DE2539183A1 - Optisches system mit strahlenteilern - Google Patents

Optisches system mit strahlenteilern

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DE2539183A1 DE19752539183 DE2539183A DE2539183A1 DE 2539183 A1 DE2539183 A1 DE 2539183A1 DE 19752539183 DE19752539183 DE 19752539183 DE 2539183 A DE2539183 A DE 2539183A DE 2539183 A1 DE2539183 A1 DE 2539183A1
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Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
αη-Μα
H. KiNKELDEY
[»MG
2539183 W. STOCKMAlR
DR -WG - AeE ICAUECH»
K. SCHUMANN
OR «ft MKT - DIPL PHVS.
P. H. JAKOB
OFt-MG
G. BEZOLD
DR FBlNKT- OH-CHEM
MÜNCHEN E. K. WEIL
LINDAU
8 MÜNCHEN 22
MAXIMILIANSTRASSE 43
3. Sept. 1975 P 94-36
The Perkin-Elmer Corporation
Norwalk, Connecticut 06852, USA
Optisches System mit Strahlenteilern
Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Blende und mit zwei Strahlenteilern in dem gleichen Strahlengang, sowie ein optisches Meßinstrument mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zum Formen eines ersten Strahlenbündels, einem ersten Strahlenteiler in dem ersten Strahlenbündel, der einen Probenstrahl und einen Bezugstrahl formt, einem zweiten Strahlenteiler, Gliedern zum Lenken des Probenstrahles und des Bezugstrahles in den zweiten Strahlenteiler, um einen wiedervereinigten Strahl zu bilden, und mit einer Ein-
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richtung zum Analysieren des wiedervereinigten Strahles.
Die Erfindung ist bevorzugt für optische Instrumente, wie Atomabsorptionsspektrometer, nützlich. In einem Typ eines Atomabsorptionsspektronieters werden zwei Strahlenteiler verwendet. Der eine empfängt Strahlung von einer Lampe und teilt diese in einen Probenstrahl und einen Bezugstrahl. Der Probenstrahl wird zu einem Spaltbild in dem Probenatomisierungsbereich (z.B. einer Flamme) fokussiert und danach vereinigt der zweite Strahlenteiler den Probenstrahl und den Bezugstrahl wieder und der vereinigte Strahl wird danach durch einen Monochromator zu einem Detektor geschickt. Die Strahlenteiler, die zuerst für die Verwendung in dem oben erwähnten Instrument vorgeschlagen wurden, sind vom herkömmlichen "ZiegelM-Typ (brick-type). Bei der Anwendung solcher Strahlenteiler hat sich Jedoch herausgestellt, daß ein unerwünscht hoher Rauschpegel vorhanden war. Untersuchungen fanden, daß dieses Rauschen von einer zeitabhängigen Schwankung in der optischen Homogenität der Flamme oder Probe stammt. Das im Probenbereich erzeugte Spaltbild ist annähernd 0,5 mm breit und 3-7 mm hoch. Das Ziegelmuster des ersten Strahlenteilers wurde auf dem zweiten durch eine Iiochoptik über das Medium des Spaltbildes in rohen Zügen abgebildet. Es stellte sich heraus, daß Sehliereneffette das Bild des ersten Strahlenteilers auf dem zweiten Strahlenteiler sich verschieben oder schwanken ließen, wodurch ein Bauschen entstand.
Die Erfindung will deshalb zwei Strahlenteiler für ein optisches Meßinstrument vorsehen, die das durch Schliereneffekte verursachte Rauschen auf ein Minimum reduzieren. Es ist jedoch auch noch wichtig, einige andere, für ein gut konstruiertes Instrument entscheidende Gesichtspunkte zu beachten. Deshalb will die Erfindung auch noch Strahlenteiler vorsehen, deren Verhältnis von reflektiertem zu durchfallendem licht über den UV-Bereich und den sichtbaren Bereich im wesentlichen konstant ist, die ferner eine Einstellung dieses Verhältnis-
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sea auf einen gewünschten Wert gestatten, die in den optischen Eigenschaften, wie der relativen Intensität, der Wellenlänge und der Breite des Spektralspaltes, zueinander passen und die schließlich eine hohe Effizienz "bieten, etwa durch niedrige Absorptionsverluste.
Erfindungsgemäß hat in einem optischen System der eingangs erwähnten Art jeder Strahlenteiler abwechselnde reflektierende und durchlässige Streifen, wobei die Streifen des ersten Strahlenteilers im rechten Winkel zu denjenigen des zweiten Strahlenteilers verlaufen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
Pig.1 ein Atom-Absorptionsspektrometer, das die erfindungsgemäßen Strahlenteiler enthält;
Pig.2 eine Seitenansicht eines der erfindungsgemäßen Strahlenteiler;
Pig.3 eine Seitenansicht des anderen Strahlenteilers gemäß der Erfindung;
Pig.4 die Abbildung des einen Strahlenteilers auf dem anderen zum besseren Verständnis der Punktionsweise der Erfindung.
In Pig.1 ist ein Atom-Absorptionsspektrometer 10 dargestellt, das eine Strahlungsquelle 12, etwa eine Hohlkathodenlampe, hat. Die Strahlungsquelle 12 richtet ein Bündel monochromatischer Strahlung auf einen ebenen Spiegel 14, von wo das Strahlenbündel zu einem fokussierenden Toroidspiegel 16 gelenkt wird. Der Spiegel 16 richtet die Strahlung auf einen ortsfesten Strahlenteiler 18, der einen Teil der Strahlung in einem Probenstrahl S reflektiert, von dem in dem !Erobenbereich 20 ein Spaltbild I der Strahlungsquelle geformt wird. Der durchgehende Teil der Strahlung geht weiter durch den
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Strahlenteiler 18 zu einem Planspiegel 22, der einen Bezugstrahl S formt, der in einem Abstand parallel zum Probenetrahl verläuft. Hach dem Durchgang durch den Probenbereich wird der Probenstrahl von einem Planspiegel 24 auf einen zweiten, ortsfesten Strahlenteiler 26 reflektiert, der auch in dem Bezugstrahl R liegt. Dabei werden der Probenstrahl und der Bezugstrahl wiedervereinigt und ein Toroidspiegel 28 reflektiert die Strahlung durch eine Eintrittsblende 34 und über Planspiegel 30, 32 zu einem Bild im Eintrittsspalt 36 eines Monochromators 38. Der Monochromator 38 arbeitet in üblicher V/eise mit einem parallelrichtenden Spiegel 40 und einem Gitter 42, um ein schmales Wellenlängenband auszublenden und mit ihm am Austrittsspalt 44 ein Bild zu erzeugen, worauf die Strahlung vom Austrittsspalt auf einen Detektor 46 fällt. Ein von einem Motor 50 angetriebener lichtundurchlässiger Zerhacker 48 ist derart angeordnet, daß er periodisch den Probenstrahl und den Bezugstrahl in der gewünschten Folge abdeckt.
Zwei der fünf angestrebten Zeiele der Erfindung, nämlich die TJnempfindlichkeit gegenüber zeitabhängigen Änderungen der optischen Homogenität der Probenumgebung und das Zueinanderpassen der optischen Eigenschaften der Strahlen können mit halbdurchlässigen Strahlenteilern erreicht werden. Solche Strahlenteiler können beispielsweise durch Aufdampfen einer gleichmäs— sigen dünnen reflektierenden Schicht auf einem Quarzglassubstrat gebildet werden. Doch würden solche Strahlenteiler entweder die übrigen Ziele nicht erreichen oder sie wären in der Praxis nur schwer zu kontrollieren. Die Strahlenteiler mit "Ziegelaufbau11, die bisher verwendet werden, erfüllen zwar die zweite der oben genannten Bedingungen, sind aber, wie schon erwähnt, empfindlich für Schliereneffekte, die in der Probenumgebung entstehen. Die erfindungsgemäßen Strahlenteiler, die in Kombination alle oben aufgeführten Ziele erreichen, werden nun mit Bezugnahme auf die Fig·2 und 3 beschrieben·
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Fig· 2 zeigt den Strahlenteiler 18. Er weist ein Quarzglassubstrat auf, auf dem eine mit Aluminium bedampfte spiegelnde Oberfläche in der Form mehrerer vertikaler reflektierender
Streifen 52 angebracht ist, die voneinander durch durchsichtige Bereiche 54 getrennt sind. Weiter weist der Strahlenteiler 18 einen linken reflektierenden Teil 56 und einen rechten reflektierenden !Teil 58 auf, die breiter sind als die reflektierenden Streifen 52. Das Verhältnis der reflektierenden zu den durchlässigen Bereichen des Strahlenteilers 18 kann an die jeweiligen Verwendungsbedingungen angepaßt werden. Bei dem dargestellten Strahlenteiler sind z.B. die reflektierenden und
durchlässigen Streifen annähernd gleich und haben eine Breite von etwas mehr als 1 mm.
Pig.3 veranschaulicht den zweiten Strahlenteiler 26, der in den meisten Punkten dem Strahlenteiler 18 gleicht. Doch laufen
bei dieser Ausführung die Streifen horizontal in Form von reflektierenden Streifen 62, die durch transparente Bereiche 64 voneinander getrennt sind. Der Strahlenteiler 26 hat außerdem einen oberen reflektierenden Teil 66 und einen unteren reflektierenden Teil 68, die beide breiter sind als die reflektierenden Streifen 62. Das Verhältnis von Eeflexion zu Transmission kann auch beim zweiten Strahlenteiler variiert werden, um den gestellten Anforderungen zu genügen; in einer Ausführungsform jedoch, die zur Benutzung mit dem vorher beschriebenen Strahlenteiler 18 bestimmt ist, sind die reflektierenden Streifen etwas breiter als die transparenten Streifen, um einen größeren Anteil der Strahlung vom Probenstrahl S aufzunehmen. In einem praktischen Beispiel beträgt die Breite jedes reflektierenden Streifens 62 annähernd 2,36 mm, während die Breite jedes
durchlässigen Streifens 64 annähernd 1,15 mm ist.
Die gestrichelten Linien 60 sind nicht körperliche Teile der
Strahlenteiler 18 und 26, sondern definieren nur die freie
Öffnung des Systems; sie sind angebracht, um ein wichtiges
Merkmal zu illustrieren, nämlich daß an den betreffenden Strah-
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lenteilem die Streifen sich vertikal bzw. horizontal ein gutes Stück über die Öffnung hinaus erstrecken, aber horizontal bzw. vertikal ein Stück weit in die Öffnung gerückt sind.
Wie oben erläutert, hat das Spaltbild I eine Breite von nur etwa 0,5 mm und wirkt daher als Loch, das eine rohe Abbildung dea Strahlenteilers 18 auf dem Strahlenteiler 26 erzeugt. Das Resultat iat in Fig·4 veranschaulicht, wo etwas sohemati— eiert der Strahlenteiler 26', überlagert von dem Bild 18» des Strahlenteilers 18, gezeigt ist. Die Umrisse der beiden Strahlenteiler sind verzerrt, so daß sie sich nicht abdecken, und die Streifen sind in geringerer Zahl und viel breiter als in Wirklichkeit dargestellt, um die Punktion der Erfindung deutlich zu machen. Die Öffnung 60 ist mit gestrichelten Linien gezeigt.
Der Probenstrahl wird an den reflektierenden Teilen des Strahlenteilers 18 reflektiert und wo diese reflektierten Teile des Probenstrahles auf die reflektierenden Teile des Strahlenteilers 26 auftreffen, werden sie noch einmal reflektiert und sind als schräg schraffierte Bereiche S1 dargestellt. Das durch die durchlässigen Teile des Strahlenteilers 18 fallende licht bildet den Bezugstrahl und die Teile, die danach auch durch die durchlässigen Teile des Strahlenteilers 26 gehen, treten in den wiedervereinigten Strahl ein und sind durch eine entgegengesetzte Schraffierung veranschaulicht und mit E1 bezeichnet.
Himrnt man nun an, daß Schliereneffekte im Probenbereich 20 des Spektrometers das Bild 18* des ersten Strahlenteilers sich auf der Oberfläche des Strahlenteilers 26' bewegen lassen, so ist zu beobachten, daß dabei keine merkliche Inderung des Verhältnisses der Probenstrahl-Strahlung S1 zur Bezugstrahl-Strahlung E* eintritt. Da die Streifen rechtwinkelig zueinander verlaufen, ist die Kombination von horizontalen und vertikalen Streifen unempfindlich gegen eine Strahlablenkung.
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Außerdem werden Randeffekte dadurch ausgeschaltet, daß die Streifen innerhalb der freien Öffnung 60 gehalten werden und der Strahl im Probenbereich im optischen Strahl des Systems etwas überwiegt·
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Claims (10)

— 8 — β Patentansprüche
1. Optisches System mit einer Blende und zwei Strahlenteilern im gleichen Strahlengang, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahlenteiler (18, 26) sich abwechselnde reflektierende und lichtdurchlässige Streifen (52, 54; 62, 64) hat una daß die Streifen (52, 54) des einen Strahlenteilers (18) im rechten Winkel zu denjenigen (62, 64) des anderen Strahlenteilerβ (26) verlaufen·
2· System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Streifen von wenigstens einem der Strahlenteiler (18, 26) über die Ränder der freien öffnung (60) hinausreichen·
3· System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Streifen beider Strahlenteiler (18, 26) über die Ränder der öffnung (60) hinausreichen.
4. Optisches Meßinstrument mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zum Formen eines ersten Strahlenbündels, einem ersten Strahlenteiler in dem ersten Strahlenbündel, der einen Probenstrahl und einen Bezugstrahl formt, einem zweiten Strahlenteiler, Glieder zum Lenken des Probenstrahles und des Bezugstrahles auf den zweiten Strahlenteiler, um einen wiedervereinigten Strahl zu bilden, und einer Einrichtung zum Analysieren des wied ervereinigt en Strahles, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahlenteiler (18, 26) einander abwechselnde reflektierende und lichtdurchlässige Streifen (52, 54$ 62, 64) hat und daß die Projektionen der Streifen des einen Strahlenteilers in eine zur optischen Achse senkrechte Ebene orthogonal um die optische Aohse zu den Projektionen der Streifen des anderen Strahlenteilers sind·
5. Meßinstrument nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß
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— g _
der Probenstrahl (S) in dem Strahlengang zwisehen dem ersten und zweiten Strahlenteiler (18, 26) einen Brennpunkt bildet.
6· Meßinstrument nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Streifen von wenigstens einem der Strahlenteiler über die Ränder der optischen öffnung des Instrumentes hinausreichen.
7. Meßinstrument nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Streifen beider Strahlenteiler (18, 26) über die Ränder der optischen Öffnung dea Instrumentes hinausreichen.
8. Meßinstrument nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Streifen wenigstens eines der Strahlenteiler in der optischen Öffnung des Instrumentes liegen.
9. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Streifen beider Strahlenteiler in der optischen öffnung des Instrumentes liegen.
10. Meßinstrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenstrahl (S) im Strahlengang zwischen dem ersten und zweiten Strahlenteiler (18, 26) ein Bild formt.
6 0 9 8 13/0711
λο
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