DE29906678U1

DE29906678U1 - Spektrometer

Info

Publication number: DE29906678U1
Application number: DE29906678U
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2009-04-16
Also published as: FR2792409A1; FR2792409B1

Description

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Spektrometer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektrometer, insbesondere auf ein Kleinspektrometer zur Bestimmung des Zustandes von Oberflächen von Fahrbahnen und Fahrzeugen oder Teilen davon.

Spektrometer der genannten Art beruhen auf quantitativen und qualitativen Auswirkungen der Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen auf Materie, insbesondere im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Anwendungsgebiete sind u. a. die Farbmessung und die chemische Analyse durch Auswertung der Spektren in gerichteter oder ungerichteter Reflexion oder Transmission.

Gemäß der Firmendruckschrift der Firma Carl Zeiss, Oberkochen, DE, &ldquor;Monolithisches Miniatur-Spektrometer", umfassen bekannte Kleinspektrometer in einem Gehäuse, in Lichtrichtung angeordnet, bzw. mit einem Gehäuse verbunden, einen Eingangslichtleiter, der an seinem Lichtaustrittsende mit einem Eingangsspalt verbunden ist, bzw. dessen Lichtaustrittsende so gestaltet ist, daß es den Eingangsspalt bildet,

ein vorzugsweise aberrationskorrigiertes, abbildendes Gitter, z. B. ein holographisches Gitter oder ein Konkavgitter, welches in einer festen räumlichen Beziehung zu einem Eingangsspalt steht

und eine Empfängerzeile oder -matrix, die aus einer Vielzahl fofoelektrischer Strahlungsempfänger zusammengesetzt ist.

Die Nachteile dieser bekannten Spektrometer besteht u. a. darin, daß die Montage, Justierung und Prüfung der genannten Bauteile und -gruppen sehr aufwendig sind. Für eine Massenfertigung ist der Zeit- und Arbeitsaufwand zu hoch. Auch sind eine mechanische und thermische Stabilität nur mit einem hohen Aufwand zu realisieren. Das betrifft insbesondere die Justage der Empfängerzeile oder -matrix in allen Freiheitsgraden nach dem entstandenen toleranzbehafteten Spektrum.

So liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei verringerter Masse in einem großen Temperaturbereich arbeitsfähig ist und einen in Hinsicht auf Montage, Justierung und Prüfung geringer Herstellungsaufwand erfordert.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs gestalteten Spektrometer mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils dieses Anspruchs gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind weitere Einzelheiten und Ausführungsformen der Erfindung dargelegt.

Dabei kommt es besonders darauf an, daß die Furchen des abbildenden Gitters genau zur Empfängerzeile positioniert sind. Die rotationssymmetrische Form des Gehäuses und weiterer Bauteile und -gruppen ist dabei besonders günstig, weil thermisch bedingte Spannungen und Ausdehnungen in rotationssymmetrischen Körpern gut beherrschbar sind und solche Teile, insbesondere wenn entsprechende Mittet vorgesehen sind, leicht montier- und justierbar sind. Solche Mittel können als Vorsprung und passende Ausnehmung, wie Zapfen und Nut, die ineinandergreifen, ausgebildet sein, und sie gewährleisten eine feste gegenseitige Orientierung und Positionierung der gepaarten Teile und Baugruppen sowohl und axialer als auch in winkelmäßiger Relation.

Zur Gewährleistung einer festen und zuverlässigen Verbindung von Teilen und Baugruppen sind vorteilhaft stoffschlüssige Verbindungen, wie Klebungen, Kittungen oder Schweißungen, vorzusehen. So können Teile und Baugruppen auch wirtschaftlich durch Ultraschallschweißung miteinander verbunden werden, wenn es vom Werkstoff her möglich ist.

Durch ihre Rotationssymmetrie bedingt, können alle Bauteile und/oder -gruppen vorteilhaft aus geeignetem Kunststoff oder einem geeigneten Metall besonders wirtschaftlich in hoher Qualität und mit hoher Genauigkeit im Spritzgußverfahren hergestellt werden, ohne daß große Nacharbeitungen notwendig sind.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn zur Vermeidung von Spannungen und Verformungen miteinander verbundene Bauteile und/oder -gruppen gleiche oder annähernd gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

So ist es vorteilhaft, wenn die das Licht in den Spektrometerspalt einkoppelnde Baueinheit als Lichtleiter ausgebildet ist und daß dieser Lichtleiter mit dem Spektrometerspalt durch Kleben verbunden ist. Dabei kann das dem Spektrometerspalt zugewandte Ende des Lichtleiters selbst die Form eines Spalts besitzen, inden die einzelnen Lichtleiter, die das Licht übertragen, zu einer Linie aneinandergereiht sind.

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Vorteilhaft kann es ferner sein, daß die das Licht in den Spektrometerspalt einkoppelnde Baueinheit ein Abbildungstubus ist, der in einer Fassung eine abbildende Optik und eine Spaltblende besitzt, welche an gegenüberliegenden Enden der Fassung angeordnet sind. Dabei kann die abbildende Optik des Abbildungstubus zur Querschnittswandlung beispielsweise eine Zylinderoptik in Form einer Zylinderlinse sein, die ein einfallendes rotationssymmetrisches Lichtbündel in ein spaltförmiges Austrittslichtbündel umformt, um eine hohe Lichtausbeute am Spektrometerspalt zu erzielen.

Um eine feste, präzise Zuordnung der Empfängerzeile oder -matrix zu anderen Bauteilen und -gruppen, insbesondere zum Gitter, zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Empfängerzeile oder -matrix in einer passenden Ausnehmung des Gehäuses eingeklebt und damit fest verbunden ist. Das ist besonders günstig, wenn die Empfängerzeile oder -matrix in einer entsprechenden Form und in einer entsprechenden Verbindung am Gehäuse angeordnet ist.

Um eine besonders wirtschaftliche Fertigung des Spektrometers zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Toleranzen der miteinander zu verbindenden Bauteile oder gruppen so aufeinander abgestimmt sind, daß lediglich der Lichtleiter und/oder der Spektrometerspalt in Bezug auf das Gitter zu justieren sind. Hierzu sind Spektrometerspalt und/oder der Lichtleiter in axialer Richtung, d. h. in Richtung der optischen Achse des Spektrometers justierbar vergesehen, was sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat.

Je nach Anwendungsfall des Spektrometers ist es vorteilhaft, wenn der Lichtleiter und der Abbildungstubus gegeneinander austauschbar sind. Diese Maßnahme erweist sich besonders dann als günstig, wenn entfernt vom Spektrometer gemessen werden soll. Dann erweisen Lichtleiter den besonderen Vorzug auf, daß ihre Lichteintrittsfläche je nach Länge des Lichtleiters in einiger Entfernung vom Spektrometerspalt, d. h. von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters, angeordnet werden kann, ohne größere Lichtverluste in Kauf nehmen zu müssen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Explosivdarstellung des Spektrometers und Fig. 2 eine solche Darstellung des Abbildungstubus.

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Das in Fig. 1 in einer Explosivdarstellung gezeigte Spektrometer umfaßt ein rotationssymmetrisches Gehäusei zur Aufnahme von weiteren Bauteilen und gruppen. In oder an der einen seitlichen, ersten Begrenzungsfläche 2 des Gehäuses 1 ist eine prismatische Ausnehmung 3 vorgesehen, die der Aufnahme einer optoelektronischen Empfängerzeile 4 oder -matrix, beispielsweise in Form einer CCD-Zeile oder -matrix, dient. Die Ausnehmung 3 und das Gehäuse 5 der Empfängerzeile 4 besitzen eine solche äußere Form, daß mit dem Einsetzen des Gehäuses 5 in die Ausnehmung 3 gleichzeitig eine genaue Positionierung der Empfängerzeile 4 zum Gehäuse 1 erfolgt. An der Begrenzungsfläche 2 sind gleichfalls Aufnahmeelemente 6 zur Anordnung, Justierung und Fixierung weiterer Baugruppen und -teile, wie einer Spaltblende 9 mit Spektrometerspalt 9.1 und eines Koppeltubus 7 für Lichtleiter 8 oder eines gesonderten Abbildungstubus 10, welcher ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebaut ist und eine Spaltblende 11 mit dem Spektrometerspalt 11.1 und eine oder mehrere Abbildungsoptiken 12 umfaßt. So wird bei der Montage des Spektrometer das Ende 8.1 des Lichtleiters 8 im Koppeltubus 7 eingeklebt oder eingekittet, wobei wiederum der Koppeltubus 7 in das Aufnahmeelement 6 zusammen mit der Spaltblende 9 eingesetzt und fixiert wird. In analoger Weise kann auch der Abbildungstubus 10 zusammen mit der Spaltblende 11 (Fig. 2 ) in das Aufnahmeelement 6 eingesetzt und fixiert werden.

Der Koppeltubus 7 und auch der Lichtleiter 8 können so ausgebildet sein, daß durch sie eine Querschnittswandlung des sie durchsetzenden Lichtbündel vorgenommen wird. Im Koppeltubus kann deshalb eine Zylinderoptik im Form einer Zylinderlinse als Abbildungsoptik 12 vorgesehen sein, mit ihr wird das ankommende rotationssymmetrische Lichtbündel in ein linienförmiges oder spaltförmiges Lichtbündel an der Spaltblende 11 umgewandelt. Der Lichtleiter 8 ist beispielsweise an Lichteintrittsende kreisförmig und an seinem dem Gehäuse 1, also der Spaltblende 9, zugewandten Ende linienförmig ausgebildet. Auf diese Weise kann eine weitestgehend verlustarme Lichtübertragung auf den Spektrometerspalt 9.1 der Spaltblende 9 bzw. realisiert werden.

An der der ersten Begrenzungsfläche 2 gegenüberliegenden zweiten Begrenzungsfläche 13 des Gehäuses 1 ist eine Gitteraufnahme 14 zur Aufnahme eines in einer Fassung 15 angeordneten, abbildenden Gitters 16 vorgesehen. Zum Abschluß nach außen hin dient ein Deckel 17.

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Zur Gewährleistung einer genauen gegenseitigen Positionierung miteinander verbundener Bauteile und/oder -gruppen ohne viel Justageaufwand sind an den Baugruppen oder -teilen die Montage und/oder Justierung vereinfachende bzw. erleichternde Mittel vorgesehen sind. Als solche Mittel sind an den betreffenden Baugruppen oder -teile beispielsweise Zapfen 18 bis 22 oder Vorsprünge angebracht oder in entsprechenden weiteren Baugruppen oder -teilen zu diesen Zapfen 18 bis 22 passende Nuten 23 bis 26 oder Vertiefungen oder Ausnehmungen eingearbeitet.

Zur festen und dauerhaften Verbindung der einzelnen Baugruppen und/oder -teile sind vorteilhaft je nach Werkstoff der zu verbindenden Elemente Kleb-, Kitt- oder auch Schweißverbindungen vorzusehen, weil diese Verbindungen auch wirtschaftlich mit geringem Aufwand realisierbar sind.

Die Fertigungstoleranzen werden infolge der Herstellung der Bauteile in Spritzgußtechnik gering gehalten, so daß nach dem Zusammenfügen eine Justierung weitestgehend ausbleiben kann. Justiert werden muß dann lediglich der Abstand der Spaltblenden 9 bzw. 11 vom abbildenden Gitter 16 mit zum Spalt senkrecht verlaufenden Gitterlinien 16.1, um auf diese Weise vorallem eine scharfe Abbildung des Spektrums zu erreichen.

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Claims

Schutzansprüche

1 Spektrometer, umfassend

—ein Gehäuse,

—eine Licht in einen Spektrometerspalt einkoppelnde Baueinheit, —ein abbildendes Gitter

--und eine optoelektrische Empfängerzeile oder -matrix, wobei alle diese Elemente im oder am Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Vereinfachung der Montage und/oder Justierung, ausgenommen die optoelektronische

Empfängerzeile oder -matrix, alle weiteren Baugruppen oder -elemente des Spektrometers eine

im wesentlichen rotationssymmetrische äußere Gestalt oder Form aufweisen und daß an den miteinander zu verbindenden Baugruppen oder -teile die Montage und/oder

Justierung vereinfachende bzw. erleichternde Mittel vorgesehen sind.
2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die miteinander zu verbindenden Bauteile oder -gruppen verschweißt oder verklebt sind.
3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß Bauteile oder -gruppen durch eine Ultraschallschweißung miteinander verbunden sind.
4. Spektrometer nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß alle Bauteile und -gruppen in Spritzgußtechnik aus geeignetem Kunststoff oder einem geeigneten Metall hergestellt sind.
5. Spektrometer nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die die Montage und/oder Justierung vereinfachenden bzw. erleichternden Mittel als Vorsprung und Ausnehmung ausgebildet sind.

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6. Spektrometer nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die das Licht in den Spektrometerspalt einkoppelnde Baueinheit als Lichtleiter ausgebildet ist

und daß dieser Lichtleiter mit dem Spektrometerspalt durch Kleben verbunden ist.
7 Spektrometer nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die das Licht in den Spektrometerspalt einkoppelnde Baueinheit ein Abbildungstubus ist, der in einer Fassung eine abbildende Optik und eine Spaltblende besitzt, welche an gegenüberliegenden Enden der Fassung angeordnet sind.
8. Spektrometer nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Empfängerzeile oder -matrix in einer Ausnehmung des Gehäuses eingeklebt ist.
9. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Toleranzen der miteinander zu verbindenden Bauteile oder -gruppen so aufeinander abgestimmt sind, daß lediglich der Lichtleiter und/oder der Spektrometerspalt in Bezug auf das Gitter zu justieren sind.
10. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Spannungen und Verformungen miteinander verbundene Bauteile und/oder -gruppen gleiche oder annähernd gleiche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
11. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter und der Abbildungstubus gegeneinander austauschbar sind.
12. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter und/oder der Spektrometerspalt in axialer Richtung justierbar sind.

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