DE19713483B4

DE19713483B4 - Spektrometer

Info

Publication number: DE19713483B4
Application number: DE1997113483
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Schmitt
Original assignee: Dr Bruno Lange GmbH
Current assignee: Hach Lange GmbH
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2017-03-20
Also published as: DE19713483A1

Abstract

Spektrometer zur Bestimmung des Emissionsspektrums einer Lichtquelle (2) oder des Absorptions- oder Reflexionsspektrums einer im Strahlengang der Lichtquelle (2) angeordneten Probe (1),
wobei die Lichtquelle (2) kohärentes Licht emittiert oder in deren Strahlengang ein optisches Element (3) zur Erzeugung kohärenten Lichts angeordnet ist, mit
einem im Strahlengang der Lichtquelle (2) angeordneten Beugungsgitter (6.1) zur Spektralzerlegung des von der Licht quelle (2) emittierten oder des von der Probe (1) transmittierten oder reflektierten Lichts und
einem im Bereich des von dem Beugungsgitter (6.1) erzeugten Beugungsspektrums angeordneten Lichtdetektor (7) zur Messung der Intensität eines Beugungsmaximums einer bestimmten, innerhalb des Emissionsspektrums der Lichtquelle (2) liegenden Wellenlänge,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Beugungsgitter (6.1) zur Selektion und Intensitätsmessung der Beugungsmaxima verschiedener Wellenlängen parallel zur Gitterebene verschiebbar oder um eine rechtwinklig zur Gitterebene oder parallel zu den Gitterstrichen angeordnete Drehachse drehbar ist und eine entlang der Bewegungsrichtung variierende Gitterkonstante aufweist. ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Bestimmung des Emissionsspektrums einer Lichtquelle oder des Absorptions-bzw. Reflexionsspektrums einer Probe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 322 654 A1 ist ein derartiges Spektrometer bekannt, bei dem zur spektralen Zerlegung des von der Lichtquelle emittierten Lichts ein konkaves Reflexionsgitter verwendet wird. Das von der Lichtquelle breitbandig emittierte und in der Regel inkohärente Licht wird hierbei zunächst durch einen optischen Spalt geleitet, um einen eng begrenzten Lichtstrahl auszublenden und nachfolgend kohärentes Licht zu erhalten. Anschließend trifft der Lichtstrahl dann auf das Reflexionsgitter und wird an diesem gebeugt, wobei der Beugungswinkel wellenlängenabhängig ist, so daß die verschiedenen Spektralanteile unterschiedlich stark abgelenkt werden. Die Intensität der einzelnen Spektralanteile wird dann durch einen Lichtdetektor gemessen, der linear verschiebbar angeordnet ist, um die Intensität einzelner Spektralanteile getrennt messen zu können. Zur Messung der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts für eine bestimmte Wellenlänge wird der Lichtdetektor also in die Position gefahren, in der das erste Beugungsmaximum dieser Wellenlänge liegt. Die Beugungsmaxima erster Ordnung liegen hierbei für die verschiedenen Spektralanteile an unterschiedlichen Positionen, so daß durch eine Verschiebung des Lichtdetektors und eine Messung der Intensität des jeweiligen Beugungsmaximums erster Ordnung am Ort des Lichtdetektors das gesamte Emissionsspektrum der Lichtquelle durchgemessen werden kann.

Aus der DE 43 40 103 A1 ist weiterhin ein Spektrometer bekannt, bei dem zur Spektralzerlegung des von der Lichtquelle emittierten Lichts ein konkaves Reflexionsgitter vom Rowland-Typ verwendet wird. Im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen Spektrometer ist der Lichtdetektor hier jedoch fest montiert, wohingegen das Reflexionsgitter um eine parallel zu den Gitterstrichen verlaufende Achse drehbar ist. Auf diese Weise läßt sich der Einfallswinkel des Lichts auf das Reflexionsgitter verändern, was entsprechend zu einer Verlagerung des Beugungsspektrums führt und damit eine Messung unterschiedlicher Wellenlängen durch den Lichtdetektor ermöglicht. Zur Messung der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts für eine bestimmte Wellenlänge wird das Reflexionsgitter also so gedreht, daß das zugehörige Beugungsmaximum erster Ordnung auf den Lichtdetektor fällt.

Bei den vorstehend beschriebenen Spektrometern wird also entweder die Winkelstellung der Lichtquelle oder des Lichtdetektors relativ zur Gitterebene verändert, um unterschiedliche Wellenlängen ausmessen zu können. Nachteilig ist hierbei, daß Fehler bei der Positionierung von Lichtquelle bzw. Lichtdetektor die Messung erheblich verfälschen können.

Aus der DE 41 09 256 A1 ist eine Vorrichtung zur kreisförmigen Ablenkung eines Lichtstrahles durch Beugung an einem optischen Phasengitter nach Debye und Sears bekannt, das durch periodische Dichteänderungen in einem Medium erzeugt wird. Das Medium ist in einem zylinderförmigen Gefäß eingebracht und der Lichtstrahl fällt an einer der beiden Stirnflächen des zylinderförmigen Gefäßes ein. Mittels eines Ultraschallsenders, der mit dem Gefäß verbunden ist, werden Interferenzen auf der Oberfläche des Mediums erzeugt, die das optische Phasengitter definieren.

Aus der US 4,462,687 A und WO 96/38706 A1 sind Spektrometer zur Spektralanalyse mit translatorisch beweglichen Gittern bekannt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine möglichst genaue Spektralmessung erlaubt.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einem Spektrometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, zur Spektralzerlegung ein Beugungsgitter mit einer örtlich variierenden Gitterkonstante zu verwenden und das Beugungsgitter zur Messung einer bestimmten Wellenlänge so zu bewegen, daß der Lichtstrahl einen Gitterbereich trifft, in dem die Gitterkonstante so bemessen ist, daß das Beugungsmaximum dieser Wellenlänge von dem Lichtdetektor erfaßt wird.

Die Bewegung des Beugungsgitters kann hierbei in vielfältiger Weise erfolgen, wobei die Erfindung nicht auf rein translatorische oder rein rotatorische Bewegungen beschränkt ist, sondern auch eine Verknüpfung derartiger Bewegungen auch in mehreren Freiheitsgraden ermöglicht. Entscheidend ist lediglich, daß durch die Bewegung des Beugungsgitters nicht – wie bei den eingangs beschriebenen bekannten Spektrometern – der Winkel der Gitterebene zu dem einfallenden Lichtstrahl oder der Detektionsrichtung verändert wird, sondern lediglich die Position, an dem der einfallende Lichtstrahl auf das Beugungsgitter auftrifft.

Der Begriff Beugungsgitter ist hierbei und im folgenden allgemein zu verstehen und umfaßt sowohl Transmissionsgitter als auch Reflexionsgitter, wobei eine Verwendung eines Reflexionsgitters vorteilhaft die Möglichkeit bietet, durch eine konkave Formgebung des Reflexionsgitters eine optische Strahlbündelung zu erreichen, so daß auf optische Linsen verzichtet werden kann, was insbesondere bei ultraviolettem Licht wichtig ist, das von Glas sehr stark absorbiert wird. Transmissionsgitter haben dagegen den Vorteil, daß der gebeugte Lichtstrahl bei einer montagebedingten fehlerhaften Neigung der Gitterebene gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl nur um den einfachen Neigungswinkel abgefälscht wird, wohingegen der reflektierte Lichtstrahl bei einem Re flexionsgitter um den doppelten Neigungswinkel abgefälscht wird. Bei der Verwendung eines Transmissionsgitters sind die Anforderungen an die Präzision der räumlichen Ausrichtung des Beugungsgitters also geringer als bei einem Reflexionsgitter.

Auch ist die Erfindung nicht auf die Verwendung sichtbaren Lichts beschränkt, sondern in nahezu beliebigen Wellenlängenbereichen einsetzbar, wobei lediglich beugungsfähige Strahlen erforderlich sind. Das auf das Beugungsgitter auftreffende Licht muß deshalb die Kohärenzbedingung erfüllen, um Beugungserscheinungen hervorrufen zu können.

Eine Möglichkeit hierzu besteht in der Verwendung einer Lichtquelle, die kohärentes Licht emittiert, das somit direkt auf das Beugungsgitter bzw. die Probe geleitet werden kann. So ist es beispielsweise möglich, als Lichtquelle einen Laser oder eine Leuchtdiode zu verwenden.

Da derartige Lichtquellen oftmals ein relativ schmalbandiges Emissionsspektrum aufweisen, können auch mehrere solcher Lichtquellen mit unterschiedlichen, einander überlappenden Emissionsspektren verwendet werden, um ein breitbandiges Absorptions- oder Reflexionsspektrum einer Probe bestimmen zu können. Hierbei wird vorzugsweise jeweils die Lichtquelle verwendet, deren Emissionsspektrum in dem jeweils interessierenden Wellenlängenbereich ein Maximum aufweist.

Zur Ermöglichung einer kostengünstigen Herstellung des Spektrometers lassen sich jedoch auch herkömmliche Glühlampen verwenden, die vorteilhaft ein relativ breitbandiges Emissionsspektrum aufweisen, so daß das Absorptions- oder Reflexionsspektrum einer Probe mit einer einzigen Lichtquelle relativ breitbandig bestimmt werden kann. Da Glühlampen jedoch inkohärentes Licht erzeugen, muß in diesem Fall im Strahlengang der Lichtquelle ein optisches Element angeordnet werden, das kohärentes Licht erzeugt. Vorzugsweise eignet sich hierfür eine Blende mit einem Spalt, der aus dem von der Lichtquelle emittierten, relativ weit aufgefächerten Lichtbündel einen eng begrenzten Lichtstrahl ausblendet, der die Kohärenzbedingung erfüllt und somit nachfolgend eine Beugung an dem Beugungsgitter ermöglicht.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist das Beugungsgitter als drehbare Kreisscheibe ausgeführt, auf der die Gitterstriche radial angeordnet sind, wobei die Gitterkonstante mit dem Umlaufwinkel variiert. Das von der Lichtquelle emittierte Licht trifft hierbei auf die Kreisscheibe und wird von dem Beugungsgitter gebrochen, wobei sich die Gitterkonstante und damit die von dem Lichtdetektor gemessene Wellenlänge durch eine Drehung der Kreisscheibe einstellen läßt.

In der bevorzugten Ausführungsform dieser Variante ändert sich die Gitterkonstante quasi-kontinuierlich über den Umlaufwinkel, was vorteilhaft eine quasi-stufenlose Ausmessung des Spektrums ermöglicht.

In einer anderen Ausführungsform dieser Variante ist dagegen vorgesehen, das kreisscheibenförmige Beugungsgitter in mehrere kreissegmentförmige Bereiche einzuteilen, innerhalb derer die Gitterkonstante jeweils konstant ist. Zur Messung einer anderen Wellenlänge muß das kreisscheibenförmige Beugungsgitter also soweit gedreht werden, daß der Lichtstrahl auf ein anderes Kreissegment fällt. Hierdurch wird vorteil haft die Störempfindlichkeit gegenüber Winkelstellungsfehlern des kreisscheibenförmigen Beugungsgitters verringert, da derartige Winkelstellungsfehler erst dann einen Einfluß auf die wirksame Gitterkonstante haben, wenn der Lichtstrahl auf ein anderes Kreissegment des Beugungsgitters fällt.

In einer anderen Variante der Erfindung ist das Beugungsgitter in der Mantelfläche eine Hohlzylinders angeordnet, der um seine Symmetrieachse drehbar ist. Die einzelnen Gitterstriche sind hierbei vorzugsweise parallel zur Drehachse des Hohlzylinders ausgerichtet, wobei die Gitterkonstante in azimuthaler Richtung variiert, so daß eine Drehung des Hohlzylinders ebenfalls zu einer Änderung der wirksamen Gitterkonstante führt.

In einer Ausführungsform dieser Variante ändert sich die Gitterkonstante in azimuthaler Richtung quasi-kontinuierlich, was – wie bereits vorstehend bezüglich der kreisscheibenförmigen Anordnung beschrieben – eine stufenlose Spektralmessung ermöglicht.

In einer anderen Ausführungsform dieser Variante erfolgt die Änderung der Gitterkonstante dagegen stufenweise, was – wie bereits vorstehend beschrieben – die Störanfälligkeit des Spektrometers gegenüber Winkelstellungsfehlern des Hohlzylinders herabsetzt. Die Gitterkonstante ist hierbei jeweils innerhalb vorgegebener Winkelbereiche einheitlich, so daß die wirksame Gitterkonstante nur geändert wird, wenn der Hohlzylinders so weit gedreht wird, daß der Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf dem Beugungsgitter eine Bereichsgrenze überschreitet.

In einer anderen Variante erfolgt die Einstellung der Gitterkonstante dagegen nicht durch eine Rotationsbewegung des Beugungsgitters, sondern durch eine translatorische Bewegung parallel zur Gitterebene, wobei die Gitterkonstante entlang der Bewegungsrichtung variiert. Die Gitterkonstante kann sich hierbei – wie bereits vorstehend erläutert – entlang der Bewegungsrichtung kontinuierlich oder sprunghaft ändern.

In einer weiterbildenden Variante der Erfindung ist vorgesehen, auf das Beugungsgitter eine optische Filterschicht aufzubringen, die störende Beugungsmaxima höherer Ordnung unterdrückt. So treten im Beugungsspektrum neben dem Beugungsmaximum erster Ordnung in einem größeren Beugungswinkel auch Beugungsmaxima höherer Ordnung auf, welche die Messung verfälschen können, wenn das Beugungsmaximum erster Ordnung für die zu messende Wellenlänge mit einem Beugungsmaximum höherer Ordnung einer anderen Wellenlänge zusammenfällt. Die Filterschicht läßt deshalb vorzugsweise nur solche Wellenlängen durch, deren Beugungsmaximum erster Ordnung von dem Lichtdetektor erfaßt wird, wohingegen beispielsweise solche Wellenlängen unterdrückt werden, deren Beugungsmaxima zweiter Ordnung am Ort des Lichtdetektors auftreten. Die optische Filterschicht weist somit vorzugsweise eine steilflankige Bandpaßcharakteristik auf, wobei der Verlauf der Durchlaßwellenlänge der Filterschicht vorzugsweise derart an den örtlich variierenden Verlauf der Gitterkonstante angepaßt ist, daß die Durchlaßwellenlänge der Filterschicht an jedem Punkt des Beugungsgitters gleich der Wellenlänge ist, deren Beugungsmaximum von dem Lichtdetektor erfaßt wird.

Die Herstellung des Beugungsgitters für das erfindungsgemäße Spektrometer kann in herkömmlicher Weise erfolgen, jedoch ist eine vorteilhafte Herstellungsart in der bereits eingangs angeführten DE 43 40 103 A1 beschrieben, deren Inhalt insoweit der vorliegenden Anmeldung zuzurechnen ist.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Spektrometer mit einem drehbaren, kreisscheibenförmigen Beugungsgitter mit radial verlaufenden Gitterstrichen in perspektivischer Darstellung,
2a die Anordnung der Gitterstriche auf dem kreisscheibenförmigen Beugungsgitter aus 1,
2b den Verlauf der Gitterkonstante über den Umlaufwinkel bei dem kreisscheibenförmigen Beugungsgitter aus 1,
3a, 3b eine alternative Anordnung der Gitterstriche auf dem kreisscheibenförmigen Beugungsgitter aus 1 mit dem zugehörigen Verlauf der Gitterkonstante,
4a ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßes Spektrometers in perspektivischer Darstellung,
4b das Spektrometer aus 4a in einer vereinfachten Aufsichtsdarstellung sowie
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektrometers mit einer linearen Bewegung des Beugungsgitters.
Das in 1 gezeigte erfindungsgemäße Spektrometer ermöglicht die Bestimmung des Absorptionsspektrums einer mindestens teilweise lichtdurchlässigen Probe 1. Die Probe 1 wird hierzu im Strahlengang einer Lichtquelle 2 angeordnet, die ein breitbandiges Emissionsspektrum aufweist, das den interessierenden Wellenlängenbereich vollständig abdeckt. Im Strahlengang hinter der Probe 1 ist eine Blende 3 mit einem Spalt angeordnet, der aus dem von der Lichtquelle 2 emittierten, relativ weitgefächerten Lichtbündel 4 einen eng begrenzten Lichtstrahl 5 ausblendet, um die Kohärenzbedingung für eine nachfolgende Beugung an einem optischen Reflexionsgitter 6.1 zu erfüllen, das auf die Oberseite einer dünnen Kreisscheibe 6 in Form von radial verlaufenden Rillen aufgebracht ist. Aufgrund der Beugung an dem Reflexionsgitter 6.1 entsteht in einem bestimmten Winkel zum einfallenden Lichtstrahl 5 ein Beugungsmaximum erster Ordnung, dessen Intensität von einem Lichtdetektor 7 erfaßt wird, wobei im Strahlengang zwischen dem Reflexionsgitter 6.1 und dem Lichtdetektor 7 eine weitere Blende 8 mit einem Spalt angeordnet ist, um eine möglichst gute Winkeltrennung des Lichtdetektors 7 zu erreichen und den Einfluß von Störlicht weitestgehend auszuschalten.
Der Beugungswinkel und damit die räumliche Lage des Beugungsmaximums erster Ordnung ist abhängig zum einen von der Gitterkonstante des Reflexionsgitters 6.1 und zum anderen von der Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls 5, so daß das Reflexionsgitter 6.1 spektralzerlegend wirkt und der Lichtdetektor 7 jeweils nur die Intensität eines Spektralanteils mit einer bestimmten Wellenlänge mißt.
Wichtig ist hierbei, daß die Gitterkonstante des Reflexionsgitters 6.1 auf der Oberfläche der Kreisscheibe 6 nicht konstant ist, sondern mit dem Umlaufwinkel variiert. Die Anordnung der einzelnen Gitterstriche auf der Oberfläche der Kreisscheibe 6 ist detailliert in 2a dargestellt, während 2b den zugehörigen Verlauf der Gitterkonstante über den Umlaufwinkel α wiedergibt. Zu beachten ist hierbei, daß der Abstand der einzelnen Gitterstriche aus zeichentechnischen Gründen vergrößert dargestellt ist. Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß die Gitterkonstante g über den Umlaufwinkel α quasi-kontinuierlich zunimmt, so daß sich die wirksame Gitterkonstante und damit der Beugungswinkel des ersten Beugungsmaximums durch eine Drehung der Kreisscheibe 6 nahezu stufenlos einstellen läßt. Der Lichtdetektor 7 erfaßt also jeweils das Beugungsmaximum erster Ordnung für eine bestimmte Wellenlänge, die von der Winkelstellung der Kreisscheibe 6 abhängt. Zur Messung der Intensität für eine bestimmte Wellenlänge wird die Kreisscheibe 6 also so gedreht, daß das Beugungsmaximum erster Ordnung für diese Wellenlänge auf den Lichtdetektor 7 fällt, während die Beugungsmaxima erster Ordnung anderer Wellenlängen in andere Richtungen gebeugt werden und somit von dem Lichtdetektor 7 nicht erfaßt werden.
Weiterhin weist die Kreisscheibe 6 eine optische Filterschicht 6.2 auf, die auf das Reflexionsgitter 6.1 aufgebracht ist und den störenden Einfluß der Beugungsmaxima hö herer Ordnung unterdrückt. So kann es vorkommen, daß das Beugungsmaximum erster Ordnung der zu messenden Wellenlänge mit einem Beugungsmaximum höherer Ordnung einer anderen Wellenlänge zusammenfällt, so daß der Lichtdetektor 7 fälschlicherweise auch dieses Beugungsmaximum höherer Ordnung erfaßt. Die Filterschicht 6.2 weist deshalb eine steilflankige Bandpaßcharakteristik auf und läßt an jedem Punkt der Kreisscheibe 6 im wesentlichen nur Licht mit der Wellenlänge durch, deren Beugungsmaximum erster Ordnung auf den Lichtdetektor 7 fällt, wohingegen Licht mit anderen Wellenlängen unterdrückt wird, wodurch der störende Einfluß der Beugungsmaxima höherer Ordnung weitgehend ausgeschaltet wird. Wichtig ist hierbei, daß die Durchlaßwellenlänge der Filterschicht 6.2 auf der Kreisscheibe 6 nicht konstant ist, sondern über den Umlaufwinkel variiert, da jede Winkelstellung der Kreisscheibe 6 einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet ist, deren Beugungsmaximum erster Ordnung auf den Lichtdetektor 7 fällt. Der Verlauf der Durchlaßwellenlänge der Filterschicht 6.2 über den Umlaufwinkel der Kreisscheibe 6 ist deshalb derart an den Verlauf der Gitterkonstante angepaßt, daß jeweils nur die Wellenlänge durchgelassen wird, deren Beugungsmaximum erster Ordnung in Richtung des Lichtdetektors 7 gebeugt wird, wohingegen andere Wellenlängen unterdrückt werden.
Zur Messung nicht nur einer einzelnen Wellenlänge, sondern eines breitbandigen Spektralverlaufs wird die Kreisscheibe 6 nacheinander in verschiedene Stellungen gedreht, wobei in jeder Stellung die Intensität in der vorstehend beschriebenen Weise gemessen wird. Die Drehung der Kreisscheibe 6 erfolgt hierbei durch einen Schrittmotor 9, der über ein Getriebe 10 und eine Welle 11 mit der Kreisscheibe 6 verbunden ist.
Auf diese Weise läßt sich das Spektrum messen, das von der Probe 1 transmittiert wird, was nachfolgend eine Bestimmung des Absorptionsspektrums der Probe 1 ermöglicht. Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, das gemessene Spektrum mit dem Emissionsspektrum der Lichtquelle 2 zu vergleichen und daraus das spektrale Absorptionsvermögen der Probe 1 zu berechnen, was jedoch voraussetzt, daß das Emissionsspektrum der Lichtquelle 2 bekannt ist. Die Bestimmung des Emissionsspektrums der Lichtquelle 2 kann beispielsweise durch eine separate Messung ohne die Probe 1 erfolgen.
3a zeigt eine alternative Anordnung der einzelnen Gitterstriche auf der Kreisscheibe 6, die sich von der vorstehend beschriebenen und in 2a gezeigten Anordnung im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß die Kreisscheibe 6 in zehn Kreissegmente mit einem Winkel von jeweils 36° aufgeteilt ist, innerhalb derer der Winkelabstand zwischen benachbarten Gitterstrichen und damit die Gitterkonstante g jeweils konstant ist.
Bei einer Drehung der Kreisscheibe ändert sich die Gitterkonstante g also nicht – wie bei der in 2a gezeigten Anordnung – quasi-kontinuierlich, sondern – wie in 3b dargestellt – sprunghaft, wenn der Lichtstrahl 5 auf ein anderes Kreissegment trifft. Die Kreisscheibe 6 wird hierbei zur Messung jeweils so gedreht, daß der Lichtstrahl 5 in der Mitte des gewünschten Kreissegments auf die Kreisscheibe 6 auftrifft. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß geringfügige Winkelstellungsfehler der Kreisscheibe 6 das Meßergebnis nicht verfälschen, da die Gitterkonstante sich nur ändert, wenn der Winkelstellungsfehler so groß ist, daß der Lichtstrahl 5 auf ein anderes Kreissegment trifft.
4a zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Spektrometer, das ebenfalls zur Bestimmung des spektralen Absorptionsvermögens einer Probe 12 dient, die hierzu im Strahlengang einer Lichtquelle 13 angeordnet ist. Im Strahlengang hinter der Probe 12 ist wiederum eine Blende 14 mit einem Spalt angeordnet, um einen eng begrenzten Lichtstrahl 15 aus dem von der Lichtquelle 13 erzeugten, relativ weit aufgefächerten Lichtbündel auszublenden.
Der Lichtstrahl 15 erreicht dann einen Spiegel 16 und wird von diesem in einem Winkel von ungefähr 90° in Richtung der Mantelfläche eines Hohlzylinders 17 abgelenkt, auf dessen Innenseite ein Reflexionsgitter aufgebracht ist, dessen Gitterstriche parallel zur Symmetrieachse des Hohlzylinders 17 verlaufen. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit sind die Gitterstriche hierbei nur in einem Teilbereich 18 der Mantelfläche dargestellt. Das Reflexionsgitter erstreckt sich jedoch auf der Innenseite der Mantelfläche über den gesamten Umfang des Hohlzylinders 17, wobei der Abstand zwischen benachbarten Gitterstrichen auf der Mantelfläche nicht konstant ist, sondern mit dem Umlaufwinkel variiert.
Durch die Beugung an dem Reflexionsgitter entsteht in einem bestimmten Winkel zum einfallenden Lichtstrahl ein Beugungsmaximum erster Ordnung, das von einem Lichtdetektor 19 erfaßt wird, wobei zwischen dem Lichtdetektor 19 und dem Reflexionsgitter eine Blende 20 mit einem Spalt angeordnet ist, um den Einfluß von Störlicht zu unterdrücken. Die Anordnung des Spiegels 16 und des Lichtdetektors 19 mit der Blende 20 in dem Hohlzylinder 17 wird auch durch 4b verdeutlicht, die eine Aufsicht des Spektrometers in vereinfachter Form wiedergibt.
Die räumliche Lage des Beugungsmaximums erster Ordnung hängt hierbei – wie bereits in der Beschreibung zu 1 erläutert – zum einen von der wirksamen Gitterkonstante und zum anderen von der Wellenlänge ab, so daß der Lichtdetektor 19 jeweils nur die Intensität des Beugungsmaximums erster Ordnung für eine bestimmte Wellenlänge mißt.
Die Messung anderer Wellenlängen wird dadurch ermöglicht, daß der Abstand benachbarter Gitterstriche auf der Innenseite der Mantelfläche des Hohlzylinders 17 nicht konstant ist, sondern mit dem Umlaufwinkel variiert, so daß die wirksame Gitterkonstante von der Winkelstellung des Hohlzylinders 17 abhängt. Das Spektrometer mißt also in jeder Winkelstellung des Hohlzylinders 17 die Intensität des Beugungsmaximums erster Ordnung für eine bestimmte Wellenlänge. Zur Bestimmung des gesamten Spektrums wird der Hohlzylinder 17 dann nacheinander in verschiedene Winkelstellungen gedreht, wobei in jeder Stellung die Intensität des zugehörigen Beugungsmaximums erster Ordnung gemessen wird. Die Drehung des Hohlzylinders 17 erfolgt hierbei ebenfalls über einen Schrittmotor 21, der über ein Getriebe 22 und eine Welle 23 mit dem Hohlzylinder 17 verbunden ist. Das spektrale Absorptionsvermögen der Probe 12 ergibt sich dann – wie in der Beschreibung zu 1 erläutert – aus einem Vergleich des gemessenen Spektrums mit dem Emissionsspektrum der Lichtquelle 13.
5 zeigt schließlich in vereinfachter Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spek trometers, bei dem die Gitterkonstante nicht durch eine Rotationsbewegung, sondern durch eine translatorische Bewegung eines Beugungsgitters verändert wird.
Das Spektrometer weist ebenfalls eine Lichtquelle 24 auf, die ein relativ breit aufgefächertes Lichtbündel 25 abgibt, aus dem von einer Blende 26 mit einem Spalt ein eng begrenzter Lichtstrahl 27 ausgeblendet wird. Dieser Lichtstrahl 27 durchläuft nachfolgend eine Probe 28, deren spektrales Absorptionsvermögen bestimmt werden soll. Im Strahlengang hinter der Probe 28 ist ein Transmissionsgitter 29 angeordnet, dessen Gitterebene im wesentlichen rechtwinklig zu dem einfallenden Lichtstrahl 27 verläuft und das rechtwinklig zur Gitterebene verschiebbar ist. Hinter dem Transmissionsgitter 29 entsteht somit in einem bestimmten Beugungswinkel ein Beugungsmaximum erster Ordnung, dessen Intensität von einem Lichtdetektor 30 gemessen wird.
Wichtig ist hierbei, daß die Gitterkonstante des Transmissionsgitters 29 nicht konstant ist, sondern entlang der Bewegungsrichtung variiert, so daß sich die wirksame Gitterkonstante und damit die räumliche Lage der Beugungsmaxima erster Ordnung durch eine Verschiebung des Transmissionsgitters 29 einstellen läßt. In jeder Position des Transmissionsgitters 29 erfaßt der Lichtdetektor 30 also das Beugungsmaximum erster Ordnung für eine bestimmte Wellenlänge.
Zur Messung des spektralen Absorptionsvermögens der Probe 28 wird das Transmissionsgitter 29 deshalb von einem Schrittmotor 31 über eine Schubstange 32 in verschiedene Positionen gefahren, wobei der Lichtdetektor 30 jeweils die Intensität des zugehörigen Beugungsmaximums erster Ordnung mißt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Spektrometer zur Bestimmung des Emissionsspektrums einer Lichtquelle (2) oder des Absorptions- oder Reflexionsspektrums einer im Strahlengang der Lichtquelle (2) angeordneten Probe (1), wobei die Lichtquelle (2) kohärentes Licht emittiert oder in deren Strahlengang ein optisches Element (3) zur Erzeugung kohärenten Lichts angeordnet ist, mit einem im Strahlengang der Lichtquelle (2) angeordneten Beugungsgitter (6.1) zur Spektralzerlegung des von der Licht quelle (2) emittierten oder des von der Probe (1) transmittierten oder reflektierten Lichts und einem im Bereich des von dem Beugungsgitter (6.1) erzeugten Beugungsspektrums angeordneten Lichtdetektor (7) zur Messung der Intensität eines Beugungsmaximums einer bestimmten, innerhalb des Emissionsspektrums der Lichtquelle (2) liegenden Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (6.1) zur Selektion und Intensitätsmessung der Beugungsmaxima verschiedener Wellenlängen parallel zur Gitterebene verschiebbar oder um eine rechtwinklig zur Gitterebene oder parallel zu den Gitterstrichen angeordnete Drehachse drehbar ist und eine entlang der Bewegungsrichtung variierende Gitterkonstante aufweist.
Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstriche des Beugungsgitters (6.1) bezüglich der Drehachse des Beugungsgitters (6.1) im wesentlichen radial angeordnet sind und die Gitterkonstante mit dem Umlaufwinkel (α) variiert.
Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter im wesentlichen kreisscheibenförmig mit radial verlaufenden Gitterstrichen ausgebildet ist und mehrere kreissegmentförmige Bereiche aufweist, innerhalb derer die Gitterkonstante jeweils einheitlich ist.
Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter in der Mantelfläche eines Hohlzylinders (17) angeordnet ist der um seine Symmetrieachse drehbar ist, wobei die Gitterstriche des Beugungsgitters im wesentlichen parallel zur Symmetrieachse des Hohlzylinders (17) angeordnet sind und die Gitterkonstante des Beugungsgitters in azimuthaler Richtung variiert.
Spektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gitterkonstante in azimuthaler Richtung zur Verringerung der Störanfälligkeit gegenüber Winkelstellungsfehlern des Hohlzylinders (17) stufenweise ändert.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Beugungsgitter (6.1) zur Unterdrückung der Beugungsmaxima höherer Ordnung anderer Wellenlängen als der selektierten und in Richtung des Lichtdetektors (7) gebeugten Wellenlänge eine optische Filterschicht (6.2) mit einer entlang der Bewegungsrichtung des Beugungsgitters (6.1) variierenden Durchlaßwellenlänge aufgebracht ist, wobei der Verlauf der Durchlaßwellenlänge derart an den Verlauf der Gitterkonstante angepaßt ist, daß die Durchlaßwellenlänge jeweils gleich der Wellenlänge ist, deren Beugungsmaxima von dem Lichtdetektor (7) erfaßt wird.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gitterkonstante entlang der Bewegungsrichtung des Beugungsgitters (6.1) im wesentlichen kontinuierlich ändert.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstriche des Beugungsgitters (29) in einer gemeinsamen Ebene liegen und das Beugungsgitter (29) zur Einstellung der wirksamen Gitterkonstante parallel zu der gemeinsamen Ebene und rechtwinklig zu den Gitterstrichen verschiebbar ist.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur breitbandigen Messung des Absorptions- oder Reflexionsspektrums der Probe (1) mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen, jeweils schmalbandigen und einander überlappenden Emissionsspektren vorgesehen sind.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schrittmotor (9, 31) zur Verschiebung bzw. Drehung des Beugungsgitters (6.1, 29).