DE3942375A1 - Vorrichtung zur gleichzeitigen erfassung mehrerer wellenlaengenbereiche - Google Patents
Vorrichtung zur gleichzeitigen erfassung mehrerer wellenlaengenbereicheInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
gleichzeitigen Erfassung mehrerer Wellenlängenbereiche
einer polychromatischen Lichtstrahlung gemäß dem Oberbe
griff des Hauptanspruches.
Insbesondere findet eine derartige Vorrichtung Verwendung
als Mehrkanal-Spektrometer mit spektraler Untergrundkorrek
tur.
Üblicherweise erfolgt die Bestimmung der Lichtintensität
an verschiedenen Stellen eines Spektrums mit Hilfe eines
Polychromators. Erfordern konstruktive Vorgaben einen be
sonders platzsparenden Aufbau des Photometers oder ist ein
besonders hoher Lichtdurchsatz der Meßvorrichtung erforder
lich, so werden normalerweise Interferenzfilter verwendet,
um den zu bestimmenden Spektralbereich aus dem Meßlicht
herauszufiltern.
Um quantitative Aussagen aus Messungen erhalten zu können,
ist eine spektrale Untergrundkorrektur des Meßsignals er
forderlich. Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, daß
man ein zusätzliches Interferenzfilter installiert, welches
selektiv die Untergrundstrahlung herausfiltert. Dabei besteht
aber das Problem, das zu untersuchende Licht gleichmäßig
auf verschiedene Filter aufzuteilen. Ungenauigkeiten bei
der Aufteilung des Lichtstrahls können in unterschiedlichem
Ausmaß zu Fehlern bei der Untergrundkorrektur eines Signals
führen. Ein zusätzlicher Nachteil derartiger Meßanordnungen
ist darin zu sehen, daß je Meßkanal ein eigenes Interferenz
filter notwendig ist, was bei Verwendung hochauflösender
Interferenzfilter die Kosten derartiger Anordnungen in die
Höhe treibt.
Eine Alternative hierzu stellt eine Anordnung mit dynami
scher Untergrundkorrektur dar. Eine derartige Anordnung
umfaßt ein in Kippbewegungen versetzbares Interferenzfil
ter, aus dem das Licht in Abhängigkeit vom Einfallswinkel
mit einer bestimmten Zentralwellenlänge wieder austritt.
Bedingt durch den Aufbau von Interferenzfiltern tritt bei
größer werdendem Einfallswinkel eine Verschiebung der
Zentralwellenlänge zu kleineren Wellenlängen ein. Die
Änderung der Zentralwellenlänge als Funktion des Einfalls
winkels kann anhand folgender Formel bestimmt werden:
mit
λα = Zentralwellenlänge bei Einfallswinkel α
λ₀ = Zentralwellenlänge bei Normaleinfall
ne = Brechungsindex des umgebenden Mediums
n = effektiver Brechungsindex des Filters
α = Einfallswinkel des Lichts
λ₀ = Zentralwellenlänge bei Normaleinfall
ne = Brechungsindex des umgebenden Mediums
n = effektiver Brechungsindex des Filters
α = Einfallswinkel des Lichts
Diese Beziehung gilt für kollimiertes Licht
bei einem Einfallswinkel <10°. Beim Überschreiten dieses
Wertes bewirkt die Verschiebung der Wellenlänge eine
Verzerrung des Durchlaßbandes des Interferenzfilters
und eine Herabsetzung der Transmission.
E. Cammann et al beschreiben in Fresenius Z. Anal. Chem.
(1988) 331 : 336 bis 341 eine Anordnung von elementselektiven
Plasma-Emissions-Detektoren für die gaschromatographische
Analyse. In einem energiereichen Edelgasplasma werden auf
getrennte Verbindungen pyrolytisch in ihre Elemente zer
legt. Das entstandene Gemisch wird energetisch angeregt
und das anschließend emittierte Licht über Lichtleiter zu
den elementspezifischen Detektoren geleitet. Jedem Detektor
ist ein Interferenzfilter zugeordnet, welches mit einer
Frequenz von etwa 20 s-1 um 10 bis 15° hin und her gekippt
wird. Der Detektor bestimmt die Intensität der Meß- und
Untergrundstrahlung für einen bestimmten elementspezifi
schen Wellenlängenbereich.
Derartige Systeme besitzen allerdings den Nachteil, daß
ein äußerst komplexer Aufbau mechanischer-Bauteile erfor
derlich ist. Bei schnell variierenden Meßsignalen muß
die Kippgeschwindigkeit sehr hoch gewählt werden, um eine
annähernd gleichzeitige Bestimmung von Meßsignal und Unter
grund zu ermöglichen. Frequenzen über 20 Hz sind technisch
kaum zu realisieren, so daß der Genauigkeit Grenzen gesetzt
sind.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik liegt der vor
liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
bereitzustellen, welche eine gleichzeitige Messung mehrerer
Wellenlängenbereiche einer polychromatischen Lichtstrahlung
ermöglicht.
Die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe wird durch eine
Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art gelöst, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß die optischen Mittel zum
Lenken des polychromatischen Lichtstrahls eine erste
Spiegelanordnung im einfallenden polychromatischen
Lichtstrahl umfassen, die diesen Lichtstrahl hohlzy
lindrisch kollimiert, wobei ein Spiegel der ersten Spiegel
anordnung im Zentrum des kollimierten Lichtstrahls angeordnet ist, und
eine zweite Spiegelanordnung im hohlzylindrisch kollimier
ten Lichtstrahl umfassen, die dieses Licht im wesentlichen
senkrecht zur gedachten Hohlzylinder-Mantelfläche und radial
zur Längsachse des Hohlzylinders hin ablenkt; gegenüber der
zweiten Spiegelanordnung, den jeweiligen Ablenkspiegeln zu
geordnete Fotodetektoren angordnet sind; und im Strahlengang
zwischen den Ablenkspiegeln und den Fotodetektoren ein ge
meinsames Interferenzfilter angeordnet ist, wobei die Ab
lenkspiegel und die zugeordneten Fotodetektoren um das
Interferenzfilter schwenkbar sind.
Als Emittent für den polychromatischen Lichtstrahl dient
vorzugsweise eine punktförmige Lichtquelle. Eine z. B. von einem
Plasma emittierte Lichtstrahlung wird deshalb unter Ver
wendung bekannter Hilfsmittel (z. B. Blenden, Lichtleiter)
zu einer punktförmigen Lichtquelle umgeformt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der hohlzylindrisch
kollimierte Lichtstrahl gegebenenfalls mit Hilfe eines opti
schen, Linsen umfassenden Systems erzeugt werden, welches
die oben genannte erste Spiegelanordnung ersetzt. Bei Ver
wendung von Linsen ist jedoch der nutzbare Wellenlängenbe
reich kleiner als bei einer Spiegeloptik.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Ablenkspiegel und
Detektoren an der Wand einer hohlzylindrischen Filterhalte
rung, in deren Zentrum das Interferenzfilter steht, schwenk
bar befestigt.
Bevorzugt befindet sich das Interferenzfilter im wesentli
chen im Lichtschatten des im Zentrum des hohlzylindrisch
kollimierten Lichtstrahls angeordneten Planspiegels der
ersten Spiegelanordnung.
Das Interferenzfilter ist in den hohlzylindrisch kolli
mierten Lichtstrahl so eingesetzt, daß die Flächennorma
len des Interferenzfilters zur Längsachse des kollimierten
Lichtstrahls im wesentlichen einen Winkel von 90° einnehmen.
Das Interferenzfilter befindet sich in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gleichzeitig im Strahlengang mehrerer Meßkanäle,
welche in mehreren übereinander liegenden Ebenen in bezug
auf das Interferenzfilter axial versetzt und radial
verschiebbar angeordnet sind. Ein Meßkanal umfaßt einen
Ablenkspiegel, welcher der Lichteintrittsfläche des
Interferenzfilters gegenüberliegt und einem zugeordneten
Detektor, welcher der Lichtaustrittsfläche des Interferenz
filters gegenüberliegt. Zur Verstärkung des Meßsignales
weist jeder Meßkanal zusätzlich einen üblichen Vorverstärker
auf. Als Detektoren werden vorzugsweise übliche Photodioden
aber auch kleinere Photomultiplier verwendet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die
aus dem Interferenzfilter austretenden Strahlenbündel vor
den Fotodetektoren mit optischen Mitteln der jeweiligen
Größe der aktiven Detektorfläche angepaßt. Die damit verbun
dene Erhöhung der Beleuchtungsdichte an der Detektorober
fläche führt zu einer Steigerung der Nachweisempfindlichkeit
des Spektrometers.
Die der Lichteintrittsfläche des Interferenzfilters zuge
wandten Spiegelflächen der Ablenkspiegel sind so ausgebil
det, daß deren Spiegelflächennormale einen Winkel von im
wesentlichen 45° zur Längsachse des hohlzylindrisch kolli
mierten Lichtstrahls einnimmt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, daß
nur ein Interferenzfilter zur gleichzeitigen Messung
mehrerer verschiedener Wellenlängen benötigt wird. Es können aus
einem polychromatischen Lichtstrahl sowohl die Intensität in
einem bestimmten Wellenlängenbereich als auch die Unter
grundintensität in einem nahegelegenen Wellenbereich gleich
zeitig bestimmt werden. Das Justieren der Vorrichtung
erfolgt durch einfaches Drehen der Detektoreinheiten (Meß
kanäle) und/oder durch Drehen des Interferenzfilters um
die Achse des hohlzylindrisch kollimierten Strahlenbündels.
Spiegel und Detektoren stehen sich dabei immer genau gegen
über. Durch diese einfach durchführbare Einstellung des
Durchtrittswinkels durch das Interferenzfilter sind größere
Toleranzen im Zentralwellenlängenbereich des Interferenz
filters erlaubt. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung
der Filter, so daß die Kosten für ein Spektrometer gesenkt
werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die erste
Spiegelanordnung aus einem, gegebenenfalls als Blende
wirkenden Hohlspiegel mit zentraler Öffnung für den
einfallenden polychromatischen Lichtstrahl und einem,
der zentralen Öffnung gegenüberliegenden Planspiegel,
der den einfallenden polychromatischen Lichtstrahl zum
Hohlspiegel reflektiert, wobei der Lichtstrahl vom Hohl
spiegel in kollimierter Form am Planspiegel vorbei zur
zweiten Spiegelanordnung gelenkt wird.
Vorzugsweise besitzt der Planspiegel kreisrunden
Querschnitt und einen Außendurchmesser, der im wesentlichen
dem Innendurchmesser des kollimierten Lichtstrahles ent
spricht. Der Planspiegel befindet sich in einer im Inneren des
Gehäuses angeordneten konzentrischen kreisförmigen
Öffnung für das vom Hohlspiegel reflektierte Licht, wobei
der Innendurchmesser dieser Öffnung im wesentlichen dem
Außendurchmesser des kollimierten Lichtstrahls entspricht.
Durch den so gebildeten Ringspalt erreicht das jetzt hohl
zylindrisch kollimierte Licht die zweite Spiegelanordnung
mit der Filter-Detektor-Einheit.
Sowohl der Planspiegel als auch das Interferenzfilter können
vorteilhafterweise auf einer Quarzplatte aufgeklebt sein,
welche an ihren äußeren Durchmesser im Spektrometer
befestigt ist.
Die zweite Spiegelanordnung besteht normalerweise aus
mehreren, vorzugsweise bis zu 4 Ablenkspiegeln, die
relativ zum gemeinsamen Interferenzfilter axial versetzt
sind.
Jeder Ablenkspiegel und sein zugeordneter Fotodetektor sind
vorteilhafterweise auf einer, um die Längsachse des hohl
zylindrisch kollimierten Lichtstrahls drehbaren
Trägerplatte befestigt. Diese Trägerplatte weist eine im
wesentlichen zentral angeordnete kreisförmige Ausnehmung
auf, deren Durchmesser dem Außendurchmesser der Filter
halterung, an der die Trägerplatten drehbar befestigt sind,
im wesentlichen entspricht.
Vorzugsweise sind in der Wand der Filterhalterung in Umfangsrichtung
verlaufende Schlitze ausgebildet, welche der Lichteintritts
fläche bzw. der Lichtaustrittsfläche des Interferenzfilters
gegenüberliegen, wobei ein Teil der Schlitze zur Führung
der Ablenkspiegel und der andere Teil der Schlitze als
Durchtrittsöffnungen für die aus dem Interferenzfilter
austretenden Lichtbündel dient. Die Ablenkspiegel werden in
der Weise auf der Trägerplatte angeordnet, daß sie mit
ihrer Spiegelfläche durch die ihnen zugeordneten Schlitze
in den hohlzylindrischen Innenraum des Filterhalters ragen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind
zwei oder mehrere (vorzugsweise 3-6) Interferenzfilter
in Zentrum des hohlzylindrisch kollimierten Lichtstrahls
übereinander angeordnet, wobei die Interferenzfilter um
eine gemeinsame Achse, die der Längsachse des kollimier
ten Lichtstrahls im wesentlichen entspricht, gegeneinan
der verdreht sind. In einer derartigen Anordnung sind
mehrere, z. B. 4 Ablenkspiegel und die dazugehörigen Foto
detektoren um jedes Interferenzfilter in übereinander
liegenden Ebenen schwenkbar angeordnet. Eine auf diese
Weise versetzte Anordnung der einzelnen Interferenzfilter
bedingt, daß der jedem weiteren Interferenzfilter zugeordnete
Ablenkspiegelsatz gegenüber den Ablenkspiegeln der anderen
Interferenzfilter axial und in Umfangsrichtung versetzt ist,
und eine gegenseitige Störung der Ablenkspiegel der einzel
nen Ebenen vermieden wird. In dieser Anordnung kann man
die Ablenkspiegel über den Umfang des kollimierten hohl
zylindrischen Lichtbündels so verteilen, daß Teilstrahlen
aus unterschiedlichen Abschnitten des Lichtbündels abge
lenkt werden und der gesamte Umfang des Lichtbündels opti
mal genutzt wird.
Die Spiegelflächen der erfindungsgemäß verwendeten Ab
lenkspiegel werden von der jeweils einzigen geneigten
Fläche eines quaderförmigen Prismas gebildet, dessen
Grundfläche einen Winkel von im wesentlichen 90° zur
Längsachse des kollimierten Lichtbündels einnimmt. Die er
findungsgemäßen Prismen sind aus Kunststoff oder Metall,
wie z. B. aus Messing gefertigt und weisen eine vergoldete,
versilberte oder mit Aluminium bedampfte Oberfläche auf.
Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes Spiegelprisma
30 mm lang, 5-10 mm breit und 1-5 mm stark sein.
Vorteilhafterweise können die Ablenkspiegel in einer Ebene
senkrecht zur Längsachse des kollimierten Lichtstrahls
radial verschoben werden. Hierzu sind die Ablenkspiegel
in einer Nut der Trägerplatte verschiebbar angeordnet und
können über eine Feststellschraube fixiert werden. Dies
ist unter Umständen erforderlich, wenn zwei Teilstrahlen
aus dem Lichtbündel so abgelenkt werden, daß sie in nur
geringfügig voneinander verschiedenen Eintrittswinkeln auf
das Interferenzfilter auftreffen. Um eine gegenseitige
Störung (Abschirmung) der Spiegelflächen zu vermeiden,
stellt man die Ablenkspiegel so ein, daß die entfernteren
Ablenkspiegel das kollimierte Strahlenbündel weiter innen
und die darüber liegenden Ablenkspiegel das Strahlenbündel
weiter außen abtasten.
Üblicherweise entspricht der Innendurchmesser der
hohlzylindrischen Filterhalterung dem Außendurchmesser
des zylinderförmig kollimierten Lichtstrahles. Die
Filterhalterung ist so justiert, daß die Längsachse des
hohlzylindrisch kollimierten Lichtstrahles der Längsachse
der hohlzylindrischen Filterhalterung entspricht, und der
Lichtzylinder in der Filterhalterung eine gleichmäßige
"Wandstärke" aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform stellt eine
Vorrichtung dar, in der das oder die Interferenzfilter
und/oder die Trägerplatten um die Achse des hohlzylindrisch
kollimierten Lichtstrahls drehbar angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der im folgenden
beschriebenen Figuren zusätzlich verdeutlicht.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht
einer erfindungsgemäßen Filterhalterung,
Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf einen Meßkanal,
der an einer Filterhalterung gemäß Fig. 2
drehbar angeordnet ist.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Längs
schnitt durch einen Interferenzfilterspektrometer 1,
dessen Gehäuse 2 einen Gehäuseboden 20 umfaßt, der mit
einem dreiteiligen abnehmbaren Gehäusemantel 3 verbunden
ist. Der Gehäusemantel 3 wird dabei von den aufeinander
gesetzten Mantelabschnitten 3a, 3b und 3c gebildet.
Der Mantelabschnitt 3a mit dem geringsten Durchmesser ist
der punktförmigen Lichtquelle 4 gegenüberliegend angeord
net, ist hutförmig ausgebildet und umschließt den ersten
Gehäuseabschnitt. In der, der Lichtquelle 4 zugewandten
oberen Wand 7 des Mantelabschnittes 3a ist eine Lichtein
trittsöffnung 5 ausgebildet. Die Innenfläche der zylinder
förmigen Wand 6 des Mantelabschnitts 3a weist eine um
laufende stufenförmige Erweiterung auf, welche die Fassung
10 für einen Hohlspiegel 11 bildet. Die Fassung 10 liegt
mit ihrem Außenrand 8 auf dem der Lichtquelle 4 zuge
wandten Ende der Seitenwand 9 des zylinderförmigen Mantel
abschnitts 3b des zweiten Gehäuseabschnittes auf. Die kon
kave Spiegelfläche des Hohlspiegels 11 befindet sich auf
der von der Lichtquelle 4 abgewandten Seite des Hohlspie
gels 11.
Der Mantelabschnitt 3b umschließt den zweiten Gehäuseab
schnitt und weist an seinem Fuß ebenfalls einen umlaufenden
und nach außen weisenden Rand 13 auf, mit dem er auf dem
dritten Gehäuseabschnitt aufliegt. Im Bereich des Fußes
befindet sich an der Innenwand dieses Gehäuseabschnittes
ein umlaufender Ringflansch 14. In die durch den Ring
flansch 14 beschriebene Öffnung 15 ist ein runder Planspie
gel 16 von geringerem Durchmesser konzentrisch eingesetzt,
dessen Spiegelfläche 17 der Spiegelfläche 12 des Hohlspie
gels 11 zugewandt ist. Der Umfang 18 des Planspiegels 16
ist vom Ringflansch 14 gleichmäßig beabstandet, so daß eine
ringförmige Öffnung 19 gebildet wird, die den von den Man
telabschnitten 3a und 3b definierten Gehäuseteil, der die
Kollimator-Optik trägt, mit dem dritten Gehäuseabschnitt,
der die Filter-Detektor-Einheit enthält, verbindet.
Der dritte Gehäuseabschnitt wird vom Gehäuseboden 20
und dem umlaufenden Mantelabschnitt 3c gebildet, der am
einen Ende mit dem Boden 20 und am anderen, dem zweiten Gehäuse
abschnitt zugewandten Ende mit dem Rand 13 des mittleren Mantelab
schnittes 3b lösbar verbunden ist. Auf der Innenseite der
Mantelfläche 3c ist etwa in halber Höhe ein Zwischen
boden 21 ausgebildet, der parallel zum Boden 20 verläuft. Im
Zwischenboden 21 ist eine im wesentlichen zentral an
geordnete kreisförmige Öffnung 22 ausgebildet, deren
Durchmesser im wesentlichen dem Außendurchmesser der ring
förmigen Öffnung 15 zwischen dem Planspiegel 16 und dem
Ringwulst 14 am Mantelabschnitt 3b entspricht.
Auf dem Zwischenboden 21 ist in dem vom Mantelabschnitt
3c und dem umlaufenden Rand 13 des Mantelabschnitts 3b
gebildeten Raum 23 eine im wesentlichen zylinderförmige
Filterhalterung 24 (vgl. Fig. 2) aufgesetzt und über ihren
Fußflansch 25 am Zwischenboden 21 befestigt, wobei die in der
Filterhalterung 24 zentral angeordnete hohlzylindrische
Bohrung 26 und die Öffnung 22 im Zwischenboden 21, einen
im wesentlichen identischen Durchmesser aufweisen und
miteinander zur Deckung kommen.
In der zylinderförmigen Wand 27 der Filterhalterung 24
sind vier in Umfangsrichtung verlaufende übereinander an
geordnete gleiche Schlitzpaare 28a, 28b ausgebildet. Die
geschlitzten Bereiche der Wand 27 sind durch zwei in axialer
Richtung durchgehende, nicht geschlitzte, um 180° gegen
einander versetzte schmale Wandabschnitte 37 unterbrochen.
Jedem Schlitz 28a liegt somit auf gleicher Höhe ein
Schlitz 28b gegenüber. Die Schlitzenden der Schlitze 28a
und 28b berühren sich gegenseitig nicht, sondern sind
wegen der Wandabschnitte 37 gleichmäßig voneinander beab
standet.
In den durch die Bohrung 26 in der Filterhalterung 24
ausgebildeten zylinderförmigen Raum ist ein Interferenz
filter 29 mit rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt
eingesetzt, wobei die Filterflächennormale im wesentlichen
parallel zum Zwischenboden 21 verläuft, der die Filterhalterung 24
trägt. Dabei ist das Interferenzfilter 29 fest mit der Filterhalterung
verbunden. Das Interferenzfilter 29 erstreckt sich im
wesentlichen über die ganze Länge des geschlitzten Be
reiches des Halters 24, so daß das Interferenzfilter eine
Trennfläche zwischen den Schlitzen 28a, die der Lichteintritts
fläche 29a des Interferenzfilters gegenüberliegen, und den
Schlitzen 28b bildet, welche der Lichtaustrittsfläche 29b
des Interferenzfilters gegenüberliegen.
Jeder Meßkanal des Spektrometers wird von einer Träger
platte 30 gebildet, die um die Filterhalterung 24 schwenk
bar gelagert ist. Die beim Verschwenken einer Trägerplatte
30 beschriebene Bahn verläuft im wesentlichen parallel
zum Zwischenboden 21, der die Filterhalterung 24 trägt.
Jeweils eine Trägerplatte ist einem Schlitz 28a und
dessen gegenüberliegenden Schlitz 28b zugeordnet. In
der Trägerplatte ist auf der dem Schlitz 28a zugewandten
Seite der Ablenkspiegel 31 angebracht, welcher aus einem
flachen Metallquader gefertigt ist, wobei die Spiegel
fläche 32 des Ablenkspiegels 31 von der der Lichtein
trittsfläche 29a des Interferenzfilters 29 zugewandten
und abgeschrägten Seitenfläche gebildet wird. Die
Flächennormale der Spiegelfläche 32 nimmt in etwa
einen 45° Winkel zum Zwischenboden 21 bzw. zur Längs
achse der Bohrung 26 in der Filterhalterung 24 ein.
Die Dicke der Ablenkspiegel 31 ist geringer als die
Höhe der Schlitze 28a, so daß die Ablenkspiegel 31
durch die Schlitze 28a hindurch in Richtung zur Lichtein
trittsfläche 29a des Interferenzfilters 29 in den Innen
raum der Filterhalterung 24 geführt werden können.
Auf der, dem Schlitz 28b und der Lichtaustrittsfläche 29b
des Interferenzfilters 29 zugewandten Seite des Trägers
30 sind dem Ablenkspiegel 31 gegenüberliegend
ein Fotodetektor 32 und ein dazugehöriger Vorverstärker 33
befestigt.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Filterhalterung 24
gezeigt. Die Wand 27 des Hohlzylinders 26 geht am Fuß in den
Flansch 25 über. Vier übereinanderliegende in Umfangsrichtung
verlaufende Schlitze 28a sind identisch in einer Mantelhälfte
ausgebildet, während die andere Mantelhälfte die übereinan
derliegenden identischen Schlitze 28b trägt. Die Unterteilung
in zwei geschlitzte Mantelhälften erfolgt durch zwei axial
durchgehende schmale, säulenartige Wandabschnitte 37.
In Fig. 3 ist eine Aufsicht auf eine Trägerplatte 30 gezeigt,
die relativ zu dem in der Filterhalterung 24 fest installier
ten Interferenzfilter verschwenkbar ist (gestrichelter Umriß).
Es zeigt sich, daß beim Verschwenken der Trägerplatte 30
relativ zum Interferenzfilter 29 der Ablenkspiegel 31 sowie
der Fotodetektor 33 und der Vorverstärker 34 simultan ver
schwenkt werden.
Der Eintrittswinkel eines durch den Ablenkspiegel 31
abgelenkten Lichtstrahls (gestrichelter Pfeil) ändert
sich mit der Verschwenkung der Trägerplatte 30. Da sich
der Fotodetektor 33 simultan mitbewegt, wird der aus
dem Interferenzfilter austretende Lichtstrahl immer erfaßt.
Der Abstand der Spiegelfläche 32 von der Lichteintrittsfläche
29a des Interferenzfilters 29 ist dabei verstellbar.
Die Funktion des gezeigten Interferenzspektrometers
läßt sich folgendermaßen beschreiben:
Ein von der Lichtquelle 4 (vorzugsweise ein Lichtleiter)
austretender Lichtstrahl 35 breitet sich hohlkegelförmig
im Innenraum des Mantelabschnitts 3a aus, tritt durch
die Öffnung 11a des Hohlspiegels 11 und wird von der
Spiegelfläche 17 des Planspiegels 16 zur konkaven Spiegel
fläche 12 des Hohlspiegels 11 reflektiert. Durch Reflexion
an der Spiegelfläche 12 entsteht ein hohlzylindrisch
kollimierter Lichtstrahl 36, welcher durch die ringförmige
Öffnung 19 in die Bohrung 26 der Filterhalterung 24
geleitet wird. Von den um 45° geneigten Spiegelflächen
32 der Ablenkspiegel 31 werden einzelne Lichtbündel im
wesentlichen senkrecht zur Längsachse des kollimierten
Lichtstrahles abgelenkt und auf die Lichteintrittsfläche
29a des Interferenzfilters 29 geleitet. Da die Ablenk
spiegel 31 radial um das Interferenzfilter verteilt
und somit gegeneinander versetzt angeordnet sind, werden
die einzelnen Lichtbündel an verschiedenen Stellen des
kollimierten Lichtstrahles ausgeblendet. Außerdem besteht
nicht die Gefahr, daß sich einzelne Ablenkspiegel be
hindern. Je nach Orientierung der Ablenkspiegel relativ
zur Lichteintrittsfläche 29a des Interferenzfilters 29
treffen die abgelenkten Lichtbündel in unterschiedlichen
Eintrittswinkeln auf das Interferenzfilter 29 auf. Da
das Interferenzfilter gemäß der eingangs erwähnten
mathematischen Beziehung je nach Eintrittswinkel für
Licht unterschiedlicher Wellenlängen permeabel ist,
wird aus jedem Lichtbündel Licht mit einer anderen
Wellenlänge herausgefiltert, tritt aus der Lichtaus
trittsfläche 29b des Interferenzfilters 29 aus und wird
vom jeweils zugeordneten Fotodetektor 33 erfaßt.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur gleichzeitigen Erfassung mehrerer
Wellenlängenbereiche einer polychromatischen Licht
strahlung mit
einem Detektor für jeden erfaßten Wellenlängenbe reich;
einem Interferenzfilter, das aus einem polychromati schen Lichtstrahl die zu erfassenden Wellenlängen bereiche herausfiltert; und
optischen Mitteln zum Lenken des polychromatischen Lichtstrahls;
dadurch gekennzeichnet, daß
die optischen Mittel zum Lenken des polychromati schen Lichtstrahls (35),
eine erste Spiegelanordnung (11, 16) im einfallenden polychromatischen Lichtstrahl (35) umfassen, die diesen Lichtstrahl hohlzylindrisch kollimiert,
wobei ein Spiegel (16) der ersten Spiegel anordnung im Zentrum des kollimierten Licht strahls (36) angeordnet ist, und
eine zweite Spiegelanordnung (31, 32) im hohlzy lindrisch kollimiertem Lichtstrahl (36) umfassen, die dieses Licht im wesentlichen senkrecht zur gedachten Hohlzylinder-Mantelfläche und radial zur Längsachse des Hohlzylinders hin ablenkt;
gegenüber der zweiten Spiegelanordnung (31, 32), den jeweiligen Ablenkspiegeln (31) zugeordnete Fotodetektoren (33) angeordnet sind;
im Strahlengang zwischen den Ablenkspiegeln (31) und den Fotodetektoren (33) ein gemeinsames Interferenz filter (29) angeordnet ist, wobei die Ablenkspiegel (31) und die zugeordneten Fotodetektoren (33) um das Interferenzfilter (29) schwenkbar sind.
einem Detektor für jeden erfaßten Wellenlängenbe reich;
einem Interferenzfilter, das aus einem polychromati schen Lichtstrahl die zu erfassenden Wellenlängen bereiche herausfiltert; und
optischen Mitteln zum Lenken des polychromatischen Lichtstrahls;
dadurch gekennzeichnet, daß
die optischen Mittel zum Lenken des polychromati schen Lichtstrahls (35),
eine erste Spiegelanordnung (11, 16) im einfallenden polychromatischen Lichtstrahl (35) umfassen, die diesen Lichtstrahl hohlzylindrisch kollimiert,
wobei ein Spiegel (16) der ersten Spiegel anordnung im Zentrum des kollimierten Licht strahls (36) angeordnet ist, und
eine zweite Spiegelanordnung (31, 32) im hohlzy lindrisch kollimiertem Lichtstrahl (36) umfassen, die dieses Licht im wesentlichen senkrecht zur gedachten Hohlzylinder-Mantelfläche und radial zur Längsachse des Hohlzylinders hin ablenkt;
gegenüber der zweiten Spiegelanordnung (31, 32), den jeweiligen Ablenkspiegeln (31) zugeordnete Fotodetektoren (33) angeordnet sind;
im Strahlengang zwischen den Ablenkspiegeln (31) und den Fotodetektoren (33) ein gemeinsames Interferenz filter (29) angeordnet ist, wobei die Ablenkspiegel (31) und die zugeordneten Fotodetektoren (33) um das Interferenzfilter (29) schwenkbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ablenkspiegel (31) und Detektoren (33) an
einer Wand (27) einer hohlzylindrischen Filterhalte
rung (24), in deren Zentrum das Interferenzfilter (29)
steht, schwenkbar befestigt sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter
(29) im wesentlichen im Lichtschatten des im Zentrum
des hohlzylindrisch kollimierten Lichtstrahls (36)
angeordneten Spiegels (16) der ersten Spiegelanord
nung steht.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spiegelanord
nung aus einem Hohlspiegel (11) mit zentraler Öffnung
(11a) für den einfallenden polychromatischen Licht
strahl (35) und einem, der zentralen Öffnung (11a)
gegenüberliegenden Planspiegel (16) besteht, der den
einfallenden polychromatischen Lichtstrahl (35) zum
Hohlspiegel (11) reflektiert, welcher den Lichtstrahl
in kollimierter Form am Planspiegel (16) vorbei, zur
zweiten Spiegelanordnung lenkt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Planspiegel (16) einen kreisförmigen Quer
schnitt besitzt und sein Außendurchmesser im wesentli
chen dem Innendurchmesser des kollimierten Lichtstrahls
(36) entspricht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spiegelanord
nung aus mehreren Ablenkspiegeln (31) besteht, die
relativ zum gemeinsamen Interferenzfilter (29)
axial versetzt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Ablenkspiegel (31) und jeder zugeordnete
Fotodetektor (33) auf einer um die Längsachse des
hohlzylindrisch kollimiertem Lichtstrahls (36)
drehbaren Trägerplatte (30) befestigt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerplatte (30) eine im wesentlichen zentral
angeordnete kreisförmige Ausnehmung aufweist, deren
Durchmesser dem Außendurchmesser der Filterhalterung
(24), an welcher die Trägerplatten (30) drehbar be
festigt sind, im wesentlichen entspricht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand (27) der
Filterhalterung (24) in Umfangsrichtung verlaufende
Schlitze (28a) und (28b) ausgebildet sind, welche den
Lichteintritts- und austrittsflächen (29a, 29b) des
Interferenzfilters (29) gegenüber liegen, wobei die
den Lichteintrittsflächen (29a) gegenüber liegenden Schlitze
(28a) eine Führung für die Ablenkspiegel (31) und
die Schlitze (28b) Durchtrittsöffnungen für die aus
dem Interferenzfilter (29) austretenden Lichtbündel bilden.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Interfe
renzfilter (29) im Zentrum des hohlzylindrisch kolli
mierten Lichtstrahls (36) übereinander angeordnet
sind, wobei die Interferenzfilter (29) um eine gemein
same Achse, die der Längsachse des hohlzylindrisch
kollimierten Lichtstrahls (36) entspricht, gegeneinan
der verdreht sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes der Interferenzfilter im Zentrum einer
eigenen, koaxialen, hohlzylindrischen Filterhalterung
(24) steht, an deren Wand (27) Ablenkspiegel (31) und
zugeordnete Detektoren schwenkbar befestigt sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen (32)
der Ablenkspiegel (31) von der jeweils einzigen ge
neigten Fläche eines quaderförmigen Prismas gebildet
werden, dessen Grundfläche im wesentlichen einen
rechten Winkel zur Längsachse des hohlzylindrisch
kollimierten Lichtstrahls (36) einnimmt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkspiegel (31)
an der Trägerplatte (30) in einer Ebene senkrecht
zur Längsachse des hohlzylindrisch kollimierten
Lichtstrahls (36) radial verschiebbar sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Interferenz
filter (29) und/oder die Trägerplatten (30) um die
Achse des hohlzylindrisch kollimierten Lichtstrahls
(36) drehbar angeordnet sind.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Interferenz
filter (29) austretenden Strahlenbündel vor den
Fotodetektoren (33) mit optischen Mitteln der jeweili
gen Größe der aktiven Detektorfläche angepaßt werden.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3942375A DE3942375A1 (de) | 1989-12-21 | 1989-12-21 | Vorrichtung zur gleichzeitigen erfassung mehrerer wellenlaengenbereiche |
AT0260490A ATA260490A (de) | 1989-12-21 | 1990-12-20 | Vorrichtung zur gleichzeitigen erfassung mehrerer wellenlängenbereiche |
US07/631,496 US5206708A (en) | 1989-12-21 | 1990-12-21 | Apparatus for the simultaneous detection of ranges of wavelengths |
Applications Claiming Priority (1)
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DE3942375A Withdrawn DE3942375A1 (de) | 1989-12-21 | 1989-12-21 | Vorrichtung zur gleichzeitigen erfassung mehrerer wellenlaengenbereiche |
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AT (1) | ATA260490A (de) |
DE (1) | DE3942375A1 (de) |
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