DE2949438C2

DE2949438C2 - Vorrichtung zum Führen eines Strahles in einem optischen Instrument

Info

Publication number: DE2949438C2
Application number: DE2949438A
Authority: DE
Inventors: Charles E. Palo Alto Calif. Bryson III; John N. Los Altos Hills Calif. Dukes; Lynn Saratoga Calif. Weber
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1978-12-15
Filing date: 1979-12-08
Publication date: 1985-03-21
Also published as: US4227079A; FR2444264A1; GB2038030A; JPS5595838A; JPS6217683B2; GB2038030B; FR2444264B1; DE2949438A1

Description

(a) dem Probenstrahlweg ein Strahlfaltungselement (37) zugeordnet ist welches den von der drehbaren Reflexionseinrichtung (29,39) kommenden Strahl nach Durchqueren der Probenzelle (33) zurück zur drehbaren Reflexionseinrichtung (29,39) leitet die wiederum den Strahl längs estis Ausgangsweges zur Detektoranordnung (4§, 51,53) reflektiert

(b) die auf zwei einen Spalt (43) im Ausgangsweg bildenden reflektierender: Schneiden (45, 47) auftreffenden Teile des Strahls zu jeweils den einzelnen Schneiden zugeordneten Spaltdetektoren (55,57) reflektiert werden und

(c) die Ausgangssignale der Spaltdctektoren (55, 57) einer Regeleinrichtung (85) zugeführt werden, welche ein Steuersignal für einen Motor (83) zum Einstellen der Winkelstellung der drehbare r· Reflexionseinrichtung (29, 39) und damit zur Feinpositionierung des Strahls auf dem Spalt (43) erzeugt, soäaß mögliche Abweichungen der Sirahlrichtiing korrigiert werden.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die drehbare Reflexionseinrichtung den von der Lichtquelle auf sie auftreffenden Strahl bei verschiedenen Winkelstellungen auf verschiedene Probcnstrahlwege leitet und bei welcher eine Detektoreinrichtung die Winkelstellung der drehbaren Reflexionseinrichtung feststellt, dadurch gekennzeichnet daß

(a) jedem Probenstrahlweg ein Strahlfallungselement (37) zugeordnet ist, welches den von der drehbaren Reflexionseinrichtung (29,39) reflektierten Strahl nach Durchtritt durch die jeweilige Probenzelle (33) zurück zu der drehbaren Reflexionseinrichtung (29,39) leitet.

(b) der so zurückgeleitete Strahl durch die drehbare Reflexionseinrichtung (29,39) längs eines für alle Probenstrahlwege gleichen Ausgangsweges reflektiert wird, und

(c) die verschiedenen Winkelstellungen der drehbaren Reflexionseinrichtung (29,39), bei denen der Strahl zu den verschiedenen Probenstrahlwegen geleitet wird, mit Hilfe des Motors (83) und einer weiteren Regeleinrichtung (77, 81) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der De- t>o tektoreinrichtung (61,63,65,67,69,71,73) zum Feststellen der Winkelstellung der drehbaren Reflexionseinrichtung (29, 39) grob eingestellt wird.

auf einer gemeinsamen Antriebswelle parallel zur Achse der Antriebswelle befestigt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Strahlfaltungselement (37) eine Würfelecke ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Detektoreinrichtung einen Drehgeber mit einer Scheibe (61) aufweist welche senkrecht zur Rotationsachse der drehbaren Reflexionseinrichtung (29,39) montiert ist und zwei sich in Umfangsrichtung erstreckende und durch die Scheibe (61) hindurchgehende Schlitze (63, 65) aufweist von denen der erste (63) von ansteigender Breite und der zweite (65) von konstanter Breite ist

(b) eine die beiden Schlitze (63, 65) beleuchtende Lichtquelle (67) vorgesehen ist

(c) ein auf das durch den ersten Schlitz (63) hindurchtretende Licht ansprechender erster Detektor (69) vorgesehen ist der ein der Winkelstellung der drehbaren Reflexionseinrichtung (29, 39) entsprechendes erstes Signa! erzeugt, und

(d) ein auf das durch den zweiten Schlitz (65) durchtretende Liefe ansprechender zweiter Detektor (71) und eine Regeleinrichtung (73) zum Einstellen der Intensität der Lichtquelle (67) vorgesehen sind, wobei das Ausgangssignsl des zweiten Detektors (7t) der Regeleinrichtung (73) als Istwert-Signal zugeführt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

— einen Mikroprozessor (75), der Adressen entsprechend den Winkclstellungen der drehbaren Reflexionseinrichtung (29,39) reichert

— einen Digital/Analog-Wandler (79) zum Abgeben eines einer ausgewählten Adresse entsprechenden Positionssignales auf Befehle vom Mikroprozessor (75) hin, und

— einen Servomechanismus (77) zum Abgeben eines der Differenz, zwischen dem Positionssignal und dem Signal von der Dctektorcinrichtung (61, 63, 65, 67, 69, 71, 73) entsprechenden, dem Motor (83) zuzuführenden Steuersignal.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Reflexionseinrichtung ein Paar von Richtspiegeln (29,39) aufweist, die

65 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen eines Strahles in einem optischen Instrument gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um in einem Spektrometer den Lichtstrahl abwechselnd durch verschiedene Probcnzellen zu leiten, werden häufig Strahlunterbrecher verwendet. Ein typischer Strahlunterbrecher gemäß Fig. 1 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 Rechlecks senkrecht auf rotierenden Achsen befestigt sind. Die rotierenden Spiegel sind halbkreisförmig, so daß während der einen Hälfte jeder Umdrehung ein Strahl 11 längs eines ersten Weges 13 durch eine Probenzelle 133 an der Oberseite des Rechtecks, und während der anderen Hälfte der Umdrehung

längs eines zweiten Weges 14 durch eine Proben- oder Referenzzelle 134 auf der Unterseite des Rechtecks geleitet wird.

In manchen Spektrometern kann eine Anzahl von Probenzellen aufeinanderfolgend mittels eines drehbaren Karussells in den Strahlengang gebracht werden. Dabei können jedoch Schwingungen infolge der mechanischen Bewegung der Spiegel und des Karussells oder Fehlausrichtungan der Probenzellen kleine Abweichungen in der Strahlrichtung verursachen, die die Genauigkeit des Spektrometers begrenzen. Da zum Erreichen eines hohen Auflösungsvermögens der Lichtstrahl mittels Blenden sehr eng begrenzt werden muß, sind selbst kleine Abweichungen in der Strahlrichtung kritisch.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus DE-OS 23 17 831 bekannt. In dieser bekannten Vorrichtung wird der Strahl mittels eines Rhombus-Prismas von der optischen Achse versetzt und tritt nach einer weiteren Umlenkung durch eine Probenzelle hindurch. Durch Drehen des Prismas um die optische Achse kann der Strahl zu verschiedenen Probenzellen geleitet werden. Nach Durchqueren einer Probenzelle wird der Strahl durch ein zweites, parallel mit dem ersten rotierten Rhombus-Prisma zurück zur optischen Achse und anschließend zu einer Detektoranordn'ing geleitet Eine Schaltanordnung mit mehreren Leuchtdioden und zugeordneten Detektoren ermöglicht eine Zuordnung von durchstrahlter Probenzelle und gemessenem Signal. Die bekannte Vorrichtung weist keine Korrekturmöglichkeit für Abweichungen in der Strahlrichtung auf, so daß beispielsweise Schwingungen des mechanischen Aufbaus oder Luftströmungen zu unerwünschten Intensitätsschwankungen führen können. Außerdem muß die Vorrichtung beim Zusammenbau präzise justiert werden, damit der Strahl jeweils genau auf die Probenzelle und anschließend auf die Detektoranordnung trifft, denn eine selbsttätige Korrektur von Dcjustierungen während des Betriebes ist nicht möglich.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, bei welcher Abweichungen in der Strahlrichtung mittels einer drehbaren Reflexionseinrichtung selbsttätig korrigiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Abweichungen in der Slrahlrichtung werden somit durch Verstellen der drehbaren Reflexionscinrichtung korrigiert, deren Winkelstellung geregelt wird in Abhängigkeit der Intensitäten von Teilen des Lichtstrahls, die auf zwei im Ausgangsstrahlenweg angeordneten Schneiden auftreffen. Auf diese Weist: ist eine Regelung der Wellenstellung der Reflexionseinrichtung auf eine Winkelsekunde möglich, so daß selbst kleinste Abweichungen der Strahlrichtung, z. B. infolge Vibrationen, Fehlern in der Ausrichtung der Proben/eile oder Luftströmungen, ausgeglichen werden können. Diese äußerst präzise Korrekturmöglichkeit für Abweichungen der Strahlrichtung wird mit einem verhältnismäßig einfachen mechanischen Aufbau erreicht, beispielsweise wird nur ein einziges bewegliches Bauteil, die drehbare Reflexionseinrichtung, verwendet.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach Anspruch ? kann die drehbare Reflexionseinrichtung aus einem Paar von Richtspiegeln bestehen, die auf einer gemeinsamen Antriebswelle Darallel zur Achse der Antriebswelle befestigt sind. Dadurch wird ein besonders einfacher mechanischer Aufbau erreicht

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, da3 die drehbare Reflexionseinrichtung auch dazu verwendet werden kann, den Strahl auf verschiedene räumlich getrennte Probenstrahlwege zu leiten. Dies wird durch Verstellen der Reflexionseinrichtung um einen größeren Winkel erreicht Bei jedem Probenstrahlweg ist dabei die im Anspruch 1 beschriebene Feinpositionierung

to gewährleistet, die durch Drehen der Reflexionseinrichtung innerhalb eines vergleichsweise kleinen Winke'.bereichs erreicht wird. Eine Ausführungsmöglichkeit der Erfindung, bei welcher der Strahl auf verschiedene Probenstrahlwege geleitet werden kann, ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

Die Unteransprüche 5 und 6 geben Möglichkeiten an, wie die Grobeinstellung der Reflexionseinrichtung zum Führen des Strahls zu den verschiedenen Probenzellen realisiert werden kann. Die Winkelstellung der Reflexionseinrichtung läßt sich dabei durch einen Drehgeber auf der Welle erfassen, der einen «.-ptischen Analogwandler aufweist Der Drehbereich der Welle ist in eine Anzahl von Adressen aufgeteilt, die bei den Grobdrehungen der Welle benutzt werden.

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

Fig.! eine Strahlunterbrecher-Anordnung nach dem Stand der Technik;

Fig.2 eine schematische Darstellung des Strahlengang in der Strahlführungsvorrichtung eines Spektrometers;

F i g. 3 das Prinzip der elliptischen Spiegel; und
F i g. 4 eine Regel- und Detektoreinrichtung für die Einstellung der drehbaren Reflexionseinrichtung.

In F i g. 2 ist ein mit 23a, 236.23c, 23c/, 23e, 23 f. 23g. 23j. 23/bezeichneter Strahlengang einer Strahlführungsvorrichtung in einem Spektrometer dargestellt. Der Strahl kommt von einem Schlitz 2! einer Lichtquelle und trifft zunächst auf einen Quellenspiegel 25, der ihn zu einem elliptischen Spiegel 27 reflektiert. Der elliptische Spiegel 27 und ein weilerer elliptischer Spiegel 41 sind im Strahlengang angeordnet und fokussieren das Licht zunächst auf eine Probenzelle 33 und dann aei einen Detektorschlitz (Spalt) 43 (dies ist in Fig.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 Pinrichtung geworfen, die auf einer drehbaren Welle 31 montiert ist Die reflektierende Einrichtung besteht in dieser Ausführygsform aus einem Paar von Spiogeln 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 Projenpfaden 23c/zu einer vorgewählten

bo Probenposition reflektiert Jeder Position ist eine Probenzelle 33, eine Feldlinse 35 und eine Strahlfalrungseinrichtung 37 zugeordnet Als StrahlfaliuMgseinrichtung wird zweckmäßigerweise eine Würfelecke benutzt, so daß der Strahl längs eines Weges 23c parallel zum Weg 23c/zurückgeführt wird. Dor Strahlengang wird a'.so zurück zu der reflektierenden Einrichtung »gefaltet«, so daß der zweite drehbare Spiegel 39 auf derselben Welle wie der Spiegel 29 montiert werden kann. Die Benut-

zung 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 Strahlunterbrecher gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Da die Spiegel 29 und 39 sowie die Strahlenwege 23dund 23ezueinander parallel sind, wird der Strahl vom Spiegel 39 längs eines Weges 23/"reflektiert, der parallel zum Weg 23c ist. Der Strahl wird nun durch den elliptischen Spiegel 41 auf einen Spalt 43 geworfen, durch welchen ein Teil des Strahls (z. B. 50%) hindurchgeht und durch ein spektrales Zerstreuungsclement, z. B. ein holographisches Gitter 49 aufgefächert und auf ein Detektorfeld 51 für sichtbares Licht und ein Detektorfeld 53 für ultraviolettes Licht geworfen wird. Der Spalt 43 wird durch ein Paar von reflektierenden Schneiden 45 und 47 gebildet, die den Sirahlüberschuß auf jeder Seite des Spaltes 43 zu einem Paar von Detektoren 55 und 57 reflektieren, die für die reinpositionicrung der Welle 31 derart benutzt 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 Detektoreinrichtung erfaßt, welche im vorliegenden Beispiel ein Drehmelder ist, der einen optischen Analogwandler benutzt, wie er in Fig.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 aufrechterhalten wird.

Das Ausgangssignal des Drehmelders wird zur Einstellung der Winkelstellung der Welle benutzt. Ein Motor S3 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 Bits enthalten die Probenposition, die die Strahlrichtung innerhalb eines Winkelbereichs festlegt, der die zu untersuchende Probe einschließt. Die Größe dieses Bereichs ist durch die Abmessungen des Spektromcters und der Würfelekken 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 urn die Adresse jeder Probe aufzufinden. Der Strahi wird auf den Rand eines gegebenen Probenbereichs gesetzt, und die Adresse wird wiederholt erhöht bis der Strahl auf den Spalt 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-Signalgencrator 81 ein Signal für den Vergleich mit dem Drchmelder-Ausgangssignal im Servomechanismus 77. Die Änderung dieses Signals mit der Zeit ist derart, daß sich die Welle zwischen den einzelnen Adressen in der Mindestzeit verdreht. Wenn

ίο der Lichtstrahl den Spalt 43 nach der Grob-Drehung verfehlt, wird der Suchbetrieb wieder aufgenommen, um diese Probenadrcssc wiederzufinden. Wenn der Strahl nach der Grob-Drehung auf die Spaltdetcktoren (Dioden 55 und 57) fällt, erfolgt ein Übergang auf das Fein-Positionierungssystem. Die Ausgangssignalc der Dioden 55 und 57 werden im Servomechanismus 85 voneinander subtrahiert, und dessen Ausgangssignal justiert die Welle derart, daß der Strahl auf den Spalt 43 zentriert wird. Diese kleinen Drehungen ändern die Po sition, 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 Pro benadresse wird automatisch aktualisiert, wenn durch die Fcin-Drehung der Strahl in den Bereich einer anderen Grob-Adresse gerät.

Der St; shl kann somit auf eine Anzahl von Probenpositionen gerichtet werden, und das System kann Strahl- verschiebungen kompensieren, die auf verschiedenen Ursachen beruhen, z. B. der ungenauen Ausrichtung der Probenzelle. Die Korrektur der Sirahlrichtung durch die drehbaren Spiegel und die Benutzung der Strahlfaltungseinrichtung mit einer Würfelecke macht präzise

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Führen eines Strahles in einem optischen Instrument mit einer drehbaren Reflexionseinrichtung, welche den von einer Lichtquelle ausgesandten Strahl entlang mindestens einem Probenstrahlweg reflektiert und

mit einer Einrichtung, welche den Strahl nach Durchqueren einer in dem Probenstrahlweg angeordneten Probenzelle zu einer Detektoranordnung führt dadurch gekennzeichnet, daß