DE3045156C2

DE3045156C2 - Vorrichtung zur Spektralanalyse

Info

Publication number: DE3045156C2
Application number: DE3045156A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1980-12-01
Filing date: 1980-12-01
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE3045156A1; US4462687A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spektralanalyse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem Dispersionsglied, einem dem Dispersionsglied nachgeordneten Detektor, einer zweiteiligen Modulatoranordnung und einer Auswerteschaltung bekannt (Journal of the Optical Society of America, 39 (1949), Nr. 6, Seiten 437-444), bei dereinem räumlich auseinandergezogenen Spektrum ein einziger Detektor zugeordnet ist. Hierbei ist jeder Spektralkomponente eine eigene Modulationsstruktur mit spezieller Frequenz zugeordnet, welche senkrecht zur Selektionsrichtung der Spektralkomponente ausgedehnt ist. Für jede der zu ermittelnden Spektralkomponenten muß also eine bestimmte Modulationsstruktur mit eigener Frequenz vorgesehen sein, um an dem einzigen Detektor unterschiedliche und damit durch Bandpässe trennbare Frequenzsignale zu erhalten. Das Erfordernis einer großen Anzahl von Modulationsstrukturen bedeutet einen ganz erheblichen baulichen Aufwand, ganz abgesehen davon, daß das Auflösungsvermögen der bekannten Vorrichtung zur Spektralanalyse begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche bei geringen Anforderungen an die mechanische Präzision die Energie des angebotenen Spektrums optimal ausnutzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Nach einem älteren Vorschlag (DE-OS 30 14 646) ist bereits vorgesehen, daß die Modulationsstruktur am Ort des Spektrums parallel zur Selektionsrichtung ausgedehnt und bewegbar ist und eine Einrichtung zur Zuordnung des momentanen Ausgangssignals des Detektors zur momentanen Position der Modulationsstruktur vorgesehen ist. Bei der Vorrichtung nach dem älteren Vorschlag ist für die Bildung der Frequenzsignale der Eingangs- oder Ausgangsspalt eines Spektrometers erforderlich, wodurch die am Detektor verfügbare Lichtenergie beschränkt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dagegen ein die zu untersuchenden Spektralkomponenten enthaltendes Lichtbündel mit relativ großem Querschnitt und entsprechend Lichtintensität verwendet und ausgewertet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüclie gekennzeichnet.

Es wird also die zweite Modulationsstruktur bzw. die Blendenvorrichtung von einem Lichtbündel mit relativ großer Fläche beaufschlagt. Die Fläche ist größer als die Fläche des schmalen Eingangsspaltes eines konventionellen Spektrometers. In der elektronischen Auswerteschaltung entsteht für jede gesuchte Spektralkomponente eine charakteristische Kombinationsfrequenz der von dem Detektor aufgenommenen räumlich variablen Modulationsfrequenzen beider Modulationsstrukturen. Diese charakteristischen Kombinationsfrequenzen können herausgefiltert und zur Anzeige der Intensität dieser Spektratkomponenten verwendet werden.

ίο Die Größe der durch Überlagerung der beiden Modulationsfrequenzen erzielten Kombinationsfrequenz hängt von der Relatiwerschiebung.der beiden Modulationsstrukturen bzw. der ersten Modulationsstruktur und des Bildes der zweiten Modulationsstruktur ab. Je nachdem, welche Ablenkung das Dispersionsglied hervorruft, wird die relative Verschiebung der beiden Modulationsstrukturen so vorgenommen, daß den zu ermittelnden Spektralkomponenten eine gewünschte Kombinationsfrequenz zugeordnet ist.

Im Gegensatz zu dem Vorschlag nach der DE-OS 30 14 646 wird also vor und hinter dem Dispersionsglied bzw. dem Separator eine Modulationsstruktur angeordnet. Die Modulationsstrukturen entsprechen dabei weitgehend denen nach dem älteren Vorschlag.

Da die Strahlung aber nicht nur über einen schmalen Eingangsspalt, sondern über die volle Breite der Eingangsmodulationsstruktur eintritt, ist die am Ausgang verfügbare Lichtenergie bis etwa um einen Faktor 1000 größer. Da für jede Spektralkomponente eine feste Kombinationsfrequenz erzeugt wird, ist die Signalauswertung wesentlich einfacher als nach der bereits vorgeschlagenen Vorrichtung zur Spektralanalyse.
Obwohl grundsätzlich beliebige Modulationsfre-

« quenzen für die Modulationsstrukturen verwendet werden können, ist es zur einfachen Signalauswertung bevorzugt, nur solche Modulationsstrukturen zu verwenden, welche aufgrund der versetzten Überlagerung unmittelbar konstante Kombinationsfrequenzen ergeben. Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 5 erreicht.

Bei dieser Ausführungsform kann die Auswertung einfach dadurch erfolgen, daß an den Detektor für jede der gesuchten Spektralkomponenten Bandpässe

■45 angeschlossen sind, die auf die zugeordneten Differenz- bzw. Summenfrequenzen abgestimmt sind.

Besonders einfach wird die Auswertung dann, wenn die Bewegungen der beiden Modulationsstrukturen synchronisiert sind, zwischen ihnen also eine zeitlich konstante Verschiebung besteht. Zur Erzielung günstiger Kombinationsfrequenzen sollen außerdem beide Modulationsstrukturen unterschiedliche Frequenzbänder haben.
Die Erfindung kann aber auch bei Modulationsstrukturen verwirklicht werden, deren Bewegungen nicht synchronisiert sind. Hierbei ist es dann erforderlich, daß an den Detektor ein Mischer oder ein Synchrondemodulator angeschlossen ist, in dem aus Referenzfrequenzsignalen, die von einer durchstimmbaren, mit den Modulationsstrukturen synchronisierten Oszillatorvorrichtung, deren Verstimmung proportional zur relativen Verschiebung der Modulationsstrukturen ist, stammen und aus zeitlich variablen Kombinationsfrequenzen Signale mit konstanten Kombinate tionsfrequenzen entsprechend den vorhandenen Spektralkomponenten gebildet werden, die gegebenenfalls über ein Filter an die Bandpässe angelegt sind. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Modula-

tionsstrukturen vorgesehen sein, wobei vorteilhafterweise eine dritte Modulationsstruktur in der Mittelspaltebene eines das Dispersionsglied bildenden Doppelmonochromators angeordnet werden soll. Bei der Verwendung von drei Modulationsstrukturen werden dann z. B. die folgenden Kombinationsfrequenzen ausgewertet:

/=/, +/2 +/3 oder
/=/1 -/2 -/3 oder
/=/1 +/2 -/3 oder
f=fx-h +/3

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besieht darin, daß sie nicht nur zur Spektralanalyse optischer, infraroter oder ultravioletter Spektren geeignet ist, sondern durch Verwendung geeigneter Dispersionsgüeder oder Separatoren auch für die Analyse von Röntgenstrahlungs-, Gammastrahlungs-, Partikelstrahlungs- oder Massenspektren verwendet werden kann. In bezug auf die zu analysierenden Spektren ist also die erfindungsgemäße Vorrichtung außerordentlich universell.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

F i g. 1 eine schematische Darstellung der optischen und elektronischen Anordnung der Vorrichtung zur Spektralanalyse und

Fig. 2 eine Draufsicht einer der verwendeten Modulationsstrukturen.

Nach Fig. 1 trifft ein die zu untersuchenden optischen Spektralkomponenten enthaltendes Lichtbündel 9 mit relativ großem Querschnitt auf eine vor einer ersten Ausgangsmodulationsstruktur 11 vorgesehene gitterförmige zweite Eingangsmodulationsstruktur 1Γ auf. welche gemäß Fig. 1 und 2 eine stetig zunehmende Gitterkonstante hat. Über zwei vorzugsweise ein telezentrisches System bildende Linsen 26 und ein dazwischengeschaltetes Dispersionsglied 19 wird die zweite Modulationsstruktur 11' auf die erste gitterförmige Modulationsstruktur 11 abgebildet, welche wie die erste Modulationsstruktur eine stetig zunehmende Gitterkonstante aufweist, jedoch im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 1 vorzugsweise ein anderes Frequenzband umfaßt. Beispielsweise kann die Modulationsstruktur IV ein Frequenzband von 400 kHz bis 1 MHz haben, die Modulationsstruktur 11 ein Frequenzband von 300 kHz bis 900 kHz, wobei von einer gleichförmigen Bewegung der Modulationsstrukturen mit einer Geschwindigkeit von 20 m/sec ausgegangen wird. Die genutzte Kombinationsfrequenz kann dann z. B. im Bereich von 70... 100 kHz liegen. Der Abbiidungsstrahlengang der durch die Linsen 26 und das Dispersionsglied 19 gebildeten Abbildungsoptik 10 ist in F i g. 1 gestrichelt angedeutet.

Hinter der ersten Modulatorstruktur 11 ist als photoelektrischer Detektor ein einzelner Photoempfänger 13 vorgesehen, welcher das gesamte durch die Öffnungen der Modulationsstruktur 11 hindurchgelangende Licht empfangt und an seinem Ausgang ein entsprechendes elektrisches Signal abgibt, das an eine elektronische Auswerteschaltung 15 angelegt ist.

Vor der zweiten Modulationsstruktur 11' befindet sich eine Phasenblende 8, deren Ortsfrequenz wesentlich kleiner als die der Modulationsstrukturen 11,11' ist. Die Ortsfrequenz der Phasenblende 8 ist in eine Beziehung zu der durch die Modulationsstrukturen 11, 11' gebildeten Kombinationsfrequenz zu setzen, was bei der weiter unten erfolgenden Funktionsbeschreibung noch im einzelnen erläutert wird.

Aufgrund der in F i g. 1 gezeigten optischen Anordnung wird auf der ersten Modulationsstruktur 11 ein Bild der Modulationsstruktur 11' erzeugt. Durch punktierte Linien ist wiedergegeben, wie eine vom Dispersionsglied 19 nicht abgelenkte Spektralkomponente im Lichtbündel 9 durch die Abbildungsoptik 10 auf die Modulationsstruktur 11 gelangt. In strichpunktierten Linien ist gezeigt, wie eine andere Spektralkomponente durch das Dispersionsglied 19 um einen Winkel abgelenkt und in Richtung des Pfeiles/' versetzt auf der ersten Modulationsstruktur 11 auftrifft.
Erteilt man nun den beiden Modulationsstrukturen 11, 11' senkrecht zur optischen Achse 7 und in bzw. entgegen der Selektionsrichtung des Dispersionsgliedes 19, d. h. in Richtung der Pfeile/,/' eine gleichförmige Bewegung derart, daß sich das Bild der zweiten Modulationsstruktur 11' und die erste Modulationsstruktur 11 mit gleicher Geschwindigkeit und konstanter Versetzung bewegen, so läuft für jede Spektralkomponente eine Kombinationsmodulationsfunktion mit anderer Frequenz f_k in Richtung des Pfeiles/' über die Oberfläche der photoelektrischen Empfangsanordnung 13. Damit diese Bewegung am Ausgang der Empfangsanordnung 13 ein deutliches elektrisches Signal abgibt, befindet sich in der Ebene der Eingangsmodulationsstruktur 11' (und/oder der Ausgangsmodulationsstruktur) die Phasenblende 8.

Die Phasendifferenz der Kombinationsfrequenz der äußersten Strahlen, die die Phasenblende passieren können, beträgt etwa ±45° bezogen auf den mittleren Strahl durch die Blende 9. Die Strahlen, die auf die undurchlässigen Bereiche der Phasenblende 8 fallen,

werden unterdrückt. Weil auch Signale mit einer relativen Phasenlage von ±45° ±n-360° (n bedeutet hier eine ganze Zahl) summiert werden dürfen, hat die Phasenblende 8 gegebenenfalls mehrere freie Öffnungen. Die Phasenblende 8 kann auch in der Ebene der

Ausgangsmodulationsstruktur 11 oder auf beiden Seiten angeordnet werden.

Zwar geht durch die Phasenblende 8 etwas Licht verloren; dennoch ist die Energie, die durch die Öffnungen der Phasenblende 8 tritt, noch um Zehnerpo-

tenzen größer als bei einem konventionellen Verfahren mit einem beleuchteten Eingangsspalt. Bei kleinen Kombinationsfrequenzen f_k hat die Phasenblende 8 nur eine oder wenige große Öffnungen, während bei großen Kombinationsfrequenzen die Phasenblende

viele kleine Öffnungen besitzt.

Energetisch günstiger isi es, wenn statt der Phasenblende 8 die photoelektrische Empfangsanordnung 13 nicht aus einem einzigen durchgehenden Photoempfänger, sondern aus räumlich versetzten Detekto-

ren besteht, die nebeneinander angeordnet sind. Die Breite der Detektoren ist dabei so gewählt, daß sie Signale mit relativen Phasen von z. B. ±45° empfangen. Die räumlich getrennte Anordnung der Detektoren ersetzt somit die Phasenblende 8.

Signale von Detektoren mit gleichartiger Phasenlage können direkt addiert werden. Die übrigen Signale werden vor der Addition mittels Phasendrehgliedern auf eine gleichartige Phasenlage gebracht. Statt einen Vielfachdetektor zu verwenden, könnten auch an den jeweiligen Orten Strahlablenker angeordnet werden, die den Strahl auf ungefähr vier Detektoren lenken. Die Ausgangssignale dieser Detektoren werden mit Hilfe von Phasenschiebern in die gleichar-

tige Phasenlage gebracht.

Wesentlich ist also, daß die Anordnung der Phasenblende 8 und/oder der in einzelne Detektoren unterteilten photoelektrischen Empfangsanordnung 13 so ist, daß die Kombinationsfrequenz bei Bewegung der beiden Modulationsstrukturen 11,11' in Richtung der Pfeile/,/' am Ausgang der photoelektrischen Empfangsanordnung ein möglichst großes Signal ergibt.

Wenn der Abbildungsmaßstab A des den Separator bildenden Monochromator eins ist, dann ist die relative Phasenverschiebung der Differenzfrequenz zweier Strahlen mit dem Abstand Ax bei Ausnutzung der Differenzfrequenz

Δφ_η = 360°

ΔΧ\Χ,. - Λ_α

Dabei sind x_e, x_a die räumlichen Längen der Perioden der Eingangs- bzw. Ausgangs-Modulationsstrukturen.

Ist der Abbildungsmaßstab A ungleich eins, dann muß - wenn ζ. Β. Αφ am Ausgang berechnet werden soll - .ν,, mit A multipiziert werden (wenn Δφ am Eingang berechnet werden soll, dann muß mit -^x_a gerechnet werden.).

Wird die Summenfrequenz ausgewertet, dann wird die Öffnung der Phasenblende sehr klein. Es müssen dann sehr viele Öffnungen ausgenutzt werden. Hier gilt sinngemäß

360° Ax₁X, + xj

Bisher wurde lediglich die Kombinationsfrequenz für eine einzige Spektralkomponente beachtet. Für andere Spektralkomponenten ist die Ablenkung durch das Dispersionsglied 19 entsprechend größer oder kleiner, was zu größeren bzw. kleineren Kombinationsfrequenzen führt.

Eine besonders einfache Auswertung wird erzielt, wenn die Bewegungen der beiden Modulationsstrukturen 11, 11' miteinander synchronisiert sind, d.h. sich das Bild der Modulationsstruktur W und die Modulationsstruktur 11 mit gleicher Geschwindigkeit und konstanter Verschiebung bewegen. In Fig. 1 ist durch eine Verbindungslinie 6 und ein schematisch dargestelltes Getriebe 5 angedeutet, wie die beiden Modulationsstrukturen 11, 11' zu einer derartigen synchronen Bewegung angetrieben werden können.

Da bei einer derartigen Synchronisierung der beiden Modulationsstrukturen 11,1Γ für jede Spektralkörnponente am Ausgang der Empfangsanordnung 13 eine definierte Kombinationsfrequenz entsteht, brauchen zur Auswertung in der Auswerteschaltung 15 mit Ausnahme von Verstärkern und Filtern lediglich Bandpässe 17 vorgesehen zu sein, welche jeweils auf eine einer Spektralkomponente zugeordnete Kombinationsfrequenz abgestimmt sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist angenommen, daß das Lichtbündel 9 drei interessierende Spektralkomponenten I, II und III enthält, so daß in der Auswerteschaltung 15 lediglich drei Bandpässe 17,, Yl_n bzw. 17|ii vorliegen. An den Ausgängen der drei Bandpässe entstehen dann der Intensität der einzelnen Spektralkomponenten entsprechende Ausgangssignale I"', IT" bzw. III"'.

Es ist aber nicht erforderlich, daß die Bewegungen der beiden Modulationsstrukturen 11,11' synchronisiert sind. Sofern die Wiederholfrequenzen der beiden Modulationsstrukturen 11, 1Γ nicht synchronisiert sind, entfällt die phasenstarre Kopplung 5, 6; statt dessen werden von den Modulationsstrukturen 11,11' über die Leistungen 4, 4' für die momentane relative Drehstellung der Modulationsstrukturen 11, 11' repräsentative Signale abgeleitet und einer in der elektronischen Auswertevorrichtung 15 vorgesehenen durchstimmbaren Oszillatorvorrichtung 22 zuge-

führt, welche eine Referenzfrequenz bzw. Überlagerungsfrequenz an einen Mischer 18 abgibt, der den Bandpässen 17 vorgeschaltet ist. Der Mischer 18 erhält außerdem das Ausgangssignal aus der photoelektrischen Empfangsanordnung 13.

Die Ausbildung der durchstimmbaren Oszillatorvorrichtung 22 und des Mischers 18 sind derart, daß die momentan den einzelnen Spektralkomponenten zugeordneten Summen- oder Differenzfrequenzen durch Kombination mit, insbesondere Subtraktion von, der momentanen Referenz- bzw. Überlagerungsfrequenz in eine konstante Kombinationsfrequenz transportiert werden. Der Ausgang des Mischers 18 ist vorzugsweise über ein Filter, welches unerwünschte Mischprodukte unterdrückt, an die Tiefpasse 17 angeschlossen, wo die Weiterverarbeitung in der oben geschilderten Weise erfolgt.

Statt des Mischers 18 können auch sinngemäß Synchrondemodulatoren mit zeitlich variabler Referenzfrequenz eingesetzt werden. Für jede Spektralkomponente wird dann ein Synchrondemodulator benötigt. Das angeschlossene Filter ist in diesem Fall ein Tiefpaßfilter.

Um bei einer Überlagerung des Bildes der Modulationsstruktur 11' und der Modulationsstruktur 11 zu einer für jede einzelne Spektralkomponente konstanten Kombinationsfrequenz und damit zu einer einfachen Auswertung zu kommen, sind für die Raumfrequenz der beiden Modulationsstrukturen 11, 1Γ als Funktion des Orts die folgenden Beziehungen zu beachten:

dfz _ ~dx~~

dx

-p- = const.
dx

oder

l
dx

dx

= const.

wobei f\,fi = Raumfrequenzen der zweiten bzw. ersten Modulationsstruktur 11', 11,

χ = Ortskoordinate,

A = Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 10.

Bei einer Anordnung, die gemäß Gleichung (1) arbeitet, werden die Differenzfrcquenzen ausgewertet, bei einer Anordnung nach Gleichung (3) die Summenfrequenzen.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Dimensionierung der Modulationsstrukturen 11,11' fallen alle Differenz- bzw. Summenfrequenzen, die zu einer Spektralkomponente gehören, zusammen, obwohl· die Strahlen von verschiedenen Orten in der Eingangs-Modulationsstrukturebene ausgehen. D. h., daß pro

Spektralkomponente lediglich ein Bandpaßfilter 17 benötigt wird.

Die Summen- bzw. Differenzfrequenz ergibt sich durch die absoluten Momentanwerte von/,,/₂. Z. B. können zwei gleiche Zerhackerscheiben verwendet werden, welche jedoch im Winkel relativ zueinander verschoben sind.

Die Signalverarbeitung kann also ähnlich wie nach Fig. 8 der DE-OS 30 14 646 erfolgen, wobei jedoch die Mischstufen 21 entfallen, die das zeitlich in der Frequenz variierende Signal in ein Signal mit fester Frequenz umwandeln, sowie die zeitlich in der Frequenz veränderlichen Überlagerungsfrequenz- bzw. Referenzfrequenzsignale. Die entsprechende Aufgabe übernimmt hier die jeweils andere Modulationsstruktur.

Wenn die vorstehenden Gleichungen (1), (2) bzw. (3), (4) erfüllt und die Bewegungen der Modulationsstrukturen synchronisiert sind, wird also für die Signalverarbeitung keine Referenzfrequenz benötigt. Die zeitliche Frequenzänderung in der zweiten Modulationsstruktur wird noch vor der photoelektrischen Empfangsanordnung 13 der ersten Modulationsstruktur 1Γ kompensiert. Einer bestimmten Wellenlänge ist somit jeweils eine konstante Kombinationsfrequenz zugeordnet. Eine andere Wellenlänge liefert eine andere konstante Kombinationsfrequenz. Die Kombinationsfrequenzen (die den verschiedenen Spektralelementen entsprechen) können also mit zeitlich konstanten Filtern selektiert werden. Mischer bzw. Synchrondemodulatoren sind nicht erforderlich. Sofern sie dennoch angewendet werden sollten, erhalten sie eine konstante Referenzfrequenz.

Wenn die Gleichungen (1), (2) bzw. (3), (4) erfüllt sind, die Bewegungen der Modulationsstrukturen aber nicht synchronisiert sind, so wird eine zeitlich variable Referenzfrequenz für einen Mischer 18 bzw. Synchrondemodulator benötigt, welche eine Funktion der relativen Stellungen der beiden Modulationsstrukturen zueinander ist.

Sofern der Abbildungsmaßstab A der Vorrichtung ungleich eins ist, muß bei der Ermittlung der Kombinationsfrequenzen mit einem entsprechend vergrößerten bzw. verkleinerten Bild der zweiten Modulationsstruktur 11' an der Stelle der ersten Modulationsstruktur 11 gerechnet werden.

Sofern die Summenfrequenz ausgewertet wird, wird die Öffnung der Phasenblende 8 sehr klein. Es müssen dann sehr viele öffnungen ausgenutzt werden.

Bei der Anwendung von Synchrondemodulatoren in der Signalverarbeitung muß die Phasenlage des Signals relativ zum Referenzsignal fur den Synchrondemodulator berücksichtigt werden und gegebenenfalls mittels Phasenschieber in die richtige Lage gebracht werden.

Die Phasenblende 8 begrenzt zwar nicht grundsätzlich, jedoch praktisch den relativen Hub der nutzbaren Kombinationsfrequenz. Im einzelnen gilt hier bei Ausnutzung der Differenzfrequenz folgende Beziehung:

rel. Hub_mflV =

^l '⁵

rel. Hub„

(/2 ~ jUm

(5)

Bei Ausnutzung der Summenfrequenz beträgt der maximale relative Hub der nutzbaren Kombinationsfrequenz: .

Grundsätzlich ist es auch möglich, mit einem relativen Hub größer als 2 zu arbeiten. Die dann noch erzielbare Empfindlichkeit für die ungünstigste Kombinationsfrequenz ist jedoch herabgesetzt. Zwar können die Nullstellen der Empfindlichkeit verwischt werden, wenn die einzelnen Löcher in der Phasenblende 8 unterschiedlich breit sind oder die einzelnen Löcher schräg zum Spektrum liegen. Es verkleinern sich dann allerdings auch die Maxima in der Empfindlichkeitsfunktion. Weiter kann die Phasenblende 8 zeitlich variabel sein, z. B. diskontinuierlich, indem wechselweise zwei verschiedene Phasenblenden 8 eingeschoben werden oder kontinuierlich, indem auf einer Trommel eine Phasenblende 8 mit kontinuierlich variierenden Eigenschaften aufgebracht ist. Im zeitlichen Mittel werden auch hier die Empfindlichkeitsminima verwischt.

Als Phasenblenden können auch elektronisch steuerbare Modulatoren verwendet werden. Besonders in diesem Fall ist es möglich, schnell zwischen mehreren verschiedenen Phasenblenden zu wechseln. Es ist zweckmäßig, die jeweiligen Signalverarbeitungskanäle nur anzuschalten, wenn die Empfindlichkeit der jeweiligen Kombinationsfrequenz optimal ist. Durch die Dimensionierung von Phasenblenden ist es möglich, unerwünschte physikalische (optische) Spektralbereiche auszublenden (Lage der Nullstellen der Empfindlichkeit).

Insbesondere durch Abbildungsfehler im das Dispersionsglied bildenden Monochromator kann die Auflösung des Verfahrens begrenzt werden. D. h., daß die Kombinationsfrequenz, die von einer bestimmten Wellenlänge verursacht wird, doch etwas vom Ort in der Eingangs- bzw. Ausgangsebene des Monochromator abhängig ist. Wenn erforderlich, lassen sich solche Fehler aber korrigieren, indem z. B. in der Ausgangsebene des Monochromators mehrere Detektoren angeordnet sind und die Signale dieser Detektoren unabhängig verarbeitet werden und erst die einander entsprechenden Ausgangssignale addiert werden.

Die Modulationsstrukturen können auf rotierenden oder longitudinal schwingenden Modulatoren, aber auch auf nicht mechanisch bewegten Modulatoren angeordnet sein.

Weiterhin können auch nicht-optische Spektren z. B. Röntgenstrahlung-, Gammastrahlung-, Partikelstrahlung- oder Massenspektren verwendet werden. An die Stelle des dispersiven Elementes tritt dann ein Separator.

Obwohl man normalerweise nur die Grundwellen der Modulations- bzw. Referenz- bzw. Kombinationsfrequenzen nutzen wird, ist es aber auch möglich, mit den Oberwellen dieser Signale zu arbeiten. Das ist besonders dann möglich, wenn die Kurvenform der Modulationsfunktion nicht sinusförmig, sondern rechteckförmig ist.

Die Selektion muß nicht nach sinusförmigen Frequenzkomponenten erfolgen, sondern kann auch nach periodischen Signalen mit anderen Kurvenformen z.B. rechteckförmigen Kurvenformen vorgenommen werden.

Die Abbildung der einen Modulationsstruktur auf die andere Modulationsstruktur kann auch eine Schattenabbildung sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Spektralanalyse mit

a) einem von der zu analysierenden Strahlung durchsetzten Dispersionsglied oder Separator,

b) wenigstens einem dem Dispersionsglied nachgeordneten Detektor,

c) einer ersten Modulatoranordnung mit einer ersten Modulationsstruktur, deren Elemente sich in Abhängigkeit vom Ort ändern und welche zur Modulation des Spektrums bewegbar ist,

d) einer Auswerteschaltung, die wenigsten eine der in der Strahlung enthaltenen Spektralkomponenten hinsichtlich ihrer Position im Spektrum dadurch ermittelt, daß sie das elektrische Ausgangssigna] des Detektors auf das Vorhandensein wenigstens einer Modulationsfrequenz untersucht und

e) einer zweiten Modulatoranordnung mit einer zweiten Modulationsstruktur, deren Elemente sich in Abhängigkeit vom Ort ändern, die vor dem Dispersionsglied oder dem Separator derart angeordnet ist, daß sie durch das Dispersionsglied oder den Separator auf die zwischen dem Dispersionsglied oder dem Separator und dem Detektor angeordnete erste Modulatoranordnung abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

0 die erste und die zweite Modulationsstruktur (11, 11') parallel zur Selektionsrichtung ausgedehnt und mit definierter Geschwindigkeit bewegbar sind, wobei die erste Modulationsstruktur (11) am Ort des Spektrums in Selektionsrichtung ausgedehnt und bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Modulationsstrukturen (11,1 l').m einer solchen Beziehung stehen, daß durch die Überlagerung des Bildes der zweiten Modulationsstruktur (H') mit der ersten Modulationsstruktur (11) eine Kombinationsmodulationsstruktur fester Frequenz auf der Empfangsanordnung (13) entsteht, wobei die Größe der Frequenz von der Versetzung des Bildes der zweiten Modulationsstruktur (IV) gegenüber der ersten Modulationsstruktur (11) in Selektionsrichtung abhängt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß etwa in mindestens einer der beiden Ebenen der Modulationsstrukturen (11, 11') eine Teile des Eingangsstrahlenbündels abdeckende Phasenblendenvorrichtung (8) derart ausgebildet und angeordnet ist und/oder der Detektor (13) derart in mehrere Einzeldetektoren unterteilt ist, daß die durch die Überlagerung des Bildes der zweiten Modulationsstruktur (IY) mit der ersten Modulationsstruktur (11) entstehende Kombinationsmodulationsstruktur, welche von den in der Strahlung enthaltenen Spektralkomponenten abhängige Kombinationsfrequenzen enthält, beim Überstreichen des Detektors (13) aufgrund der Bewegung der beiden Modulationsstrukturen (11, IV) ein periodisches Signal erzeugt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektronischen Auswerteschalrung (15) für jede der einzelnen Spektralkomponenten ein Filter (17) vorliegt, welches auf die von der zugeordneten Spektralkomponente erzeugte KombinatJonsfvequenz abgestimmt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortsfrequenzen (/",, Z₂) der beiden Modulationsstrukturen (11,11') derart vom Ort auf der Modulationsstruktur (11, 11') abhängen, daß folgende Beziehungen gelten:

= A · φ- und f- = const.
αχ αχ

oder

wobei/,,/₂ = Ortsfrequenzen der ersten bzw. zweiten Modulationsstrukturen

(11,11'),

χ = Ortskoordinate in Selektionsrichtung,

A = Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik (10).

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der beiden Modulationsstrukturen (11, IV) synchronisiert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Modulationsstrukturen (11, IV) unterschiedliche Modulationsfrequenzbänder haben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsfrequenzband der zweiten Modulationsstruktur (1Γ) von 400 kHz bis 1 Mhz und das der ersten Modulationsstruktur (11) von 300 kHz bis 90OkHz reicht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Detektor (13) Bandpässe (17) angeschlossen sind, die auf die den gesuchten Spektralkomponenten zugeordneten Summen- oder Differenzfrequenzen abgestimmt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen der Modulationsstrukturen (11, 11') nicht synchronisiert sind und daß an den Detektor (13) ein Mischer oder Synchrondemodulator (18) angeschlossen ist, in dem aus Referenzfrequenzsignalen, die von einer durchstimmbaren, mit den Bewegungen der Modulationsstrukturen (11, 1Γ) synchronisierten Oszillatorvorrichtung (22), deren Verstimmung proportional zur relativen Versetzung der Modulationsstrukturen (11, 11') ist, stammen, und den beiden Modulationsfrequenzen die Signale mit den konstanten Kombinationsfrequenzen entsprechend den vorhandenen Spektralkomponenten gebildet sind, die an die Bandpässe (17) angelegt sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Modulationsstrukturen vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9. dadurch ge-

kennzeichnet, daß eine dritte Modulationsstruktur in der Mittelspaltebene eines das Dispersionsglied bildenden Doppelmonochromators angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenblendenvorrichtung (8) zeitlich variabel ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite oder Lage der Pbasenblendenvorrichtung (8) senkrecht zur Selektionsrichtung variabel ist.