DE2758141A1

DE2758141A1 - Spektrophotometer

Info

Publication number: DE2758141A1
Application number: DE19772758141
Authority: DE
Inventors: Hans-Erdmann Dipl Phys Korth; Franz Dipl Phys Dr Schedewie
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1977-12-27
Filing date: 1977-12-27
Publication date: 1979-06-28
Also published as: GB2012067B; JPS6038644B2; FR2413644A1; FR2413644B1; CH634656A5; CA1108429A; IT1160375B; IT7831080A0; DE2758141C2; JPS54109890A; GB2012067A

Description

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Anmelderin: IBM Deutschland GmbH

Pascalstraße 100

7000 Stuttgart 80 pr-cn

Spektrophotometer

Die Erfindung betrifft ein Spektrophotometer mit einem reflektierenden Dispersionselement und einer in der Auswertebene angeordneten Vielfach-Photodetektorenanordnung.

Bei der Untersuchung von Proben verschiedenster Art, wie Textilfasern und -geweben, Flüssigkeiten und Gasen aller Art, insbesondere verschmutzter Luft usw. werden fast ausschließlich spektralanalytische Methoden verwendet. Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von Spektrophotometern, das sind Vorrichtungen zur Messung der spektralen Helligkeitsverteilung einer Strahlung, entwickelt, die eine schnelle, sichere und einfache Ermittlung der Zusammensetzung der untersuchten Proben oder die Feststellung des Vorliegens bestimmter Komponenten in diesen Proben gestatten.

So werden bei einem beispielsweise in der Literaturstelle "Classical Methods", Vol. 1, von I. Estermann, Academic Press, New York and London, 1959, S. 398 bis 4OO, beschriebenen Monochromator die in verschiedenen Farben erzeugten Abbildungen des Eintrittsspalts durch eine gemeinsame Verstellung eines Dispersionsprismas und eines Planspiegels nacheinander über einen Austrittsspalt bzw. über ein strahlungsempfindliches Element verschoben. Da insbesondere bei ein hohes Auflösungsvermögen aufweisenden Vorrichtungen dieser Art ein !erheblicher apparativer Aufwand erforderlich ist, sind die 'nach diesem Verfahren arbeitenden Geräte sehr teuer, groß j und störanfällig. Weil sie gegen Erschütterungen sehr empfind-ι

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lieh sind, sind häufige sehr zeitraubende Justagen zumindest j nach jedem Transport unumgänglich. Nachdem die auf die einzel-j

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nen Spektralkomponenten entfallenden Intensitäten nicht gleichzeitig sondern in zeitlicher Aufeianderfolge durch Drehung einer empfindlichen optischen Anordnung gemessen werden, wobei an dem Synchronismus der Drehung mit den Zeitpunkten der ein- ' zelnen Messungen hohe Anforderungen gestellt werden, sind mit den Vorrichtungen der obengenannten Art durchgeführte Messungen auch sehr zeitraubend. i

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 27 39 585.3 wird ein Spektrophotometer beschrieben, das aus einem keilförmigen Interferenzfilter besteht, dessen eine ! I Fläche mit einer Vielfach-Photodiodenanordnung verbunden ist. , Die Anordnung ist so ausgebildet, daß aufgrund der sich örtlich ändernden spektralen Durchlaßcharakteristik des keilförmigen Interferenzfilters jede Photodiode nur mit Strahlung j einer bestimmten Wellenlänge beaufschlagt werden kann. Diese ] Vorrichtung ist zwar leicht, wenig störanfällig und relativ ; schnell, da die Photodiodenanordnung mit dem keilförmigen

Interferenzfilter fest verbunden ist und die Messung der In- j tensitäten aller spektralen Komponenten gleichzeitig erfolgt. I Da jedoch die in dem Bereich einer Photodiode gelangende In tensität höchstens gleich der dem keilförmigen Interferenzfilter zugeführten Gesamtintensität dividiert durch die Anzahl der Photodioden ist, sind derartige Spektralphotometer wenig empfindlich, was u.a. zur Folge hat, daß, insbesondere bei geringen Strahlungsintensitäten, bestimmte Meßgeschwindigkeiten nicht überschritten werden können.

In der US-Anmeldung Ser.No. 754810 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der die an einem Gitter spektral zerlegte Strahlung Über einen Hohlspiegel auf eine Vielfach-Diodenanordnung abgebildet wird. Der Nachteil dieser zwar eine höhere Empfindlichkeit als die oben genannten Spektrophotometer aufweisenden Vorrichtung besteht vor allem darin, daß dem Hohlspiegel oder dem Gitter wegen der bei divergenten oder schiefen Strahlenbündeln auftretenden Abbildungsfehler des Hohl-

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spiegeis zur Erlangung eines hohen Auflösungsvermögens eine möglichst gut kollimierte Strahlung zugeführt werden muß, was die Empfindlichkeit und somit die Arbeitsgeschwindigkeit der Vorrichtung begrenzt.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Spektrophotometer anzugeben, das bei extrem einfachem Aufbau, niedrigem Gewicht und geringen Abmessungen ein hohes Auflösungsvermögen, eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aufweist. Darüber hinaus sollen selbst relativ große Abweichungen der Istrichtung von der Sollrichtung der zu analysierenden Strahlung ohne Einfluß auf die Meßgenauigkeit und die Empfindlichkeit sein. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

Die in bezug auf vergleichbare Vorrichtungen der obengenannten Art sehr hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Spektralphotometers wird vor allem dadurch erreicht, daß zwischen Eintrittsapertur und reflektierendem Dispersionselement eine vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft des reflektierenden Dispersionselement angeordnete Linse vorgesehen ist, die einen aus der in der Nähe ihrer Brennebene angeordneten Eintrittsapertur kommenden Strahl unabhängig von seinem Divergenzwinkel als Parallelstrahlenbündel auf das reflektierende Dispersionselement richtet. Bedingt durch den geringen Abstand zwischen Linse und Dispersionselement treten bei Abweichungen der Richtung des Zentralstrahls des die Eintrittsapertur durchsetzenden divergenten Strahlenbündels von der optischen Achse des Geräts keine ins Gewicht fallenden seitlichen Verschiebungen und keine Richtungsänderungen des auf idas reflektierende Dispersionselement auftreffenden Strahlen-Ibündeis auf, so daß keine Lageänderungen der den einzelnen Wellenlängen zugeordneten Abbildungen der Eintrittsapertur auf der Vielfach-Photodetektoranordnung stattfinden. Da die das zu analysierende Strahlenbündel unabhängig von dessen

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Divergenzwinkel - sofern dieser nur innerhalb des Aperturwinkels der Linse liegt - und der Richtung seines Zentralstrahls auf das reflektierende Dispersionselement als Parallelstrahlen-' |bündel richtende Linse gleichzeitig die den einzelnen Wellen-Hängen zugeordneten Abbildungen der Eintrittsapertur auf die ' Vielfach-Photodetektorenanordnung bewirkt, ist beim erfindungsgemäßen Spektralphotometer die Anzahl der erforderlichen optischen Elemente geringer als bei allen bisher bekannten vergleichbaren Vorrichtungen der obengenannten Art. Da ein bejsonders kleiner Abstand zwischen der Linse und dem reflektie-

|renden Dispersionselement gemäß vorliegender Erfindung beson-

ders wünschenswert ist, können diese beiden Elemente entweder ^miteinander verkittet oder sogar aus einem Stück hergestellt |werden, wodurch die Einfachheit und die ünempfindlichkeit ^!der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegen Erschütterungen oder !Verschmutzungen gegenüber allen bekannten Spektralphotometern

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!ganz wesentlich erhöht wird.

!Nachdem auch die die Eintrittsapertur enthaltende Platte imit der Vielfach-Photodetektoranordnung fest verbunden sein

{kann, besteht das erfindungsgemäße Spektralphotometer praktisch nur aus zwei relativ einfach auch durch Massenproduktion j

herstellbaren Komponenten, die ohne besonders hohe Anforderungen an die gegenseitige Ausrichtung durch eine nur wenige cm lange und breite Hülse miteinander verbunden sind.

bie durch diese Ausführungsform erreichte Einfachheit, Klein-

jheit, Billigkeit und Robustheit kann mit keinem der bisher jekannt gewordenen Spektrophotometer auch nur annähernd eriicht werden.

urch die Anordnung der linearen Vielfach-Photodetektoranordnung in unmittelbarer Nähe der kreisförmig, quadratisch oder rechteckförmig ausgebildeten Eintrittsapertur werden die bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art nur selten vermeidbaren

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schiefen Bündel und die damit verbundenen Fehler weitgehend vermieden.

Die Erfindung wird anschließend anhand der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellenden Figur näher erläutert. Das in der Figur schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus einem eine zu untersuchende Probe 2 aufnehmenden Probenhalter 1, einer Linse 20, einer eine quadratische Apertur 3 aufweisenden Platte 4, aus einer auf dieser Platte in unmittelbarer Nachbarschaft der Apertur 3 angeordneten, aus Photodioden 6 bestehenden Vlelfach-Photodiodenanordnung 5, einer Linse 8 und einem als Stufengitter ausgebildeten reflektierenden Dispersionselement 9. Die Platte/ist mit dem Dispersionselement 9 durch eine Hülse 10 verbunden, die oben durch einen Deckel 21 abgeschlossen ist.

Die auf dem Probenhalter 1 angeordnete Probe 2 wird durch eine schräg einfallende polychromatische Strahlung 11 beleuchtet. Anstelle einer schiefwinkligen Beleuchtung kann auch eine senkrechte Beleuchtung über einen zwischen Probe 2 und Linse 20 angeordneten, in der Figur nicht dargestellten, halbdurchlässigen Spiegel erfolgen. Die an einem Punkt der Oberfläche der Probe 2 diffus gestreute oder reflektierte Strahlung wird durch eine Linse 20 als konvergentes Strahlenbündel 12 innerihalb der im Brennpunkt der Linse 8 liegenden Eintrittsapertur 3 fokussiert und tritt aus dieser als divergentes Strahlen- !bündel in Richtung auf die Linse 8 aus. Beim Durchtritt durch diese Linse wird das divergente Strahlenbündel in ein Parallelstrahlenbündel umgewandelt, das unter einem kleinen Einfallwinkel auf das reflektierende Dispersionselement 9 auftrifft. Dieses ist so ausgebildet, daß eine Beugung des auftreffenden Lichtes im wesentlichen nur in Richtung der ersten Beugungsordnung stattfindet. Da die Richtung einer Beugungsordnung von der Wellenlänge abhängig ist, wird die erste Beugungsordnung für jede Wellenlänge in einer anderen Richtung reflektiert und durch die Linse auf jeweils eine einer GE 977 013

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bestimmten Wellenlänge zugeordneten Photodiode 6 abgebildet. Zur Vereinfachung der Darstellung und Erhöhung der Übersichtlichkeit werden diese Verhältnisse nur anhand eines einzigen, die rechte Begrenzung des die Eintrittsapertur 3 durchsetzenden divergenten Strahlenbündels darstellenden Strahls 13 dargestellt. Der die Linse 8 durchsetzende Strahl 13 wird von dieser in einen zur optischen Achse dieser Linse parallel verlaufenden Strahl umgewandelt, der an dem reflektierenden Dispersionselement 9 nur in Richtung der ersten Ordnung gebeugt wird. Die den Farben Rot, Grün und Blau zugeordneten Richtungen sind mit 13R, 13G und 13B bezeichnet. Beim Durchtritt durch die Linse 8 werden diese Strahlen in Richtung auf die ihren Farben zugeordneten Photodioden 6R, 6G bzw. 6B abgelenkt. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß das gleiche mit jedem parallel zur optischen Achse der Linse 8 verlaufenden, auf das reflektierende Dispersionselement 9 auftreffenden Strahl erfolgt, so daß die von der ganzen Fläche des Dispersionselements reflektierte Strahlung einer bestimmten Wellenlänge jeweils auf eine bestimmte Photodiode 6 fokussiert wird.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Meßergebnisse bei einem einen kleineren Divergenzwinkel aufweisenden Strahlen- _; bündel 12, sofern dieses nur den gleichen Lichtfluß aufweist, nicht verändert und auch die Empfindlichkeit der Messung nicht herabgesetzt wird. Weist der durch die Eintrittsapertur 3 eintretende Strahl, was die Regel sein wird, einen Divergenzwinkel auf, der wesentlich kleiner als der Aperturwinkel der Linse 8 ist, so ist die Richtung der Zentralachse dieses Strahles ohne Einfluß auf die Lage der Abbildungen der einzelnen Farbkomponenten auf der Vielfach-Photodiodenanordnung und auf die Meßempfindlichkeit. Das erfindungsgemäße Spektral-j photometer kann somit beispielsweise im Zusammenhang mit j ]einem Meßmikroskop verwendet werden, ohne daß besondere Maß- ' Inahmen zur Ausrichtung der optischen Achse des Spektralphoto-'meters auf die optische Achse des Meßmikroskops erforderlich !sind.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Spektrophotometer mit einem reflektierenden Dispersions element und einer in der Auswertebene angeordneten Vielfach-Photodetektorenanordnung, gekennzeichnet durch eine zwischen Eintrittsapertur (3) und reflektierenden! Dispersionselement (9) angeordnete Linse (8), die alle die Eintrittsapertur in beliebigen, innerhalb des Aperturwinkels der Linse liegenden Richtungen durchsetzenden Strahlen (12) als Parallelstrahlenbündel auf das reflektierende Dispersionselement richtet und die die vom reflektierenden Dispersionselement in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Wellenlängen in unterschiedlichen Richtungen gebeugten Komponenten (13B, 13G, 13R) auf die jeweils bestimmten Wellenlängen zugeordneten Photodetektoren (6B, 6G, 6R) fokussiert.

Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Dispersionselement (9) als reflektierendes Strichgitter ausgebildet ist.

Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Dispersionselement (9) als reflektierendes Stufengitter ausgebildet ist.

Spektrophotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Dispersionselement (9) als Dispersionsprisma mit verspiegelter Rückseite ausgebildet ist.

5. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (8) in unmittelbarer Nachbarschaft des reflektierenden Dispersionselements (9) angeordnet ist.

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6. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Dispersionselement (9) mit der Linse (8) verkittet ist.

7. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Dispersionselement (9) einstückig mit der
Linse (8) ausgebildet ist.

8. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsapertur (3) in der Brennebene der Linse (8) angeordnet ist.

9. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektorenanordnung (5) aus entlang einer parallel

zur oder in der Brennebene der Linse (8) in unmittelbarer Nähe der Eintrittsapertur (3) verlaufenden Photodetektoren (6) besteht.

10. Spektrophotometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsapertur (3) kreisförmig, quadratisch oder rechteckförmig ausgebildet ist.

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