DE3045156A1

DE3045156A1 - Vorrichtung zur spektralanalyse

Info

Publication number: DE3045156A1
Application number: DE19803045156
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1980-12-01
Filing date: 1980-12-01
Publication date: 1982-06-09
Also published as: DE3045156C2; US4462687A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spektralanalyse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bereits eine derartige Vorrichtung vorgeschlagen worden (DE-OS 30 14 646) , bei der in der Selektionsrichtung am Spektrum ein räumlich parallel zur Selektionsrichtung der Spektralkomponenten ausgedehnter Modulator mit parallel zur Selektionsrichtung ortsabhängiger Modulationsfunktion die Intensität des Spektrums moduliert und das elektrische Ausgangssignal eines für die verwendete Strahlung empfindlichen und vom Spektrum durch den Modulator hindurchgehende Strahlung empfangenen Detektors sowie mit der Bewegung des Modulators synchronisierte Referenzfrequenzsignale an eine Auswerteschaltung angelegt sind, welche die den einzelnen Spektralkomponenten zugeordneten Meßfrequenzsignale vermittels der ihnen in jedem Zeitpunkt frequenzmäßig fest zugeordneten Referenzfrequenzsignale entweder gleichzeitig oder zeitlich nacheinander aus dem Frequenzgemisch herausfiltert und an Meßausgängen entsprechende Spektralkomponentensignale abgibt. Bei der betreffenden Vorrichtung ist für die Bildung der Frequenzsignale der Eingangs- oder Ausgangsspalt eines Spektrometers erforderlich, wodurch die am Detektor verfügbare Lichtenergie beschränkt ist.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaf-

zu
fen, bei der ein die/untersuchenden Spektralkomponenten enthaltendes Lichtbündel mit relativ großem Querschnitt und entsprechend hoher Lichtintensität verwendet und ausgewertet werden kann.

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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß

a) ein räumlich parallel zur Selektionsrichtung des Dispersionsgliedes oder Separators sich erstreckender Modulator mit parallel zur Selektionsrichtung ortsabhängiger Modulationsfunktion von der zu analysierenden Strahlung beaufschlagt ist, daß

b) die Strahlung von dem Modulator durch ein Dispersionsglied oder einen Separator auf einen zweiten Modulator mit parallel zur Selektionsrichtung ortsabhängiger Modulationsfunktion/ welche der des ersten Modulators gleich oder von ihr verschieden sein kann, fällt und dort ein Bild des ersten Modulators entwirft, wobei hinter dem zweiten Modulator ein Detektor angeordnet ist, der zumindest wesentliche Teile des durch den zweiten Modulator hindurchgehenden Lichtes empfängt, und daß

c) die Strukturen des zweiten Modulators und des ersten Modulators in Selektionsrichtung eine Bewegung mit einer definierten Geschwindigkeit ausführen.

Vorzugsweise sollen die Modulationsfunktionen der beiden Modulatoren dabei in einer solchen Beziehung stehen, daß durch die überlagerung des Bildes des ersten Modulators mit dem zweiten Modulator eine Kombinationsmodulatlonsfunktion fester Frequenz auf der Empfangsanordnung entsteht, wobei die Größe der Frequenz von der Versetzung des Bildes des ersten Modulators und des zweiten Modulators in Selektionsrichtung abhängt.

Weiter soll zweckmäßigerweise vorgesehen sein, daß etwa in der Ebene oder Bildebene des ersten Modulators und/oder des zweiten Modulators eine Teile des Eingangsstrahlenbündels abdeckende Phasenblendenvorrichtung derart ausgebildet und angeordnet ist und/oder der Detektor derart in mehrere Einzeldetektoren unter-

teilt ist, daß die durch die Überlagerung der vom ersten Modulator in der Ebene des zweiten Modulators entstehende Raumstruktur, welche von den in der Strahlung enthaltenen Spektralkomponenten abhängige Kombinationsfrequenzen enthält, beim Oberstreichen des Detektors aufgrund der Bewegung der beiden Modulatoren ein periodisches Signal erzeugt.

Zwecks einfacher Auswertung können in der elektronischen Auswerteschaltung den einzelnen Spektralkomponenten zugeordnete Filter enthalten sein, welche auf die von der zugeordneten Spektralkomponente erzeugte Kombinationsfrequenz abgestimmt sind.

Erfindungsgemäß wird also der erste Modulator bzw. die Blendenvorrichtung von einem Lichtbündel mit relativ großer Fläche beaufschlagt. Die Fläche ist bei der bevorzugten Anwendung größer als die Fläche des schmalen Eingangsspaltes eines konventionellen Spektrometers. In der elektronischen Auswerteschaltung entsteht aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung für jede gesuchte Spektralkomponente eine charakteristische Kombinationsfrequenz der von dem Detektor aufgenommenen räumlich variablen Modulationsfrequenzen beider Modulatoren. Diese charakteristischen Kombinationsfrequenzen können herausgefiltert und zur Anzeige der Intensität dieser Spektralkomponenten verwendet werden.

Die Größe der durch Überlagerung der beiden Modulationsfrequenzen erzielten Kombinationsfrequenz hängt von der RelatiwerSchiebung der beiden Modulatoren bzw. des zweiten Modulators und des Bildes des ersten Modulators ab. Je nachdem, welche Ablenkung das Dispersionsglied hervorruft, wird die relative Verschiebung der beiden Modulatoren so vorgenommen, daß den zu ermittelnden Spektralkomponenten eine gewünschte Kombinationsfrequenz zugeordnet ist.

Im Gegensatz zu dem älteren Vorschlag nach der DE-OS 30 14 646 wird also erfindungsgemäß vor und hinter dem Dispersionsglied bez. dem Separator ein Modulator angeordnet. Die Modulatoren entsprechen dabei weitgehend denen nach der vorgenannten Offenlegungsschrift. Da die Strahlung erfindungsgemäß aber nicht nur über einen schmalen Eingangsspalt, sondern über die volle Breite des Eingangsmodulators eintritt, ist die am Ausgang verfügbare Lichtenergie bis etwa um einen Faktor 1000 größer. Da erfindungsgemäß für jede Spektralkomponente eine fest Kombinationsfrequenz erzeugt wird, ist die Signalauswertung wesentlich einfacher als nach der bereits vorgeschlagenen Vorrichtung zu Spektralanalyse.

Obwohl grundsätzlich beliebige Modulationsfrequenzen für die Modulatoren verwendet werden können, ist es zur einfachen Signalauswertung bevorzugt, nur solche Modulationsfunktionen zu verwenden, welche aufgrund der erfindungsgemäßen versetzten Überlagerung unmittelbar konstante Kombinationsfrequenzen ergeben. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Ortsfrequenzen f^, f₂ der beiden Modulatoren derart vom Ort auf dem Modulator abhängen, daß folgende Beziehungen gelten:

^l A ^

dx ~ ^A * dx

^df1

•5— = const.

dx

oder

df₂ df
= -A .

dx " * dx

dx~ ^{= COnst}·

wobei f₁, f2 = Ortsfrequenzen des ersten bzw. zweiten Modulators,

χ = Ortskoordinate in Selektionsrichtung, A = Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik.

Bei dieser Ausführungsform kann die Auswertung einfach dadurch erfolgen, daß an den Detektor für jede der gesuchten Spektralkomponenten Bandpässe angeschlossen sind, die auf die zugeordneten Differenz- bzw. Summenfrequenzen abgestimmt sind.

Besonders einfach wird die Auswertung dann, wenn beide Modulatoren synchronisiert sind, zwischen ihnen also eine zeitlich konstante Verschiebung besteht. Zur Erzielung günstiger Kombinationsfrequenzen sollen außerdem beide Modulatoren vorzugsweise unterschiedliche Frequenzbänder haben.

Die Erfindung kann aber auch bei Modulatoren verwirklicht werden, die nicht synchronisiert sind. Hierbei ist es dann erforderlich, daß an den Detektor ein Mischer oder ein Synchrondemodulator angeschlossen ist, in dem aus Referenzfrequenzsignalen, die von einer durchstimmbaren, mit den Modulatoren synchronisierten Oszillatorvorrichtung, deren Verstimmung proportional zur relativen Verschiebung der Modulatoren ist, stammen und aus zeitlich variablen Kombinationsfrequenzen Signale mit konstanten Kombinationsfrequenzen entsprechend den vorhandenen Spektralkomponenten gebildet werden, die gebenenfalls über ein Filter an die Bandpässe angelegt sind. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Modulatoren vorgesehen sein, wobei vorteilhafterweise ein dritter Modulator in der Mittelspaltebene eines Doppelmonochromators angeordnet werden soll. Bei der Verwendung von drei Modulatoren werden dann z.B. die folgenden Kombinationsfrequenzen ausgewertet:

f = f₁ + f₂ + f₃ oder

f = f₁ - f₂ - f₃ oder

f = f₁ + f₂ - f₃ oder

^f - ^f1 - ^f2 ^{+ f}3

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der optischen und elektronischen Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spektralanalyse und

Fig. 2 eine Draufsicht eines der erfindungsgemäß verwendeten Modulatoren.

Nach Fig. 1 trifft ein die zu untersuchenden optischen Spektralkomponenten enthaltendes Lichtbündel 9 mit relativ großem Querschnitt auf einen gitterförmigen ersten Modulator 11 auf, welcher gemäß Fig. 1 und 2 eine stetig zunehmende Gitterkonstante hat. Über zwei vorzugsweise ein telezentrisches System bildende Linsen 26 und ein dazwischengeschaltetes Dispersionsglied 19,

wird der erste Modulator auf einen zweiten gitterförmigen Modulator 11 ' abgebildet/ welcher wie der erste Modulator eine stetig zunehmende Gitterkonstante aufweist, jedoch im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 1 vorzugsweise ein anderes Frequenzband umfaßt. Beispielsweise kann der Modulator 11 ein Frequenzband von 400 kHz bis 1 MHz haben, der Modulator 11' ein Frequenzband von 300 kHz bis 900 kHz, wobei von einer gleichförmigen Bewegung der Modulatoren mit einer Geschwindigkeit von 20 m/sec ausgegangen wird. Die genutzte Kombinationsfrequenz kann dann z.B. im Bereich von 70 ... 100 kHz liegen. Der Abbildungsstrahlengang der durch die Linsen 26 und das Dispersionsglied 19 gebildeten Abbildungsoptik 10 ist in Fig. 1 gestrichelt angedeutet.

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Hinter dem zweiten Modulator 11' ist als photoelektrischer Detektor ein einzelner Photoernpfänger 13 vorgesehen, welcher das gesamte durch die Öffnungen des Modulators 11' hindurchgelangende Licht empfängt und an seinem Ausgang ein entsprechendes elektrisches Signal abgibt/ das an eine elektronische Auswerteschaltung 15 angelegt ist.

Vor dem ersten Modulator 11 befindet sich eine Phasenblende 8, deren Ortsfrequenz wesentlich kleiner als die der Modulatoren 11/ 11' ist. Die Oitsfrequenz der Phasenblende 8 ist in eine Beziehung zu der durch die Modulatoren 11/ 11' gebildeten Kombinationsfrequenz zu setzen, was bei der weiter unten erfolgenden Funktionsbeschreibung noch im einzelnen erläutert wird.

Aufgrund der in Fig. 1 gezeigten optischen Anordnung wird auf dem zweiten Modulator 11' ein Bild des Modulators 11 erzeugt. Durch punktierte Linien ist wiedergegeben/ wie eine vom Dispersionsglied 19 nicht abgelenkte Spektralkomponente im Lichtbündel 9 durch die Abbildungsoptik 10 auf den Modulator 11' gelangt. In strichpunktierten Linien ist gezeigt, wie eine andere Spektralkomponente durch das Dispersionsglied 19 um einen Winkel Ά abgelenkt und in Richtung des Pfeiles f' versetzt auf dem zweiten Modulator 11' auftrifft.

Erteilt man nun den beiden Modulatoren 11, 11' senkrecht zur optischen Achse 7 und in bzw. entgegen der Selektionsrichtung des Dispersionsgliedes 19/ d.h. in Richtung der Pfeile f, f' eine gleichförmige Bewegung derart, daß sich das Bild des Modulators 11 und der zweite Modulator 11' mit gleicher Geschwindigkeit und konstanter Versetzung bewegen, so läuft für jede Spektralkomponente eine Kombinationsmodulationsfunktion mit anderer Frequenz f_k in Richtung des Pfeiles f' über die Oberfläche der photoelektrischen Empfangsanordnung 13. Damit

" .":'.".: : 30A5156

diese Bewegung am Ausgang der Empfangsanordnung 13 ein deutliches elektrisches Signal abgibt, befindet sich in der Ebene des Eingangsmodulators 11 (und/oder des Ausgangsmodulators) die Phasenblende 8. Die Phasendifferenz der Kombinationsfrequenz der äußersten Strahlen, die die Phasenblende passieren können, beträgt etwa +45 bezogen auf den mittleren Strahl durch die Blende 9. Die Strahlen, die auf die undurchlässigen Bereich der Phasenblende 8 fallen, werden unterdrückt. Weil auch Signale mit einer relativen Phasenlage von + 45° + η·360° (η bedeutet'hier eine ganze Zahl) summiert werden dürfen, hat die Phasenblende 8 gegebenenfalls mehrere freie Öffnungen. Die Phasenblende 8 kann auch in der Ebene des Ausgangsmodulators 11' oder auf beiden Seiten angeordnet werden.

Zwar geht durch die Phasenblende 8 etwas Licht verloren; dennoch ist die "Energie, die durch die Öffnungen der Phasenblende 8 tritt, noch um Zehnerpotenzen größer als bei einem konventionellen Verfahren mit einem beleuchteten Eingangsspalt. Bei kleinen Kombinationsfrequenzen f^· hat die Phasenblende 8 nur eine oder wenige große Öffnungen, während bei großen Kombinationsfrequenzen die Phasenblende viele /kleine Öffnungen besitzt.

Energetisch günstiger ist es, wenn statt der Phasenblende die photoelektrische Empfangsanordnung 13 nicht aus einem einzigen durchgehenden Photoempfänger, sondern aus räumlich versetzten Detektoren besteht, die nebeneinander angeordnet sind. Die Breite der Detektoren ist dabei so gewählt, daß sie Signale mit realtiven Phasen von z.B. +_ 45 empfangen. Die räumlich getrennte Anordnung der Detektoren ersetzt somit die Phasenblende 8.

Signale von Detektoren mit gleichartiger Phasenlage können direkt addiert werden. Die übrigen Signale werden vor der Addition mittels Phasendrehgliedern auf eine gleichartige Phasenlage gebracht. Statt einen Vielfachdetektor zu verwenden, könnten auch an den jeweiligen Orten Strahlablenker angeordnet werden, die den Strahl auf ungefähr vier Detektoren lenken. Die Ausgangssignale dieser Detektoren werden mit Hilfe von Phasenschiebern in die gleichartige Phasenlage gebracht.

Wesentlich ist also, daß die Anordnung der Phasenblende 8 und/oder der in einzelne Detektoren unterteilten photoelektrischen Empfangsanordnung 13 so ist, daß die Kombinationsfrequenz bei Bewegung der beiden Modulatoren 11, 11* in Richtung der Pfeile f, f am Ausgang der photoelektrischen Empfangsanordnung ein möglichst großes Signal ergibt.

Wenn der Abbildungsmaßstab A des Monochromator o.a. eins ist, dann ist die relative Phasenverschiebung der Differenzfrequenz zweier Strahlen mit dem Abstand Δ.Χ bei Ausnutzung der Differenzfrequenz

Δχ

₌ 360°

^xe · ^xa

Dabei sind χ , χ die räumlichen Längen der Perioden des Eingangs- bzw. Ausgangsmodulators.

Ist der Abbildungsmaßstab A ungleich eins, dann muß wenn ζ.Β.Δ-f am Ausgang berechnet werden soll x_e mit A multipliziert werden (wenn ,Δ./ am Eingang berechnet werden soll, dann muß mit ■=- χ gerechnet werden.).

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Wird die Summenfrequenz ausgewertet, dann wird die öffnung der Phasenblende sehr klein. Es müssen dann sehr viele öffnungen ausgenutzt werden. Hier gilt sinngemäß

Af

^xe · ^xa

Bisher wurde lediglich die Kombinationsfrequenz für eine einzige Spektralkomponente beachtet. Für andere Spektralkomponenten ist die Ablenkung durch das Dispersionsglied entsprechend größer oder kleiner, was zu größeren bzw. kleineren Kombinationsfrequenzen führt.

Eine besonders einfache Auswertung wird erzielt, wenn die beiden Modulatoren 11, 11' miteinander synchronisiert sind, d.h. sich das Bild des Modulators 11 und der Modulator 11' mit gleicher Geschwindigkeit und konstanter Verschiebung bewegen. In Fig. 1 ist durch eine Verbindungslinie 6 und eine schematisch dargestelltes Getriebe 5 angedeutet, wie die beiden Modulatoren 11, 11' zu einer derartigen synchronen Bewegung angetrieben werden können.

Da bei einer derartigen Synchronisierung der beiden Modulatoren 11, 11' für jede Spektralkomponente am Ausgang der Empfangsanordnung 13 eine definierte Kombinationsfrequenz entsteht/ brauchen zur Auswertung in der Auswerteschaltung 15 mit Ausnahme von Verstärkern und Filtern lediglich Bandpässe 17 vorgesehen zu sein, welche jeweils auf eine einer Spektralkomponente zugeordnete Kombinationsfrequenz abgestimmt sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist angenommen, daß das Lichtbündel 9 drei interessierende Spektralkomponenten I, II und III enthält, so daß in der Auswerteschaltung 15 lediglich drei Bandpässe 17_T, 17_TT bzw. 1^₁₁₁ vorliegen. An den Ausgängen der drei Bandpässe entstehen dann der Intensität der einzelnen Spektralkomponenten entsprechende Ausgangssignale I"', II"¹ bzw. III"¹.

Erfindungsgemäß ist es aber nicht erforderlich, daß die beiden Modulatoren 11, 11· synchronisiert sind. Sofern die Wiederholfrequenzen der beiden Modulatoren 11, 11· nicht synchronisiert sind, entfällt die phasenstarre Kopplung 5, 6; stattdessen werden von den Modulatoren 11, 11' über die Leitungen 4, 4¹ für die momentane realtive Drehstellung der Modulatoren 11, 11' repräsentative Signale abgeleitet und einer in der elektronischen Auswertevorrichtung 15 vorgesehenen durchstimmbaren Oszillatorvorrichtung 22 zugeführt, welche eine Referenz frequenz bzw. Überlagerungsfrequen'z an einen Mischer 18 abgibt, der den Bandpässen 17 vorgeschaltet ist. Der Mischer 18 erhält außerdem das Ausgangssignal aus der photoelektrischen Empfangsanordnung 13.

Die Ausbildung der durchstimmbaren Oszillatorvorrichtung und des Mischers 18 sind derart, daß die momentan den einzelnen Spektralkomponenten zugeordneten Summen- oder Differenzfrequenzen durch Kombination mit, insbesondere Subtraktion von, der momentanen Referenz- bzw. Überlagerungsfrequenz in

eine konstante Kombinationsfrequenz transportiert werden. Der Ausgang des Mischers 18 ist vorzugsweise über ein Filter, welches unerwünschte Mischprodukte unterdrückt, an die Tiefpässe 17 angeschlossen, wo die Weiterverarbeitung in der oben geschilderten Weise erfolgt.

Statt des Mischers 18 können auch sinngemäß Synchrondemodulatoren mit zeitlich variabler Referenzfrequenz eingesetzt werden. Für jede Spektralkomponente wird dann ein Synchrondemodulator benötigt. Das angeschlossene Filter ist in diesem Fall ein Tiepaßfilter.

Um bei einer überlagerung des Bildes des Modulators 11 und des Modulators 11' zu einer für jede einzelne Spektralkomponente konstanten Kombinationsfrequenz und damit zu einer einfachen Auswertung zu kommen, sind für die Raumfrequenz der beiden Modulatoren 11, 11' als Funktion des Orts die folgenden Beziehungen zu beachten:

df₂ df,

die ^Λ* dx (1)

df-

= const. (2)

dx
oder

dx" ⁼ "^A · dx" (3)

df₁

-5— = const. , (4)

wobei f₁, f₂ = Raumfrequenzen des ersten bzw. zweiten Modulators 11, 11 ·,

χ = Ortskoordinate,

A = Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 10.

Bei einer Anordnung, die gemäß Gleichung (1) erarbeitet, werden die Differenzfrequenzen ausgewertet, bei einer Anordnung nach Gleichung'(3) die Summenfrequenzen.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Dimensionierung der Modulatoren 11, 11 ' fallen alle Differenz- bzw. Summenfrequenzen, die zu einer Spektralkomponente gehören, zusammen, obwohl die Strahlen von verschiedenen Orten in der Eingangsmodulatorebene ausgehen. D.h., daß pro Spektralkomponente lediglich ein Bandpaßfilter 17 benötigt wird.

Die Summen- bzw. Differenzfrequenz ergibt sich durch die absoluten Momentanwerte von f- , f_. Z.B. können zwei gleiche Zerhackerscheiben verwendet werden, welche jedoch im Winkel relativ zueinander verschoben sind.

Die Signalverarbeitung kann also ähnlich wie nach Fig. 8 der DE-OS 30 14 646 erfolgen, wobei jedoch die Mischstufen 21 entfallen, die das zeitlich in der Frequenz variierende Signal in ein Signal mit fester Frequenz umwandeln, sowie die zeitlich in der Frequenz veränderlichen· Oberlagerungsfrequenz- bzw. Referenzfrequenzsignale. Die entsprechende Aufgabe übernimmt gemäß vorliegender Erfindung der jeweils andere Modulator.

Zusammengefaßt kann also festgehalten werden, daß wenn die vorstehenden Gleichungen (1), (2) bzw. (3), (4) erfüllt sind und die Modulatoren synchronisiert sind, für die Signalverarbeitung keine Referenzfrequenz benötigt wird. Die zeit-

liehe Frequenzänderung im ersten Modulator wird noch vor der photoelektrischen Empfangsanordnung 13 im zweiten Modulator 11' kompensiert. Einer bestimmten Wellenlänge ist somit jeweils eine konstante Kombinationsfrequenz zugeordnet. Eine andere Wellenlänge liefert eine andere konstante Kombinationsfrequenz. Die Kombinationsfrequenzen (die den verschiedenen Spektralelementen entsprechen) können also mit zeitlich konstanten Filtern selektiert werden. Mischer bzw. Synchrondemodulatoren sind nicht erforderlich. Sofern Sie dennoch angewendet werden sollten, erhalten Sie eine konstante Referenzfrequenz .

Wenn die Gleichungen (1), (2) bzw. (3), (4) erfüllt sind, die Modulatoren aber nicht synchronisiert sind, so wird eine zeitlich variable Referenzfrequenz für einen Mischer 18 bzw. Synchrondemodulator benötigt. Diese Referenzfrequenz ist jedoch nicht zu verwechseln mit der nach der DE-OS 30 14 646, wo sie eine Funktion der Momentanstellung des Modulators ist. Bei vorliegender Erfindung ist sie jedoch eine Funktion der relativen Stellungen der beiden Modulatoren zueinander.

Sofern der Abbildungsmaßstab A der erfindungsgemäßen Vorrichtung ungleich Eins ist, muß bei der Ermittlung der Kombinationsfrequenzen mit einem entsprechend vergrößerten bzw. verkleinerten Bild des ersten Modulators an der Stelle des zweiten Modulators 11· gerechnet werden.

Sofern die Summenfrequenz ausgewertet wird, wird die öffnung der Phasenblende 8 sehr klein. Es müssen dann sehr viele öffnungen ausgenutzt werden.

Bei der Anwendung von Synchrondemodulatoren in der Signalverarbeitung muß die Phasenlage des Signals relativ zum Referenzsignal für den Synchrondemodulator berücksichtigt werden und gegebenenfalls mittels Phasenschieber in die · richtige Lage gebracht werden.

Die Phasenblende 8 begrenzt zwar nicht grundsätzlich, jedoch praktisch den relativen Hub der nutzbaren Kombinationsfrequenz. Im einzelnen gilt hier bei Ausnutzung der Differenzfrequenz folgende Beziehung:

rel. Hub_mav = -rf- < 2 S* 1,5 (5)

max Ho — !-ι

Bei Ausnutzung der Summenfrequenz beträgt der maximale relative Hub der nutzbaren Kombinationsfrequenz:

²*¹'⁵

Grundsätzlich ist es auch möglich, mit einem relativen Hub größer als 2 zu arbeiten. Die dann noch erzielbare Empfindlichkeit für die ungünstigste Kombinationsfrequenz ist jedoch herabgesetzt. Zwar können die Nullstellen der Empfindlichkeit verwischt werden, wenn die einzelnen Löcher in der Phasenblende 8 unterschiedlich breit sind oder die einzelnen Löcher schräg zum Spektrum liegen. Es verkleinern sich dann allerdings auch die Maxima in der Empfindlichkeitsfunktion. Weiter kann die Phasenblende 8 zeitlich variabel sein, z.B. diskontinuierlich, indem wechselweise zwei verschiedene Phasenblenden 8 eingeschoben werden oder kontinuierlich, indem auf einer Trommel eine Phasenblende 8 mit kontinuierlich variierenden Eigenschaften aufgebracht ist. Im zeitlichen Mittel werden auch hier die Empfindlichkeitsminima verwischt.

Als Phasenblenden können auch elektronisch steuerbare Modulatoren verwendet werden. Besonders in diesem Fall ist es möglich, schnell zwischen mehreren verschiedenen Phasenblenden zu wechseln. Es ist zweckmäßig, die jeweiligen Signalverarbeitungskanäle nur anzuschalten, wenn die Empfindlichkeit der jeweiligen Kombinationsfrequenz optimal ist.

Durch die Dimensionierung von Phasenblenden ist es möglich, unerwünschte physikalische (optische) Spektralbereiche auszublenden (Lage der Nullstellen der Empfindlichkeit).

Insbesondere durch Abbildungsfehler im Monochromator kann die Auflösung des Verfahrens begrenzt werden. D.h. daß die Kombinationsfrequenz, die von einer bestimmten Wellenlänge verursacht wird, doch etwas vom Ort in der Eingangs- bzw. Ausgangsebene des Monochromators abhängig ist. Wenn erforderlich, lassen sich solche Fehler aber korrigieren, indem z.B. in der Ausgangsebene des Monochromators mehrer Detektoren angeordnet sind und die Signale dieser Detektoren unabhängig verarbeitet werden und erst die einander entsprechenden Ausgangssignale addiert werden.

Erfindungsgemäß können auch alle in der DE-OS 30 14 646 beschriebenen Modulatoren verwendet werden. Die Anwendung der Erfindung ist also nicht auf rotierende oder longitudinal schwingende Modulatoren beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf nicht mechanisch bewegte Modulatoren.

Weiterhin läßt sich die Erfindung auch bei nicht-optischen Spektren z.B. Röntgenstrahlung-, Gammastrahlung-, Partikelstrahlung- oder Massenspektren anwenden. An die Stelle des dispersiven Elementes tritt dann ggfs. ein Separator.

Obwohl man normalerweise nur die Grundwellen der Modulationsbzw. Referenz- bzw. Kombinationsfrequenzen nützen wird, ist es aber auch möglich, mit den Oberwellen dieser Signale zu arbeiten. Das ist insbesondere dann möglich, wenn die Kurvenform der Modulationsfunktion nicht sinusförmig, sondern rechteckförmig ist.

Die Selektion muß nicht nach sinusförmigen Frequenzkomponenten erfolgen, sondern kann auch nach periodischen Signalen mit anderen Kurvenformen z.B. rechteckförmigen Kurvenformen vorgenommen werden.

Außerdem kann die Anordnung kombiniert mit den in der Patentanmeldung P 30 29 945 beschriebenen Methoden angewendet werden.

Wenn in der Beschreibung oder in den Patentansprüchen die Abbildung des einen Modulators auf den anderen Modulator gefordert wird, so kann für diese Abbildung auch eine Abbildung mit "Schattenbildern" angewendet werden.

Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE " " ' ■ " ' MANITZ, FINSTERWALD & QRÄMKOW Erwin Sick GmbH Optik-Elektronik Sebastian-Kneipp-Str. 7808 Waldkirch DEUTSCHE: PATENTANWÄLTE DR GERHART MANITZ ■ DlPL -PHYS. MANFRED FINSTERWALD DiPL -ing . DlPL -WIRTSCH -ING WERNER GRÄMKOW · DIPl-ing DR. HELIANE HEYN DiPL -CHEM HANNS-JÖRG ROTERMUND ■ DlPL-PHYS. BRITISH CHARTERED PATENT AGENT JAMES G. MORGAN B SC (PHYS) DMS ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MANDAT AIRES AGREES PRES LOFFICE EUROPEEN DES BREVETS München, den S/Ha-S 3688

1.12.1980

Vorrichtung zur Spektralanalyse

Patentansprüche

1.) Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem von der zu analysierenden Strahung durchsetzen Dispersionsglied oder Separator, wenigstens einem dem Dispersionsglied nachgeschalteten Detektor und einer elektronischen Auswerteschaltung zur Ermittlung von in der Strahlung enthaltenen Spektralkomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein räumlich parallel zur Selektionsrichtung des Dispersionsgliedes oder Separators (19) sich erstreckender Modulator (11) mit parallel zur Selektionsrichtung ortsabhängiger Modulationsfunktion von der zu analysierenden Strahlung (9) beaufschlagt ist, daß

b) die Strahlung von dem Modulator (11) durch ein Dispersionsglied oder einen Separator (19) auf einen zweiten Modulator (11') mit parallel zur Selektionsrichtung ortsabhängiger Modulationsfunktion, welche der des ersten Modulators (11) gleich oder von ihr verschieden sein kann, fällt und dort ein Bild des ersten Modulators (11) entwirft, wobei hinter dem zweiten Modulator (11') ein Detektor (13) angeordnet ist, der zumindest wesentliche Teile des durch den zweiten Modulator (11') hindurchgehenden Lichtes empfängt, und daß

c) die Strukturen des zweiten Modulators (11') und des ersten Modulators (11) in Selektionsrichtung eine Bewegung mit einer definierten Geschwindigkeit ausführen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfunktionen der beiden Modulatoren (11, 11') in einer solchen Beziehung stehen, daß durch die überlagerung des Bildes des ersten Modulators (11) mit dem . zweiten Modulator (11 ') eine Kombinationsmodulationsfunktion fester Frequenz auf der Empfangsanordnung (13) entsteht, wobei die Größe der Frequenz von der Versetzung des Bildes des ersten Modulators (11) und des zweiten Modulators (11') in Selektionsrichtung abhängt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß etwa in der Ebene oder Bildebene des ersten Modulators (11) und/oder des zweiten Modulators (11') eine Teile des Eingangsstrahlenbündels abdeckende Phasenblendenvorrichtung (8) derart ausgebildet und angeordnet ist und/oder der Detektor (13) derart in mehren Einzeldetektoren unterteilt ist, daß die durch die Überlagerung der vom ersten Modulator (11) in der Ebene des zweiten Modulators (11■) entstehende Raumstruktur, welche von" den in der Strahlung

: ' Ι .:^: 30A5156

enthaltenen Spektralkomponenten abhängige Kombinationsfrequenzen enthält, beim überstreichen des Detektors (13) aufgrund der Bewegung der beiden Modulatoren (11, 11') ein periodisches Signal erzeugt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß in der elektronischen Auswerteschaltung (15) den einzelnen Spektralkomponenten zugeordnete Filter (17) enthalten sind, welche auf die von der zugeordneten Spektralkomponente erzeugte Kombinationsfrequenz abgestimmt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Ortsfrequenzen (f-, f₂) der beiden Modulatoren (11, 11') derart vom Ort auf dem Modulator (11, 11') abhängen, daß folgende Beziehungen gelten:

df, df₁ = A

dx ~ ' dx

df₁

,—- = const.

oder

df₂ __ df,

dir ~ "^A ' dST

^df1

-5— = const.

dx

wobei f,. , f 2 = Ortsfrequenzen des ersten bzw. zweiten Modulators (11, 11'),

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χ = Ortskoordinate in Selektionsrichtung,

A = Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik'(10).

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß beide Modulatoren (11, 11') synchronisiert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Modulatoren (11, 11') unterschiedliche Frquenzbänder haben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzband des ersten Modulators (11) von 400 kHz bis 1 MHz und das des zweiten Modulators (11 ■·) von 300 kHz bis 900 kHz reicht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die auf jeder gesuchten Spektralkomponente zugeordnete Summen- bzw. Differenzfrequenzen abgestimmten Bandpässe (17) gegebenenfalls über Verstärker unmittelbar an den Detektor (13) angeschlossen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Modulatoren (11, 11') nicht synchronisiert sind und daß an den Detektor (13) ein Mischer oder Synchrondemodulator (18) angeschlossen ist, in dem aus ReferenzfrquenzSignalen, die von einer durchstimmbaren, mit den Modulatoren (11, II¹) synchronisierten Oszillatorvorrichtung (22), deren Verstimmung proportional zur relativen Versetzung der Modulatoren (11, 11') ist, stammen und den beiden Modulationsfrequenzen die Signale mit den konstanten Kombinationsfrequenzen entsprechend den vorhandenen Spektralkomponenten gebildet werden, die gegebenenfalls über ein Filter (10) an die Bandpässe (17) angelegt sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß mehr als zwei Modulatoren vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß ein dritter Modulator in der Mittelspal tebene eines Doppelmonochromators angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein optisches Spektrum verwendet wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß ein Röntgen-, Gamm-, Partikelstrahl- oder Massenspektrum verwendet wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Phasenblendenvorrichtung

(8) zeitlich variabel ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß die Breite oder Lage der Phasenblendenvorrichtung (8) senkrecht zur Selektionsrichtung variabel ist.