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Die Erfindung betrifft einen Zweistrahl-Polychromator
mit einem reflektierenden Dispersionsgitter, einem ersten Eintrittsspalt
für ein
erstes Strahlbündel
und einem zweiten Eintrittsspalt für ein zweites Strahlbündel und
einer ersten und zweiten Detektorvorrichtung zum jeweils simultanen
Nachweisen eines Spektrums der an dem Dispersionsgitter gebeugten
ersten und zweiten Strahlbündel.
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Polychromatoren ermöglichen
eine simultane Erfassung eines spektral aufgefächerten (dispergierten) Lichtstrahlbündels und
besitzen daher eine große
Bedeutung für
die Spektroskopie. Im allgemeinen wird bei einem Polychromator ein
Lichtstrahlbündel,
das beispielsweise eine Absorptionsprobe durchlaufen hat, über einen
Eintrittsspalt auf ein Dispersionsgitter zum Erzeugen eines räumlich aufgefächerten
Wellenlängenspektrums
gelenkt, das in eine Bildebene, in der ein Detektorfeld angeordnet
ist, abgebildet wird. Mit dem Detektorfeld, z.B. in Form einer Diodenzeile,
ist eine simultane Messung der Intensitäten des auf jede der Einzeldioden
fallenden, spektral zerlegten Lichts möglich.
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Zur Ausschaltung von Meßfehlern,
beispielsweise aufgrund von Fluktuationen oder Wellenlängendriften
in der Lichtquelle oder von Drifterscheinungen aufgrund thermischer
Veränderungen
des optischen Wegs in dem Polychromator ist in der
DE-A-42 23 211 ein Zweistrahl-Gitterpolychromator beschrieben,
der zusätzlich
zu dem üblichen
Probenstrahlbündel
ein dazu umgekehrt symmetrisch verlaufendes Referenzstrahlbündel aufweist,
um unter Durchlaufen desselben optischen Wegs in umgekehrter Richtung
wie das Probenstrahlbündel
eine Referenzmessung zu ermöglichen,
mit der Veränderungen
im optischen System simultan zur Probenmessung festgestellt werden
können.
Bei dem bekannten Zweistrahl-Gitterpolychromator wird das aus dem
Eintrittsspalt divergent austretende Probenlicht nach Überquerung
einer durch die Oberflächennormale
auf das Gitter gebildeten optischen Achse von einem ersten Hohlspiegel
reflektiert, um parallel gerichtet auf das Gitter zu treffen, an
dem es reflektiert und dispergiert wird. Das am Gitter dispergierte
Probenlicht trifft auf einen bezüglich
der optischen Achse symmetrisch zu dem ersten Hohlspiegel angeordneten
zweiten Hohlspiegel, an dem es reflektiert wird und unter erneuter Überquerung
der optischen Achse auf ein Diodenarray trifft, das die simultane
Erfassung des Wellenlängenspektrums
für das
Probenstrahlbündel
ermöglicht.
In Verlängerung
des Diodenarrays ist ein Eintrittsspalt für ein Referenzstrahlbündel an
der Position vorgesehen, an der die 0. Ordnung des Probenstrahlbündels abgebildet
wird, wobei das Referenzstrahlbündel
einen zu dem Probenstrahlbündel
umgekehrten optischen Weg durchläuft und
auf ein neben dem Eintrittsspalt für das Probenstrahlbündel symmetrisch
zu dem ersten Detektorfeld angeordnetes zweites Detektorfeld trifft.
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Das System hat den Vorteil, daß Veränderungen
in der optischen Anordnung, die beispielsweise bisher nicht feststellbare
Abweichungen aufgrund thermischer Expansion innerhalb des Polychromators
betreffen können,
zuverlässig
durch die Referenzmessung aus den Ergebnissen für das Probenstrahlbündel eliminiert
werden können.
Andererseits ist es bei dem bekannten System jedoch schwierig, den
zweiten Eintrittsspalt und das zweite Detektorfeld für das Referenzstrahlbündel geeignet
anzuordnen, da der mechanische Aufbau für den Eintrittsspalt und das
Detektorfeld des Probenstrahlbündels jeweils
im Wege stehen. Ein Versuch zur Umgehung dieses Problems bestand
darin, die Eintrittsspalte für das
Referenz- und Probenstrahlbündel
jeweils in zu den danebenliegenden Detektorvorrichtungen verschwenkten
Positionen anzuordnen und das aus den Spalten austretende Licht über geeignet
umlenkende, teildurchlässige
Spiegel in den gewünschten Strahlengang
einzublenden. Solche teildurchlässige Spiegel,
die vor den Detektorvorrichtungen an gebracht sind, stellen zusätzliche,
schwierig zu montierende optische Komponenten dar, die aufgrund
einer wellenlängen-
und winkelabhängigen
Transmissionscharakteristik eine schwer abschätzbare Beeinflussung der Intensitätsmessung
an den Detektoren hervorrufen.
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Das US-Patent 4,848,904 beschreibt
ein Zweistrahl-Mehrkanal-Spektrophotometer,
das ein optisches System umfasst, welches optische Elemente verwendet,
um ein Paar äquivalenter
Proben- und Referenzstrahlen im wesentlichen parallel zueinander
durch eine Proben- und eine Referenzzelle zu lenken und die aus
den Zellen heraustretenden Proben- und Referenzstrahlen auf ein
einzelnes flaches , horizontal ausgerichtetes Gitter zu lenken und
zu fokussieren, das den Proben- bzw.
Referenzstrahl auf ein Paar vertikal angeordneter Photodiodenarrays dispergiert,
wobei die Lichtsignale durch einen logarithmischen Datenwandler
in Absorbanzeinheiten umgewandelt werden.
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Die
FR 2 585 368 A1 offenbart einen Monochromator,
umfassend einen Eintrittsspalt, der auf eine stigmatische Spiegeloptik
ein polychromatisches Bild ohne Aberrationen richtet, mindestens
ein ebenes Gitter, das durch Drehung um eine Achse, die durch seine
Ebene geht und parallel zur Richtung des Eingangsspalts ausgerichtet
ist, polychromatische Strahlungen dispergiert, und einen Austrittsspalt,
der parallel zum Eintrittsspalt angeordnet ist, um eine Auswahl
monochromatischer Strahlung zu erlauben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Zweistrahl-Polychromator
zu schaffen, der die oben erwähnten
Schwierigkeiten nach dem Stand der Technik überwindet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch
einen Zweistrahl-Polychromator mit einem reflektierenden Dispersionsgitter,
einem ersten Eintrittsspalt für
einen ersten Strahl und einem zweiten Eintrittsspalt für einen
zweiten Strahl und einer ersten und zweiten Detektorvorrichtung
zum jeweils simultanen Nachweisen eines Spektrums des an dem Dispersionsgitter
gebeugten ersten und zweiten Strahls, der sich dadurch auszeichnet,
daß dem
Dispersionsgitter eine eine Durchbrechung aufweisende Hohlspiegelanordnung
gegenüberliegt,
durch die das an dem Dispersionsgitter gebeugte Licht auf die erste und
zweite Detektorvorrichtung fokussierbar ist, und daß das von
dem ersten und zweiten Eintrittsspalt kommende Licht jeweils durch
die Durchbrechung hindurch auf das Dispersionsgitter einstrahlbar
ist.
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Der erfindungsgemäße Zweistrahl-Polychromator
schafft eine vereinfachte Anordnung für den ersten und zweiten Eintrittsspalt
in beträchtlicher
Entfernung von den jeweiligen Detektorvorrichtungen, so daß keine
Kollison bei der mechanischen Anordnung der Eintrittsspalte und
der Detektorvorrichtungen auftritt. Der Zweistrahl-Polychromator
weist daher den Vorteil eines vereinfachten mechanischen Aufbaus
auf. Die in dem Hohlspiegel vorgesehene Durchbrechung sorgt zudem
für eine
wirksame Entfernung von Streulicht aus dem Polychromator, da sämtliches
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durch die Durchbrechung austretendes
unerwünschtes
Licht die Anordnung vollständig
verläßt und daher
keinen störenden
Signalbeitrag auf den Detektorvorrichtungen hervorruft. Die Erfindung
besitzt weiter den Vorteil, daß zur
Abbildung der am Gitter gebeugten ersten und zweiten Strahlbündel auf die
Detektorvorrichtungen nur eine einzige fokussierende Hohlspiegelanordnung
erforderlich ist. Somit ist nur eine kollimierende optische Anordnung
zusätzlich
zu dem Dispersionsgitter erforderlich, wodurch ein relativ einfacher
Aufbau des Polychromators erhalten wird. Aufgrund der geringen Anzahl
von erforderlichen optischen Bauteilen ist der Polychromator besonders
kostengünstig.
Weiter ist der erforderliche Aufwand beim Justieren der optischen
Anordnung aufgrund der geringen Anzahl von optischen Komponenten
vermindert. Der erfindungsgemäße Zweistrahl-Polychromator
ermöglicht
einen sehr kompakten Aufbau.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
ist als Dispersionsgitter ein Konkavgitter vorgesehen. Aufgrund
des Konkavgitters, auf das die ersten und zweiten Strahlbündel jeweils
divergent einstrahlbar sind, entfällt die Notwendigkeit, zusätzliche
Sammeloptiken vorzusehen, um die beiden Strahlbündel vor der Dispersion an
dem Gitter zu kollimieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist
der Zweistrahl-Polychromator derart bezüglich des Dispersionsgitters
angeordnete erste und zweite Eintrittsspalte auf, daß die positive
oder negative erste Beugungsordnung des ersten Strahlbündels und die
entsprechende inverse Beugungsordnung des zweiten Strahlbündels jeweils
auf die erste und zweite Detektorvorrichtung fallen und die entsprechenden anderen
ersten Beugungsordnungen des ersten und zweiten Strahlbündels den
Polychromator durch die Durchbrechung im wesentlichen verlassen.
Durch diese Anordnung der Eintrittsspalte, durch die ein gewünschter
Einfallswinkel der jeweiligen Strahlbündel auf das Dispersionsgitter
erreicht wird, verlassen die jeweiligen komplementären, nichterwünschten
Beugungsordnungen des ersten und zweiten Strahlbündels, die eine relativ hohe
Beugungsintensität
gerade in den Wellenlängenbereichen
aufweisen, in denen die Detektorvorrichtungen empfindlich sind,
den Polychromator durch die Durchbrechung in der Hohlspiegelanordnung.
Daher wird auf besonders einfache und dabei höchst wirksame Weise die Unterdrückung der
jeweils unerwünschten
Beugungsordnung mit relativ hoher Intensität erzielt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des Zweistrahl-Polychromators
sind der erste und der zweite Eintrittsspalt und die erste und zweite Detektorvorrichtung
in einer senkrecht zur Richtung der Gitterfurchen verlaufenden Dispersionsebene angeordnet.
Dadurch weist der Zweistrahl-Polychromator ein besonders gutes Auflösungsvermögen auf, da
eine optimale scharfe Abbildung des Spektrums bevorzugt für in der
Dispersionsebene verlaufende Strahlbündel erhalten wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
wird als Dispersionsgitter ein Laminargitter mit im wesentlichen
eine rechteckige Querschnittsform aufweisenden reflektierenden Stegen
und Furchenlücken
gleicher Breite verwendet, bei dem eine Beugung in gerade Beugungsordnungen,
wie die +2. oder –2.
Beugungsordnung, unterdrückt
ist. Daher wird auf den jeweiligen Detektorvorrichtungen im wesentlichen
nur das Licht genau einer gewünschten Beugungsordnung
nachgewiesen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
umfassen die Detektorvorrichtungen jeweils ein Diodenarray. Durch
die Verwendung von Diodenarrays wird eine einfache und schnelle
elektrooptische Umwandlung des Spektrums in elektrische Signale erhalten,
die einer Weiterverarbeitung, z.B. in einem Kleincomputer, problemlos
zugänglich
sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, für die erste und zweite Detektorvorrichtung
jeweils ausgesuchte Diodenarrays zu verwenden, die ein gleiches
ther misches und elektrooptisches Verhalten aufweisen. Solche ausgesuchten
Diodenarrays könnten
beispielsweise zwei auf einem einzigen Substrat nebeneinanderliegend hergestellte
Diodenarrays sein, die ein praktisch identisches Verhalten zeigen,
da sie gemeinsam in demselben Herstellungsverfahren gefertigt wurden und
lediglich nach Fertigstellung voneinander getrennt und in eigene
Gehäuse
eingebaut wurden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Im folgenden wird die Erfindung für ein Ausführungsbeispiel
in bezug auf die Zeichnungen näher erläutert und
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht des optischen Aufbaus des erfindungsgemäßen Zweistrahl-Polychromators
mit Darstellung der Strahlengänge;
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2 eine
grafische Darstellung des Beugungswirkungsgrads in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
der einzelnen Beugungsordnungen für ein typisches Reflexionsgitter
mit Sinusprofil;
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3 einen
Querschnitt senkrecht zu der Richtung der Gitterfurchen eines Laminargitters;
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4 eine
grafische Darstellung des Beugungswirkungsgrads in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
der einzelnen Beugungsordnungen für ein typisches, in der 3 gezeigtes Laminargitter;
und
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5 einen
Querschnitt senkrecht zur Richtung der Gitterfurchen eines Gitters
mit einem Gitterblaze.
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Ein in der 1 in einer schematischen Schnittansicht
gezeigter Zweistrahl-Polychromator 10 umfaßt ein Konkavgitter 12 mit
senkrecht zur Papierebene verlaufenden Gitterfurchen, das senkrecht zu
einer Symmetrieachse oder optischen Achse 18 angeordnet
ist. Dem Gitter 12 liegt eine Hohlspiegelanordnung gegenüber, die
durch eine mittige symmetrisch um die optische Achse 18 angeordnete Durchbrechung
in einen ersten, in der Zeichnung obenliegenden Teilreflektor 20 und
einen zweiten, untenliegenden Teilreflektor 22 unterteilt
ist. Die beiden Teilspiegel 20 und 22 sind vorzugsweise
Teilflächen
eines einzigen Hohlspiegels, vorzugsweise eines Toroidspiegels,
der ein kreisförmiges
Loch aufweist, dessen Normale gleich der Symmetrieachse ist. Andererseits
könnten
auch zwei einzelne Teilspiegel verwendet werden, die voneinander
unabhängig
justierbar wären.
Als Hohlspiegel wird vorzugsweise ein Toroidspiegel verwendet.
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In der Durchbrechung, jeweils in
unmittelbarer Nähe
zu den innenliegenden Rändern
des ersten Teilspiegels 20 und des zweiten Teilspiegels 22,
ist ein erster Eintrittsspalt 14 und ein zweiter Eintrittsspalt 16 zur
Einstrahlung eines ersten Strahlbündels und eines zweiten Strahlbündels angeordnet.
Ein den beiden Eintrittsspalten 14 und 16 jeweils
vorangestellter optischer Aufbau (in der 1 nicht dargestellt), der beispielsweise
Lichtleiter enthalten kann, ist dazu vorgesehen, die durch die Eintrittsspalte 14 und 16 eintretenden
ersten und zweiten Lichtstrahlbündel
als divergente Strahlbündel
auf das Dispersionsgitter 12 zu lenken. Der erste Eintrittsspalt 14 und der
zweite Eintrittsspalt 16 sowie das erste eintretende Strahlbündel und
das zweite eintretende Strahlbündel
sind bezüglich
der optischen Achse 18 zueinander jeweils symmetrisch.
Ein Einfallswinkel der Lichtstrahlbündel auf das Dispersionsgitter 12 wird durch
den seitlichen Versatz des ersten Eintrittsspalts 14 und
des zweiten Eintrittsspalts 16 von der optischen Achse 18 mitbestimmt.
Aus dem Einfallswinkel des ersten und zweiten Strahlbündels auf
das Dispersionsgitter wird, wie weiter unten gezeigt wird, die Richtung
bestimmt, in der ein Anteil der jeweiligen eintretenden Strahlbündel mit
bestimmter Wellenlänge
in einer vorgegebenen Beugungsordnung an dem Reflexionsgitter 12 gebeugt
wird.
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Gemäß dem in der 1 gezeigten Strahlengang trifft das vom
ersten Eintrittsspalt 14 kommende und am Dispersionsgitter 12 reflektierte
und gebeugte Licht auf den unteren Teilspiegel 22, an dem
es reflektiert und fokussiert wird, wobei eine scharfe Abbildung
des Eintrittsspalts 14 für jedes der aufgrund der Dispersion
des Gitters räumlich
getrennten Teilstrahlbündel
mit unterschiedlichen Wellenlängen
in eine Bildebene geschaffen wird. In einer dem unterem Teilspiegel 22 gegenüberliegenden
Bildebene ist eine erste Detektorvorrichtung 24 angebracht.
Auf der Detektorvorrichtung 24 entstehen jeweils verschiedenfarbige
Bilder 42, 43 und 44 des Eintrittsspalts,
die entlang der Detektorvorrichtung im Abstand zueinander stehen.
Außerdem
ist auf einem nicht empfindlichen Bereich der Detektorvorrichtung ein
weißes
Bild 41 des Eintrittsspalts 14 abgebildet, das durch die
0. Ordnung, also die spekulare Reflexion, des eintretenden ersten
Lichtstrahlbündels
an dem Dispersiongitter 12 und nachfolgend an dem unteren
Teilspiegel 22 erhalten wird.
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In gleicher Weise wird das aus dem
zweiten Eintrittsspalt 16 austretende zweite Lichtstrahlbündel, das
divergent auf das Gitter 12 trifft und an diesem reflektiert
und gebeugt wird, von dem oberen Teilspiegel 20 in eine
obere Bildebene unter Erzeugung von räumlich voneinander getrennten
Bildern 32, 33 und 34 des Eintrittsspalts
für verschiedene Wellenlängen abgebildet.
In dieser Bildebene des zweiten Eintrittsspalts ist eine zweite
Detektorvorrichtung 26 angeordnet. Die beiden Detektorvorrichtungen 24 und 26 sind
zueinander symmetrisch bezüglich
der optischen Achse 18 angebracht. Außerdem weisen die beiden Detektorvorrichtungen 24 und 26 jeweils
einen Winkel zur Einfallsrichtung der 0. Ordnung auf, die an den
Punkten 41 und 31 jeweils auf der ersten bzw.
zweiten Detektorvorrichtung abgebildet wird. Der Zweistrahl-Polychromator
ist vorzugsweise derart konfiguriert, daß für das erste und zweite Strahlbündel zwei
zueinander identische Abbildungen erzeugt werden. Dazu müssen alle
Strecken und Kippwinkel für
die 0. Ordnung jeweils gleich groß sein.
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Zur Erzielung eines hohen Auflösungsvermögens ist
eine scharfe Abbildung auf die jeweiligen Detektorvorrichtungen
unter weitgehender Vermeidung von Abbildungsfehlern, wie Koma und
Astigmatismus, erforderlich. Daher sind die beiden Eintrittsspalte
und die beiden Detektorvorrichtungen in der Dispersionsebene, das
ist die senkrecht zu den Gitterfurchen verlaufende Ebene (Papierebene),
angeordnet, in der die zuvor erwähnten
Aberrationen minimal sind. Die Abbildungsfehler werden auch durch die
Verwendung eines Toroidspiegels vermindert.
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Als Detektorvorrichtung eignet sich
ein lineares Diodenarray, das für
Licht in einem Wellenlängenbereich
von etwa 200 nm bis 1.000 nm empfindlich ist. Das Diodenarray weist
beispielsweise eine Zeile von äquidistanten
lichtempfindlichen Einzeldetektoren auf, die ein zur eingestrahlten
Lichtintensität an
der entsprechenden Lage des jeweiligen Einzeldetektors proportionales
elektrisches Auslesesignal erzeugen. Somit kann aufgrund der bekannten
Abstandsbeziehung der Detektorelemente in der Diodenzeile ein räumlich aufgelöstes Intensitätsprofil
gemessen werden. Eine Diodenzeile bietet zudem den Vorteil, daß die einzelnen
Detektorelemente in der Zeile durch sehr schnelles sequentielles
Auslesen betrieben werden können
und somit der Auslesevorgang besonders schnell ausgeführt werden
kann. Übliche
Diodenzeilen mit 512 Einzeldioden auf einer Zeilenlänge von
12,8 mm erlauben mit einer Eintrittsspaltbreite von 50 μm typisches
Auflösungsvermögen von
3 nm.
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Anstelle eines Diodenarrays wäre es auch denkbar,
als Detektor vorrichtung ein CCD-Array zu verwenden. Bei speziellen
Anwendungen, bei denen eine geringe Lichtintensität in den
Bildebenen vorherrscht, wäre
auch die Verwendung eines besonders lichtempfindlichen Vidiconarrays
möglich.
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Die in 1 gezeigte
Anordnung der Eintrittsspalte 14 und 16 ist in
bezug auf das Dispersionsgitter 12 derart gewählt, daß das in
der +1. Beugungsordnung am Dispersionsgitter 12 reflektierte aus
dem ersten Eintrittsspalt 14 austretende erste Strahlbündel auf
den unteren Teilspiegel 22 trifft, während die –1. Beugungsordnung des ersten
Stahlbündels
im wesentlichen in der Richtung auf die Durchbrechung in der Hohlspiegelanordnung
reflektiert wird, d.h., daß die
in der –1.
Beugungsordnung reflektierten Wellenlängen des ersten Strahlbündels, in
denen die Detektorvorrichtungen 24 und 26 eine Nachweisempfindlichkeit
aufweisen, durch die Durchbrechung der Hohlspiegelanordung den Polychromator
verlassen und nicht mehr als Streulicht oder Falschsignal zum Signal
der Detektoren beitragen können.
In gleicher Weise wird das aus dem zweiten Spalt 16 austretende
Licht des zweiten Strahlbündels
an dem Dispersionsspiegel 12 in -1. Beugungsordnung auf
den oberen Teilspiegel 20 reflektiert, während die
+1. Beugungsordnung des zweiten Strahlbündels in Richtung der Durchbrechung
der Hohlspiegelanordnung reflektiert wird und somit den Polychromator
verläßt. Somit
wird ein Übersprechen
beider Kanäle
vermieden.
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Die Optimierung des Zweistrahl-Polychromators,
um das oben beschriebene Beugungsverhalten zu erzielen, bei dem
die unerwünschten
Ordnungen durch die Durchbrechung in der Hohlspiegelanrodnung den
Polychromator verlassen, kann im wesentlichen aus der Gittergleichung
hergeleitet werden. Für
eine bestimmte Wellenlänge λ gilt für die Beugung
in die m-te Ordnung eines Reflexionsgitters, in der sich die an
den jeweiligen reflektierenden Gitterstreifen des Reflexionsgitters
reflektierten Teillichtstrahlbündel
konstruktiv überlagern,
die folgende Gleichung: m λ = t (sin ϵ + sin ψ) ,wobei
t der periodische Abstand zweier benachbarter Gitterstreifen ist, ϵ der
Einfallswinkel und ψ den
Winkel darstellt, den das in die m-te Beugungsordnung reflektierte
Strahlbündel
der Wellenlänge λ mit der Oberflächennormalen
des Gitters einschließt.
Diese Gleichung gilt für
den Achsenstrahl im Zentrum des Gitters allgemein, also auch für ein Konkavgitter.
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Bei nicht auf der Achse liegenden
Strahlbündeln
gilt diese Gleichung für
ein paralleles Strahlbündel,
das auf ein ebenes Gitter einfällt.
Diese Betrachtung ist aber auch auf ein Konkavgitter anwendbar, auf
das ein von einer Punktlichtquelle ausgehendes divergentes Einfallsstrahlbündel trifft,
wobei im wesentlichen der Krümmungsradius
des Konkavgitters dem doppelten Abstand der Punktlichtquelle von
der Gitteroberfläche
entspricht. Eine derartige Anordnung entspricht der Aufstellung
eines Konkavgitters im "Rowland-Kreis".
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Bei einer geeigneten Anordnung des
Eintrittsspalts 24 in bezug auf die optische Achse 18 und das
Dispersionsgitter 12 wird ein Nutzwellenlängenbereich
von ca. 200 nm bis 800 nm über
den unteren Teilspiegel 22 auf die Detektorvorrichtung 24 abgebildet.
Da die Detektorvorrichtung 24 in einem Wellenlängenbereich
ab ca. 1.000 nm nicht mehr empfindlich ist, ist es für einen
genauen Meßvorgang
unschädlich,
wenn aus dem Eintrittsspalt 14 austretendes und in der
falschen, d.h. in der –1.
Beugungsordnung gebeugtes Licht in einem Wellenlängenbereich von 1.000 nm und
mehr auf die Detektorvorrichtung 24 fällt. Daher ist die Anordnung
des Polychromators 10 so zu optimieren, daß Licht
der Wellenlänge
200 nm der gewünschten
Beugungsordnung gerade am inneren Rand des Teilspiegels 22 auftrifft,
und Licht mit längeren
Wellenlängen
in der gewünschten
1. Beugungsordnung in den daran anschließenden Bereichen des unteren
Teilspiegels 22 auftrifft, während für die nicht gewünschte –1. Beugungsordnung
des aus dem Eintrittsspalt 14 austretenden Lichts erst Wellenlängen ab
1.000 nm und höher
auf den oberen Teilspiegel 20 fallen. Damit erhält man eine
Bedingung zur Auslegung und Dimensionierung des Systems, da die
Gittergleichung in 1. Ordnung für
eine Wellenlänge
von 200 nm zu demselben Beugungswinkel führen soll wie für die –1. Beugungsordnung bei
einer Wellenlänge
von 1.000 nm. Man erhält
somit die folgende Gleichung: ψ200 = arc sin (2 × 10–4 × g + sin ϵ)
= ψ1.100 = arc sin (1,1 × 10–3 × g – sin ϵ),wobei
g = 1/t die inverse Gitterkonstante ist.
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Daraus erhält man eine Bedingung für ϵ,
d.h. den Einfallswinkel des Hauptstrahls auf das Dispersionsgitter
relativ zur optischen Achse.
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Die Bestimmung des Einfallswinkels
aus der obigen Bedingung legt den seitlichen Versatz des ersten
Eintrittsspalts 14 gegen die optische Achse 18 fest.
Dadurch ist auch die Größe der Durchbrechung in
der reflektierenden Hohlspiegelanordnung vorgeschrieben.
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Da der optische Strahlengang in der
gezeigten Ausführungsform
für das
durch den zweiten Eintrittsspalt 16 eintretende zweite
Strahlbündel
symmetrisch zum ersten Strahlbündel
sein soll, ist aus der Bedingung für die Lage des ersten Eintrittsspalts 14 auch
die Position des zweiten Eintrittsspalts 16 automatisch
mitbestimmt. Das aus dem zweiten Eintrittsspalt 16 austretende
zweite Strahlbündel
trifft auf das Gitter 12 unter einem Winkel –ϵ bezüglich der
optischen Achse 18 und wird unter einem Winkel –ψ in die
+1. Beugungsordnung gebeugt. Aufgrund der bekannten Symmetrie der
Sinusfunktion mit sin (–ϵ)
= –sinϵ wird
die Beugung des zweiten Strahlbündels gemäß der obigen
Beugungsvorschrift daher als Beugung in die –1. Ordnung interpretiert.
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Aufgrund der nichtkonstanten Lineardispersion
des Gitters ist es vorteilhaft, den Einfallswinkel ϵ auf
das Gitter etwas größer zu wählen, beispielsweise
um ca. 15 %, als aus der obigen Bedingung errechnet wird.
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Wie im vorhergehenden beschrieben
wurde, ist durch die Optimierung des Einfallswinkels der ersten
und zweiten Strahlbündel
auf das Gitter 12 sichergestellt, daß jeweils für das erste und zweite Strahlbündel die
nichtgewünschte
Ordnung, die zur Nutzordnung komplementär ist, im wesentlichen durch
die Durchbrechung der Hohlspiegelanordnung den Polychromator verläßt und dadurch
kein störendes
Hintergrundsignal auf den jeweils zugeordneten Detektorvorrichtungen 24 und 26 hervorruft.
Zusätzlich
wäre es
jedoch noch möglich,
den die Detektorvorrichtung erreichenden Wellenlängenbereich durch einen Filter
einzuschränken.
Dadurch ließen
sich beispielsweise Strahlbündel
aus der störenden
falschen Beugungsordnung in einem Randwellenlängenbereich, die mit Strahlbündel einer
wesentlich kürzeren Wellenlänge aus
der gewünschten
Nutzbeugungsordnung zusammenfallen, aus der die Detektorvorrichtung
erreichenden Lichtintensität
entfernen. Als Filter eignet sich ein Bandenfilter (Glasfilter),
das über
den Detektorelementen ab 600 nm angebracht ist, um insgesamt einen
Wellenlängenbereich
von 200 bis 800 nm durchlassen.
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Neben der gewünschten Nutzbeugungsordnung,
das ist die +1. Beugungsordnung für das aus dem Eintrittsspalt 14 austretende
erste Strahlbündel, und
der dazu komplementären
Beugungsordnung, also der –1.
Ordnung, treten zusätzlich
noch höhere und
niedrigere Ordnungen auf. Die 0. Ordnung, die den bekannten herkömmlichen
Reflexionsgesetzen folgend an dem Gitter 12 reflektiert
wird, wird auf die Positionen 41 und 31 jeweils
auf den Detektorvorrichtungen 24 und 26 für das erste
und zweite Strahlbündel
fokussiert. Die scharfe Abbildung des jeweiligen Eintrittsspalts
in 0. Ordnung auf der Detektorvorrichtung ist jedoch räumlich von
der polychromatischen Abbildung in der gewünschten Nutzbeugungsordnung
getrennt, so daß hierbei
keine störenden Überlagerungseffekte
entstehen, da die 0. Ordnung auf die nicht sensitive Fläche fällt.
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In der 2 ist
der Beugungswirkungsgrad in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
für verschiedene
Beugungsordnungen bei Beugung an einem Gitter mit sin2-Profil
dargestellt. Das der Berechnung zugrundeliegende Reflexionsgitter
weist eine Gitterkonstante von 600 Linien pro Millimeter bei einer
Amplitude der Furchen von 88 nm auf. Der Einfallswinkel des einfallenden
polychromatischen Strahlbündels beträgt 10°. Die Kurve 51 stellt
den relativen Beugungswirkungsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge in 0.
Beugungsordnung dar. Die Kurven 52 und 53 stellen
jeweils den wellenlängenabhängigen relativen
Beugungswirkungsgrad für
die +1. und –1.
Beugungsordnung dar. Die Kurven 54 und 55 stellen
jeweils den wellenlängenabhängigen Beugungswirkungsgrad
für die
+2. und –2.
Ordnung dar. Die Kurven 56 und 57 stellen jeweils
den wellenlängenabhängigen relativen
Beugungswirkungsgrad für
die +3. und –3.
Beugungsordnung dar. Die Wirkungsgrade für höhere Beugungsordnungen sind
vernachlässigbar
klein und daher nicht in der Grafik dargestellt. Wie sich aus der 2 ablesen läßt, weist
neben der 0. Ordnung, die aufgrund der räumlichen Trennung auf den jeweiligen
Detektorvorrichtungen zu keiner störenden Überlagerung führt, noch
die jeweils +1. und –1.
und +2. und –2.
Ordnung in dem nutzbaren Wellenlängenbereich
von 200 bis 800 nm eine beträchtliche
Intensität
auf, während
die +3. und –3. Beugungsordnung
bei 200 nm nur noch einen relativen Beugungswirkungsgrad von etwa
0,5 % besitzt und bei 300 nm bereits auf nahezu 0 % abgefallen ist.
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Die +2. und –2. Beugungsordnung weist gemäß den Kurven 54 und 55 in
einem Wellenlängenbereich
von 200 bis 500 nm einen relativen Wirkungsgrad von ca. 2 %–0,5 % auf.
Da bei vorgegebenem Einfallswinkel die +2. Beugungsordnung für eine gegebene
Wellenlänge
in dieselbe Richtung gebeugt wird wie die +1. Beugungsordnung der
doppelten Wellenlänge, überlagert
sich der Wellenlängenbereich
von 200 bis 500 nm der +2. Beugungsordnung dem Wellenlängenbereich
von 400 bis 1.000 nm der +1. Beugungsordnung. Dies hat zur Folge,
daß auf eine
bestimmte Stelle der Detektorvorrichtung , beispielsweise ein Element
einer Diodenzeile, Licht einer bestimmten Wellenlänge aus
der ersten Beugungsordnung und ein weiterer kleiner Anteil von Licht
der halben Wellenlänge
aus der +2. Beugungsordnung einfällt.
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Eine solche Überlagerung von Licht unterschiedlicher
Wellenlängen
aus unterschiedlichen Beugungsordnungen ist in der Regel nicht erwünscht. Eine
Abhilfemöglichkeit
wird durch eine geeignete Oberflächenstruktur
des Gitters geschaffen, um die gewünschten Beugungsordnungen zu
bevorzugen und die nichtgewünschten
Beugungsordnungen zu unterdrücken.
In der 3 ist ein Laminargitter 212 im
Querschnitt gezeigt, bei dem die höheren geradzahligen Beugungsordnungen
unterdrückt sind.
Das in der 3 der Einfachheit
halber als ebenes Gitter gezeigte Laminargitter 212 weist
reflektierende Stege 216 auf, die auf einem Substrat 214 angebracht
sind. Die Stege 216, die eine im wesentlichen rechteckige
Querschnittsform aufweisen, besitzen eine gleiche Breite wie zwischen
den Stegen 216 liegende, nicht reflektierende Gitterfurchen 218.
Die Breite der Stege 216 bzw. der Gitterfurchen 218 weist somit
genau die halbe Gitterkonstante auf.
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In der 4 ist
eine Darstellung des relativen Beugungswirkungsgrads in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
für verschiedene
Beugungsordnungen eines in der 3 gezeigten
Laminargitters gezeigt. Das der Berechnung zugrundeliegende Laminargitter weist
eine Furchendichte von 600 Linien pro Millimeter mit einer Profiltiefe
von 75 nm auf. Die Breite der reflektierenden rechteckigen Stege
ist gleich der Breite der dazwischenliegenden Gitterfurchen. Die Kurve 61 in
der 4 stellt den wellenlängenabhängigen relativen
Beugungswirkungsgrad der 0. Beugungsordnung dar. Die Kurven 62 und 63 stellen
jeweils den relativen Beugungswirkungsgrad der +1. und –1. Beugungsordnung
dar. Die Kuren 66 und 67 stellen jeweils den relativen
Beugungswirkungsgrad der +3. und –3. Ordnung dar. Der Beugungswirkungsgrad
für die
+2. und –2.
Beugungsordnung beträgt über den
gesamten dargestellten Wellenlängenbereich
0 % und ist somit in der 4 nicht
dargestellt. Aus der 4 läßt sich
somit erkennen, daß die
zweite Beugungsordnung im wesentlichen vollständig unterdrückt ist,
so daß es
zu keiner störenden Überlagerung
mit den Lichtstrahlbündeln
der entsprechenden doppelten Wellenlänge aus der ersten Beugungsordnung
kommen kann. Lediglich die dritte Beugungsordnung, die in einem
Wellenlängenbereich
von 200 bis etwa 500 nm einen relativen Wirkungsgrad von 0,1 bis
0,5 % aufweist, kann zu einer Überlagerung
in einem Wellenlängenbereich
von 600 bis 1.500 nm der ersten Beugungsordnung beitragen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Ausschaltung der Überlagerungseffekte
von Strahlbündeln
unterschiedlicher Wellenlängen
aus unterschiedlichen Beugungsordnungen wird durch das in der 5 gezeigte Reflexionsgitter 312 mit
einem Gitterblaze geschaffen. Das ebenfalls der Einfachheit halber
auf einem ebenen Substrat 320 ausgebildete Reflexionsgitter 312 weist
Furchen auf, die im Querschnitt ein Sägezahnprofil darstellen. Jede
Gitterfurche weist dabei eine Hauptreflexionsfläche 322 auf, deren Oberflächennormale 316 einen
sog. Blazewinkel α mit
der Oberflächennormalen 314 des
darunterliegenden Substrats 320 einschließt. Weiter
weist jede Gitterfurche eine zweite, an die Hauptreflexionsfläche 322 anschließende Fläche 324 auf.
Durch ein derartiges Gitter 312 mit Gitterblaze, bei dem
für eine Wellenlänge ein
in einer bestimmten Beugungsordnung gebeugtes Lichtstrahlbündel gleichzeitig
die Bedingung für
die normale spekulare Reflexion an der Hauptreflexionsoberfläche 322 erfüllt, kann
der Beugungswirkungsgrad für
eine bestimmte Beugungsordnung, beispielsweise im Probenkanal, zuungunsten
eines anderen Kanals, beispielsweise des Referenzkanals, angehoben
werden. Damit läßt sich zum
einen das vorher genannte Problem der Überlagerung von verschiedenen
Wellenlängen
aus verschiedenen Beugungsordnungen überwinden. Andererseits bietet
sich dadurch die Möglichkeit,
beispielsweise das bei Durchgang durch eine Absorptionszelle abgeschwächten Probenstrahlbündel gegenüber dem
Referenzstrahlbündel
zu bevorzugen, so daß Referenzstrahlbündel und
Probenstrahlbündel
jeweils wieder mit vergleichbaren Intensitäten von den beiden Detektorvorrichtungen
nachgewiesen werden. Dadurch wird insbesondere eine Verbesserung des
Polychromators in bezug auf das Rauschen erreicht.
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Während
im vorhergehenden der Polychromator in einer Ausführungsform
beschrieben wurde, bei der die +1. Beugungsordnung als Nutzbeugungsordnung
für das
Probenstrahlbündel
und die –1.
Beugungsordnung als Nutzbeugungsordnung für das Referenzstrahlbündel verwendet
wurde, könnte,
insbesondere bei Verwendung eines Gitters mit Gitterblaze, auch
eine andere Beugungsordnung als Nutzbeugungsordnung, beispielsweise
die +2. Beugungsordnung für
das Probenstrahlbündel,
verwendet werden.
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Der erfindungsgemäße Zweistrahl-Gitterpolychromator
eignet sich besonders gut für
die üblichen
Küvetten
bei der Flüssigkeitschromatographie, da
sich das Öffnungsverhältnis des
auf das Dispersionsgitter divergent auftreffenden Probenstrahlbündels gut
an die Küvetten
bzw. an die numerische Apertur von Lichtwellenleitern anpassen läßt. Ein
solcher Polychromator eröffnet
auch eine Einsatzmöglichkeit
in der Kontrolle eines kontinuierlich ablaufenden Prozesses.
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Der Polychromator kann ein thermisch
gut isoliertes, verkapseltes Gehäuse
aufweisen, um thermische Effekte durch Veränderung in der Umgebungstemperatur
weitgehend auszuschließen.