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Spektrograph mit konkavem Beugungsgitter
Bei einer Ausführungsform
eines Gestells oder Trägers für ein konkaves Beugungsgitter, wie sie als sog.
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Eagle-Träger bekannt ist und in der britischen Zeitschrift für Astrophysik
(astrophys. J.) 3I, S. I20, März I9I0, beschrieben wird, sind das Beugungsgitter,
die photographische Platte oder der Film sowie der Spalt sämtlich auf dem Umfang
des unter dem Namen Rowlandkreis bekannten Kreises angeordnet, dessen Durchmesser
gleich dem Radius der Krümmung des konkaven Beugungsgitters ist. Bei einer solchen
Anordnung gelangt das Spektrum zu einem Brennpunkt auf dem Rowlandkreis; infolgedessen
ist die Platte oder der Film mit dem gleichen Radius wie der Kreis gekrümmt.
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Solche Spektrographen haben für gewöhnlich beträchtliche Größe, weil
der Durchmesser des Rowlandkreises etwa 609 6 cm groß ist, und weil das Spektrum
so erhebliche Länge hat, daß man es abschnittsweise photographieren muß. Bei dem
von Eagle entwickelten Träger ist die photographische Platte entsprechend einer
linearen Bewegung angebracht, kann jedoch auch unter einem Winkel geneigt sein.
Das Gitter kann zur Platte hin oder von dieser weggewandt eingestellt und ebenfalls
unter einem Winkel geneigt werden derart, daß sich die Platte und das Gitter wiederum
so einstellen lassen, daß sie auf dem Rowlandkreis bleiben. Auf diese Weise können
durch Verminderung des Abstandes zwischen Beugungsgitter und Platte und durch Einstellung
der Neigung der Platte und des Beugungsgitters zu deren Einbeziehung in den Rowlandkreis
verschiedene Abschnitte des Spektrums brennpunktartig auf der Platte vereinigt werden.
Eine automatische Einstellvorrichtung oder Halterung ist von A. Cotton, Comptes
Rendus I86, S. I92, Juni I928, und J. H. Dowell, Jour, Sz. Inst.
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Vol. XVII, Nr. 8, August I940, beschrieben worden.
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Vermittels dieser Halterung sind die Platte und das Gitter über ein
Hebelsystem miteinander derart ver-
bunden, daß alle Relativbewegungen
durch Betätigung eines einzigen Hebels gemeinschaftlich bewirkt werden können. Hierbei
sind die Platte und das Gitter durch Hebel miteinander verbunden, deren Längen jeweils
dem halben Durchmesser des Rowlandkreises gleichen, während der Plattenhalter oder
-träger um eine Achse drehbar gelagert ist, die durch den Spalt geht, und während
das Beugungsgitter entlang einer Linie bewegt werden kann, die durch den Mittelpunkt
des Spaltes geht, und sich auch um eine vertikale Achse drehen kann, die durch die
Linie der Bewegung und den Gitterkrümmungsradius geht.
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Da die Hebellängen der Hälfte des Durchmessers des Rowlandkreises
gleichen, wird für die Breite des Spektrographen viel Raum gebraucht, um die Hebel
unterzubringen, wenn sie auf einem großen Neigungswinkel eingestellt werden. Da
aber konkave Beugungsgitter von I83 und 275 cm bei Spektrographen der vorliegenden
Art gebräuchlich sind, sind auch die Gesamtabmessungen sehr beträchtlich.
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Die vorliegende Erfindung zielt auf die Verminderung der Längenabmessungen
des Spektrographen, während die Vorteile automatischer relativer Einstellung oder
Justierung beibehalten werden können.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, den Wellenlängenbereich zu vergrößern,
den die Justierung umfaßt oder übergreift, und zwar bei vorgegebener Spektrographenbreite.
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Ein konkaver Spektrograph gemäß der Erfindung besitzt in Verbindung
miteinander einen Spalt, ein Beugungsgitter, eine Platte und einen ebenen, zylindrischen,
korrigiert ebenen oder korrigiert zylindrischen Spiegel, der ein Bild sowohl des
Spaltes wie des Gitters erzeugt. Die Anordnung des Spaltes, des Gitters, der Platte
und der Bilder des Spaltes und des Gitters ist derart, daß sie auf einem Rowlandkreis
liegen, während die Ebene der reflektierenden Oberfläche des Spiegels oder im Falle
eines zylindrischen Spiegels die polare Erzeugende (wie nachstehend definiert) oder
eine Verlängerung hiervon in rechten Winkeln zu der Verbindungslinie des Spaltes
und des Spaltbildes gehalten wird und durch den Mittelpunkt des Rowlandkreises geht.
In dieser Beschreibung wird das Wort Platte verwendet, um jedes photographische
Aufzeichnungsmittel zu bezeichnen, und das Wort polare Erzeugende bedeutet denjenigen
Teil der gekrümmten reflektierenden Oberfläche des ein Bild des Schlitzes und des
Gitters ergebenden Spiegels, welcher parallel zu der geometrischen Achse des Spiegels
verläuft und in der Ebene des Rowlandkreises liegt.
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Die Erfindung kann sich in den verschiedensten konstruktiven Ausführungsformen
verkörpern, vornehmlich in solchen, welche einen Träger für den Spiegel aufweisen,
der sich zum Spalt hin und von diesem weg zwangsläufig durch ein mechanisches Gelenksystem
bewegen läßt, das es gewährleistet, daß die die reflektierende Fläche des Spiegels
enthaltende geometrische Oberfläche durch den Mittelpunkt des Rowlandkreises verläuft,
auf dessen Peripherie das Beugungsgitter, der Spalt und die Platte angeordnet sind.
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D:mentsprechend können Spalt, Gitter und Platte so angeordnet werden,
daß sie in jeder gewünschten Reihenfolge fixierte Relativstellungen auf einem Bogen
von begrenztem Ausmaß auf der Peripherie des Rowlandkreises einnehmen. Spalt, Gitter
und Platte können derart fixiert werden, daß der Rowlandkreis unbeweglich ist. In
diesem Falle ist der Spiegel, wenn er sich zum Spalt hin und von diesem weg bewegt,
gleichzeitig so geneigt, daß seine abbildende Vorderseite oder der sich anschließende
Teil durch den Mittelpunkt jenes Kreises verläuft. Wahlweise können Gitter und Platte
auf einem Träger angebracht werden, der am Spalt drehbar gelagert ist derart, daß
der Rowlandkreis als solcher um den Spalt als Zapfen schwingt.
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In diesem Fall wird auf den Spiegel so eingewirkt, daß er sich parallel
zu sich selbst bewegt, um ihn damit zu einer Position zu bringen, wo seine abbildende
Vorderseite oder der sich anschließende Teil bzw. die Erweiterung durch den Mittelpunkt
des Rowlandkreises verläuft, und zwar in der speziellen Lage, die dieser eingenommen
hat. Anwendungsformen der Erfindung sind in den Abbildungen veranschaulicht.
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Bei der in Abb. I dargestellten Anordnung sind das Beugungsgitter
G und der Plattenhalter P an zueinander gegenüberliegenden Seiten des Spaltes S
angeordnet; aber das Gitter kann auch zwischen dem Spalt und dem Plattenhalter oder
über den Plattenhalter hinaus angeordnet werden.
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In dem Fall, wo verschiedene Abschnitte des Spektrums in den Breit
en bereich der Platte gebracht werden, indem ein Träger für das Beugungsgitter und
die Platte um die Achse des Spaltes gedreht werden, und indem der Spiegel zum Spalt
hin oder von diesem weg bewegt wird, ist der Spiegelträger vermittels eines Gelenkgliedes
R mit einem Zapfen Q verbunden, der seinerseits mit der Platte und dem Gitterträger
fest verbunden ist, während der Zapfen vom Spalt unter einem Abstand entfernt angeordnet
ist, der gleich einem Viertel des Durchmessers des Rowlandkreises ist, wobei das
entsprechende Verbindungsglied gleiche Länge hat. Der Zapfen Q auf dem Träger ist
so angeordnet, daß, wenn die Linie G'-S die Normale zu dem Beugungsgitter ist und
durch das Zentrum des Spaltes S läuft, sie auch durch die Achse des Zapfens Q geht.
Der Spiegel ist unter einem Winkel gegen die durch das Zentrum des Spaltes S verlaufende
L Linie G'-S geneigt derart, daß cos b = D ist, wobei 8 der Winkel zwischen der
abbildenden Spiegelfläche und der Linie G'-S ist, während L der Abstand von der
Mitte des Spaltes zur Mitte des Gitters G und schließlich D der Durchmesser des
Rowlandkreises ist. Der Spiegel frl wird längs einer Achse oder Linie S-S' hindurchbewegt,
die senkrecht zur Spiegeloberflächve und durch den Mittelpunkt des Spaltes verläuft.
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Diese Linie S-S' ist, wenn sie durch den Mittelpunlrt des Spaltes
geht, gegen die Linie G'-S so geneigt, daß L sin zu =D ist, wenn 0 den Winkel bezeichnet,
der zwischen einer Normalen auf den Spiegel und einer durch die Mitte des Spaltes
und das Beugungsgitterbild G' laufenden Linie eingeschlossen ist: Das fielenkglied
R, das den Zapfen Q auf dem Platten- und Gitterträger mit dem Spiegel verbindet,
ist mit einem Zapfen N auf dem Spiegelhalter verbunden, dessen Achse durch den Schnittpunkt
der Spiegeloberfläche
mit der durch den Spalt laufenden Spiegelnormalen
geht. Wie oben bereits erwähnt, beträgt die Länge des Gelenkgliedes # 4.
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Da die Fläche, in die der Spiegel M eingeordnet wird, durch den Mittelpunkt
des Rowlandkreises verläuft, leuchtet es ein, daß das virtuelle Bild S' des Spaltes,
das auf der abgewandten Seite der Spiegelfläche und auf der Normalen zum Spiegel
entsteht, dabei aucll auf dem Rowlandkreis erscheint. Infolgedessen fällt das Licht
auf das Gitter so, als ob es vom virtuellen Bild des Spaltes S' käme.
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Wenn der Träger um einen Winkel 0 (Abb. 2) gedreht und der Spiegel
parallel zu sich selbst so bewegt wird, daß die Fläche, in die seine abbildende
Vorderfläche eingeordnet ist, noch durch den Mittelpunkt des Rowlandkreises geht,
so beträgt der senkrecht zur Spiegelfläche gemessene Abstand zwischen D Spieget
und Scnntz 2 cos (# + #), da # dei wmkei ist, den eine durch die Achse des Schlitzes
und das Zentrum des Rowlandkreises verlaufende Linie mit eimer anderen Linie bildet,
die durch den Mittelpunkt des Spaltes und das Zentrum des Gitterbildes geht.
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Der längs der Spiegelnormalen gemessene Abstand des Zapfens auf dem
Platten- und Gitterträger von der Spaltaches beträgt D der Spaltachse c<s ( 0).
Das Gelenkglied K mit üer Läge 4 ist ebenfalls unter einem Winkel (¢) + 0) gegen
die Spiegelnormale geneigt, während der Abstand der Spiegelfläche von der Spaltachse,
gemessen längs der Spiegclnormalen SN = 2x 4D D cos (# + #) = 2 D Dcos (# + #) beträt.
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Dies ist der erforderliche Abstand, um mit Bezug auf den Brennpunkt
die richtigen Verhältnisse zu gewährleist en.
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D Da jedoch die Gelenkglieder 4 lang sind, ergibt sich, daß sie unter
annähernd dem doppelten Winkel eines Gelenkgliedes, das D lang ist, für eine vorgegebene
Spektrographengröße geneigt werden kö lnen, ulld demgemäß kanu ein uilgefähr doppelt
so großer Wellenlängenbereich auf der Aufnahmeplatte für eine vorgegebene Specktrographenbreite
aufgezeichnet werden.
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Da sich das 13eugungsgitter, der Spalt und die Platte nebeneinander
befinden, ist ersichtlich, daß die Spektrographenbreite im Vergleich mit bekannten
Anordnungen zunimmt. Diese zusätzliche Breite kann aber nützlich verwendet werden,
da sie es ermöglicht, daß tlas Spektrum auf eine Stelle auf der gegenüberliegenden
Seite der Gitterr. ol-malen einjustiert wird, was plaktisch sehr erwünscht ist.
Wie zuvor ermöglichen es die Gelenkglieder von l 4D Länge, annähernd den doppelten
Bereich flir eine vorgegebene Breite zu verwirklichen.
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Bei einer abgewandelten Anordnung des Spektrographen sind das Gitter
G und die Platte P fest angeordnet, während der Spiegel ei auf einem Schlitten oder
Wagen E angeordnet wird, der auf eiiier Schiene T gleiten kann, die sich um die
Achse des Spaltes S dreht, wie es in Abb. 3 dargestellt ist. Der Spiegelschlitten
E ist mittels des Zapfens an ein Glied D von 4 Länge angelenkt, das auf einem festen
Zapfen Q D drehbar gelagert ist, der sich im Abstand @/4 von der Spaltachse und
im Abstand D/4 sin # von einer Normalen zum Beugungsgitterbild befindet, wenn es
durch die Spaltachse läuft. Eine Verlängerung der Linie S-Q geht durch den Mittelpunkt
des Kreises.
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Drehung der Schiene T bewirkt, daß sich der Spiegelschlitten E längs
der Schiene bewegt und unter dem für die Brennweiten- und Brennpunktbedingungen
erforderlichen Winkel geneigt wird.
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Die abbildende Fläche des Spiegels braucht nicht eben zu sein. Es
kann auch ein gekrümmter Spiegel benutzt werden, wie z. B. ein Zylinderspiegel mit
horizontaler Achse, dessen Krümmung derart ist, daß der Astigmatismus vermindert
wird, der in allen konkaven Spektrographen der vorliegenden Art auftritt.
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Wahlweise kann auch ein Formspiegel verwendet werden. Hierunter wird
ein Spiegel mit einer reflektierenden Fläche verstanden, die die optisch beste Ausführungsart
gewährleistet.
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Abb. 4 veranschaulicht in beispielsweiser Darstellung eine Ansicht
von oben, während Abb. 5 eine Seitenansicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgestalteten Spektrographen wiedergibt.
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Der Beugungsgitter- und Plattenhalterschlitten I ist um die Achse
des Spaltes 2 drehbar gelagert und ruht an drei Stellen auf Kugellagern 3, 4 und
5. Das Drehlager besteht aus einem dicken hohlen Stehzapfen 6 von solcher Größe,
daß der Spalt 2 So angeordnet werden kann, daß sich die Spaltränder auf der Achse
des Hohlzapfens befinden.
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Das Beugungsgitter 7 und der Aufnahmeplatten-oder Filmhalter 8 sind
auf dem lafettenartigen Träger I derart angeordnet, daß Gitter und Platte auf dem
Umfange des Rowlandkreises zu liegen kommen, der durch die Achse des Spaltes geht.
Eine Gelenklasche g ist vermittels eines Zapfens 10 mit dem Träger und außerdem
mit einer Mutter 11 einer Schraube 12 verbunden, die durch einen Elektromotor 13
gedreht werden kann, wodurch der Träger I derart in Drehung versetzbar ist, daß
Gitter und Platte unter dem erforderlichen Winkel geneigt werden, wobei die jeweilige
Stellung vermittels einer eingravierten Skala 14 angezeigt wird, die den von der
Aufnahmeplatte umschlossenen Welenlängenbereich für jede beliebige Stellung des
Trägers ersichtlich macht.
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Ein zweites Gelenkglied 15 mit einer Läge von einem Viertel des Durchmessers
des Rowlandkreises ist vermittels eines Zapfens I6 mit dem Ti äger I und vermittels
eines Zapfens 18 mit dern Spiegelt@äger I7 verbunden. Der Spiegel 19 ist auf dem
Träer 17 angebracht, und dieser ist dadurch in der benötigten Richtung bewegbar,
daß er auf einer Schiene 20 gelagert ist. Das Licht wird für den größeren Teil des
Spektrographen vermittels des Gehäuses 2I ferngehalten. Da aber der Tiäger 1 eine
beträchtliche Winkelbewegung ausführt, und da sich ferner der
Plattenhalter
in allen Stellungen vorzugsweise außerhalb des Gehäuses 21 befindet, ist eine halbkreisförmige
Hülle 22 (Fig. 5) auf ihm angebracht, während ein Schlitz 23 vorgesehen ist, um
die Übertragung des vom Spalt zum Gitter und von diesem zur Platte gelangenden Lichtes
zu ermöglichen. Um Licht fernzuhalten, das in den Spalt tritt, wenn er über das
Gehäuse 21 hinausgelangt, ist er vermittels eines Rouleau- oder Rollverschlusses
24 (Abb. 5) abgedeckt, wobei das Ende der Blende mit dem Ende des Trägers I verbunden
ist.
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Mit dem sockelbildenden Hauptgehäuse 25 ist eine Schiene 26 verbunden,
auf der gegebenenfalls eine Kondensatorlinse 27 und eine Lichtquelle 28 derart angeordnet
werden können, daß eine optisch genaue Linienführung gewährleistet ist.
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PATENTANSPROCHE: 1. Spektrograph mit konkavem Beugungsgitter, dadurch
gekennzeichnet, daß der Spalt, das Gitter und die Aufnahmeplatte gegenüber einem
Spiegel angeordnet und Träger für die betreffenden Teile vorgesehen sind, die ermöglichen,
daß die relativen Stellungen der letzteren mit Bezug auf verschiedene Abschnitte
des Wellenlängenbereiches einstellbar sind und ferner durch eine solche Anordnung
der Teile gekennzeichnet, daß die Platte und die durch den Spiegel erzeugten Bilder
des Spaltes und des Beugungsgitters auf einem Rowlandkreis verbleiben.