DE4214186A1 - Monochromator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Monochromator der im Oberbe­ griff des Anspruches 1 genannten Art.

Monochromatoren der genannten Art sind Spektralapparate, die aus einem von einem Gitter erzeugten Spektrum mit einem Austrittsspalt einen sehr schmalbandigen Bereich ausblen­ den. Bei Drehung des Gitters fährt das Spektrum am Gitter vorbei, so daß je nach Winkelstellung des Gitters bestimmte Lichtfrequenzen untersucht werden können. Wird das Gitter laufend geschwenkt, so kann ein ganzes Spektrum gescannt werden.

Gitter werden wegen ihrer hohen Auflösung verwendet, haben aber den Nachteil, daß sie stets Spektren in mehreren Ord­ nungen erzeugen. Die 0. Ordnung ist nicht verwendbar, da sie keine Spektralzerlegung aufweist. Die nachfolgenden Ordnungen weisen abnehmende Lichtintensität und steigende Dispersion (Spektralauflösung) auf. Aus Intensitätsgründen wird zumeist die I. Ordnung verwendet. Störend dabei ist aber, daß sich die unterschiedlichen Ordnungen überlappen. Langwelliges Licht der II. Ordnung liegt an der Stelle kurzwelligen Lichtes der I. Ordnung. Daher sind die erwähn­ ten Kantenfilter erforderlich, die nur oberhalb einer Kan­ tenwellenlänge Licht durchlassen und somit geeignet sind, bei Betrachtung des Lichtes der I. Ordnung das Licht der II. Ordnung auszufiltern. Das funktioniert aber nur in einem bestimmten Spektralbereich. Wird beispielsweise mit einem Kantenfilter von 800 nm Kantenwellenlänge gearbeitet, soll aber kürzerwelliges Licht betrachtet werden, so muß das Kantenfilter aus dem Strahlengang geschwenkt oder durch ein Filter kürzerer Kantenwellenlänge ersetzt werden.

Bei bekannten Monochromatoren sind zu diesem Zweck Kanten­ filter derart angeordnet, daß sie bei Über- bzw. Unter­ schreiten bestimmter Drehwinkel des Gitters ein- und ausge­ schwenkt werden. Dies hat aber den Nachteil, daß während des Ein- und Ausschwenkens der Filter die Drehbewegung des Gitters angehalten werden muß. Schnelle Gitterbewegungen und damit ein schnelles Scannen großer Spektralbereiche ist mit den bekannten Konstruktionen nicht möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Monochromator der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem größere Spektralbereiche mit großer Geschwindigkeit und insbesondere kontinuierlich gescannt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der mit einem Kantenfilter abzudeckende Spektralbereich zum erzeug­ ten Spektrum feststeht. Ein Filter muß also in einem Spek­ trum beispielsweise der I. Ordnung einen Bereich zwischen zwei feststehenden Wellenlängen abdecken. Das Spektrum bewegt sich mit der Winkelgeschwindigkeit des Gitters. Wird das Filter auf seinem Radius zur Drehachse des Gitters im entsprechenden Spektralbereich positioniert, so kann es mit dem Gitter kontinuierlich geschwenkt werden. Ein geson­ dertes Ein- und Ausschwenken des Filters mit einem eigenen, getrennt vom Gitterantrieb vorgesehenen Antrieb ist daher nicht erforderlich. Da das Filter kontinuierlich mit dem Gitter geschwenkt wird, muß die Gitterverschwenkung nicht mehr zum Filterwechsel unterbrochen werden. Es lassen sich sehr hohe und insbesondere kontinuierliche Scangeschwin­ digkeiten erreichen.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Bei Vorsehen mehrerer Filter unterschiedlicher Kantenwel­ lenlänge ist die Erfindung besonders vorteilhaft, da ledig­ lich ein Filter mit untereinander feststehenden unter­ schiedlichen Bereichen mit dem Spiegel geschwenkt wird. Das mehrfache Unterbrechen der Schwenkbewegung zum Zwecke des Filterwechsels entfällt.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgesehen. Das Filter soll möglichst eng am Austrittsspalt sitzen, auf dessen Radius vom Gitter das Spektrum fokus­ siert ist. Es ist also ein die Filterbewegung mit der Git­ terbewegung koppelndes Getriebe erheblicher Länge erforder­ lich. Wird dieses als einfacher, das Filter tragender, mit dem Gitter schwenkender Arm größerer Länge ausgebildet, so ergeben sich Schwingungsprobleme. Bei der gewählten Ausfüh­ rung werden diese vermieden, insbesondere mit der Ausführung des Anspruches 4, bei dem das Koppelgetriebe mit einem Zahnriemen arbeitet. Dieser ergibt bei hoher Antriebspräzi­ sion auch bei groben Scangeschwindigkeiten aufgrund seiner Eigendämpfung eine schwingungs- und lärmarme Übertragung.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 5 vorgesehen. Auf diese Weise läßt sich der Antrieb, insbe­ sondere auch hinsichtlich der Filterverschwenkung, sinus­ förmig, also mit niedrigstmöglichen Beschleunigungskräften ausbilden, wobei die Merkmale des Anspruches 6 für die er­ forderliche Ansteuerungspräzision sorgen.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste vereinfachte Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Monochromators in Draufsicht

Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1 einer bevorzug­ ten Ausführungsform des Monochromators,

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 in Fig. 2 und

Fig. 5 eine schematische Ansicht entsprechend Fig. 3 mit Darstellung des Spektrums in I. und II. Ordnung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der dargestellte Mono­ chromator ein Gehäuse auf mit einer nicht dargestellten, parallel zur Zeichnungsebene erstreckten Grundplatte und einer nur ausschnittsweise dargestellten umlaufenden Wand 1, in der stark schematisiert ein Eintrittsspalt 2 und ein Austrittsspalt 3 dargestellt sind.

Um eine mit einem gestrichelten Kreis angedeutete Drehachse 4 schwenkbar ist ein Gitter 5 vorgesehen. Dieses besteht in einer der üblichen Bauweisen aus einer stabilen Platte, auf deren durch die Drehachse verlaufenden Fläche in geeigneter Weise ein Gitter angeordnet ist, beispielsweise in Form ge­ ätzter Linien. Je nach Bauausführung kann die das Gitter tragende Fläche auch beispielsweise konkav ausgebildet sein.

Das Gitter 5 steht auf einer Drehplatte 6, von der es um die Drehachse 4 gedreht werden kann. Dazu greift an einem Drehzapfen 7 eine Schubstange 8 an, deren anderes Ende auf einem Drehzapfen 9 einer Kurbel 10 gelagert ist, welche auf der Abtriebswelle 11 eines elektrischen Schrittmotors 12 befestigt ist.

Wenn der Schrittmotor 12, wie mit einem Pfeil dargestellt, kontinuierlich umläuft, so ergibt sich für das Gitter 5 eine Hin- und Herschwenkbewegung in einem gewissen Winkel­ bereich.

Die Motoransteuerung kann dadurch vereinfacht werden, daß an der das Gitter 5 tragenden Drehplatte 6 eine bestimmte Winkelstellung abgegriffen wird. Dazu ist, wie Fig. 1 zeigt, an der Drehplatte 6 eine Sektorblende 13 vorgesehen, die eine Markierung 14 trägt. Diese wird von einer Licht­ schranke 15 gelesen.

Die Lichtschranke 15 und der Schrittmotor 12 sind mit Lei­ tungen 16 bzw. 17 an nicht dargestellte elektronische Steuereinrichtungen angeschlossen, die den Schrittmotor 12 wahlweise zu kontinuierlichem Dauerbetrieb oder zum Ein­ stellen einer bestimmten Winkelposition des Gitters 5 an­ steuern können, und die Ausgangssignale erzeugen können, mit denen nicht dargestellte Meßauswerteinrichtungen in Ab­ hängigkeit von der Winkelstellung des Gitters 5 die einge­ stellte Spektralfrequenz ermitteln.

Ein zu analysierender einfallender Lichtstrahl 18 (gestri­ chelt) fällt vom Eintrittsspalt 2 her auf das Gitter 5 und wird von diesem in spektraler Zerlegung in Richtung zum Austrittsspalt 3 gebeugt. In Fig. 1 sind die Austritts­ richtungen für die Lichtwellenlängen 400, 800, 1200 und 1600 nm der I. Ordnung gestrichelt angegeben. In der dargestellten Winkelstellung des Gitters 5 fällt die Wellenlänge 800 nm auf den Austrittsspalt 3 und wird von diesem in engem Wellenlängenbereich monochromatisch ausge­ blendet. Ein nicht dargestellter nachgeschalteter Detektor kann die Intensität messen.

Wird das Gitter 5 um seine Drehachse 4 um einen Winkel ge­ dreht, beispielsweise um 5° nach rechts gedreht, so schwenkt das Spektrum um denselben Winkel, also ebenfalls um 50 nach rechts. Es würde dann beispielsweise die Fre­ quenz 400 nm auf den Austrittsspalt 3 fallen. Auf diese Weise kann durch Verschwenken des Gitters 5 mittels des Schrittmotors 12 der Spektralbereich abgefahren werden. Dreht der Schrittmotor 12 laufend, so wird der Spektralbe­ reich ständig rauf und runter gescannt. Ein dem Spalt 3 nachgeschalteter Detektor mit angeschlossener Auswert­ einrichtung kann somit ein ganzes Spektrum ermitteln und durch Mehrfachscannung im Samplingverfahren mit hohem Signal/Rauschabstand ermitteln. Wird mit hoher Geschwindig­ keit gescannt, so können auch langsame Veränderungen im einfallenden Strahl 18 unter Mehrfachscannung genau beobachtet werden.

Fig. 5 zeigt entsprechend dem Schnitt der Linie 3-3 in Fig. 1 in Draufsicht von innen auf den Spalt 3 das Spek­ trum. Es ist dabei zu beachten, das Gitter stets Spektren mehrerer Ordnungen erzeugen. In der Regel wird mit dem Spektrum I. Ordnung gemessen, das von den brauchbaren Ord­ nungen die höchste Lichtintensität hat. Auf der in Fig. 5 unteren gestrichelten Linie, die links mit I bezeichnet ist, sind die Wellenlängen des Spektrums I. Ordnung in Na­ nometer (nm) dargestellt. In der dargestellten Lage des Spektrums fällt die Wellenlänge 1050 nm der ersten Ordnung auf den Austrittsspalt 3.

In Fig. 5 sind auch die Wellenlängen der II. Ordnung auf der oberen gestrichelten Linie dargestellt. In gleicher Winkelstellung haben diese die halbe Wellenlänge des Spek­ trums der I. Ordnung. Es fällt also die Wellenlänge 525 nm der II. Ordnung ebenfalls auf den Austrittsspalt 3. Der nachgeschaltete Sensor würde beide durch den Austrittsspalt 3 fallende Wellenlängen erfassen und könnte in der Regel zwischen diesen nicht unterscheiden. Eindeutige Meßergeb­ nisse wären nicht möglich.

Daher ist, wie Fig. 5 zeigt, dem Spalt 3 ein Kantenfilter 19 vorgeschaltet, das eine Kantenwellenlänge von beispiels­ weise 800 nm aufweist, also nur oberhalb dieser Wellenlänge durchläßt, darunter aber lichtundurchlässig ist.

Bei bekannten Monochromatoren nach dem Stand der Technik wäre ein solches Kantenfilter 19 stationär, aber weg­ schwenkbar vor dem Austrittsspalt 3 angeordnet und könnte dort zur Auswertung oberhalb der Wellenlängen von 800 nm I. Ordnung positioniert bleiben. Unterhalb dieser Wellenlänge bei weiterem Durchfahren des Spektrums wäre es wegzuschwen­ ken und erforderlichenfalls durch ein weiteres Kantenfilter 20 der Kantenwellenlänge 500 nm zu ersetzen, das herunter bis etwa 600 nm I. Ordnung verwendet werden kann. Wird je nach Meßanforderung nur ein enger Spektralbereich benötigt, so kommt man mit einem Kantenfilter aus.

Mit der Erfindung werden die Filter anders bewegt. In einem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sitzen die Kantenfil­ ter 19 und 20 nebeneinander auf einem Arm 21, der radial abstehend an der Drehplatte 6 befestigt ist. Da das Spek­ trum genau mit der Drehbewegung des Gitters 5 schwenkt, werden die Kantenfilter 19 und 20 genau mit dem Spektrum geschwenkt, stehen also diesem gegenüber winkelfest. Die beiden Kantenfilter 19 und 20 decken daher stets die Spek­ tralbereiche ab, für die ihre Kantenwellenlängen passend ausgewählt sind. Der Antrieb des Gitters 5 treibt die Kan­ tenfilter 19 und 20 zu ihrer Schwenkbewegung mit an.

Bei hohen Schwenkgeschwindigkeiten, selbst bei der darge­ stellten, sehr schonenden sinusförmigen Antriebsart mit Kurbeltrieb könnte der lange Arm 21 die Kantenfilter 19, 20 oder das Gitter 5 zu Schwingungen anregen. Daher wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Fig. 2 und 4 der Filterantrieb anders gelöst.

Wie der Vergleich der Fig. 1 und 2 zeigt, ist die Grundkon­ struktion des Monochromators dieselbe, lediglich der Fil­ terantrieb ist abweichend. Übereinstimmende Teile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Wie Fig. 4 im Schnitt der Linie 4-4 in Fig. 2 zeigt, sind die beiden Kantenfilter 29 und 30, die in ihrer Funktion den Kantenfiltern 19 und 20 der Ausführungsform der Fig. 1 entsprechen, als sektorförmige Scheiben ausgebildet, die von einer Filterwelle 31 gedreht werden. Diese ist in einem Lagerbock 32 gelagert und wird über ein aus Kegelzahnrädern bestehendes Winkelgetriebe 33 von einer Riemenscheibe 34 getrieben. Diese ist mittels eines Zahnriemens 35 von der als gleich grobe Riemenscheibe ausgebildeten Drehplatte 6 getrieben.

Bei der Schwenkbewegung des Gitters 5 machen die Kantenfil­ ter 29, 30 die in Fig. 4 mit Pfeilen dargestellte Schwenk­ bewegung. Da das Koppelgetriebe zwischen der Filterwelle 31 und dem Gitter 5 das Übersetzungsverhältnis 1 : 1 hat, schwenken die Kantenfilter 29, 30 wiederum genau mit dem Spektrum am Austrittsspalt 3 vorbei, also wie bei der Aus­ führungsform der Fig. 1.

Claims (6)

1. Monochromator zur Untersuchung sehr schmalbandiger Be­ reiche eines Lichtspektrums, mit einem feststehenden Eintrittsspalt, einem von diesem beleuchteten, von ei­ nem Gitterantrieb drehbaren Gitter, einem im Winkel­ bereich des erzeugten Spektrums angeordneten festste­ henden Austrittsspalt und wenigstens einem vor dem Austrittsspalt ein- und ausschwenkbar angeordneten Kantenfilter zum Ausfiltern von Licht anderer als der zu betrachtenden Ordnung, dadurch gekennzeichnet, daß das Kantenfilter (19, 20; 29, 30) derart an den Gitterantrieb (6) gekoppelt ist, daß es den gewünsch­ ten Spektralbereich abdeckend, mit diesem um die Drehachse (4) des Gitters (5) geschwenkt wird.

2. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnete, daß das Kantenfilter in Schwenkrichtung aufeinander­ folgende Bereiche (19, 20; 29, 30) mit unterschiedli­ cher Kantenwellenlänge aufweist.

3. Monochromator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kantenfilter (29, 30) als Kreissektorscheibe ausgebildet ist, die mit einer im Kreismittelpunkt liegenden, quer zur Kreissektor­ scheibe und in Strahlrichtung angeordneten Filterwelle (31) drehbar ist, welche über ein Koppelgetriebe (21; 33, 34, 35) mit der Winkelgeschwindigkeit des Gitters (5) angetrieben ist.

4. Monochromator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelgetriebe eine mit dem Gitter drehende Riemenscheibe (Drehplatte 6) sowie eine parallelachsig in der Nähe des Filters (29, 30) gelagerte zweite, mit einem Zahnriemen (35) gekoppelte Riemenscheibe (34) aufweist, welche über ein Winkelgetriebe (33) die Fil­ terwelle (31) treibt.

5. Monochromator nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterantrieb eine mit einem Ende exzentrisch zur Drehachse (4) des Git­ ters (5) diesem gegenüber drehfest gelagerte Schub­ stange (8) aufweist, deren anderes Ende von einer Kur­ bel (10) eines Drehmotors (12) getrieben ist.

6. Monochromator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmotor als elektrischer Schrittmotor (12) ausgebildet ist.