DE3539667A1 - Optisches spektrometer, insbesondere infrarot-spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer, insbeson­ dere Infrarot-Spektrometer, bei dem ein Lichtstrahl in einer ersten Betriebsart auf eine Meßprobe und von dort auf einen Detektor und in einer zweiten Betriebsart auf eine Referenz­ probe und von dort auf den Detektor geführt wird.

Es ist bekannt, beispielsweise in der Fourier-Transform- Infrarot-Spektrometrie, abwechselnd eine Meßprobe und eine Referenzprobe zu untersuchen, um anhand der so normierten Werte die spezifischen Unterschiede der Meßprobe gegenüber der Referenzprobe zu ermitteln.

Beim Umschalten des Lichtstrahles von der einen Probe auf die andere tritt jedoch bei bekannten Spektrometern eine erhebliche Helligkeitsvariation am Ort des Detektors auf. Die bei derartigen optischen Spektrometern üblicherweise verwendeten Detektoren sind jedoch sehr empfindlich, um hochgenaue Messungen zu ermöglichen, was andererseits zu längeren Erholzeiten führt, die benötigt werden, um von einem Beleuchtungszustand auf einen anderen Beleuchtungs­ zustand überzugehen.

Bei üblichen Lichtstärken und Detektoren, wie sie in der Infrarot-Spektrometrie verwendet werden, kann die Erholzeit zwischen einem Zustand "volles Licht" und einem Zustand "kein Licht" bzw. umgekehrt eine oder mehrere Sekunden dauern, so daß die Gesamt-Meßzeit durch diese "Erholzeiten" verdoppelt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein opti­ sches Spektrometer der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß der Detektor auch beim Umschalten zwi­ schen einer Meßprobe und einer Referenzprobe keinen starken Helligkeitsschwankungen ausgesetzt wird, so daß in kurzer zeitlicher Folge vergleichende Messungen der genannten Art möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Wege des Lichtstrahles ein Spiegel mit mindestens zwei zueinander geneigten Spiegelflächen angeordnet ist, daß die Spiegelflächen an mindestens einem Punkt aneinandergrenzen, daß Mittel zur Relativbewegung von Lichtstrahl und Spiegel vorgesehen sind, derart, daß bei der Relativbewegung der Lichtstrahl von einer ersten Spiegelfläche über den Punkt auf eine zweite, daran angrenzende Spiegelfläche wandert und daß die Spiegelflächen derart angeordnet sind, daß der Lichtstrahl bei Auftreffen auf die erste Spiegelfläche auf die Meßprobe und bei Auftreffen auf die zweite Spiegelfläche auf die Referenzprobe geführt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird damit voll­ kommen gelöst.

Durch die Erfindung wird nämlich ein weiches Überblenden von der Meßprobe auf die Referenzprobe oder umgekehrt durch einfache Relativbewegung von Spiegel und Lichtstrahl er­ reicht, wobei auf diesem rein geometrisch/optischen Wege der Anteil des Lichtstrahles, der über die eine Probe auf den Detektor gelangt, in dem Maße abnimmt, wie er auf dem ande­ ren Pfad, auf dem er über die andere Probe auf den Detektor gelangt, zunimmt. Abgesehen von den unterschiedlichen Trans­ missions- oder Reflexionseigenschaften der beiden Proben bleibt somit die resultierende Lichtintensität am Orte des Detektors gleich. Vorteilhaft ist auch, daß nur eines der Teile bewegt werden muß, beispielsweise nur der Spiegel, um ein weiches Überblenden zu ermöglichen.

Da man jedoch, ggf. mit Hilfe sog. Graukeile oder derglei­ chen, in an sich bekannter Weise die Transmissions- oder Reflexionseigenschaften der Referenzprobe ähnlich denjenigen der Meßprobe einstellen kann, sind die so resultierenden Helligkeitsunterschiede beim Umschalten von der einen auf die andere Betriebsart sehr gering, so daß in der gewünsch­ ten Weise zeitlich schnell aufeinanderfolgende Messungen möglich sind.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung grenzen die Spiegelflächen entlang einer Kante aneinander.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß bei der Führung des Lichtstrahles und der Relativbewegung von Spiegel und Licht­ strahl keine übergroßen Anforderungen gestellt werden müs­ sen, weil der Übergangsbereich zwischen den beiden Spiegel­ flächen relativ groß ausgebildet ist.

Bei einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispieles ist der Spiegel entlang einer Achse senkrecht zur Kante verschieb­ bar.

Diese Maßnahme hat zunächst den Vorteil, daß durch die Bewegung des Spiegels bei ortsfestem Lichtstrahl nur ein kleiner Teil des Spektrometers beweglich gestaltet werden muß, so daß die Verwendung hochpräziser Führungen und Vor­ schübe möglich ist. Außerdem hat die lineare Verschiebung des Spiegels entlang einer Achse senkrecht zur Kante gegen­ über einer an sich auch möglichen Drehung des Spiegels um eine zur Kante parallele Achse den Vorteil, daß sich die Richtung der von den einzelnen Spiegelflächen reflektierten bzw. teilreflektierten Strahlen bei Verschiebung des Spie­ gels nicht ändert und somit die übrigen, ggf. erforderlichen Umlenkspiegel o.dgl. raumfest angeordnet sein können. Außer­ dem ist eine Konstanz des Ablenkwinkels während der Ver­ schiebung garantiert, während bei Drehbewegungen eine Refe­ renzmarke und ein Anschlag benötigt werden, bei denen Deju­ stierungen möglich sind. Die Konstanz des Ablenkwinkels ist vor allem für einen Abgleich der beiden Meßkanäle eines Zweistrahl-Spektrometers wichtig.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung grenzen die Spiegelflächen nur in einem Punkt aneinander und der Spiegel ist entlang einer Achse verschiebbar, die in den Ebenen der Spiegelflächen liegt und damit auch durch den Punkt geht.

Diese Maßnahme kann bei Anwendungsfällen vorteilhaft sein, bei denen eine Bewegung des Spiegels in einer bestimmten Raumrichtung aus Platzgründen bevorzugt ist. Vorteilhaft ist ferner, daß der Ablenkwinkel justierbar ist und daß keine Translation des Meßfokus bei der Umschaltung eintritt.

Schließlich können die beiden genannten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß bevorzugt dadurch weitergebildet werden, daß der Spiegel beidseitig mit je einem Paar Spiegelflächen versehen ist und daß der Lichtstrahl in der ersten Betriebs­ art von einer Spiegelfläche des einen Paares Spiegelflächen über einen ersten Umlenkspiegel, die Meßprobe, einen zweiten Umlenkspiegel und eine Spiegelfläche des anderen Paares Spiegelflächen auf den Detektor geführt wird, während in der anderen Betriebsart der Lichtstrahl von der anderen Spiegel­ fläche des einen Paares Spiegelflächen über einen dritten Umlenkspiegel, die Referenzprobe, einen vierten Umlenkspie­ gel und die andere Spiegelfläche des anderen Paares Spiegel­ flächen auf den Detektor geführt wird.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß sämtliche optischen Elemente ebenso wie die beiden Proben und der Detektor auf sehr engem Raum angeordnet sein können, so daß kompakte Spektrometer mit mehrfach umgelenkter Strahlführung aufge­ baut werden können.

Schließlich können, wie dies bereits erwähnt wurde, Graukei­ le vorgesehen sein, um den durch die Meßprobe geführten Stahl bzw. Teilstrahl in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften der Meßprobe zu schwächen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich allein verwendet werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1c ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektrometers in der ersten Betriebsweise, einer Zwischenstellung sowie der zweiten Betriebsweise;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Signalintensität, aufgetragen über dem Verschiebeweg eines Spiegels;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spiegels, wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwen­ det werden kann.

In den Fig. 1a bis 1c bezeichnet 10 einen Eingangs-Licht­ strahl, der parallel und symmetrisch zu einer Achse 11 in ein erfindungsgemäßes optisches Spektrometer, insbesondere ein Infrarot-Spektrometer, einfällt. Der Eingangs-Licht­ strahl 10 fällt auf einen im ebenen Schnitt rhombisch ausge­ bildeten Spiegel 12, der eine erste Spiegelfläche 13, eine zweite Spiegelfläche 14, eine dritte Spiegelfläche 15 sowie eine vierte Spiegelfläche 16 aufweist. Die Spiegelflächen 13 bis 16 sind so angeordnet, daß jeweils ein Paar 13/16 bzw. 14/15 über eine Kante 17 bzw. 18 ineinander übergehen. Außerdem sind die Paare 13/16 bzw. 14/15 der Spiegelfläche klappsymmetrisch zur Achse 11 sowie einer dazu senkrechten Achse 23 angeordnet.

Der Spiegel 12 ist auf einem Umfang von einem ersten Umlenk­ spiegel 19, einem zweiten Umlenkspiegel 20, einem dritten Umlenkspiegel 21 sowie einem vierten Umlenkspiegel 22 umge­ ben. Die Umlenkspiegel 19 bis 22 sind ebenfalls symmetrisch zu den Achsen 11 und 23 angeordnet.

In Fig. 1a ist der Spiegel 12, wie mit einem Pfeil 24 ange­ deutet, etwas nach unten aus der punktsymmetrischen Lage, d.h. aus dem Schnittpunkt der Achsen 11, 23, herausbewegt.

Diese Position des Spiegels 12 hat zur Folge, daß der Ein­ gangs-Lichtstrahl 10 auf eine Spiegelfläche 13 fällt, von dort in einen Lichtstrahl 26 reflektiert wird, der auf den ersten Umlenkspiegel 19 fällt und von dort als Lichtstrahl 27 in Transmission durch eine Meßprobe 28 geführt wird und nach Durchlaufen der Meßprobe 28 auf den zweiten Umlenkspie­ gel 20 fällt. Von dort wird er als Lichtstrahl 29 reflek­ tiert, gelangt auf die zweite Spiegelfläche 14 und wird von dort als Lichtstrahl 30 auf einen Detektor 31 reflektiert, der sich im Bereich der Achse 11 befindet.

Fig. 1b zeigt demgegenüber eine Position des Spiegels 12, in der sich dieser in exakt punktsymmetrischer Lage zu den Achsen 11, 23 befindet.

Da der Eingangs-Lichtstrahl 10 - wie bereits erwähnt - symmetrisch zur Achse 11 einfällt, wird er, da er nunmehr auch auf beiden Seiten der Kante 17 auf den Spiegel 12 auftrifft, gespalten, wobei Teilstrahlen 26 a, 27 a, 29 a den zuvor beschriebenen Weg über den ersten Umlenkspiegel 19 durch die Meßprobe 28, über den zweiten Umlenkspiegel 20 und zurück auf die zweite Spiegelfläche 14 zum Detektor 31 gehen.

Entsprechende, hinsichtlich der Achse 11 zu den vorerwähnten Lichtstrahlen 26 a, 27 a, 29 a klappsymmetrisch verlaufende Licht-Teilstrahlen 34 a, 35 a, 36 a nehmen in entsprechender Weise ihren Weg über die vierte Spiegelfläche 16, den vier­ ten Umlenkspiegel 22, durch eine Referenzprobe 32 hindurch, über den dritten Umlenkspiegel 21 und die dritte Spiegelflä­ che 15 hin zum Detektor 31.

Man erkennt aus Fig. 1b deutlich, daß in der eingezeichneten Mittenstellung des Spiegels 12 sich ein Ausgangs-Licht­ strahl 30′ zu gleichen Teilen aus Teilstrahlen 29 a, 36 a zusammensetzt, die die Meßprobe 28 bzw. die Referenzprobe 32 durchlaufen haben.

Schließlich zeigt Fig. 1c noch die zweite Betriebsart des erfindungsgemäßen Spektrometers, bei der der Spiegel 12 in Richtung eines Pfeiles 37 nach oben gegenüber der Achse 11 verschoben wurde. Damit nimmt kein Teil des Eingangs-Licht­ strahles 10 mehr seinen Weg über die Meßprobe 28, sondern ausschließlich über die Referenzprobe 32 und die zuvor zu Fig. 1b erläuterten Teilstrahlen 34 a, 35 a, 36 a sind nun als Strahlen 34, 35, 36 dem Eingangs-Lichtstrahl 10 bzw. einem Ausgangs-Lichtstrahl 30′′ entsprechend, wenn man einmal die Veränderung durch die Referenzprobe 32 außer Betracht läßt.

In den Fig. 1b und 1c ist noch mit 38 ein Graukeil angedeu­ tet, der über eine Wirkverbindung 39 mit dem Spiegel 12 verbunden ist.

Dieser Graukeil wirkt zusätzlich ausgleichend, wenn die Referenzprobe 32 wesentlich weniger Licht absorbiert als die Meßprobe 28. Durch die in den Fig. 1b und 1c veranschaulich­ te Mitnahme des Graukeiles 38 durch den Spiegel 12 wird dann nämlich erreicht, daß in dem Ausmaße, wie ein immer größerer Anteil des Eingangs-Lichtstrahles 10 seinen Weg über die weniger absorbierende Referenzprobe 32 nimmt, der Graukeil 38 in den Lichtstrahl 35 eingefahren wird, so daß die Inten­ sität des Ausgangs-Lichtstrahles von 30 in Fig. 1a über 30′ in Fig. 1b zu 30′′ in Fig. 1c insgesamt in definierter Weise nahezu konstant bleibt.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Signalintensität S am Detek­ tor 31 über einem in den Fig. 1a bis 1c am rechten Rand aufgetragenen Verschiebeweg y aufgetragen.

Wenn der Verschiebeweg weniger als y ₁ beträgt und sich gemäß Fig. 1a die Kante 17 noch außerhalb des Eingangs- Lichtstrahles 10 befindet, ist die Signalintensität S kon­ stant und beträgt S _p , d.h. sie entspricht genau dem Meß­ wert der Meßprobe 28.

Vom Verschiebeweg y ₁ bis y ₂ durchläuft nun die Kante 17 in der in Fig. 1b gezeigten Weise quer den Eingangs-Licht­ strahl 10, so daß bei nunmehr angenommener größerer Absorp­ tion durch die Referenzprobe 32 die Signalintensität S kontinuierlich vom Wert S _p auf einen Wert S _r abnimmt, den Wert, der dem Signal der Referenzprobe 32 entspricht.

Aus Fig. 2 wird deutlich, daß ein sehr weicher Ubergang zwischen S _p und S _r vorliegt, ohne daß wie beim Stand der Technik die Signalintensität S zwischen y ₁ und y ₂ auf Null abfällt. Der jeweils verwendete Detektor 31 muß daher beim Beispiel gemäß Fig. 2 lediglich die Signaldifferenz zwischen S _p und S _r verkraften, was bei einem relativ geringen Unterschied, gemessen am Absolutwert des Signales S, problemlos möglich ist und schnell aufeinanderfolgende Messungen gestattet.

Schließlich zeigt Fig. 3 noch ein weiteres Ausführungsbei­ spiel eines Spiegels 40, wie man ihn im Rahmen der vorlie­ genden Erfindung verwenden kann.

Der Spiegel 40 weist in Richtung einer Hochachse 41 unter­ einander einen ersten Spiegelabschnitt 42 mit einer ersten Spiegelfläche 43 sowie einen zweiten Spiegelabschnitt 44 mit einer zweiten Spiegelfläche 45 auf. Die Spiegelflächen 43 und 45 sind gegeneinander um einen Winkel 46 angestellt, so daß sie sich lediglich in einem Punkt 47 berühren, durch den die Achse 41 läuft.

Man kann nun, ähnlich wie dies vorstehend zu den Fig. 1a bis 1c im einzelnen erläutert wurde, einen Eingangs-Lichtstrahl zunächst beispielsweise auf die erste Spiegelfläche 43 lenken, so daß durch deren Anstellung zur Richtung des Eingangs-Lichtstrahles ein erster optischer Weg, beispiels­ weise für die Meßprobe, definiert wird, woraufhin dann durch Verfahren des Spiegels 40 in der Höhe der Eingangs-Licht­ strahl sukzessive über den Punkt 47 auf die zweite Spiegel­ fläche 45 wandert und von dort seinen Weg über die Referenz­ probe nimmt.

Da der Eingangs-Lichtstrahl in diesem Falle zweckmäßigerwei­ se senkrecht auf die Achse 47 gerichtet ist, ergibt sich auf diese Weise ein vollkommener und ebenfalls weicher Übergang von dem einen optischen Weg auf den anderen.

Es versteht sich, daß zahlreiche Modifikationen und Abwand­ lungen im Rahmen der vorstehend beschriebenen Ausführungs­ beispiele möglich sind. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf ein Infrarot-Spektrometer beschränkt, sondern kann auch bei anderen optischen Spektrometern Verwendung finden. Außerdem wurde in den Ausführungsbeispielen lediglich zum Zwecke der Anschaulichkeit eine Anordnung mit einer Trans­ mission der Proben erläutert, es ist jedoch selbstverständ­ lich auch möglich, Proben in Reflexionsanordnung oder in Mischformen hiervon zu messen, ohne von der Erfindung abzu­ weichen.

Claims (7)

1. Optisches Spektrometer, insbesondere Infrarot-Spektro­ meter, bei dem ein Lichtstrahl (10) in einer ersten Betriebsart auf eine Meßprobe (25) und von dort auf einen Detektor (31) und in einer zweiten Betriebsart auf eine Referenzprobe (32) und von dort auf den Detektor (31) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Wege des Lichtstrahles (10) ein Spiegel (12; 40) mit mindestens zwei zueinander geneigten Spiegel­ flächen (13, 14, 15, 16; 43, 45) angeordnet ist, daß die Spiegelflächen (13, 14, 15, 16; 43, 45) an minde­ stens einem Punkt (47) aneinandergrenzen, daß Mittel zur Relativbewegung von Lichtstrahl (10) und Spiegel (12; 40) vorgesehen sind, derart, daß bei der Relativ­ bewegung der Lichtstrahl (10) von einer ersten Spie­ gelfläche (13; 43) über den Punkt (47) auf eine zwei­ te, daran angrenzende Spiegelfläche (14; 45) wandert und daß die Spiegelflächen (13, 14, 15, 16; 43, 45) derart angeordnet sind, daß der Lichtstrahl (10) bei Auftreffen auf die erste Spiegelfläche (13; 43) auf die Meßprobe (28) und bei Auftreffen auf die zweite Spiegelfläche (14; 45) auf die Referenzprobe (32) geführt wird.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen (13/16, 14/15) entlang einer Kante (17, 18) aneinandergrenzen.

3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (12) entlang einer Achse (23) senkrecht zur Kante (17, 18) verschiebbar ist.

4. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen (43, 45) nur in einem Punkt (47) aneinandergrenzen und daß der Spiegel (40) ent­ lang einer Achse (41) verschiebbar ist, die in der Ebene der Spiegelflächen (43, 45) liegt.

5. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (12) beidseitig mit je einem Paar Spiegelflächen (13/16, 14/15) versehen ist und daß der Lichtstrahl (10) in der ersten Betriebsart von einer Spiegelfläche (13) des einen Paares Spiegel­ flächen (13/16) über einen ersten Umlenkspiegel (19), die Meßprobe (28), einen zweiten Umlenkspiegel (20) und eine Spiegelfläche (14) des anderen Paares Spie­ gelflächen (14/15) auf den Detektor (31) geführt wird, während in der anderen Betriebsart der Lichtstrahl (10) von der anderen Spiegelfläche (16) des einen Paares Spiegelflächen (13/16) über einen dritten Umlenkspiegel (22), die Referenzprobe (32), einen vierten Umlenkspiegel (21) und die andere Spiegelflä­ che (15) des anderen Paares Spiegelflächen (14/15) auf den Detektor (31) geführt wird.

6. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einen über die Referenzprobe (32) oder die Meßprobe (28) geführten Lichtstrahl (35, 35 a; 27, 27 a) ein Graukeil (38) bringbar ist.

7. Spektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß der Graukeil (38) synchron mit dem Spiegel (12) bewegbar ist.