DE2949438A1

DE2949438A1 - Optische strahlfuehrungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2949438A1
Application number: DE19792949438
Authority: DE
Inventors: Iii Charles E Bryson; John N Dukes; Lynn Weber
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1978-12-15
Filing date: 1979-12-08
Publication date: 1980-06-26
Also published as: FR2444264B1; JPS5595838A; JPS6217683B2; US4227079A; FR2444264A1; DE2949438C2; GB2038030B; GB2038030A

Description

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Int. Az.: Case 1323 ~S * 8. Oktober 1979

Hewlett-Packard Company

OPTISCHE STRAHLFÜHRUNGSVORRICHTUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Strahl führungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Spektrometern werden typischerweise Strahlunterbrecher (Chopper) verwendet, um den Lichtstrahl abwechselnd durch eine Probenzelle und eine Referenzzelle zu leiten. Ein typischer Chopper ist in Figur 1 dargestellt und weist ein Paar von feststehenden Spiegeln 15 und 16 an diagonal gegenüberliegenden Eckpunkten eines Rechtecks sowie ein Paar von Spiegeln 12 und 17 auf, die an den anderen beiden Ecken dieses Rechtecks senkrecht auf rotierenden Achsen befestigt sind. Die rotierenden Spiegel 12 und 17 sind halbkreisförmig, so daß während der einen Hälfte jeder Umdrehung ein Strahl 11 längs eines Weges 13 durch eine Probenzelle 133 an der Oberseite des Rechtecks geleitet wird, wogegen er während der anderen Hälfte der Umdrehung längs eines Weges 14 durch eine Referenzzelle 134 auf der Unterseite des Rechtecks geleitet wird. In manchen Vorrichtungen kann eine Anzahl von Probenzellen aufeinanderfolgend mittels eines drehbaren Karussels in den Strahlengang des Spektrometer eingebaut werden. Dabei können jedoch Schwingungen infolge der mechanischen Bewegung der Spiegel und des Karussels oder Fehlausrichtungen der Probenzellen kleine

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Abweichungen in der Strahl richtung verursachen, die die Genauigkeit des Spektrometers begrenzen. Da das Gitter des Spektrometers ein Bild des Schlitzes auf einem Detektorfeld erzeugt, muß ein Detektor in diesem Feld so groß wie das Bild sein. Soll eine große Anzahl von Detektoren untergebracht werden, ist es nötig, einen schmalen Schlitz und einen schmalen Strahl zu benutzen. Das Spektrometer ist daher empfindlich gegen Abweichungen der Strahl richtung.

Der Erfindung gemäß Anspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde, eine Korrekturmöglichkeit für Abweichungen der Strahlrichtung zu schaffen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur optischen Strahlführung in einem Spektrometer ist ein Paar von Richtspiegeln vorgesehen, die parallel zur Achse einer gemeinsamen Antriebswelle auf dieser befestigt sind. Die Welle läßt sich drehen, wodurch der Einfallswinkel des Strahls auf den Richtspiegeln veränderbar ist und der Strahl auf eine von mehreren Proben- bzw. Referenzzellen gerichtet werden kann. Die Winkelstellung der Richtspiegel läßt sich durch einen Drehmelder auf der Welle erfassen, der einen optischen Analogwandler aufweist. Der Drehbereich der Welle ist in eine Anzahl von Adressen aufgeteilt, die bei den Grobdrehungen der Welle benuzt werden.

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Die Feinpositionierung erfolgt durch einen Servomechanismus über ein Diodenpaar, welches die Strahl Überlappung auf jeder Seite des Schlitzes erfaßt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Regelung der Wellenstellung auf eine Winkelsekunde mög lieh, wodurch eine genaue Korrektur von Strahlabweichungen möglich ist, die z.B. auf Fehlern in der Ausrichtung der Probenzelle oder auf externen Einflüssen wie Luftströmungen und Vibrationen beruhen. Die Einführung der Probenzellen benötigt daher weniger Sorgfalt und Zeit als in bisher bekannten

Vorrichtungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Figur 1 eine Chopper-Anordnung nach dem Stand der Technik; Figur 2 eine schematische Darstellung des Strahlengangs in der

Strahlführungsvorrichtung eines Spektrometer; Figur 3 das Prinzip der elliptischen Spiegel; und Figur 4 eine Regel- und Detektoreinrichtung für die Wellen-

stellung.

In Figur 2 ist ein insgesamt mit 23 bezeichneter Strahlengang einer Strahlführungsvorrichtung in einem Spektrometer dargestellt. Der Strahl kommt von einem Schlitz 21 einer Lichtquelle

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und trifft zunächst auf einen Quellenspiegel 25, der ihn zu einem elliptischen Spiegel 27 reflektiert. Der elliptische Spiegel 27 und ein weiterer elliptischer Spiegel 41 sind im Strahlengang angeordnet und fokussieren das Licht zunächst auf eine Probenzelle 33 und dann auf einen Detektorschlitz 43 (dies ist in Figur 3 näher dargestellt, wo der Strahl von einer Quelle 321 auf einen elliptischen Spiegel 327 gelangt, welcher ihn auf eine Probenzelle 333 fokussiert. Der Strahl geht durch die Probenzelle 333 hindurch zu einem zweiten elliptischen Spiegel 341, der ihn auf einen Detektorschlitz 343 fokussiert).

Vom Spiegel 27 wird der Strahl zu einer reflektierenden Einrichtung geworfen, die auf einer drehbaren Welle 31 montiert ist. Die reflektierende Einrichtung besteht in dieser Aus führungsform aus einem Paar von Spiegeln 29 und 39, die beide auf der Welle 31 zu dieser parallel montiert sind. Die Welle 31 läßt sich derart drehen, daß der Spiegel 29 den einfallenden Strahl 23c längs einer Vielzahl von Probenpfaden 23d zu einer vorgewählten Probenposition reflektiert. Jeder Position ist eine Probenzelle 33, eine Feldlinse 35 und eine Strahlfaltungseinrichtung 37 zugeordnet. Als Strahlfaltungseinrichtung wird zweckmäßigerweise eine Würfel ecke benutzt, so daß der Strahl längs eines Weges 23e parallel zum Weg 23d zurückgeführt wird. Der Strahlengang wird also zurück zu der reflek-

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tierenden Einrichtung "gefaltet", so daß der zweite drehbare Spiegel 39 auf derselben Welle wie der Spiegel 29 montiert werden kann. Die Benutzung eines einzigen rotierenden Elementes vereinfacht die Bewegungsvorgänge der Maschine und eliminiert

Fehler, die auftreten können, wenn mehr als ein rotierendes

Element benutzt wird, wie es im oben beschriebenen Chopper gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Da die Spiegel 29 und 39 sowie die Strahlenwege 23d und 23e zueinander parallel sind, wird der Strahl vom Spiegel 39 längs eines Weges 23f reflektiert, der parallel zum Weg 23c ist. Der Strahl wird nun durch den elliptischen Spiegel 41 auf einen Schlitz 43 geworfen, durch welchen ein Teil des Strahls (z.B. 50%) hindurchgeht und durch ein spektrales Zerstreuungselement, z.B. ein holographisches Gitter 49 aufgefächert und auf ein Detektorfeld 51 für sicht bares Licht und ein Detektorfeld 53 für ultraviolettes Licht geworfen wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schlitz 43 durch ein Paar von reflektierenden Schneiden 45 und 47 gebildet, die den Strahl Überschuß auf jeder Seite des Schlitzes zu einem Paar von Detektoren 55 und 57 reflek tieren, die für die Feinpositionierung der Welle 31 derart be nutzt werden, daß die Winkelstellung der Welle so eingestellt wird, daß die Ausgangssignale der Detektoren 55 und 57 gleich werden.

Die Winkelstellung der Welle 31 wird durch eine Detektorein-

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richtung erfaßt, welche im vorliegenden Beispiel ein Drehmelder ist, der einen optischen Analogwandler benutzt, wie er in Figur 4 dargestellt ist. Der Wandler enthält eine Scheibe 61, in der sich in Umfangsrichtung ein Paar von Schlitzen 63 und 65 befindet, die den Durchgang von Licht von einer Quelle 67 unterhalb der Scheibe zu einem Paar von Detektoren 69 bzw. 71 erlauben. Die Breite des Schlitzes 63 ist veränderlich, so daß die Intensität des den Detektor 69 erreichenden Lichtes sich mit der Winkelstellung der Welle ändert. Der Schlitz 65 hat gleichbleibende Breite und erlaubt den Durchgang von Licht zum Detektor 71. Das Ausgangssignal des Detektors 71 wird auf einen Servomechanismus 73 zur Steuerung der Quelle 67 gegeben, so daß eine konstante Lichtintensität beim Detektor 71 aufrecht erhalten wird.

Das Ausgangssignal des Drehmelders wird durch die Regeleinrichtung zur Einstellung der Winkelstellung der Welle benutzt. Ein Motor 83 bewirkt die Wellendrehung unter Steuerung durch das Ausgangssignal eines Servomechanismus 77. Dieses Ausgangssignal stellt die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Drehmelders und dem Signal von entweder einem Digital/Analog-Wandler 79 oder einem Positionskommando-Signalgenerator 81 dar. Die Grob-Winkelstellungen der Welle sind als Adressen aufgelistet, im vorliegenden Beispiel als 11-Bit-Zahlen in einem Mikroprozessor 75. Die ersten drei

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Bits enthalten die Probenposition, die die Strahl richtung innerhalb eines Winkelbereichs festlegt, der die zu untersuchende Probe einschließt. Die Größe dieses Bereichs ist durch die Abmessungen des Spektrometers und der Würfel ecken bestimmt und beträgt beispielsweise 12°. Die restlichen acht Bits steuern die Grob-Winkelstellung innerhalb dieses Winkelbereichs auf zwei Winkelminuten genau. Für eine vorgegebene Adresse bewirkt der Mikroprozessor, daß der D/A-Wandler 79 ein Signal erzeugt, das die gewünschte Winkelstellung der Welle darstellt. Dieses Signal wird im Servomechanismus 77 mit dem Drehmeldersignal verglichen, und die Differenz zwischen beiden wird zur Steuerung des Motors 83 benutzt.

Wenn das Spektrometer eingeschaltet wird, wird zunächst ein Suchbetrieb eingeleitet, um die Adresse jeder Probe aufzufinden. Der Strahl wird auf den Rand eines gegebenen Probenbereichs gesetzt, und die Adresse wird wiederholt erhöht bis der Strahl auf den Schlitz 43 fällt. Diese Adresse wird als Probenadresse gespeichert, und der Vorgang wird für jeden Probenbereich wiederholt.

In einer Bewegung zwischen den Adressen erzeugt der Positionsbefehl-Signalgenerator 81 ein Signal für den Vergleich mit dem Drehmelder-Ausgangssignal im Servomechanismus 77. Die Änderung dieses Signals mit der Zeit ist derart, daß sich die Welle

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zwischen den einzelnen Adressen in der Mindestzeit verdreht. Wenn der Lichtstrahl den Schlitz nach der Grob-Drehung verfehlt, wird der Suchbetrieb wieder aufgenommen, um diese Probenadresse wiederzufinden. Wenn der Strahl nach der Grob-Drehung auf die Schlitzdioden fällt, erfolgt ein Übergang auf das Fein-Positionierungssystem. Die Ausgangssignale der Dioden 55 und 57 werden im Servomechanismus 85 voneinander subtrahiert, und dessen Ausgangssignal justiert die Welle derart, daß der Strahl auf den Schlitz 43 zentriert wird. Diese kleinen Drehungen ändern die Position, bei der der Strahl auf die Würfelecke auftrifft, und dadurch wird der seitliche Abstand zwischen den Strahlwegen 23d und 23e verändert. Dadurch wird auch der Strahlenweg 23g seitlich verschoben, so daß der Strahl auf dem Schlitz fein-positioniert werden kann. Die Probenadresse wird automatisch aktualisiert, wenn durch die Fein-Drehung der Strahl in den Bereich einer anderen Grob-Adresse gerät.

Der Strahl kann somit auf eine Anzahl von Probenpositionen

gerichtet werden, und das System kann Strahlverschiebungen kompensieren, die auf verschiedenen Ursachen beruhen, z.B.

der ungenauen Ausrichtung der Probenzelle. Die Korrektur der Strahl richtung durch die drehbaren Spiegel und die Benutzung der Strahlfaltungseinrichtung mit einer Würfelecke macht

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präzise Wartungs- und Betriebsmethoden überflüssig. Die Verringerung von mechanischen Bewegungen führt zu einer Reduzierung der Vibration des Geräts. Diese Reduzierung und aktive Korrektur der Strahl position erlaubt eine genauere Messung des Strahls.

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-im-

Leerseite

Claims

Hewlett-Packard Company 29Λ9Λ38 Int. Az.: Case 1323 8. Oktober 1979 PATENTANSPRÜCHE

1. Optische Strahl führungsvorrichtung zur Führung eines Strahls in einem optischen Instrument längs verschiedener Probenstrahlenwege und zur Korrektur von Abweichungen in der Strahl richtung, mit einer verstellbaren Reflexionseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Probenstrahlenweg (23) ein Strahlfaltungselement (37) zugeordnet ist, das den Strahl zurück zur Reflexionseinrichtung (29, 39) leitet, die ihn weiter längs eines einzigen Ausgangsweges reflektiert, daß die Reflexionseinrichtung drehbar um eine einzelne Achse (31) angebracht ist, daß eine Detektoreinrichtung (61 bis 73) die Winkelstellung der Reflexionseinrichtung ermittelt und daß eine Steuereinrichtung (75 bis 81) auf die Signale von der Detektoreinrichtung hin die Winkelstellung der Reflexionseinrichtung regelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlfaltungseinrichtung (37) eine Würfelecke ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (61 bis 73) einen Drehmeider aufweist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmelder (61 bis 73) eine Scheibe (61) aufweist, die senkrecht zur Rotationsachse der Reflexionseinrichtung (29, 39) montiert ist und ein Paar von sich in Umfangsrichtung erstreckenden und durch die Scheibe hindurchgehenden Schlitzen (63, 65) aufweist, von denen der erste (63) von ansteigender Breite und der zweite (65) von konstanter Breite ist; eine Lichtquelle (67) aufweist, die sich bei den beiden Schlitzen befindet und diese beleuchtet; einen ersten Detektor (69) aufweist, der auf das Licht anspricht, welches durch den ersten Schlitz geht und ein erstes Signal erzeugt, das die Winkelstellung der Reflexion darstellt; einen zweiten Detektor (71) aufweist, der auf das durch den zweiten Schlitz gehende Licht anspricht und ein zweites Signal erzeugt, wobei eine erste auf das zweite Signal ansprechende Regeleinrichtung (73) die Ansteuerung der Lichtquelle so regelt, daß auf dem zweiten Detektor eine konstante Beleuchtung aufrechterhalten wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor (75), der Adressen entsprechend den Winkelstellungen der Reflexionseinrichtung (29, 39) speichert, einen Digitai/Analog-Wandler (79), der auf Befehle vom Mikroprozessor hin ein erstes Positionssignal erzeugt, welches einer ausgewählten Adresse entspricht, einen zweiten Servomechanismus (77), der entsprechend der Differenz zwischen dem ersten Positions-

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signal und dem Signal von der Detektoreinrichtung (61 bis 73) ein erstes Steuersignal erzeugt, einen Motor (83), der entsprechend dem ersten Steuersignal die Reflexionseinrichtung verdreht, wobei der Mikroprozessor bei der Einschaltung des Geräts einen Suchbetrieb einleitet, der die Adresse lokalisiert, die jedem Proben- strahlengang entspricht, sowie entsprechend den Befehlen des Benutzers die Adresse auswählt, die einem ausgewählten Probenstrahlengang entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positionsbefehl-Signalgenerator (81) entsprechend Anweisungen des Mikroprozessors (75) ein zweites Positionssignal erzeugt, welches für die Drehung der Reflexionseinrichtung (29, 39) zwischen zwei ausgewählten Winkel Stellungen benutzt wird, welches

sich zweite Positionssignal/zeitlich derart ändert, daß innerhalb der Regelungsparameter die Zeit für die Durchführung der Drehung minimiert wird, und daß der zweite Servomechanismus (77) während einer Drehungsperiode mit der Differenz zwischen dem zweiten Positionssignal und dem Signal von der Detektoreinrichtung (61 bis 73) beaufschlagt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Paar von reflektierenden Schneiden (45, 47), die so angeordnet sind, daß sie einen Schlitz im Ausgangsstrahlenweg (23g) bilden, je einen jeder Schneide zugeordneten Schlitzdetektor (55, 57), die jeweils ein Signal erzeugen, das proportional zu dem

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Teil des Strahls ist, welcher von der zugeordneten Schneide reflektiert wird, sowie einen dritten Servomechanismus (85), der auf die Signale von den Schlitzdetektoren ein zweites Steuersignal für die Benutzung durch den Motor (83) bei der Feinpositionierung des Strahls auf dem Schlitz erzeugt.

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