DE3005352C2

DE3005352C2 - Optische Anordnung zum Erzeugen von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßstrahlenbündeln unterschiedlicher Wellenlänge

Info

Publication number: DE3005352C2
Application number: DE19803005352
Authority: DE
Inventors: Jürgen Ing.(grad.) 7400 Tübingen Maaßen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-02-13
Filing date: 1980-02-13
Publication date: 1984-02-02
Also published as: DE3005352A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum Erzeugen von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßstrahlenbündeln unterschiedlicher Wellenlänge aus der Strahlung einer polychromatfschen Strahlungsquelle, bei der an der Stelle des Strahlungsaustritts einer Spektralzerlegungseinrichtung eine strahlungsundurchlässige Abdeckmaske vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von Spalten aufweist, welche geometrisch so angeordnet sind, daß sich bei der Beleuchtung eines Eintrittsspalts der Spektralzerlegungseinrichtung 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 bei der ferner eine Öffnungs- und Schließeinrichtung zum zeltlich aufeinanderfolgenden Freigeben der Spalte der Abdeckmaske und eine die einzelnen Meßstrahlenbündel auf einen gemeinsamen Abbildungsort ausrichtende Abbildungsoptik vorgesehen ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine optische Anordnung zum Erzeugen von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßstrahlenbündeln unterschiedlicher Wellenlänge aus der Strahlung einer polychromatischen Strahlungsquelle, bei der an der Stelle des Strahlungseintritts einer Spektralzerlegungseinrichtung eine strahlungsundurchlässige Abdeckmaske vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von Spalten aufweist, welche geometrisch so angeordnet sind, daß sich bei der Beleuchtung von jeweils nur einem einzelnen Spalt der Abdeckmaske durch die polychromatische Strahlungsquelle am Austrittsspalt ein monochromatisches Meßstrahlenbündel von jeweils einer von beleuchtetem Spalt /.u beleuchtetem Spalt unterschiedlichen vorbestimmten Wellenlänge ergibt, und bei der ferner eine Öffnungs- und Schließeinrichtung zum zeitlich aufeinanderfolgenden Freigeben der Spalte der Abdeckmasse und eine die polychromatische Strahlungsquelle auf die einzelnen Spalte richtende Abbildungsoptik vorgesehen ist.

Bei einer Vielzahl von spektralphotometrischen Analysen ist es erforderlich, eine Probe bei mehreren Wellenlängen eines Wellenlängenbereichs auf ihr Absorptionsbzw. Emissionsverhalten zu untersuchen. Die Wellenlän gen 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 außerdem 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 zurr Beispiel wenigen Sekunden in einem vermeßbaren Zustand befindet,

ι» beispielsweise bei Flammenemission oder bei Anwendung einer Graphitrohrküvetle. Gleichzeitig ergibt sich die Forderung nach einer kurzzeitigen Messung 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.

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.

Um die obigen Forderungen zu erfüllen, 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 Schwierigkeilen 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.

Andere verfügbare Geräte arbeiten mit rotierenden Filterrädern. Diese Lösung ist nur dort einsetzbar, wo breitbandige Absorptions- unü/oder Emissionsspektren vermessen werden sollen. Durch die relativ große Bandbreite der Filter ist ein Einsatz dieser Geräte in der Alomabsorptionsanalyse und in der Eniissionsspektroskopie nicht möglich.
Wieder andere Geräte besitzen sogenannte »Diodenar-

^5C rays« 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 Wellenlangen entsprechenden Empfängern für die Meßstrahlung.

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 »al|p« Wellenlängen des betreffenden Spektralbereichs, die Registrierzeit liegt aber im Minutenbereich, und außerdem werden meist mehr Informationen gewonnen, als für die jeweilige Aufgabenstellung notwendig sind.

Zur Durchführung einer Meßart 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.

Aus der deutschen Auslegeschrift 20 27 450 ist eine optische Anordnung zum Erzeugen von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßstrahlenbündeln unterschiedlicher Wellenlänge aus der Strahlung einer polychromatischen Strahlungsquelle, die eine analytische Entladung ist, aufgrund deren die Zusammensetzung einer zu analysierenden Probe bestimmt werden soll, bekannt. An der Stelle des Strahlungsaustritts einer Spektralzerlegungseinrichtung ist eine strahlungsundurchlässige Abdeckmaske vorgesehen, die eine Mehrzahl von Spalten aufweist, welche geometrisch so angeordnet sind, daß sich an den einzelnen Spalten der Abdeckmaske je ein im wesentlichen monochromatisches, jedenfalls nur einen engen Weüenlängenbereich umfassendes. Meßsirahlenbündel von jeweils einer von Spalt zu Spalt unterschiedlichen Wellenlänge bzw. von jeweils einem von Spalt zu Spalt unterschiedlichen Wellenlängenbereich ergibt. Ferner ist eine Öffnungs- und Schließeinrichtung zum zeitlich aufeinanderfolgenden Freigeben der Spalte der Abdeckmaske und eine die einzelnen Meßsirahlenbündel auf einen gemeinsamen Abbildungsort ausrichtende Abbildungsoptik vorgesehen.

Nachteilig an der optischen Anordnung, wie sie in der deutschen Auslegeschrift 20 27 450 beschrieben ist, ist es insbesondere, daß diese Anordnung baulich ziemlich aufwendig und kompliziert ist. und zwar vor allem aus zwei Gründen: Erstens besteht die Öffnungs- und Schießeinrichtung, mit welcher die Spalte der Abdeckmaske zeitlich aufeinanderfolgend freigegeben werden sollen, aus Blenden, von denen jede gesondert in den Weg von jeweils einem der Meßstrahlenbündel einschwenkbar ist. Zu diesem Zweck ist je ein Elektromagnet vorgesehen, mit dem die Blenden einzeln zwischen zwei Stellungen so bewegt werden können, daß sie den Strahlengang der dispergierten Strahlen entweder unterbrechen oder freigeben. Eine solche Anordnung von einzelnen Blenden ist baulich kompliziert und erfordert, was das aufeinanderlolgende Ein- und Ausschwenken der Blenden in das jeweilige Melistrahlenbündel anbetrifft, einen ziemlichen steuerungstechnischen Aufwand; außerdem ist ein relativ großer Justieraufwand lürdas Anbringen und Einstellen der Blenden erforderlich. Schließlich ist die Schnelligkeii. mit welcher die einzelnen Meßstrahlenbündel durchgefahren werden können. verhältnismäßig beschränkt, weil die Blenden jeweils aus ihrer Ruhesteilung heraus beschleunigt und wieder abgebremst werden müssen, und weil ein gewisser zeitlicher Abstand zwischen der Betätigung zweier aufeinanderfolgender Blenden eingehalten werden muß. damit zuverlässig sicherge stellt ist. daß beim Öffnen einer Blende die jeweils vorhergehend betätigte Blende wieder in der Schließstellung ist. Zweitens besteht die Abbildungsoptik, welche die einzelnen Meßstrahlenbündel auf einen gemeinsamen Abbildungsort ausrichtet, für jedes Meßstrahlenbündel aus mindestens je zwei Spiegeln. Eine solche aus einer Vielzahl von Spiegeln bestehende Abbildungsoptik ist nicht nur herstellungsmäßig recht aufwendig, sondern sie erfordert einen ganz erheblichen Aufwand für ihre Justierung.

Aus der Zeitschrift »Sov.Inv.Il 1.«, 1977, Band Y, Nr. 3, Seite 4, Artikel R14 ist ein Doppelmonochromator für die Spektrometrie bekannt, in welchem ein mittels eines Beugungsgitters erzeugtes Spektrum durch eine bewegte Spaltauswahlmaske in Form einer zylindrischen Trommel mit bewegten Schlitzen abgetastet wird. Der abgetastete Strahl wird dann einem weiteren Beugungsgitter zugeführt, durch das eine zweite Monochromatlsierung erfolgt. Hier handelt es sich um eine sehr komplizierte Anordnung, deren Kompliziertheit auch mit durch die Tatsache bedingt ist, daß eine doppelte Monochromatisierung in dieser optischen Anordnung erfolgt. Jedoch ist hinsichtlich der Trommel mit den sich bewegenden Schlitzen festzuhalten, daß hier bewegte Schlitze deswegen vorgesehen sind, weil das gesamte Spektrum hintereinander abgetastet werden soll, und nicht nur Meßstrahlenbündel einzelner diskreter Wellenlängen entnommen werden sollen, wie das bei der optischen Anordnung nach der eben erörterten deutschen Auslegeschrift 20 27 450 der Fall ist.

Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 47 416 eine optische Anordnung bekannt, die ein Sternspektrometer zur Installation in einem mit einem Telemetrlesender ausgerüsteten, außerhalb der Erdatmosphäre operierenden Flugkörper darstellt. In diesem S'emspektrometer ist neben einem Teleskop, das auf einen jeweiligen Stern ausgerichtet wird, und neben einem Prisma, welches das Sternspektrum zerlegt, ein sich drehendes Transmissionsgitter mit veränderlicher Transparenz vorgesehen, dem eine Einrichtung zur Umwandlung des durch dasselbe modulierten Strahlungs- oder Lichtstroms in ein elektrisches Signal nachgeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird das gesamte Spektrum durch das spiralförmige rotierende Transmissionsgitter moduliert, wobei es sich um eine Frequenzmodulation des gesamten Spektrums handelt, die im übrigen ausschließlich im Infrarotbereich erfolgt. Es wird keine Linienauswahl getroffen. Die Anordnung des spiralförmigen rotierenden Transmissionsgitters ist daher in keiner Weise zum Abtasten eines Spektrums geeignet, denn es können damit dem Spektrum keine einzelnen Meßstrahlenbündel entnommen werden, sondern es wird nur insgesamt ein Lichtstrom erzeugt, aus dem mittels einer Photozelle ein elektrisches Signal gewonnen werden kann, das die Fouriertransformierte der jeweiligen Spektralverteilung ist.

Schließlich ist aus der deutschen Auslegeschrift 11 83 270'eine optische Anordnung in Form eines Gitterspektrometers bekannt, bei dem die einzelnen Meßstrahlenbündel, die von einem Beugungsgitter ausgehen, auf einzelne Spalte fallen, wobei hinter jedem dieser Spalte eine jeweils eigene Photozelle angeordnet ist. Außerdem ist ein Hilfssystem zur automatischen Justierung der Spalte in bezug auf das Beugungsgitter vorgesehen. Dieses Hilfssystem hat eine eigene Lichtquelle, die ein Strahlenbündel über das Beugungsgitter leitet, von wo eine zusätzliche Spektrallinie auf ein zusätzliches Spaltsystcrn fällt, hinter dem Photozeüen angeordnet sind. Im einzelnen besteht hierbei das zusätzliche Spaltsystem aus einem gegenüber den auftreffenden Spektrallinien geneigten Spalt, und hinter der oberen und unteren Hälfte dieses Spalts ist je eine Photozelle angeordnet. In dieser Anordnung wird mittels einer Eichlinie die Spaltjustierung, nämlich die Spaltmaskenabbildung, korrigiert. Diese Druckschrift beschreibt die Verwendung eines zusätzlichen Meßstrahlenbündels zur Bestimmung der Lage der Austrittsspalte relativ zum Spektrum.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Anordnung der eingangs genannten Art, wie sie im Prinzip in der deutschen Auslegeschrift 20 27 450 beschrieben ist, so auszubilden, daß die Öffnungs- und Schließeinrichtung einschließlich der Abbildungsoptik wesentlich vereinfacht werden, und zwar so, daß diese Vereinfachung gleichzeitig auch geeignet ist, eventuelle Markierungs-

Strahlungsbündel In vorteilhafter und einfacher Welse gleichzeitig mit auszuwählen und abzubilden.

Diese Aufgabe wird mit einer optischen Anordnung der eingangs genannten Art, bei welcher an der Stelle des Strahlungsaustritts die Abdeckmaske vorgesehen ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, 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 übrigen Spalte uer Abdeckmaske durch Überdekken schließenden strahlungsundurchlässigen Bereich besitzt, und daß die hinter der Abdeckmaske vorgesehene, die einzelnen Meßstrahlenbündel auf einen gemeinsamen Abbüdungsort ausrichtende Abbildüngsoptik ein Hohlrotationsellipsoid-Spiegel ist. Bei einer optischen Anordnung der eingangs genannten Art, bei welcher die Abdeckmaske an der Stelle des Strahlungseintritts angeordnet ist, wird die vorstehende Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, 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 übrigen Spalte der Abdeckmaske durch Überdekken schließenden strahlungsundurchlässigen Bereich besitzt, und daß die die polychromatische Strahlungsquelle auf die einzelnen Spalte richtende Abbildungsoptik ein Hohlrotationsellipsoid-Spiegel ist.

Auf diese Weise wird eine sehr einfache und leistungsfähige optische Anordnung geschaffen, mit der die einzelnen Wellenlängen einer polychromatischen Strahlung mit zeitlich aufeinander erfolgender Abfragung durch eine bewegte Spaltanordnung selektiert werden können, wobei mit Hilfe des integrierenden, d. h. die Meßstrahlenbündel im gemeinsamen Abbüdungsort abbildenden, Hohlrotationsellipsoid-Spiegels jede einzelne Wellenlänge auf ein gemeinsames Empfängersystem gelangt, oder mittels des verteilenden, d. h. die Strahlung der polychromatischen Strahlungsquelle auf die einzelnen Spalte der Abdeckmaske richtenden Hohlrotationsellipsoid-Spiegels die Strahlung der polyhromatischen Strahlungsquelle auf jeden Spalt der Abdeckmaske gelangt.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine optische Anordnung zur Verfügung gestellt, 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 Spckifaibereicii fünfmal innerhalb einer Sekunde, zur Messung verfügbar macht.

Mit der optischen Anordnung nach der Erfindung ist es problemlos möglich, die Wellenlängen identifizieren zu können, insbesondere wird ein versehentliches Auslassen der Meßstrahlung einer oder mehrerer Wellenlängen mit Sicherheit vermieden. Außerdem kann eine Intensität mit- dem Wert Null bei einer Wellenlänge erkannt werden.

Die optische Anordnung gemäß der Erfindung ist sowohl für die polychromatische als auch für die monochromatische Meßart einsetzbar. Weiterhin ist gewährleistet, daß ein Benutzer die Zahl und Lage der Wellenlängen innerhalb eines vorgegebenen Spektralbereichs ohne Aufwand, insbesondere ohne Justierung, seiner jeweiligen Problemstellung entsprechend ändern

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.

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.

Die Erfindung ermöglicht es, nur einen Monochromator und nur einen Meßstrahlungsempfänger zu verwenden, und an die Öffnungs- und Schließeinrichtung brauchen bezüglich der 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. Der Grund hiefür 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.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dali es die optische Anordnung ermöglicht, durch Weglassen einiger Bauteile und deren Ersatz durch einfache elektionisehe 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.

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 sich die Abdeckmaske befindet. Das Beugungsgitter kann sowohl ein planes als auch ein konkaves Beugungsgitter sein.

Bevorzugt kann die Auswahlmaske ein parallel zur Abdeckmaske bewegbares endloses Band sein, in dem mehrere Spalten in Bewegungsrichtung hintereinander vorgesehen sind, deren einander zugewandte Ränder einen größeren Abstand voneinander besitzen als die einander abgewandten Ränder der beiden äußersten Spalten der Abdeckmaske. 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.

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.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren I bis 7 der Zeichnungen anhand einiger besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung, wobei jedoch aus Darstellungsgründen der Hohlrotationsellipsoid-Spiegel weggelassen ist;

Fig. 2 eine Ansicht zur Erläuterung der geometrischen Grundlagen eines als Spektralzerlegungseinrichtung verwendeten Konkavgitters;

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch die optische Anordnung nach Fig. 1 längs der mittleren der dort eingezeichneten strichpunktierten Geraden, und zwar ergänzt durch weitere Elemente;

Fig. 4 eine Teilschnittansicht eines Schnitts durch die optische Anordnung nach Fig. 1 in der Ebene des dort eingezeichneten strichpunktierten Kreises;

Fig. 5a den spektralen Empfindlichkeitsbereich der Empfänger für die Meß- und Markierstrahlung;

Fig. 5b die spektrale Verteilung einer polychromatischen Strahlung und der Markierstrahlung;

Fig. 5c die spektrale Verteilung von fünf Meßwellenlängen sowie der Markierstrahlung;

Fig. 6a den zeitlichen Verlauf der Meßsignale am Meßstrahlenempfänger;

F i g. 6b den zeitlichen Verlauf der Synchronisiersignale am Empfänger für die Markierstrahlung;

Fig. 6c den zeitlichen Verlauf der Synchronisiersignale, die mittels einer Lichtschranke erzeugt werden; und

Fig. 7 eine Aufrißansicht auf eine abgewandelte Ausführungsform einer Auswahlmaske zusammen mit der zugehörigen Abdeckmaske.

Es sei zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer optischen Anordnung 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, 66, 6c, bd und 6e aufweist. Diese Spalte 6a bis 6e 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 Fig. 1 sind aus Darstellungsgründen nur die Mittelachsen Ta bis Te der Meßstrahlenbündel eingezeichnet.

Die in Fig. 1 dargestellt optische Anordnung besitzt weiterhin eine Öffnungs- und Schließeinrichtung, die insgesamt mit 8 bezeichnet ist und dazu dient, die einzelnen Spalte 6o 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.

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 da 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, 66, 6c, 6d oder 6e geöffnet ist und nur jeweils das Meßstrahlenbündel mit der Mittelachse 7a, Tb, 7c, Td oder Te 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.

Obwohl also, wie erwähnt, die örtlich getrennten Meßstrahlenbündel mit den Mittelachsen Ta, Tb, Tc, Td oder Te 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 Fig. 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 1st.

Bevor auf weitere Einzelheiten und Abwandlungen der optischen Anordnung nach Fig. 1 näher eingegangen und ein Beispiel einer Meßeinrichtung beschrieben wird, die unter Verwendung der optischen Anordnung aufgebaut ist, seien nachstehend zunächst unter Bezugnahme auf Fig. 2 die physikalischen Grundlagen der optischen Anordnung nach der Fig. 1 erläutert:

Das konkave Beugungsgitter 3, auf das über den Eintrittsspalte 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 Fig. 2 nur die beiden Spaltbilder 14 eingezeichnet, die auf denjenigen optischen Achsen entstehen, welche den Mittelachsen Tb und Td von zwei Meßstrahlenbündeln 16 entsprechen. Die Lage der Spaltbilder 14 wird durch die sogenannte Gitterformel beschrieben:

sin ar-sln/I = K-N-A
in der die einzelnen Formelzeichen folgendes bedeuten:

χ= 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,
β = Ausfallwinkel des Meßstrahlenbündels 16, d.h. der Winkel zwischen der jeweiligen Mittelachse Ta, Tb, Tc, Td oder Te des Meßstrahlenbündels 16, und der Gitternurmalen 17,

K= die Ordnungszahl,
N= die reziproke Gitterkonstante, und
λ = die Wellenlänge.

Aus Gründen einer vereinfachten und übersichtlicheren Darstellung sind in Fig. 2 nur die beiden Meßstrahlenbündel 16 eingezeichnet, welche zu den Mittelachsen Tb und Td gehören.

Infolgedessen ist in der optischen Anordnung der Fig. 1 die Abdeckmaske 5 mit dem Grundriß des Rowland-Krelses 15 an der betreffenden Stelle auf dem Rowland-K.reis 15 angebracht, und die Spalte (ta bis 6e, die beispielsweise Durchbrüche sein können, befinden sich an den Orten, an denen die optischen Achsen Ta bis Te der Meßstrahlenbündel 16 den Rowland-Kreis 15 durchdringen. Auf diese Weise werden monochromatische Meßstrahlenbündel 16 der gewünschten Wellenlänge λ aus dem spektral zerlegten polychromatischen Strahlenbündel 13 selektiert, während der übrige Teil der spektral zerlegten Strahlung durch die Abdeckmaske 5 abgedeckt wird.

Im oberen Teil der Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen Teil der optischen Anordnung der Fig. 1 längs der Mittelachse 7c des durch den Spalt 6c hindurchgehenden Meßstrahlenbündels 16 in Längsrichtung des Spalts 6c dargestellt. Diese Schnittdarstellung ist durch eine in Fig. 1 nicht gezeigte Markierungsstrahlungsquelle 18 und eine in Flg. 1 auch nicht dargestellte Abbildungsoptik 19 ergänzt. Außerdem ist diese Darstellung im unteren Teil der Fig. 3 durch eine sehr schematisch dargestellte Meß- und Registriereinrichtung ergänzt, so daß die Fig. 3 gleichzeitig ein Beispiel einer Anwendung der optischen Anordnung veranschaulicht.

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 γ zu den Mittlachsen Ta bis Te der Meßstrahlenbündel 16 verläuft und daß die optische Achse 20 und die Mittelachsen Ta bis Te 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 Meßstrahlang befinde';.

Die Abbildungs- und Trennoptik 19, die hinter der Abdeckmaske 5 und dem dieser zugewandten Teil der Auswahlmaske 9 in dem Raum 12 (siehe Fig. 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. Als Abbildungsoptik 19 ist ein Hohlrotationsellipsoid-Spiegel vorgesehen, 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.

Am Abbildungsort 22 der Meßstrahlenbündel 16 ist eine Ausrichtungsoptik 26 vorgesehen, welche die einzelnen Meßstrahlenbündel Ta bis Te 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.

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.

Zunächst sei jedoch noch auf Fig. 4 Bezug genommen, die eine Teilschnittansicht durch die optische Anordnung der Fig. 1 längs eines in der Ebene des Rowland-Kreises 15 ausgeführten Schnitts zeigt, in welcher außerdem noch die Abbildungsoptik 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. Damit beim Vorbeibewegen der Auswahlmaske 9 an der Abdeckmaske 5, beispielsweise in Richtung des Pfeils A. die Spalte 6o bis 6<? in der Abdeckmaske 5 nur einzeln zeitlich aufeinanderfolgend freigegeben werden, so daß die längs der optischen Achsen Ta, Tb, Tc, Td und Te verlaufenden Meßstrahlenbündel 16 zeillich nacheinander auf die Abbildungsoptik 19 auftreffen und von dort auf den Abbildungsort 22 fokussiert werden, sind die einander zugewandten Ränder Il' der Spalte 11 in der Auswahlmaske 9 in Bewegungsrichtung A in einem größeren Absland B voneinander vorgesehen, als der Abstand C" der voneinander abgewandten Ränder 6«' und 6c' der beiden äußersten Spalte 6a und 6c 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.

Außerdem ist die Breite D der Spalte 11 in der Bewegungsrichtung A der Auswahlmaske 9 größer als die Breite E der Spalte 6a bis 6c 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 Fig. 6a bis 6c, auf die weiter unten noch eingegangen wird, angedeutet sind.

In Fig. 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 Fig. 3), der an seinem Ausgang jeweils zwischen dem Schließen des letzten Spalts 6e und dem Öffnen des erster. 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 Fig. 3 ist sie aus Darstellungsgründen neben der Auswahlmaske 9 eingezeichnet) und wird beim Durchlaufeines Spalts 11 geschlossen.
Um ein Spektrum zur Verfügung zu haben, in dem eine Vielzahl von monochromatischen Strahlungsarien gleichzeitig verfügbar ist, kann man die optische Anordnung so ausbilden, daß die polychromatische Strahlungsquelle 1 (Fig. 1) eine Mehrzahl von Strahlungsquellen la, \b und Ic (siehe Fig. 3) umfaßt, die gleichzeitig oder zeitlich nacheinander Strahlung über die optische Achse 4 (die in Fig. 3 natürlich nicht in der 2;eichnungsebene verläuft) in die Spektralzerlegungseinrichtung 3 abgeben. Das kann in besonders raumsparender Weise dadurch

geschehen, daß die Strahlungsquellen la, 16 und Ic auf der gleichen optischen Achse 4 hintereinander angeordnet sind, wobei die hinteren Strahlungsquellen la bzw. 16 die vor ihnen angeordneten Strahlungsquellen Xb plus Ic bzw. Ic- in deren Brennpunkten durchstrahlen. Wenn die einzelnen Strahlungsquellen la, Xb und Ic zeitlich nacheinander angeschaltet werden, wie das bei der Anordnung nach F i g. 3 mittels einer Taktsteuereinrichtung 33 3eschieht, ist letztere 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 Xa bis Ic 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 /iten Signal, das am Ausgang des Signalgebers 32 erscheint, erfolgt.

Es sei nun auf die Fig. 5a bis 5c Bezug genommen, anhand deren die Empfindlichkeils- und Strahlungscharakteristika der optischen Anordnung erläutert werden.

In der Fig. 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 Fig. 5a ist außerdem die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik 36 des Empfängers für die Markierstrahlung, also des ersten Signalgebers 30, eingezeichnet.

In der Fig. 5b ist die Strahlungscharakteristik 37 der kombinierten polychromatischen Strahlungsquellen la, \b und U- sowie die Strahlungscharakteristik 38 der Markierungsstrahlungsquelle 18 dargestellt.

Sowohl die EmpfindlichkeitscharakterisUka 35 und 36 als auch die Strahlungscharakteristika 37 und 38 werden in ihrer spektralen Lage so gewählt, daß sich die beiden Berereiche 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 Fig. 5a und 5b ersichtlich ist. Diese Bedingung ist zwar nicht absolut notwendig, da die Strahlungsarten im Gerät geometrisch getrennt geführt werden, aber ihre Einhaltung ist deswegen zu bevorzugen, damit sich bei längerem Gebnuch der Geräte, bei dem im allgemeinen eine Verstaubung eintritt, keine Interferenzen der Strahlungen der polychromatischen Lichtquelle 1 bzw. der polychromatischen Lichtquelle la. 16, und Ic mit der Strahlung der Markierungsstrahlungsuelle durch Streuung ergeben.

Ein Beispiel für einen Meßstrahlungsempfänger 29 ist ein Photovervielfather, während ein Beispiel eines Markierungsstrahlungsempfängers (erster Signalgeber 30) eine mit einem Rotfilter versehene Photodiode ist. Die Strahlungscharakteristik 37 kann beispielsweise durch einen oder mehrere Linlenstrahler, 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 Fig. 5b Innerhalb der Strahlungscharakteristik 37 eingezeichnet sind, werden durch die Spalte 6a bis de in der Abdeckmaske 5 nur die für die Messung günstigsten Linien ausgewählt, die in Fig. 5c innerhalb der Strahlungscharakteristik 39 eingezeichnet sind. Außerdem ist in Fig. 5c der Vollständigkeit halber nochmals die StTahlungscharakteristik 38 der Markierungsstrahlungsquelle 18, die beispielsweise eine Galliumarseniddiode sein kann, eingezeichnet.

Die Maßstäbe der Abszissen in den F i g. 5a bis 5c, auf denen die Wellenlängen In willkürlichen Einheiten aufgetragen sind, sind identisch, während die Ordinaten in den gleichen Figuren die Intensität in willkürlichen Einheiten darstellen.

Es sei nun anhand der Fig. 3 die Zuordnung der am Ausgang des Meßstrahlungsempfängers 29 erhaltenen Meßsignale zu den einzelnen Wellenlängen an einem Beispiel einer Meßsignalspeicher- und -zuordnungselnrichtung näher erläutert:

Hierzu sei angenommen, daß beim Einschalten der Strahlungsquelle le monochromatische Strahlung der Wellenlänge A, und A₃ (siehe Fig.5c) in den Spalten 6a und 6c in der Abdeckmaske 5 erhalten wird, während sich beim Einschalten der Strahlungsquelle Xb monochromatische Strahlung der Wellenlänge A₂ und A₄ in den Spalten 66 und 6d ergibt und beim Einschalten der Strahlungsquelle lc monochromatische Strahlung der Wellenlänge A₅ Im Spalt 6e erhalten wird. 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 la eingeschaltet ist, in zeitlicher Aufeinanderfolge die Meßsignale 40 und 42, wie in Fig. 6a angedeutet ist. In entsprechender Weise entstehen innerhalb eines Öffnungsund Schließzyklus, wenn nur die Strahlungsquelle 16 angeschaltet ist, die Meßsignale 41 und 43. Schließlich entsteht innerhalb eines Öffnungs- und Schließzyklus das Meßsignal 44, wenn nur die Strahlungsquelle lc eingeschaltet ist. Wenn man jeden Öffnungs- und Schließzyklus in beispielsweise vier willkürliche Zelteinheiten aufteilt, wie in Fig. 6a auf der Abszisse geschehen, dann erhält man die erwähnten Meßsignale jeweils nur an den Zeitpunkten eines Öffnungs- und Schließintervalls, an denen sie in Fig. 6a eingezeichnet sind. Die entsprechenden ersten Synchronisiersignale 45, die aufgrund der Markierungsstrahlung am Ausgang des ersten Signalgebers 30 erhalten werden, und die entsprechenden zweiten Synchronisiersignale 46, die aufgrund der Betätigung der Lichtschranke 31 am Ausgang des zweiten Signalgebers 32 erhalten werden, sind In FIg. 6b bzw. 6c In zeitlicher Zuordnung zu den Signalen 40 bis 44 eingezeichnet.
Damit im Falle des vorliegenden Beispiels die erhaltenen Meßsignale digital in Speichern 47a, 476, 47c ... 47n gespeichert werden können, wobei η eine beliebige ganze Zahl sein kann. Ist zwischen den Ausgang des Meßstrahlungsempfängers 29 und die Eingänge der erwähnten Speicher ein Analog-zu-Dlgital-Wandler 48 geschaltet.

Zwischen den Ausgang des Analog-zu-Dlgltal-Wandlers 48 und die einzelnen Eingänge der Speicher 47a bis 47« Ist ein elektronischer Schalter 49 geschaltet, der den Ausgang des Analog-zu-Digital-Wandlers 48 aufeinanderfolgend mit den einzelnen Eingängen der Speicher 47a bis 47/; verbindet und zu diesem Zweck einen Fortschaltsteuereingang 50 aufweist, der mit dem Ausgang des ersten Signalgebers 30 verbunden 1st, sowie einen Rücksetzeingang 51, der mit dem Ausgang des zweiten Signalgebers 32 verbunden ist.

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 Ein-

gang eines der Speicher 47α bis 47η 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 elnsrn 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 ATe gespeichert.

Die Abdeckmaske 5 und die polychromatische Lichtquelle 1 bzw. die polychromatischen Lichtquellen la bis Ic 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.

Eine volle Ausnutzung der Speicher 47a bis 47rc der Anordnung nach Fig. 3 wird dann erzielt, wenn diese Anordnung eine Abdeckmaske mit η Spalten in Verbindung mit entsprechenden polychromatischen Lichtquellen la bis Ic verwendet wird, wobei η beispielsweise 30 betragen kann, so daß 30 Wellenlängen erfaßt werden, wie beispielsweise in der Farbmetrik erforderlich sein kann.

Selbstverständlich kann die Meß- und Auswertungseinrichtung nach Fig. 3 in vielfältiger Weise abgewandelt werden, beispielsweise so, 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.

Die Auswahlmaske 9 kann, wie das Ausführungsbeispiel der Flg. 7 veranschaulicht, auch eine andere Form haben, nämlich als rotierende Scheibe ausgebildet sein, in der zur zeitlichen Freigabe der Spalte 6a bis be in der Abdeckmaske 5 ein als Durchbruch ausgebildeter, spiralförmiger Spalt U vorgesehen Ist. Die Anordnung ist so, daß die Mittelpunkte der Spaltbilder 14 (siehe Fig. 2) auf einem Radius 52 der als kreisförmige Scheibe ausgebildeten Auswahlmaske 9 liegen. Die Breite D des Spalts 11 wird In der Ausbildung nach der Fig. 7 in Entsprechung zu den Erläuterungen zu Flg. 4 größer als die Breite E der Spalte 6a bis be der Abdeckmaske 5 ausgeführt. Die Drehrichtung der Auswahlmaske 9 Ist in Fig. 7 durch den Pfeil A angedeutet. Anfangs- und Endpunkt bzw. die Steigung des spiralförmigen Spalts U und der Durchmesser der scheibenförmigen Auswahlmaske 9 werden in der Ausführung nach Fig. 7 gemäß dem abzutastenden Spektralber^lch gewählt.

Der Vorteil der Ausführungsform nach Fig. 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 auszuführenden 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.

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.

Anstelle der in F i g. 7 dargestellten scheibenförmigen Auswahlmaske 9 kann beispielsweise auch eine nicht dargestellte zylinderförmige Auswahlmaske verwendet werden, in der der spiralförmige Spalt Il um die Achse des Zylinders verlaufend durch die Zylinderwand ausgebildet ist.

Die optische Anordnung kann auch so ausgebildet und betrieben werden, daß die Abdeckmaske 5 an der Stelle des Strahlungseintritts angeordnet ist, so daß sich also in Fig. 1 im Raum 12 eine polychromatische Lichtquelle befinden würde und die Auswahlmaske 9 jeweils nur einen einzelnen Spalt 6o. 6ft, 6c, bei oder be 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 Fig. 1 der Meßstrahlungsempfänger 29 der F i g. 3 vorgesehen und zwischen diesem und dem Spalt 2 die Probe 28 angeordnet sein. In einer solchen Anordnung kann im Raum 12 der Fig. 1 auch in Entsprechung zu Fig. 3 eine Abbildungsoptik 19 angeordnet und eine polychromatische Lichtquelle oder mehrere polychromatische Lichtquellen an der Stelle des Abbild"ngsorts 22 vorgesehen sein.

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 möglich, die nicht im spektralanalytischen Bereich liegen.

Soll zum Beispiel die räumliche Verteilung einer Strahlungsart aufgenommen werden, so würde der zu untersuchende Strahler anstelle des Beugungsgitters 3 angebracht werden. 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.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Anordnung zum Erzeugen von zeltlich aufeinanderfolgenden Meßstrahlenbündeln unterschiedlicher Wellenlänge aus der Strahlung einer polychromatischen Strahlungsquelle, bei der an der Stelle des Sirahlungsaustritts einer Spektralzerlegungseinrichtung eine strahlungsundurchlässige Abdeckmaske vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von Spalten aufweist, welche geometrisch so angeordnet sind, daß sich bei der Beleuchtung eines Eintrittsspalts der Spektralzerlegungseinrichtung 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 bei der ferner eine Öffnungs- und Schließeinrichtung zum zeitlich aufeinanderfolgenden Freigeben der Spalte der Abdeckmaske und eine die einzelnen Meßstrahlenbündel auf einen gemeinsamen Abbildungsort ausrichtende Abbildungsoptik vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungs- und Schließeinrichtung (8) eine vor oder hinter der Abdeckmaske (5) vorgesehene Auswahlmaske (9) aufweist, die einen durch ihre Relativbewegung zur Abdeckmaske (5) wiederholt nacheinander in Fluchtung mit den einzelnen Spalten (6a-6e) der Abdeckmaske (5) bewegbaren Spalt (11) und einen die jeweils übrigen Spalte der Abdeckmaske (5) durch Überdekken schließenden strahlungsundurchlässigen Bereich jo besitzt, und daß die hinter der Abdeckmaske (5) vorgesehene, die einzelnen Meßstrahlenbündel (Ta-Te) auf einen gemeinsamen Abbildungsort (22) ausrichtende Abbildungsoptik (19) ein Hohlrotationsellipsoid-Spiegel ist.

2. Optische Anordnung zum Erzeugen von zeitlich aufeinanderfolgenden Meßstrahlenbündeln unterschiedlicher Wellenlänge aus der Strahlung einer polychromatischen Strahlungsqujlle, bei der an der Stelle des Strahlungseintritts einer Spektralzerlegungseinrichtung eine strahlungsundurchlässige Abdeckmaske vorgesehen ist, die eine Mehrzahl von Spalten aufweist, welche geometrisch so angeordnet sind, daß sich bei der Beleuchtung von jeweils nur einem einzelnen Spalt der Abdeckmaske durch die polychromatische Strahlungsquelle am Austrittsspalt ein monochromatisches Meßstrahlenbündel von jeweils einer von beleuchtetem Spalt zu beleuchtetem Spalt unterschiedlichen vorbestimmten Wellenlänge ergibt, und bei der ferner eine Öffnungs- und Schließeinrichtung so zum zeitlich aufeinanderfolgenden Freigeben der Spalte der Abdeckmaske und eine die polychromatische Strahlungsquelle auf die einzelnen Spalte richtende Abbildungsoptik vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungs- und Schließeinrichtung (8) eine vor oder hinter der Abdeckmaske (S) vorgesehene Auswahlmaske (9) aufweist, die einen durch ihre Relativbewegung zur Abdeckmaske (5) wiederholt nacheinander In Fluchtung mit den einzelnen Spalten (6o-6e) der Abdeckmaske (5) bewegbaren Spalt (11) und einen die jeweils übrigen Spalte der Abdeckmaske (5) durch Überdecken schließenden strahlungsundurchlässigen Bereich besitzt, und daß die die polychromatische Strahlungsquelle (I, Ia-Ic) auf die einzelnen Spalte (6a-6e) richtende Abblldungs- ·>⁵ optik (19) ein Hohlrotationsellipsoid-Spiegel ist.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlmaske (9) ein parallel zur Abdeckmaske (5) bewegbares endloses Band ist, in dem mehrere Spalten (11) in Bewegungsrichtung (A) hintereinander vorgesehen sind, deren einander zugewandte Ränder (Ii') einen größeren Abstand voneinander besitzen als die einander abgewandten Ränder (6a', 6eO der beiden äußersten Spalten (6a, de) der Abdeckmaske (5).

4. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlmaske (9) eine drehbare Scheibe oder Trommel mit einem um die Drehachse der Scheibe oder Trommel spiralförmig verlaufenden Spalt (11) ist.

5. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt bzw. die Spalte (11) in der Auswahlmaske (9) in ihrer Bewegungsrichtung (A) oder in ihrer scheinbaren Bewegungsrichtung (A') eine größere Breite (D) haben als die Breite (E) der Spalte (6a-6e) in der Abdeckmaske (5) beträgt.

6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektralzerlegungseinrichtung (3) ein Beugungsgitter Ist, in dessen Beleuchtungs- oder Abbildungsschärfenfläche sich die Abdeckmaske (5) befindet.

7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Spalten (δαδί") der Abdeckmaske (5) ein erster Signalgeber (30) zugeordnet ist, der beim Öffnen ei-nes Spalts (6a-6e) jeweils ein Synchronisiersignal (45) abgibt; und daß außerdem ein zweiter Signalgeber (32) vorgesehen ist, der jeweils zwischen dem Schließen des letzten Spalts (de) und dem Öffnen des ersten Spalts (6a) der Abdeckmaske (5) ein Synchronisiersignal (46) abgibt.

8. Optische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Signalgeber (30) eine Markierungsstrahlungsquelle (18), deren Strahlung so geführt ist, daß sie durch den jeweils geöffneten Spalt (6a-6i) der Abdeckmaske (5) hindurchgeht, und einen Markierungsstrahlungsempfänger, der im Bereich der durch den jeweils geöffneten Spalt (6a-6e) hindurchgegangenen Markierungsstrahlungsbündel angeordnet ist, umfaßt.

9. Optische Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Marklerungsstrahlung unter einem vorbestimmten Winkel (γ) zur optischen Achse (Ta-Te) der durch die Spalte (6o-6e) der Abdeckmaske (S) hindurchgehenden Strahlenbündel (16) geführt ist, wobei vorzugsweise die optische Achse (20) jedes einem Spalt (6o-6e) der Abdeckmaske (5) zugeordneten Markierungsstrahlenbündels die optische Achse (Ta-Te) des diesem Spalt zugeordneten Strahlenbündels In dem Spalt (6o-6e), insbesondere in der Mitte des Spalts, schneidet.

10. Optische Anordnung nach Anspruch 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (20) des Markierungsstrahlenbündels und die optische Achse des Meßstrahlenbündels (Ta-Te), die jeweils einem Spalt (ba-be) der Abdeckmaske (5) zugeordnet sind, in einer parallel zu den Gitterlinien und senkrecht zur Gltterfläche des Beugungsgitters (3) angeordneten Ebene verlaufen, wozu vorzugsweise eine als Markierungsstrahlungsquelle (18) vorgesehene Lichtquelle neben dem Beugungsgitter (3) auf der Verlängerung einer durch den Beugungsgittermittelpunkt (25) hindurchgehenden Gitterlinie angeordnet Ist.

11. Optische Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung, In der die Abdeckmaske (5) an der Stelle des Strahlungs-

austritts angeordnet 1st, die Markierungsstrahlenbündel so ausgerichtet sind, daß sie von dem als Abbildungsoptik (19) vorgesehenen Hohlrotationsellipsoid-Spiegel auf einen gemeinsamen Ort (23) fokussiert werden, der sich von dem Ort (22), auf den die MeßstrahlenbOndel fokussiert werden, unterscheidet.

12. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungsstrahlung eine andere Wellenlänge hat odu-r in einem anrtfiren Wellenlängenbereich liegt als die Meßstrahlung.

13. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Verbindung mit einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalgeber (32) eine von der Auswahlmaske (9) normalerweise unterbrochene, jedoch zwischen dem Schließen des letzten Spalts (6e) und dem Öffnen des ersten Spalts (6a) der Abdeckmaske (5) durch eine Lichtschrankenöffnung (11) in der AuswJilmaske (9) geschlossene Lichtschranke (31) umfaßt.

14. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckmaske (5) auswechselbar ist.