DE2731775A1

DE2731775A1 - Interferenzfiltermonochromator

Info

Publication number: DE2731775A1
Application number: DE19772731775
Authority: DE
Inventors: Einar Skau Mathisen
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1977-07-14
Publication date: 1978-02-09
Also published as: US4084909A; FR2359405B1; JPS5312345A; FR2359405A1; GB1530547A

Description

Böblingen, den 13. Juli 1977 pr-nf/sz

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Aktenzeichen der Anmelderin:

Neuanmeldung PO 976 003

Vertreter:

Patentanwalt Dipl. -Phys. H. Preisher

7030 Böblingen

Bezeichnung: Interferenzfilte !-monochromator

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Bei der Sprektralanalyse eines Materials wird das von Material ausgehende Licht durch Filter in seine spektralen Komponenten zerlegt. Um das für das analysierte Material charakteristische Spektrum zu erhalten, werden die relativen Itensitäten der !

I ι

'Strahlen bei verschiedenen Wellenlängen graphisch aufgetragen j und analysiert. Ein für diese Zwecke geeignetes Filter besteht aus einen keilförmigen Interferenzfilter, bei dem die Wellenlänge des durchgelassenen Lichtes eine Funktion des Ortes, an dem das Licht das Filter durchsetzt, ist. Derartige Filter umfassen von einem Ende zum anderen das gesamte sichtbare Spektrum von etwa 400 bis 700 nm. In vielen Fällen sind diese Filter ringförmig ausgebildet und auf einer von einem schmalen Lichtstrahl durchsetzten, drehbaren Scheibe angeordnet. Durch 'die Drehung der Scheibe kann der Ort des Auftreffens des Licht !Strahls und somit die gewünschte Frequenz des durchtretenden Lichts bestimmt werden. Derartige ringförmige Filter und jedoch mit der erforderlichen Auflösung sehr schwer herzustellen.

der Literaturstelle "Military Standardization Handbook, Optical Design", (MIL-HDBK-141), Selten 20 bis 71, Defense Supply Agency, Washington 25, D.C, 5, Oktober 1962, und 'aus der US-PS 3 861 788 sind Interferenzfilter bekannt, deren ,

I !

DurchlaBbereich in gewissem Umfang eine Funktion des Ein- j

!fallswinkels der zu analysierenden Strahlen ist.

jDle Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Nachteile der bls- I her bekannten Monochromatoren zu vermeiden und eine Vorrichi
tung anzugeben, bei der mit einfachen Mitteln und geringem konstruktivem Aufwand Spektralanalysen unter Ausnutzung eines breiten Frequenzbandes großer Genauigkeit und in kürzester Seit aufgeführt werden können. Weiterhin soll es möglich sein, die Auswertung der Analysen vollautomatisch durchzuführen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines zum Stande ■ der Technik gehörenden Interferenzfilters,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines unter Verwendung eines Interferenzfilters aufgebauten Monochrouators,

Fign. 3 und 4 schematische Darstellungen eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte, zum Stande der Technik gehörende ] Interferenzfilter mit Durchlaemaximum besteht aus zwei Glasplatten 12 und 14 und einer dazwischen angeordneten dielektrischen Schicht 16 mit konstanter Dicke t. An den inneren FlSchen der beiden Glasplatten sind zwei Metallschichten 18 bzw. 20 aus Silber oder Aluminium angeordnet, die als tellre-,flektierende Flächen wirken. Ein auf eine der Glasplatten 12, ¹ 14 auftreffender Lichtstrahl durchsetzt das Interferenzfilter auf zwei Wegen. Im ersten Fall durchsetzt das Licht dasFilter j auf dem kürzesten Wege, beispielsweise auf dem durch die Linie: ; 22 angedeuteten Weg. Im zweiten Fall wird das Licht nach Ein- , l tritt in den Interferenzfilter zunächst an den inneren Flächen j der Schichten 18 und 20 reflektiert. Es ist offensichtlich, 'das die Wege 22 und 24 verschieden lang sind. Fällt ein Strahl 26 senkrecht auf die Filterfläche auf, so ist die Differenz zwischen der Länge der Wege 22 und 24 gleich der doppelten Dicke t der dielektrischen Schicht 16. In diesem Falle tritt ein Durchlaemaximum für eine Wellenlänge ηλ - 2t auf, da die beiden austretenden Strahlen 22 und 24 einander durch Interferenz verstärken. Mit größer werdendem Einfallswinkel θ wird

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die Wellenlänge λ, für die ein Durchlaßmaxlmum vorliegt, kleiner. Diese Tatsache ist darauf zurückzuführen, daß die Wegdifferenzen innerhalb des Dielektrikums kleiner werden, was ein Kleinerwerden der Wellenlänge zur Folge hat, bei denen für die Strahlen 22 und 24 verstärkende Interferenz auftritt. Gemäß der Erfindung werden die an sich bekannten Eigenschaften eines Interferenz filters, die Wellenlänge des Transmissionsmaximums als Funktion des Einfallswinkels des zu filternden Lichtes zu verändern, in einem Monochromator ausgenutzt. Wie aus den Fign, 2, 3 und 4 ersichtlich, werden 14 Schmalband-Interferenzfilter 28 auf einem trommeiförmigen Träger in bezug auf den Trommelumfang tangential angeordnet. Jedes Filter weist eine andere Wellenlänge für das Tranemissionsmaximum auf, das im vorliegenden Ausführungebeispiel im sichtbaren Bereich liegt. Eine Lichtquelle erzeugt einen radial in Richtung auf den Trommelumfang verlaufenden Strahl, der jeweils an einem Ende der Filter auf die Filterfläche senkrecht auftrifft. Bei einer ' sich drehenden Trommel 30 ändert sich der Einfallswinkel des Lichtstrahles auf die Filter von 0° bis zu einem bestimmten j Vert, so daß die Wellenlänge des durchgelassenen Lichtes beim J Durchlauf jedes Filters kleiner wird. Im Ausführungsbeispiel , weist das Filter 28a die größte Wellenlänge des Durchlaßmaximums auf, während das Filter 28b die zweitgrößte Wellenlänge des Durchlaßmaximums aufweist. Die Durchlaßmaxima der anderen Filter liegen im Bereich immer kürzer werdender Wellenlängen. Wird die Trommel 30 daher im Uhrzeigersinn bewegt, so wird die Länge der durchgelassenen, monochromatischen Strahlung immer ι kleiner. In Fig. 2 erzeugt eine Lichtquelle 34 einen aus weißem Licht bestehenden Strahl, der in ein Glasfaserbündel 36 eintritt, anschließend kollimiert wird, ein zu analysierendes, lichtdurchlässiges Objekt 38 durchsetzt, fokussiert wird, in ein zweites Glasfaserbündel 40 eintritt, dessen Lichtauftrittsfläche, wie aus Fig. 4 ersichtlich, in einem etwa 0,6 ram brei- i ten Schlitz ausläuft. Das aus dem Glasfaserbündel 40 austre- I tende Licht wird mittels einer Linse 42 kollimiert, so daß ein '

!schmaler, das Filter 28 durchsetzender Lichtstrahl entsteht.

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Das aua dem Filter 28 austretende Licht wird mittels einer Linse 44 fokussiert und durch ein zweites Glasfaserbündel 46 su eine« Photomultiplier 48 übertragen. Der elektrische Aus-,gang 50 des Photomultipliers wird in einen Verstarker 52 verjstärkt, in einem Analog/Digitalumformer 54 umgeformt und einem \ digitalen Analysator 56 zugeleitet. Dem digitalen Analysator j werden zusätzlich Informationen vom Ausgang eines Codierers 58 ; über zwei Leitungen 60 und 62 zugeführt. Die erste dieser · Leitungen, nämlich die Leitung 60, überträgt jedesmal einen Impuls, wenn der Lichtstrahl 32 durch die Ausgangsposition an ^j der vorderen Seite 64 des ersten Filters 28a hindurchtritt. < Die zweite Leitung, nämlich die Leitung 62, überträgt jedes-Imal dann ein Impuls, wenn die Trommel 30 sich um einen bestimmt ι ten kleinen Winkel gedreht hat. Dem digitalen Analysator werden¹ 'somit Informationen zugeführt, die besagen, durch welchen der j Filter 28 der Lichtstrahl 32 hindurchtritt und unter welchem !Winkel dieser Lichtstrahl auf das jeweilige Filter fällt. Das i !die Änderung der Winkellage der Trommel angebende Signal wird \

Iauch dem Analog/Digitalumformer 54 zugeführt, so daß die um- j

formung der Werte zu den jeweiligen Inkrementierzeiten erfolgt.]

Die Anordnung ist so getroffen, daft, während ein Filter 28 ι seine Winkellage, in der es vom Lichtstrahl 42 durchsetzt wirdJ ändert, die Wellenlänge des Durchschlagsmaximums als Funktion des Auftreffwinkels ebenfalls geändert wird. Beim übergang des Lichtstrahls von einem Filter zum anderen wird die Wellenlänge des Durchlaßaaximums, wegen der oben angegebenen Dlmensionierung der einzelnen Filter, des die Filter verlassenden monochromatischen Lichtes von Filter zu Filter kontinuierlich kleiner. Geht man von der theoretischen Ausnahme aus, daß die Wellenlänge des durchgelassenen monochromatischen Lichtes sich vom Zustand des senkrechten Auftreffens bis zum maximalen Auftreffwinkel jedes Filters um 3 % ändert, so wird durch eine Anordnung von 14 Filtern das gesamte sichtbare Spektrum erfaßt.

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Die nominale Wellenlänge der Durchlässigkeit des ersten Filters 28a sei 700 mn und umfasse den Bereich von 700 bis 679 nm. Die nominale Wellenlänge der Durchlässigkeit des zweiten Filters würde dann von 679 nm bis 659 nm reichen. Bei entsprechender Verschiebung der Durchlaßbereiehe in den folgenden Filtern kann somit das gesamte sichtbare Spektrum durch 14 Filter übertragen werden.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. j Interferenzfilterroonochromator, gekennzeichnet durch ν ,-- mehrere, kreisförmig um einen gemeinsamen Mittelpunkt drehbar angeordnete Interferenzfilter (28a bis 28n) mit voneinander verschiedenen Durchlaßbereichen, deren Flächen jeweils im Bereich einer Filterkante senkrecht zu einem sie schneidenden Kreisradius liegen und die von einem zu analysierenden, in radialer Richtung verlaufenden Lichtstrahl (32) durchsetzt werden, sowie durch an der gegenüberliegenden Seite der Interferenzfilter angeordnete Detektoren (48).

2. Interferenzmonochromator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine breitbandige Lichtquelle (34), einen ersten, das Licht zu einem zu analysierenden Objekt (38) übertragenden Lichtleiter (36), einen zweiten, das Licht vom Objekt (38) in den Bereich der Interferenzfilter (28) übertragenden Lichtleiter (40), sowie einen dritten, das Licht aus dem Bereich der Interferenzfilter (28) zu einem Detektor (48) führenden Lichtleiter (46).

3. Interferenzmonochromator nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Codierer (58) zur Angabe des Durchgangs des ersten Filters (28) durch den Lichtstrahl in der Ausgangslage der Filteranordnung und zur Angabe der schrittweisen Änderung der Drehlage der einzelnen Filter.

4. Interferenzmonochromator nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (56) zum Analysieren des aus dem Bereich der Filter (28) austretenden Lichtes und der vom Codierer (58) erzeugten elektrischen Impulse.

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ORIGINAL INSPECTED

5. Interferenzmonochromator nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Durchlaßbereiche und der Anzahl der Filter (28a bis 28n), daß der Durchlaßbereich der Filteranordnung das gesamte, sichtbare Spektrum umfaßt.

6. Interferenzinonochromator nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nominalwellenlänge des Durchlaßbereichs eines Filters (28) bei senkrechtem Auftreffen des Lichtstrahls (32) im wesentlichen gleich ist der kürzesten Wellenlänge des Durchlaßbereichs des benachbarten Filters mit einer höheren Nominalwellenlänge.

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