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Die Erfindung betrifft ein Spektralfotometer mit
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Lichtquelle, Probenraum, dispersivem Element und Auswerteeinrichtung.
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Derartige Spektralfotometer sind allgemein bekannt.
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Sie weisen jedoch durchweg Beschränkungsn hinsichtlich ihrer Leistungefähigkeit
auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Spektralfotometer zu schaffen, welches
die Nachteile der bekannten Fotometer vermeidet und insbesondere ein hohes Auflösungsvermögen
hat und eine schnelle Messung der Spektralverteilung ermöglicht.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mehrere
Analysestufen mit einem dispersiven Element und mit einer Detektoreinrichtung vorgesehen
sind. Die verschiedenen Analysenstufen sind verschiedenen Spektralbereichen zugeordnet.
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Mit dieser Erfindung wird zunächst der Vorteil erzielt, daß eine besonders
schnelle Messung möglich ist, weil die verschiedenen Analysestufen gleichzeitig,
paraLlel zueinander arbeiten können.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß eine hohe Auflösung
erzielbar ist. Die Detektoreinrichtungen, welche stationär angeordnet sein können,
müssen nicht jeweils das gesamte Spektrum erfassen sondern lediglich einen Bruchteil
des gesamten Spektrums.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Probenkammer
und den Analysestufen eine das ankommende Licht in Spektralbereiche aufteilende
Einrichtung vorgesehen. Diese Weiterbildung der Erfindung weist den großen Vorteil
auf, daß nur ein einziger Strahlengang durch die Probe notwendig ist, weil die Zerlegung
des Lichtes in die verschiedenen Spektralbereiche erst hinter der Probenkammer durchgeführt
wird.
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Aufgrund dieser Anordnung ist es auch möglich, Referenzlì<ht und
Meßlicht gleichzeitig zu verarbeiten. Wegen der schnellen AbfragemögI.ichk('jt der
stationären Detektoranordnung ist eine hohe Zeitauflösung möglich. Wegen dieser
hohen Zeitauflösung kann sowohl bei intermittierender als auch bei ständiger Messung
die Zuordnung zwischen Referenzlicht und Meßlicht gewahrt bleiben.
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Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Aufteilung
des von der Probenkammer kommenden Lichtes von Bereichen kurzwelligen Lichtes zu
Bereichen langwelligen Lichtes hin getroffen. Durch diese Maßnahme wird der sonst
stets auftretende Streueffekt weitestgehend unterdrückt. Die Streuungsintensität
ist bei kürzeren Wellenlängen viel größer als bei größeren Wellenlänge. Da dieses
kurzwellige Licht bereits der ersten Analysenstuie zugeführt und damit gleichzeitig
von den anderen Analysestufen ferngehalten wird, kann es bei den nächsten Analysestufen
keine Störung mehr verursachen.
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Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein weiteres neues Spektralfotometer
zu schaffen.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß ein dispersives Element um feste
Winkelbeträge verschwenkbar angeordnet ist und in dem Austrittsstreifen dieses dispersiven
Elementes eine Fotodetektoranordnung, zum Beispiel eine Fotodetektormatrix feststehend
angeordnet ist.
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Aufgrund der stationären Anordnung der Fotodetektormatrix ist eine
schnelle, und, falls es erwünscht ist, auch eine gleichzeitige Abfrage aller Detektoren
möglich, während das dispersive Element sich in einer seiner verschiedenen Stellungen
befindet.
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Danach wird das dispersive Element schnell um einen bestimmten Winkebeltrag
in eine andere Stellung verdreht, woraufhin mit der Detektoranordnung in beliebig
kurzer Zeit die spektrale Lichtverteilung in diesem Unterbereich gemessen wird,
und so weiter.
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Dieses neue Spektralfotometer vereinigt in sich die Vorteile sowohl
des Monochromators als auch die Vorteile des Polychromators.
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Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur spektralen
Fotometrie zu schaffen. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
das von der Probe kommende Licht zunächst in verschiedene Spektralbereiche unterteilt
und das Licht der verschiedenen Spektralbereiche gleichzeitig jeweils verschiedenen
Analysestufen zugeführt und dort gemessen wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die spektrale Lichtverteilung
der verschiedenen Spektralbereiche durch Abtasten stationärer Fotodetektoren vorgenommen.
Diese können einzeln oder in Gruppen oder auch alle gleichzeitig abgefragt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Ansprüchen
in Verbindung mit der Beschreibung und der Zeichnung hervor.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. In letzterer zeigen: Fig. 1 Die
erfindungsgemäße Anordnung mehrerer Spektrographen, welche gleichzeitig Licht jeweils
verschiedener Spektralbereiche empfangen, und eine nachgeschaltete Auswerteeinrichtung,
Fig. 2a eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung für ein dispersives Element, mit
einem schwenkbaren Steuerarm und Endlosband, Fig. 2b eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung
mit einem Antrieb mit Endlosband über eine Rolle, und Fig. 2c eine erfindungsgemäße
Antriebseinrichtung mit einem direkten Antrieb der Halterung des dispersiven Elements.
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In Fig. 1 sieht man zwei Lichtquellen Ol und Q2, wodurch angedeutet
sein soll, daß zwei oder beliebig viele Lichtquellen vor der Probenkammer angeordnet
sein können. Diese Lichtquellen können z.B. durch elektrische Schaltungen oder durch
Abblendmechanismen nacheinander oder in gewünschten Gruppierungen oder Gruppierungsreihenfolgen
zuschaltbar sein.
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Von der Lichtquelle Q austretendes Licht wird durch eine Linse 10
gebündelt und fällt auf die Probenkammer 12. Von dieser austretendes Licht wird
nochmals durch eine Linse 14 gebündelt und fällt dann auf einen ersten halbdurchlässigen
Spiegel 20. Parallel zu diesem halbdurchlässigen Spiegel 20 sind ein weiterer halbdurchlässiger
Spiegel 22 und ein undurchlässiger Spiegel 24 angeordnet. Der halbdurchlässige Spiegel
20 läßt ultraviolettes Licht im Wellenlängenbereich von 200 bis 500 nm hindurch,
während er längerwelliges Licht um 900 nach rechts reflektiert. Der in dieser Reflexionsrichtung
angeordnete halbdurchlässige Spiegel 22 empfängt dieses Licht, welches im Wellenlängenbereich
von 500 bis 3000 nm liegt, reflektiert Licht im Wellenlängenbereich von 500 bis
1000 nm und läßt längerwelliges Licht hindurch. Schlief3lich reflektiert der dritte
Spiegel 24 alles auf ihn auftreffende Sicht, nämlich das Licht im Wellenlängenbereich
von 1000 bis 3000 nm.
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Das von dem ersten halbdurchlässigen Spiegel 20 hindurchgelassene
Licht fällt auf eine erste Analyse-
stufe 30, welche ein dispersives
Element 31 und eine Fotometeranordnung 32 umfaßt. Das Licht des zweiten Spektralbereichs
im Wellenlängenbereich von 500 bis 1000 nm wird von dem zweiten halbdurchlässigen
Spiegel 22 einer zweiten Analysestufe 33 zugeführt, welche ebenfalls ein dispersives
Element 34 und eine Fotometereinrichtung 35 umfaßt. Das Licht des langwelligen Spektralbereichs
von 1000 bis 3000 nm schließlich wird durch den dritten Spiegel 24 zu einer dritten
Analysestufe 36 geleitet, welche ebenfalls ein dispersives Element 37 und ein Fotometer
38 aufweist.
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Als dispersives Element können Prismen, Gitter oder andere Elemente
verwendet werden, welche dispersive Eigenschaften haben.
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Die dispersiven Element 31 und 34 der Analysestufen 30 bzw. 33 sind
feststehend angeordnet; sie sind als Polychromatoren verwendet, welche eine Austrittsebene
aufweisen. Die nachgeschalteten Fotometer 32 und 35 sind Fotodetektormatrizen welche
eine Vielzahl von Detektoren umfassen. Diese Fotodetektoren können in einer Reihe,
welche senkrecht zur Scheitelkante des Prismas bzw. senkrecht zu den Gitterlinien
verläuft, also in X-Richtung angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich bei dieser
Fotodetektormatrix eine Vielzahl von Fotodetektoren so anzuordnen, daß jeweils eine
Reihe von Fotodetektoren senkrecht zur X-Achse übereinander angeordnet sind. Diese
Fotodetektoren empfangen je nach dem geometrischen Ort, an welchem sie angeordnet
sind,
Licht verschiedener Wellenlängen.
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Mit diesen Fotodetektormatrizen, welche jeweils z.B. 250, 500 oder
1000 Detektoren nebeneinander umfassen können, ist eine simultane Erfassung des
Spektrums des jeweiligen Spektralbereiches möglich.
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Daraus folgt bereits der eine erhebliche Vorteil des erfindungsgemäßen
Spektrometers, daß es besonders schnell arbeitet. Dadurch ist auch die Untersuchung
sehr schnell durchführbar, auch bei Verwendung der Probenkammer in einer -oder als
Fluorometeranordnung.
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Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, sind die Ausgänge der Fotodetektormatrizen
32, 35 und 38 über Leitungen 40 und 42 mit einem Rechner 50 verbunden, welcher zusammen
mit einem Monitor 52 eine Auswerteeinrichtung bildet.
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Aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben
sich augenfällig mehrere Vorteile der Erfindung: Ein wesentlicher Vorteil ist die
große Erhöhung des Auflösungsvermögens. Dieses Auflösungsvermögen wird dadurch erhöht,
daß zwei, drei oder noch mehr parallel angeordnete Analysenstufen 30, 33, 36 vorgesehen
sind. Jedem Spektralbereich ist eine solche Analysenstufe 30, 33 oder 36 zugeordnet.
Das bedeutet wiederum, daß die Auflösung in z.B. 500 Kanäle in jeder Analysenstufe
jetzt nicht auf das gesamte Spektrum verteilt ist, sondern auf jeden Teilbereich.
So
erhält man bei Verwendung dreier Spektralbereiche mit jeweils
einer nachgeschalteten Analysestufe 30, 33 bzw. 36 in erster Näherung die dreifache
Auflösung. Das gilt unabhängig davon, ob Fotodetektoren in X-Richtung nebeneinander
verwendet werden oder ob eine Fotodetektormatrix verwendet wird, bei welcher Gruppen
von vertikal übereinander angeordneten Fotodetektoren in X-Richtung nebeneinander
angeordnet sind.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß zunächst das ultraviolette
Licht aus dem gesamten Spektrum herausgenommen und einer Analysestufe 30 zugeführt
wird. Auf diese Weise wird die Streuung des Spektrometers minimiert, da der Streueffekt
immer aus Wellenlängen niedriger Ordnungen resultiert.
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Besondere Probleme traten immer auf, wenn ein Referenzstrahl und ein
Sample- oder Meßstrahl verarbeitet werden sollten. Sie mußten immer getrennt geführt
und zeitlich getrennt verarbeitet werden.
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Das ist bei der vorliegenden Anordnung nicht der Fall. Im ganz groben
Modell kann z.B. der Wejienlängenbereich der mittleren Stufe ausschließlich auf
den Wellenlängenbereich der Referenzstrahlung begrenzt oder zugeschnitten sein.
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Die vorliegende Erfindung bietet aber auch den Vorteil, daß die Zeitauflösung
getrennt gegeben ist.
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Wenn z.B. von den Lichtquellen Q1 und Q2 abwechselnd im gleichen Wellenlängenbereich
Referenzlicht und
Probenlicht ausgesendet werden, so bleibt diese
Wechselfrequenz in der gesamten Anordnung erhalten.
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Es ist also auch möglich, ohne jeglichc Änderung eines Strahlenganges
oder irgendeiner Stufe oder eines Bauteils die Zuordnung zwischen Referenzlicht
und Meß- oder Probenlicht zu treffen, da wegen der zeitlichen Auflösung der entweder
intermittierend.
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durchgeführten oder der ständig durchgeführten Messung die Zuordnung
zwischen Referenzstrahl und Meßstrahl gegeben ist.
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Diese Zuordnung ist ständig möglich, da die Messung besonders schnell
durchgeführt werden kann, weil nicht ein Fotodetektor langsam verfahren werden muß,
sondern die stationär angeordneten Fotodetektoren sehr schnell abgefragt werden
können. Diese Abfrage kann entwedcer eine konsekutive Abfrage der einzelnen Detektoren
einer Analysestufe sein, wobei gleichzeitig die Detektoren der anderen Analysestufen
abgefragt werden. Die Abfrage kann aber auch erfolgen, indem jeweils 3, 10 oder
50 Detektoren gleichzeitig und solche Gruppen nacheinander abgefragt werden.
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Die Aufteilung durch die halbdurchlässigen Spiegel oder Filter in
Spektralbereiche erfolgt keineswegs in gleichmäßige Zahlenintervallen der Frequenzen
sondern nach verschiedenen Kriterien. Ein Kriterium kann z.B. sein, daß einzelne
enge Spektralbereiche von besonderer Bedeutung sind und besonders hoch aufgelöst
werden sollen. In diesem Falle sind für diese engen Spektralbereiche besondere Analysenstufen
vorgesehen.
Ein anderer Gesichtspunkt kann der sein, daß zum Infraroten hin der Wellenlängenbereich
ungleich größer ist als der Bereich des sichtbaren Lichtes. Es kann deshalb, je
nach Aufgabenstellung, zweckmäßig sein, mehr Analysenstufen im infraroten Bereich
als in den anderen Bereichen vorzusehen.
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Bei der üblichen Aufteilung der Spektralbereiche ist der Spektralbereich
des infraroten Lichtes ungleich weiter gefaßt als die anderen Spektralbereiche.
Damit ergibt sich automatisch das Problem, diesen großen Bereich für kurze Zeit,
möglichst in gleich kurzer Zeit wie die anderen Bereiche zu messen. In diesem breiten
Spektralbereich empfängt praktisch jede Fotodetektordiode eine andere Wellenlängeninformation.
Um auch in diesem Falle eine gute Auflösung zu erreichen, müßte jede Diode einzeln
abgefragt werden. Damit entfällt der oben beschriebene Vorteil der simultanen Erfassung
der Meßwerte mehrerer Fotodioden, mit anderen Worten, die gleichschnelle Durchmessung
des infraroten Bereiches mit Polychromatoren ist gar nicht möglich.
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Eine schnelle Durchmessung des weiten Infrarotbereiches ist aber auch
nicht mit Monochromatoren möglich, bei denen das dispersive Element, z.B. das Gitter,
langsam gedreht wird, während der Detektor in der Regel stationär angeordnet ist
und lediglich frequenzabhängig geringfügig bewegt wird.
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Diese Durchmessung ist deshalb sehr langsam, weil zur Verdrehung des
Gitters ein Spindelantrieb mit
einem Sinusschwenkarm verwendet
wird. Entsprechend der Sinuskurve ist die Zuordnung zwischen der Wellenlänge und
dem Drehwinkel nur mit unterschiedlicher Genauigkeit möglich. Z.B. ist die Endung
des Sinusvon 0 ausgehend größer als im Bereich des ersten Maximums der Sinuskurve.
Deshalb ist die Zuordnung zur Wellenlänge von 0 ausgehend, sozusagen im steilen
Teil der Sinuskurve, genauer als im übrigen Bereich.
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Ein anderer wesentlicher Nachteil der üblichen Monochromatoren resultiert
aus der Verwendung einer Spindel, welche zwangsläufig nur einen langsamen Antrieb
ermöglicht. Zum Verfahren des dispersiven Elementes muß nicht nur die Länge der
Spindel, sondern deren Umfang multipliziert mit der Anzahl der durchfahrenen Windungen
zurückgelegt werden.
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Durch Erhöhung der Steigung des Spindelgewindes kann die Vorschubgeschwindigkeit
zwar erhöht werden.
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Je steiler jedoch das Spindelgewinde ausgebildet ist, umso schneller
ist zwar der Vorschub, aber umso 1ngcn.'Iucr ist gleichzeitig auch der Vortrieb
und damit die Zuordnung zwischen geometrischem Ort auf der Spindel und Wellenlänge.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist, insbesondere für den infraroten
Spektralbereich, ein völlig anderes Spektralfotometer 37 vorgesehen. Dieses Spektralfotometer
ist in Fig. 2a schematisch dargestellt. Ein Motor 60 mit Stellantrieb 68 treibt
ein Endlosband 62 an. An diesem ist gleitend ein Endbereich einer Steuerstange (70)
geführt, deren anderes
Ende drehfest mit der Achse eines Drehtisches
(74) verbunden ist, auf welchem das dispersive Element steht. Durch Antrieb oder
Verschiebung des Endlosbandes um bestimmte Längen wird der Drehtisch 74 und damit
auch das dispersive Element um bestimmte Winkelbeträge verdreht, Selbstverständlich
ist dieses Prinzip in gleicher Weise anwendbar, wenn kein Drehtisch vorgesehen ist
sondern z.B. das dispersive Element direkt in einer drehbaren Halterung befestigt
ist. In diesem Fall wird die SChwenbewegung des Steuerarms 70 auf die Halterung
des dispersiven Elementes übertragen. Ein solches Spektralfotometer ist völlig neu.
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Mit dieser Ausbildungsform des Antriebs kann die Steuerstange 70 mit
beliebig großer Genauigkeit in nahezu beliebig kurzer Zeit von einer Stellung in
die nächste vorbestimmte Stellung verschoben werden.
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Andererseits bildet diese dritte Analysestufe 36, auch wenn das dispersive
Element verschwenkbar angeordnet ist, keinen Monochromator sondern einen Polychromator.
Diesem dispersiven Element 37 ist wiederum eine Fotodetektormatrix zugeordnet, welche
z.B. 128, 256 oder z.B. 512 Kanäle umfassen kann.
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Die Fotodetektoren dieser IR-Fotodetektormatrix sind wiederum auf
dem gesamten Austrittsstreifen des Spektrometers 57 verteilt.
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In diesem Spektrographen 37 kann jetzt der Spektralbereich von 1000
bis 3000 nm, z.B. in vier Spektralbereiche zerlegt werden, wobei jeder Spektralbreich
einer
bestimmten Winkelstellung des dispersiven Elements entspricht. Die Verschwenkung
des dispersiven Elements erfolgt durch Betätigung des Motors, welcher schrittweise
die Steuer-stange 70 in kürzester Zeit aus einer Stellung in die nächste Stellung
verschwenkt. In jeder Stellung des dispersiven Elements wird mit Hilfe der Fotodetektormatrix
die Spektralverteilung gemessen. Dabei kann wiederum, wie oben im Zusammenhang mit
den kurzwelligeren Spektralbereichen beschrieben wurde, die Messung für jeweils
2, 10 oder z.B. 50 Fotodetektoren gleichzeitig vorgenommen werden. Deshalb kann
nach beliebig kurzer Zeit das dispersive.Element wieder in seine nächste Winkelstellung
verfahren werden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, statt einer Einzelabtastung
der Detektoren oder statt einer konsekutiven Abtastung von Gruppen von Detektoren
durch photographische Aufzeichnung jeweils simultan die Meßwerte sämtlicher Detektoren
zu erfassen.
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Der erfindungsgemäße Spektralapparat 36 für den infraroten Bereich
vereinigt somit in sich sowohl die Vorteile eines Monochromators als auch die Vorteile
eines Polychromators. Dabei werden durch Ersatz der sonst üblichen Antriebsmechanik
durch den völlig neuen erfindungsgemäßen Antrieb die Nachteile des Monochromators
vermieden.
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Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemaßen Schellantriebs
ist in Figur 2b dargestellt.
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Bei dieser Ausführungsform treiben Motor GO und Stellantrieb 68 wiederum
ein Endlosband an. Dieses Endlosband 62 läuft antreibend um eine Rolle 76, welche
drehfest mit dem Drehtisch 74 fiir das dispersive Element, nicht dargestellt, verbunden
ist.
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Eine wiederum andere Ausführungsform eines Schnellantriebs ist in
Figur 2c dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Achse des Motors direkt
mit der Achse 74 des Drehtisches 37 des dispersiven Elementes verbunden. Auf diese
Weise wird eine besonders genaue Steuerung des Drehtisches 37 ermöglicht