DE2738564C3 - Spektralphotometer zur Messung der Lichtdurchlässigkeit einer Probe im sichtbaren Spektralbereich - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektralphotometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die meisten Spektralphotometer, die im sichtbaren Bereich des Lichtes arbeiten, benutzen drei Grundelemente: eine Lichtquelle, eine Dispersionseinrichtung zum Zerlegen des Lichtes in die verschiedenen Wellenlängen und eine lichtempfindliche Meßeinrichtung. Die Lichtquelle ist in der Regel eine Glühlampe. Zum Zerlegen des Lichtes wird in der Regel ein Prisma oder ein Beugungsgitter benutzt. Die lichtempfindliche Meßeinrichtung besteht entweder aus einem Sekundärelektronenvervielfacher, einem Photowiderstand oder aus einem Photoelement.

Obgleich die meisten optischen Systeme die Menge des von einem Körper durchgelassenen Lichtes sehr genau messen, besteht, besonders im Lehrbereich, ein Bedarf, die Menge des durchgelassenen Lichtes auch sichtbar zu machen. Eine solche Sichtbarmachung ist

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von Bedeutung für die Veranschaulichung sowohl der Farbenlehre als auch der Absorptionsspektrophotometrie.

Es ist bereits aus der US-PS 3880523 ein Vielkanal-Kolorimeter mit einer Diffraktionseinrichtung zur Erzeugung eines Bandspektrums, welches hinter einem Beugungsgitter entsteht, und auf einen Schirm bzw. eine entsprechende Auffangfläche geworfen wird, die über die Länge der spektralen Abbildung mit zwei Reihen von Löchern unterschiedlichen Durchmessers versehen ist, bekannt. In jedes der Löcher lassen sich nacheinander Lichtleiter einstecken, an deren anderem Ende lichtempfindliche Detektorköpfe aufgesetzt sind. Jeder Lichtleiter ist hierfür zum Leiten des Lichtes desjenigen Spektralbereiches oder der Wellenlänge, die auf das zugehörige Loch im Schirm fällt, zu dem betreffenden Detektor so angeordnet, daß er an der einen Seite des Schirm, die von der Lichtquelle abgewandt ist, eingepaßt werden kann. Diese Anordnung macht die Vielkanalmessung mit einer einzigen Lichtquelle möglich, ohne daß der Gebrauch einer Vielzahl teurer Filter erforderlich wird.

Ein weiteres aus dem DE-GM 1944 521 bekanntes Spektrophotometer für Lehrzwecke besteht aus einem geschlossenen Kasten mit aufklappbarem Deckel, unter dem in der Reihenfolge des Strahlenganges eine Lampe mit vertikalem, geradlinigem Glühfaden, eine Blende, eine die Blende wahlweise verschließende oder öffnende Verschlußplatte, eine Kolorimeterlinse, eine Halterung für eine Küvette, ein Prisma, eine Kollektorlinse und ein Photodetektor angeordnet sind, wobei letzterer mittels eines Schwenkannes um die Achse des Prismas schwenkbar gelagert ist. Ein Meßinstrument dient als Anzeigevorrichtung für den Absorptionsgrad der zu messenden Probe für eine jeweilige Wellenlänge.

Keines dieser Meßinstrumente bietet jedoch die Möglichkeit der gleichzeitigen Mewuig des Absorptionsvermögens bzw. umgekehrt der Lichtdurchlässigkeit bei gleichzeitiger Darstellung des Spektrums auf einem Schirm oder dergleichen, auf dem neben der durch die Meßprobe gekennzeichneten spektralen Verteilung des Lichtes eine weitere Anzeigemöglichkeit gegeben ist fin die Stellung des lichtempfindlichen Meßdetektors, das heißt also dafür, welche Wellenlänge des gesamten angezeigten Bereiches im jeweils eingestellten Falle bezüglich des Lichtdurchlässngkeitsgrades untersucht und auf einem weiteren Meßinstrument angezeigt wird.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugmndeliegt, eine Vorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, gleichzeitig sowohl eine genaue Messung des Lichtes für einen gewünschten Spektralbereich als auch die Sichtbarmachung des gesamten Spektrums zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Spektralphotometer,

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch das Spektralphotometer nach Fig. 1, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der zugehörigen Schaltung.

Im nachfolgenden wird Fig. 1 ausführlich beschrie-

ben. Als Lichtquelle dient eine Glühlampe 1 mit langgestrecktem Glühfaden 2, welcher senkrecht zur Papierebene angeordnet ist. Der Lichtkegel 3, der durch eine kreisförmige öffnung 4 austritt, trifft auf die Linse S. Der Abstand der Linse 5 vom Leuchtfaden 2 ist so gewählt, daß auf dem Beobachtungsschirm 6 ein ca. dreifach vergrößertes Abbild des Leuchtfadens 2 entsteht. Der Beobachtungsschirm 6 ist aus mattiertem Material, wie beispielsweise mattiertem oder opalisierendem Glas oder mattiertem Polyethylenterephthalat hergestellt. Durch das zwischen der Linse S und dem Schirm 6 angeordnete Beugungsgitter 7 wird das Licht in die einzelnen Spektralbereiche zerlegt. Es werden also Strahlen verschiedener Wellenlänge in verschiedenen Winkeln abgelenkt, wobei der Ablenkungswinkel eine lineare Funktion der Wellenlänge ist

Das längstwellige sichtbare rote Licht von 700 Nanometern wird am meisten abgelenkt und trifft in Punkt A auf dem Schirm auf. In Punkt A befindet sich also das durch die Linse 5 erzeugte (rute) Biiü des Glühfadens 2. Entsprechend wird ein violettes Bild (400 Nanometer) des Glühfadens 2 in Punkt B erzeugt. Die violetten Strahlen des sichtbaren Spektrums werden also am wenigsten abgelenkt.

Da die Glühbirne 1 ein kontinuierliches Spektrum aussendet, wird auch eine kontinuierliche Reihe von Abbildern des Glühfadens 2 auf dem Schirm 6 abgebildet, entsprechend jeder einzelnen Wellenlüge. Die Abbilder gehen ineinander über, so daß der Betrachter ein kontinuierliches Spektrum sieht.

Das am Beugungsgitter 7 nicht zerlegte Licht trifft auf die schwarze Scheibe 8; dadurch wird unerwünschtes Streulicht vermieden. Ist das zu untersuchende Muster eine Flüssigkeit, so wird diese in eine Küvette 9 gebracht, durch die die bereits zerlegte Strahlung hindurchgeht, ehe sie auf den Beobachtungsschirm 6 und die Photomeßeinrichtung 10 trifft. Die Stärke der Küvette 9 beeinflußt die Schärfe des Spektrums aaf dem Beobachtungsschirm 6 nur wenig, da das optische System eine große Tiefenschärfe aufweist. Anstelle der Küvette 9 können auch Gelatine-, Glas- oder Plastikscheiben als Probenkörper verwendet werden; allerdings muß dieser von einheitlicher Färbung sein, da er hinter dem Beugungsgitter 7 im Strahlengang angeordnet ist.

Die Photomeßeinrichtung 10 besteht aus einem lichtempfindlichen Halbierter, dessen Widerstand sich mit der Lichteinstrahlung ändert. Sie ist etwas näher zur Linse 5 angeordnet arider Beobachtungsschirm 6. Die Blendenzahl des optischen Systems ist so groß, daß das Spektrum sowohl auf der Meßeinrichtung 10 als auch auf dem Schirm 6 vollständig scharf ist. Die Photomeßeinrichtung 10 ist beweglich angebracht und kann zwischen den Punkten A und B bewegt werden; sie wird durch Drehen des Knopfes 11 betätigt.

Zum besseren Verständnis der Meßeinrichtung 10 wird auf Fig. 2 verwiesen. Das Bild des langgestreckten Glühfadens 2 der Glühbirne 1 ist hoch genug, um

auf dem Teil des Schirmes 6 aufzutreffen, der nicht durch die .-nattierte Maske 12 abgedeckt ist und mn ein undeutliches Bild erkennen läßt, und ebenfalls genügend hoch, um die Meßeinrichtung 10 zu treffen. Auf diese Weise mißt die Photomeßeinrichtung 10 die Lichtintensität des unteren Teils des auf dem Schirm abgebildeten Spektrums, und zwar den Teil, der durch die mattierte Abdeckmaske 12 verdeckt ist. Die spektrale Bandbreite der Messung wird in erster Linie durch die Größe der Meßeinrichtung bestimmt lind hegt bei etwa 20 Nanometer. Vorzugsweise wird die Photomeßeinrichtung 10 durch eine Halterung 13 und ein Getriebe 14 bewegt. Die von der Meßeinrichtung gemessene Wellenlänge wird auf dem Beobachtungsschirm durch den Schatten eines Zeigers 15 angezeigt, der an der Meßeinrichtung 10 befestigt ist. In einer vorzugsweisen Ausgestaltungsform ist dieser Zeiger

15 einer der beiden Leiter, die mit der Meßeinrichtung 10 verbunden sind. Die äußere Seite der mattierten Abdeckmaske 12 ist mit einer Skale ersehen, auf der die Weiieniängen im Bereich zwischen 100 und 700 Nanometer angegeben sind.

Die Messung des durch den Probenkörper durchgelassenen Lichtes erfolgt in drei Stufen. Als erstes und noci· ohne Piobenkörper wird der Drehknopf 11 so eingestellt, daß der Zeiger 15 auf der Anzeigenskala die Wellenlänge anzeigt, bei der die Messung durchgeführt werden soll. Als zweites wird mit Knopf

16 das Potentiometer 17 eingestellt, wodurch gleichzeitig auch das Strommeßgerät 18 eingestellt wird. Die Anzeigenskala des Slrommeßgerätes 18 ist auf Prozent durchgelassenen Lichtes geeicht, und zwar von 0 bis 100%; als Grundeinstellung dienen 100%. Als dritter Schritt wird der Probenkörper eingesetzt, und die Menge des durchgelassenen Lichtes wird direkt auf dem Strommeßgerät 18 angezeigt.

Die schematische Darstellung in Fig. 3 zeigt den Transformator 19, der die 120-V-AusgarigswetJiselspannung in 6 V umwandelt. Mit dieser Spannung wird die Glühlampe 1 betrieben. Die in Serie geschaltete Diode 21 und der parallelgeschaltete Kondensator 20 dienen zur Glättung des Stromes und versorgen so den Meßstromkreis mit einer Gleichspannung. Der Meßstromkreis besteht aus der Photomeßeinrichtung 10,dem Potentiometer 17 und dem Amperemeter 18. Ohne Probenkörper wird der Widerstand des Potentiometers 17, welches parallel zum Amperemeter 18 geschaltet ist, so eingestellt, daß das Amperemeter 18 100% anzeigt. Wird die Probe in den Strahlengang gebracht, so nimmt der Widerstand im Meßgerät 10 zu und der Strom im Amperemeter 18 ab. Da der Widerstand der Meßeinrichtung 10 nicht notwendigerweise linear von der Lichtintensität abhängig ist. und da das Meßgerät einen festen Widerstand im Stromkreis darstellt ist der Strom, der im Amperemeter gemessen wird, nicht linear proportional zur Lichtdurchlässigkeit des Probenkörpers. Diese Nichtlinearität wird durch die Skaleneinteilung des Amperemeters 18 ausgeglitten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Spektralphotometer zur Messung der Uchtdurchlässigkeit einer Probe im sichtbaren Spektralbereich mit

a) einer Lichtquelle,

b) einem im Wege eines von der Lichtquelle ausgebenden Strahlenbündels angeordneten Dispersionselement,

c) einer Auffangfläche für den zu erfassenden Bereich des vom Dispersionselement erzeugten Spektrums,

d) einem entlang der Auffangfläche verschiebbar angeordneten photoelektrischen Empfänger,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) die Auffangfläche als ein die spektrale Intensitätsverteilung innerhalb des zu erfassenden Spektralbereichs sichtbar machender Beobachtungsscbinn (6) ausgebildet ist,

f) der Beobachtungsschirm (6) mit einer Anzeigeskala versehen ist, und

g) der verschiebbar angeordnete photoelektrische Empfänger (10) mit einem mit der Anzeigeskala zusammenwirkenden Zeiger (15) gekoppelt ist.

2. Spektxalphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dad der Beobachtungsschirm (6) aus diffus streuendem Material besteht und in zur E rstxeckung des Spektrums senkrechter Richtung teilweise nut einer mattierten Abdeckmaske (12) versehen ist, daß der photoelektrische Empfänger (10) vor dem rhircb die Abdeckmaske (12) belegten Teil des Beobawhtungsschirms (6) angeordnet ist, und daß der Zeiger (15) derart vor dem nicht abgedeckten Bereich des Beobachtungsschirms (6) gehalten ist, daß sein Schatten auf dem Beobachtungsschirm sichtbar ist.

3. Spektralphotometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine geschwärzte Blende (8) zur Elimination der nullten Beugungsordnung des Dispersionselements (7) vorgesehen ist.