DE4122149A1 - Zubehoerteil und kristallelement fuer infrarotspektroskopie mit gedaempfter totalreflexion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Zubehörteil für die Infrarotspektroskopie mit gedämpfter Totalreflexion (ATR-IR-Spektroskopie), wie sie zur Durchführung einer Punktanalyse, einer Linienanalyse oder einer Flächenanalyse einer Probe mit Hilfe von Infrarotstrahlung eingesetzt wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein für die ATR-IR-Spektroskopie verwendetes Kristallelement.

Wenn ein Kristallelement mit einem höheren relativen Brechungsindex (das heißt einen Materialbrechungsindex, geteilt durch den Brechungsindex von Luft, im folgenden als Brechungsindex bezeichnet) in innigen Kontakt mit einer einen niedrigeren Brechungsindex aufweisenden, zu untersuchenden Probe gebracht wird, und wenn man an der Grenzschicht zwischen dem Kristallelement und der Probe unter einem den sogenannten kritischen Winkel überschreitenden Winkel Infrarotstrahlung eintreten läßt, so dringt die Strahlung bis zu einer gewissen Tiefe in die Probe ein und wird dann total reflektiert. Wenn daher die Probe Infrarotstrahlung absorbiert, so nimmt die Stärke oder Intensität des totalreflektierten Lichts ab, das heißt, das totalreflektierte Licht wird gedämpft, abhängig von der Intensität der Absorption. Ein für die Probe spezifisches ATR-IR-Spektrum erhält man, indem man das totalreflektierte Licht erfaßt. Ein Zubehörteil zum Messen der Absorption der totalreflektierten Infrarotstrahlung analysiert ein derartiges Spektrum, um Information über die chemische Zusammensetzung der Oberflächenschicht einer Probe mit einer Dicke von einigen µm zu erhalten. Diese Art von Zubehörteil ist weit verbreitet, um Oberflächenanalysen von Polymermaterialien mit relativ niedrigem Brechungsindex durchzuführen, beispielsweise Analysen von Gummi, Folien und Kunststoffen.

Fig. 23 zeigt ein typisches Beispiel des herkömmlichen Zubehörteils für ATR-IR-Messungen. Dieses Zubehörteil verwendet Mehrfach-Totalreflexionen und enthält einen Kondensorspiegel 1, der Infrarotstrahlung auf einer Eintrittsfläche 3 eines Kristallelements 2 zusammenführt, wo Totalreflexion stattfindet. Die Strahlung tritt in das Kristallelement 2 ein und wird innerhalb des Elements mehrmals total reflektiert. Eine zu untersuchende Probe 5 wird in innigen Kontakt mit der totalreflektierenden Fläche 4 des Kristallelements 2 gebracht. Während innerhalb des Kristallelements mehrere Totalreflexionen stattfinden, wird die Infrarotstrahlung mehrmals an der Grenzschicht zwischen der Probe 5 und der Kristallelement 2 totalreflektiert, wodurch die Empfindlichkeit des Zubehörteils bei der Oberflächenanalyse verbessert wird. Die aus einer Austrittsfläche 6 austretende Infrarotstrahlung wird über einen Objektivspiegel 7 auf einen (nicht dargestellten) Detektor gelenkt. Der Querschnitt des herkömmlichen Kristallelements kann verschiedene Formen annehmen, darunter ein Parallelogramm und ein Trapez, wie in Fig. 22(1)-(3) dargestellt ist.

In den vergangenen Jahren wurden erhebliche Anforderungen an die im Mikrometerbereich liegende Analyse von Proben gestellt. Beispielsweise wurde gefordert, eine Oberflächenanalyse in einem mikroskopischen Bereich durchzuführen, dessen Abmessungen in der Größenordnung von 10 µm der Proben-Oberfläche liegen.

Bei dem oben beschriebenen Zubehörteil für ATR-IR-Messungen mit Mehrfach-Totalreflexionen wird die Infrarotstrahlung auf die Eintrittsfläche 3 des Kristalls fokussiert. Deshalb ist es unvermeidlich, daß die Infrarotstrahlung in das innere des Kristalls gestreut wird. Weiterhin ist es schwierig, die Infrarotstrahlung wirksam auf die Probe zu fokussieren. Aus diesen sowie aus anderen Gründen besteht die Schwierigkeit, die Wirksamkeit der Verwendung der Lichtmenge in dem zu untersuchenden mikroskopischen Flächenbereich zu steigern. Deshalb kann das Zubehörteil nicht Flächen analysieren, die kleiner als Flächen mit Abmessungen in der Größenordnung von 100 µm sind. Selbst wenn unter Verwendung eines Schlitzes die lediglich aus einem Proben-Flächenabschnitt in der Größenordnung von 10 µm austretende Infrarotstrahlung ausgewählt wird, so lassen sich auch dann keine zufriedenstellenden ATR-IR-Spektren erhalten, und zwar aufgrund der unzureichenden Intensität der aus dem interessierenden Abschnitt der Proben-Oberfläche kommenden Infrarotstrahlung, wobei die Ursache für diese unzureichende Intensität der unzureichende Wirkungsgrad bei der Ausnutzung der Lichtmenge ist. Es ist also nicht möglich, einen solchen Oberflächenabschnitt zu analysieren.

Der oben angesprochene Bedarf an einer mikroskopischen Analyse kann eine Linienanalyse in der Größenordnung von 10 µm erforderlich machen. Das oben erläuterte Zubehörteil für die ATR-IR-Spektroskopie kann diesem Bedarf nicht gerecht werden, da es für die Analyse nur begrenzt einsetzbar ist, wie oben ausgeführt ist. Weiterhin ist das Zubehörteil naturgemäß ungeeignet für die oben angesprochenen Anforderungen bei der entlang einer Linie durchzuführenden Analyse, weil das Verfahren mit Mehrfach-Totalreflexion die Bildung von Durchschnittswerten beinhaltet, welche von mehreren Proben-Oberflächenabschnitten abgeleitet werden, an denen die Totalreflexionen der Infrarotstrahlung stattfinden.

Weiterhin besteht Bedarf an einer Flächenanalyse in der Größenordnung von 10 µm. Das herkömmliche Zubehörteil für ATR-IR-Messungen kann diesem Bedarf nicht gerecht werden, und zwar aus den gleichen Gründen, die oben für die Analyse entlang einer Linie angegeben sind.

Das mit Mehrfach-Totalreflexion bei der ATR-IR-Messung arbeitende herkömmliche Zubehörteil wird üblicherweise derart gehandhabt, daß der Brennpunkt des Objektivspiegels auf die Austrittsfläche des Metallelements eingestellt wird, um die maximale Menge an Infrarotstrahlung zu erhalten. Damit ist es nicht möglich, eine Punktanalyse, eine Linienanalyse und insbesondere eine Flächenanalyse eines spezifischen Probenabschnitts durchzuführen. Außerdem ist es nicht möglich, einen gewissen Meßpunkt über den Objektivspiegel visuell zu betrachten, weil der Brennpunkt nicht auf dem Meßpunkt liegt. Wenn deshalb die Funktion einer visuellen Beobachtung über den Objektivspiegel dem Stand der Technik hinzugefügt wird, so ist dies für die mikroskopische Analyse nutzlos.

Wenn bei dem herkömmlichen Kristallelement zum Erzeugen von Totalreflexionen die optische Achse der austretenden Strahlen von der optischen Achse der einfallenden Strahlen abweicht, wie in Fig. 22 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, so verhindert dies, den Kondensorspiegel 1 und den Objektivspiegel 7 auf derselben Achse anzuordnen, wie dies in Fig. 23 gezeigt ist. Deshalb kann der herkömmliche Kristall nicht bei dem herkömmlichen Infrarot-Mikroskop eingesetzt werden, da bei seiner Kondensor-Optik der Kondensorspiegel und der Objektivspiegel auf derselben Achse angeordnet sind.

Wenn diese mikroskopische Messung durch ATR-IR-Spektroskopie durchgeführt wird, so besteht die Schwierigkeit, einen interessierenden Punkt auf der Proben-Oberfläche visuell zu identifizieren. Der Grund dafür besteht darin, daß die Probe nicht genügend stark an dem Kristall haftet und das sichtbare Licht bei der Totalreflexion weniger tief in die Probe eindringt als die Infrarotstrahlung.

Um das oben aufgezeigte Problem zu lösen, benötigt man einen Index zum Lokalisieren des mikroskopischen Meßpunkts.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Zubehörteil zur Verwendung bei der ATR-IR-Spektroskopie geschaffen. Es enthält einen Kondensorspiegel, ein Kristallelement für Totalreflexion, einen Schlitz und einen Objektivspiegel, wobei die optische Weglänge des Zubehörteils derart eingestellt ist, daß der Brennpunkt der Infrarotstrahlung auf der totalreflektierenden Oberfläche des Kristallelements liegt.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Kristallelement mit einer Eintrittsfläche, auf die Infrarotlicht einfällt, mindestens drei reflektierenden Flächen, die eine totalreflektierende Fläche enthalten, und einer Austrittsfläche, aus der die Infrarotstrahlung austritt, geschaffen. Eine zu untersuchende Probe wird in Kontakt mit der totalreflektierenden Fläche gebracht, um ATR-IR-Messungen durchzuführen. Die reflektierenden Flächen sind derart orientiert, daß die optische Achse der einfallenden Strahlung übereinstimmt mit der optischen Achse der austretenden Strahlung.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Kristallelement mit mindestens einer totalreflektierenden Fläche geschaffen, mit der eine zu untersuchende Probe zur ATR-IR-Messung in Berührung gebracht wird, wobei in der totalreflektierenden Fläche eine Skala eingraviert ist, die tiefer reicht, als es der Oberflächenrauheit der totalreflektierenden Fläche entspricht.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1(a) und 1(b) Skizzen, die den Reflexionswinkel zur Festlegung der Form eines Kristallelements gemäß der Erfindung veranschaulichen,

Fig. 1(c) und 1(d) Seitenansicht von erfindungsgemäßen Kristallelementen,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Kristallelements sowie dazugehöriger Bauelemente, wobei der Betriebszustand des Elements dargestellt ist,

Fig. 3(a) eine Vertikal-Schnittansicht eines optischen Systems, welches ein erfindungsgemäßes Kristallelement umgibt,

Fig. 3(b) eine Seitenansicht des mit einem optischen System nach Fig. 3(a) ausgestatteten Zubehörteils,

Fig. 4(a), 4(b) und 4(c) Ansichten weiterer erfindungsgemäßer Kristallelemente,

Fig. 5(a) und 5(b) Ansichten eines Kristallelements in Form einer Säule mit einem rechtwinklig-dreieckigen Querschnitt, wobei der Betriebszustand des Kristallelements dargestellt ist,

Fig. 6 eine Skizze, die Abweichung des Brennpunkts darstellt, wenn ein Kristallelement in x-Richtung bewegt wird,

Fig. 7 ein ATR-IR-Absorptionsspektrum von in innigem Kontakt mit einem erfindungsgemäßen Kristallelement stehenden Polyvinylidenfluorid,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Kristallelements, mit dem ein Verbundmaterial in Berührung steht,

Fig. 9 eine grafische Darstellung des durch eine Linienanalyse eines Verbundmaterials erhaltenen Ergebnisses,

Fig. 10 ein Blockdiagramm einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 11 ein Diagramm, welches die von der Steuereinrichtung nach Fig. 10 durchgeführten Berechnungen veranschaulicht,

Fig. 12 ein Blockdiagramm einer weiteren Steuereinrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 13 eine Ansicht eines Kristallelements gemäß der Erfindung und zugehöriger Bauteile in dem Betriebszustand des Kristallelements,

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines Kristallelements, auf das rote Tinte aufgetragen ist, wobei das Kristallelement als zu untersuchende Probe eingesetzt ist,

Fig. 15 ein ATR-IR-Absorptionsspektrum von Feinpartikeln der roten Tinte gemäß Fig. 14,

Fig. 16(A) eine Ansicht der totalreflektierenden Fläche in dem Kristallelement gemäß Beispiel 1, wobei die Fläche mit einer Skala versehen ist,

Fig. 16(B) eine Schnittansicht entlang der Linie A-A′ in Fig. 16(A),

Fig. 17 eine Ansicht des Musters einer Skala, wie sie bei einer Punktanalyse dieser Ausführungsform verwendet wird,

Fig. 18 eine Ansicht des Musters einer Skala, wie sie bei einer Linienanalyse verwendet wird,

Fig. 19(B) eine Ansicht der totalreflektierenden Fläche, die auf dem Kristallelement gemäß Beispiel 2 ausgebildet ist, wobei die Fläche mit einer Skala versehen ist,

Fig. 19(A) eine Schnittansicht entlang der Linie A-A′ in Fig. 19(B),

Fig. 20(B) eine Ansicht der an dem Kristallelement gemäß Beispiel 3 gebildeten totalreflektierenden Fläche, die mit einer Skala versehen ist,

Fig. 20(A) eine Schnittansicht entlang der Linie A-A′ in Fig. 20(B),

Fig. 21 eine schematische Darstellung, die den Weg sichtbaren Lichts zu einem Auge darstellt, was zum Bestimmen der Lagebeziehung zwischen einer untersuchten Probe und einer Skala unter Verwendung eines herkömmlichen optischen Mikroskops dient,

Fig. 22(1)-(3) Ansichten herkömmlicher Kristallelemente sowie deren optischer Wege, und

Fig. 23 eine Vertikal-Schnittansicht eines optischen Systems zum Veranschaulichen des herkömmlichen Verfahrens bei der ATR-IR-Messung.

Der erste Aspekt der Erfindung liegt in der Schaffung eines Zubehörteils für die Infrarotspektroskopie mit gedämpfter Totalreflexion (ATR-IR-Spektroskopie; ATR=attenuated total reflection). Das Zubehörteil umfaßt: Einen Kondensorspiegel, der Infrarotstrahlung sammelt, einen Probenhalter, der eine zu untersuchende Probe hält, ein auf dem Probenhalter plaziertes Kristallelement mit einer Eintrittsfläche, auf die von dem Kondensorspiegel kommende Infrarotstrahlung einfällt, eine totalreflektierende Fläche, mit der die Probe in Berührung gebracht wird, und die eine einzelne (keine mehrfache) Totalreflexion der Infrarotstrahlung gestattet, und eine Austrittsfläche, durch die schließlich die Infrarotstrahlung aus dem Kristallelement austritt; ferner umfaßt es einen Schlitz zum selektiven Durchlassen der aus der Austrittsfläche austretenden Infrarotstrahlung, und einen Objektivspiegel, der gegenüber der Austrittsfläche des Kristallelements angeordnet ist, und der auf den Meßpunkt der an der totalreflektierenden Fläche befestigten Probe fokussiert werden kann. Die optische Weglänge des Zubehörteils ist derart eingestellt, daß der Sammelpunkt der Infrarotstrahlung auf der totalreflektierenden Fläche des Kristallelements liegt.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die von dem Kondensorspiegel zusammengeführte Infrarotstrahlung veranlaßt, über die Eintrittsfläche in das Kristallelement einzutreten. Die einfallenden Strahlen werden auf die totalreflektierende Fläche fokussiert und nur einmal total reflektiert. Dann werden lediglich die vom Meßpunkt an der Probenoberfläche totalreflektierenden Strahlen mit Hilfe des Schlitzes aus den aus der Austrittsfläche austretenden Infrarotstrahlen extrahiert. Auf diese Weise erhält man ein Spektrum der Absorption der Infrarotstrahlung, die von der untersuchten Probenfläche total reflektiert wurde. Bei diesem neuen Verfahren ist es vernünftig, den Brennpunkt des Objektivspiegels auf den Punkt zu bringen, bei dem eine maximale Menge der Infrarotstrahlung erhalten wird, das ist der Meßpunkt auf der Proben-Oberfläche. Dieser Objektivspiegel ermöglicht die gleichzeitige visuelle Beobachtung der Probenoberfläche ohne jegliche Vorbereitungen.

Von der die Austrittsfläche verlassenden Infrarotstrahlung werden durch den Schlitz lediglich diejenigen austretenden Strahlen, die von dem Meßpunkt total reflektiert wurden, extrahiert, die Abmessungen von der Größenordnung von 10 µm besitzen. Abgesehen davon wird die Infrarotstrahlung nur wenig im Inneren des Kristallelements gestreut, da an der Proben-Oberfläche keine Mehrfach-Totalreflexionen erfolgen. Außerdem wird die Infrarotstrahlung auf die totalreflektierende Fläche fokussiert. Aus diesen und aus anderen Gründen ist der Wirkungsgrad bei der Ausnutzung der Lichtmenge pro Flächeneinheit der Proben-Fläche groß, und damit kann die Absorption der totalreflektierenden Infrarotstrahlung auch mit derzeit üblichen Infrarotdetektoren gemessen werden. Damit können gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mikroskopische Abschnitte der Proben-Oberfläche mit Abmessungen in der Größenordnung von 10 µm analysiert werden, während die Oberfläche über den Objektivspiegel visuell betrachtet wird.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann das Kristallelement als Zubehörteil für die ATR-IR-Spektroskopie säulen- oder pfeilerförmig mit einer Eintrittsfläche, einer totalreflektierenden Fläche und einer Austrittsfläche sein. Diese Flächen sind zu der Achse der Säule parallele, ebene Flächen, wobei die Achse der Säule senkrecht zu der optischen Achse der austretenden Strahlen orientiert ist. Der Proben-Halter besitzt einen Antriebsmechanismus, mit dessen Hilfe das Kristallelement zumindest entlang der Säulenachse translatorisch bewegbar ist.

In diesem Fall wird das Kristallelement, mit dem eine zu untersuchende Probe in Berührung gebracht wird, entlang der Säulenachse bewegt, um eine Linienanalyse in der Größenordnung von 10 µm in Bewegungsrichtung durchzuführen. Weder die optische Weglänge für die Infrarotstrahlung im Inneren des Kristallelements, noch die relative Lage der totalreflektierenden Fläche des Kristallelements ändert sich in irgendeiner Weise. Deshalb wird der Brennpunkt der Infrarotstrahlung auf der totalreflektierenden Fläche des Kristallelements beibehalten. Das heißt: man erhält eine exakte Linienanalyse, weil die Bedingung für die Totalreflexion auch dann konstant ist, wenn das Kristallelement entlang der Säulenachse translatorisch bewegt wird. Wünschenswert ist es, die Proben-Oberfläche über den Objektivspiegel gleichzeitig mit der Linienanalyse visuell zu beobachten. Auf diese Weise erfolgt eine Linienanalyse in der Größenordnung von 10 µm auf der Oberfläche der Probe, während gleichzeitig die Probe über den Objektivspiegel betrachtet werden kann, was durch einen einfachen Vorgang geschieht, indem das Kristallelement, welches die zu untersuchende Probe trägt, entlang der Säulenachse bewegt wird.

Bei dem ersten Aspekt der Erfindung ist das Kristallelement als Zubehörteil für die ATR-IR-Spektroskopie eine Säule (pillar) mit der Eintrittsfläche, der totalreflektierenden Fläche und der Austrittsfläche, bei denen es sich um plane Flächen parallel zu der Säulenachse handelt. Die Säulenachse steht rechtwinklig zu der optischen Achse der austretenden Strahlen. Der Probenhalter besitzt einen Antriebsmechanismus zum beliebigen translatorischen Bewegen des Kristallelements in drei Dimensionen. Der Antriebsmechanismus besitzt eine Steuereinrichtung mit: einer Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Vorhersage-Bewegungslänge (geplanten Bewegungslänge) des Kristallelements zum Einstellen des Brennpunkts des Objektivspiegels auf einen neuen Meßpunkt auf der totalreflektierenden Oberfläche, wenn das Kristallelement nicht entlang der Säulenachse bewegt wird; und eine Steuereinrichtung, welche den Betrieb des Antriebsmechanismus nach Maßgabe der Berechnungsergebnisse steuert.

Wenn in diesem Fall das Kristallelement, welches die zu untersuchende Probe trägt, entlang der Säulenachse bewegt wird, so ergibt sich das gleiche Ergebnis, wie es oben für die Linienanalyse beschrieben wurde. Wenn die Bewegung des Kristallelements eine Bewegung senkrecht zur Achse der Säule beinhaltet, so liegt der Brennpunkt nicht genau auf dem Meßpunkt, abhängig von der numerischen Apertur des Objektivspiegels und des Kondensorspiegels und dem Brechungsindex des Kristallelements. Die Steuereinrichtung, die über die beabsichtigte Bewegungslänge auf der Probenoberfläche informiert wird, berechnet den Bewegungshub des Kristalls entlang der optischen Achse der austretenden Strahlen, um den Brennpunkt des Objektivspiegels auf den neuen Meßpunkt einzustellen, wobei die Berechnungsergebnisse für die Bewegung des Kristallelements zugrundegelegt werden, damit dieses derart bewegt wird, daß der Brennpunkt nicht von dem Meßpunkt abweicht.

Dies gestattet eine automatische Flächenanalyse der Probenoberfläche. Bei der Durchführung einer Flächenanalyse wird der Brennpunkt des Objektivspiegels in Übereinstimmung mit dem Meßpunkt gehalten. Folglich ist es wünschenswert, gleichzeitig die Proben-Oberfläche visuell über den Objektivspiegel zu betrachten. Auf diese Weise läßt sich eine Linienanalyse oder eine Flächenanalyse jedes mikroskopischen Abschnitts mit Abmessungen in der Größenordnung von 10 µm auf der Probenoberfläche durchführen, während gleichzeitig über den Objektivspiegel die Probenoberfläche visuell betrachtet wird. Möglich ist dies deshalb, weil der Brennpunkt des Spiegels in Übereinstimmung mit dem Meßpunkt auf der Oberfläche der zu untersuchenden Probe gehalten wird.

Der zweite Aspekt der Erfindung liegt in der Schaffung eines Kristallelements, welches auf einem eine zu untersuchende Probe halternden Proben-Halter in einem Zubehörteil für die ATR-IR-Spektroskopie plaziert wird, wobei das Kristallelement aufweist: eine Eintrittsfläche, auf die von einem Kondensorspiegel kommende Infrarotstrahlung einfällt, eine totalreflektierenden Oberfläche, die die Probe trägt, um die Infrarotstrahlung total zu reflektieren, mindestens drei reflektierende Flächen, welche die totalreflektierende Fläche enthalten und die Aufgabe haben, die Richtung der einfallenden Strahlen zu ändern, und eine Austrittsfläche, durch die die Infrarotstrahlung schließlich aus dem Kristallelement austritt. Die reflektierenden Flächen sind derart orientiert, daß die optische Achse der einfallenden Strahlen übereinstimmt mit der optischen Achse der austretenden Strahlen.

Gemäß dem zweiten Aspekt wird die einfallende Infrarotstrahlung mindestens dreimal von den mindestens drei reflektierenden Flächen reflektiert, welche gegebene Winkelbeziehungen zueinander aufweisen. Die mindestens drei reflektierenden Flächen enthalten die totalreflektierende Fläche, welche die zu untersuchende Probe trägt. Auf diese Weise tritt die Strahlung aus dem kristallinen Element entlang der gleichen Achse aus, auf der die Strahlung in das Element eintritt. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die optische Achse der austretenden Strahlen mit der optischen Achse der eintretenden Strahlen zusammenfällt. Damit läßt sich ein Zubehörteil für die Messung der Absorption der totalreflektierten Infrarotstrahlung unter Verwendung der bislang häufig verwendeten üblichen Infrarotmikroskope mit Kondensoroptik herstellen, wobei der Kondensorspiegel und der Objektivspiegel auf der gleichen Achse angeordnet sind. Die Erfindung realisiert die ATR-IR-Spektroskopie, ohne die Struktur des herkömmlichen Mikroskops zu modifizieren.

Gemäß diesem zweiten Aspekt der Erfindung kann das Kristallelement dazu verwendet werden, Totalreflexionen gemäß dem ersten Aspekt des Zubehörteils für die ATR-IR-Spektroskopie zu erzeugen. In diesem Fall werden gleichzeitig die Vorteile des ersten Aspekts und diejenigen des zweiten Aspekts genutzt.

Beim dritten Aspekt der Erfindung wird ein Kristallelement mit mindestens einer totalreflektierenden Fläche geschaffen, die eine Probe für ATR-IR-Messungen trägt, wobei in der totalreflektierenden Fläche eine Skala eingraviert ist, die tiefer reicht als die Oberflächenrauhigkeit dieser totalreflektierenden Fläche. Licht tritt in das Kristallelement ein und erreicht die totalreflektierende Fläche. Wenn das Licht auf die in der totalreflektierenden Fläche eingravierte Skala auftritt, wird das Licht gestreut. Dies gestattet das Ablesen der Skala mit Hilfe des totalreflektierenden Lichts. Dieses Phänomen findet unabhängig von der Art der einfallenden Strahlung statt. Deshalb tritt dieses Phänomen auf, wenn es sich bei der eintretenden Strahlung um sichtbares Licht handelt und die Skala visuell betrachtet werden kann.

Die für die ATR-IR-Messungen vorgesehene Probe wird in innigen Kontakt mit der mit Skala versehenen, totalreflektierenden Fläche des neuen Kristallelements gebracht. Es wird sichtbares Licht unter einem herkömmlichen optischen Mikroskop aus der Umgebung auf die Probe gebracht. In diesem Zustand läßt sich die Lagebeziehung zwischen der Skala und dem Meßpunkt auf der Probenoberfläche vorhersagen (Fig. 21). In Fig. 21 lassen sich sowohl die Skala als auch die Probenoberfläche beobachten, da herkömmliches reflektiertes Licht verwendet wird. Die Probe wird auf einem Zubehörteil für die ATR-IR-Spektroskopie bewegt, während sie in innigem Kontakt mit der Oberfläche des Kristallelements gehalten wird. Das totalreflektierte Licht ist sichtbare Strahlung, und es ist eine Beobachtung möglich. Der Meßpunkt auf der Probenfläche läßt sich rasch und genau mit derjenigen Präzision bestimmen, die den Intervallen zwischen den aufeinanderfolgenden Markierungen der Skala entsprechen. Zu dieser Zeit wird die Betrachtung der Probenoberfläche möglicherweise behindert aufgrund der geringen Eindringtiefe der sichtbaren Strahlung in die totalreflektierende Fläche, jedoch ist die Skala deutlich zu sehen. Folglich läßt sich der Meßpunkt auf der Probenoberfläche rasch und genau bestimmen anhand der Skala, und außerdem anhand der vorhergesagten Lagebeziehung zwischen Skala und Probe. Im folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1(1)-(d) zeigen Ausführungsformen des oben beschriebenen zweiten Aspekts der Erfindung. Fig. 1(c) zeigt ein säulenförmiges Kristallelement, welches die Form eines Fünfecks hat, betrachtet in Richtung der Säulenachse. Der geometrische Weg, den die Infrarotstrahlung nimmt, ist durch mit Pfeilen versehene gestrichelte Linien angedeutet. Dieses Kristallelement besitzt eine Eintrittsfläche, drei reflektierende Flächen und eine Austrittsfläche. Eine der drei reflektierenden Flächen ist eine totalreflektierende Fläche, mit der die zu untersuchende Probe in Berührung gebracht wird. Auf einer der reflektierenden Flächen ist eine Schicht 11 aufgebracht, die Licht reflektiert. Fig. 1(d) zeigt ein weiteres säulenförmiges Kristallelement, welches in Richtung der Säulenachse betrachtet eine Sechseckform aufweist. Die Fortpflanzungsrichtung der Infrarotstrahlung ist durch mit Pfeilen versehene gestrichelte Linien angedeutet. Dieses Kristallelement besitzt eine Eintrittsfläche, vier reflektierende Flächen und eine Austrittsfläche. Eine der vier reflektierenden Flächen ist eine totalreflektierende Fläche, gegen die eine zu untersuchende Probe anliegt. Die in den Fig. 1(c) und (d) enthaltenen Zahlen bedeuten die Längenverhältnisse der Kristallelementseiten. In Fig. 1(c) und (d) sind die Eintrittsfläche, die reflektierenden Flächen und die Austrittsfläche sämtlich plane Flächen, die parallel zu der Säulenachse verlaufen. In jedem dieser Kristallelemente wird das einfallende Licht drei- oder viermal im Inneren des Kristallelements reflektiert, wie durch die Pfeile angedeutet ist, welche die Richtung des geometrischen Wegs angeben. Die optische Achse der austretenden Strahlen fällt mit der optischen Achse der eintretenden Strahlen zusammen. In den in Fig. 1(c) und (d) dargestellten Geometrien hängt die von den reflektierenden Flächen als die die Probe tragende totalreflektierende Fläche ausgewählte Fläche ab von der Relation der Gesamtstruktur des Zubehörteils für die ATR-IR-Spektroskopie.

Im folgenden soll eine allgemeine Formel angegeben werden, die auf den Fall angewendet wird, bei dem ein willkürlich geformter Kristall in einem optischen System angeordnet wird, in welchem die eintretenden und die austretenden Strahlen auf derselben Achse liegen. In einem solchen Kristall wird die Infrarotstrahlung viermal reflektiert. Fig. 1(a) zeigt den geometrischen Weg des optischen Systems, in welchem die Eintrittsfläche 8 und die Austrittsfläche 13 des Kristallelements parallel zueinander und vertikal zu der optischen Achse der eintretenden Strahlen orientiert sind. Reflektierende Flächen 9, 10, 11 und 12 existieren im Inneren des Kristalls und sind in dieser Reihenfolge hinter der Eintrittsfläche angeordnet. Wenn α, β, γ und δ die zwischen der einfallenden Strahlung und der austretenden Strahlung dieser Oberflächen gebildeten Winkel sind und die Form des Kristalls durch die vier reflektierenden Flächen im Inneren des Kristalls, die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche definiert wird, so erfüllen diese Flächen die folgende Bedingung:

α+δ=β+γ (1)

wobei mindestens einer der Winkel α, β, γ, δ mindestens doppelt so groß ist wie der kritische Winkel und die Bedingung für die Totalreflexion erfüllt.

Bei der in Fig. 1(b) gezeigten Geometrie sind die Eintrittsfläche 8 und die Austrittsfläche 13 des Kristallelements nicht zueinander parallel, sie sind vielmehr unter beliebigen Winkeln zu der optischen Achse der eintretenden Strahlung geneigt. In diesem Fall wird die linke Seite der Gleichung (1) durch die Terme der Einfallswinkel und der Reflexionswinkel an der Eintritts- und Austrittsfläche kompensiert. Im Ergebnis erhält man die Gleichung (2). Das heißt, in diesem Fall bestimmt sich die Form des Kristalls durch die vier reflektierenden Flächen, die der Gleichung (2) genügen, vorausgesetzt, daß die Einfall- und Austrittswinkel an den Eintritts- und Austrittsflächen, und der Brechungsindex des Kristallelements gegeben sind.

(α±R_I)+(δ±R_E)=β+γ (2)

wobei

R_I=R_Ii-R_Ir

R_E=R_Er-R_Ei

wobei R_Ii der Einfallswinkel der Eintrittsfläche 8, R_Ir der Brechungswinkel der Eintrittsfläche 8, R_Er der Brechungswinkel der Austrittsfläche 13 und R_Ei der Einfallswinkel der Austrittsfläche 13 ist.

Die Terme in den Klammern auf der linken Seite der Gleichung (2) sind

α-R_I wenn α<R_a

α+R_I wenn α<R_a

α-R_E wenn δ<R_b

α+R_E wenn δ<R_b

wobei R_a der zwischen der optischen Achse des ersten reflektierten Lichts und der Eintritts- und Austrittsachse gebildete Winkel und R_b der zwischen der optischen Achse des dritten reflektierten Lichts und der Eintritts- und Austrittsachse gebildete Winkel ist.

Wie haben bisher den Fall betrachtet, daß Infrarotstrahlung im Inneren eines kristallinen Materials viermal reflektiert wird. Die Bedingungen, unter denen die auf das Kristallelement auftreffende Infrarotstrahlung das Kristallelement auf der gleichen Achse in einer bezüglich der Einfallrichtung um 360° gedrehten Richtung verläßt, wurden ebenfalls theoretisch beschrieben. Eine Geometrie, bei der Strahlung dreimal reflektiert wird, und eine solche, bei der Strahlung fünfmal oder noch häufiger reflektiert wird, läßt sich in ähnlicher Weise ermitteln. Vorzugsweise sind Eintritts- und Austrittsfläche der beschriebenen Kristallelemente zu der optischen Achse der Einfalls- und Austrittsstrahlung vertikal, um die Reflexionsverluste des Lichts an jeder Fläche zu unterdrücken. Weiterhin ist es erwünscht, daß diese Kristallelemente einfache Form besitzen, um die Totalreflexions-Bedingungen im Inneren des Kristalls mühelos zu erreichen und die Elemente einfach herstellen zu können. Zu diesem Zweck liegen der Winkel, der zwischen der Eintrittsfläche jedes Kristallelements und der ersten reflektierenden Fläche liegt, und der Winkel zwischen der Austrittsfläche und der zuletzt reflektierenden Fläche vorzugsweise zwischen 30° und 60°. Weiterhin ist es erwünscht, daß im Inneren des Kristallelements so wenig reflektierende Flächen wie möglich vorhanden sind.

Die Physik der Geometrie, innerhalb der Infrarotstrahlung viermal reflektiert wird, und in der die zuletzt reflektierende Fläche als totalreflektierende Fläche hergenommen wird, soll anhand der Fig. 1(a) beschrieben werden. Zunächst tritt Infrarotstrahlung über die Eintrittsfläche in das Kristallelement ein. Die Strahlung wird unter einem Winkel von α/2 von der ersten reflektierenden Fläche reflektiert. Das reflektierte Licht läuft durch das Kristallelement und wird dann von der zweiten reflektierenden Fläche unter einem Winkel von β/2 reflektiert. Anschließend wird die Strahlung von der dritten reflektierenden Fläche unter einem Winkel von γ/2 reflektiert, um an der zuletzt reflektierenden Fläche anzukommen. Die auf diese zuletzt reflektierende Fläche einfallende Infrarotstrahlung erfüllt die Bedingung für Totalreflexion, das heißt der Einfallwinkel liegt zwischen 30° und 60°. Aus diesem Grund wird die Strahlung unter einem Winkel von δ/2 totalreflektiert. Die optische Achse des totalreflektierten Lichts fällt zusammen mit der optischen Achse des einfallenden Lichts. Das totalreflektierte Licht pflanzt sich in einer Richtung fort, die gegenüber der Richtung der einfallenden Strahlung um 360° verschoben ist. Dabei wird die Fläche der zu untersuchenden Probe in innigen Kontakt mit der totalreflektierenden Fläche der zuletzt reflektierenden Fläche gebracht. Demzufolge ist die Messung der Absorption der totalreflektierten Infrarotstrahlung möglich.

Die Verwendung dieser Ausführungsform des Kristallelements gewährleistet, daß die das Kristallelement verlassende Infrarotstrahlung auf der gleichen Achse liegt wie die in das Element eintretende Infrarotstrahlung. Deshalb läßt sich ein Zubehörteil für die ATR-IR-Spepktroskopie herstellen, das von einem bislang häufig verwendeten Infrarotmikroskop mit Kondensoroptik Gebrauch macht, bei dem der Kondensorspiegel und der Objektivspiegel auf der gleichen Achse liegen. Eine Modifizierung der Struktur dieses Mikroskops ist nicht notwendig.

Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform, bei der das Kristallelement gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auf den ersten Aspekt angewendet wird. Das Kristallelement 14 hat die in Fig. 1(d) gezeigte Form. Das heißt, es hat die Form einer sechswinkligen Säule mit etwa V-förmigem Querschnitt. Das Kristallelement 14 besitzt eine Eintrittsfläche 8, eine erste reflektierende Fläche 9, eine zuletzt reflektierende Fläche 12 und eine Austrittsfläche 13. Eine zu untersuchende Probe 16 wird von einem Probenhalter 15 gegen die zuletzt reflektierende Fläche 12 gepreßt.

Der Zustand, in welchem dieses Kristallelement 14 an einem (nicht gezeigten) Halter befestigt und in einem Infrarotmikroskop angeordnet wird, ist in Fig. 3(a) und (b) dargestellt. Das an dem Halter befestigte Kristallelement 14 wird auf einer dreidimensionalen Probenbühne 17 plaziert, die den Proben-Halterabschnitt bildet. Ein Objektivspiegel 18 ist oberhalb der Bühne montiert. Unterhalb der Bühne befindet sich ein Kondensorspiegel 19. Diese Spiegel 18 und 19 sind auf derselben Achse positioniert. Der Objektivspiegel 18 ist auf die zuletzt reflektierende Fläche 12 fokussiert. Die Längen der Seiten des Kristallelements sind derart eingestellt, daß, wenn das Element in dem Infrarotmikroskop angebracht ist, der Brennpunkt des Kondensorspiegels übereinstimmt mit der Lage des Brennpunkts des Objektivspiegels. Die Probenbühne 17 ist entweder ortsfest oder entlang der Achse (oder der Tiefe in Fig. 3(a) und (b)) der Säule des montierten Kristallelements beweglich. Weiterhin läßt sich die Probenbühne beliebig in drei Dimensionen bewegen. Ein beweglicher Schlitz 20 ist an dem Infrarotmikroskop befestigt, um lediglich das aus dem Meßabschnitt der Probenfläche reflektierte Licht auf den dem Mikroskop zugeordneten Detektor zu lenken. Die auf den Kondensorspiegel 12 gerichtete Strahlung läßt sich umschalten zwischen Infrarotstrahlung und sichtbarem Licht. Dies geschieht mit Hilfe eines (nicht gezeigten) beweglichen reflektierenden Spiegels.

Die Probe 16 wird in innigen Kontakt mit einer der totalreflektierenden Flächen des Kristallelements 14 gebracht (bei dieser Ausführungsform ist dies die zuletzt reflektierende Fläche 12). Die von dem Kondensorspiegel 19 kommende Infrarotstrahlung wird auf die Eintrittsfläche 8 gerichtet. Die einfallende Strahlung wird im Inneren des Elements 14 totalreflektiert, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird auf die zuletzt reflektierende Oberfläche 12 konzentriert und dringt bis zu einer gewissen Tiefe in die Probe ein. Dann wird die Strahlung totalreflektiert. Der Schlitz extrahiert nur solche Infrarotstrahlung, die aus dem 10 µm im Quadrat bemessenen, interessierenden Abschnitt aus dem totalreflektierenden Licht herauskommt. Im Ergebnis erhält man ein ATR-IR-Absorptionsspektrum aus dem mikroskopischen Abschnitt der Probe 16, der 10 µm im Quadrat mißt. Dieses Spektrum wird zum Analysieren des mikroskopischen Abschnitts der Probenoberfläche analysiert.

Bei dieser Ausführungsform wird die Probenbühne 17 zum Versetzen des Kristallelements 14 bewegt. Es werden sukzessive ATR-IR-Absorptionsspektren ermittelt. Auf diese Weise läßt sich eine Linienanalyse oder Flächenanalyse der Probenoberfläche erstellen. Wenn eine Linienanalyse entlang der Achse der das Kristallelement 14 bildenden Säule gemacht wird, weicht der Brennpunkt des Objektivspiegels 18 nicht von dem Meßpunkt ab. Wenn eine Linien- oder Flächenanalyse in anderen Richtungen erfolgt, weicht der Brennpunkt des Objektivspiegels 18 von dem Meßpunkt ab. Um diese Abweichung zu korrigieren, wird die Bewegung der Probenbühne 17 in geeigneter Weise eingestellt. Während dieser Bewegung der Einstellung wird bei Bedarf der vorbestimmte Brennpunkt des Objektivspiegels 18 auch geändert. Die Bewegung der Probe 16 für eine Linienanalyse oder eine Flächenanalyse kann rascher und genauer erfolgen, indem man die Probenoberfläche über den Objektivspiegel 18 beobachtet. Bei dieser Beobachtung wird das beobachtete Bild lebendiger, wenn das Haften der Probe 16 an dem Kristallelement 14 verbessert und der Absorptionskoeffizient der Probe 16 für die sichtbare Strahlung höher wird.

Aus einem mikroskopischen Abschnitt der Probenoberfläche mit Abmessungen in der Größenordnung von 10 µm läßt sich ein Infrarot-Absorptionsspektrum bei gedämpfter Totalreflexion (ATR) erhalten. Das Spektrum ermöglicht die Identifizierung der chemischen Zusammensetzung der Oberflächenschicht sowie die Identifizierung von chemischen Änderungen der Bestandteile. Außerdem lassen sich Alterung und Verschlechterung analysieren. Ferner können Unterschiede der chemischen Zusammensetzung oder chemischen Änderung unter den Abschnitten der Probenoberfläche durch eine Linienanalyse oder eine Flächenanalyse ermittelt werden. Die Ermittlung kommerzieller Produkte von Rohstoffen und Verbesserungen der Produkte lassen sich wirksam fördern, indem man die Unterschiede des Alterungs- oder Verschlechterungsverhaltens zwischen den Abschnitten oder die damit in Verbindung stehenden Effekte analysiert.

Fig. 4 und 5 zeigen eine zweite beziehungsweise eine dritte Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung, bei dem der Kondensorspiegel und der Objektivspiegel nicht auf derselben Achse liegen müssen. Bei diesen Ausführungsformen sind der Objektivspiegel 18, der Kondensorspiegel 19 und die Probenbühne 17 ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 und 3, so daß diese Teile nicht nochmal erläutert werden.

Bei der Ausführungsform nach 4(a)-(c) werden säulenförmige Kristallelemente 14a, 14b und 14c mit Parallelogramm-Querschnitt verwendet. Jedes Kristallelement 14a, 14b oder 14c besitzt eine Eintrittsfläche 8a, 8b oder 8c, eine erste reflektierende Fläche 10a, 10b oder 10c, eine letzte reflektierende Fläche 12a, 12b oder 12c und eine Austrittsfläche 13a, 13b oder 13c. Der Kondensorspiegel und der Objektivspiegel (von denen keiner gezeigt ist) befinden sich in den geometrischen Wegen, die durch Pfeile angedeutet sind. Das heißt, sie sind auf Achsen angeordnet, die parallel mit Abstand voneinander verlaufen. Eine zu untersuchende Probe 16 kann mit der zuletzt reflektierenden Oberfläche 12a, 12b oder 12c in der dargestellten Weise in Berührung gebracht werden, um die Messung durchzuführen. Es ist außerdem möglich, die Probe 16 mit der ersten reflektierenden Fläche 12a, 12b oder 12c in Berührung zu bringen. Die internen spitzen Winkel des Parallelogramms des Querschnitts des Kristallelements 14a, 14b oder 14c entsprechend dem Einfallwinkel und dem Reflexionswinkel an den reflektierenden Flächen 10a, 10b oder 10c und 12a, 12b oder 12c. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4(a) beträgt der spitze Winkel 30°. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4(c) beträgt der spitze Winkel 60°. Obschon jeder beliebige Winkel zwischen diesen beiden Winkeln hergenommen werden kann, solange die Bedingung für die Totalreflexion erfüllt ist, sind Winkel in der Nähe von 45° gemäß Fig. 4(b) bevorzugt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5(a) wird ein säulenförmiges Kristallelement 14d mit einem rechtwinklig-dreieckigen Querschnitt verwendet. Dieses Kristallelement 14d besitzt eine Eintrittsfläche 8d, eine totalreflektierende Fläche 12d und eine Austrittsfläche 13d. Der Kondensorspiegel und der Objektivspiegel, die schematisch dargestellt sind, liegen mit ihren Achsen senkrecht zueinander, entsprechend der Form des Kristallelements 14d. Die Probe 16 steht während der Messung mit der totalreflektierenden Fläche 12d in Kontakt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5b wird ein säulenförmiges Kristallelement 14d mit rechtwinklig dreieckigem Querschnitt verwendet. Ein Planspiegel 21 zum Reflektieren von Infrarotlicht ist parallel zu der totalreflektierenden Fläche 12d dieses Elements angeordnet. Der Planspiegel 21 ist mit dem Kristallelement 14d über geeignete (nicht dargestellte) Verbindungsmittel gekoppelt. Deshalb entspricht dieser Planspiegel 21 im wesentlichen der ersten reflektierenden Fläche 10b des Kristallelements 14b. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen identisch mit der Ausführungsform nach Fig. 4(b).

Die Physik dieser Ausführungsform ist ähnlich der der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3, mit der Ausnahme, daß die Infrarotstrahlung lediglich einmal oder zweimal im Inneren des Kristallelements reflektiert wird und die optische Achse des Infrarotlichts gegenüber der optischen Achse der einfallenden Strahlen verschoben ist. Wenn eine Flächenanalyse oder eine Linienanalyse in einer gegebenen Richtung durchgeführt wird, so weicht der Brennpunkt von der reflektierenden Oberfläche in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 ab. Die Probenbühne 17 wird zur Korrektur dieser Abweichung bewegt, wobei diese Bewegung es erforderlich macht, den Brennpunkt des Objektivspiegels 18 in der gleichen Weise wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 einzustellen. Diese Ausführungsform liefert im wesentlichen die gleichen Vorteile wie die Ausführungsform nach Fig. 2 und 3. Allerdings besitzen diese Ausführungsformen den zusätzlichen Vorteil, daß Infrarotstrahlung an jede beliebige Stelle der Probenoberfläche geleitet werden kann, ohne dabei die Bedingung für die Totalreflexion, das heißt den Einfallwinkel der Infrarotstrahlung, zu ändern, indem ein säulenförmiges Kristallelement mit vergleichsweise einfachem Querschnitt eingesetzt wird.

Als nächstes soll eine Ausführungsform gemäß dem oben erläuterten ersten Aspekt beschrieben werden. Diese Ausführungsform enthält eine Steuereinrichtung, die eine Steuerung des Probenbühnen-Antriebsmechanismus bewirkt, um rasch und genau eine Linienanalyse oder Flächenanalyse durchführen zu können. Die Steuereinrichtung ist dem Antriebsmechanismus der Probenbühne 17 des Zubehörteils für die ATR-IR-Spektroskopie hinzugefügt, um die Einstellung des Brennpunkts des Objektivspiegels durch die Bewegung der Bühne 17 während der Linien- oder der Flächenanalyse zu automatisieren. Diese Steuereinrichtung kann in ähnlicher Weise angewendet werden bei dem oben in Verbindung mit den Fig. 4(a)-(c) beschriebenen Zubehörteil. Dieses System berechnet die Vorhersage-Weglänge oder -Lauflänge des Kristallelements, um den Brennpunkt des Objektivspiegels auf einen neuen Meßpunkt der totalreflektierenden Fläche einzustellen, wenn das Kristallelement 14 in jeder beliebigen Richtung versetzt wird, wobei der Antriebsmechanismus in Abhängigkeit der Berechnungsergebnisse gesteuert wird.

Speziell sei nun angenommen, daß die Richtung des austretenden, totalreflektierten Lichts der z-Richtung entspräche, es sei ferner angenommen, daß die Richtung der Achse des das Kristallelement bildenden Säulenelements senkrecht zur z-Richtung verlaufe und der y-Richtung entspräche, und daß die x-Richtung senkrecht auf der y- und der z-Richtung stehe. Die Steuereinrichtung enthält: eine erste Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Ausgangs-Winkelapertur des Lichtstrahls in dem Kristallelement aus dem Brechungsindex des säulenförmigen Kristallelements und aus der Ausgangs-Winkelapertur des Lichtstrahls in Luft, wenn ATR-IR-Messungen durchgeführt werden, bei denen der Meßpunkt bewegt und der Brennpunkt zu dem bewegten Meßpunkt gebracht wird; eine erste Speichereinrichtung zum Speichern des Winkels, der zwischen der Flächennormalen der totalreflektierenden Oberfläche und der optischen Achse des austretenden, totalreflektierenden Lichts gebildet wird; eine zweite Speichereinrichtung zum Speichern der x-Komponente des Vektors, der von dem früheren Meßpunkt vor der Bewegung zu dem neuen Meßpunkt im Anschluß an die Bewegung gezogen wird; eine zweite Berechnungseinrichtung zum Berechnen des von dem Kristallelement in z-Richtung zurückzulegenden Wegs aus den numerischen Ausgangsaperturen in Luft und in dem kristallinen Element sowie aus der x-Komponente des Vektors; und eine Einrichtung zum Steuern des Betriebs des Proben-Halterabschnitts nach Maßgabe der x-Komponente des Vektors und der Bewegung in z-Richtung. Man beachte, daß die Austrittswinkelapertur den Winkel bedeutet, den der aus dem Kristallelement austretende Lichtstrahl in bezug auf den Objektivspiegel einnimmt.

Die oben beschriebene Steuereinrichtung kann weiterhin eine dritte Speichereinrichtung zum Speichern der y-Komponente (in Richtung entlang der Achse des Kristallelements 14) des vom Meßpunkt vor der Bewegung zum Meßpunkt nach der Bewegung gezogenen Vektors aufweist.

Es erfolgen ATR-IR-Messungen der Probenoberfläche unter Verwendung des in Fig. 2 dargestellten Kristallelements 14, indem der Meßpunkt in der x-z-Ebene gemäß Fig. 6 verschoben wird. Das Kristallelement 14 wird in Pfeilrichtung 22 versetzt, um den Meßpunkt auf der Probe 16 zu verschieben. Dies ändert die Position, an der die Infrarotstrahlung in das Kristallelement eintritt, so daß der Lichtstrahl 23 vor der Bewegung sich zu einer Stelle 24 nach der Bewegung bewegt. Im Ergebnis liegt der Brennpunkt des Kondensorspiegels oder der Brennpunkt des Objektivspiegels nicht mehr auf der totalreflektierenden Fläche 12. Diese Abweichung läßt sich korrigieren, indem man das Kristallelement 14 über einen bestimmten Abstand in z-Richtung bewegt.

Zur Korrektur dieser Abweichung berechnet die erste Berechnungseinrichtung unter Verwendung des Brechungsindex des Kristallelements und der Ausgangs-Winkelapertur des von der totalreflektierenden Fläche reflektierten Lichtstrahls in Lufte Werte, um die Austrittswinkelapertur des Lichtstrahls in dem kristallinen Element herauszufinden. Die berechnete Winkelapertur wird an die zweite Berechnungseinrichtung gegeben. Die erste Speichereinrichtung speichert den Reflexionswinkel, der zwischen der Flächennormalen auf der totalreflektierenden Fläche zur Probenmessung und der optischen Achse der austretenden Strahlen des totalreflektierten Lichts gebildet wird. Dieser Winkel wird zu der zweiten Berechnungseinrichtung gegeben. Die zweite Speichereinrichtung speichert die x-Komponente des Vektors, der von dem Meßpunkt vor der Bewegung zu dem Meßpunkt nach der Bewegung gezogen wird. Diese x-Komponente wird an die zweite Berechnungseinrichtung gesendet. Diese berechnet die Entfernung, die in z-Richtung zurückgelegt werden muß, um den Brennpunkt des Kondensorspiegels oder den Brennpunkt des Objektivspiegels in Übereinstimmung zu bringen mit dem Meßpunkt nach der Bewegung. Die Berechnung erfolgt anhand der drei genannten Werte. Die berechnete Weglänge wird an die Steuereinrichtung ausgegeben, welche den Betrieb des Proben-Halterabschnitts steuert.

Wenn eine dritte Speichereinrichtung vorhanden ist, so speichert diese den in y-Richtung zurückgelegten Weg. Der Wert dieser Weglänge wird an die Steuereinrichtung geliefert, die den Betrieb der Proben-Haltereinrichtung steuert.

Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform der Brennpunkt des Kondensorspiegels oder der Brennpunkt des Objektivspiegels abweicht, wenn der Meßpunkt gegenüber der Achse der das Kristallelement bildenden Säule verschoben ist, dann kann die Abweichung automatisch korrigiert werden durch die Bewegung des Proben-Halterabschnitts. Diese Ausführungsform kann kombiniert werden mit jeder der oben in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 beschriebenen Ausführungsform, bei denen eine Linienanalyse entlang der Achse der das Kristallelement 14 bildenden Säule gemacht wird. Das heißt, es kann eine Linienanalyse in jeder beliebigen Richtung auf der Proben-Oberfläche im Rahmen der ATR-IR-Spektroskopie erfolgen. Weiterhin läßt sich eine Analysefläche in jedem gewünschten Abschnitt der Proben-Oberfläche rasch und einfach durchführen, indem diese Art der Linienanalyse erweitert wird.

Im folgenden wird der dritte Aspekt der Erfindung erläuert. Das Kristallelement mit einer eingravierten Skala kann jede Form haben, solange die normalen ATR-IR-Messungen durchgeführt werden können. Kristallelemente, die so geformt sind, daß die optische Achse der einfallenden Strahlen zusammenfällt mit der optischen Achse der austretenden Strahlen, sind besonders bevorzugt, da Punktanalyse, Linienanalyse oder Flächenanalyse einfach und präzise mit herkömmlichen, kommerziell verfügbaren Infrarotmikroskopen durchgeführt werden können. Dieser Typ des Kristallelements ist so ausgelegt, daß die einfallende Strahlung mindestens einmal total reflektiert und mindestens dreimal im Inneren des Elements reflektiert wird. Genauer gesagt: dieses Kristallelement hat eine Eintrittsfläche, mindestens 3 totalreflektierende Flächen und eine Austrittsfläche. Von außerhalb kommende Infrarotstrahlung tritt in die Eintrittsfläche ein. Eine von den mindestens drei reflektierenden Flächen ist eine totalreflektierende Fläche. Eine Probe wird an dieser totalreflektierenden Fläche berührend angeordnet, um ATR-IR-Messungen durchzuführen. Die reflektierenden Flächen ändern die Richtung der eintretenden Strahlung derart, daß die Richtung des austretenden Lichts mit der Eintrittsrichtung übereinstimmt. Das austretende Licht, das in die gleiche Richtung läuft wie das einfallende Licht, passiert schließlich die Austrittsfläche. Die optische Weglänge zwischen Eintrittsfläche und Austrittsfläche ist so eingestellt, daß das einfallende Licht auf die totalreflektierende Fläche fokussiert ist.

Ein Beispiel für dieses Kristallelement ist eine Säule mit sechseckigem Querschnitt, die drei Paare paralleler Seiten und einen mittleren Biegewinkel von 90° aufweist. Eine Säule mit einem Querschnitt, der eine Modifizierung dieses Sechsecks darstellt, ist ebenfalls verfügbar. Eine Skala, die aus in willkürlichen Intervallen an einer der inneren Seitenflächen der Säule eingravierten Markierungen besteht, ermöglicht die Herstellung eines Kristallelements mit einer Skala für die ATR-IR-Spektroskopie. Das Eingravieren kann durch Schreiben, Ätzen, Laserstrahlbearbeitung, Elektronenstrahlbearbeitung oder nach anderen Verfahren geschehen. Eines der Verfahren wird nach Maßgabe der Form des Kristallelements ausgewählt, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Markierungen der Skala sowie die Dicke der Markierungen berücksichtigt werden.

Bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen lassen sich das Material für das reflektierende Kristallelement und die Länge des optischen Wegs für die Infrarotstrahlung folgendermaßen einstellen:

Die reflektierenden Flächen des Kristallelements, mit denen die untersuchte Probe nicht in Berührung steht, können mit einer Aluminiumbeschichtung oder Goldbeschichtung versehen sein, um eine Abnahme der Menge der einfallenden Infrarotstrahlung zu verhindern. Beispielsweise kann die Beschichtung durch die oben erwähnte Schicht 11 für das reflektierende Licht gebildet sein. Dies verhindert, daß das Reflexionsvermögen der reflektierenden Flächen abnimmt, und es unterdrückt das Streuen der Infrarotstrahlung aus dem Kristallelement. Insgesamt wird der Wirkungsgrad bei der Ausnutzung der Strahlung erhöht.

Das Kristallelement kann aus Materialien bestehen, die Infrarotstrahlung durchlassen und einen Brechungsindex von mehr als 2 aufweisen, es kann sich zum Beispiel um Zinkselenid, Thallium-Bormid-Iodid (KRS-5), Germanium und Silicium handeln, die allgemein für ATR-IR-Messungen hergenommen werden. Damit ein Betrachter die Proben-Oberfläche visuell beobachten kann, sind Zinkselenid und KRS-5 besonders geeignet, da diese Stoffe sichtbares Licht gut durchlassen.

Die optische Weglänge wird derart eingestellt, daß die Infrarotstrahlung auf die totalreflektierende Fläche fokussiert ist. Diese Einstellung erfolgt beliebig durch verschiedenes Kombinieren verschiedener Faktoren, darunter Material, Form und Größe des Kristallelements, Eintritts- und Austrittswinkelapertur, Lagebeziehung zwischen Kristallelement, Kondensorspiegel und Objektivspiegel. Das Material des Kristallelements bestimmt sich unter Verwendung des Brechungsindex als Parameter. Als Beispiel besitzt das Kristallelement einen Parallelogramm-Querschnitt mit spitzen Winkeln von 45°. Eintritts- und Austrittswinkelapertur betragen beide 60°. Die Dicke des Kristallelements entlang der optischen Achse beträgt 6 mm. Der Brechungsindex beträgt 2,4. Unter diesen Bedingungen berechnet sich die geeignete optische Weglänge in dem Kristallelement zu 16,3 mm. Man beachte, daß die Eintrittswinkelapertur derjenige Winkel ist, den der in das Kristallelement eintretende Lichtstrahl in bezug auf den Kondensorspiegel einnimmt. Spezielle Beispiele für die Erfindung sind im folgenden angegeben.

Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wurde ein aus Zinkselenid bestehendes Kristallelement verwendet. Das Element besaß einen in Fig. 2 dargestellten Querschnitt. An dem zentralen Biegungs- oder Knickabschnitt existierte ein Winkel von 90°. Die gesamte vertikale Länge des Kristallelements betrug 6 mm. Die Boden- und Oberseite waren 5,15 mm lang. Die Länge entlang der Achse der Säule betrug 15 mm. Dieses Kristallelement wurde an einem (nicht gezeigten) Halter befestigt und in das optische System eines Infrarotmikroskops gemäß Fig. 3 eingebaut. Die zu untersuchende Probe wurde in Anlage mit der totalreflektierenden Fläche gebracht, wie in der Zeichnung dargestellt ist. In diesem Zustand wurde der Brennpunkt des Objektivspiegels auf diese totalreflektierende Fläche gebracht. In dem optischen System betrugen die Eintritts- und die Austrittswinkelapertur 60°. Die optische Weglänge im Inneren des Kristallelements wurde so eingestellt, daß sowohl der Brennpunkt des Kondensorspiegels als auch der Brennpunkt des Objektivspiegels zusammen auf einem Punkt der totalreflektierenden Fläche lagen.

Als zu untersuchende Probe wurde ein Querschnitt einer 12 µm dicken Schicht aus Polyvinylidenfluorid verwendet. Dieser Querschnitt wurde in innigen Kontakt mit dem Kristallelement gebracht. Aus einem Gesichtskreis mit 10 µm im Quadrat wurde ein ATR-IR-Absorptionsspektrum für Infrarotstrahlung erhalten. Das Spektrum ist in Fig. 7 gezeigt. Dieses ATR-IR-Spektrum des 12 µm breiten Querschnitts war klar. Dies zeigte, daß ein mikroskopischer Abschnitt mit Abmessungen in der Größenordnung von 10 µm in ausreichendem Maß analysiert werden kann.

Beispiel 2

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wurde das gleiche Kristallelement 14 wie im Beispiel 1 verwendet. Ein Verbundmaterial aus Asbest, Phenolharz und Cashew-Staub wurde als zu untersuchende Probe 16 verwendet. Die Oberfläche dieses Verbundmaterials wurde in innigen Kontakt mit derselben reflektierenden Oberfläche des Kristallelements gebracht. Es wurde eine Linienanalyse in Richtung der Pfeile durchgeführt, um 160mal hintereinander sukzessive ATR-IR-Absorptionsspektren zu erhalten. Die charakteristischen Absorptionsbänder, die typisch für die genannten Komponenten sind, nämlich Asbest, Phenolharz und Cashew-Staub, wurden extrahiert. Deren Absorptionsstärken wurden über der Lage der Meßpunkte aufgezeichnet. Das Ergebnis ist in Fig. 9 dargestellt, in der die gestrichelte Linie 25 die Absorptionskennlinie des Phenolharzes, die ausgezogene Linie 26 die Absorptionskennlinie von Asbest und die gestrichelte Linie 27 die Absorptionskennlinie von Cashew-Staub darstellt. Auf diese Weise wurde die Verteilung der Komponente auf der Oberfläche des Verbundmaterials deutlich voneinander unterschieden.

Beispiel 3

Es wurde das gleiche Kristallelement wie im Beispiel 1 verwendet. Auf die totalreflektierende Fläche wurden Feinteilchen aus roter Tinte aufgebracht. Die Oberfläche wurde mit einem Infrarotmikroskop visuell betrachtet. Da die beobachtete Fläche um 45° geneigt war, war das Bild der Tintenpartikel abgeflacht, konnte jedoch deutlich gesehen werden. Unter dieser Bedingung wurden ATR-IR-Absorptionsspektren der Tintenpartikel abgeleitet. Es konnten ATR-IR-Absorptionsspektren erhalten werden, während eine relativ kleiner Gegenstand betrachtet wurde, indem der Brennpunkt des Objektivspiegels auf die totalreflektierende Fläche eingestellt wurde.

Beispiel 4

Dem Zubehör für die ATR-IR-Messung gemäß Beispiel 1 wurde die in Fig. 10 dargestellte Steuereinrichtung hinzugefügt, mit der der Antriebsmechanismus gesteuert wurde, so daß eine automatische Linienanalyse oder Flächenanalyse durchführbar war. Das System enthält eine Einrichtung 28 zum Speichern eines Brechungsindex n, eine erste Speichereinrichtung 29 zum Speichern des halben Wertes i der Ausgangs-Winkelapertur in Luft des totalreflektierten Lichtstrahls, eine Einrichtung 30 zum Speichern des Winkels R, welcher zwischen der Flächennormalen der Proben-Oberfläche und der optischen Achse der austretenden Strahlen gebildet wird, eine erste Berechnungseinrichtung 31 zum Berechnen des halben Wertes γ der Austrittswinkelapertur in dem kristallinen Element des totalreflektierten Lichtstrahls, und eine zweite Speichereinrichtung 32 zum Speichern der Entfernung 1x, die in x-Richtung zurückgelegt wird, eine zweite Berechnungseinrichtung 33 zum Berechnen des Abstandes l_z, der in z-Richtung zurückgelegt wird, eine Steuereinrichtung 34, die den Proben-Halterabschnitt steuert, und einen Elektromotor 35, welcher den Proben-Halterabschnitt antreibt. Die x-, y- und z-Richtungen in Fig. 10 sind die gleichen, wie die x-, y- beziehungsweise z-Richtungen in Fig. 6.

Der in z-Richtung zurückgelegte Weg l_z wird von der zweiten Berechnungseinrichtung in der im folgenden beschriebenen Weise berechnet. Es sei angenommen, daß der Brennpunkt der Infrarotstrahlung und der Brennpunkt des Objektivspiegels auf der totalreflektierenden Fläche 12 in Fig. 11 liegen. Wenn der Lichtstrahl 36, der in Richtung auf den Objektivspiegel vor der Bewegung des Meßpunkts reflektiert wird, ersetzt wird durch den Lichtstrahl 37, der auf den Objektivspiegel nach der Bewegung des Meßpunkts reflektiert wird, so sind l_zb1 und l_za1 die Entfernungen von der Austrittsfläche 13 zu dem Brennpunkt des Objektivspiegels durch vor beziehungsweise nach der Bewegung des Brennpunkts. Ferner sind l_zb2 und l_za2 die Abstände von der Austrittsfläche 13 zum Brennpunkt des Objektivspiegels durch das Kristallelement vor beziehungsweise nach der Bewegung des Meßpunkts. Um den Brennpunkt des Objektivspiegels vor der Bewegung des Meßpunkts im Anschluß an die Bewegung auf die totalreflektierende Fläche zu bringen, muß man den Proben-Halterabschnitt über einen Weg l_zb1-l_za1=l_z in z-Richtung bewegen. Die Relationen in Fig. 11 sind durch folgende Beziehung wiedergegeben:

l_za1 · tan i = l_za2 · tan γ (3)

l_zb1 · tan i = l_zb2 · tan γ (4)

l_zb2-l_za2 = l_x · tan R (5)

n = sind i/sin γ (6)

Setzt man die Gleichungen (3) und (4) in den zu berechnenden zurückgelegten Weg l_z (=l_zb1-l_za1) ein, so ergibt dies

l_z = (l_zb2-l_za2) · tan γ/tan i

Durch Einsetzen von Gleichung (5) in diese Beziehung erhält man

l_z = l_x · tan R · tan γ/tan i

Da tan γ aus Gleichung (6) resultiert, wenn der Wert i gegeben ist, läßt sich l_z bestimmen, wenn die Werte R, i und n gegeben sind.

Beim vorliegenden Beispiel wurden der Objektivspiegel mit der Austrittswinkelapertur in Luft von 60° und das Kristallelement mit einem Brechungsindex von 2,4 verwendet. Bei diesem Kristallelement betrug der Winkel zwischen der Flächennormalen auf der totalreflektierenden Fläche und der optischen Achse der austretenden Strahlen 45°. Wenn der in x-Richtung von dem Meßpunkt zurückgelegte Weg l_x auf 100 µm eingestellt wurde, berechnete sich der in z-Richtung von dem Meßpunkt zurückzulegende Weg l_z zu 37 µm. Der Proben-Halterabschnitt wurde nach Maßgabe dieses Wertes nagetrieben, und es wurde eine Linienanalyse durchgeführt.

Beispiel 5

Gemäß Fig. 12 wird in einer dritten Speichereinrichtung 38 der Weg l_y gespeichert, der in y-Richtung zurückgelegt wird. Diese Speichereinrichtung ist dem System gemäß Beispiel 4, das anhand der Fig. 10 erläutert wurde, hinzugefügt. Das vorliegende System ermöglicht es, eine Linien- oder eine Flächenanalyse in beliebiger Richtung durchzuführen. Zwischen der Steuereinrichtung 34 des Proben-Trägerabschnitts und dem Antriebsmotor 35 dieses Abschnitts wurde eine Aktuatorsteuerung 39 eingefügt. Ein Stellungssensor 40 an den Proben-Halterabschnitt erfaßt den zurückgelegten Weg. Die Steuerung 39 konnte den Antriebsmotor 35 des Proben-Halterabschnitts ansprechend auf durch die Steuereinrichtung 34 des Proben-Halterabschnitts gegebene Befehle antreiben. Außerdem besteht hier die Möglichkeit, den Motor 35 durch direktes Eingeben des bis zu dem neuen Meßpunkt zurückzulegenden Wegs zu treiben. Das Ausgangssignal des Stellungssensors 40 kann entweder zu der Steuereinrichtung 34 des Proben-Halterabschnitts oder zu der Aktuatorsteuerung 39 zurückgekoppelt werden, um den Proben-Halterabschnitt exakt zu bewegen. Beim vorliegenden Beispiel läßt sich eine exakte automatische Einrichtung schaffen, da die Möglichkeit besteht, den Brennpunkt des Objektivspiegels an irgendeinem Meßpunkt automatisch einzustellen.

Beispiel 6

Bei diesem Beispiel wurde ein säulenförmiges Kristallelement 41 aus Zinkselenid mit Parallelogramm-Querschnitt gemäß Fig. 13 verwendet. Dieser Querschnitt besaß spitze Winkel von 45°. Die gesamte vertikale Länge des Kristallelements betrug 6 mm. Die Unter- und Oberseite waren 10,3 mm lang. Die Länge des kristallinen Elements entlang der Säulenachse betrug 15 mm. Dieses Kristallelement wurde an einem (nicht gezeigten) Halter befestigt und in einem (nicht gezeigten) optischen System eines Infrarotmikroskops angeordnet, genau wie bei dem in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Beispiel. Die optische Achse des Kondensorspiegels wurde in einem Abstand von 10,3 mm von der optischen Achse des Objektivspiegels eingestellt. Der Brennpunkt des Objektivspiegels wurde auf die totalreflektierende Fläche eingestellt. Bei diesem optischen System betrug die Eintrittswinkelapertur und die Austrittswinkelapertur jeweils 60°. Der Brennpunkt des Kondensorspiegels und der Brennpunkt des Objektivspiegels trafen sich im gleichen Punkt auf der totalreflektierenden Fläche.

Auf die totalreflektierende Fläche des Kristallelements 41 nach Fig. 14 wurde als Probe 16 rote Tinte, die feine Partikel mit einem Durchmesser von 50 µm enthielt, aufgebracht. Die von den feinen Partikeln innerhalb eines Sehfeldes von 10 µm im Quadrat reflektierte Infrarotstrahlung wurde durch einen Schlitz begrenzt, und dann wurde die Strahlung von einem Detektor erfaßt. Auf diese Weise wurde ein ATR-IR-Absorptionsspektrum erhalten. Dieses Spektrum ist in Fig. 15 dargestellt. Man sieht, daß das Spektrum klar ist, und daß ein mikroskopischer Abschnitt mit Abmessung in der Größenordnung von 10 µm ausreichend analysierbar ist.

Beispiel 7

Bei diesem Beispiel wurde die in Fig. 16 dargestellte Form des Kristallelements aus Zinkselenid verwendet. Die Probe wurde in Berührung gebracht mit der totalreflektierenden Fläche 43 gemäß Fig. 16(B). Auf dieser Oberfläche wurde gemäß Fig. 16(A) eine Skala 42 eingraviert. Das Muster der Skala ist in Fig. 17 und 18 durch Bezugszeichen 44 beziehungsweise 45 angedeutet. Das Muster 44 nach Fig. 17 ist für eine lokale Analyse ausgelegt. Das in Fig. 18 gezeigte Muster dient für eine Linien- oder eine Flächenanalyse. Das Muster 45 nach Fig. 18 wurde derart erzeugt, daß die Skala die Messung nicht beeinträchtigt, wenn eine Linien- oder eine Flächenanalyse durchgeführt wird. Eine ATR-IR-Messung von Acrylharz, welches sichtbares Licht kaum absorbiert, wurde mit diesem Kristallelement versucht.

Als Vergleichsbeispiel wurde ein Kristallelement verwendet, welches ähnlich dem vorliegenden Beispiel des Kristallelements ausgebildet ist, mit der Ausnahme, daß keine Skala vorhanden war. Es wurde sichtbares Licht als totalreflektiertes Licht eingeleitet, und die Probe wurde zu beobachten versucht. Diese Beobachtung ließ sich nicht durchführen.

Die Probe aus Acrylharz wurde in Berührung gebracht mit der totalreflektierenden Fläche des vorliegenden Ausführungsbeispiels des Kristallelements, dessen Fläche mit der in Fig. 17 gezeigten Skala ausgestattet war. Die Probe wurde unter einem optischen Mikroskop betrachtet. Jetzt wurden sowohl die Probe als auch die eingravierte Skala des Kristallelements beobachtet. Der an der zehnten vertikalen Markierung gelegene Punkt und der an der zehnten horizontalen Markierung gelegene Punkt wurde einer Punktanalyse unterzogen. Das Kristallelement wurde für ATR-IR-Messungen zu dem Mikroskop transportiert, während die Probe in Anlage mit dem Element gehalten wurde. Sichtbares Licht wurde als totalreflektiertes Licht eingeleitet, und der Brennpunkt wurde durch Positionieren des Proben-Halterabschnitts eingestellt. Es wurde herausgefunden, daß lediglich die Skala auf der Kristallelementfläche bestätigt werden konnte. Dieser Brennpunkt wurde in die Position gebracht, die durch die zehnte vertikale und die zehnte horizontale Markierung gekennzeichnet ist. Die vertikale Richtung war diejenige entlang der Achse des säulenförmigen Kristallelements. Infrarotstrahlung wurde eingeleitet, um ATR-IR-Absorptionsspektren für die Punktanalyse zu erhalten. Es wurde ein Kristallelement mit genau der gleichen Form und dem gleichen Skalenmuster, wie es in Fig. 18 gezeigt wird, verwendet. Infrarotstrahlung wurde auf die Stelle fokussiert, die durch die zehnte vertikale und die zehnte horizontale Markierung gekennzeichnet ist, und es wurde ein ATR-IR-Absorptionsspektrum in genau der gleichen Weise wie beim oben beschriebenen Prozeß erhalten. Dann wurde ein Spektrum in ähnlicher Weise von einer Stelle erhalten, die durch die elfte vertikale und die zehnte horizontale Markierung gekennzeichnet ist. Dieser Vorgang wurde sukzessive wiederholt, indem unter Beibehaltung der horizontalen Position auf der zehnten Markierung die vertikale Markierung erhöht oder verschoben wurde. Dadurch erhielt man eine Linienanalyse der Probe. Es wurden Spektren aus einer Linie mit einer Länge von 1 mm erhalten.

Beispiel 8

Es wurde eine Skala mit dem in Fig. 17 gezeigten Muster 47 in die totalreflektierende Fläche 46 eines aus Zinkselenid bestehenden Kristallelements eingraviert. Dieses Kristallelement besaß den in Fig. 19 skizzierten Trapez-Querschnitt. Es wurde ähnlich wie bei der Messung im Beispiel 7 eine Punktanalyse durchgeführt, mit der Ausnahme, daß ein Infrarotmikroskop verwendet wurde, bei dem die optische Achse der eintretenden Strahlen rechtwinklig zu der optischen Achse des Objektivspiegels orientiert war. Auf diese Weise wurden aus einem mikroskopischen Abschnitt ATR-IR-Spektren erhalten.

Beispiel 9

Es wurde eine Skala mit dem in Fig. 18 dargestellten Muster 49 in die totalreflektierende Fläche 48 eines aus Zinkelenid bestehenden, säulenförmigen Kristallelements eingraviert. Dieses Element wurde mit dem in Fig. 20 gezeigten dreieckigen Querschnitt verwendet. Es erfolgt eine Analyse ähnlich wie beim Beispiel 7, mit der Ausnahme, daß ein Infrarotmikroskop verwendet wurde, bei dem die optische Achse der eintretenden Strahlen rechtwinklig zu der optischen Achse des Objektivspiegels orientiert war.

Claims (14)

1. Zubehörteil für die Infrarotspektroskopie mit gedämpfter Totalreflexion (ATR-IR-Spektroskopie), umfassend:
einen Kondensorspiegel zum Sammeln von Infrarotstrahlen,
einen Proben-Halterabschnitt zum Haltern eines Kristallelements und einer zu untersuchenden Probe, wobei das Kristallelement
eine Eintrittsfläche, auf die Infrarotlicht von dem Kondensorspiegel fällt,
eine totalreflektierende Fläche, mit der die Probe in Berührung steht, und die eine einzelne Totalreflexion der Infrarotstrahlung zuläßt, und
eine Austrittsfläche, über die die Infrarotstrahlung schließlich aus dem Kristallelement austritt, aufweist,
einen Schlitz, der selektiv die aus der Austrittsfläche austretende Infrarotstrahlung durchläßt, und
einen Objektivspiegel, der gegenüber der Austrittsfläche des Kristallelements angeordnet ist und auf einen Meßpunkt der mit der totalreflektierenden Fläche in Berührung stehenden Probe scharfeinstellbar ist, wobei die optische Weglänge des Teils derart eingestellt ist, daß der Sammelpunkt der Infrarotstrahlung auf der totalreflektierenden Fläche des Kristallelements liegt.

2. Zubehörteil nach Anspruch 1, bei dem das Kristallelement eine Säule ist, deren Eintrittsfläche, totalreflektierende Fläche und Austrittsfläche Planflächen parallel zur Säulenachse und der Achse sind, die sich rechtwinklig zu der optischen Achse der austretenden Strahlen erstreckt, wobei der Proben-Halterabschnitt einen Antriebsmechanismus besitzt, der das Kristallelement zumindest entlang der Säulenachse translatorisch zu bewegen vermag.

3. Zubehörteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Achse des Kondensorspiegels und die Achse des Objektivspiegels nicht auf derselben Linie liegen.

4. Zubehörteil nach Anspruch 1, bei dem das Kristallelement die Form einer Säule hat, deren Eintrittsfläche, totalreflektierende Fläche und Austrittsfläche Planflächen parallel zur Säulenachse und der Achse sind, die sich rechtwinklig zur optischen Achse der austretenden Strahlen erstreckt, wobei der Proben-Halterabschnitt einen Antriebsmechanismus besitzt, der das Kristallelement beliebig in drei Dimensionen zu versetzen vermag, wobei der Antriebsmechanismus eine Vorhersage-Einrichtung (Prognose-Einrichtung) zum Berechnen des Bewegungshubs entlang der Achse der austretenden Strahlen zum Einstellen des Brennpunkts des Objektivspiegels auf einen Meßpunkt der Probenfläche, wenn das Kristallelement nicht parallel zur Säulenachse versetzt wird, sowie eine Steuereinrichtung zum Betätigen des Antriebsmechanismus nach Maßgabe der Berechnungsergebnisse aufweist.

5. Zubehörteil nach Anspruch 4, bei dem die Steuereinrichtung aufweist:
eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Austrittswinkelapertur des Lichtstrahls in dem Kristallelement aus dem Brechungsindex des säulenförmigen Kristallelements sowie aus der Austrittswinkelapertur des Lichtstrahls in Luft,
eine erste Speichereinrichtung zum Speichern des Winkels, der zwischen der Flächennormalen der totalreflektierenden Fläche des Kristallelements und der optischen Achse der austretenden Strahlen in der totalreflektierenden Fläche gebildet wird,
eine zweite Speichereinrichtung zum Speichern einer Komponente des Vektors, der von dem Meßpunkt vor der Bewegung zu dem Meßpunkt nach der Bewegung gezogen wird, wobei die Komponente sich zur x-Richtung orientiert, die senkrecht auf der z-Richtung der optischen Achse der austretenden Strahlen des totalreflektierten Lichts steht, und außerdem zur y-Richtung, der Achse des säulenförmigen Kristallelements,
eine zweite Berechnungseinrichtung zum Berechnen des Wegs, um den das Kristallelement in z-Richtung wandert, und zwar aus den Austrittswinkelaperturen in Luft und dem Kristallelement sowie aus der Komponente des Vektors in x-Richtung, und
eine Einrichtung zur Steuerung des Betriebs des Proben-Halterabschnitts nach Maßgabe der x- und z-Komponenten des Vektors.

6. Zubehörteil nach Anspruch 5, bei dem die Steuereinrichtung außerdem enthält:
eine Speichereinrichtung zum Speichern der y-Komponente des von dem Meßpunkt vor der Bewegung zu dem Meßpunkt nach der Bewegung gezogenen Vektors.

7. Kristallelement, welches auf einem Halterabschnitt eines Zubehörteils für die ATR-IR-Spektroskopie angeordnet wird, wobei der Halterabschnitt eine zu untersuchende Probe hält, gekennzeichnet durch:
eine Eintrittsfläche, auf die von einem Kondensorspiegel kommende Infrarotstrahlung einfällt,
eine totalreflektierende Fläche, mit der die Probe in Berührung gebracht wird, und die die Infrarotstrahlung total reflektiert,
mindestens drei reflektierende Flächen, welche die totalreflektierende Fläche enthalten und die Wirkung haben, die Richtung der einfallenden Strahlung zu ändern, und
eine Austrittsfläche, durch die die Infrarotstrahlung schließlich das Kristallelement verläßt, wobei die reflektierenden Flächen derart orientiert sind, daß die optische Achse der einfallenden Strahlen übereinstimmt mit der optischen Achse der austretenden Strahlung.

8. Kristallelement nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Säulenform mit fünfeckigem Querschnitt, wobei eine Ecke nach innen zurückspringt.

9. Kristallelement nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Säulenform mit sechseckigem Querschnitt, wobei eine Ecke nach innen zurückspringt.

10. Zubehörteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Kristallelement aufweist:
eine Eintrittsfläche, auf die von dem Kondensorspiegel Infrarotstrahlung einfällt,
eine totalreflektierende Fläche, mit der die Probe in Berührung steht, und die die Infrarotstrahlung totalreflektiert,
mindestens drei reflektierende Flächen, die die totalreflektierende Fläche beinhalten und die Wirkung haben, die Richtung der einfallenden Strahlen zu ändern, und
eine Austrittsfläche, über die die Infrarotstrahlung das Kristallelement schließlich verläßt, wobei die reflektierenden Flächen derart orientiert sind, daß die optische Achse der einfallenden Strahlung mit der optischen Achse der austretenden Strahlung übereinstimmt.

11. Kristallelement mit mindestens einer totalreflektierenden Fläche, mit der eine Probe für ATR-IR-Messungen in Berührung gebracht wird, und die mindestens eine Skala besitzt, die in der Fläche mit einer Tiefe eingraviert ist, die über die Oberflächenrauheit dieser totalreflektierenden Fläche hinausgeht.

12. Kristallelement nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Säulenform mit einem fünfeckigen Querschnitt, wobei eine Ecke nach innen zurückspringt.

13. Kristallelement nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Säulenform mit einem sechseckigen Querschnitt, wobei eine Ecke nach innen zurückspringt.

14. Zubehörteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallelement mindestens eine totalreflektierende Fläche aufweist, mit der eine Probe für ATR-IR-Messungen in Kontakt steht, und die mindestens eine Skala aufweist, die in der Fläche mit einer Tiefe eingraviert ist, die über die Oberflächenrauheit der totalreflektierenden Fläche hinausgeht.