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Die Erfindung bezieht sich auf Monochromatoren und
bezieht sich insbesondere (aber nicht ausschließlich) auf
Monochromatoren, die in Spektrophotometern und anderen
Meßgeräten verwendet werden können.
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Ein Monochromator enthält eine Eintrittsspaltplatte mit
einem Eintrittsspalt, einen Lichtseparator (wie etwa ein
Beugungsgitter, ein Prisma usw.) und eine
Austrittsspaltplatte mit einem Austrittsspalt. In einen Monochromator
durch den Eintrittsspalt eintretendes Licht wird durch den
Lichtseparator in eine Folge von monochromatischen
Lichtkomponenten getrennt (oder zerlegt), und es wird ein Bild des
Eintrittsspalts jeder monochromatischen Komponente auf die
Austrittsspaltplatte projiziert. Es kommt also
monochromatisch gemachtes Licht jeder Wellenlänge aus dem
Austrittsspalt, wenn der Monochromator einen eingestellten Bereich
von Wellenlängen überstreicht.
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Bei bislang vorgeschlagenen Monochromatoren sind sowohl
der Eintrittsspalt als auch der Austrittsspalt rechteckig,
wobei sich ihre längeren Abmessungen in Richtung senkrecht
zur Separationsrichtung des Lichts erstrecken (die
Separationsrichtung des Lichts wird im folgenden als "seitliche
Richtung" bezeichnet). Ein Spektrophotometer, das einen
Monochromator verwendet, der mit Spalten einer solchen Form
ausgestattet ist, hat folgendes Problem.
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Wenn eine Probe in einem Spektrophotometer gemessen
wird, wird ein aus dem Austrittsspalt des Monochromators
austretendes Lichtbündel auf eine zu messende Probe
fokussiert, wo ein Bild des Austrittsspalts, wie in Fig. 1B der
beigefügten Zeichnungen gezeigt, ausgebildet wird. Das
Lichtbündel 11) zur Messung der Probe (12) hat also
rechteckige Form: es hat die Form des Austrittsspalts des
Monochromators. Wenn eine gewöhnliche Kastenprobenzelle mit
einer ausreichenden Menge an Probenmaterial verwendet wird,
läßt es sich einrichten, daß das gesamte Meßlicht durch die
Probe geht. Wenn jedoch eine Strömungsprobenzelle verwendet
wird oder eine kleine Probe oder eine geringe Menge an Probe
gemessen wird, kommt es vor, daß nur ein Teil des Meßlichts
die Probe durchlaufen kann. Die Lichtausbeute bei der
Messung wird damit niedrig, da, wie in Fig. 1B gezeigt, ein
Teil 13 des Meßlichts 11 außerhalb der Probe 12 nicht für
die Messung verwendet wird.
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Eine andere Anordnung ist in JP-A-54 136 359 gezeigt.
Diese Druckschrift offenbart die Verwendung kreisförmiger
Eintritts- und Austrittsöffnungen anstelle herkömmlicher
Spalte bei einem Monochromator, um das Bild dem
Kerndurchmesser einer optischen Faser anzupassen.
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Gemäß der Erfindung ist ein Monochromator so aufgebaut,
daß langgestreckte Eintritts- und Austrittsspalte desselben
jeweils so geformt sind, daß die Breite des Spalts zu beiden
Enden seiner Höhe hin kleiner wird (wobei die Breite die
Abmessung in seitlicher Richtung ist).
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Ein Beispiel einer solchen Form ist in Fig. 1A der
beigefügten Zeichnungen gezeigt, in welcher der Spalt 10
rhombische Form hat. Bei Vergleich mit der in Fig. 18
gezeigten bekannten Form wird deutlich, daß die Lichtausbeute
im Falle der Fig. 1A größer ist, wo eine größere Lichtmenge
auf eine kleine Probe 12 eingestrahlt und eine geringere
Lichtmenge 13 vergeudet wird als bei dem von dem bekannten
rechteckigen Spalt ausgehenden Licht. Dieser Vergleich
erfolgt unter den Bedingungen, daß (a) die Helligkeit des
Monochromators (d.h. die gesamte Menge des von dem
Austrittsspalt ausgehenden Meßlichts) die gleiche ist, und (b)
die Auflösung des Monochromators die gleiche ist. Das oben
erwähnte Problem einer niedrigen Ausbeute läßt sich also
mildern.
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Die Erfindung wird nun anhand eines der
Veranschaulichung dienenden nicht einschränkend zu verstehenden
Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
weiter beschrieben, in welchen
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Fig. 1A ein Diagramm ist, welches ein auf eine kleine
Probe eingestrahltes Bild eines rhombischen Spalts eines die
Erfindung verkörpernden Monochromators zeigt,
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Fig. 1B ein Diagramm ist, welches ein auf eine kleine
Probe eingestrahltes Bild eines früher vorgeschlagenen
rechteckigen Spalts zeigt,
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Fig. 2 ein Diagramm ist, welches das Bild eines einen
rhombischen Austrittsspalt überlappenden rhombischen
Eintrittsspalts zeigt,
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Fig. 2B ein Diagramm ist, welches das Bild eines einen
rechteckigen Austrittsspalt überlappenden rechteckigen
Eintrittsspalts zeigt,
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Fig. 3A ein Graph ist, welcher eine Spektrumspitze
einer von dem rhombischen Spalt ausgehenden
monochromatischen Lichtkomponente zeigt,
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Fig. 3B ein Graph ist, welcher eine Spektrumspitze
einer von dem rechteckigen Spalt ausgehenden
monochromatischen Lichtkomponente zeigt,
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Fig. 4 einen Spalt zeigt, der in einem weiteren die
Erfindung verkörpernden Monochromator verwendet wird, und
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Fig. 5 einen Spalt zeigt, der in einem weiteren die
Erfindung verkörpernden Monochromator verwendet wird.
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Ein erster die Erfindung verkörpernder Monochromator
ist mit einem Eintrittsspalt und einem Austrittsspalt
jeweils rhombischer Form, wie sie in Fig. 1A gezeigt ist,
ausgestattet, wobei die kürzere Diagonale parallel zur
Richtung der Trennung des zusammengesetzten Lichts verläuft. Bei
Monochromatoren haben der Eintrittsspalt und der
Austrittsspalt die gleiche Form, da das Bild des Eintrittsspalts vom
Austrittsspalt emittiert wird. Die Wirkung der rhombischen
Form der Spalte wird nun im Vergleich mit derjenigen
bekannter Spalte rechteckiger Form, wie sie in Fig. 1B gezeigt
ist, beschrieben.
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Wenn monochromatisches Licht durch den Eintrittsspalt
in den Monochromator eintritt und mit dem Monochromator eine
Wellenlängenabtastung durchgeführt wird, bewegt sich ein
Bild des Eintrittsspalts auf der Austrittsspaltplatte in
seitlicher Richtung. Wenn das Bild des Eintrittsspalts sich
in der seitlichen Richtung bewegt, streicht es über den
Austrittsspalt, und ein Teil 22 (27) des Bildes 20 (25) des
Eintrittsspalts, der sich mit dem Austrittsspalt 21 (26)
überlappt, wird, wie in Fig. 2A (28) gezeigt, vom
Monochromator ausgesandt. Die vom Monochromator ausgesandte
Lichtmenge ist also proportional zur Fläche des
Überlappabschnitts 22, 27. Die Fläche nimmt im Falle der rhombischen
Spalte (Fig. 2A) parabolisch und im Falle der rechteckigen
Spalte (Fig. 2B) linear zu, wenn sich der Abstand x zwischen
dem Bild des Eintrittsspalts 20, 25 und dem Austrittsspalt
21, 26 auf null (wo das Bild 20, 25 und der Austrittsspalt
21, 26 zusammenfallen) abnimmt.
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Die Änderung der vom Monochromator abgegebenen
Lichtmenge in Abhängigkeit vom Abstand x ist in den Fig. 3A und
38 gezeigt. Da das Bild 20, 25 aus monochromatischem Licht
besteht, zeigen diese Graphen eine Spektrumspitze von
monochromatischem Licht, das von dem Austrittsspalt abgegeben
wird. (In den Fig. 3A und 3B ist die Position der Spitze der
Spektrumspitzenkurve aus Gründen der Einfachheit der
Erläuterung auf Null gesetzt. Die tatsächliche Spitzenposition
monochromatischen Lichts mit der Wellenlänge λ&sub0; liegt an der
Wellenlänge λ&sub0;.)
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Die Form der Spektrumspitze der Fig. 3A (bewirkt durch
die rhombische Spalte) läßt sich folgendermaßen formulieren:
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h(λ) = (w - λ )² H/(2.w) (-w < λ < w) ......(1)
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= 0 (λ ≤ -w, λ ≥ w).
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Die Form der Spektrumspitze der Fig. 38 (bewirkt durch die
rechteckigen Spalte) läßt sich folgendermaßen formulieren:
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h(λ) = -b. λ + a.b (-a < λ a) ......(2)
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= 0 (λ ≤ -a, λ ≥ a).
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Die Auflösung des Monochromators hängt von der Breite
der Spalte ab. Da die Auflösung normalerweise durch die
Halbwertsbreite der Spektrumspitze definiert wird, ist die
Beziehung zwischen der Breite w des rhombischen Spalts (Fig.
1A) und der Breite a des rechteckigen Spalts (Fig. 18) zur
Erzielung der gleichen Auflösung:
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w = a/(2 - 2) = 1,7 a .....(3)
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was aus den Gleichungen (1) und (2) durch Gleichsetzung der
Halbwertsbreiten der Spektrumspitzen der Fig. 3A und 3B
hergeleitet ist.
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Zur Erzielung derselben Helligkeit (der vom
Monochromator abgegebene Lichtmenge) unter Beibehaltung der Auflösung
ist die Beziehung zwischen der Höhe H des rhombischen Spalts
und der Höhe b des rechteckigen Spalts:
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H = 3.(2 - 2)² b b ......(4)
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was aus den Gleichungen (1) und (2) durch Gleichsetzen der
Flächen der Spektrumspitzen der Fig. 3A und 3B hergeleitet
ist.
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Die Gleichungen (3) und (4) zeigen, daß die Breite des
rhombischen Spalts 1,7-fach und die Höhe ungefähr gleich wie
Breite und Höhe des rechteckigen Spalts zur Gewinnung der
gleichen Auflösung und der gleichen Helligkeit sind. Durch
Vergleich der Fig. 1A und 1B sieht man, daß das vom
rhombischen Spalt 10 abgegebene Licht einen größeren Teil einer
kleinen Probe 12 abdecken kann als das von dem bekannten
rechteckigen Spalt 11 abgegebene. Das heißt, durch
Verwendung von Meßlicht, das durch den Monochromator der
vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird, läßt sich eine größere
Lichtausbeute bei der Messung einer Strömungsprobenzelle,
oder wenn eine kleine Probe gemessen wird, erzielen.
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Als nächstes wird das Streulicht betrachtet. Die
Streulichtmenge in einem Monochromator ist proportional zu der in
den Monochromator durch den Eintrittsspalt eintretenden
Lichtmenge, d.h. Proportional zur Fläche des Eintrittspalts.
Da das Streulicht gleichförmig innerhalb des Monochromators
zerstreut wird, ist die vom Austrittsspalt abgegebene
Streulichtmenge ferner proportional zur Fläche des
Austrittsspalts. Die vom Monochromator abgegebene Streulichtmenge ist
daher proportional zu dem Produkt der Flächen von
Eintrittsspalt und Austrittsspalt. Das Wichtige am Streulicht ist
nicht die absolute Menge, sondern die relative Menge (das
Verhältnis) C in dem vom Monochromator abgegebenen Licht.
Für den rhombischen Spalt 10 der Fig. 1A beträgt das
Verhältnis CA:
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CA = (a.b²/(a².b) = b,
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wobei (a².b) die vom Monochromator abgegebene Lichtmenge ist,
und für den rechteckigen Spalt 11 der Fig. 18 ist das
Verhältnis CB:
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CB = {(w².H²)/4}/{(w².H)/3} = (3/4).H.
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Wenn die Menge des abgegebenen Lichts und die Auflösung
gleich angenommen werden, haben die Verhältnisse CA und CB
der beiden Arten von Spalten die Beziehung
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CB/CA = 3/4 ......(5)
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da H b, wie oben beschrieben. Gleichung (S) bedeutet, daß
der Anteil an Streulicht in dem vom Monochromator abgegebene
Licht auf 3/4 vermindert ist, wenn rhombische Spalte
verwendet
werden. Der Störabstand eines den Monochromator der
vorliegenden Ausführungsform verwendenden Spektrophotometers
ist also erhöht, und die Empfindlichkeit und Genauigkeit von
mit dem Spektrophotometer vorgenommenen Messungen ist
verbessert.
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Bei der obigen Erläuterung des Vergleichs des
Streulichts werden die beiden Arten von Spalten unter der Annahme
gleicher Werte für Helligkeit und Auflösung verglichen. Wenn
mit anderen Worten die gleiche Auflösung und das gleiche
Streulichtniveau angenommen werden, kann die Helligkeit des
Monochromators der vorliegenden Ausführungsform größer als
diejenige bekannter Monochromatoren sein, oder es kann, wenn
die gleiche Helligkeit und das gleiche Streulichtniveau
angenommen werden, eine höhere Auflösung erreicht werden.
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Die Art und Weise, mit der das Verschmälern der Breite
von Spalten von Monochromatoren, die die Erfindung
verkörpern, ausgeführt wird, beschränkt sich nicht auf das in Fig.
1A gezeigte Beispiel. Die Breite kann beispielsweise
stufenweise von der Mitte zu den Enden hin, wie in den Fig. 4 und
5 gezeigt, vermindert werden, und die gleichen Argumente wie
oben gelten für alle Spalten von Monochromatoren, die die
Erfindung verkörpern, solange nur die Breite zu den Enden
hin enger wird. Speziell weisen in den Fällen der Fig. 4 und
5 die Spalte jeweils ein Rechteck auf, das seine längere
Abmessung in Richtung senkrecht zur Richtung der Trennung
des zusammengesetzten Lichts hat und das eine Ausbauchung in
der Breite an seiner oder um seine Mitte herum hat. Die
Ausbauchung ist von rechteckiger Form in Fig. 4 und von
kreisförmiger Form in Fig. 5.