DE2652284A1 - Einrichtung zur steuerung der breite eines einstellbaren optischen spaltes - Google Patents

Description

Patentanwälte 9 R R 9 9 R A

DIPL.-PHYS. JÜRGEN WEISSE DIPL.-CHEM. DR. RUDOLF WOLGAST

D 562o Velbert 11 - Langenberg, Bökenbusch 41 Postfach 11 o3 86 Telefon (o2127) 4ol9 Telex 8516895

Patentanme!dung

Perkin-Elnter Limited/ Post Office Lane, Beaconsfield, Buckinghamshire/ England

Einrichtung zur Steuerung der Breite eines einstellbaren optischen Spaltes

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Breitenkontrolle eines einstellbaren optischen Spaltes nach Maßgabe des Produktes zweier veränderbarer Funktionen, von denen die eine programmiert ist mit wenigstens einem einstellbaren optischen Spalt. Es kann sich beispielsweise um einen Monochromator handeln, der einen Teil eines Spektralphotometers oder eines ähnlichen Gerätes, insbesondere eines Ultrarot-Spektralphotometers, ist, und bei welchem Vorkehrungen getroffen sind, um eine momentane programmierte Spaltbreite mit einem vom Benutzer vorgebbaren veränderbaren Faktor zu multiplizieren.

Zum besseren Verständnis der Erfindung gegenüber dem Hintergrund, auf welchem sie beruht, geht die nachstehende Diskussion von den praktischen Erfordernissen aus, die durch ein Spaltbreiten-Regelsystem in einem Ultrarot-Spektralphotometer erfüllt werden müssen.

709822/0303

(ρ

Bei einem Spektralphotometer dient der Monochromator dazu, die Wellenlängen der von einer untersuchten Probe durchgelassenen oder absorbierten Strahlung zu analysieren. Das durch den Monochromator hindurchtretende Strahlenbündel ist geometrisch durch einen Eintrittsspalt und einen Austrittsspalt definiert, die aus praktischen Gründen üblicherweise in einer Spaltanordnung zusammen gefaßt sind. Jeder Spalt wird von einem Paar von Spaltbacken gebildet, von denen wenigstens eine zur Steuerung der Spaltbreite nach Maßgabe bestimmter Betriebserfordernisse verstellbar ist. Die beiden Spalte sind üblicherweise miteinander gekoppelt.

Eine Erhöhung der Breite beider Spalte gestattet naturgemäß den Durchtritt von mehr Energie zu dem Strahlungsempfänger und dementsprechend eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Empfängerausganges. Dies geschieht jedoch auf Kosten einer Verminderung der Auflösung. Der richtige Kompromiß zwischen Auflösung und Signal-Rausch-Verhältnis hängt sehr stark von den Umständen der jeweils gefahrenen Analyse ab, und das bedeutet, daß dem Benutzer Mittel an die Hand gegeben werden müssen, um die Spaltbreite entweder in vorgegebenen, wählbaren Schritten oder stetig zu ändern.

Monochromatoren können so angeordnet sein, daß sie entweder in der Richtung wachsender Wellenlängen oder in der Richtung abnehmender Wellenlängen abtasten. Wenn die Spalte während der gesamten Abtastung auf gleicher Breite gehalten werden, muß sich die den Strahlungsempfänger erreichende Energie im Verlauf der Abtastung wegen der von der Wellenlänge abhängigen Eigenschaften der optischen Bauteile ändern. Das muß die photometrische Genauigkeit wegen der unvermeidbaren Verminderung des Signal-Rausch-Verhältnisses beeinträchtigen, wenn weniger energiereiche Bereiche des Spektrums abgetastet werden. Es ist bekannt, die Spaltbreite auf konstante Energie an dem Strahlungsempfänger zu programmieren, und das ist der anerkannte Weg zur Lösung dieses Problems.

703822/0303

Es kann jedoch die Notwendigkeit auftreten, daß der automatischen Steuerung eine Spaltbreitensteuerung des Benutzers überlagert wird. Das bedeutet praktisch, daß die programmierte Spaltbreite mit einem Faktor multipliziert werden muß, der sich entweder stetig oder in Stufen ändern kann, je nachdem, ob die Konstruktion des Spektralphotometers so ist, daß der Benutzer irgendeine Steuereinstellung seiner Wahl in einem vorgegebenen Bereich wählen kann oder nur bestimmte vorgegebene Einstellungen.

Nun muß ein Spaltprogramm natürlich die Gitterkonstante und den Glanzwinkel des benutzten Gitters berücksichtigen und außerdem die optischen Wirkungsgrade der anderen optischen Glieder, die einen Teil des Photometersystems des Spektralphotometers bilden. Bei Mehrgittergeräten wird dies berücksichtigt, in dem Steuernocken mit mehreren Spuren für die Spaltsteuerung vorgesehen sind, wobei jede Spur für ein bestimmtes Gitter ausgelegt ist. Wenn ein Gitter in mehr als einer Ordnung benutzt wird, i.uß jeder Ordnung in gleicher Weise ihre eigene Spur zugeordnet werden.

Bei der Multiplikation des Weges eines Spaltnockenfühlers mit dem oben erwähnten Faktor tritt eine mechanische Schwierigkeit auf. Bei einigen vorbekannten Spektralphotometern sind Gestänge verwand worden, die Hebel mit veränderlichen Schwenkpunkten verwenden. Solche Gestänge sind verhälnismäßig einfach und billig herzustellen, gestatten jedoch noch nicht eine genaue Multiplikation und arbeiten nur innerhalb eines relativ engen Bereiches einigermaßen zufriedenstellend.

Es ist natürlich bei der Spektralphotometrie bekannt, daß das aufgezeichnete Spektrum entweder in Werten der Durchlässigkeit oder in Werten der Absorption und die Abszisse entweder in Wellenlängen oder in Wellenzahlen angegeben werden kann. In der vorliegenden Beschreibung wird auf die Abtastfunktion des Monochromators Bezug genommen, wobei eine Wellenzahldarstellung der Abszisse angenommen wird, welche die

709322/0303

bei Ultrarotgeräten am meisten benutzte ist. Der Einfachheit halber wird daher der Ausdruck "Wellenzahlabtastung" benutzt, obwohl der Monochromator tatsächlich die Wellenlänge der von der Probe ausgehenden Strahlung abtastet. Es versteht sich jedoch, daß die Wellenlängendarstellung nicht als Möglichkeit im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen werden soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes System zur Steuerung der Breite eines optischen Spaltes nach Maßgabe des Produktes von zwei veränderlichen Funktionen zu schaffen, von denen eine programmiert ist, und weiterhin einen verbesserten Monochromator, welcher ein solches System aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung der eingangs definierten Art zur Steuerung der Breite eines einstellbaren optischen Spaltes vorgesehen, welche gekennzeichnet ist durch:

A Spaltbreiten-Programmiermittel zur Erzeugung eines ersten Weges, der eine logarithmische Funktion der momentanen Spaltbreite nach Maßgabe eines vorgegebenen Programms ist.

B Numeruserzeugungsmittel zur Erzeugung eines zweiten Weges, welcher der dem ersten Weg zugeordnete Numerus ist,

C Phaseneinstellmittel, durch welche die Phasenbeziehung zwischen dem besagten ersten Weg und dem besagten zweiten Weg steuerbar ist,

709822/0303

D Spaltbreitenwählmittel, durch welche die besagten Phaseneinstellmittel betätigbar sind, so daß die Phasenbeziehung nach Maßgabe einer vorgegebenen Spaltbreitenwahl steuerbar ist, und

E Betätigungsmittel, die auf den besagten zweiten Weg ansprechen und durch welche der besagte Spalt in seiner Breite verstellbar ist.

Die Spaltbreiten-Programmiermittel können vorzugsweise von einen logarithmischen Nockens gebildet sein, welcher den Logarithmus der programmierten variablen Punktion über einen vorgegebenen Bereich derselben wiedergibt. Bei der speziellen Anwendung der Erfindung auf einen Monochromator, der einen Teil eines Spektralphotometers bildet, kann der besagte logarithmische Nocken den Logarithmus der Spaltbreite darstellen, die erforderlich ist, um an dem Strahlungsempfänger über eine vollständige Wellenzahlabtastung eine konstante Energie aufrechtzuerhalten. Der Nocken kann durch den Wellenzahlantrieb des Spektralphotometers verdrehbar sein.

Wenn die programmierte Funktion abrupte Änderungen der Nockenkontur verlangt können an dem besagten Nocken so viele Spuren vorgesehen sein, wie solche Änderungen auftreten, wobei jede Spur einem speziellen Teil des gesamten Bereiches der besagten Funktion entspricht. Wenn man wieder auf die oben erwähnte speziellen Anwendung zurückgeht, so bedeutet das Folgendes: Wenn die Konstruktion des Monochromators ein oder mehrere Gitteränderungen verlangt oder Änderungen der Gitterordnung, um den vollen Abtastbereich der Wellenzahl zu überdecken, kann der besagte logarithmische Nocken mit so vielen Spuren versehen sein, wie solche Änderungen auftreten. Das logarithmische Profil jeder Spur ist dann an das zugehörige Gitter oder die zugehörige GitterOrdnung angepaßt.

709822/0303

Normalerweise erfordert, wie bei Spektralphotometer-Monochromatoren bekannt ist, die Verwendung von Spaltsteuernocken mit mehreren Spuren einen konstruktiven Kompromiß, der sich aus der stufenartigen Profiländerung zwischen der jeweils verlassenen Spur und der neuen Spur bei einer Änderung des Gitters oder der Gitterordnung ergibt. Bei bekannte SpaltSteuersystemen kann diese Änderung stattfinden, indem der Äbtastantrieb um einen kleinen Winkel weiterläuft, nachdem der SchreibfederStellmotor und natürlich der Schreibstreifenantrieb vorübergehend stillgesetzt, wurde. Wenn jetzt dieser Winkel zu klein ist, kann der Spaltnockenfühler auf den Schritt zwischen den beiden Spuren nur bei Abtastantrieb in Vorwärtsrichtung ansprechen aber nicht beim Rücklauf, was bei einem handelsüblichen Gerät eine nicht tragbare Einschränkung darstellt. Wenn der Winkel zu groß ist, wird so viel Nockenprofil dafür verbraucht, daß der neuen Spur eine unerwünscht hohe Profiländerungsgeschwindigkeit erteilt werden muß, wenn die Abtastung entweder von der gerade vor Kommandierung der Änderung erreichten Wellenzahl wiederaufgenomen werden soll oder von einem Wert, der geringfügig höher ist, um einen kleinen Überlappungsbereich sicherzustellen. Im letzten Fall wird der Schreibfederstellmotor wieder eingeschaltet, so, daß nach der Aufnahme der Wellenzahlabtastung ein Zusammenfallen beim Wiederdurchlaufen des besagten Wertes erfolgt. Die Zeit, die es erfordert, um die Änderung durchzuführen, ist natürlich ein weiterer wichtiger Faktor. Ideal sollte diese Zeit sehr kurz sein, aber die erhebliche Trägheit der Abtastantriebssysteme hat es mit sich gebracht, daß Änderungen im Verlaufe von Sekunden statt im Verlaufe von Bruchteilen einer Sekunde bisher gedultet werden mußten.

Eine wesentliche Verbesserung im Rahmen der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Paar von Spurenteilen pro stufenweiser Änderung der Funktion so angeordnet sind, daß ein Nockenfühler an einem oder dem anderen Teil durch einen einfachen Umschaltmechanismus zur Anlage gebracht werden kann. Die Wirkungsweise ist am besten verständlich unter Bezugnahme

703822/0303

ΛΑ

auf die Anwendung bei Spektralphotometern, bei welcher eine stufenweise Änderung einer Funktion einem Gitterwechsel entspricht. Der voreilende Teil eines Paares ist so gewählt, daß er während eines ersten Teils des von einem Gitter überdeckten Wellenzahlbereich wirksam ist, und der übrige Teil wird während des zweiten Teils des besagten Bereiches in Bereitschaft für einen Gitterwechsel eingeführt, wobei die abrupte Änderung der Spaltbreite, die damit verbunden sein muß, bewirkt werden kann, indem der Nockenfühler auf den voreilenden Spurenteil des nächsten Paares von Spurenteilen umgeschaltet wird, die dem neuen Gitter zugeordnet sind, während sowohl der Wellenzahlantrieb als auch der Schreibfedermotor für einen kurzen Moment angehalten werden. Da der Nockenfühler bewegt wird und nicht der Spaltnocken durch den Wellenzahlantrieb verdreht werden muß, wird der vorerwähnte konstruktive Kompromiß vollständig vermieden, und die Umschaltzeit wird auf einen Bruchteil einer Sekunde vermindert.

Die Mittel zur Erzeugung des Numerus können in Form eines Numerusnockens vorgesehen sein, durch welchen ein Fühlerarm, der einen Teil der besagten Betätigungsmittel bildet, bewegbar ist. Die Bewegung des besagten Fühlerarmes wird auf einen Mechanismus zur Veränderung der Breite der Monochromatorspalte übertragen.

Die Phaseneinstellmittel können in Form eines Differentialmechanismus vorgesehen sein, welcher eine übertragung der Bewegung des Nockenfühlers des logarithmischen Nockens auf den Numerusnocken gestattet und es gleichzeitig ermöglicht, daß die Spaltbreitenwahlmittel die Bewegung nach Maßgabe einer gewählten Einstellung der besagten Wahlmittel vor-oder nacheilen lassen. Das schließt eine neutrale Einstellung ein, bei welcher weder eine Vor- noch eine Nacheilung eingeführt wird. Ein bevorzugter Differentialmechanismus enthält ein Stahlseil· oder dergleichen, durch welches ein Drehwinkel des besagten logarithmischen Nockenfühler in einen Drehwinkel des

709822/0303 _a

— ο —

Numerusnockens umsetzbar ist, wobei das Stahlseil über eine Seilrollenanordnung geführt ist, die nach Maßgabe einer Einstellung der Spaltbreitenwahlmittel verschwenkbar ist, um den besagten Drehwinkel des Numerusnockens zu vergrößern oder zu verkleinern, derart, daß der Numerusnocken eine Phasenvoreilung bzw. eine Phasennacheilung annimmt.

Die Spaltbreitenwahlmittel können von einem Nocken gebildet sein, der entweder mit einem stetigen oder mit einem gestuften Profil versehen ist, je nachdem ob das Spektralphotometer so konstruiert ist, daß es dem Benutzer die Wahl irgendeiner gewünschten Spaltbreite oder nur bestimmter Spaltbreiten in einem vorgegebenen Bereich gestattet. Bei dem vorerwähnten bevorzugten Differentialmechanismus kontrolliert der Spaltbreiten-Wahlnocken den Winkel, um welchen die besagte Seilrollenanordnung verschwenkbar ist.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt den Grundaufbau des erfindungsgemäßen

Systems zur Steuerung der Spaltbreite bei einem Monochromator mit vier Gittern.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den logarithmischen Nocken.

Fig. 1 zeigt den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Systems zur Steuerung der Spaltbreite bei einem Monochromator mit vier Nocken, der einen Teil eines Ultrarot-Spektralphotometers bildet. Das Spektralphotometer ist zur Abtastung eines

_i Wellenzahlbereiches zwischen 4000 cm im Abtastursprung und

_-i
180 cm am Ende der Abtastung eingerichtet. Die Lagebeziehung

der dargestellten Teile soll den Zustand darstellen, der am

709822/0303

Abtastursprung erhalten wird.

In Fig. 1 enthält ein mit mehreren Spuren versehener logarithmischer Nocken 1 eine Aluminiumscheibe 2 von wesentlicher Dicke, über deren eine Fläche eine durchgehende Nut 3 von konstanter Tiefe und veränderbarer Breite um den Mittelpunkt der Scheibe herum ausgefräst ist. Die senkrechten Wandungen der Nut 3 bestimmen vier logarithmische Spuren, von denen jeweils eine Spur an ein spezielles Gitter angepaßt ist. Jede Spur enthält einen Teil, der sich über die innere Wandung und einen Teil, der sich über die äußere Wandung der Nut 3 erstreckt. Das bedeutet natürlich, daß zwei aufeinanderfolgende wirksame Spurenteile einer Wandung durch einen unbenutzten Spurenteil getrennt sind.

Die Scheibe 2 ist mit einer Welle 4 verkeilt, die in einem Lager 5 und einem Lager 7 gelagert ist. Das Lager 5 sitzt in einm Maschinenrahmenteil 6 und das Lager 7 sitzt in einer Konsole 8, die an dem Rahmenteil 9 durch Schrauben 8A befestigt ist.

Die Welle 4 ist mit dem (nicht dargestellten) Wellenzahl antrieb des Spektralphotometers verbunden, und, wie in Fig. 1 erkennbar ist, ist sie im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 8 angedeutet ist, verdrehbar, wenn das Spektralphotometer im Vorwärtsabtastbetrxeb verwendet wird.

Fig. 2 zeigt den logarithmischen Nocken 1 von Fig. 1 in Draufsicht. Sie soll die wirksamen Spuren identifizieren und sie mit den vier Gittern in Bezug auf Wellenzahlen innerhalb des vollen Abtastbereiches in Beziehung setzen. Sie soll auch die Rücklaufspur zeigen, die am Ende der Abtastung wirksam wird.

- 10 709822/0303

In Fig. 2 enthält die Spur Nr. 1 einen ersten Teil T1A, der sich an der inneren Wandung der Nut 3 von der 4000 cm -Marke bis zu 3289 cm erstreckt, und einen zweiten Teil T1B, der sich an der äußeren Wandung der Nut 3 von 3289 cm bis 1980 cm erstreckt. Die beiden Spurenteile T1A und T1B sind in Betrieb, wenn das Gitter G1 gewählt ist. Ein Gitter wird in Fig. 2 durch den Buchstaben G bezeichnet mit einem Index, der die Reihenfolge der Benutzung angibt, in Verbindung mit einem durch einen Pfeil bezeichneten Kreissektor, der die Grenzen des durch das besagte Gitter überdeckten Wellenlängenbereichs symbolisiert. Ähnliches gilt für Spur Nr. 2, welche den sich von 1980 cm bis 1004 cm erstreckenden Spurenteil T2A an der inneren Wandung enthält, an die sich ein sich von 1004 cm bis 630 cm erstreckender Spurenteil an der äußeren Wandung anschließt. Die Spur Nr. 2 ist dem Gitter G₂ zugeordnet. Die Identifizierung der den Gittern G-. und G. zugeordneten Spuren Nr. 3 und Nr. 4 ergibt sich nunmehr deutlich allein aus einer Betrachtung von Fig. 2. Das Ende der Spur Nr. 4 bei 180 cm geht über in eine Rücklaufspur RTA an der äußeren Wandung der

— 1 —1

Nut 3 bis zu 4180 cm und einen Teil RTB von 4180 cm zurück zum Abtastursprung bei 4000 cm an der inneren Wandung.

Im Verlauf einer vollständigen Abtastung werden acht Spurenteile nacheinander benutzt. Jedes Gitter ist einem Paar von Spurenteilen zugeordnet, von denen der vorläufige Spurenteil des Paares sich an der inneren Wandung der Nut 3 und der andere Spurenteil an der äußeren Wandung der Nut befindet. Die Spuren sollen mit einer Nockenfühlereinrichtung zusammenwirken, die noch im einzelnen beschrieben werden wird. Das Arbeitsende der

_1 Nockenfühlereinrichtung muß an dem Spurenteil T1A bei 4000 cm

— 1 —1

anliegen, bei 3289 cm auf T1B übergehen, bei 1980 cm auf die innere Wandung der Nut 3 zurückschalten und an T2A zur Anlage kommen usw. bis zu insgesamt acht Umschaltungen einschließlich der Umschaltung bei 4180 cm" . Das Ende des Teils RTA und der Anfang des Teils RTB sind versetzt dargestellt, da

- 11 -

709822/0303

die Nockenfühlereinrichtung wegen der Art und Weise, wie sie gehaltert ist, und der Steilheit des Rücklaufteils der Nut 3 tatsächlich einer geneigten Bahn folgt.

Ein elektromagnetisches Stellglied, das unten beschrieben wird, dient dazu, die Nockenfühlereinrichtung abwechselnd von der einen in die andere Betriebsstellung umzuschalten. Um die Stellung bei jeder mit einem Gitterwechsel zusammenfallenden Umschaltung weniger kritisch zu machen, kann jede verlassene Spur so verlängert werden, daß sie einige Wellenzahlen unterhalb der in Fig. 2 angegebenen Zahl überdeckt, und man kann die zugehörige neue Spur einige Wellenzahlen oberhalb jener Zahl beginnen lassen. Auf diese Weise wird ein iiberlappungsbereich von beispielsweise zehn Wellenzahlen geschaffen, in welchem beide Spuren benutzbar sind. Solange die Umschaltung innerhalb jenes Bereiches stattfindet, bleibt die Stetigkeit des Spaltbreitenprogramms erhalten.

Die Ausnutzung beider Wandungen zur Darstellung einer Spur gestattet die Verwirklichung eines wichtigen Vorteils, indem nämlich der steile Gradient des Spurenprofils, der sich beim Gitterwechsel ergibt, nicht mehr durch Verdrehung des Wellenzahlantriebs um einen kleinen Winkel bei stillstehendem Schreibfederstellmotor überwunden zu werden braucht. Alles, was erforderlich ist, ist eine kurze Unterbrechung im Betrieb des Wellenzahlantriebs und des SchreibfederStellmotors, während die Nockenfühlereinrichtung umgeschaltet wird.

Es wird jetzt fortgefahren mit der Beschreibung des Aufbaus von Fig. 1. Die vorerwähnte Nockenfühlereinrichtung enthält einen Fühlerarm 10, der in seinem Mittelteil mit einer Stummelwelle 11 verbunden ist. Die Stummelwelle 11 ist in einem in den Maschinenrahmenteil 13 sitzenden Lager 12 drehbar. An einem Ende des Fühlerarmes 10 ist ein Fühlerstift 10A befestigt, dessen Durchmesser so gewählt ist, daß er mit minimalem Spiel innerhalb des engsten Abschnitts der Nut 3 aufgenommen wird, so

7098 2 2/0303

- 12 -

daß die photometrischen Störungen unbedeutend werden, die bei der Bewegung des Stiftes von einem Teil einer Nockenspur zum anderen verursacht werden.

Das oben erwähnte elektromagnetische Stellglied wird von einem Drehmagneten 14 gebildet, der mit einem Betätigungsarm 14A versehen ist. Der Betätigungsarm 14A trägt einen nach oben ragenden Stift 14B, welcher in einem Schlitz 1OB eines Ansatzes 10C des Fühlerarmes 10 sitzt. Eine an einem Rahmenteil 14D verankerte Zugfeder 14C spannt den Arm 14A entgegen dem Uhrzeigersinn vor, wenn der Drehmagnet 14 nicht erregt ist. Dadurch wird der Fühlerstift 10A gegen die innere Wandung der Nut 3 des logarithmischen Nockens 1 gezogen. Wenn der Drehmagnet 14 erregt ist, wird die Wirkung der Feder 14C überwunden, und der Fühlerstift 10A wird gegen die äußere Wandung der Nut gedrückt. Die Betätigung des Drehmagneten 14 wird natürlich über die Steuerlogik des Spektralphotometers kommandiert, welche auf die momentane Stellung des Wellenzahl-Abtastantriebes anspricht. Da Fig. 1 den Beginn der Abtastung zeigt und der erste Spurenteil, der wirksam wird, sich auf der inneren Wandung der Nut 3 in dem logarithmischen Nocken 1 befindet, wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert worden ist, ist der in Fig. 1 dargestellte Drehmagnet als nicht erregt zu betrachten.

An dem Fühlerstift 1OA entgegengesetzten Ende des Fühlerarmes 10 ist ein Zapfen 1OD befestigt, der als Verankerungsvorrichtung für ein Ende eines Stahlseiles 15 dient. Das Stahlseil 15 ist über eine erste Seilscheibe 16 im Uhrzeigersinn geführt, dann drei Windungen um eine Trommel 17 entgegen dem Uhrzeigersinn, wobei die mittlere Windung an der Trommel bei 17A befestigt ist und anschließend über eine andere Seilscheibe 18 im Uhrzeigersinn, bevor das Stahlseil an einem Ende einer Zugfeder 19 befestigt ist. Das andere Ende der Zugfeder ist an einem Zapfen 1OE befestigt, der an einem Ansatz 1OF des Fühlerarmes 10 angebracht ist.

709822/0303 - 13 -

Die Seilrollen 16 und 18 sind um Zapfen 16A bzw. 18A an einer Platte 20 drehbar gelagert. Sie bilden mit dieser Platte eine Seilrollenanordnung PA. Die Trommel 17 ist mit einer Welle 21 verkeilt, die drehbar gelagert ist in einem Lager 22, daß in dem Rahmenteil 23 gehaltert ist, und in einem Lager, welches in Fig. 1 durch die Trommel 10 verdeckt ist.

Das obere Ende der Welle 21 ist verlängert und nimmt den Innenring eines Paares von Kugellagerringen auf, dessen Außenring in der Platte 20 befestigt ist, so daß die Seilrollenanordnung PA als ganze von der Welle 21 getragen und frei rellativ zu dieser verdrehbar ist. Am unteren Ende der Welle 21 ist ein Nummerusnocken 25 befestigt, der einen wirksamen Profilteil aufweist, welcher sich entgegen dem Uhrzeigersinn von 25A bis 25B erstreckt. Der besagte Nummerusnocken 25 wirkt mit einem Nockenfühler 26 zusammen, der einen Fühlerarm 26A aufweist. Der Fühlerarm 26A ist an seinem einen Ende schwenkbar gelagert und trägt an dem anderen Ende eine Rolle 26B zum Abtasten der Kontur des Nummerusnockens 25. Der durch die Verdrehung des Nummerusnockens 25 bewirkte Winkelweg des Armes 26A wird auf einer Anordnung 27 übertragen, welche ein Paar von einstellbaren Monochromatorspalten und einen Mechanismus zur Veränderung der Spaltbreite nach Maßgabe der Winkelverdrehung des Fühlerarmes 26A enthält.

Die Spaltanordnung 27 enthält ein erstes Paar von verdrehbaren Spaltbackenträgern 27A und 27B, welche Spaltbacken 27A 1 27B 1 tragen. Die Spaltbacken 27A 1 und 27B 1 bilden den Eintrittsspalt eines Monochromators. Ein zweites Paar von ähnlichen Spaltbackenträgern 27C und 27D, welche Spaltbacken 27C 1 bzw. 27D 1 tragen, bilden den Austrittsspalt des besagten Monochromators.

Die beiden Spaltbackenträger des ersten Paares sind um einen am Rahmenteil 27F befestigten oberen Zapfen 27E und einem am Rahmenteil 27H befestigten unteren Zapfen 27G verdrehbar. Die beiden Zapfen sind gleichachsig angeordnet.

709822/0303

- 14 -

Man kann sich vorstellen, daß der Spaltbackenträger 27A aus einer massiven Aluminiumstange spanabhebend hergestellt ist und folgende Teile bildet: Einen zylindrischen Grundkörper 27A 2, der axial durchbohrt ist und den Zapfen 22E aufnimmt und mit diesem eine schwenkbare Verbindung herstellt, ein am Umfang längsverlaufender Schenkel 27A 3, an welchem die Spaltbacke 27A 1 befestigt ist, und ein zylindrischer Sektor 27A 4 am Ende, der durchbohrt ist und den Zapfen 27G aufnimmt und mit diesem eine Schwenkverbindung herstellt.

Der drehbare Spaltbackenträger 27B ist im wesentlichen genauso aufgebaut wie der Spaltbackenträger 27A und enthält in ähnlicher Weise einen zylindrischen Grundkörper 27B 2, der in einen längsverlaufenden, am Umfang angeordneten Schenkel 27B übergeht, welcher seinerseits sich in einem zylindrischen Sektor 27B 4 fortsetzt. Die beiden Spaltbackenträger sind so hergestellt, daß sie drehbar innerhalb eines gemeinsamen, gedachten zylindrischen Mantels ineinanderpassen, wobei der Grundkörper 27A 2 über dem Sektor 27B 4 und der Sektor 27A 4 über dem Grundkörper 27B 2 liegt. Die nach innen weisenden Konturen der zylindrischen Sektoren sind so geformt, daß jeder Spaltbackenträger um einen maximalen vorgegebenen Winkel verdrehbar ist, ohne daß der zylindrische Sektor des einen Spaltbackenträgers mit dem am Umfang des anderen Spaltbackenträgers angeordneten Schenkel in Konflikt kommt.

Das zweite Paar von Spaltbackenträgern ist ähnlich aber nicht übereinstimmend mit dem ersten Paar. Die Unterschiede sind geringfügig und sind leicht aus Fig. 1 erkennbar.

Die dem Spaltbackenträger 27A durch irgendeinen, von dem Nummerusnocken 25 hervorgerufenen Winkelweg des Nockenfühlers 26 erteilte Drehbewegung wird ohne Richtungsumkehr durch ein flexibles Metallband 271 auf den Spaltbackenträger 27C übertragen. Die Enden des Metallbandes 271 sind jeweils in geeigneter Weise an dem zugehörigen Spaltbackenträger befestigt.

709822/0303

- 15 -

Die gleiche Drehbewegung wird von dem Spaltbackenträger 27A auf den Spaltbackenträger 27D durch ein zweites flexibles Metallband 27J übertragen, mit der Ausnahme, daß diesmal der Drehsinn umgekehrt wird, indem das Metallband S-förmig um die beiden Spaltbackenträger herumgelegt ist und die Enden jeweils wieder an dem zugehörigen Spaltbackenträger befestigt sind. Das dritte flexible Metallband 27K koppelt die Bewegungen der Spaltbackenträger 27B und 27D. Das Metallband ist dabei um die zylindrischen Grundkörper der beiden Spaltbackenträger herumgelegt, wobei seine beiden Enden durch eine dazwischen liegende Zugfeder 27L gegeneinander gezogen sind. Das Metallband 27K ist mit jedem der beiden zylindrischen Grundkörper in einem geeigneten Punkt, beispielsweise bei 27K 1 verstiftet, um einen Schlupf zu vermeiden. In ähnlicher Weise wie das Metallband 271 kehrt das Metallband 27K die Richtung der zwischen den beiden Spaltbackenträgern übertragenen Bewegung nicht um.

Die Spaltbacker.träger 27C und 27D sind beide im Uhrzeigersinn vorgespannt, der erste durch eine Torsionsfeder 27M und der zweite durch eine Torsionsfeder 27N. Man erkennt, daß das von der Torsionsfeder 27M ausgeübte Drehmoment über das Band 271 auf den Spaltbackenträger 27A übertragen wird. Infolgedessen wird der damit verbundene Nockenfühler 26 gegen den Nummerusnocken 25 gedrückt. Gleichzeitig werden die Spaltbacken 27A 1 und 27C 1 in Richtung auf die Schließstellung gedrückt, soweit dies die jeweilige Winkelstellung des Nummerusnockens 25 zuläßt.

Die Torsionsfeder 27N belastet den Spaltbackenträger 27D und über das Band 27K den Spaltbackenträger 27B im Uhrzeigersinn mit dem Ergebnis, daß beide Spaltbacken 27D 1 und 27B 1 in Richtung auf die Offenstellung gedrückt werden. Diesem Drehmoment wirkt jedoch das Band 27J entgegen, welches wegen der Wirkung der erwähnten Feder 27M gespannt bleibt. Nur wenn der Nockenfühler 26 die Spaltbacken 27A 1 und 27C 1 aufdrückt, können sich die Spaltbacken 27B 1 und 27D 1 um den gleichen Betrag öffnen.

709822/0303

- 16 -

Das Zusammenwirken der Federn und der Bänder, wie es vorstehend beschrieben ist, soll einen spielfreien Betätigungsmechanismus schaffen, der auf den Winkelweg des Nockenfühlers 26 anspricht, in dem er gleichzeitig die beiden Monochromatorspalte übereinstimmende Spaltbreiten einnehmen läßt, die im wesentlichen proportional dem besagten Winkelweg sind. Die Spaltbacken, welche jeden Spalt bilden, öffnen oder schließen dabei symmetrisch zu der Berührungslinie der besagten Spaltbacken im voll geschlossenen Zustand.

Die Platte der drehbaren Seilrollenanordnung PA trägt einen Zapfen 21A, auf welchem ein verschwenkbarer Nockenfühler 2OB gelagert ist. Der Nockenfühler 2OB ist in Anlage an der Kante eines drehbaren Spaltbreiten-Wählnockens 28. Der Spaltbreiten-Wählnocken 28 ist mit einer Welle 29 verkeilt, die in einem in einem Rahmenteil 31 gehalterten Lager 30 und in einem in einem Rahmenteil 33 gehalterten Lager 32 drehbar ist. Der Spaltbreiten-Wählnocken 28 ist mit einer Mehrzahl von VorSprüngen, beispielsweise 28A, versehen, die leicht von dem leicht gekrümmten toten Bereich 28B des Nockenprofils unterschieden werden können. Der Bereich 28B erfüllt keine Wahlfunktion. In der in Fig. 1 dargestellten Lage liegt der schwenkbare Nockenfühler 2OB an dem toten Bereich 28B des Nockens 28 an, was bedeutet, daß r"er Benutzer noch nicht die Überlagerung einer gewünschten Spaltbreite auf das in dem logarithmischen Nocken 1 gespeicherte Spaltprogramm gewählt hat. Unter diesen Umständen dient die Anordnung mit dem Nockenfühler 10, dem Stahlseil 15, der Seilrollenanordnung PA, der Trommel 17 und der Feder 19 nur dazu, die Drehbewegung von dem Fühlerarm 10 auf den Nummerusnocken 25 zu übertragen. Was die Steuerung der Spaltbreite in der Anordnung 27 angeht, könnte genau das gleiche Ergebnis mittels eines linearen Nockens statt des logarithmischen Nockens 1 erzielt werden, welcher den Spaltbreiten-Einstellmechanismus direkt antreibt. Die Anordnung wird jedoch wirksam, wenn der Spaltbreiten-Wählnocken 28 verdreht wird, so daß einer der Vorsprünge 28A an dem Nockenfühler 20B zur Anlage

709822/0303 - 17 -

kommt. Die Vorsprünge sind tatsächlich mit verschiedenen Radien hergestellt. Die maximalen und minimalen Radien treten bei 28mx bzw. 28mn auf. Der durch Verdrehen des Spaltbreiten-Wählnockens 28 gewählte Vorsprung bewirkt eine Verschwenkung der Seilrollenanordnung PA um einen Winkel, der proportional der Änderung des Radius des VorSprunges ist. Wenn der Radius größer ist als derjenige, den der Nockenfühler 2OB in der in Fig. 1 dargestellten Lage "sieht", dreht sich die Seilrollenanordnung PA im Uhrzeigersinn. Wenn der Radius kleiner ist, dreht sich die Seilrollenanordnung entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Wirkung der Verdrehung der Seilrollenanordnung PA besteht darin, daß in der zwischen dem Fühlerarm 10 und dem Nummerusnocken 25 übertragenen Drehbewegung eine Phasenverschiebung eingeführt wird, wobei diese Phasenverschiebung ein Voreilen des Nummerusnockens bewirkt, wenn die Seilrollenanordnung PA aus der in Fig. 1 dargestellten Stellung im Uhrzeigersinn bewegt wird, und umgekehrt, falls die Seilrollenanordnung entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt wird, weil die beschriebene Anordnung praktisch einen Differentialmechanismus darstellt.

Nun ist das Profil des Nummerusnockens 25 an beiden Enden über die Grenzen hinaus verlängert, die erforderlich wären, wenn der Spaltbreiten-Wählnocken 28 niemals aus der in Fig. 1 dargestellten Stellung herausbewegt würde. Wenn die Wirkungsweise des Aufbaus von Fig. 1 mit dem Spaltbreiten-Wählnocken 28 in seiner Ruhestellung als "gleichphasiger" Betrieb betrachtet wird, dann verschiebt eine Phasenverschiebung, die dadurch hereingebracht wird, daß einer der Vorsprünge 28A an dem Nockenfühler 2OB zur Anlage kommt, nur den Bezugspunkt des Spaltprogramms. Eine Phasenvoreilung bewirkt einen Beginn des Spaltprogramms mit größerer Spaltbreite verglichen mit dem "gleichphasigen" Betrieb, und eine Phasennacheilung bringt eine kleinere anfängliche Spaltbreite mit sich. Der "gleichphasige" Betrieb bewirkt natürlich keine Phasenverschiebung.

709822/030 3

- 18 -

Aus dem Vorstehenden ist klar, daß die unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene Ausführungsform die Notwendigkeit eines Kompromisses zwischen dynamischen Bereich und rechnerischer Genauigkeit beseitigt, den man in bekannten Anordnungen findet. Sowohl der logarithmische Nocken als auch der Nummerusnocken können leicht so konstruiert sein, daß sie den gleichen Grad von Abtastgenauigkeit über jeden Bereich aufrechterhalten, der bei der Konstruktion eines Spektralphotometers erforderlich ist. Der Differentialmechanismus hat seinerseits keine inhärenten Bereichsbeschränkungen und kann leicht so gebaut sein, daß eine mehr als ausreichende Genauigkeit innerhalb des konstruktiven Bereichs erreicht und aufrecht erhalten wird. Seine Punktion besteht praktisch darin, durch Phasenvoreilung bzw. Phasennacheilung zu dem Logarithmus der momentanen programmierten Spaltbreite den Logarithmus des vom Benutzer gewählen Multiplikationsfaktors zu addieren oder ihn davon abzuziehen. Der Nummerusnocken 25 wandelt die Summe oder die Differenz in einen Wert um, welcher die programmierte Spaltbreite multipliziert mit dem besagten Faktor darstellt.

Insgesamt wurde es möglich, eine größere rechnerische Genauigkeit als bisher über den gesamten dynamischen Bereich hinweg aufrechtzuerhalten, während gleichzeitig dieser Bereich vergrößert wird, um die Verhaltenserfordernisse des Gerätes zu erreichen.

- 19 -

709822/0303

Leerse ι te

Claims (15)

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Steuerung der Breite eines einstellbaren optischen Spaltes nach Maßgabe des Produktes zweier variabler Funktionen, von denen eine programmiert ist, mit wenigstens einem einstellbaren optischen Spalt,

gekennzeichnet durch:

A) Spaltbreiten-Programmiermittel (1) zur Erzeugung eines ersten Weges, der eine logarithmische Funktion der momentanen Spaltbreite nach Maßgabe eines vorgegebenen Programms ist,

B) Numeruserzeugungsmittel (25) zur Erzeugung eines zweiten Weges, welcher der dem ersten Weg zugeordnete Numerus ist,

C) Phaseneinstellmittel (PA), durch welche die Phasenbeziehung zwischen dem besagten ersten Weg und dem besagten zweiten Weg steuerbar ist,

D) Spaltbreitenwählmittel (28,2OB), durch welche die besagten Phaseneinstellmittel (PA) betätigbar sind, so daß die Phasenbeziehung nach Maßgabe einer vorgegebenen Spaltbreitenwahl steuerbar ist, und

E) Betätigungsmittel (27), die auf den besagten zweiten Weg ansprechen und durch welche der besagte Spalt in seiner Breite verstellbar ist.

709822/0303

- 20 -

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreiten-Programmiermittel von einem logarithmischen Nocken (1) gebildet sind, welcher den Logarithmus der programmierten variablen Funktion über einen vorgegebenen Bereich derselben wiedergibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (1) eine Mehrzahl von Spuren aufweist, von denen jede die programmierte variable Funktion über einen vorgegebenen Teil des besagten Bereiches wiedergibt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spur ein Paar von Spurenteilen (T1A, T1B..) aufweist und daß die Spaltbreiten-Programmiermittel weiterhin einen Nockenfühler (10) enthalten, der mit einem steuerbaren ümschaltmechanismus (14) zusammenwirkt, wobei die beiden Spurenteile (T1A, T1B..) so angeordnet sind, daß der Nockenfühler (10) je nach dem Steuerzustand des besagten ümschaltmechanismus (14) an dem einen oder dem anderen Spurenteil (T1A, T1B...) anliegt.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Numeruserzeugungsmittel von einem Numerusnocken (25) gebildet sind und die Betätigungsmittel eine Nockenfühleranordnung (26) enthalten, welche durch den Numerusnocken verlagerbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel weiterhin eine mit der Nockenfühleranordnung (26) verbundenen Mechanismus (27) aufweisen, durch welchen die Spaltbreite des optischen Spaltes nach Maßgabe der Verlagerung der Nockenfühleranordnung steuerbar ist.

- 21 -

709822/0303

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phaseneinstellmittel Eingabemittel enthalten, welche mit den Spaltbreiten-Programmiermitteln verbunden sind, und Ausgabemittel, die mit den Numeruserzeugungsmitteln (25) verbunden sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phaseneinstellmittel von einem Differentialmechanismus mit einer drehbaren Baugruppe (PA) gebildet sind, die so angeordnet ist, daß eine Verdrehung der besagten Baugruppe aus einer Bezugswinkellage je nach der Richtung der besagten Verdrehung eine Phasenvoreilung oder eine Phasennacheilung der Ausgabemittel gegenüber den Eingabemitteln hervorruft.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreitenwählmittel von Mitteln (2OB, 28) zur Verdrehung der besagten Baugruppe (PA) um einen gewählten Winkel gebildet werden, so daß sie eine gewählte Phasenverschiebung zwischen den Eingabe- und Ausgabemitteln des Differentialmechanismus bewirken.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verdrehung der Baugruppe einen Nocken (28) und einen Nockenfühler (20B) enthalten.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken eine gestufte Kontur aufweist.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken eine glatte Kontur aufweist.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren optischen Spalt und einen· Mechanismus, der einen Teil der besagten Betätigungsmittel bildet und durch welchen die beiden optischen

7098 2 2/0303

Spalte in gleicher Weise nach Maßgabe des besagten zweiten Weges in ihrer Breite einstellbar sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Teil des Monochromators eines Spektralphotometers bildet und die besagten optischen Spalte den Eintritts- und Austrittsspalt des Monochromators bilden.

15. Einrichtung nach Anspruch 4 oder einem der Ansprüche 5 bis 12 bei Rückbeziehung auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Teil eines Monochromators eines Spektralphotometers bildet, welches so viele Gitter aufweist als Spuren an dem logarithmischen Nocken vorgesehen sind, und daß der ümschaltmechanismus zur Wahl der für ein vorgegebenes Gitter geeigneten Spur eingerichtet ist.

709822/0303