DE2165920C3 - Spektralphotometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektralphotomeler, bei dem in den Weg eines Lichtbündels von einer Lichtquelle zu einem Lichtdetektor der Reihe nach ein Monochromator und ein in Schwingungen um eine /ur Achse des Lichtbündels senkrechte Achse versetzbarer Umlenkspiegel eingefügt sind, der das Lichtbündel unler nochmaliger Reflexion an einer weiteren abbildenden Spiegelfläche vor seinem Auftreffen auf den Lichtdetektor periodisch alternierend auf eine Meßprobe oder auf eine Vergleichsprobe richtet.

Ein Spektralphoiomcter dieser Art, bei dem der Umlenkspiegel als ein ebener Spiegel ausgeführt ist. der periodische Schwingungen um eine zur Mittelachse des den Monochromator verlassenden Lichtbündels senkrechte Achse ausf'ihrt, ist in der US-PS 2 992 528 beichrieben. Bei in den DTPS 944 401 und 1 239 870 beschriebenen Spcktralphotometern ähnlicher Bauart sind die Umlenkspiegel als senkrecht zur Mittelachse des auftreffenden Lichtbündels verschiebbarer Doppelspiegel mit zwei unterschiedlich orientierten Spiegeltiälften bzw. als um eine zur Mittelachse des einfallenden Lichtbündels senkrechte Achse rotierender Prismenspiegel ausgebildet.

Bei diesen bekannten Spektralphotometern durchläuft das Lichtbündel zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor zwei getrennte Lichtkanäle, nämlich einen die Meßprobe enthaltenden Meßkanal und einen die Vergleichsprobe enthaltenden Vergleichskanal, von denen jeder aus einer Mehrzahl einzelner Spiegel besteht, die teils vor, teils hinter dem Umlenkspiegel im Strahlengang des Lichtbündels liegen.

Die Verwendung einzelner Spiegel im Vergleichskanal einerseits und im Meßkanal andererseits führt nun aber wegen der unvermeidlichen Unterschiede im Spektralverhalten dieser Spiegel zwangläufig zu einer verminderten Spektralidentität der beiden Lichtkanäle, und es bedarf dann bei höheren Genauigkeitsansprüchen des Einsatzes komplizierter Einrichtungen, um die <>5 Unterschiede zwischen den beiden Lichtkanälen auszugleichen. Außerdem sind die Lichtbündel im Verßteichskanal und im Meßkanal unter einem größeren Winke« aageoidnet, was am Uchtdetektor zu unterschiedücher Empfindlichkeit hinsichtlich der dem MeO-kanal und dem VergJeichskanal zuzuordnenden Ströme führen kanu. Weiterbia läßt der optische Aufbau eine Beleuchtung der Meßprobe und der Vergleichsprobe mit Lichtbündeln größerer Apertur nicht zu, die aber für die photometrische Untersuchung von Proben mn nur kleinem Volumen unerläßlich ist. Schüeliiich führt die Verwendung einzelner Spiegel tn den beiden Lichtkanälen auch zu unerwünscht großen Abmessungen im optischen Teil mit zwangläufigen Folgen für den konstruktiven Aufbau und die Justierung, die dadurch beide kompliziert und erschwert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spektralphotometef der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß es sich bei einfachem und kompaktem Aufbau im optischen Teil durch eine möglichst weitgehende Identität i«n Spektralverhalten von Meßkanal und Vergleichskanal auszeichnet.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß da durch gelöst, daß der Umlenkspiegel ein Konvexspiegel ist, der einem ihm im Wege des Lichtbündels folgenden Konkavsoiegel gegenübersteht, der gemeinsam mn dem Konvexspiegel ein Spiegelobjektiv bildet, das den Austrittsspalt des Monochromator je nach der Win kelstellung des Konvexspiegels auf die Meßprobe oder auf die Vergleichsprobe und die Eimrittspupillc des Sy stems auf den Lichtdetektor abbildet.

Dank der erfindungsgemäßen Ausbildung enthält das Spektralphotometer in beiden Lichtkanälen die glei chen optischen Elemente, so daß eine praktisch vollkommene spektrale Identität von Meßkanal und Vergleichskanal gewährleistet ist. Außerdem gestattet die erfindungsgemäße Ausbildung des Spektralphotome ters die Beleuchtung der Meßprobe und der Ver gleichsprobe mit Lichtbündeln großer Apertur und damit die photometrische Untersuchung von Proben auch kleinen Volumens. Darüber hinaus zeichnet sich ein erfindungsgemäß ausgebildetes Spektralphotometer auch durch kleine Abmessungen und einen einfachen konstruktiven Aufbau im optischen Teil aus. was sich vor teilhaft sowohl auf den Platzbedarf als auch auf die erforderlichen Justierungsarbeiten auswirkt. Die erfor derliche Anzahl an optischen Elementen kann, dank der erfindungsgemäßen Ausbildung des Spektralphotometers, auf einem Minimalwert gehalten werden, und auch die auftretenden Lichtverluste fallen sehr klein aus

Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Spektralphotometer in schematischer Darstellung,

F i g. 2 den Lichtstrahlengang im Spiegelobjektiv des Spektralphotometers von F i g. 1 und

F i g. 3 einen Querschnitt durch die Lichibündel in der Ebene der Fotokathode des Fotovervielfacher des Spektralphotometers von l· i g. 1.

Das Spektralphotometer nach F i g. 1 stellt ein in einem in der Zeichnung nicht gezeigten Gehäuse zusammengebautes Gerät dar, das eine auf der optischen Eingangsachse eines Monochromators 2 angeordnete Lichtquelle 1, eine die Abbildung der Lichtquelle 1 auf einen Eintrittsspalt 4 des Monochromators 2 projizierende und im Hauptbrennpunkt einer gemeinsamen, am Eintrittsspalt 4 befestigten Linse 5 angeordnete Kondensorlinse 3 enthält.

Der Monochromator 2 enthält ebenfalls einen auf der optischen Eingang5.achse liegenden, einen sphäri-

sehen Konkavspiegel bestimmten Krümmungshalbmessers darstellenden Eingangs-Kollimatorspiegel 6. dessen Abstand zum Eintrittsspalt 4 gleich der Hälfte des genannten Krümmungshalbmessers ist. In demselben Abstand vom Eingangs-Kollimatorspiegel 6 ist ein Beu s gungsgitter 7 angeordnet Ein Ausgangs-Kollimator spiegel 8 weist denselben Krümmungshalbmesser wie der Eingangs- Kollimator piegel 6 auf und ist in einer die Hälfte des genannten Krümmungshalbmessers ausmachenden Entfernung vom Beugungsgitter 7 angeord- «j net. Die Kollimalorspiege! 6 und 8 sind derart montiert, daß die optische Eingangs- und Ausgangsachse des Monochromator 2 parallel zueinander verlaufen. Innerhalb des Monochromator 12 ist ein undurchsichtiger Formschirm 9 untergebracht, der zwischen dem AusgangvKoilimatorspiegel 8 und einem Austrittsspalt

10 des Monochromators 2 liegt Der Abstand des Austrittsspaltes 10 vom Ausgangs-Kollimatorspiegel 8 ist gleich dessen halbem Krümmungshalbmesser. Am Austrittsspalt 10 des Monochromators 2 ist eine gemeinsame Linse 11 befestigt.

Das Spektralphotomeier enthält gleichfalls ein auf der optischen Ausgangsachse des Monochromators 2 montiertes Spiegelobjektiv 12. das eine Einrichtung /ur Abbildung des Austrittsspalies 10 des Monochromators 2 auf eine Meßprobe 13 und auf eine Vergleichsprobe 14 darstellt. Die Meßprobe 13 und die Vergleichsprobe

14 liegen symmetrisch in bezug auf die optische Ausgangsachse des Monochromators 2 in der Ebene der durch das Spiegelobjektiv 12 erzeugten Abbildung des Austrittsspaltes 10.

Das Spiegelobjektiv 12 besteht aus einem Konvex spiegel 15 als Umlenkspiegel und aus einem Konkavspiegel 16 mit einer zentralen öffnung. Das Spiegelobjektiv 12 ist derart angeordnet, daß der Konvexspiegel

15 in der Ebene der gleichzeitig durch die gemeinsame Linse 5, den Eingangs-Kollimatorspiegel 6, den Ausgangs-Kollimatorspiegel 8 und die gemeinsame Linse

11 erzeugten Abbildung der Kondensorlinse 3 liegt, wobei der Konvexspiegel 15 einen der Abbildung der Kondensorlinse 3 gleichen optischen Durchmesser aufweist. Eine stirnseitige Fotokathode eines Fotovervielfacher 17 liegt in der Ebene der durch den Konkavsp' :'cl 16 erzeugten Abbildung des Konvexspiegels 15. De als Umlenkspiegel für die Umlenkung des Lichtbündeis von der Lichtquelle 1 in zwei verschiedene Lichtkanäle dienende Konvexspiegel 15 ist auf einer in Lagern 19 und 20 gehaltenen Welle 18 befestigt und mit einer Einrichtung zur Beaufschlagung mit periodischen Schwingungen versehen, die in Form eines auf der Welle 18 befestigten, zwischen den Polen von Elektromagneten 22 und 23 liegenden Ankers 21 ausgeführt ist. Hierbei ist die Welle 18 senkrecht zur optischen Ausgangsachse des Monochromators 2 gelegt und verläuft durch den optischen Durchmesser des Konvexspiegeis 15.

Die Arbeitsweise des dargestellten Spektralphotometers gestaltet sich wie folgt:

Das Lichtbündel von der Lichtquelle 1 wird durch die Kondensorlinse 3 auf den Eintrittsspalt 4 des Monochromatori 2 fokussiert. Der Eingangs-Kollimatorspiegel 6 wandelt das divergente, den Eintrittsspalt 4 passierende Lichtbündel in ein paralleles Lichtbündel um und richtet dieses auf das Beugungsgitter 7. Das Beugungsgitter 7 zerlegt das Liclrtbündel in ein Spektrum, <s_s das durch den Ausgangs-Kollimatorspiegel 8 in die Ebene des Austrittsspaltes 10 cues Monochromators 2 projiziert wird. Der AustrittsspaJt 10 trennt von diesem Spektrum ein monochromatisches Lichtbündel ab, das nach dem Durchgang durch die gemeinsame Linse 11 auf den Kon.exspiegel 15 des Spiegelobjektivs 12 auftrifft Der auf der Welle 18 befestigte Konvexspiegel 15 führt Schwingungen zwischen zwei durch eine Berührung des Ankers 21 mit den Polen der durch eine gegenphasige Jmpulsspannung eingespeisten Elektromagneten 22 und 23 bestimmten Lagen aus. Dk Schwenkdauer des Konvexspiegels 15 macht nicht mehr als 3% der Aufenthaltsdauer in jeder der Endlagen aus.

Durch die Schwingungen übernimmt der Konvex spiegel 15 die Funktion eines Umschalters zwischen den beiden Lichtkanälen mit der Meßprobe 13 einer seits und mit der Vergleichsprobe 14 andererseits, indem er, wie es in F i g. 2 gezeigt ist das Lichtbündel abwechselnd auf die Meßprobe 13 bzw. auf die Vergleichsprobe 14 richtet.

Für einen stabilen Betrieb von Spektralphotometern ist es erforderlich, daß die durch den Lichtkanal mit der Meßprobe und den mit der Vergleichsprobe hindurchgegangenen Lichtbündeln genau auf ein und denselben Abschnitt der Fotokathode des Fotovervielfacher auf treffen.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eines Spektralphotometers wird dies dadurch erreicht, daß auf die Fotokathode des Fotovervielfacher 17 (F i g. 1) die Abbildung des sich in Querrichtung bei der Umschaltung zwischen den Lichtkanälen nicht verschiebenden Konvexspiegels 15 projiziert wird. Die äußere Grenzlinie 24 (F i g. 3) für den Lichtfleck auf der Fotokathode des Fotovervielfachers 17 verschiebt sich daher bei der Umschaltung der Lichtkanäle ebenfalls nicht.

Allerdings wird ein Teil des durch den Konkavspiegels 16 (Fig. 1) reflektierten Lichtbündels durch den Konvexspiegel 15 und die Welle 18 abgeschirmt, wobei sich deren Schatten 25 (Fig. 3) bei der Umschaltung zwischen den Lichtkanälen auf der Fotokathode des Fotovervielfachers 17 bewegt. Zur Beseitigung dieser unerwünschten Verschiebung des Schattens 25 des Konvexspiegels 15 (F i g. 1) und der Welle 18 schneidet der Formschirm 9 aus dem Lichtbündel denjenigen Teil aus. der durch den Konvexspiegel 15 und die Welle 18 abgeschirmt wird. Der Schatten 26 (F i g. 3) des Formschirmes 9 (F i g. 1) auf der Fotokathode des Fotovervielfachers 17 überdeckt die Schatten 25 (F i g. 3) des Konvexspiegels 15 und der Welle 18, deshalb verschiebt sich der Lichtfleck 27(Fi g. 3) au! der Fotokathode des Fotovervielfachers 17 bei der Umschaltung zwischen den Lichtkanälen nicht.

Bei einer Differenz zwischen der Lichtabsorption durch die Meßprobe 13 einerseits und durch die Vergleichsprobe 14 andererseits weist das auf den Fotovervielfacher 17 auftreffende Lichtbündel eine sich periodisch mit der Umschaltfrequenz für die Umschaltung zwischen den Lichtkanälen ändernde Intensität auf. Der pulsierende Fotostrom aus dem Fotovervielfacher 17 «vird in eine in der Zeichnung nicht gezeigte Meßschaltung eingespeist, an deren Ausgang dann ein beispielsweise der optischen Dichte der Meßprobe proportionales Signal abnehmbar ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Spektralphotometer, bei dem in den Weg eines Lichtbündels von einer Lichtquelle zu einem Lichtdetektor der Reihe nach ein Monochromator und ein in Schwingungen um eine zur Achse des Ltebtbündeis senkrechte Achse versetzbarer Umlenkspiegel eingefügt sind, der das Lichtbündel unter nochmaliger Reflexion an einer weiteren abbildenden Spiegelfläche vor seinem Auftreffen auf den Lichtdetektor periodisch alternierend auf eine Meßprobe oder auf eine Vergleichsprobe richtet, d a durch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel ein Konvexspiegel (15) ist, der einem ihm im < Wege des Lichtbündels folgenden Konkavspiegel (16) gegenübersteht, der gemeinsam mit den Konvexspiegel ein Spiegelobjektiv (12) bildet, das den Austrittsspalt (10) des Monochromator^ (2) je nach der Winkelstellung des Konvexspiegels auf die Meßprobe (13) oder auf die Vergleichsprobe (14) und die Eintrittspupille des Systems auf den Lichtdetektor (17) abbildet.