DE4201024A1 - Tragbares spektralphotometer zur in situ untersuchung des absorptionsspektrums eines stoffes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein tragbares Spektralphotometer, das es ermöglicht, das Absorptionsspektrum eines Stoffes, beispielsweise einer Flüssigkeit, deren Zusammensetzung untersucht werden soll, in situ zu untersuchen.

Bekannterweise umfassen Spektralphotometer ein optisches Streusystem, das aus einem Kollimator besteht, der von einem Objektiv (vorzugsweise ein achromatisches Doppelobjektiv) gebildet wird, dessen Fokus mit einem durch die zu analysierende Strahlung beleuchteten Schlitz versehen ist. Die sich am Ausgang dieses Objektivs verteilenden Wellen werden auf ein Dispersions­ element geleitet (Prisma, Gitter...), das sie je nach ihrer Wellenlänge unterschiedlich ablenkt.

Die so abgelenkten ebenen Wellen werden dann fokussiert und bilden auf einem Untersuchungsbereich eine das Strahlungsspektrum darstellende Folge von Abbildern der Lichtquelle. Dieses Spektrum wird dann mit Hilfe eines optoelektronischen Systems untersucht.

Bei herkömmlichen Spektralphotometern werden die Dispersionsele­ mente im allgemeinen durch Gitter gebildet, mit denen sich wesentlich höhere Auflösungsleistungen erzielen lassen als mit Prismen.

Sehr rasch fiel die Wahl der Konstrukteure auf Reflexionsgitter, bzw. Übertragungsgitter, deren Spektrum weniger breit ist und, da sie vom Licht durchquert werden, Verzerrungen hervorrufen. Diese resultieren aus Mängeln an Präzision und Homogenität des vom Licht durchquerten Stoffes und aus den Absorptionseigenschaf­ ten dieses Stoffes.

Sind diese Gitter konkav, dann weisen sie darüber hinaus den Vorteil auf, daß wenigstens eines der beiden bei der Photometrie verwendeten Objektive entfallen können, und zwar: das zur Parallelisierung der von der Strahlungsquelle kommenden Strahlen verwendete Objektiv und/oder dasjenige Objektiv, mit dem die im Unendlichen gebildeten Beugungsspektren auf eine endliche Entfernung gebracht werden.

Es zeigt sich, daß diese Spektralphotometer mit reflektierenden Gittern zwar ausgezeichnete Laborgeräte sind, sich aber nicht für die Ausführung tragbarer Geräte eignen, mit denen Analysen in situ durchzuführen sind, beispielsweise Analysen zur Bestimmung des Wassers auf seinen Gehalt an bestimmten Schadstoffen.

Das Reflexionsgitter, das im allgemeinen durch Metallaufdampfen unter Vakuum hergestellt wird, ist nämlich ein kostspieliges und sehr zerbrechliches Element, das gegenüber Staub und Feuchtigkeit sehr empfindlich ist und sehr schnell seine Eigenschaften verliert, vor allem durch Oxydation, Korrosion oder Abnutzung.

Außerdem setzen diese Spektralphotometer optoelektronische Konstruktionen unter Verwendung eines beweglichen Detektors ein, der das von dem Gitter erzeugte Spektrum abtasten kann. Diese Konstruktionen erfordern hochgenaue mechanische Vorrichtungen mit geeigneter Kinematik, was mit der Konstruktion eines tragbaren Geräts zur Verwendung in situ unter schwierigen Bedingungen kaum vereinbar ist.

Ziel der Erfindung ist daher vor allem die Ausschaltung dieser Nachteile, um ein preiswertes tragbares Spektralphotometer zu schaffen, das aber auch robust und zuverlässig ist, gegenüber Feuchtigkeit oder einer aggressiven oder korrodierenden Atmos­ phäre unempfindlich, und das kein bewegliches Teil noch eine reflektierende Oberfläche aufweist, die korrosionsempfindlich ist.

Um dies zu erreichen, geht die Erfindung von der Feststellung aus, daß es im Rahmen von Analysen, die mittels eines tragbaren Geräts in situ durchgeführt werden, beispielsweise das Erfassen bestimmter Schadstoffe im Wasser, nicht notwendig ist, eine so große Wellenlänge abzutasten wie diejenige eines herkömmlichen Laborspektralphotometers, und daher von der herkömmlichen Vorstellung derzeit verwendeter Spektralphotometer Abstand genommen werden kann.

Die Erfindung schafft daher ein Spektralphotometer, bei dem das Dispersionselement aus einem Doppelobjektiv mit einem an eine Fokussierlinse angebauten Übertragungsgitter besteht und ein statisches optoelektronisches Untersuchungssystem umfaßt, das eine Vielfalt von Untersuchungsbereichen einsetzt, die sich im Untersuchungsgebiet befinden (das den Ort der Entstehung der durch das Doppelobjektiv erzeugten Abbilder deckt).

Vorteilhafterweise kann das Untersuchungssystem eine mit Schlitzen versehene, in dem vorgenannten Untersuchungsgebiet befindliche Maske aufweisen und eine Vielzahl optoelektronischer Zellen, die mit den jeweiligen Schlitzen verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines eine sphärische Linse verwendenden Spektralphotometers,

Fig. 2 ist eine Fig. 1 ähnliche Darstellung, wobei aber der von der Linse verwendete Fokussierbereich im wesentli­ chen plan ist,

Fig. 3 ist ein Diagramm der Fokussierorte in einer Ebene XOY für ein Doppelobjektiv mit sphärischer Linse des in Fig. 1 dargestellten Spektralphotometers.

Bei beiden Beispielen setzt das spektralphotometer ein Untersu­ chungsgefäß ein, das dazu dient, die Flüssigkeit aufzunehmen, deren Absorptionsspektrum gemessen werden soll, und das eine durchscheinende Wandung T1, T2 an mindestens zwei entgegengesetz­ ten Stellen aufweist.

Gefäß 1 wird durch eine Halogenquelle S mittels einer Konvexlinse L1 beleuchtet, die so ausgebildet ist, daß sie das Abbild des Glühfadens der Lichtquelle S1 im Mittelpunkt des Gefäßes 1 erzeugt (auf halber Strecke zwischen den durchscheinenden Flächen I1, I2).

Dieses Abbild wird auf dem Eingangsschlitz F eines Spektrographen durch eine seitlich zur Fläche F2 des Gefäßes 1 angeordnete Fokussierlinse L2 wiedergegeben.

Der Spektrograph umfaßt im wesentlichen ein Doppelobjektiv D, das aus einer plankonvexen Kollimationslinse L3 besteht, die mit ihrer planen Oberfläche an ein zur Übertragung dienendes planes Gitter R angebaut ist, wobei das Gitter so ausgerichtet ist, daß seine gravierte Fläche an der Linse L3 anliegt und daher durch diese geschützt wird.

Das in Höhe des Eingangsschlitzes F durch das leuchtende Abbild des Glühfadens der Lichtquelle S erzeugte und durch die Linse L3 fokussierte Licht wird durch das Gitter R in Abhängigkeit der Längen der das Licht bildenden Strahlungswellen abgelenkt.

Man erzielt damit, anstatt ein einziges Abbild des Schlitzes F zu erhalten, wie dies bei Weglassen des Gitters F der Fall wäre, eine Vielzahl von Abbildern, die sich in einem Bildfokalbereich Z in Abhängigkeit der Wellenlängen abstufen, wobei diese Abstufung von Abbildern das zu analysierende Spektrum bildet.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist die Linse L3 plan/ sphärisch, so daß der Bildfokalbereich (Ort der Abbilder des Schlitzes F in Abhängigkeit der Wellenlänge) einwärts gekrümmt ist.

Beispielhaft zeigt Fig. 3 den Verlauf eines Fokalgebiets eines Doppelobjektivs D, dessen ballig ausgebildete plan/sphärische Linse einen Krümmungsradius von 32 mm und eine Axialdicke von 3 mm aufweist, wobei sich dieses Doppelobjektiv in einem Abstand von 95 mm von der Linse befindet, mit einer Neigung von 7,9° zur optischen Achse.

Auf dieser Figur zeigt die ovale Kurve C1 den Ort der Fokussie­ rungen der Linse L3 bei einem mittleren Brechungsindex n = 600 (Rowland-Kreis - Kurve aufgrund des Beleuchtungseffekts eines kreisförmigen optischen Teils außerhalb seiner Auflösungsachse und der Schwankung des Brechungsindex des Linsenwerkstoffs).

Kurve C2 bildet ihrerseits den Ort der Abbilder von Schlitz F bei Strahlungswellenlängen zwischen 400 und 800 nm.

Bei dem Beispiel gemäß Fig. 1 wird der Bildfokalbereich durch eine mit Schlitzen versehene einwärts gekrümmte Maske M gebildet, deren Schlitze f1, .. fn jeweils einer Linie des zu untersuchen­ den Spektrums entsprechen. Die von diesen Schlitzen f1, .. fn aufgenommene Strahlung wird von optischen Fasern 2 kanalisiert, die mit Photodioden p1, .. pn verbunden sind, die zu einem elektronischen Untersuchungsstromkreis A gehören.

Es ist ersichtlich, daß sich die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.

Kann man sich beispielsweise auf ein breites Durchgangsband (10 nm oder darüber) beschränken, dann läßt sich bei bestimmten geometrischen Anordnungen der Fokalbereich Z′ einer Ebene annähern (geometrische Stellung des Doppelobjektivs, Einfallwin­ kel der Lichtstrahlen).

In diesem Fall kann der Fokalbereich Z′ durch die empfindliche Oberfläche einer Leiste B von Photodioden verwirklicht werden, die Teil des elektronischen Untersuchungsstromkreises A bilden (Fig. 2).

So ist es auch möglich, zwischen den Schlitz F und das Doppelob­ jektiv D ein Objektiv L4 (gestrichelt dargestellt) einzufügen, um das Abbild von Schlitz F ins Unendliche zu kollimieren, und um das Doppelobjektiv D (Gitter R seitlich zum Objektiv L4 angeordnet) zurückzuführen, wobei die Linse L′3 dann dazu dient, die durch das Gitter abgelenkten Abbilder in den Fokalbereich Z′ zu führen.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Spektralphotometer besteht darin, daß sie vollkommen statisch sind und kein bewegliches Bauteil aufweisen, so daß alle ihre optischen und optoelektroni­ schen Bauteile in einer völlig abgedichteten Umgebung unterge­ bracht werden können. Außerdem ist das zur Übertragung dienende Gitter R durch die Linse L3 geschützt, an die es angebaut ist.

Damit entstehen keine Probleme mehr in bezug auf Korrosionsan­ griffe oder Funktionsänderungen aufgrund äußerer Einflüsse.

Außerdem kann der Energieverbrauch des Spektralphotometers zugunsten seines Aktionsbereiches vermindert werden, vor allem indem die Lichtquelle S nur für den Augenblick der Messungen eingeschaltet wird.

In diesem Fall erfolgt eine bichromatische Messung, indem die Intensität einer Spektrallinie als Bezugswert zur Messung der Intensität der gesuchten Spektrallinien verwendet wird.

Claims (6)

1. Tragbares Spektralphotometer zur in situ Untersuchung des Absorptionsspektrums eines Stoffes, mit einem optischen Dispersionselement, das von einer Lichtquelle stammende Wellen, die den Stoff durchquert haben, aufgrund der Länge dieser Wellen ablenkt, um in einem Untersuchungsgebiet eine Folge von Abbildern der Lichtquelle zu schaffen, wobei diese Folge das Absorptionsspektrum bildet, dadurch gekennzeich­ net, daß das optische Dispersionselement aus einem Doppelob­ jektiv (D) mit einem an eine Fokussierlinse (L3) angebauten, zur Übertragung dienenden Gitter (R) besteht, sowie ein statisches,optoelektronischesUntersuchungssystem mit einer Vielzahl von Untersuchungsbereichen innerhalb des Untersu­ chungsgebiets (Z) umfaßt.

2. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersuchungssystem eine mit Schlitzen (f1 bis fn) versehene und in dem Untersuchungsgebiet (Z) angeordnete Maske (M) aufweist, sowie eine Vielzahl optoelektronischer Zellen (p1 bis pn), die mit den Schlitzen (f1 bis fn) verbunden sind.

3. Spektralphotometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse L3 des Doppelobjektivs (D) eine sphärische Fläche aufweist und die mit Schlitzen (f1 bis fn) versehene Maske (M) in diesem Fall einwärts gekrümmt ist.

4. Spektralphotometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Verbindung zwischen den Schlitzen (f1 bis fn) und den optoelektronischen Zellen (p1 bis pn) durch optische Fasern (2) erzielt wird.

5. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Stellung des Doppelobjektivs (D) und der Einfallwinkel der auf das Doppelobjektiv einfallenden Lichtstrahlen so berechnet werden, daß ein im wesentlichen planes Untersuchungsgebiet erhalten wird, und daß dieses Untersuchungsgebiet durch die empfindliche Oberfläche einer Leiste (P) von Photodioden verwirklicht wird, die Teil eines elektronischen Untersuchungsstromkreises (A) bilden.

6. Spektralphotometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Gefäß (1) aufweist, das durch eine Lichtquelle (S) mittels einer Konvexlinse beleuchtet wird, die dazu dient, das Abbild des Glühfadens der Quelle (S1) im Mittelpunkt des Gefäßes (1) zu erzeugen, und daß dieses Abbild mit Hilfe einer Fokussierlinse (L2) auf einem Schlitz (F) erzeugt wird, und daß das Doppelobjek­ tiv (D) auf der Achse des Schlitzes (F) ausgerichtet ist, um innerhalb eines Bildfokalbereiches (Z) eine Folge von Abbildern dieses Schlitzes (F) zu erzeugen, die das herzustellende Spektrum darstellt.