DE2929883A1

DE2929883A1 - SPECTROMETER WITH LIGHT GUIDES

Info

Publication number: DE2929883A1
Application number: DE19792929883
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Kessler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-24
Filing date: 1979-07-24
Publication date: 1981-02-19
Also published as: WO1981000301A1; EP0032918A1

Abstract

The aim is to rid oneself of the mechanical imprecisions in a spectrometer comprised of a monochromator (10), of light guides (1100) for light transmission and of a sampling device (1200) for the output slot level. To this effect, the spectral images are sensed by multiple faces adapted to the input spectral image of a light guide and supplied to a sampler (1200). It is the section (1102) of the light guide which is adapted to the sampling device.

Description

Betreff:Reference:

"Spektrometer mit Lichtleitern" BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Spektrometer, bestehend aus einem Monochromator und Lichtleitern zur Fortleitung des Lichtes und einer Abtastvorrichtung fur die Ebene des Austrittspaltes."Spectrometer with light guides" DESCRIPTION The invention relates to a spectrometer consisting of a monochromator and light guides for Transmission of the light and a scanning device for the plane of the exit gap.

Bei Anordnungen der bezeichneten Gattung, beispielsweise bei Oberflächenreflexspektrometern, insbesondere wenn diese bei bewegten Objekten verwendet werden sollen, ist es erforderlich, das Spektrum periodisch und mit grosser Geschwindigkeit zu durchlaufen, sodass der Ort der Messung über eine Periode hin sich nicht wesentlich verschieben kann.Dazu werden Abtastfrequenzen ab 10/sec für das gesamte Spektrum verwendet Die bisher bekannten Anordnungen müssen häufig nachjustiert werden, weil die benutzten mechanischen Abtasteinrichtungen gleichzeitig maximale Energie liefern sollen und hohen mechanischen Belastungen durch die grossen Geschwindigkeiten ausgesetzt sind. In the case of arrangements of the type indicated, for example in the case of surface reflex spectrometers, especially if these are to be used with moving objects, it is necessary to to cycle through the spectrum periodically and at great speed so that the The location of the measurement cannot shift significantly over a period Sampling frequencies from 10 / sec are used for the entire spectrum known arrangements often have to be readjusted because the mechanical Scanning devices should simultaneously deliver maximum energy and high mechanical Stresses due to the high speeds are exposed.

Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen.The invention is intended to provide a remedy here.

Sie löst diese Aufgabe dadurch, dass die spektralen Spaltbilder durch flächig an das spektrale Eintrittsspaltbild d. Spektrometers angepasste Licht leiter aufgenommen und zu einer Abtastvorrichtung geleitet werden und dass die Querschnitte der Lichtleiter flächig an die Abtastvorrichtung angepasst sind. It solves this task by having the spectral slit images through flat on the spectral entrance slit image d. Spectrometer-adapted light guide recorded and passed to a scanning device and that the cross-sections the light guide are flat adapted to the scanning device.

Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, dass die Bildebene des Austrittspaltes nicht selbst abgetastet wird, sodass mechanisch bedingte Ungenauigkeiten sich nicht auf das spektrale Auflösungsvermögen des Monochromators auswirken. Die mechanische Abtastung wird vielmehr an eine Stelle verlegt, an der nur noch Intensitätsschwankungen durch mechanische Ungenauigkeiten verursacht werden könnten. überdies bestehen jedoch noch Möglichkeiten, diese zu eliminieren. The advantage of such an arrangement is that that the image plane of the exit gap is not scanned itself, so that mechanically Inaccuracies caused by this do not affect the spectral resolution of the monochromator impact. Rather, the mechanical scanning is relocated to a point where only intensity fluctuations are caused by mechanical inaccuracies could. however, there are still ways of eliminating them.

Damit ist es möglich geworden, einen Monochromator zu schaffen, der fest und abgeschlossen aufgebaut werden kann und der nicht mehr nachträglich und während des Betriebes nachjustiert werden muss. This made it possible to create a monochromator that can be built up firmly and completely and which can no longer be retrofitted and must be readjusted during operation.

In einer sehr vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Abtasteinreichtung ein rotierendes Schaltrad mit mindestens einem Lichtleiter, der die Fortleitung des Lichtes von der Abtastlinie zur Achse des Schaltrades bewirkt. In a very advantageous embodiment of the invention, the scanning device a rotating ratchet wheel with at least one light guide that conducts the transmission of the light from the scan line to the axis of the ratchet wheel.

Ein Lichtkommutator dieser Art hat den Vorteil, dass durch die Einfachheit dieses Schaltrades auch einfache Antriebe möglich sind, bei denen, insbesondere bei wechselnden Geschwindigkeiten keine Unwuchten und keine grossen Lagerbelastungen auftreten und die einfach herstellbar sind.A light commutator of this type has the advantage that it is simple this ratchet also simple drives are possible in which, in particular with changing speeds no imbalances and no large bearing loads occur and which are easy to manufacture.

-Dabei sind zwei Konfigurationen möglich:einmal kann das Schaltrad als Walze ausgebildet sein, bei der der abnehmende Lichtleiter auf dem Walzenumfang angeordnet ist. Das Schaltrad kann aber auch als Kreisfläche ausgebildet sein mit dem abnehmenden Lichtleiter auf dieser Kreisfläche. -There are two possible configurations: the ratchet wheel can be designed as a roller, in which the decreasing light guide on the roller circumference is arranged. The ratchet wheel can also be designed as a circular area the decreasing Light guide on this circular area.

Im ersten Falle ist es vorteilhaft, wenn die Querschnitte der an die Spaltbilder angepassten Lichtleiter auf der Abtastseite axial verlaufende Seitenkanten aufweisen, weil dadurch eine maximale Intensität des übertragenen Lichtes ermöglicht wird.In the first case, it is advantageous if the cross sections of the Slit patterns adapted light guides on the scanning side axially extending side edges have because this enables a maximum intensity of the transmitted light will.

Ebenso ist es bei einem kreisförmigen Schalt rad von Vorteil, wenn die Querschnitte der an die Spaltbilder angepassten Licht leiter auf der Abtastseite radial verlaufende Seitenkanten aufweisen.It is also advantageous in the case of a circular switching wheel if the cross-sections of the light guides adapted to the slit images on the scanning side have radially extending side edges.

Falls jedoch der Intensitätsverlauf beim über streichen eines Lichtleiters durch den abtastenden Licht leiter eine andere als eine Dreiecksfunktion aufweisen soll, wenn also etwa eine Parabel .funktion der Zeit gewünscht wird, kann der Lichtleiter des Schaltrades auf der Abtastseite einen diese Intensitätsfunktion der Energieübertragung bestimmenden Querschnitt aufweisen, wobei der Lichtleiter auf der axialen Seite kreisförmig ist.If, however, the intensity curve when sweeping over a light guide through the scanning light guide have a function other than a triangle should, so if a parabola .function of time is desired, the light guide can of the switching wheel on the scanning side this intensity function of the energy transfer have determining cross-section, with the light guide on the axial side is circular.

In einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung weisen die Lichtleiter der Abtastvorrichtung hinter der mechanischen Unterbrechung trichterförmige, spiegelnde Lichteinläufe auf.In another further development of the invention, the light guides of the scanning device behind the mechanical interruption funnel-shaped, reflective Light inlets on.

Durch diese einfache Anordnung können mechanische Ungenauigkeiten beim Betrieb des Schaltrades vollständig eliminiert werden, weil der Trichter alle Strahlung in den aufnehmenden Lichtleiter einführt.This simple arrangement can cause mechanical inaccuracies when operating the ratchet completely eliminated because the funnel all Introduces radiation into the receiving light guide.

Der etwas grössere Austrittswinkel auf der Empfängerseite ist dabei deshalb nicht von grosser Bedeutung, weil hier die Abstände zum Empfänger klein gehaLten werden können.The slightly larger exit angle on the receiver side is included therefore not of great importance, because here the distances to Receiver can be kept small.

Wenn an dem rotierenden Schaltrad ein Tachogenerator angeordnet ist, können elektronische Schalt-und Anzeigefunktionen davon abgeleitet werden. So kann beispielsweise die besonders rauschgünstige phasenempfindliche Gleichrichtung zur Anwendung kommen oder der Triggerimpuls für einen Anzeigeoszillografen kann von diesem Tachogenerator abgeleitet werden. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Anlage mit wechselnden Geschwindigkeiten betrieben werden soll.If a tachometer generator is arranged on the rotating ratchet, electronic switching and display functions can be derived from it. So can for example, the particularly low-noise phase-sensitive rectification for Application or the trigger pulse for a display oscilloscope can be from derived from this tachometer generator. This is particularly important if the system is to be operated at changing speeds.

Wechselnde, insbesondere aber auch sehr hohe Abtastgeschwindigkeiten lassen sich mit einer Luftturbine erreichen, wobei die Regelung der Drehzahl hier besonders einfach ist. Vorteilhaft ist demnach das Schaltrad als Laufrad einer Luftturbine ausgebildet.Changing, but especially very high, scanning speeds can be achieved with an air turbine, with the regulation of the speed here is particularly easy. Accordingly, the ratchet wheel is advantageous as an impeller of an air turbine educated.

Falls andererseits ein Elektromotor als Antrieb des Schaltrades vorgesehen ist, kann es vorteilhaft sein, wenn das Schaltrad als Anker eines Elektromotores ausgebildet ist.If, on the other hand, an electric motor is provided to drive the ratchet wheel it can be advantageous if the ratchet wheel is used as the armature of an electric motor is trained.

Aus der Zeichnung, in der die Erfindung schematisch dargestellt ist, sind weitere Einzelheiten der Erfindung ersichtlich und sie wird anhand der Zeichnung im Folgenden erläutert. Es zeigen: Fig.1:eine Anordnung mit einem Strahlungsverlauf parallel zur Achse des Schaltrades Fig.2:eine Anordnung mit einem Strahlungsverlauf senkrecht zur Achse des Schaltrades.From the drawing in which the invention is shown schematically, Further details of the invention are apparent and it is based on the drawing explained below. They show: FIG. 1: an arrangement with a radiation path parallel to the axis of the ratchet wheel Fig. 2: an arrangement with a radiation path perpendicular to the axis of the ratchet wheel.

In Fig.1 bestrahlt eine Lichtquelle 1 einen Spalt 11 eines Monochromators über eine Beleuchtungslinse 5 mit Licht 1000. Nach Dispersion an dem -nicht gezeichneten - Dispersionselement im Inneren des Monochromators 10 erscheint das spektral zerlegte Licht in der Bildebene des Austrittsspaltes 12. In FIG. 1, a light source 1 irradiates a slit 11 of a monochromator via an illumination lens 5 with light 1000. After dispersion on the -not shown - The dispersive element in the interior of the monochromator 10 appears to be spectrally decomposed Light in the image plane of the exit slit 12.

Beispielsweise ist das Spektrallinienbündel 124 eine Ansammlung von - spektral zerlegten - Bildern des Eintrittspaltes. Die Energie des spektral zerlegten Lichtes wird durch LichtleiterllO0,1150,...1300 aufgenommen, die in ihrer Aufnahmefläche 1101,1151,..an die Ausdehnung des Spektralbereiches angepasst ist, der übertragen werden soll. Er füllt demnach die Höhe der Spektralbildebene 12 vollständig und die Breite soweit aus, wie eine Wellenlängenbandbreite vom Empfänger, vom Licht leiter oder vom Messproblem her zugelassen werden kann. Hinsichtlich der Forderung einer hinreichenden Energie am Empfänger wird man das Wellenlängenintervall gross, hinsichtlich des spektralen Auflösungsvermögens wird man das Wellenlängenintervall klein machen Die Abgabeflächen der Lichtleiter 1100..an der Ausgangsseite sind ringförmig angeordnet. Diese Flächen 1102,.... For example, the line bundle 124 is a collection of - spectrally decomposed - images of the entrance slit. The energy of the spectrally decomposed Light is absorbed by LichtleiterllO0,1150, ... 1300, which is in its receiving area 1101,1151, .. is adapted to the extent of the spectral range that is transmitted shall be. It therefore completely fills the height of the spectral image plane 12 and the width as far as a wavelength bandwidth from the receiver, from the light head or can be approved by the measurement problem. Regarding the requirement If there is sufficient energy at the receiver, the wavelength interval becomes large, in terms of spectral resolution, it becomes the wavelength interval Make small The output surfaces of the light guides 1100..on the exit side are ring-shaped arranged. These surfaces 1102, ....

1302,...haben radial verlaufende Kanten und sind in einem möglichst kleinen Ring 1200, der Abtastlinie angeordnet. 1302, ... have radial edges and are in one as possible small ring 1200, arranged on the scan line.

Vor der Abtastlinie 1200 rotiert eine optische Schaltwalze300. Sie enthält einen Lichtleiter 310 , der der Abtastlinie 1200 gegenüberliegenden Seite eine Eingangsfläche 302 aufweist, die auf die Ausgangsflächen 1302... der Abtastlinie 1200 angepasst ist. Der Lichtleiter 310 leitet die aus den Ausgangsflächen 1302.... aufgenommene Lichtenergie zu der in der Achse des Schaltrades 3120liegenden Ausgangsfläche 303. Von dort aus wird das Licht über einen Anpassungszylinder 41 einem Lichtleiter 40 zugeführt, der dieses einem Empfänger 45 zuleitet. Von hier aus wird die Lichtenergie in elektrischer Form als Signal in bekannter Weise weiterverarbeitet.An optical switch drum 300 rotates in front of the scan line 1200. she includes a light guide 310 on the opposite side of the scan line 1200 has an input surface 302 that interferes with the output surfaces 1302 ... of the scan line 1200 is adapted. The light guide 310 guides the output areas 1302 .... absorbed light energy to the output surface lying in the axis of the indexing wheel 3120 303. From there, the light is transmitted to a light guide via an adapter cylinder 41 40 supplied, which forwards this to a receiver 45. From here is the light energy further processed in electrical form as a signal in a known manner.

Die Anordnung wirkt auf folgende Weise: Licht 1000 fällt auf den Eintrittsspalt 11 des Monochromators 10, wird darin spektral zerlegt und in die spektralen Bildebene 12 projeziert. Dort wird die spektrale Lichtenergie 110durch Lichtleite-r 1100.. The arrangement works in the following way: Light 1000 falls on the Entrance slit 11 of the monochromator 10 is spectrally broken down therein and into the projected spectral image plane 12. There the spectral light energy 110 passes through Light guide-r 1100 ..

aufgenommen, auf ein neues Flächenformat 1302,., gebracht und abtastfähig positioniertauf Abtastlinie 1200. recorded, on a new surface format 1302,., brought and scannable positioned on scan line 1200.

Dort wird die Energie mit hoher Geschwindigkeit abgetastet und einem Empfänger zugeleitet. Auf diese Weise erfolgt eine volle Ausnutzung der spektralen Energie in einer Anordnung, die beispielsweise vom Eintrittsspalt 11 bis zum Abtastring 1200 in ein geschlossenes Gehäuse 1500 eingebaut sein kann, weil hier Nachjustierungen nicht mehr erforderlich sind>. Das ist insbesondere bei Anordnungen, die klinisch verwendet werden sollen, ein deutlicher VorteiL. There the energy is sampled at high speed and one Recipient forwarded. In this way, full use is made of the spectral Energy in an arrangement, for example from the entrance slit 11 to the scanning ring 1200 can be built into a closed housing 1500 because readjustments are required here are no longer required>. This is especially true for arrangements that are clinical should be used, a clear advantage.

In der Zeichnung nicht dargestellt ist der Antrieb der Anordnung, der aerodynamisch oder elektrisch erfolgen kann,sowie der Tachogenerator zur Lagemeldung der Schaltwalze und die elektronischen Komponenten zur Weiterverarbeitung des Messignals.Not shown in the drawing is the drive of the arrangement, which can be done aerodynamically or electrically, as well as the tachometer generator for position reporting the shift drum and the electronic components for further processing of the measurement signal.

Es ist auch möglich, der Lichteinlauffläche 302 einen Einlaufadapter in Form eines innenverspiegelnden Trichters vorzuschalten. Das Hauptmerkmal der Erfindung, die mechanischen Ungenauigkeiten des Abtastvorganges dorthin zu verlagern, wo nur noch die Intensität schwanken kann, diese dort aber durch Adapter zu eLiminieren, ist dadurch unberührt.It is also possible to use an inlet adapter for the light inlet surface 302 upstream in the form of an internally reflective funnel. The main feature of the Invention to relocate the mechanical inaccuracies of the scanning process there, where only the intensity can fluctuate, but there is an adapter to eliminate it, is unaffected by this.

Diese Lösung ist auch bei einer Anordnung nach Fig.2 verwirklicht. Hier sind die Lichtleiter1100...This solution is also implemented in an arrangement according to FIG. Here are the fiber optics1100 ...

1350 in einer zylindrischen Halterung 1201 angeordnet, in der die Schaltwalze 301 rotiert.1350 arranged in a cylindrical holder 1201 in which the Shift drum 301 rotates.

Hierbei geht das spektral zerlegte Licht über Fläche 1101 und Lichtleiter 1100 zu Abgabeflächen 1102. Das Licht 110 wird sodann von der Aufnahmefläche 33 der rotierenden Schaltwalze 301 dann aufgenommen, wenn sich die Flächen 33 und 1102 gegenüber stehen.Here, the spectrally split light goes over surface 1101 and the light guide 1100 to output surfaces 1102. The light 110 is then from the receiving surface 33 of the rotating shift drum 301 then added when the surfaces 33 and 1102 face.

Die Weiterleitung verläuft über die Abgabeftäche 32 und den Licht leiter 42,40,43 auf einen nicht gezeichneten Empfänger.The transmission takes place via the delivery surface 32 and the light ladder 42,40,43 to an undisclosed recipient.

Welche der in Fig.1 oder Fig.2 beschriebenen Formen zur Verwendung kommen, hängt von den Konstruktionsbedingungen ab, die für die anderen Komponenten des Spektrometers eingehalten werden müssen.Which of the forms described in Fig.1 or Fig.2 to use depends on the design conditions that apply to the other components of the spectrometer must be observed.

Die Schaltfunktion, also der Intensitätsverlauf der Energie bei überfahren der Aufnahmeflächen der Schaltwalzen über die Abgabeflächen der ingförmigen oder der zylinderförmigen Anordnungen der Abgabeflächen 1101... 1102... ist bei den anggebenen Beispielen eine Dreiecksfunktion.The switching function, i.e. the intensity curve of the energy when driven over the receiving surfaces of the shift rollers over the delivery surfaces of the ing-shaped or the cylindrical arrangements of the dispensing surfaces 1101 ... 1102 ... is in the specified Examples of a triangle function.

Sie kann dadurch leicht beeinflusst werden, dass die Querschnitte der Aufnahme und Abgabeflächen an der Abtastlinie entsprechend geändert werden.It can easily be influenced by the fact that the cross-sections the pick-up and delivery surfaces on the scan line can be changed accordingly.

So lässt sich beispielsweise bei kreisförmigen Flächen ein parabelförmiger Verlauf erreichen.For example, a parabolic one can be used for circular surfaces Achieve course.

Es sind aber ohne weiteres auch andere Schaltfunktionen zu erzeugen, die auf die jeweiligen Erfordernisse angepasst sind und ohne weiteres durch die Gestaltung des Abgabe-Aufnahmeflächenpaares bestimmbar ist.However, other switching functions can also be generated without further ado, which are adapted to the respective requirements and easily by the Design of the delivery-receiving surface pair can be determined.

Claims

SPECTROMETER WITH LIGHT GUIDES PATENT CLAIMS Spectrometer, consisting of a monochromator and light guides for the transmission of the light and a scanning device, thereby do not know that the spectral 0 Slit image through flat to the spectral entrance slit image d. <00 ... Spectrometer adapted, 4 htleitet recorded and do an abbot dish it will be communicated to an abbot and that the the cross-sections of the light guides to the scanning a device? are fitted.

Spectrometer according to claim 1, characterized characterized in that, 4 scanning devices Mn home red r of the switch t at least one light Leiol 'raa m C) "'. leithfr '= has ,, Qe, the forwarding of light caused by the scanning lite e to the axis of the ratchet wheel eV.

3. Spectrometer according to Apspruch 2, thereby marked that the crossways to the Light guide adapted to the gap pattern on the scanning

side have axially extending side edges. 4. Spectrometer according to t claim 2, thereby marked that the cross-section of the Light guide adapted to the gap pattern on the scanning

side have radially extending side edges.

5. Spectrometer according to claim 2, characterized in that the light guide of the ratchet wheel on the scanning side has the intensity function the transverse section determining the energy transfer and is circular on the axial side. 6. Spectrometer according to claim 2, characterized in that the light guides of the scanning device behind the mechanical sub-trichterförmiae, soieaelte Lichtein- lSuf2.

7. Spectrometer according to claim 2, characterized in that the rotating Ratchet wheel has a tachometer generator.

8. Spectrometer according to claim 7, characterized in that the The tachometer generator controls the electronic switching and display functions.

9. Spectrometer according to claim 2, characterized in that the Ratchet wheel is designed as an impeller of an air turbine.

10. Spectrometer according to claim 2, characterized in that the Switching wheel is designed as an armature of an electric motor.