DE3526628A1 - Interferometrisches geraet - Google Patents

Description

Patentarupeijjung..· : ■.... ? R ? R Γ

Perkin-Elmer.Limited, Post-Office Lane, Beaconsfield,
Buckinghamshire HP9 IQA

Interferometrisches.Gerät

Die Erfindung betrifft Mittel zum Ändern der optischen Wegdifferenz zwischen zwei optischen Strahlengängen, wie z.B. zwei Armen eines Michelson Interferometers, und einen diese Mittel enthaltenden Interferometer besagter Art, insbesondere ein Fouriertransformations-Spektralphotometer.

Es wird angenommen, daß, obwohl der Ausdruck "optische Wegdifferenz" und die damit verwandten Ausdrücke "optische Weglänge" und "geometrische Weglänge", die hier benutzt werden, in der interferometrischen Technik verstanden werden, es für den Leser hilfreich wäre, diese vorher unter Berücksichtigung ihrer Bedeutung im vorliegenden Zusammenhang zu unterscheiden.

Zunächst sollen die Ausdrücke "geometrische Weglänge" und "optische Weglänge" unterschieden werden, bei welchen der Weg, auf den Bezug genommen wird, derjenige ist, dem die Lichtstrahlen zwischen zwei entlang ihres Weges auseinanderliegenden Punkten oder, genauer, zwei auseinanderliegenden optischen Elementen folgen. Die "geometrische Weglänge" ist einfach die Länge des Wegs in der Luft oder irgend einem anderen Medium, von eimern zum anderen Punkt, in irgendeiner passenden linearen Meßeinheit. Die "optische Weglänge" berücksichtigt dagegen die Verzögerungswirkung von anderen dazwischenliegenden Medien als Luft auf die Lichtwellen. Definitionsgemäß ist sie das Produkt aus der geometrischen Weglänge und dem Brechungsindex des Mediums. Der Brechungsindex (gewöhnlich mit dem Buchstaben η bezeichnet) ist in Wirklichkeit ein Maß für die Verzögerung. Wenn eine Lichtwelle die Zeit t benötigt, um den Weg zwischen zwei auseinanderliegenden Punkten in der Luft zurückzulegen, so benötigt sie eine Zeit t χ n, um den Weg zwischen denselben Punkten

bei einem Medium mit dem Brechungsindex η größer als 1 zurückzulegen. Wenn, z.B. n=2 ist, so wird die Wegzeit verdoppelt.

Man sieht daher daß zwei Lichtwellen, die sich ursprünglich in Phasendeckung entlang zweier getrennter Wege von gleicher geometrischer Weglänge (wenn keine anderen Medien als Luft vorhanden sind) oder gleicher optischer Weglänge (wenn andere Medien als Luft vorhanden sind) bewegen, außer Phase geraten, wenn eine im Vergleich zu der anderen dadurch verzögert wird, daß die geometrische Weglänge oder die optische Weglänge vergrößert wird, wie es bei einem Weg gegenüber einem anderen Weg vorkommen kann.

Ein Spiegelsystem kann natürlich dazu benutzt werden, die geometrische Weglänge zu verändern, indem die von den Lichtstrahlen in der Luft zurückgelegte Entfernung einfach vergrößert oder verkleinert wird. Es folgt daraus, daß selbst wenn Brechungselemente vorliegen, das System trotzdem die geometrische Länge des Teils des Gesamtweges ändert, der durch die Luft verläuft, und es wird die optische Weglänge insoweit verändern, als erstere von letztgenannter abgeleitet ist, wie oben dargelegt wurde.

Zwei optische Wege können dieselbe geometrische Weglänge besitzen, und trotzdem wird ein Weg eine größere Verzögerung hervorrufen als der andere, wenn seine optische Weglänge größer ist. Andererseits ist Gleich-

rjQ heit der optischen Weglängen immer mit gleichen Verzögerungen verbunden. Das bedeutet, daß der Ausdruck "optische Weglänge" allgemeiner ist und zweckmäßigerweise angewandt werden kann, wenn Brechungselemente betroffen oder nicht betroffen sind.

Der Ausdruck "optische Wegdifferenz" bezieht sich einfach auf den Unterschied in der optischen Weg]änpe

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zwischen zwei Wegen, die andere Medien als Luft enthalten können. Der Ausdruck "geometrische Wegdifferenz" wird nicht oft benutzt, jedoch sollte nach dem oben gesagten seine Bedeutung klar sein.

Im vorliegenden Zusammenhang sollen die Ausdrücke

"optische Weglänge" und "optische Wegdifferenz" solchen Situationen zugeordnet werden, in denen das Vorliegen von anderen Medien als Luft nicht ausge-■j π schlossen, aber auch nicht unbedingt eingeschlossen ist.

In einem Grundmodell des Michelson Interferometers fällt der von einer Quelle monochromatischen Lichts

J^ entweder in den sichtbaren oder in den unsichtbaren Bereichen des elektromagnetischen Spektrums ausgehende Strahlungsfluß, nachdem er einen Kollimator durchquert hat, auf einen Strahlenteiler. Der Strahlenteiler ist unter einem Winkel von 45 Grad in Richtung auf den einfallenden Kollimationsstrahl ausgerichtet, so daß ein (prozentualer) Teil des beaufschlagenden Strahls ohne Richtungsänderung hindurchgeht und ein Teil unter einem Winkel von 90 Grad reflektiert wird. Jeder Teil wird durch einen Strahlenumlenkspiegel zum Strahlen-

_2F- teiler zurückreflektiert, wobei der optische Rückweg mit dem Hinweg übereinstimmt. Am Strahlenteiler werden die beiden Teile wieder vereint, wobei der erste sich nun durch Reflexion und der zweite durch Durchgang zu einem gemeinsamen Weg vorwärts bewegt, welcher zu einer Lichtaufnahmevorrichtung führt, die ein Schirm oder ein photoelektrischer Detektor sein kann.

Dann, wenn die optische Weglänge zwischen dem Strahlenteiler und dem Umlenkspiegel, die zusammen einen Arm

des Interferometers darstellen, mit der zwischen dem 35

Strahlenteiler und dem anderen Umlenkspiegel, die zusammen den anderen Arm des Interferometers darstellen, indentisch gemacht worden ist, unterliegen die

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reflektierten und durchgehenden Strahlen keinen relativen Phasen-änderungen und vereinigen sich folglich wieder am Strahlenteiler, so daß sie, vorausgesetzt, daß Übertragungsverluste und optische Ungenauigkeiten gleich null sind, und daß der Strahlenteiler 50£ Reflexion vorsieht, vom ungeteilten optischen Strahl nicht unterschieden werden können.

Wenn andererseits eine optische Wegdifferenz von einer halben Wellenlänge des monochromatischen Lichts zwischen den beiden Armen des Interferometers gebildet wird, z,B. durch Bewegen einer der Umlenkspiegel in Richtung auf den Strahlenteiler, kann mit Interferenzwirkungen gerechnet werden. Die Frequenz der den wiedervereinigten Strahl darstellenden, resultierenden Sinuswelle ist die gleiche, wie die der beiden zusammengesetzten Sinuswellen, die die Strahlen vor der Wiedervereinigung darstellen. Die Amplitude ist dagegen die algbraische Summe der zusammengesetzten Sinuswellenamplituden an jedem nachfolgenden Abszissenpunkt; sie wird sich daher sinusförmig von einem Maximum, wenn die optische Wegdifferenz gleich einer ganzen Zahl von Wellenlängen ist (Interferenzverstärkungi zu einem Minimum verändern, wenn die optische Wegdifferenz gleich einer ganzen Zahl Wellenlängen plus einer halben Wellenlänge ist, und die Wellen sich daher in entgegengesetzter Phase befinden, so daß die Amplituden subtrahiert werden (Interferenzauslöschung). Eine Reihe von konzentrischen Ringen (genannt Interferenzstreifen), die die Maxima und die Minima der resultierenden Sinuswelle darstellen und daher abwechselnd hell und dunkel sind, werden dadurch sichtbar, daß man einen gewöhnlichen weiß streuenden Schirm im Brennpunkt einer im Gang des wiedervereinten Strahls eingefügten Sammellinse einfügt, vorausgesetzt die monochromatische Quelle strahlt sichtbares Licht aus.

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Als andere zweckmäßigere Möglichkeit kann die Optik des Interferometers so angeordnet sein, daß sie ein Bild der Aperturblende (auch Jaquinot Blende genannt) des Interferometers auf einem Photodetektor erzeugt, der eine kreisförmige Öffnung aufweist, um den zentralen Interferenzstreifen (und zwar den ersten Ring) einzulassen. Dieser Streifen wechselt von einem hellen zu einem dunklen Flecken wenn die optische Wegdifferenz, dadurch daß der bewegbare Spiegel zwischen den der Interferenzverstärkung bzw. der Interferenzauslöschung entsprechenden Stellungen verschoben wird, einer Veränderung unterliegt, die einer halben Wellenlänge entspricht. Der sinusförmige elektrische Ausgang des Detektors kann so verarbeitet werden, daß eine ge-

2g naue lineare Meßung der Spiegelverschiebung und damit eines ieden mit dem Spiegel angemessen mechanisch verbundenen Gliedes bis zu einem kleinen Bruchteil einer halben Wellenlänge möglich wird. Verschiebungen von genau halben Wellenlängen können natürlich gemessen

„₀ werden, indem die Durchgänge des Ausgangssignals durch das Mittelwertniveau von einem geeigneten Wert an gezählt werden. Jeder von dem Wert an gezählte Übergang stellt eine Veränderung der optischen Wegdifferenz von genau einer halben Wellenlänge der Quelle dar, d.h.

eine Verschiebung des Glieds von genau 1/4 Wellenlänge. Wenn eine monochromatische Quelle benutzt wird, deren Wellenlänge genau bekannt ist, sind interferometrische Längenmessungen,' wie vorgeschlagen, vielleicht die empfindlichsten und genausten dem Menschen

„₀ zur Verfügung stehenden Messungen.

Ein von Michelson vorausgesagter Anwendungsbereich seines Interferometers, der jedoch erst in vergleichsweise iüngerer Zeit angewandt wurde, ist die Fouriertransformations-Spektroskopie. Wenn der oben erwähnte

bewegliche Spiegel tatsächlich

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zwischen einer der optischen Wegdifferenz null entsprechenden Stellung und einer vorgegebenen Grenze dadurch verschoben wird, daß der Spiegel auf einer genauen, einem gradlinigem Weg streng folgenden Abtastvorrichtung angeordnet ist, dann ist der Ausgang des Photodetektors eine Sinuswelle von erheblich geringerer Frequenz als bei der monochromatischen Emissionslinie der Quelle, aber von konstanter Peak-zu-Peak Amplitude. Angenommen die Wellenlänge des optischen

IQ Eingangs in den Detektor ist z.B. 2,5 Mikrometer und die vorgegebene Grenze der optischen Wegdifferenz ist 2 cm, dann muß die Anzahl wiederkehrender Zyklen im Detektorausgang eindeutig 2cm/0,00025cm = 8000 sein. Wenn die Zeit, um den Spiegel zwischen der optischen

,τ Null-Wegdifferenz und der Grenze zu bewegen, 1 Sekunde beträgt, dann beträgt die Frequenz des Detektorausgangssignals 8000 Hz. Mit anderen Worten wurde die ursprüngliche optische Welle mit einer Frequenz von 8000 Hz, also innerhalb des Hörbereichs, moduliert.

Die Modulationssinuswelle, die auf einem Oszillographen abgebildet werden kann, stellt das Interferogramm der Quelle dar. Wenn die Fouriertransformation des Interferogramms berechnet wird, so stellt die sich daraus ergebende Kprve in Form eines engen Bandes das Emissionslinienspektrum der Quelle dar. Wenn die monochromatische Quelle durch eine Breitbandquelle, z.B. einer Infrarotquelle, ersetzt wird, ist der Ausgang des Detektors bei Bewegung des Abtastspiegels nicht mehr eine reine Sinuswelle, da

_on das Emissionsspektrum der Quelle Wellen verschiedener Frequenzen enthält. Aus leder optischen Sinuswelle entstehen, in der bereits beschriebenen Art und Weise, zwei zusammengesetzte Strahlen und ein resultierender Stahl. Alle resultierenden Strahlen verschiedener Frequenzen sind in dem momentanen Ausgang des Detektors dargestellt, und zwar leder durch seine eigene Modulationssinuswelle von entsprechender Frequenz und Amplitude. Wenn der Ausgang des Detektors wie zuvor

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aufgezeichnet wird, dann stellt die sich daraus ergebende Spur das Emissionsinteferogramm der Quelle dar.

Wenn nun eine für infrarotes Licht undurchlässige Probe an einer Jaquinot Blende liegt, werden die im Emissionsspektrum der Quelle vorhandenen Wellen verschiedener Frequenzen so in unterschiedlichem Maße abgeschwächt, wie es für die chemische Beschaffenheit der Probe kennzeichnend ist. Das resultierende Interferogramm stellt das infrarote Absorptionsinterferogramm der Probe dar, welches das Emissionsinterferogramm der Quelle überlagert ist.

Aus der Fouriertransformationg der beiden Interferogramme, wodurch unabhängig das Spektrum der Probe und der Quelle in einem und das der Quelle allein gewonnen wird, und aus dem Verhältnis des ersten Spektrums zu dem zweiten, wird das Spektrum der Probe abgeleitet. Im allgemeinen besteht das Interferogramm aus einer Zentralbande an deren Seiten beigemischte Wellen liegen, die in ihren Amplituden mehr oder weniger symmetrisch zum Nullwert abfallen werden. Es sei bemerkt, daß es keinen anderen gemeinsamen Punkt zwischen den verschiedenen Sinuswellen gibt, als in der Lage des Abtastspiegels, die der optischen Wegdifferenz null entspricht, und in der alle Wellen Interferenzverstärkung unterliegen. Dies ist natürlich der Grund für das Vorhandensein einer dominanten Zentralbande.
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Es ist nun schon verständlich, daß bei egal welcher Anwendung des Michelson Interferometers, die die Veränderung der optischen Wegdifferenz zwischen den beiden interferometrischen Armen notwendig macht, ein sehr ernsthaftes mechanisches Problem auftaucht.

Wenn die mechanischen Ungenauigkeiten in den Führungsbahnen das Kippen des beweglichen Spiegels während der Abtastbewegung verursachen, ist die wirkliche optische

Wegdifferenz eventuell nicht dieselbe für jeden der verschiedenen Teile des Strahls, der die verschiedenen Bereiche des Strahlenteiler durchquert, mit dem Ergebnis, daß bei einer gegebenen Wellenlänge einige Teile einer Interferenzverstärkung und einige einer Interferenzauslöschung unterliegen können. Folglich wird die Amplitude des Detektorsignals ungewollterweise gegenüber der Lage, in der keine Kippung vorhanden ist, verändert. Es sind Servosteuerungen in

jQ Gestalt eines Kippungskompensators entwickelt worden, aber sie sind der Grund für einen Großteil der Komplexität und der Kosten des gesamten Geräts und können sich leicht verstellen. Dies ist nicht überraschend, wenn klar wird, daß bei einem Michelson-Interferometer mit einem Übertragungsspiegel die Kippungstoleranz normalerweise ein oder zwei Bogensekunden beträgt!

Das Problem wiegt besonders schwer bei Fouriertransformations- Spektrophotometern, bei denen eine Abtast-

2Q vorrichtung vorhanden sein muß, die sich entlang eines Weges in der Größenordnung von Zentimetern hin-und herbewegt. Bei vielen experimentellen und kommerziellen Geräten wird eine geradlinige hin und hergehende Bewegung gewählt, und ein großer Teil der geistigen

2g Anstrengungen, bezogen sich darauf, Mittel zu finden, um die Vorrichtung,so zu führen, daß ihre Bewegung auf einen streng geradlinigen Weg begrenzt ist. Geradlinige Luftlager und Servosteuerungen sind in hochentwickelte und daher teure Systeme übernommen worden.

Ein praktischer Vorschlag für eine einfache drehbare

Abtastvorrichtung, die die bei geradlinigen Abtastvorrichtungen angetroffenen Hauptschwierigkeiten umgeht, und in der Kippungen von Natur aus bis zu einem _QP- gewissen Grad kompensiert sind, ist von R.S. Sternberp und J.F. James vom physikalischen Forschungsinstitut der Universität Manchester, England, im Journal of

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j Scientific Instruments, Band 41, S. 225-226, April 1964, unter dem Titel "A new type of Michelson interference spectrometer" beschrieben worden. In der Einleitung ihres Artikels unterstreichen die Autoren die Nachteile der bis dahin bekannten Abtastvorrichtungen, ehe sie ihre eigene Lösung besprechen. Leider wurde diese, obwohl ihr Vorschlag einen interessanten und wertvollen Lösungsansatz des Problems der verminderten mechanischen Genauigkeitsanforderungen darstellt, von jQ den Herstellern von Fouriertransformations- Spektrophotometern nicht übernommen, wahrscheinlich weil sie einen schweren Nachteil aufweist, der nun von der vorliegenden Erfindung völlig beseitigt ist.

Bei modernen Fouriertransformations-Spektrophotometern wird ein vom Detektor erzeugtes analoges Signal durch einen Mikroprozessor digitalisiert und verarbeitet. Es ist eine wichtige Bedingung, daß sichergestellt wird, daß der Weg des den Detektor erreichenden Strahls sich

„_n nicht mit der Winkellage der Abtastvorrichtung verändert, da sonst der optische Durchgang zum Detektor sich in einer Art und Weise verändert, die nichts mit der Analyse der spektrophotometrischen Probe zu tun hat, und in Wirklichkeit die analytischen Ergebnisse

„P- unbrauchbar machen. Es wird später anhand der Zeichnungen vor der Beschreibung der praktischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt, daß diese Bedingung vom Stand der Technik nicht erfüllt wird, bei dem der optische Ausgang der Abtastvor_n richtung einer Parallelverschiebung unterliegt, mit dem Ergebnis, daß, ausgehend von einer Lage der Abtastvorrichtung, in der das Eintrittspupille der optischen Sammelmittel vor dem Detektor völlig ausgefüllt ist, immer mehr Strahlen die Eintrittspupille ganz und gar

verpassen, da die Abtastung aus dieser Lage in einer ob

der Drehrichtungen fortschreitet. Der Nachteil kann natürlich dann hingenommen werden, wenn die analogen Veränderungen im Signal nicht genau gemessen werden

müssen, z.B. wenn der Detektorausgang nur zu dem Zweck benutzt wird,die Interferenzstreifen zu zählen, aber dies ist sicherlich nicht annehmbar bei einem Fouriertransformations-Spektrophotometer, in dem das Spektrum der Probe mit einem hohen Grad an Bandamplitudengenauigkeit ermittelt werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein interferometrisches Gerät zu schaffen, welches eine drehbare Abtastvorrichtung enthält zur Veränderung der optischen Wegdifferenz zwischen zwei optischen Wegen und zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls, der Beiträge von den beiden Wegen enthält, und der für jeden Winkel der Abtastvorrichtung

Ig innerhalb eines Bildbereichs auf einem im wesentlichen konstanten Weg gehalten wird, und zusätzlich einen verbesserten Michelson-Interferometer zu schaffen, insbesondere einen Fouriertransformations- Spektrophotometer, das die besagte Abtastvorrichtung enthält.

Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung, wird ein interferometrisches Gerät vorgesehen, das eine drehbare Abtasteinrichtung für die optische Weglänge enthält, an welcher ein aus einem Strahlenteiler und einem Umlenkspiegel gebildetes Spiegelpaar angebracht ist, wobei der Strahlenteiler eine halbreflektierende Schicht aufweist, deren eine Fläche die genau parallel gegenüber dem Umlenkspiegel und der Ausgangsfläche liegende Eingangsfläche ist, wobei das Spiegelpaar mit zwei feststehenden Umkehrspiegeln zur Bildung zweier interferometrischer Arme zusammenwirkt, die jeder einen der zwei durch die Teilung eines Eingangsstrahls durch den Strahlenteiler entstandenen Strahlen aufnehmen, aufeinanderfolgende Werte der optischen Weg-

_oc- differenz zwischen den beiden Strahlen bis zu einem

vorgegebenen Maximum in Drehrichtung abtasten, und die die Strahlen an der Ausgangsfläche wieder vereinigen, so daß diese daraus als einzelner Ausgangsstrahl-

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heraustreten, welcher in einen Ausgangsweg geführt wird, in welchem sich die Ausgangsfläche der Strahlenteilerschicht in einem rechten Winkel zu einem Ausgangsspiegel befindet, der von der Einrichtung getragen wird und so

angeordnet ist, daß er den Ausgangsstrahl aufnimmt, und 5

in welchem die Einrichtung drehbar um eine Achse gelagert ist, die im wesentlichen mit der Schnittlinie der Verlängerungsebenen der halbreflektierenden Schicht und der Fläche des Ausgangsspiegels übereinstimmt.

In dem so definierten interferometrischen Gerät ermöglicht die angegebene geometrische Beziehung zwischen der halbreflektierenden Schicht und dem Ausgangsspiegel in Verbindung mit der Lage der Drehachse der Abtastvorrichtung, daß der Ausgangsstrahl entlang eines Ausgangswegs gerichtet wird, der im Raum für ieden Abtastwinkel innerhalb des Bildbereichs im wesentlichen unveränderlich ist.

Da der Ausgangsstrahl in Verbindung mit einer photo-

empfindlichen Vorrichtung von sehr kleinem Wirkungsbereich benutzt werden kann, ist es wesentlich für ihn, besonders hohe räumliche Gleichmäßigkeit zu besitzen.

Der TGS (Triglyzin Sulphat!-Detektor infraroter

Strahlung, der wegen seiner hohen Empfindlichkeit und seines vergleichsweise schnellen Ansprechens von Konstrukteuren häufig gewählt wird, ist solch eine Vorrichtung. Mit einem wirksamen runden Oberflächenbereich von nur einem oder zwei Millimeter Durchmesser, kann

eine wesentliche seitliche Verschiebung des auftreffenden Strahls nicht geduldet werden, selbst wenn berücksichtig wird, daß bei einigen Anwendungen das Problem dadurch gemindert wird, daß der wirksame Bereich in Wirklichkeit eine verkleinerte Blendenabbildung erhält, z.B. die verkleinerte Jaquinot Blendenabbildung im Falle eines Fouriertransformations-IR-Spektrophotometers. (IR steht für infrarot).

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Der außerordentliche Vorteil des Beitrags, den die dargestellte Beziehung innerhalb des gesamten Zusammenwirkens der definierten optischen Elemente leistet, besteht darin, daß die Übernahme eines Abtasters für die optische Wegdifferenz in all denjenigen Anwendungen möglich wird, bei denen räumliche Unbeständigkeit des Ausgangsstrahls verbunden mit dem bekannten drehbaren Abtaster dies bis jetzt verhindert hat, also zunächst und hauptsächlich bei der Fouriertransformations- IQ Spektrophotometrie.

Aus der dargestellten geometrischen Beziehung, auf die Bezug genommen wird, folgt, daß der Strahlenteiler nicht um eine Symmetrieachse gedreht wird. Das bedeutet, daß der Querschnitt des Eingangsstrahls die Stirnfläche des Strahlenteilers durchqueren muß, wenn die Abtastvorrichtung gedreht wird. Aber selbst wenn die Drehachse eine in gleicher Ebene mit der halbreflektierenden Schicht liegende Symmetrieachse wäre, so würde sich der auf den Strahlenteiler abgebildete Bereich des Eingangsstrahlenquerschnittes immer noch mit dem Drehwinkel der Abtastvorrichtung verändern. In einer Verbesserung der vorliegenden Erfindung können die kombinierten Übertragungs- und Abbildungswirkungen dadurch berücksichtigt werden, daß eine runde Konfiguration für den wirksamen Bereich des Strahlenteilers und eine elliptische für den Querschnitt des Eingangstrahls angenommen wird, wobei die Haupt- und Nebenachse der Ellipse so gewählt werden, daß der wirksame Bereich des fast ganz von der Ellipse

gO gewobbelten Strahlenteilers im wesentlichen ein Minimum ist, das den gewünschen optischen Durchgang und die Grenzen des Winkelbereichs der Abtastvorrichtung berührt, die zur Erzielung eines vorgegebenen Maximalwertes der optischen Wegdifferenz notwendig sind. Das heißt also, daß der gesamte Strahlenteilerbereich fast völlig benutzt wird.

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Neben dem wirtschaftlichen Vorteil, der durch die Verbesserung insoweit möglich wird, als daß Strahlenteiler teure optische Elemente sind, besteht auch ein mechanischer Nutzen, dadurch daß kleinere Strahlenteiler mechanisch stabiler sind.

Obwohl beabsichtigt war, daß die Drehachse der Abtastvorrichtung im wesentlichen mit der oben erwähnten Schnittlinie übereinstimmt, kann tatsächlich eine leichte Abweichung von der Übereinstimmung geduldet werden. Wenn Übereinstimmung an erster Stelle bezweckt wird, wird natürlich ein symmetrischerer Toleranzbereich um die ideale Achse erzielt. Aufgrund dieser Toleranz wird der Aufbau der Abtastvorrichtung vereinfacht. In der Tat kann die Abtastvorrichtung ein drehbares Gußteil aus einem Stück enthalten, an welchem der Umlenkspiegel, der Strahlenteiler und der Ausgangsspiegel angebracht sind. Es kann innerhalb eines feststehenden Gußteils aus einem Stück eingeschlossen sein, an dem der Umkehrspiegel angebracht ist, wobei zwei einfache schwenkbare Verbindungen zwischen den beiden Gußteilen dem ersten ermöglicht, gegenüber dem zweiten zu drehen, ohne daß hochentwickelte und daher teure Lager nötig sind.

25' Ein interferometrisches Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung bietet besondere Vorteile, wenn das Gerät tatsächlich ein auf einem Michelson Interferometer basierender Fouriertransformations-Spektrophotometer ist, insbesondere dann, wenn ein Referenzinterferometer mit einer Laserquelle enthalten ist. In dem Maße, in dem der Laserstrahl so geschaffen sein muß, daß er dem gleichen Weg durch die Abtastvorrichtung folgt wie der spektrophotometrische Eingangsstrahl, profitiert der Referenzinterferometer selbst von einem räumlich konstantem Ausgangsstrahl von sehr kleinem Querschnitt, der entscheidend darauf abzielen soll, mit den photoempfindlichen Geräten von kleiner Wirkungsfläche zusammenzuwirken, damit von diesen elektrische Signale gewonnen

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werden, durch die der Erhalt von Datenpunkten des Interferogramms der zu analysierenden Probe genau zeitlich geregelt werden kann.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen graphischen Zeichnungen näher erläutert, in denen:

Fig. 1 ein bekanntes Michelson-Interferenzspektrometer IQ darstellt, das eine drehbare Abtastvorrichtung für die optische Wegdifferenz enthält;

Fig. 2 ein Interferenzspektrometer der Fig. 1 darstellt,

das verändert ist, damit er eine drehbare Abtastvor-

2g richtung für die optische Wegdifferenz gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt;

Fig. 3 ein Diagramm ist, welches zeigen soll, daß der Weg der Ausgangsstrahlen der drehbaren Abtastvorrichtung 2Q für die optische Wegdifferenz gemäß der vorliegenden Erfindung für jeden Drehwinkel der Vorrichtung innerhalb seines Bildbereichs im wesentlichen ortsfest bleibt;

Fig. 4 eine symbolische Zeichnung eines Fouriertr,ansformations-IR-Spektrophotometers ist, das eine drehbare Abtastvorrichtung für die optische Wegdifferenz gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt;

Fig. 5 eine praktische Zeichnung ist, die der symbo-OQ lischen Zeichnung aus Fig. 4 entspricht;

Fig. 6 sich auf den Fouriertransformations-IR-Spektrophotometer der Figuren 4 und 5 bezieht und zeigt, wie aus einem Paar elektrischer Sinuswellen, von denen jede ο,- das Interferogramm des in dem Spektrophotometer enthaltenen Referenzlaserstrahls darstellt, Wellen zur zeitlichen

Abstimmung der Annahme der Datenpunkte aus dem Interferogramm einer zu untersuchenden spektro-photometrischen Probe abgeleitet werden;

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines auf einem Mikroprozessor beruhenden Systems zur Steuerung des in Bezug auf die Fig. 4 bis 6 beschriebenen Fouriertransformations-IR-Spektrophotometers ist;

Fig. 8A bis 8D alternative für den Gebrauch in der vorliegenden Erfindung geeignete Strahlenteilerkonstruktionen darstellen.

Wir sind der Ansicht, daß das Konzept der vorliegenden Erindung sowie eine besondere Art, wie sie verwirklicht werden kann, am besten verständlich wird, wenn zunächst anhand von Fig. 1 die bekannte drehbare Abtastvorrichtung, auf die oben Bezug genommen wurde, als ein Teil eines Michelson-Interferometers beschrieben wird. 2Q Ein zusätzlicher Vorteil dieses Ansatzes besteht in der Zweckmäßigkeit, die er bietet, die allgemeinen Punkte dieser Art Interferometer mit einer graphischen Grunddarstellung in Verbindung zu bringen.

In Fig. 1 wird Licht von einer Quelle 1 emitiert und, das von einer durch eine Blende 2 abgeblendet wird, von einer positiven Linse 3 zu einem Eingangsbündel von nominell parallelen Strahlen parallelgerichtet, die zu einem Strahlenteiler 4 geführt werden, der unter einem

oQ Winkel von 45 Grad zu den einfallenden Strahlen ausgerichtet ist, und der eine halbreflektierende (z.B. eine teilweise reflektierende und teilweise durchlässige) Schicht 4A enthält, die zwischen durchlässigen Stützplatten 4B und 4C mit gleichen optischen Eigenschäften angeordnet ist. Beim Auftreffen auf der Schicht 4A wird das Eingangsbündel in einen reflektierten Bündelteil mit einer Ablenkung von 90 Grad und in einen durchgehenden Bündelteil aufgeteilt.

Der reflektierte Bündelteil trifft entlang des Hinwegs, der sich von der Schicht 4A bis zum Spiegel 6 erstreckt, auf einen planen Umlenkspiegel 5 und einen planen Umkehrspiegel 6, ehe er zu einem Rückweg, der sich vom Spiegel 6 zu der Schicht 4A erstreckt und räumlich mit dem Hinweg übereinstimmt, umkehrt. Am Ende seines Rückwegs durchquert er teilweise die Schicht 4A, wird von einem panen Umkehrspiegel 7 in die Eintritts pupille einer positiven Linse 8 abgelenkt und wird schließlich ebenfalls auf einem Photodetektor 9 fokussiert. Die Summe der optischen Hin- und Rückwege, die sich zwischen der Schicht 4A und dem Umlenkspiegel 6 erstrecken, stellt einen ersten interferometrischen Arm des in Fig. 1 dargestellten Interferometers dar. Wir werden auf diesen

!5 Arm als oberen Arm bezeichnen.

Der durchgehende Bündelteil durchquert die Schicht 4A am Beginn seines Hinwegs, trifft auf den planen Umlenkspiegel 10 am Ende dieses Weges, wird zurückreflektiert

on auf einen Rückweg, der an der Schicht 4A endet und räumlich mit mit dem Hinweg übereinstimmt, wird von der Schicht 4A und erneut vom Planspiegel 7 in die Eintrittspupille der positiven Linse 8 reflektiert und wird schließlich ebenfalls auf dem Photodetektor 9 fokussiert. Die Summe der optischen Hin- und Rückwege, die sich zwischen der Schicht 4A und dem Umlenkspiegel 10 erstrecken, stellen einen zweiten interferometrischen Arm dar. Wir werden auf diesen Arm als unteren Arm bezeichnen.

Da der optische Weg, der sich zwischen der Schicht 4A und dem Photodetektor 9 erstreckt, von den beiden Bündelteilen, die den Photodetektor 9 ieweils von den beiden Armen des Interferometers erreichen, geteilt wird, und gg kein Bündelteil daher gegenüber dem anderen eine Verzögerung aufweist, solange die optischen Weglängen der beiden interferometrischen Arme absolut gleich sind, stimmt eine Wellenfront, die die Schicht 4A entlang des

Rückwegs des ersten interferometrischen Arms erreicht, raumlich mit einer Wellenfront überein, die die Schicht AA entlang des Rückwegs des zweiten interferometrischen Arms erreicht, mit dem Ergebnis, daß die beiden Wellenfronten an der Schicht 4A wiedervereint werden (Interferenzverstärkung). Wenn der Strahlenteiler 4 perfekt wäre, und es bei den Strahlen keine Übertragungsverluste gäbe, hätte das wiedervereinte Strahlenbündel genau die gleiche Intensität wie das von

JO der Linse 3 ausgehende Eingangsbündel. Unter solchen idealen Bedingungen würde man, wenn man den Detektor 9 durch einen Streuungsschirm ersetzen, und die Quelle 1 sichtbares Licht emittieren würde (z.B. monochromatisches Licht, um den einfachsten Fall zu nehmen),

jg einen Lichtfleck auf dem Schirm beobachten, der in seiner Intensität nicht von dem Flecken unterschieden werden könnte, den man beobachten würde, wenn der Schirm auf der Blendöffnung der Blende 2 angeordnet wäre.

Wenn andererseits die optische Weglänge einer der interferometrischen Arme größer wäre, als die des anderen Arms, würde die so hergestellte optische Wegdifferenz eine Verzögerung der Wellenfronten des Lichts vom Arm mit der größeren optischen Weglänge gegenüber den Wellenfronten vom anderen Arm verursachen. Mit den Wellenfronten außer Phase wäre der auf dem Bildschirm am Ort des Detektors beobachtete Lichtfleck weniger intensiv als vorher, und zwar in einer Höhe, die von dem Phasenverschiebungswinkel abhängt, und wäre im äußersten Fall

OQ (Gegenphasigkeit) gar nicht sichtbar (Interferenzauslöschung ).

In der bekannten Anordnung, die in Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, ist die optische Länge des unteren or interferometrischen Arms fest und die des oberen Arms ist veränderbar, was bedeutet, daß die optische Wegdifferenz zwischen den beiden Armen verändert (oder moduliert) werden kann. Zu diesem Zweck sind der

Strahlenteiler 4 und die Spiegel 5 und 7 fest in einem Rahmen 11 gelagert, der um einen Zapfen 12 drehbar ist, senkrecht auf der Papierebene steht, und der an einer feststehenden (nicht gezeigten) Grundplatte befestigt ist, an der die übrigen in Fig. 1 gezeigten Bestandteile fest angebracht sind. Der Rahmen 11 und die darin dargestellten Teile bilden eine Abtastvorrichtung für die optische Wegdifferenz, die im folgenden kurzer als Abtaster 13 bezeichnet wird. Wie in Fig. 1 gezeigt wird, befindet sich der Abtaster 13 in der Stellung, die genau eine optische Wegdifferenz null zwischen den beiden interferometrischen Armen ergibt.

Das bekannte Interferometer aus Fig. 1 ist ausgerichtet Ig (d.h. die Wellenfronten von den beiden Armen vereinigen sich genau an der Strahlenteilerschicht 4A, wenn die optische Wegdifferenz null beträgt), wenn

a) der Spiegel genau parallel zum Strahlenteiler 4 angebracht ist;
b) der Umkehrspiegel 10 des unteren Arms so aufgestellt ist, daß die Blendenöffnung der Blende 2 auf sich selbst abgebildet wird;

c) der Umkehrspiegel 6 des oberen Arms so aufgestellt ist, daß seine Abbildung über den Spiegel 5 und den Strahlenteiler 4 parallel zum Spiegel 10 ist;

d) der Spiegel 7 bis auf ungefähr 1 Grad parallel zum Strahlenteiler 4 ist.

Es wird vorausgesetzt, daß der gezeigte Interferometer QQ nach dem oben beschriebenen Verfahren sauber ausgerichtet worden ist.

Die optische Wegdifferenz zwischen den beiden interferometrischen Armen zu verändern, ist nur eine Frage der gr Drehung des Abtasters 13, z.B. gegen den Uhrzeigersinn, um den Zapfen 12. Ist dies ausgeführt, bleibt die optische Wellenlänge des unteren Arms unverändert, aber

die des oberen Arms vergrößert sich. Keine andere Bewegung des Abtasters 13 als die Drehung -in beide Drehrichtungen- um den Zapfen 12 kann die optische Wegdifferenz beeinflußen. Dies liegt im wesentlichen an den gut bekannten Eigenschaften eines schwenkbar gelagerten Paares genau paralleler Planspiegel, wie sie tatsächlich die Schicht 4A und der Spiegel 5 darstellen. Ein solches Paar garantiert, daß das den Spiegel 6 erreichende Strahlenbündel, trotz Vergrößerung des optischen Wegs

IQ des oberen Arms aufgrund der Drehung des Abtasters 13 gegen den Uhrzeigersinn, während des Verfahrens nicht gekippt wird, sondern nur etwas tiefer auf den Spiegel auftrifft. Dieses Ergebnis wird erzielt egal wo der Zapfen 12 liegt. Was mit der optischen Weglänge des gemeinsamen Wegs geschieht, der sich zwischen der Schicht 4A und der Linse 8 erstreckt, hat natürlich keine Bedeutung, da es zwischen zwei gemeinsamen optischen Wegen keine optische Wegdifferenz geben kann.

OQ Leider besteht ein erheblicher Nachteil des Abtasters 13 darin, daß nicht nur das horizontale Strahlenbündel im oberen Arm die Stirnfäche des Spiegels 6 überquert, sondern daß auch zur Linse 8 geführte parallele Strahlen die Stirnfläche des Spiegels 7 überqueren. Wenn daher der Abtaster 13 zur selben Zeit, da das zum Spiegel 6 geführte Lichtbündel herunterkommt, gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, geht das wiedervereinte Bündel vom Spiegel 7 nach oben, mit dem Ergebnis, daß sein wirksamer Querschnitt immer weiter vermindert wird, da es

OQ die Blende der Linse 8 nicht mehr, wie in Fig. 1, ausfüllt, sondern vom Boden aus immer weniger füllt. Es folgt daraus, daß der räumliche Winkel der den Detektor 9 erreichenden Lichtenergie entsprechend abnimmt, oder mehr modellbezogen, daß der Weg der auftreffenden

₃t- Strahlen sich mit der Lage des Abtasters 13 ändert.

Es wird verständlich, daß die vom Abtaster 13 ausgehenden Strahlen 13 sich parallel zu sich selbst bewegen, wenn der Abtaster gedreht wird, wenn man beobachtet, daß, während die Richtung des von der Linse 3 ausgehenden paralellgerichteten Strahlenbündels unveränderlich ist, sich die Richtung der entsprechenden von der Schicht 4A reflektierten Strahlen mit dem Drehwinkel des Abtasters 13 ändert. Bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn aus der in Fig. 1 beschriebenen Stellung treffen

2Q die reflektierten Strahlen den Spiegel 5 unter einem kleineren Einfallwinkel (d.h. Winkel zwischen einem einfallenden Strahl und der Senkrechten des Spiegels 5) als vorher, und daher weiter unten auf der Stirnfläche des Spiegels. Es folgt daraus, daß jeder vom Spiegel 5 reflektierte Strahl auch auf den Spiegel 6 weiter unten auf der Stirnfläche trifft. Da jeder den Spiegel 7 erreichende Strahl eine optische Verlängerung eines Strahls ist, der den Spiegel 5 getroffen hat und über den Umkehrspiegel 6 zum Spiegel 5 zurückgeschickt wurde,

2Q folgt daraus, daß der Strahl, z.B. der Mittel strahl in Fig. 1, den Spiegel 7 höher als gezeigt trifft, d.h. daß er sich nach oben bewegt.

Wenn die momentane Intensität des Lichts gemessen werden ok muß, das den Detektor innerhalb eines die Blende des interferometrischen Systems abbildenden Bereichs erreicht, wie es bei kommerziellen optischen Fouriertransformations-Spektrometern der Fall ist, muß der Weg der den Detektor beaufschlagenden Strahlen konstant oQ bleiben, wenn die optische Wegdifferenz abgetastet wird. Der in Fig. 1 gezeigte bekannte Abtaster für die optische Wegdifferenz wäre für eine solche Anwendung daher nicht geeignet.

ο,- Die Anordnung in Fig. 1 wurde so verändert, um eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen, in welcher der Ausgangsstrahl den Detektor entlang eines optischen Wegs erreicht, der im ganzen

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abgetasteten Bereich der optischen Wegdifferenz ortsfest bleibt, und dadurch ein weites Anwendungsfeld für einen drehbaren Abtaster für die optische Wegdifferenz eröffnet, dessen erhebliche Vorteile -vor allem die relative Leichtigkeit, mit der mechanische Abtastpräzision erzielt werden kann- bis letzt nicht genutzt werden konnten, weil die Abtastbewegung eine Auslenkung des vom Abtaster ausgehenden Strahls zur Folge hat.

In Fig. 2, die die veränderte Anordnung darstellt, wurde der Spiegel 7 umgedreht, so daß er mit seiner reflektierenden Stirnseite senkrecht zu der Schicht 4A liegt. Daraus folgt, daß die Linse 8 und der Detektor 9 in die jeweiligen Lagen verlegt werden, die zu den in Fig I eingenommenen Stellungen symmetrisch sind.

Der Schwenkpunkt für den Abtaster für die optische Wegdifferenz liegt nicht mehr bei 12 sondern wurde nach 14 verschoben, wobei die wirksame Drehachse sich auf der Schnittlinie zwischen der Verlängerung der Schicht 4A und der der reflektierenden Oberfläche des Spiegels 7 befindet, wobei die Verlängerungen durch die sich schneidenden, gestrichelten Linien dargestellt sind.
Das Ergebnis der so eingeführten Veränderungen ist bemerkenswert. Wie oben schon festgestellt, beeinflußt die Lage der Drehachse in keiner Weise die Arbeit des von der Schicht 4A und dem Spiegel 5 dargestellten Spiegelpaares, dadurch daß sichergestellt wird, daß bei ■jedem Drehwinkel des Abtasters 13 das Strahlenbündel, welches nach unten geführt wird und vom Spiegel 6 zurückkehrt, genau senkrecht zur reflektierenden Stirnfläche des Spiegels 6 bleibt. Daraus folgt, daß zur Erklärung der Arbeitsweise der vorliegenden Ausführungsform es genügt, die Wirkung der neuerlichen Ausrichtung des Spiegels 7 und der Wahl der Drehachse 14 auf die Strahlen zu berücksichtigen, die vom Abtaster 13 ausgehen, nachdem sie die Schicht 4A vom oberen Interferometerarm durchquert haben, sich mit den Strahlen des unteren Arms vereinigen und vom Spiegel 7 zurückgeworfen

werden. Es wird natürlich vorausgesetzt, daß das abgeänderte Interferometer gemäß dem oben für Interferometer aus Fig. 1· beschriebenen Verfahren ausgerichtet worden ist. In Fig. 3 ist, unter Bezugnahme auf Fig. 2, die Wirkung in schaubildlicher Form dargestellt, indem der Weg eines einzelnen Eingangsstrahls 15 vom Ausgangspunkt von der Linse 3 (Fig. 2) nach oben zum Abtasterausgang für zwei willkürlich gewählte Winkellagen des Abtasters 13 verfolgt wird: eine ursprüngliche Lage, bei der der Einfallswinkel des Strahls 15 auf die Schicht 4A 45 Grad beträgt und eine Endlage, bei der der Einfallswinkel auf 28 Grad verkleinert ist. Die römische Zahl I in eckigen Klammern hinter" den Bezugszeichen 4A und 7 bezeichnet die ursprüngliche Lage; die römische Zahl II ebenfalls hinter diesen Bezugszeichen bezeichnet die Endlage. Die jeweils der Ursprungs- und der Endlage zugeordneten Strahlen werden ebenso unterschieden. Im Interesse der Vereinfachung wurden die den beiden interferometrischen Armen zugeordenten geteilten Strahlen abgeschnitten, so daß nur die Teile, die in beiden Lagen des Abtasters mit der Strahlenteilerschicht zusammenwirken, in Fig. 3 gezeigt sind.

Wenn der Abtaster 13 sich in der angegebenen Ursprungslage befindet, trifft der Eingangsstrahl 15 auf die Schicht 4A(I) und, nach Aufteilung in die Strahlen 15A(I) und 15B, auf die in Bezug auf Fig. 1 bereits allgemein beschriebene Art und Weise, wird er als 15A(I) + 15B wiedervereinigt, wobei der Strahl 15A(I) durch den Umkehrspiegel 6 über den Spiegel 5 vom oberen interferometrischen Arm und der Strahl 15B durch den Umkehrspiegel 10 vom unteren Arm zurückgeworfen wurde.

Natürlich müssen der Strahl 15 und seine Wiedervereinigung 15A(I) + 15B senkrecht zueinander sein, da letztere eine Verlängerung von 15A(I) ist, die senkrecht

auf 15 steht, weil sie aus einer 90 Grad Teilreflexion des Strahls 15 durch die Schicht 4A stammt. Der Spiegel 7(1) steht senkrecht auf der Schicht 4A(I). woraus folgt, daß der Strahl 15A(I) + 15B unter einem 45 Grad Winkel auf ihn auftrifft, mit dem Ergebnis, daß der Strahl 15A(I) + 15B unter einem 90 Grad Winkel reflektiert wird und parallel zum Eingangsstrahl 15 heraustritt.

IQ Es soll nun gezeigt werden, daß in der Endlage des Abtasters 13 der betreffende Strahl 15A(II) + 15B nicht nur parallel zum Strahl 15 austritt, (was auch mit dem bekannten in Fig. 1 gezeigten Interferometer erreicht wird), sondern daß er tatsächlich auf einem Weg liegt.

der mit dem Weg übereinstimmt, auf dem der Strahl 15A(I) + 15B heraustritt, wenn der Abtaster 13 sich in seiner Ursprungslage befindet (was mit dem Interferometer aus Fig. 1 nicht erreicht wird). Mit anderen Worten soll gezeigt werden, daß bei Bewegung des Abtasters 13 von der einen in die andere Lage der Austrittsstrahl auf dem gleichen Weg bleibt.

Wenn sich der Abtaster 13 in der Endlage befindet, trifft der Eingangsstrahl. 15, wie oben festgestellt, unter einem 28 Grad Winkel auf die Schicht 4A(II) auf, und ein Teilstrahl 15A(II) wird unter doppeltem Winkel in den oberen interferometrischen Arm abgelenkt. Der zurückkehrende Strahl 15A(II) vereinigt sich mit dem Strahl 15B und bildet den Strahl 15A(II) + 15B₅ der den

OQ Spiegel 7(11) in einem Punkt schneidet, in dem auch der Weg des Ausgangsstrahls bei ursprünglicher Lage des Abtasters 13 den Spiegel 7(11) schneidet. Wenn die Senkrechte zum Spiegel 7(11) im Schnittpunkt den Winkel halbiert, unter dem der wiedervereinigte Strahl abgelenkt worden ist, dann muß der Ausgangsstrahl für sowohl die Ursprungs- als auch die Endlage des Abtasters 13 auf einem gemeinsamen Weg liegen. Dies ist tatsächlich der

Fall, wie für ieden Drehwinkel des Abtasters 13 innerhalb seines Bildbereichs leicht nachgeprüft werden kann. Das bedeutet, daß die vorliegende Ausführungsform sicherstellt, daß der Austrittsweg des Strahls 15 (und natürlieh jedes anderen Strahls, den man berücksichtigen möchte) ortsfest bleibt, wodurch der erhebliche Nachteil des bekannten Vorschlages auf einfache Weise völlig beseitigt wird.

^O Ein Fouriertransformations-IR-Spektrophotometer, der einen Abtaster für optische Wegdifferenz gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet, und das für Arbeiten im Bereich des infraroten Spektrums zwischen 4000cm-l und 400cm-l , gleich Wellenlängen von 2.5 bzw. 25 Micron geeignet ist, ist schaubildlich in Fig. 4 dargestellt.

In Fig. 4 ist eine IR-Quelle 1 aus einem gewundenem Platindraht, die sich längs zu einer auf der Papierebene senkrecht stehenden Achse erstreckt, von einer zylindrischen Blende IA mit einem Fenster IB gegenüber der mittleren heißesten Zone der Quelle umgeben. Die Blende ist so dargestellt, daß angedeutet wird, daß es sich um einen Querschnitt einer Ebene handelt, die die Achse schneidet und das Fenster IB halbiert. Das Ganze ist von einer weiteren Blende IC umgeben, welche ein rundes Fenster ID aufweist, das wesentlich größer ist als das Fenster IB und ähnlich dargestellt ist. Der Flecken infraroter Strahlung, die von der Ouelle 1 durch das in dem Spektrophotometer benutzte Fenster IB emittiert

gO wird, ist nicht durch eines der Fenster IB oder ID bestimmt, sondern durch die hinter der Quelle liegende Optik, wie ietzt gezeigt werden wird. Ein Hauptstrahl und zwei Paare von Nebenstrahlen, ein Paar von jedem seitlichen Ende des verwendeten Fleckens, werden durch

gg das gesamte System geführt.

Wie definiert treffen die infraroten Strahlen auf einen elliptischen Spiegel 16, dessen einer Brennpunktbereich mit dem Strahlungsflecken an der Quelle 1 übereinstimmt, und dessen anderer mit der runden Blendenöffnung 2A in der Blende 2, die einen solchen Durchmesser besitzt, daß die Blendenöffnung überall mit der Abbildung des Feckens gefüllt ist. Eine am Ort einer Pupille angeordnete Blende 17 begrenzt zwangsläufig die wirksame Blendenöffnung des Spiegels 16 aufgrund einer Blendenöffnung

IQ 17A in Form einer Ellipse mit einer Haupt- und einer Nebenachse, die für einen noch zu beschreibenden Zweck vorgegeben sind. Ein Planspiegel 18 lenkt die aus der Blendenöffnung 17A austretende Strahlen auf die Blendenöffnung 2A um. Die so weit beschriebene Anordnung dient dazu, den Strahlungsflecken von der Quelle 1 auf die Blendenöffnung 2A abzubilden, mit dem Ergebnis, daß die strahlengefüllte runde Blendenöffnung 2A zur tatsächlichen Quelle mit einer definierten Abbildung wird, wobei die tatsächliche Überfüllung die Fläche des ver-

2Q wendeten Strahlungsflecken bestimmt. Zusammenfassend stellt sie die Blendenöffnungblende (oder Jacquinot Blende) des Systems dar.

Ein zweiter Planspiegel 19 lenkt den aus der Blejndenöffnung 2A austretenden Strahl auf den Parabolspiegel 20 ab, wobei die Länge des optischen Wegs zwischen letzteren beiden Elementen etwa gleich der Brennweite des Spiegels 20 ist, der deshalb als Kollimator wirkt und als optisches Gegenstück zur Linse 3 in Fig. 1 und 2 OQ angesehen werden kann. Da die Quelle 1 keine Punktquelle ist, sondern eine endliche Flächenquelle sein soll, ist die Parallelrichtung grob, aber trotzdem ausreichend.

Zusätzlich bildet der Spiegel 20 die elliptische Blendenöffnung 17A auf den Umkehrspiegeln 6 und 10 ab. Die Haupt- und Nebenachse des abgebildeten elliptischen Strahlungsflecken sind so gewählt worden, daß eine effiziente Ausnutzung der runden aktiven Fläche des

Strahlenteilers bei einem gegebenem optischen Durchgang und Bereich von optischen Wegdifferenzen gewährleistet ist. wobei beachtet werden muß, daß bei der vorliegenden Ausführungsform der parallelgerichtete Strahl die Oberfläche des Strahlenteilers überquert, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Weitere Ausgestaltung dieses Merkmals, von dem angenommen wird, daß es an sich neu ist, folgt nach der Beschreibung von Fig. 5.

Der vom Parabolspiegel 20 gebildete parallelgerichtete Strahl 20 bildet den optischen Eingang zur zugehörigen interferometrischen Optik, in welcher die einen Teil des Abtasters für die optische Wegdifferenz 13 darstellende, halbreflektierende Schicht 4A des Strahlenteilers 4.

innerhalb der in gestrichelten Linien gezeigten Grenze des Rahmens 11, über seinen oberen Umlenkspiegel 5 mit dem feststehenden Umkehrspiegel 6 so zusammenwirkt, daß sie den oberen interferometrischen Arm bilden, und über den unteren Umlenkspiegel 21 mit dem Umkehrspiegel 10 so zusammenwirkt, daß sie den unteren interferometrischen Arm bilden. Es wird angemerkt, daß der Spiegel 21 die Herstellung optischer Symmetrie zwischen den beiden interferometrischen Armen ermöglicht.

Der auf die bereits beschriebene Art und Weise am Strahlenteiler 4 wiedervereinigte Strahl tritt aus dem Abtaster 13 über den Ausgangsspiegel 7 heraus, der die sehr wichtige Funktion ausübt, die bereits bezüglich Fig. 2 und 3 dargelegt worden ist. Ein Parabolspiegel 22 sammelt den Ausgangsstrahl vom Abtaster 13 in seinem Brennpunktbereich, in welchem eine Abbildung der Jacquinot Blende erzeugt wird, und in dem sich eine dünn beschichtete, auf einen Träger 23 gestützte analytische Probe befinden soll. Ein elliptischer Spiegel 24 ist so ausgestaltet und angeordnet, daß diese Abbildung räumlich mit dem ersten Brennpunkbereich übereinstimmt und mit einer Verkleinerung von ungefähr 6:1 auf seinen

zweiten Brennpunktbereich übertragen wird, der von einer empfindlichen Oberfläche des Detektors 9 eingenommen wird.

Es muß beachtet werden, daß die analytische Probe und ihr Träger jede der üblichen in der Technik bekannten Formen annehmen kann. Eine dünn beschichtete Probe wurde angegeben, weil das eine gewöhnlich benutzte Form darstellt und leicht zu der Sollebene der Jacquinot Blendenabbildung ausgerichtet werden kann.

Alle in Fig. 4 gezeigten Bestandteile außer denen im Rahmen 11, die einen Teil des Abtasters 13 bilden, sind fest auf einer Grundplatte befestigt, die nicht in Fig.

!5 4 gezeigt ist, jedoch in der Konstruktionszeichnung in Fig. 5 dargestellt ist. Der Abtaster 13 ist zwischen zwei Grenzlagen um eine Achse 14 innerhalb eines selbst an der Grundplatte befestigten Gehäuses schwenkbar, wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 noch beschrieben wird.

Wie in Fig. 4 gezeigt, befindet sich der Abtaster 13 auf halbem Weg zwischen seinen Grenzlagen und erzeugt eine optische Wegdifferenz von null zwischen den beiden interferometrischen Armen. Die durch Drehung im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn erreichten zwei Grenzen entsprechen Werten der optischen Wegdifferenz, die gleich sind, jedoch entgegengesetzte Vorzeichen haben. In der Tat vergrößert Drehung im Uhrzeigersinn des Abtasters aus der gezeigten Lage die optische Weglänge des veränderbaren interferometrischen Armes, und Drehung gegen den Uhrzeigersinn vermindert diese optische Weglänge. Es ist daher angemessen, die Grenze im Uhrzeigersinn als Lmax+ und auf die Grenze gegen den Uhrzeigersinn als Lmax- zu bezeichnen. Durch das Schwingen des Abtasters 13 von der einen zur anderen Grenze wird ein vollständiges doppelseitiges Interfero gramm erzeugt, wie es für den Zweck, die Fouriertransfor mation zu berechnen,

erforderlich ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt Lmax+ 2 cm, und die Abtastzeit zwischen Lmax+ und der optischen Wegdifferenz null 1 sek ist.

Für einen Zweck, auf den noch genauer Bezug genommen wird, ist ein monochromatischer Referenzinterferometer in die Optik des Hauptinterferometers eingefügt, das einen Teil des beschriebenen Fouriertransformations-IR-Spektrophotometer bildet, so daß sie den Abtaster 13 gemeinsam enthalten. Der Referenzinterferometer enthält, zusätzlich zu dem gemeinsamen Abtaster 13, einen Laser 25 von geringer Leistung, der eine Linie monochromatischer, eben polarisierter Strahlung bei einer Wellenlänge von 632,814 Nanometer herstellt. Der aus dem Laser 25 hervorgehende, eben polarisierte Strahl wird über einen kleinen Planspiegel 26, der in dem vom Parabolspiegel 20 gebildeten parallelgerichteten Strahl liegt, durch den Abtaster 13 geführt und am Ausgang des Abtasters 13 vom parallelgerichteten Strahl überdeckt, um dann über den mit dem Spiegel 29 zusammenwirkenden Planspiegel 28 zur Sensoreinheit 27 geführt zu werden. Beim Durchqueren des Abtasters 13 durchquert der Strahl eine Ά*/8-Platte und wird dadurch so beeinflußt, wie im folgenden angegeben ist. An der Sensoreinheit 27 ermöglicht ein Strahlenteiler 27B einem durchgelassenen Teil des Laserstrahls, einen Photosensor 27B ohne Richtungsänderung zu erreichen, und einem reflektierten Teil, den Photosensor 27C mit 90 Grad Ablenkung zu erreichen, wobei die Achsen der beiden Sensoren 90 Grad gegeneinander versetzt sind. Für einen Zweck, der später betrachtet wird, sind ebene Polarisatoren 27BI und 27CI vor den Photosensoren 27B bzw. 27C angeordnet, wobei sich ihre Übertragungsebenen kreuzen.

In Fig. 5 wurde die schematische Darstellung von Fig. 4 in eine technische Zeichnung der tatsächlichen Bestandteile übertragen, nur der Hauptstrahl HR ist

gezeigt, um die Spur des optischen Wegs von der Quelle 1 zum Detektor 9 darzustellen. Es wird angenommen, daß die Figuren 4 und 5 zusammen das richtige Verständnis für die Funktion und Konstruktion in der Verwirklichung eines Abtasters für optische Wegdifferenz an sich, und als einen Teil eines Fouriertransformations-IR-Spektrophotometers gemäß der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Nebenbei ermöglicht der drehbare Abtaster für optische Wegdifferenz gemäß der vorliegenden Erfindung, daß, obwohl die mechanischen Genauigkeitsanforderungen, dadurch daß die Arbeit auf den infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums begrenzt wird, weniger streng geworden sind, eine hohe Genauigkeit vorteilhafterweise in Bereichen des Spektrums von kürzerer Wellenlänge erzielt wird.

In der nun folgenden Beschreibung sind die Bezugszeichen der schematisch in Fig. 4 dargestellten Elemente die gleichen, wie die der tatsächlichen Bestandteile in Fig.

5. Von diesen benötigen die Spiegel 16, 18, 19, 20, 22 und 24 keine weitere Erläuterung, außer daß darauf hingewiesen werden muß, daß sie von Stützen 16A. 18A, 19A« 20A, 22A bzw. 24A getragen werden, die mittels Schrauben 16B, 18B, 19B, 2OB, 22B, und 24B an einer festen Grundplatte 31, wie gezeigt, befestigt werden können. Es wird zusätzlich angemerkt, daß der Detektor 9 auf einer L-förmigen Stütze 9A gelagert ist, die ihrerseits an einem Ansatz der den Spiegel 24 tragenden Stütze 24A befestigt ist, und daß die Probenträgerplatte 23 während des Gebrauchs in Kanäle 23A eingeschoben wird, die in einer an der Stütze 23D befestigten Führungsplatte 31 zur Befestigung auf der Grundplatte 31 mittels Schrauben 23D gebildet sind, wobei die Probe an dem Träger 23 über der runden Blendenöffnung 13E durch irgendein geeignetes, in der spektroskopischen Technik bekanntes Mittel befestigt worden ist. Weiterhin bilden

die Blende 17 und die Jacquinot Blende 2 eine kombinierte Einheit P aus Blech, in der die Blendenöffnung der Blende oval und die der Blende 2 rund ist. Ein Bodenflansch Pl ermöglicht, daß die Einheit P mit Schrauben PIA an die Grundplatte 31 angeschraubt wird.

Die mit ihrer Außenblende IC vollständige Quelle 1 ist senkrecht zwischen den Schenkeln einer U-förmigen Stütze IE gelagert, die ihrerseits an einem aufrechten Schenkel einer L-förmigen Stütze IF befestigt ist, die wiederum über den anderen Schenkel des L durch Schrauben wie z.B. IG an der Grundplatte 31 befestigt ist.

Die Aufmerksamkeit wird nun besonders auf den Boden in 5 der linken Ecke der Fig. 5 gelenkt, wo zwei Gußstücke gezeigt sind, von denen das eine drei ganze Abschnitte HA, HB. HC aufweist, die einen Teil des Abtasters 13 für optische Wegdifferenz bilden, und das andere mit dem Bezugszeichen 32 im wesentlichen ein Gehäuse bildet. in welchem der Abtaster 13 auf eine noch zu beschreibende Art und Weise drehbar gelagert ist.

Das Gußstück 11A-11B-11C, welches als eine technische Version des schematisch in Fig. 2 gezeigten Rahmens 11 angesehen werden kann, enthält einen schachtelähnlichen Mittelabschnitt HA, der sich nach rechts in eine Fahne HB und nach links in einen Antriebsarm HC erstreckt. Der Mittelabschnitt HA weist eine mit einer Blendenöffnung HA2 versehene Wand HAI auf, in welcher ein

QO Strahlenteiler 4 von kreisförmiger Gestalt fest gelagert ist, und eine ebenfalls kreisförmige. gegenüberliegende Wand 11A3, auf der der Umlenkspiegel gelagert ist.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, besitzt der Strahlenteiler 4 die gleiche Konstruktion wie der Strahlenteiler 4 in Fig. 4, dadurch daß er eine halbreflektierendc Schicht aufweist, die zwischen zwei Stützplatten angeordnet ist,

welche für die von der Quelle 1 ausgehende Strahlung durchlässig sind und gleiche optische Eigenschaften besitzen. Die halbreflektierende Schicht 4A (Fig. 4) kann iedoch wahlweise auf einem gespannten Film vorgesehen sein, der für diese Strahlung durchlässig ist. Sie kann auch die Form einer spiegelnden durchbrochen Struktur wie z.B. einem Gitter oder Netz annehmen, in welchem Fall die von der Struktur dargestellte Schicht aufgrund der Reflexionslücken von den offenen Stellen in dieser Struktur halbreflektierend ist. Die Struktur kann selbsttragend sein oder von einem durchlässigen gespannten Film getragen werden. Im letzten Fall könnte sie als eine vakuumaufgetragene Schicht ausgebildet sein.

Alternative Strahlenteilerkonstruktionen, wie erwähnt, sind in den Figuren 8A bis 8D dargestellt. In leder Figur bildet ein Ringrahmen 4D einen Träger für eine halbreflektierende Schicht. In Fig. 8A stützt der Rahmen 4D eng auseinanderliegende, gespannte parallele Drähte, die ein Netz 4E bilden; in Fig. 8B schneiden sich die beiden Sätze paralleler Drähte, um ein Gitter 4F zu bilden. Die Figuren 8C und 8D, die Querschnitte perspektivischer Ansichten längs eines Durchmessers des Rahmens 4D sind, stellen ein Netz 4G bzw. ein Gitter 4H als vakuumbedampfte Schichten auf einem durchlässigen Film 4K dar, der über den Rahmen 4D gespannt ist.

Die Fahne HB wirkt als ein Träger für den rechteckigen Spiegel 7, der eine fest gestützte senkrecht zum Strahlenteiler 4 starr gehaltert ist. Der Bereich, in dem die Fahne HB sich von dem Mittelabschnitt HA erstreckt, enthält die Schnittlinie zwichen den Oberflächenverlängerungen des Spiegels 7 und der reflektierenden Schicht 4A des Strahlenteilers 4. Ein oberer Vorsprung 11A4 ist in einer oberen Wand 11A5 des Abschnitts HA gebildet, die im groben konzentrisch zur

■*■ Schnittlinie verläuft. Innerhalb des Vorsprungs 11A4 ist ein V-förmiges Lager 11A4A vorgesehen. Ebenso ist ein unterer Vorsprung 11A6 in einer unteren Wand 11A7 des Abschnitts HA vorgesehen, die im groben konzentrisch zur Schnittlinie verläuft. Innerhalb des Vorsprungs 11A6 ist ein Kugellager 11A8 fest angebracht.

Der Antriebsarm HC weist einen Endvorsprung HCl auf, der als ein Lager auf einen Stift 11C2 wirkt, welcher

¹^ ein Ende einer Platte 11C3 mit einem Ende einer Platte 11C4 verbindet, wobei die beiden Platten eine Verbindung 11C5 bilden, die weiterhin einen anderen Stift 11C6 enthält, der die verbleibenden beiden Enden der Platten verbindet und in einem Block 11C7 drehbar ist. Das

^5 Gehäuse 32 enthält einen Boden 32A mit durchbohrten Vorsprüngen, wie z.B. 32B, durch welche Schrauben, wie z.B. 32C, hindurchgeführt sind zur Befestigung des Gehäuses 32 über elastische Halterungen, wie z.B. 32Cl, an der Grundplatte 31, und ein Dach 32D, welches von auseinanderliegenden, ineinandergreifenden, senkrechten Gliedern, wie z.B. dem Pfeiler 32E getragen wird. Ein zylindrischer Zapfen 32F« der in den Vorsprung 32G angepaßt ist, ist vorgesehen und liegt an dem V-förmigen Lager 11A4A in dem Vorsprung 11A4 anzuliegen. Eine (nicht gezeigte) Ausnehmung in dem Boden 32A beinhaltet ein (nicht gezeigtes) kugelförmiges Lagerglied zur Anlage an dem Kugellager 11A8 in dem Vorsprung 11A6. Die Drehsymmetrieachse des Zapfens 32F und die des kugelförmigen Lagergliedes stimmen mit der bereits erwähnten Schnittlinie überein, und das Kugellager 11A8 ist so gelagert, daß einer der Durchmesser ebenfalls mit dieser Linie übereinstimmt. Es folgt daraus, daß die beschriebene Anordnung den Abtaster 13 schwenkbar in dem Gehäuse 32 lagert, so daß er um eine mit der Schnittlinie übereinstimmenden Achse, d.h. Achse 14, drehbar ist. Außerdem schafft die Lage der Achse ein zur Stirnseite im

Abtaster 13 versetztes Gewicht, wie aus Fig. 5 ersichtlich, mit dem Ergebnis, daß das V-förmige Lager 11A4A durch die Schwerkraft in Anlage an den Zapfen 32F gehalten wird.

Eines der senkrechten Abstandsstücke zwischen dem Dach 32D und dem Boden 32A ist die spiegeltragende Struktur 32G, die mit senkrechten, die Spiegel 6 bzw. 10 tragenden Wänden ausgestattet ist, wobei die Wände so ausgerichtet sind, daß sie die Spiegel in die schematisch in Fig. 4 dargestellte, richtige Winkellage bringen. Ein weiteres Glied 32H in Form eines Pfeilers mit rechteckigem Querschnitt wird benutzt, um den Spiegel 21 anzubringen.

Die Antriebsmittel zur Schwenkung des Abtasters 13 innerhalb zweier vorgegebenen Grenzen relativ zu dem Gehäuse 32 werden nun beschrieben. Ein Ende einer mit einer zylindrischen Antriebsrolle 34 verbundenen Antriebswelle 33 kann sich frei im Block 11C7 drehen, aber ist in Längsrichtung daran gefesselt. Die Welle 33 ist außerdem an ihrem anderen Ende in einem glatten Gleitlager 35 schwenkbar abgestützt, welches in einem Schenkel 36A einer mit Schrauben, wie z.B. 36B, am Boden 32A befestigten, U-förmigen Stütze gelagert ist, wobei das Gleitlager 35 zusätzlich Freiheit zur Axialverschiebung verschafft. Die Antriebswelle 33 enthält einen Führungsschraubenteil 33A aus einem Stück, der in ein passendes Gewinde im anderen Arm 36C der Stütze 36 eingreift. Die Antriebswelle 33 kann von einem elektrischen Motor über einen Riehmen 38, der eine Antriebsverbindung zwischen der auf der Motorwelle 40 befestigten Riehmenscheibe 39 und dem Zylinder 34 bildet, in beide Richtungen gedreht werden. Der Motor 37 ist auf einer Stütze 41 gelagert, die an der U-Stütze 36 mit Schrauben, wie z.B. 42 befestigt ist. Vorausgesetzt, die Führungsschraube ist rechtsgängig, dann veranlaßt

Drehung der Motorwelle 40 im Uhrzeigersinn die Antriebswelle 33 zur Forwärvsbewegung, wodurch der Abtaster 13 gedrängt wird, sich im Uhrzeigersinn zu drehen, wobei der sich stufenweise ändernde Winkel zwischen der Antriebswelle 33 und dem Antriebsarm HC in einer Ebene. die parallel zum Boden 32A und durch die Achse der Welle 33 verläuft, ohne Einschränkungen von der Wirkung der Verbindung 11C5 aufgenommen wird. Gleichzeitig wird die Riemenscheibe 38 der Längsbewegung der Welle 33 nicht mehr als eine vernachlässigbare Einschränkung auferlegen, aufgrund der Tatsache, daß der durch diese Bewegung erzeugte Seitendruck auf ihre Anlage an den Zylinder 34 sie veranlaßt, axial vom Zylinder 34 wegzugleiten. Das Verfahren zur Drehung der Welle 33 gegen den Uhrzeigersinn ist natürlich ähnlich, obwohl die Richtung des Seitendrucks umgekehrt ist.

Ein überhängender Teil 32L des Daches 32D trägt den Schlitten 25 durch Schlitten, von denen nur der mit den Bändern 25B zusammenwirkende Schlitten 25A sichtbar ist. Der Spiegel 26 ist auf einem Querglied 26A befestigt, der in einem runden Fuß 26B endet, welcher mit (nicht gezeigten) Schrauben am Boden 32A befestigt ist. Die "λ*/8-Platte 30 ist in einem zylindrischen Gehäuse 3OA enthalten, das von einem Querglied 30B getragen wird, das in einem mit Schrauben 3OD am Boden 32A verschraubten, rechteckigem Fuß endet. Der Spiegel 28 ist auf die gleiche Art und Weise wie der Spiegel 26 gelagert, wobei das Querglied 28A, der Fuß 28B und die Befestigungsschrauben 28C deutlich sichtbar sind. Der Spiegel 29 ist mit einem hinteren Querglied ausgestattet, das in ein in den Pfeiler 32H gebohrtes Loch paßt, wobei das Querglied und das Loch verdeckt sind.

Ein zylindrischer Körper 27F in der Einheit 27 ist mit Ausnehmungen versehen, in denen in geeigneter Weise ausgerichtete, bearbeitete Stirnflächen 27Al, 27Bl.

27Cl, 27Dl und 27El die bereits eingeführten Elemente 27A. 27B. 27C, 27D bzw. 27E haftend abstützen.

Die in Fig. 5 gezeigten Elemente werden in ein elektrisches Betriebssystem eingesetzt. welches mit den zuvor beschriebenen mechanischen Teilen zusammenarbeitet. Der Laser 25 wird über eine Modulstromversorgung 25C gespeist, die mit einem Netzanschluß verbunden ist, und zwar über ein Srom- und Gerätesteuerungspaket 43 mit einer in einem Stecker 43B endenden Leitung 43A zur Verbindung mit dem Netzanschluß. Leitungen vom Detektor 9, Photosensor 27B und 27C und Antriebsmotor erstrecken sich ebenfalls in das Paket 43, welches neben der Stomversorgungsschaltung die gesamte, in dem Blockdiagramm in Fig. 7 dargestellte Hardware enthält. außer natürlich einer Bildschirmanzeigeeinheit und Tastatur, die im folgenden erläutert werden, und den den Detektor 9 darstellenden Block, dem Motor 37 und der Einheit 27.

Es wird nun ein Verfahren beschrieben zur Begrenzung der Haupt- und Nebenachsen des oben in dieser Beschreibung eingeführten, elliptischen Strahlungsflecken. Bei einem solchen Verfahren ist die Fläche des Flecks eine unveränderliche Größe, welche von dem gewünscheten Strahlungsdurchgang des Geräts festgelegt wird.

Ein befriedigender Ansatz besteht darin, zunächst einen wahrscheinlichen Wert für die Nebenachse der auf dem Strahlenteiler 4 (Fig. 4 und 5) gebildeten Ellipse bei einer Winkellage des Abtasters 13, die der optischen Wegdifferenz null entspricht, zu schätzen, und die Hauptstrahlen, die die ieweiligen Enden der geschätzten Nebenachse durchqueren, einzuzeichnnen, wenn der Abtaster zunächst zu einer Abtastgrenze (Lmax+) und dann zur anderen (Lmax-) "geschwenkt" wird, um die ieweiligen Schnittpunkte mit dem Strahlenteiler 4 an diesen Grenzen

zu finden. Die Zeichnung erklärt natürlich die verschiedenen Einfallwinkel bei Vorhandensein der Verbundwirkung von der Translation der Ellipse über die Stirnseite des Strahlenteilers 4, die durch die Drehung des Abtasters 13 um eine gegenüber der Hauptachse der Ellipse versetzte Achse verursacht ist.

Nun wird die Fläche des Strahlenteilers 4 verkleinert, wenn die erwähnten Schnittpunkte und die Enden der

¹^ Hauptachse auf dem selben Kreis liegen. Das bedeutet, daß der Abstand zwischen den Schnittpunkten die Länge der Hauptachse bestimmen muß. Wenn die einfache Gleichung: f^. a»b=A

mit a= Haupthalbachse

b= Nebenhalbachse

A= Fläche der Ellipse für erforderlichen Durchgang,

erfüllt ist, war der vorhergesagte Wert für die Nebenachse richtig. Wenn nicht, wird die Zahlen der Strahlen wiederholt, indem ein niedrigerer oder höherer Wert, (der durch das vorhergehende Ergebnis nahegelegt wird), angewandt wird, bis eine Ellipse gefunden wird, die die Durchgangsanforderungen erfüllt, und die zuläßt, daß der Abtastbereich in einem runden Strahlenteiler von minimaler Fläche überdeckt ist. Ein wiederholtes Iterieren kann notwendig sein, um dies zu erreichen.

Unter neuerlicher Bezugnahme auf Fig. 4 sollte angemerkt werden, daß der Grund für die Abbildung der elliptischen Apertur 17A auf die Umkehrspiegel 6 und 10, nicht so sehr im Strahlenteiler 4 selbst liegt, sondern vielmehr in der übermäßigen Verbreiterung des von den beiden Umkehrspiegeln zum Strahlenteiler zurückkehrenden Strahls, die sich andernfalls ergeben würde. Die Ellipse, deren Gestalt auf die zuvor beschriebene Art und Weise bestimmt wird, ist die, die von den zurückkehrenden Strahlen gebildet wird, und obwohl diese immer

noch durch Steuerung des Abstands zwischen jedem Umkehrspiegel und dem Strahlenteiler voneinander abweichen müssen, kann die Verbreiterung innerhalb von Grenzen gehalten werden, die eine effiziente Nutzung der Strahlenteilerlache sicherstellen.

Ist die Ellipse einmal definiert, muß nur noch die Länge des optischen Wegs zwischen a) dem Spiegel 20 und der Blende 17 und b) dem Spiegel 20, dem Strahlenteiler 4

¹^ und den Umkehrspiegeln 6 bzw. 10 geregelt werden. Im allgemeinen muß man, wenn der optische Anpassungsweg zwischen dem Strahlenteiler 4 und den Umkehrspiegeln 6 bzw. 10 einmal festgelegt ist, nur noch die optische Anordnung auswählen, die die Abbildungen der Blenden-

¹^ öffnung 17A in gewöhnlichem Maßstab (d.h. verkleinert) hervorbringt, so daß der Strahlungsfleck, der auf dem Strahlungsteiler durch den von der Abbildung dahin zurückkehrenden Strahl erzeugt wird, die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren berechnete Ellipse ausfüllt.

Ehe das Blockdiagramm aus Fig. 7 erläutert wird, welches das auf einem Mikroprozessor beruhende System zur Regelung des Fouriertransformations-IR-Spektrophotometers aus Fig. 4 und 5 darstellt, erscheint es wünschenswert, sich mit einigen Allgemeinheiten bezüglich des Betriebs des Abtasters 13, des auf dem Laser 25 beruhenden Referenzinterferometers und des Erhalts von Interferogrammatenpunkten, sowohl beim Abtasten nach unten, als auch beim Abtasten nach oben, zum Zweck der digitalen Verarbeitung, zu befassen. Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet der Ausdruck nach unten Abtasten, daß die optische Wegdifferenz des veränderbaren interferometrischen Arms von Lmax+ zu Lmax- geändert wurde, und nach unten Abtasten, daß sie von Lmax- zu Lmax+ geändert wurde.

Wie bereits angedeutet, bewegt sich der Abtaster 13 zwischen zwei maximalen Verzögerungsgrenzen hin und her, die den Winkellagen entsprechen, welche zu der in Fig. 4 und 5 beschriebenen Winkellage symmetrisch sind, bei welcher die optische Wegdifferenz nominal null ist.

Das doppelseitige Interferogramm der Quelle 1, das, da es von der Probe im Träger 23 verändert wird, bei ieder Abtastung von Grenze zu Grenze erzeugt wird, wird am Ausgang des Detektors 9 in eine elektrische, sich mit der Zeit ändernden Signalverlauf umgeformt. Das analoge Signal ist natürlich für die digitale Verarbeitung ungeeignet, wenn es nicht zunächst einer analog-digital Umwandlung unterliegt, die eine Probenentnahme auf genau wiederholbaren Abtaststufen der optischen Wegdifferenz

!5 umfasst.

In der vorliegenden Ausführungsform ist die Probenentnahme mit dem Nulldurchgang einer das Interferogramm des Lasers 25 darstellenden, elektrischen Referenzsinuswelle synchronisiert, und jeder Proben-entnahmepunkt wird durch einen Zähler ständig verfolgt, so daß aufeinanderfolgende Werte, die durch Probenentnahme an diesem Punkt durch wiederholtes Abtasten erhalten werden, immer der gleichen Zähleranzeige zugeordnet sind, und daher an einem der Anzeige zuge-ordneten, digitalen Speicherplatz gespeichert werden können. Im Hinblick auf den angenommenen Abtastablauf, wird eine Verbesserung eingeführt, die dem Zähler ermöglicht, während des Abtastens nach oben vorwärts zu zählen und während des Abtastens nach unten rückwärts zu zählen. Die Verbesserung besteht darin, daß die Referenz-sinuswelle mit einem 90 Grad Phasensprung verdoppelt wird. Dies wird durch ein einfaches Hilfsmittel erreicht, nämlich der Einführung der bereits erwähnten A/8-Platte 30, die zweimal vom polarisierten Strahl vom Laser 25 überquert wird, und auf diesen wirkt, als wenn eine X. /4-Platte einmal überquert worden wäre, und die daher eine zirkuläre

Polarisation des Laserstrahls erzeugt. Die Ursprungliehe, eben polarisierte Sinuswelle wird nun 90 versetzt von einer Sinuswelle der gleichen Frequenz begleitet. Die Polarisatoren 27D und 27E in der Einheit 27 werden auf solche Art und Weise durchquert, daß die ihnen zugeorneten Photosensoren 27B bzw. 27C ieder nur die Sinuswelle durchlassen kann, die im rich-tigen Winkel auf eine Durchlaßebene auftrifft. Das Endergebnis besteht darin, daß eine optische Sinuswelle vom Photosensor 27B, und die andere vom Photosensor 27C, in eine entsprechende elektrische Sinuswelle umgewandelt wird.

Wie die beiden elektrischen Sinuswellen zum Zwecke der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, soll nun in Bezug auf Fig. 6 erklärt werden, in der A und B die 90 grad gegeneinander versetzten Sinuswellen, Al, Bl die aus der Quadrierung entstandenen Wellen, und A2, B2 die aus der Differenzierung der rechteckigen Wellen Al, Bl entstandenen Wellen darstellen. Nun wird jeder in A2 auftretende Impuls dazu benutzt, die Probenentnahme und die Verarbeitung der Datenpunkte zu steuern, und gleichzeitig einen Zähler, der später unter Bezugnahme auf das Blockdiagramm in Fig. 7 erläutert werden soll, auf den neusten Stand zu bringen.

Vorausgesetzt, die Phasenbeziehung von A2 und B2 entspricht einer Abtastung nach unten, wie durch den Pfeil C angedeutet ist, dann wird das Auftreten eines positiven Impulses in B2, direkt gefolgt von einem positivem Impuls in A2 wahrgenommen, und dazu benutzt, den Zähler einen Schritt abwärtszuzählen. Umgekehrt wird ein positiver Impuls in A2. der nicht direkt von einem gleichem Impuls in B2 gefolgt wird, einer Abtastung nach oben (Pfeil Cl) zugeordnet, und der Zähler einen Schritt aufwärtsgezählt.

Ehe das Fouriertransformations-IR-Spektrometer angeschaltet wird, wird der Zähler beim ersten Nullübergang in der A2 Welle, die direkt auf den Peak des Mittelstosses in dem Interferogramm der analytischen Probe folgt, auf Null gestellt. Danach verfolgt der Zähler die Probenentnahmepunkte beim Abtasten nach oben und nach unten weiter, bis das Gerät ausgeschaltet wird.
Das Blockdiagramm in Fig. 7, welches ein auf einem Mikroprozessor beruhendes System zur Steuerung des in Fig. 4 und 5 gezeigten Fouriertransformations-IR-Spektrophotometers darstellt, wird nun beschrieben.

In Fig. 7 wird das durch den Verstärker 43 verstärkte Signal vom Detektor 9 der Proben- und Halteeinheit 44

¹^ zugeführt, und jeder Probenwert wird dem Analog-Digital-Umwandler 45 zugeleitet, der ihn dem Mikroprozessor 46 zuführt. Der Ausgang der Einheit 27, der, wie oben beschrieben, aus zwei 90 Grad gegeneinander versetzten Sinuswellen besteht, wird durch einen Verstärker 47 geführt, wonach jede Sinuswelle in der Einheit 48 quadriert wird. Jede sich daraus ergebende rechteckige Welle wird im Differenzierglied 49 differenziert. Ein der differenzierten Welle A2 (Fig. 6) entsprechender Ausgang des Differenzierglieds 49 wird in einem Triggerimpulserzeuger 50 verwandt, damit an jedem Peak ohne Rücksicht auf die Polarität die Probe- und Halteeinheit 44 unter Steuerung des Mikroprozessors 46 aktiviert wird, und derselbe Ausgang wird auf den Vorwärts- und Rückwärtszähler 51 ausgeweitet.

Wenn zunächst der Fouriertransformations-IR-Spektrophotometer eingeschaltet wird, muß der Zähler 51, entsprechend einer vorgegebenen festen Winkellage des Abtasters 13 (Fig. 4 und 5), auf Null gestellt werden, damit er danach alle Probenentnahmepunkte weiter verfolgen kann, bis das Gerät ausgeschaltet wird. Dies

BAD ORIGINAL

wird durch eine Zählerphasenanpassungseinheit 52 erreicht, die zu einem Zeipunkt, wenn der Mikroprozessor 46 bestimmt, daß der höchste Amplitudenwert des Mittelstoßes des Probeninterferogramms erreicht worden ist, den Zähler 51 einstellt, damit er vom nächsten Peak der differenzierten Welle A2 an in der Einheit 49 zählt, welche ebenfalls, wie bereits festgestellt, einen Eingang zum Triggerimpulserzeuger 50 liefert.
Der Abtastmotor 37, der von den auf die Abtastmotorsteuerung 54 ansprechenden Antriebsschaltungen 53 gespeist wird, wird ständig während des Betriebs vom Mikroprozessor 46 durch die Abtastmotorsteuerung 54 gesteuert, wobei der tatsächliche Zählerstand im Zähler 51 die durchzuführende Abtastbewegung bestimmt.

Änderungen in der Abtastrichtung werden vom Auf/Ab-Abtastsensor 55 wahrgenommen, auf den der Zähler 51 anspricht, indem er die geeignete Änderung in der Zählrichtung vornimmt.

Es ist nun verständlich, daß iede der Verzögerungsgrenzen einer endlichen und unveränderbaren Zähleranzeige zugeordnet sein muß. Wenn der Mikroprozessor 46 diese Anzeige aufnimmt, sendet er ein umgekehrtes Signal zur Abtastmotorsteuerung 54 und unterbricht gleichzeitig die Verarbeitung der Datenpunkte. Der Abtastmotor 37 beginnt mit seinem umgekehrten Verfahren und der Zähler zählt weiter. Wenn der Zählerstand wieder auf den gesetzt worden ist, der vorlag, als die Datenverarbeitung unterbrochen wurde, wird die Datenverarbeitung wieder aufgenommen, bis der Probenentnahmepunkt, der der gegenüberliegenden Verzögerungsgrenze entspricht, erreicht ist, wenn der umgekehrte Betrieb wieder durchgeführt wird. Die Abtastung geht um einige unechte Probenentnahmepunkte über eine Verzögerungsgrenze hinaus, und, wenn der Motor anhält und umkehrt, zählt der Zähler abwärts (wenn vor der Umkehr Abtastung nach oben im Betrieb war), oder er zählt aufwärts (wenn

Abtastung nach unten im Betrieb war) um die gleiche Anzahl von Zählerständen, wie die Anzahl der überschrittenen Probenentnahmepunkte.

Es ist wichtig zu beachten, daß durch die Weiterverfolgung der Probenentnahmepunkte durch den Vorwärts- und Rückwärtszähler 51 Daten während der Abtastung nach oben und nach unten angesammelt werden können und ihren jeweiligen Speicherplätzen korrekt zugeleitet werden zur Signalmittelwertbildung der Daten, die in den gleichen Probenentnahmepunkten in nachfolgenden Interferogramms periodisch wiederkehren. Außerdem wird das Verfahren zur Umkehrung des Abtastmotors erheblich vereinfacht.

Eine mit dem Mikroprozessor 46 verbundene Bildschirmanzeigeeinheit 56 ist vorgesehen, damit dem Benutzer ermöglicht wird, eine Darstellung der Probeninterferogramme und Spektren, als auch anderer Daten zu untersuchen. Die mathematische Fouriertransformation

wird vom Mikroprozessor 46 durchgeführt, der darauf programmiert ist, auf Anweisungen, die vom Benutzer auf der Tastatur 57 eingegeben werden, anzusprechen.

Es ist verständlich, daß im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck "Licht" die unsichtbaren Bereiche Des Lichtspektrums mitumfaßt.

Indem ein drehbarer Abtaster für die optische Wegdifferenz gemäß der vorliegenden Erfindung in einen

Fouriertransformations-IR-Spektrophotometer, wie beschrieben, eingefügt wird, ist es möglich geworden, ein Gerät zu verwirklichen, das genau, einfach, vergleichsweise billig und sehr verläßlich ist,

- L e e r s e i t e

Claims (17)

Patentansprüche

1. Interferometrisches Gerät, bei welchem die optische Wegdifferenz zwischen zwei Strahlenwegen veränderbar ist, enthaltend:

(a) einen drehbaren Abtaster (13) zur Veränderung der optischen Wegdifferenz mit einem Strahlenteiler (4) und einem Umlenkspiegel (5), wobei der Strahenteiler (4) eine teilreflektierende

Schicht (4A) aufweist, die in einer Ebene parallel zu dem Umlenkspiegel verläuft und eine dem Umlenkspiegel (5) zugewandte Eingangsfläche und eine Ausgangsfläche aufweist, und ein auf den Strahlenteiler fallendes Eingangs

lichtbündel durch den Strahlenteiler (4) hindurchtretendes und ein von dem Strahlenteiler an der Eingangsfläche auf den Umlenkspiegel (5) reflektiertes und von diesem umgelenktes Tei1 lichtbündel aufgespalten wird,

(b) zwei feststehende Umkehrspiegel (10,6), die von je einem der beiden Tei11ichtbündel getroffen werden und mit dem Strahlenteiler (4) und Um-

QQ lenkspiegel (5) zur Bildung zweier interfero-

metrischer Arme zusammenwirken und welche diese Teil! ichtbündel so auf den Strahlenteiler (4) zurückwerfen, daß sie durch den Strahlenteiler (4) an der Ausgangsfläche wieder zu

gg einem einzelnen Ausgangslichtbündel vereinigt

werden,

(c) Mittel zum Verdrehen des Abtastens (13) um eine Achse (14), wodurch die optische Wegdifferenz zwischen den beiden Tei11ichtbündelη in den interferometrisehen Armen veränderbar ist,

(d) einen Ausgangsspiegel (7), der ebenfalls auf dem drehbaren Abtaster (13) angeordnet und von dem Ausgangslichtbündel beaufschlagt ist und der dieses Ausgangslichtbündel umlenkt,

dadurch gekennzeichnet, daß

(e) der Ausgangsspiegel (7) in einer Ebene angeordnet ist, die mit der Ebene der tei1 reflektierenden Schicht (4A) des Strahlen

teilers (4) einen rechten Winkel bildet, und

(f) die Achse (14), um welche der Abtaster (13) drehbar ist, im wesentlichen mit der Schnittlinie der besagten beiden Ebenen zusammen

fällt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Strahlenteiler (4) eine wirksame Fläche

von im wesentlichen kreisförmiger Gestalt aufweist,

(b) dieses Gerät weiterhin optische Strahlen-₃q steuerungsmittel enthält zur Abbildung eines

Eingangsstrahls mit einer Ellipse als Querschnittsfläche auf die Eingangsfläche,

(c) die Nebenachse der Ellipse so gewählt ist, daß der Abstand zwischen den Schnittpunkten der Nebenachse und der Eingangsfläche an zwei gegenüberliegenden vorgegebenen ringförmigen Bewegungsgrenzen des Abtasters (13) ähnlich

ist, wie die Länge der Hauptachse,und gleichzeitig die besagte Querschnittsfläche dazu geeignet ist, den gewünschten optischen Durchlaß des Gerätes herzustellen.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das Gerät eine Lichtquelle (1) zur Erzeugung des Eingangsstrahls aufweist,

(b) die optischen Steuerungsmittel Abbildungsmittel (3) und eine Streulichtblende (2) enthalten, die zwischen der Lichtquelle (1) und dem Strahlenteiler (4) liegen,

(c) die Streulichtblende (2) eine el 1ipsenfÖrmige

Blendenöffnung aufweist, deren Haupt- und Nebenachse zusammen mit der optischen Anordnung der Abbildungsmittel (3) so ausgebildet sind, daß die Haupt- und Nebenachse der

größten Abbildung der Blendenöffnung auf der halbdurchlässigen Schicht (4A) jeweils ungefähr der gewünschten Haupt- und Nebenachse der Ellipse entsprechen.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, daß der Abtaster (13) ein schwenkbar gelagerter Gußteil (11) aus einem Stück ist, der in vorgegebenem Abstand voneinander den Umlenkg₅ spiegel (5), den Strahlenteiler (4) und den Ausgangsspiegel (7) trägt.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaster schwenkbar innerhalb eines Gehäuses (32) in Form eines weiteren Gußteils aus einem Stück gelagert ist, wobei die beiden feststehenden Umkehrspiegel (10,6) an diesem Gehäuse (32) befestigt sind.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) bei Betriebsstellung des Geräts, die Drehachse (14) des Abtasters im allgemeinen senkrecht ausgerichtet ist, und eine obere und eine untere schwenkbare Verbindung

zwischen den beiden Gußteilen (11,32) umfaßt,

(b) die obere Verbindung ein zylindrisches Glied (32F) enthält, welches an einem der Gußteile

(32) befestigt ist, das radial in ein V-förmiges Lager (11A4A) vorgespannt wird, welches an einem in dem anderen Gußteil (11) befestigten Glied (11 A4 vorgesehen ist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schwenkverbindung (11A8) so ausgestaltet ist, daß aufgrund ihres eigenen Gewichts das angelenkte Gußteil (11) eine zentral ausrichtende Kraftkomponente erzeugt, die jede Radi al bewegung von ihm verhindert, wenn ein mechanischer Verschleiß stattfindet.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, in

welchem das Gehäuse (32) elastisch auf einer Grundplatte (31) gelagert ist.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine photoempfindliche Vorrichtung (9) an der Grundplatte (31) zum Empfang des Ausgangsstrahls vom Ausgangsspiegel (7) befestigt ist.

10. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die halbreflektierende Schicht (4A) zwischen zwei festen Trägern (4B,4C) gehalten ist, die für den Eingangsstrahl durchlässig sind, und gleiche optische Eigenschäften aufweisen.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die halbreflektierende Schicht (4A) von einem dünnen gespannten Film getragen wird, der für den Eingangsstrahl durchlässi g ist.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die halbreflektierende Schicht (4A) eine spiegelnde durchbrochene Struktur ist, wie z.B. ein Gitter oder Netz, die halbreflektierend ist aufgrund der Reflexionslücken durch die offenen Stellen in dieser Struktur.

13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Struktur selbsttragend ist.

14. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur von einem durchlässigen gespannten Film getragen wird.

15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur als eine vakuumaufgedampfte Schicht ausgestaltet ist.

16. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ein Fouriertransformations-Spektrophotometer ist, das ein Michelson-Interferometer und einen Detektor (9) enthält zum Empfang des Ausgangs- IQ 1ichtbündels und zur Umformung des von dem

Ausgangslichtbündel vermittelten optischen Interferogramms in eine elektrische Darstellung.

17. Gerät nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch

(a) ein in das Michelson-Interferometer eingebautes Referenzinterferometer mit einer Laserquelle (25) zur Erzeugung eines engen eben polarisierten monochromatischen Strahls;

(b) Mittel zur Führung des Laserstrahls durch Abtaster (13) entlang eines mit dem Eingangslichtbündel, den Tei11ichtbündelη und dem Ausgangslichtbündel geteilten

Weges bis zu einem Teil des von dem Ausgangsspiegel (7) austretenden Ausgangsweges ;

o₀ (c) Mittel (29) zum Ablenken des Laserstrahls

hinter den Ausgangsspiegel (7) in einen von dem übrigen zum Detektor (9) führenden Ausgangsweg verschiedenen Weg;

(d) Mittel zum Zirkularpolarisieren des

Laserstrahls und dadurch zur Erzeugung zweier optischer Interferogramme des Laserstrahls 90° auseinander;

(e) einen photoelektrischen Zwei-Kanal-Wandler (27) zur Umwandlung der optischen Interferogramme, eines in jedem Kanal,

in entsprechende elektrische Sinuswellen, 90 elektrische Grad auseinander, die für

den Winkelweg der Abtasteinrichtung eingegeben wird;

(f) Mittel zur Anwendung der Sinuswellen zur Steuerung der zeitlichen Regelung des

Erhalts der Datenpunkte von dem ein analytisches Interferogramm darstellenden Detektorausgang; und

(g) Mittel zur Durchführung der Fouriertrans

formation des analytischen Interferogramms und dadurch zur Erzeugung einer elektrischen Darstellung des Spektrums einer zu analysierenden Probe.