DE2739585A1

DE2739585A1 - Spektrophotometer

Info

Publication number: DE2739585A1
Application number: DE19772739585
Authority: DE
Inventors: Theodore Ralph Owen
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-09-23
Filing date: 1977-09-02
Publication date: 1978-03-30
Also published as: IT1114128B; JPS5339784A; FR2365792B1; US4054389A; GB1542347A; FR2365792A1; DE2739585C2; CA1082485A; JPS5849807B2

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10504 pr/bm

Spektrophotometer

Die Erfindung betrifft ein Spektrophotometer mit einem Interferenzfilter mit in Abhängigkeit vom Einfallsort sich ändernder Filtercharakteristik.

Bei der Durchführung von Spektralanalysen oder bei spektrophotometrisehen Untersuchungen wird die zu analysierende Strahlung in verschiedene Wellenlängen enthaltende Komponenten aufgespalten und die auf die einzelnen Wellenlängen entfallenden Intensitäten gemessen. Alle Spektrophotometer enthalten im wesentlichen eine Lichtquelle, Mittel zur Aufspaltung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes in verschiedene Wellenlängen enthaltende Komponenten und aus Mitteln zur Messung der auf die einzelnen Wellenlängen entfallenden Intensitäten. In der US-Patentschrift 3 885 879 wird eine Vorrichtung zur Aufspaltung von Licht in verschiedenen Wellenlängen zugeordnete Komponenten beschrieben, die aus einem relativ zu einer Glasfaseroptik verschiebbaren keilförmigen Interferenzfilter besteht. Das Filter ist zwischen der Lichtquelle und der Glasfaseroptik angeordnet und läßt, wenn es in bezug auf die Glasfaseroptik seitlich verschoben wird, Strahlungen mit unterschiedlichen Wellenlängen durch.

Durch die zeitlich sequentielle Abtastung und Messung der Intensitäten der auf die einzelnen Wellenlängen entfallenden Spektralanteile wird nicht nur die zur Ermittlung der Spektralverteilung erforderliche Zeit verlängert, sondern die ganze Vorrichtung wird wegen der relativ zueinander zu verschiebenden Komponenten konstruktiv kompliziert und störanfällig,

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da ein Eindringen von Staub und eine durch äußere mechanische und thermische Einwirkungen bedingte Veränderung der vorgeschriebenen Relativlagen bei längerem, insbesondere bei rauhem Betrieb nicht vermieden werden kann.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein wenig störanfälliges Spektrophotometer anzugeben, das bei einfachem konstruktivem Aufbau und geringem Raumbedarf Messungen von spektralen Verteilungen in extrem kurzen Zeitabschnitten ermöglicht. Darüberhinaus soll die Justage des erfindungsgemäßen Spektrophotometers sehr einfach und nur nach relativ langen Benutzungszeiten erforderlich sein. Diese Aufgaben werden durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Glasfaserbündel mit einer Seite eines keilförmigen Interferenzfilters verbunden, dessen andere Seite mit einer linearen Photodiodenanordnung verbunden ist. Das eine zu analysierende Probe durchsetzende oder an einer solchen Probe reflektierte Licht wird durch das glasfaseroptische Bündel zunächst an die eine Seite des Filters übertragen, wobei verschiedene Bereiche des Filters Licht mit verschiedenen Wellenlängen zu der an der gegenüberliegenden Seite befestigten Photodiodenanordnung durchlassen. Jede Photodiode erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das proportional zu der auf sie fallenden Lichtmenge ist. Durch Messung der am Ausgang der verschiedenen Photodioden auftretenden elektrischen Signale können die auf die einzelnen Wellenlängen entfallenden Lichtmengen bestimmt werden.

Im Gegensatz zu den vorbekannten Spektrophotometern enthält das Spektrophotometer gemäß der vorliegenden Erfindung keinerlei bewegliche Teile. Ist die Vorrichtung einmal

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zusammengesetzt und die einzelnen Komponenten miteinander, beispielsweise durch Verkleben verbunden, können diese ihre Relativlagen in bezug aufeinander nicht mehr ändern, so daß jede der Photodioden dauernd einer bestimmten und bekannten Lichtwellenlänge zugeordnet bleibt. Diese Vorrichtung ist daher besonders als tragbares Spektrophotometer geeignet.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Fign. näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht durch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das zu analysierende Licht über ein glasfaseroptisches Bündel 1 übertragen, dessen Lichtaustrittsfläche mittels einer Schicht 5 mit einem keilförmigen Filter 3 verbunden ist. Die Stränge oder die einzelnen Fasern des Glasfaserbündeis 1 sind über die obere Fläche des keilförmigen Filters verteilt.

An der gegenüberliegenden Seite des keilförmigen Filters 3 ist eine lineare Photodiodenanordnung 7 angeordnet, die mit diesem mittels einer beispielsweise aus Kitt bestehenden Schicht 9 verbunden ist. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die lineare Photodiodenanordnung 7 aus 512 Photodioden, deren Mittelpunkte etwa 25 μ voneinander entfernt sind. Für viele Anwendungen genügt jed och eine wesentlich geringere Anzahl von Photodioden. Beispielsweise genügen bei derartigen Vorrichtungen zur Durchführung von einfachen Farbanalysen 16 Dioden, die den Bereich

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von 400 nm bis 700 nm umfassen. Für die meisten Anwendungen genügen 128 Photodioden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind am Ausgang des faseroptischen Bündels 1 die einzelnen Stränge oder Fasern 15 gleichmäßig über die obere Fläche des keilförmigen Filters 3 verteilt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der vom keilförmigen Filter 3 durchgelassene Bereich zwischen 400 nm und 700 nm, d.h., im sichtbaren Bereich. Den einzelnen, verteilt angeordneten Fasern 15 ist eine Anzahl von in einer linearen Anordnung 7 angeordneten Photodioden 17 zugeordnet. Jede der Photodioden 17 erhält Licht, das durch einen kleinen Bereich des keilförmigen Filters 3 durchgelassen wurde und erzeugt an ihrem Ausgang ein über eine Leitung 19 zu übertragendes Signal. Alle Leitungen 19 sind mit einem Schalter (Fig. 1) verbunden, durch den ein auf einer beliebigen Leitung 19 auftretendes Signal zur Weiterleitung zu einer Meßvorrichtung ausgewählt werden kann.

Die vor der Inbetriebnahme des in den Fign. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels erforderliche Eichung kann in besonders einfacher Weise dadurch durchgeführt werden, daß dem faseroptischen Bündel 1 monochromatische Strahlung mit bekannten Wellenlängen zugeführt wird und die an den Ausgängen der Photodioden auftretenden Signale für jede Wellenlänge festgestellt werden. Es ist ohne weiteres einleuchtend, daß eine Reihe derartiger Messungen die zur Erstellung von Eichkurven erforderlichen Werte liefert und die Festeilung der den einzelnen Photodioden zugeordneten Wellenlängen ermöglicht. Da das erfindungsgemäße Spektralphotometer als versiegelte Einheit ausgeführt werden kann, sind derartige Eichungen nur relativ selten nötig. Es wird jedoch in der Regel erforderlich sein, Eichungen in regelmäßigen Abständen durchzuführen, da die Anzeigegenauigkeit der Vorrichtung durch verschiedene !Anstände, beispielsweise durch Alterungs-

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vorgänge, insbesondere durch Alterungsvorgänge am keilförmigen Filter 3 beeinträchtigt werden kann. Ein besonderer Vorteil einer vor der Inbetriebnahme durchgeführten Eichung liegt vor allem darin, daß die Schichten 5 und 9 zur Verbindung der faseroptischen Fasern und der Diodenanordnung mit dem keilförmigen Filter aus praktisch jedem strahlungsdurchlässigen Material hergestellt werden können, da jede Beeinflußung der die Schichten 5 und 9 durchsetzenden Strahlung durch eine vor Inbetriebnahme durchgeführte Eichung automatisch berücksichtigt werden kann.

Außer der oben beschriebenen Eichung sollte das erfindungsgemäße Spektrophotometer auch in an sich bekannter Weise unter Verwendung eines bekannten Bezugswertes geeicht werden. Zur Eichung der Vorrichtung für Transmissionsdichtemessungen kann beispielsweise als Bezugsprobe destiliertes Wasser verwendet werden. Zur Eichung der Vorrichtung für Reflexionsdichtemessungen können Bezugsmaterialien wie Magnesiumoxid oder Bariumsulfat verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich nicht nur, wie das oben beschriebene Ausführungsbeispiel, auf Einstrahlspektrophotometer, sondern kann auch im Zusammenhang mit Doppe1-strahlspektrophotometern Verwendung finden. Bei einem Doppelstrahlsystem würden zwei Sätze von verteilten Fasern verwendet werden. Ein Satz würde das von einer Referenzquelle oder Referenzsubstanz kommende Licht und das andere das vom zu untersuchenden Material kommende Licht übertragen. Die beiden Fasersätze können über einen einzigen Diodensatz oder über zwei voneinander getrennte Diodensätze verteilt werden.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die faseroptischen Fasern gleichmäßig über eine Fläche des keilförmigen Filters verteilt. Es ist jedoch leicht einzusehen, daß bei dieser Anorndung die Dioden im Bereich kürzerer WeIlen-

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längen schwächere Ausgangssignale erzeugen als die Dioden im Bereich längerer Wellenlängen. Sollen über das gesamte Spektrum einheitliche Signalhöhen auftreten, so werden die Fasern so über die Fläche des Filters verteilt, daß die Dichte dieser Fasern im Bereich kurzer Wellenlängen größer ist als im Bereich langer Wellenlängen. In diesem Fall ist die Dichte der Faserverteilung am kurzwelligen Ende des Filters höher als am langwelligen Ende. Es ist für den Fachmann offenkundig, daß die spezielle Dichteverteilung der Glasfasern von der verwendeten Lichtquelle abhängig ist.

Bei dem in den Fign. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das zu analysierende Licht durch das faseroptische Bündel 1 und die Fasern 15 zum keilförmigen Filter übertragen, das von dem zu den Photodioden 17 der Anordnung 7 gelangenden Licht durchsetzt wird. Es ist aber auch möglich, das Licht vom zu untersuchenden Objekt auf andere Weise zum Filter zu übertragen. Beispielsweise kann die obere Fläche des keilförmigen Filters mit einem kuppeiförmigen Element verbunden sein, in dem das zu untersuchende Objekt angeordnet ist, so daß das keilförmige Filter ein Fenster bildet, durch das das vom zu untersuchenden Objekt reflektierte oder dieses durchsetzende Licht hindurchtritt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.1, Spektrophotometer mit einem den zu untersuchenden Spektralbereich umfassenden Interferenzfilter mit in Abhängigkeit vom Einfallsort sich ändernder Filtercharakteristik, gekennzeichnet durch Mittel (1, 15) zur Verteilung der zu analysierenden Strahlung auf eine Seite des Filters (3) und durch eine aus einer Vielzahl von Detektoren (17) bestehende, an der gegenüberliegenden Seite des Filters angeordnete Detektorenanordnung (7) zur Messung der Intensität der einzelnen Frequenzbereiche.

2. Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (3) einen linearen Frequenzverlauf aufweist.

3. Spektrophotometer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (3) keilförmig ausgebildet ist.

4. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (7) als lineare Photodiodenanordnung ausgebildet ist.

5. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Mittel zum selektiven Verbinden der Diodenausgänge (19) mit einer Auswertvorrichtung (11).

6. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der zu analysierenden Strahlung durch einen als Glasfaserbündel (1) ausgebildeten Lichtleiter erfolgt, der ausgangsseitig in eine Vielzahl von

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linear über die eine Seite des Filters (3) verteilten und mit diesen verbunden Strängen oder Fasern ausläuft .

7. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der zu analysierenden Strahlung durch einen als Glasfaserbündel (1) ausgebildeten Lichtleiter erfolgt, der ausgangsseitig in eine Vielzahl von mit unterschiedlicher Dichte über die eine Seite des Filters verteilten und mit diesen verbundenen Strängen oder Fasern ausläuft.

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