DE4223211A1 - Zweistrahl-Gitterpolychromator - Google Patents
Zweistrahl-GitterpolychromatorInfo
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- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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Description
Die Erfindung betrifft einen Polychromator. Ein Polychromator
dient zur simultanen Erfassung eines Spektrums. Ein
Lichtbündel wird durch dispergierende Mittel, üblicherweise
ein Gitter, spektral zerlegt. Zu diesem Zweck wird in einer
Bildebene über das Gitter ein Bild eines Eintrittsspaltes
erzeugt. Durch die Beugung am Gitter wird dieses Bild jedoch
wellenlängenabhängig auseinandergefächert. Es entsteht ein
Spektrum. In der Ebene dieses Spektrums sitzt ein
Detektorarray. Ein Detektorarray ist eine Reihe von dicht
nebeneinander angeordneten Detektorelementen. Die
Detektorelemente sind üblicherweise Photodioden. Jedes der
Detektorelemente erfaßt einen bestimmten, engen
Wellenlängenbereich des Spektrums. Es können daher
gleichzeitig alle Wellenlängen des Spektrums in einem
bestimmten Spektralbereich erfaßt und mit ihrer spektralen
Intensität in elektrische Signale umgesetzt werden. Insofern
unterscheidet sich ein Polychromator von einem Monochromator.
Bei einem Monochromator ist in der Bildebene, wo das Spektrum
erzeugt wird, ein Austrittsspalt angeordnet. Der
Austrittsspalt läßt jeweils nur einen engen
Wellenlängenbereich des Spektrums durch. Hinter dem
Austrittsspalt ist ein einziger photoelektrischer Detektor,
z. B. ein Photomultiplier, angeordnet. Durch Verschwenken des
Gitters werden die verschiedenen Wellenlängen des Spektrums
dort nacheinander abgetastet.
Bei Absorptionsmessungen hängen die Signale des Detektors bei
einer bestimmten Wellenlänge nicht nur von der Absorption der
Probe ab sondern auch von der Helligkeit der Lichtquelle, der
Gitterefficiency, der Absorption von Küvetten und
Lösungsmitteln und ähnlichen Einflüssen. Es sind daher
Zweistrahlgeräte bekannt, die solche Einflüsse kompensieren.
Dabei wird ein Meßlichtbündel durch die Probe geleitet. Ein
Referenzlichtbündel geht von der gleichen Lichtquelle aus wie
das Meßlichtbündel. Durch Verhältnisbildung der Signale von
Meß- und Referenzlichtbündel kann der Einfluß von Schwankungen
der Helligkeit der Lichtquelle eliminiert werden. Wenn das
Meßlichtbündel nicht nur der Probenabsorption sondern auch
sonstigen Absorptionseinflüssen unterworfen ist, wird das
Referenzlichtbündel längs eines Pfades geleitet, der keine
Probe enthält aber allen sonstigen Absorptionseinflüssen, z. B.
durch eine mit Lösungsmittel gefüllte Küvette, unterworfen
ist, die auch auf das Meßlichtbündel wirksam sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Gitterpolychromator störende Einflüsse wie Schwankungen in der
Helligkeit der Lichtquelle oder nicht durch die Probe bedingte
Absorptionen zu kompensieren.
Der Erfindung liegt speziell die Aufgabe zugrunde, einen
Zweistrahl-Gitterpolychromator mit hoher Auflösung zu
schaffen.
Erfindungsgemäß werden die angegebenen Aufgaben gelöst durch
einen Zweistrahl-Gitterpolychromator mit einem Gitter, einem
ersten Eintrittsspalt und einem ersten Hohlspiegel, durch
welchen ein durch der ersten Eintrittsspalt eintretendes
erstes Lichtbündel parallelgerichtet auf das Gitter geleitet
wird, und einem ersten Detektorarray, auf welchem das
dispergierte erste Lichtbündel durch einen zweiten Hohlspiegel
als Spektrum gesammelt wird, und mit einem zweiten
Eintrittsspalt, durch welchen ein zweites Lichtbündel
eintritt, das durch den zweiten Hohlspiegel parallelgerichtet
und auf das Gitter geleitet wird, und einen zweiten
Detektorarray, auf welchem das dispergierte zweite Lichtbündel
durch den ersten Hohlspiegel als Spektrum gesammelt wird, bei
welchem die Eintrittsspalte und die Diodenarrays im
wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht
zur Richtung der Gitterfurchen des Gitters ist, der erste
Eintrittsspalt in der Ebene des zweiten Diodenarrays neben
diesem angeordnet ist und der zweite Eintrittsspalt in der
Ebene des ersten Diodenarrays neben diesem angeordnet ist.
Dabei ist vorteilhafterweise der erste Eintrittsspalt in der
Ebene des zweiten Diodenarrays am Ort der nullten Ordnung des
von dem zweiten Lichtbündel erzeugten Spektrums angeordnet und
der zweite Eintrittsspalt in der Ebene des ersten Diodenarrays
am Ort der nullten Ordnung des von dem ersten Lichtbündel
erzeugten Spektrums angeordnet. Die Anordnung kann dann so
sein, daß das erste Detektorarray zur Erfassung des Spektrums
des ersten Lichtbündels in plus erster Ordnung angeordnet ist
und das zweite Detektorarray zur Erfassung des Spektrums des
zweiten Lichtbündels in minus erster Ordnung angeordnet ist.
Die Erfindung schafft somit einen Zweistrahl-
Gitterpolychromator. Meß- und Referenzlichtbündel laufen dabei
über das gleiche Gitter. Der Strahlengang verläuft für Meß-
und Referenzlichtbündel in einer Ebene, die mit der
Dispersionsebene des Gitters übereinstimmt. Dadurch können
Abbildungsfehler gering gehalten werden. Die Verringerung von
Abbildungsfehlern erhöht die Auflösung des Zweistrahl-
Gitterpolychromators.
Ein Ausführungsbeispiel eines Zweistrahl-Gitterpolychromators
ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Strahlengang eines Zweistrahl-
Gitterpolychromator für ein erstes Lichtbündel, das ein
Meßlichtbündel sein kann.
Fig. 2 zeigt den Strahlengang des Zweistrahl-
Gitterpolychromators für ein zweites Lichtbündel, das ein
Referenzlichtbündel sein kann.
Der Zweistrahl-Gitterpolychromator enthält einen ersten
Eintrittsspalt 10. Ein durch den Eintrittsspalt 10
eintretendes erstes Lichtbündel 12 fällt auf einen Hohlspiegel
14 und wird von diesem parallelgerichtet. Die parallelen
Strahlen des ersten Lichtbündels sind in Fig. 1 mit 17
bezeichnet. Das parallelgerichtete Lichtbündel 12 fällt auf
ein Gitter 16. Die Gitterfurchen des Gitters 16 verlaufen
senkrecht zur Papierebene in Fig. 1. Durch das Gitter 16 wird
das parallel einfallende Licht je nach der Wellenlänge in
verschiedene Richtungen gebeugt. In Fig. 1 sind das von dem
Gitter 16 in plus erster Ordnung gebeugte, parallele
Strahlenbündel 18 mit einer Wellenlänge von 200 nm, das von
dem Gitter 16 in plus erster Ordnung gebeugte, parallele
Strahlenbündel 20 mit einer Wellenlänge von 500 nm und das von
dem Gitter 16 in plus erster Ordnung gebeugte, parallele
Strahlenbündel 22 mit einer Wellenlänge von 800 nm
dargestellt. Die in plus erster Ordnung gebeugten, parallelen
Strahlenbündel 18, 20 und 22 fallen auf einen zweiten
Hohlspiegel 24. Der zweite Hohlspiegel 24 liegt mit seiner
optischen Achse in der gleichen Ebene wie der erste
Hohlspiegel 14. Die optischen Achsen der beiden Hohlspiegel 14
und 24 bilden einen Winkel. Die Flächen der Hohlspiegel 14 und
24 schneiden sich in einer Kante 26. Vorteilhafterweise
schließen sich die Hohlspiegel 14 und 24 längs dieser Kante
unmittelbar aneinander an. Der zweite Hohlspiegel sammelt die
parallelen Strahlenbündel 18, 20 und 22 in einer Ebene 28.
Dort wird in erster Ordnung ein Spektrum des
Wellenlängenbereiches von 200 bis 800 nm erzeugt. In nullter
Ordnung wird von dem Gitter 16 ein paralleles Lichtbündel 30
zurückgeworfen. Das Lichtbündel 30 fällt auch auf den
Hohlspiegel 24 und wird von diesem an einem Ort 32 in der
Ebene 28 gesammelt. In der Ebene 28 ist ein Detektorarray 34
angeordnet, das aus einer Vielzahl von einzelnen Photodioden
besteht. Jede dieser Photodioden erfaßt die in erster Ordnung
gebeugte Strahlung aus einem engen Wellenlängenbereich.
Dadurch wird das gesamte Spektrum des ersten Lichtbündels 12
in dem gesamten Wellenlängenbereich von 200 nm bis 800 nm
gleichzeitig erfaßt.
Ein zweiter Eintrittsspalt 36 ist an dem Ort 32 vorgesehen, an
dem die in nullter Ordnung gebeugten Strahlen des ersten
Lichtbündels 12 gesammelt werden (Fig. 1). Durch diesen zweiten
Eintrittsspalt 36 tritt ein zweites Lichtbündel 38. Das
Lichtbündel 38 fällt auf den zweiten Hohlspiegel 24 und wird
von diesem parallelgerichtet. Das parallelgerichtete zweite
Lichtbündel 38 fällt auf das Gitter 16. Von dem Gitter 16 wird
das Lichtbündel 38 in minus erster Ordnung gebeugt und in
parallele Teillichtbündel dispergiert. In Fig. 2 sind das von
dem Gitter 16 in minus erster Ordnung gebeugte, parallele
Strahlenbündel 40 mit einer Wellenlänge von 200 nm, das von
dem Gitter 16 in minus erster Ordnung gebeugte parallele
Strahlenbündel 42 mit einer Wellenlänge von 500 nm und das von
dem Gitter 16 in minus erster Ordnung gebeugte Strahlenbündel
44 mit einer Wellenlänge von 800 nm dargestellt. Die gebeugten
Strahlenbündel 40, 42 und 44 fallen auf den ersten Hohlspiegel
14. Der Hohlspiegel 14 sammelt die gebeugten, parallelen
Strahlenbündel 40, 42 und 44 in einer Ebene 48. In dieser
Ebene 48 entsteht ein Spektrum minus erster Ordnung des
zweiten Lichtbündels 38. Dieses Spektrum wird - wie das
Spektrum plus erster Ordnung des ersten Lichtbündels - durch
ein Detektorarray 50 erfaßt. Das von dem Gitter 16 in nullter
Ordnung zurückgeworfene, parallele Strahlenbündel 52 wird
durch den Hohlspiegel 14 an einem Ort 54 gesammelt. Wie aus
Fig. 2 erkennbar ist, ist an diesem Ort der erste
Eintrittsspalt 10 angeordnet.
Claims (3)
1. Zweistrahl-Gitterpolychromator mit einem Gitter (16),
einem ersten Eintrittsspalt (10) und einem ersten
Hohlspiegel (14), durch welchen ein durch der ersten
Eintrittsspalt (10) eintretendes erstes Lichtbündel (12)
parallelgerichtet auf das Gitter (16) geleitet wird, und
einem ersten Detektorarray (34), auf welchem das
dispergierte erste Lichtbündel (18, 20, 22) durch einen
zweiten Hohlspiegel (24) als Spektrum gesammelt wird, und
mit einem zweiten Eintrittsspalt (36), durch welchen ein
zweites Lichtbündel (38) eintritt, das durch den zweiten
Hohlspiegel (24) parallelgerichtet und auf das Gitter (16)
geleitet wird, und einen zweiten Detektorarray (50), auf
welchem das dispergierte zweite Lichtbündel (40, 42, 44)
durch den ersten Hohlspiegel (14) als Spektrum gesammelt
wird,
bei welchem
bei welchem
- a) die Eintrittsspalte (10, 36) und die Diodenarrays (34, 50) im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zur Richtung der Gitterfurchen des Gitters (16) ist,
- b) der erste Eintrittsspalt (10) in der Ebene (48) des zweiten Diodenarrays (50) neben diesem angeordnet ist und
- c) der zweite Eintrittsspalt (36) in der Ebene (28) des ersten Diodenarrays (34) neben diesem angeordnet ist.
2. Zweistrahl-Gitterpolychromator nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß
- a) der erste Eintrittsspalt (10) in der Ebene (48) des zweiten Diodenarrays (50) am Ort (54) der nullten Ordnung des von dem zweiten Lichtbündel (38) erzeugten Spektrums angeordnet ist und
- b) der zweite Eintrittsspalt (36) in der Ebene (28) des ersten Diodenarrays (34) am Ort (32) der nullten Ordnung des von dem ersten Lichtbündel (12) erzeugten Spektrums angeordnet ist.
3. Zweistrahl-Gitterpolychromator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Detektorarray (34)
zur Erfassung des Spektrums des ersten Lichtbündels (12)
in plus erster Ordnung angeordnet ist und das zweite
Detektorarray (50) zur Erfassung des Spektrums des zweiten
Lichtbündels (38) in minus erster Ordnung angeordnet
ist.
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