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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum Erzeugen von zeitlich
aufeinanderfolgenden Meßstrahlenbündeln unterschiedlicher Wellenlänge aus der Strahlung
einer polychromatischen Strahlungsquelle.
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Bei einer Vielzahl von spektralphotometrischen Analysen ist es erforderlich,
eine Probe bei mehreren Wellenlängen eines Wellenlängenbereich auf ihr Absorptions-
bzw. Emissionsverhalten zu untersuchen. Die Wellenlängen können dabei den gesamten
Wellenlängenbereich, beispielsweise den sichtbaren und den ultravioletten Bereich,
überstreichen, und ihre Zahl kann zum Beispiel bis zu 30, etwa in der Farbmetrik,
betragen. Bei anderen Anwendungen ist es auBerdem erforderlich, daß die Probe bei
mehreren Wellenlängen schnell vermessen wird, wenn es sich um eine Probe handelt,
die sich nur für einen relativ kurzen Zeitraum von zum Beispiel wenigen Sekunden
in einem vermeßbaren Zustand befindet, beispielsweise bei Flammenemission oder-bei
Anwendung einer Graphitrohrküvette. Gleichzeitig ergibt sich die Forderung nach
einer kurzzeitigen Mess.ung mit der Aufgabenstellung, daß bei einer die Probe zerstörenden
Messung möglichst wenig an Probensubstanz verbraucht wird, wie das zum Beispiel
bei Blutuntersuchungen, in der Kriminologie etc. der Fall ist.
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Bei wieder anderen Anwendungen spektroskopischer Analysen muß gewährleistet
sein, daß die Probe nicht polychromatisch, d.h. von einer Strahlung, die aus mehreren
Wellenlängen besteht, oder von einer Strahlung, die einen großen Wellenlängenbereich
umfaßt, gleichzeitig durch- oder bestrahlt wird, weil die Probe in diesen Fällen
durch einen Teil der Strahlung, und zwar meistens den kurzwelligeren Teil, verändert
oder gar zerstört wird. Ebenso kann sich die gegenteilige Forderung ergeben, daß
die. Probe mit einer
Strahlung be- oder durchstrahlt werden soll,
die den gesamten Spektralbereich voll umfaßt, wie das zum Beispiel in der Farbmetrik
bei der Beleuchtung mit normierten Strahlungsarten der Fall ist.
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Um die obigen Forderungen zu erfUllen, ist in den letzten Jahrzehnten
eine Vielzahl von Geräten entwickelt worden, die einzelne dieser Forderungen unter
Eingehung gewisser Kompromisse erfüllen können. Sogenannte "Spektralphotometer"
mit mehreren zur Verfügung stehenden Wellenlängen werden durch die Zusammenfassung
mehrerer Monochromatoren gebildet; neben der Kostenfrage ergeben sich technische
Schwierigkeiten bei der Zusammenführung mehrerer Strahlen auf eine gemeinsame optische
Achse. Die verfügbaren Geräte dieser Art stellen monochromatische Strahlung von
zwei bis vier Wellenlängen zur Verfügung.
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Andere verfügbare Geräte arbeiten mit rotierenden Filterrädern. Diese
Lösung ist nur dort einsetzbar, wo breitbandige Absorptions- und/oder Emissionsspektren
vermessen werden sollen. Durch die relativ große Bandbreite der Filter ist ein Einsatz
dieser Geräte in der Atomabsorptionsanalyse und in der Emissionsspektroskopie nicht
möglich.
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Wieder andere Geräte besitzen sogenannte NDiodenarrays" in der Spaltebene.
Bei diesen Geräten ist die Empfindlichkeit im dynamischen Bereich um etwa zwei Größenordnungen
geringer als bei Geräten, die mit Sekundärelektronenvervielfachern ausgerüstet sind,
und außerdem ist die Lage der Meßwellenlängen infolge des festgelegten Abstands
der Dioden voneinander nicht beliebig variabel. Letzteres gilt auch für Geräte mit
mehreren, in ihrer Anzahl der Anzahl der Wellenlängen entsprechenden Empfängern
für die Meßstrahlung.
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Ein Teil der verfügbaren Geräte sind sogenannte registrierende Geräte.
Bei ihnen wird die Wellenlängenänderung durch eine hochpräzise, aufwendige Mechanik
vorgenommen. Die gewonnenen
Spektren enthalten zwar "alle" Wellenlängen
des betreffenden Spektralbereichs, die Registrierzeit liegt aber im Minutenbereich,
und außerdem werden meist mehr Informationen gewonnen, als für die Jeweilige Aufgabenstellung
notwendig sind.
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Zur Durchführung einer MeBart der polychromatischen und monochromatischen
Be- oder Durchstrahlung reicht kaum nur eines der verfügbaren Geräte aus, da diese
Geräte Jeweils nur für die eine oder die andere dieser Meßarten ausgelegt sind.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll eine optische Anordnung zur Verfügung
gestellt werden, die innerhalb eines vorgegebenen Spektralbereichs, beispielsweise
im sichtbaren plus ultravioletten Bereich oder im Nahinfrarotbereich, Meßstrahlung
einer großen Anzahl von Wellenlängen zeitlich in schneller Reihenfolge, beispielsweise
den gesamten Spektralbereich fünfmal innerhalb einer Sekunde, zur Messung verfügbar
macht.
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Bei der optischen Anordnung nach der Erfindung soll es problemlos
möglich sein, die Wellenlängen identifizieren zu können, insbesondere soll ein versehentliches
Auslassen der Meßstrahlung einer oder mehrerer Wellenlängen mit Sicherheit vermieden
werden können; außerdem sollte bevorzugt eine Intensität mit dem Wert Null bei einer
Wellenlänge erkannt werden können.
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Die optische Anordnung gemäß der Erfindung sollte sowohl für die polychromatische
als auch für die monochromatische Meßart einsetzbar sein. Weiterhin sollte vorzugsweise
gewährleistet sein, daß ein Benutzer die Zahl und Lage der Wellenlängen innerhalb
eines vorgegebenen Spektralbereichs ohne Aufwand, insbesondere ohne Justierung,
seiner Jeweiligen Problemstellung entsprechend ändern kann. Im übrigen sollen die
oben genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
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Zu diesem Zweck wird mit der Erfindung eine optische Anordnung der
eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt, die sich dadurch auszeichnet, daß
an der Stelle des Strahlungseintritts oder -austritts einer Spektralzerlegungseinrichtung
eine strahlungsundurchlässige Abdeckmaske vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von
Spalten aufweist, welche geometrisch so angeordnet sind, daß sich im Falle der Anordnung
der Abdeckmaske an der Stelle des Strahlungseintritts bei Beleuchtung von Jeweils
nur einem einzelnen Spalt der Abdeckmaske durch die polychromatische Strahlungsquelle
am Austrittsspalt ein monochromatisches Meßstrahlenbündel einer vorbestimmten Wellenlänge,
die ihrerseits davon abhängt, welcher Spalt der Abdeckmaske Jeweils beleuchtet ist,
ergibt und/oder daß sich im Falle der Anordnung der Abdeckmaske an der Stelle des
Strahlungsaustritts bei der Beleuchtung des Eintritts spalts durch die polychromatische
Strahlungsquelle an den einzelnen Spalten der Abdeckmaske Je ein monochromatisches
Meßstrahlenbündel von jeweils einer von Spalt zu Spalt unterschiedlichen, vorbestimmten
Wellenlänge ergibt; und daß eine Öffnungs- und Schließeinrichtung zum zeitlich aufeinanderfolgenden
Freigeben der Spalte der Abdeckmaske vorgesehen ist.
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Obwohl die verschiedensten Spektralzerlegungseinrichtungen vorgesehen
sein können, ist es aus Gründen eines hohen Auflösungsvermögens zu bevorzugen, als
Spektralzerlegungseinrichtung ein Beugungsgitter zu verwenden, in dessen Beleuchtungs-
oder Abbildungsschärfenfläche bzw. -ebene sich die Abdeckmaske befindet. Das Beugungsgitter
kann sowohl ein planes als auch ein konkaves Beugungsgitter sein.
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Ein besonders schnelles zeitlich aufeinanderfolgendes Öffnen und Schließen
der einzelnen Spalte in der Abdeckmaske läßt sich dadurch erzielen, daß die Öffnungs-
und Schließeinrichtung eine vor oder hinter der Abdeckmaske vorgesehene Auswahlmaske
aufweist, die einen durch ihre Relativbewegung zur Abdeckmaske wiederholt nacheinander
in Fluchtung
mit den einzelnen Spalten der Abdeckmaske bewegbaren
Spalt und einen die Jeweils Ubrigen Spalte der Abdeckmaske durch Uberdecken schließenden
strahlungsundurchlässigen Bereich besitzt.
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Die Abdeckmaske dient, wie durch ihre Bezeichnung ausgedrückt wird,
dazu, die spektral zerlegte Strahlung bis auf wenige StrahlungsbUndel vorbestimmt
er Wellenlängen abzudecken, während die Auswahlmaske, wie ebenfalls durch ihre Bezeichnung
zum Ausdruck gebracht wird, dazu vorgesehen ist, in zeitlicher Reihenfolge Jeweils
einen Spalt der Abdeckmaske nach dem anderen freizugeben, und damit örtlich und
zeitlich getrennt monochromatische Strahlenbündel verfügbar zu machen, die zu Meßzwecken
zur Verfügung stehen, weswegen sie als Meßstrahlenbündel bezeichnet sind.
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Im einzelnen kann die Auswahlmaske ein im wesentlichen parallel zur
Abdeckmaske bewegbares endloses Band sein, in dem vorzugsweise mehrere Spalte in
Bewegungsrtchtung hintereinander vorgesehen sind, deren einander zugewandte Ränder
in Bewegungsrichtung einen größeren Abstand voneinander besitzen als der Abstand
der einander abgewandten Ränder der beiden äußersten Spalte der Abdeckmaske beträgt.
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Ein solches endloses Band läßt sich sehr schnell bewegen, und durch
die vorgenannte Abstandsbedingung wird sichergestellt, daß zu Jedem Zeitpunkt Jeweils
nur ein einziger Spalt der Abdeckmaske freigegeben wird.
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Eine noch schnellere zeitliche Aufeinanderfolge des Auftretens der
Meßstrahlenbündel läßt sich dadurch erzielen, daß als Auswahlmaske eine drehbare
Scheibe'oder Trommel mit einem um die Drehachse der Scheibe oder Trommel spiralförmig
verlaufenden Spalt verwendet wird, weil sich eine solche Scheibe oder Trommel mit
außerordentlich hohen Umlaufgeschwindigkeiten drehen läßt.
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Die Ausbildung der Öffnungs- und Schließeinrichtung ist Jedoch nicht
auf die Verwendung einer Auswahlmaske beschränkt, sondern es lassen sich auch andere
Ausbildungsformen von Öffnungs- und Schließeinrichtungen anwenden. Eine Öffnungs-und
Schließeinrichtung, die insofern besonders vorteilhaft ist, als sie ohne mechanisch
bewegbare Teile arbeitet und damit keinerlei Verschleiß unterworfen ist, weist erfindungsgemäß
Je ein vor, in oder hinter Jedem der Spalte der Abdeckmaske vorgesehenes Flüssigkristallfenster
auf, das elektrisch von einem strahlungsdurchlässigen in einen strahlungsundurchlässigen
Zustand, und umgekehrt, steuerbar ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind aus den Unteransprüchen
ersichtlich.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere sowohl
in der Einfachheit der optischen Anordnung, mit der bisher unerreichte Registriergeschwindigkeiten
erreichbar sind, als auch in der gleichzeitig geschaffenen Möglichkeit, eine nahezu
unbegrenzte Anzahl von Wellenlängen in zeitlich außerordentlich kurzer Aufeinanderfolge
zur Messung verwenden zu können, wobei die Anzahl und Lage der Meßwellenlängen Jederzeit
änderbar ist.
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Die Anzahl der Meßwellenlängen ist nicht durch die Erfindung begrenzt,
sondern wird durch die danach erforderliche Verarbeitungsgeschwindigkeit und Kapazität
eines die Informationen verarbeitenden Systems beschränkt. Aus diesem Grund braucht
man praktisch nie die maximal mögliche Anzahl der Wellenlängen bei einer Messung
zu verwenden, sondern immer nur die Anzahl, die notwendig ist, um eine geforderte,
zum Beispiel durch die Probenaufbereitung vorgegebene, erzielbare Meßgenauigkeit
bzw. Meßreproduzierbarkeit zu erreichen. Das können zum Beispiel 30 Wellenlängen
in der Farbmetrik sein.
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Die Erfindung ermöglicht es, nur einen Monochromator und nur einen
Meßstrahlungsempfänger zu verwenden, und wenn als Öffnungs- und Schließeinrichtung
ein bewegliches System verwendet wird, dann brauchen an dessen Laufeigenschaften
keine besonderen Ansprüche gestellt zu werden, da eventuelle Gleichlaufschwankungen
keinen Einfluß auf die Messung haben, weil nur zu fordern ist, daß sich das bewegte
Teil, d.h. die Auswahlmaske, in einer Richtung bewegt und nicht stehenbleibt. Die
Grund hierfür liegt in der absoluten Kodierung der einzelnen Meßwellenlängen, unabhängig
von Zahl, Lage und Intensität. Durch diese Kodierung der Meßwellenlängen ist es
möglich, auch Meßwerte mit dem Wert Null oder im Rauschbereich zu erfassen, was
zum Beispiel bei elektronischer Auszählung oder mit sogenannten Peak-Detektoren
nicht möglich wäre.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß es die optische Anordnung
ermöglicht, durch Weglassen einiger Bauteile und deren Ersatz durch einfache elektronische
Mittel Messungen mit getakteten Lichtquellen, beispielsweise mit Hohlkathodenlampen,
vorzunehmen, d.h. mit Lichtquellen, die in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge
ein- und ausgeschaltet werden, so daß auf diese Weise die Meßwellenlängen durch
mehrere Lichtquellen in einer bestimmten Reihenfolge bereitgestellt werden können.
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Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1
bis 7 der Zeichnung anhand einiger besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher
erläutert; es zeigen: Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung; Figur 2 eine Ansicht zur Erläuterung
der geometrischen Grundlagen eines als Spektralzerlegungseinrichtung
verwendeten
Konkavgi tt ers; Figur 3 einen Vertikalschnitt durch die optische Anordnung.nach
Figur 1 längs der mittleren der dort eingezeichneten strichpunktierten Geraden,
und zwar ergänzt durch weitere Elemente; Figur 4 eine Teilschnittansicht eines Schnitts
durch die optische Anordnung nach Figur 1 in der Ebene des dort eingezeichneten
strichpunktierten Kreises; Figur 5a den spektralen Empfindlichkeitsbereich der Empfänger
für die Meß- und Markierstrahlung; Figur 5b die spektrale Verteilung einer polychromatischen
Strahlung und der Markierstrahlung; Figur 5c die spektrale Verteilung von fünf Meßwellenlängen
sowie der Markierstrahlung; Figur 6a den zeitlichen Verlauf der Meßsignale am Meß
strahl enempfänger; Figur 6b den zeitlichen Verlauf der Synchronisiersignale am
Empfänger für die Markierstrahlung; Figur 6c den zeitlichen Verlauf der Synchronisiersignale,
die mittels einer Lichtschranke erzeugt werden; und Figur 7 eine Aufrißansicht auf
eine abgewandelte Ausführungsform einer Auswahlmaske zusammen mit der zugehörigen
Abdeckmaske.
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Es sei zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen, in der ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel einer optischen Anordnung
nach der Erfindung
dargestellt ist. Diese optische Anordnung besitzt eine polychromatische Strahlungsquelle
1 mit einer darin vorgesehenen, nicht gesondert gezeichneten Fokussierungsoptik,
die einen Eintrittsspalt 2 einer Spektralzerlegungseinrichtung 3 beleuchtet. Diese
Spektralzerlegungseinrichtung 3, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein
reflektierendes, konkaves Beugungsgitter ist, auf das weiter unten noch näher eingegangen
wird, dient dazu, die polychromatische Strahlung der Strahlungsquelle 1, die in
einem Strahlenbündel längs der optischen Achse 4 dieser Strahlungsquelle eingestrahlt
wird, spektral zu zerlegen. An der Stelle des Strahlungsaustritts der Spektralzerlegungseinrichtung
3 ist eine strahlungsundurchlässige Abdeckmaske 5 vorgesehen, die eine Mehrzahl
von strahlungsdurchlässigen Spalten 6a, 6b, 6c, 6d und 6e aufweist. Diese Spalte
6a bis Ge sind so angeordnet, daß sie Je ein monochromatisches Meßstrahlenbündel
von Jeweils einer von Spalt zu Spalt unterschiedlichen vorbestimmten Wellenlänge
aus der spektral zerlegten Strahlung durchlassen. In Figur 1 sind aus Darstellungsgründen
nur die Mittelachsen 7a bis 7e der Neßstrahlenbündel eingezeichnet.
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Die in Figur 1 dargestellt optische Anordnung besitzt weiterhin eine
Öffnungs- und Schließeinrichtung, die insgesamt mit 8 bezeichnet ist und dazu dient,
die einzelnen Spalte 6a bis 6e der Abdeckmaske 5 zu schließen und nur Jeweils einen
einzigen Spalt zu öffnen, so daß die einzelnen Spalte der Abdeckmaske zeitlich aufeinanderfolgend
geöffnet werden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt die Öffnungs-und Schließeinrichtung
8 eine Auswahlmaske 9 in der Form eines strahlungsundurchlässigen, endlosen Bandes,
das über Umlenkwalzen 10 geführt ist. In der bandförmigen Auswahlmaske 9 befinden
sich mehrere Spalte 11, die parallel zu den Spalten 6a bis 6e der Abdeckmaske 5
verlaufen und einen solchen Abstand voneinander haben, daß beim Umlauf der
bandförmigen
Auswahlmaske 9 durch Antrieb einer der Umlenkwalzen 10 mittels eines nichtdargestellten
Motors immer nur einer der Spalte 6a, 6b, 6c, 6d oder 6e geöffnet ist und nur Jeweils
das Meßstrahlenbündel mit der Mittelachse 7a, 7b, 7c, 7d oder 7e in den Raum 12
hinter der Abdeckmaske 5 und dem dieser zugewandten Teil der Auswahlmaske 9 eintreten
kann, in dem die Meßstrahlenbündel zu Meßzwecken zur Verfügung stehen oder von dem
aus die Meßstrahlenbündel in geeigneter Weise optisch zu einer Meßeinrichtung weitergeführt
werden können, wie weiter unten näher erläutert ist.
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Obwohl also, wie erwähnt, die örtlich getrennten Meßstrahlenbündel
mit den Mittelachsen 7a, 7b, 7c, 7d oder 7e nur in zeitlicher Aufeinanderfolge in
dem Raum 12 auftreten, sind aus Darstellungsgründen alle Mittelachsen bis in den
Raum 12 hinein durchgezogen. Tatsächlich befindet sich in der in Figur 1 gezeigten
Position der Auswahlmaske 9 nur das Meßstrahlenbündel mit der Mittelachse 7c im
Raum 12, da in dieser Position nur der Spalt 6c der Abdeckmaske 5 durch einen Spalt
11 in der Auswahlmaske 9 freigegeben ist.
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Bevor auf weitere Einzelheiten und Abwandlungen der optischen Anordnung
nach Figur 1 näher eingegangen und ein Beispiel einer Meßeinrichtung beschrieben
wird, die unter Verwendung der optischen Anordnung nach der Erfindung aufgebaut
ist, seien nachstehend zunächst unter Bezugnahme auf Figur 2 die physikalischen
Grundlagen der optischen Anordnung nach der Figur 1 erläutert: Das konkave Beugungsgitter
3, auf das über den Eintrittsspalt 2 entlang der optischen Achse 4 von der Strahlungsquelle
1 ein polychromatisches Strahlenbündel 13 gelenkt wird, bildet die wellenlängenabhängigen
Spaltbilder 14 auf einer zylindrisch verlaufenden Schärfenfläche ab, die sich entlang
dem sogenannten Rowland-Kreis 15 erstreckt. Aus Gründen einer vereinfachten Darstellung
sind in Figur 2 nur die beiden Spaltbilder 14 eingezeichnet, die auf den-
Jenigen
optischen Achsen entstehen, welche den Mittelachsen 7b und 7d von zwei Meßstrahlenbündeln
16 entsprechen. Die Lage der Spaltbilder 14 wird durch die sogenannte Gitterformel
beschrieben: sin a - sin ß s K . N .t in der die einzelnen Formelzeichen folgendes
bedeuten: Einfallswinkel des polychromatischen Strahlenbündels 13, d.h. der Winkel
zwischen der optischen Achse 4 der Strahlungsquelle 1, welche gleichzeitig die Mittelachse
des Strahlenbündels 13 ist, und der Gitternormalen 17, 8 - Ausfallwinkel des Meßstrahlenbündels
16, d.h. der Winkel zwischen der Jeweiligen Mittelachse 7a, 7b, 7c, 7d oder 7e des
Meßstrahlenbündels 16, und der Gitternormalen 17, K = die Ordnungszahl, N = die
reziproke Gitterkonstante, und ß = die Wellenlänge.
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Aus Gründen einer vereinfachten und übersichtlicheren Darstellung
sind in Figur 2 nur die beiden Meßstrahlenbündel 16 eingezeichnet, welche zu den
Mittelachsen 7b und 7d gehören.
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Infolgedessen ist in der optischen Anordnung der Figur 1 die Abdeckmaske
5 mit dem Grundriß des Rowland-Kreises 15 an der betreffenden Stelle auf dem Rowland-Kreis
15 angebracht, und die Spalte 6a bis 6e, die beispielsweise Durchbr
Uche
sein können, befinden sich an den Orten, an denen die optischen Achsen 7a bis 7e
der Meßstrahlenbündel 16 den Rowland-Kreis 15 durchdringen. Auf diese Weise werden
monochromatische Meßstrahlenbündel 16 der gewünschten Wellenlänge t aus dem spektral
zerlegten polychromatischen Strahlenbündel 13 selektiert, während der übrige Teil
der spektral zerlegten Strahlung durch die Abdeckmaske 5 abgedeckt wird.
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Im oberen Teil der Figur 3 ist ein Schnitt durch einen Teil der optischen
Anordnung der Figur 1 längs der Mittelachse 7c des durch den Spalt 6c hindurchgehenden
MeßstrahlenbUndels 16 in Längsrichtung des Spalts 6c dargestellt. Diese Schnittdarstellung
ist durch eine in Figur 1 nicht gezeigte Markierungsstrahlungsquelle 18 und eine
in Figur 1 auch nicht dargestellte Abbildungs- und Trennoptik 19 ergänzt.
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Außerdem ist diese Darstellung im unteren Teil der Figur 3 durch eine
sehr schematisch dargestellte Meß- und Registriereinrichtung ergänzt, so daß die
Figur 3 gleichzeitig ein Beispiel einer Anwendung der erfindungsgemäßen optischen
Anordnung veranschaulicht.
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Die Markierungsstrahlungsquelle 18, die längs ihrer optischen Achse
20 ein Markierungsstrahlenbündel abgibt, ist eine senkrecht ober- oder unterhalb
des Beugungsgittermittelpunkts und somit auf einer Linie, die parallel zu den Gitterlinien
verläuft, angeordnete und so ausgerichtete Lichtquelle, daß die optische Achse 20
der Markierungsstrahlungsquelle unter einem vorbestimmten Winkel y zu den Mittelachsen
7a bis 7e der Meßstrahlenbündel 16 verläuft und daß die optische Achse 20 und die
Mittelachsen 7a bis 7e ihren Kreuzungspunkt 21 in der Mitte bzw. Längsmitte der
Spalte 6a bis 6e der Abdeckmaske 5 haben. Der Wellenlängenbereich der Markierungsstrahlung
liegt vorzugsweise außerhalb des Wellenlängenbereichs, innerhalb dessen sich die
Meßstrahlung befindet.
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Die Abbildungs- und Trennoptik 19, die hinter der Abdeckmaske 5 und
dem dieser zugewandten Teil der Auswahlmaske 9 in dem Raum 12 (siehe Figur 1) vorgesehen
ist, ist so angeordnet und ausgebildet, daß die Meßstrahlenbündel 16 und das längs
der optischen Achse 20 durch den Jeweiligen Spalt 6a, 6b, 6c, 6d oder 6e hindurchgehende
Markierungsstrahlenbündel an verschiedenen Orten 22 bzw. 23 abgebildet werden.
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Im allgemeinen eignet sich als Abbildungs- und Trennoptik 19 ein Spiegel,
dessen spiegelnde Fläche 24 ein Ausschnitt aus einem Hohlrotationsellipsoid ist,
das so angeordnet ist, daß der Beugungsgittermittelpunkt 25 und der Abbildungsort
22 der Meßstrahlenbündel 16 Je in einem der Brennpunkte des Hohlrotationsellipsoids
liegen.
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Am Abbildungsort 22 der Meßstrahlenbündel 16 ist eine Ausrichtungsoptik
26 vorgesehen, welche die einzelnen Meßstrahlenbündel 7a bis 7e in eine gemeinsame
optische Achse 27 ausrichtet, so daß hinter der Ausrichtungsoptik 26 eine Probe
28 zum Zwecke der Durchstrahlung in einer sogenannten monochromatischen Meßart angeordnet
werden kann, hinter der ein Meßstrahlungsempfänger 29 vorgesehen ist.
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Ein am Abbildungsort 23 der Markierungsstrahlung angeordneter Markierungsstrahlungsempfänger
bildet einen ersten Signalgeber 30, der die auftreffende Markierungsstrahlung in
elektrische Impulse umwandelt, die dazu dienen, die Weiterführung der im Meßstrahlungsempfänger
29 aufgrund der dort einfallenden Meßstrahlung erhaltenen Meßsignale zu steuern,
so daß diese Meßsignale den Jeweiligen Wellenlängen der einzelnen Meßstrahlenbündel
richtig zugeordnet werden können, worauf weiter unten anhand eines Beispiels noch
näher eingegangen wird.
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Zunächst sei Jedoch noch auf Figur 4 Bezug genommen, die eine Teilschnittansicht
durch die optische Anordnung der Figur 1 längs eines in der Ebene des Rowland-Kreises
15 ausgeführten Schnitts zeigt, in welcher außerdem noch die
Abbildungs-
und Trennoptik 19 eingezeichnet ist. Aus dieser Figur ist das Zusammenwirken der
in Form des endlosen Bandes ausgeführten Auswahlmaske 9, das mit den Spalten 11,
beispielsweise in Form von Durchbrüchen, versehen ist, und der Abdeckmaske 5 in
näheren Einzelheiten veranschaulicht.
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Damit beim Vorbeibewegen der Auswahlmaske 9 an der Abdeckmaske 5,
beispielsweise in Richtung des Pfeils A, die Spalte 6a bis 6e in der Abdeckmaske
5 nur einzeln zeitlich aufeinanderfolgend freigegeben werden, so daß die längs der
optischen Achsen 7a, 7b, 7c, 7d und 7e verlaufenden Meßstrahlenbündel 16 zeitlich
nacheinander auf die Abbildungs-und Trennoptik 9 auftreffen und von dort auf den
Abbildungsort 22 fokussiert werden, sind die einander zugewandten Ränder 11' der
Spalte 11 in der Auswahlmaske 9 in Bewegungsrichtung A in einem größeren Abstand
B voneinander vorgesehen, als der Abstand C der voneinander abgewandten Ränder 6at
und 6e' der beiden äußersten Spalte 6a und 6e in dieser Richtung beträgt. Hierbei
ist selbstverständlich vorausgesetzt, daß die Abdeckmaske 5 so groß ausgebildet
ist, daß sie den gesamten Strahlenaustrittsbereich der optischen Anordnung abdeckt,
so daß grundsätzlich nur durch ihre Spalte Strahlung hindurchtreten kann.
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Außerdem ist die Breite D der Spalte 11 in der Bewegungsrichtung A
der Auswahlmaske 9 größer als die Breite E der Spalte 6a bis 6e in der Abdeckmaske
5, wodurch sich am Ausgang des Meßstrahlungsempfängers 29 sowie am Ausgang des ersten
Signalgebers 30 trapezförmige Signale ergeben, die eine problemlose Weiterverarbeitung
und Auswertung ermöglichen und in den Figuren 6a bis 6c, auf die weiter unten noch
eingegangen wird, angedeutet sind.
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In Figur 4 ist weiterhin eine Lichtschranke 31 dargestellt, die eine
Lichtquelle 32 und ein lichtempfindliches Element 33 umfaßt, die zu einem zweiten
Signalgeber 32 gehört (siehe Figur 3), der an seinem Ausgang Jeweils zwischen dem
Schließen des letzten Spalts 6e und dem offenen des
ersten Spalts
6a der Abdeckmaske 5 ein Signal abgibt, dessen Auftreten eine Information über das
Ende bzw. den Anfang des Spektrums bildet. Zu diesem Zweck ist die Lichtschranke
31 im Bereich der Auswahlmaske 9 angeordnet (in Figur 3 ist sie aus Darstellungsgründen
neben der Auswahlmaske 9 eingezeichnet) und wird beim Durchlauf eines Spalts 11
geschlossen.
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Um ein Spektrum zur Verfügung zu haben, in dem eine Vielzahl von monochromatischen
Strahlungsarten gleichzeitig verfügbar ist, kann man die optische Anordnung so ausbilden,
daß die polychromatische Strahlungsquelle 1 (Figur 1) eine Mehrzahl von Strahlungsquellen
la, ib und 1c (siehe Figur 3) umfaßt, die gleichzeitig oder zeitlich nacheinander
Strahlung über die optische Achse 4 (die in Figur 3 natürlich nicht in der Zeichnungsebene
verläuft) in die Spektralzerlegungseinrichtung 3 abgeben. Das kann in besonders
vorteilhafter und raumsparender Weise dadurch geschehen, daß die Strahlungsquellen
7a, ib und 1c auf der gleichen optischen Achse 4 hintereinander angeordnet sind,
wobei die hinteren Strahlungsquellen 1a bzw. ib die vor ihnen angeordneten Strahlungsquellen
1 b plus 1 c bzw. 1 c in deren Brennpunkten durchstrahlen. Wenn die einzelnen Strahlungsquellen
Ia, Ib und 1c zeitlich nacheinander angeschaltet werden, wie das bei der Anordnung
nach Figur 3 mittels einer Taktsteuereinrichtung 33 geschieht, ist letztere bevorzugt
über eine Leitung 34 mit dem Ausgang des zweiten Signalgebers 32 verbunden, so daß
sie durch dessen Signale getaktet werden kann, d.h. so gesteuert wird, daß sie die
Lichtquellen 1a bis 1c nacheinander im Takt der Signale des zweiten Signalgebers
32 ein- und ausschaltet. In die Leitung 34 kann gegebenenfalls ein Untersetzer eingefügt
werden, der bewirkt, daß die Umschaltung von einer Strahlungsquelle auf die andere
nur bei Jedem n-ten Signal, das am Ausgang des Signalgebers 32 erscheint, erfolgt.
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Es sei nun auf die Figuren 5a bis 5c Bezug genommen, anhand deren
die Empfindlichkeits- und Strahlungscharakteristika der optischen Anordnung nach
der Erfindung erläutert werden.
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In der Figur 5a ist der spektrale Anwendungsbereich der optischen
Anordnung veranschaulicht, der durch die Empfindlichkeitscharakteristik 35 des Meßstrahlungsempfängers
29 vorgegeben ist. Durch diese Empfindlichkeitscharakteristik 35 wird festgelegt,
in welchem Spektralbereich die optische Anordnung wirksam ist. Dieser Spektralbereich
kann beispielsweise der sichtbare Spektralbereich sein, der etwa zwischen 350 und
700 nm liegt. In diesem angegebenen Beispielsfall ist die Empfindlichkeitscharakteristik
35 diejenige eines Sekundärelektronenvervielfachers. In der Figur 5a ist außerdem
die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik 36 des Empfängers für die Markierstrahlung,
also des ersten Signalgebers 30, eingezeichnet.
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In der Figur 5b ist die Strahlungscharakteristik 37 der kombinierten
polychromatischen Strahlungsquellen Ia, Ib und Ic sowie die Strahlungscharakteristik
38 der Markierungsstrahlungsquelle 18 dargestellt.
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Sowohl die Empfindlichkeitscharakteristika 35 und 36 als auch die
Strahlungscharakteristika 37 und 38 werden in ihrer spektralen Lage so gewählt,
daß sich die beiden Bereiche der Empfindlichkeitscharakteristika 35 und 36 nicht
gegenseitig überlappen und daß sich auch die beiden Strahlungscharakteristika 37
und 38 nicht miteinander überlappen, wie auch aus den Figuren 5a und 5b ersichtlich
ist. Diese Bedingung ist zwar nicht absolut notwendig, da die Strahluhgsarten im
Gerät geometrisch getrennt geführt werden, aber ihre Einhaltung ist deswegen zu
bevorzugen, damit sich bei längerem Gebrauch der Geräte, bei dem im allgemeinen
eine Verstaubung eintritt, keine Interferenzen der Strahlungen der polychromatischen
Lichtquelle 1 bzw. der
polychromatischen Lichtquellen la, 1b und
lc mit der Strahlung der Markierungsstrahlungsquelle durch Streuung ergeben.
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Ein Beispiel für einen Meßstrahlungsempfänger 29 ist ein Photovervielfacher,
während ein Beispiel eines Markierungsstrahlungsempfängers (erster Signalgeber 30)
eine mit einem Rotfilter versehene Photodiode ist. Die Strahlungscharakteristik
37 kann beispielsweise durch einen oder mehrere Linienstrahler, zum Beispiel eine
Quecksilberlampe oder mehrere Hohlkathodenlampen, erzielt werden. Aus der Vielzahl
der vorhandenen, mehreren Elementen, zum Beispiel Arsen, Quecksilber etc., entsprechenden
Linien, wie sie in Figur 5b innerhalb der Strahlungscharakteristik 37 eingezeichnet
sind, werden durch die Spalte 6a bis 6e in der Abdeckmaske 5 nur die für die Messung
günstigsten Linien ausgewählt, die in Figur 5c innerhalb der Strahlungscharakteristik
39 eingezeichnet sind. Außerdem ist in Figur 5c der Vollständigkeit halber nochmals
die Strahlungscharakteristik 38 der Markierungsstrahlungsquelle 18, die beispielsweise
eine Galliumarseniddiode sein kann, eingezeichnet.
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Die Maßstäbe der Abszissen in den Figuren 5a bis 5c, auf denen die
Wellenlängen in willkürlichen Einheiten aufgetragen sind, sind identisch, während
die Ordinaten in den gleichen Figuren die Intensität in willkUrlichen Einheiten
darstellen.
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Es sei nun anhand der Figur 3 die Zuordnung der am Ausgang des Meßstrahlungsempfängers
29 erhaltenen Meßsignale zu den einzelnen Wellenlängen an einem Beispiel einer Meßsignale
speicher- und -zuordnungseinrichtung näher erläutert: Hierzu sei angenommen, daß
beim Einschalten der Strahlungsquelle la monochromatische Strahlung der Wellenlänge
q 1 und A 3 (siehe Figur 5c) in den Spalten 6a und 6c in der
Abdeckmaske
5 erhalten wird, während sich beim Einschalten der Strahlungsquelle Ib monochromatische
Strahlung der Wellenlänge 1(2 und 74 in den Spalten 6b und 6 d ergibt und beim Einschalten
der Strahlungsquelle 1c monochromatische Strahlung der Wellenlänge 9t5 im Spalt
6e erhalten wird.
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Innerhalb eines Öffnungs- und Schließzyklus der Spalte 6a bis 6e,
d.h. beim Vorbeilaufen eines Spalts 11 an der Abdeckmaske 5, entstehen, wenn nur
die Strahlungsquelle Ia eingeschaltet ist, in zeitlicher Aufeinanderfolge die Meßsignale
40 und 42, wie in Figur 6a angedeutet ist. In entsprechender Weise entstehen innerhalb
eines Öffnungs- und Schließzyklus, wenn nur die Strahlungsquelle Ib angeschaltet
ist, die Meßsignale 41 und 43. Schließlich entsteht innerhalb eines Öffnungs- und
Schließzyklus.das Meßsignal 44, wenn nur die Strahlungsquelle 1c eingeschaltet ist.
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Wenn man Jeden Öffnungs- und Schließzyklus in beispielsweise vier
wilkürliche Zeiteinheiten aufteilt, wie in Figur 6a auf der Abszisse geschehen,
dann erhält man die erwähnten Meßsignale Jeweils nur an den Zeitpunkten eines bffnungs-
und Schließintervalls, an denen sie in Figur 6a eingezeichnet sind. Die entsprechenden
ersten Synchronisiersignale 45, die aufgrund der Markierungsstrahlung am Ausgang
des ersten Signalgebers 30 erhalten werden, und die entsprechenden zweiten Syrichronisiersignale
46, die aufgrund der Betätigung der Lichtschranke 31 am Ausgang des zweiten Signalgebers
32 erhalten werden, sind in Figur 6b bzw. 6c in zeitlicher Zuordnung zu den Signalen
40 bis 44 eingezeichnet.
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Damit im Falle des vorliegenden Beispiels die erhaltenen Meßsignale
digital in Speichern 47a, 47b, 47c ... 47n gespeichert werden können, wobei n eine
beliebige ganze Zahl sein kann, ist zwischen den Ausgang des Meßstrahlungsempfängers
29 und die Eingänge der erwähnten Speicher ein Analog-zu-Digital-Wandler 48 geschaltet.
Zwischen den Ausgang des Analog-zu-Digital-Wandlers 48 und die einzelnen Eingänge
der Speicher 47a bis 47n ist ein elektronischer
Schalter 49 geschaltet,
der den Ausgang des Analog-zu-Digital-Wandlers 48 aufeinanderfolgend mit den einzelnen
Eingängen der Speicher 47a bis 47n verbindet und zu diesem Zweck einen Fortschaltsteuereingang
50 aufweist, der mit dem Ausgang des ersten Signalgebers 30 verbunden ist, sowie
einen Rücksetzeingang 51, der mit dem Ausgang des zweiten Signalgebers 32 verbunden
ist.
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Der elektronische Schalter 49 arbeitet so, daß er durch die Abstiegsflanke
Jedes vom ersten Signalgeber 30 gegebenen Synchronisiersignals 45 die Verbindung
des Ausgangs des Analog-zu-Digital-Wandlers 48 von dem Eingang eines der Speicher
47a bis 47n zum Eingang des nächsten dieser Speicher weiterschaltet, und daß er
aufgrund eines Synchronisiersignals 46 vom zweiten Signalgeber 32 die Verbindung
des Ausgangs des Analog-zu-Digital-Wandlers 48 mit einem der Speicher 47a bis 47n
auf eine Verbindung mit dem ersten Speicher 47a zurückschaltet. Wie man ohne weiteres
erkennt, werden auf diese Weise die Meßsignale 40 bis 44 in ihrer wellenlängenmäßigen
Aufeinanderfolge in den Speichern 47a bis 47e gespeichert.
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Die Abdeckmaske 5 und die polychromatische Lichtquelle 1 bzw. die
polychromatischen Lichtquellen la bis 4c sind in der optischen Anordnung vorzugsweise
austauschbar. Infolgedessen kann die Anzahl von Arten der Meßwellenlängen, die durch
die Anzahl und die Anordnung der Spalte in der Abdeckmaske 5 in Verbindung mit der
Art und Anzahl der polychromatischen Lichtquellen vorwählbar sind, mittels Auswechseln
der Jeweiligen Abdeckmaske durch eine andere Abdeckmaske und gegebenenfalls gleichzeitiges
Auswechseln der polychromatischen Lichtquelle(n) verändert werden. Auch kann der
zu erfassende Spektralbereich durch unterschiedliche Ausführung der Abdeckmaske
in ihrer Breite geändert werden, und außerdem kann durch die Ausführung von unterschiedlich
breiten Spalten in verschiedenen Abdeckmasken die Auflösung, d.h. der von dem Jeweiligen
Spalt durchgelassene Wellenlängenbereich, geändert werden.
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Eine volle Ausnutzung der Speicher 47a bis 47n der Anordnung nach
Figur 3 wird dann erzielt, wenn diese Anordnung eine Abdeckmaske mit n Spalten in
Verbindung mit entsprechenden polychromatischen Lichtquellen Ia bis 1c verwendet
wird, wobei n beispielsweise 30 betragen kann, so daß 30 Wellenlängen erfaßt werden,
wie es beispielsweise in der Farbmetrik erforderlich sein kann.
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Selbstverständlich kann die MeB- und Auswertungseinrichtung nach Figur
3 in vielfältiger Weise abgewandelt werden, beispielsweise 80, daß die sogenannten
ohne Probe aufgenommenen Leerspektren in eine elektronische Vorrichtung gegeben
werden, um bei der Probenvermessung als sogenannte wellenlängenabhängige Referenzen
zur Normierung des Meßstrahlungsempfängers bzw. der Meßsignale verwendet zu werden,
so daß man auf diese Weise normierte, sogenannte Zweistrahlspektren erhält.
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Die Auswahlmaske 9 kann, wie das Ausführungsbeispiel der Figur 7 veranschaulicht,
auch eine andere Form haben, nämlich als rotierende Scheibe ausgebildet sein, in
der zur zeitlichen Freigabe der Spalte 6a bis 6e in der Abdeckmaske 5 ein als Durchbruch
ausgebildeter, spiralförmiger Spalt 11 vorgesehen ist. Die Anordnung ist so, daß
die Mittelpunkte der Spaltbilder 14 (siehe Figur 2) auf einem Radius der als kreisförmige
Scheibe ausgebildeten Auswahlmaske 9 liegen. Die Breite D des Spalts 11 wird in
der Ausbildung nach der Figur 7 in Entsprechung zu den ErlEuterungen zu Figur 4
größer als die Breite E der Spalte 6a bis 6e der Abdeckmaske 5 ausgeführt. Die Drehrichtung
der Auswahlmaske 9 ist in Figur 7 durch den Pfeil A angedeutet. Anfangs- und Endpunkt
bzw. die Steigung des spiralförmigen Spalts 11 und der Durchmesser der scheibenförmigen
Auswahlmaske 9 werden in der Ausführung nach Figur 7 gemäß dem abzutastenden Spektralbereich
gewählt.
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Der Vorteil der Ausführungsform nach Figur 7 besteht insbesondere
in einer hohen Abtastgeschwindigkeit, die beispielsweise 50 Spektren pro Sekunde
betragen kann. Der Einsatz einer solchen scheibenförmigen Auswahlmaske 9 empfiehlt
sich aufgrund der mechanisch einfach auszufUhrenden Bauweise bei Ausführungen der
optischen Anordnung, in denen die Spektren einen linearen Grundriß haben, also aus
Spaltbildern bestehen, die durch ein planes Beugungsgitter in einer planen Ebene
abgebildet sind.
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Auf dem spiralförmigen Spalt 11 können verschiedene Filter angeordnet
werden, so daß anstelle der Spektralzerlegungseinrichtung 3, insbesondere bei geringeren
Auflösungsanforderungen, eine polychromatische Strahlungsquelle vorgesehen sein
kann.
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Anstelle der in Figur 7 dargestellten scheibenförmigen Auswahlmaske
9 kann beispielsweise auch eine nicht dargestellte zylinderförmige Auswahlmaske
verwendet werden, in der der spiralförmige Spalt 11 um die Achse des Zylindersverlaufend
durch die Zylinderwand ausgebildet ist.
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Die optische Anordnung nach der Erfindung kann auch so ausgebildet
und betrieben werden, daß die Abdeckmaske 5 an der Stelle des Strahlungseintritts
angeordnet ist, so daß sich also in Figur 1 im Raum 12 eine polychromatische Lichtquelle
befinden wUrde und die Auswahlmaske 9 Jeweils nur einen einzelnen Spalt 6a, 6b,
6c, 6d oder 6e der Abdeckmaske 5 in zeitlicher Aufeinanderfolge beleuchtet, wodurch
am Spalt 2, der nunmehr der Austrittsspalt der optischen Anordnung ist, zeitlich
aufeinanderfolgend monochromatische- Meßstrahlenbündel einer vorbestimmten Wellenlänge
auftreten, die ihrerseits Jeweils davon abhängt, welcher Spalt der Abdeckmaske 5
Jeweils von der Auswahlmaske 9 freigegeben ist. Bei einer solchen Ausbildung der
optischen Anordnung kann an der Stelle der polychromatischen Lichtquelle 1 der Figur
1 der Meßstrahlungsempfänger 29 der Figur
3 vorgesehen und zwischen
diesem und dem Spalt 2 die Probe 28 angeordnet sein. In einer solchen Anordnung
kann im Raum 12 der Figur 1 auch in Entsprechung zu Figur 3 eine Abbildungsoptik
19 angeordnet und eine polychromatische Lichtquelle oder mehrere polychromatische
Lichtquellen an der Stelle des Abbildungsorts 22 vorgesehen sind.
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Neben den oben genannten Anwendungen, bei denen beispielsweise, wie
eben dargelegt, eine Strahlumkehr vorgesehen ist, oder bei denen getaktete Strahlungsquellen,
etc., vorhanden sind, sind auch Anwendungen der optischen Anordnung nach der Erfindung
möglich, die nicht im spektralanalytischen Bereich liegen.
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Soll zum Beispiel die räumliche Verteilung einer Strahlungsart aufgenommen
werden, so würde der zu untersuchende Strahler anstelle des Beugungsgitters 3 angebracht
werden.
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Die Anordnung, bestehend aus Abdeckmaske 5, Auswahlmaske 9, Abbildungsoptik
19 und Meßstrahlungsempfänger 29, würde dann den gesamten Raumwinkel durch Kippen
und Schwenken abtasten. Der Jeweils in einer Stellung vorgegebene räumliche Ausschnitt
würde von der Breite der Abdeckmaske 9 abhängen, wobei die Spalte oder an deren
Stelle vorgesehene sonstige Durchbrüche Jede geeignete Form annehmen könnten.
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Ende der Beschreibung.
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L e e r s e i t e