindenden Geraden, hü