DE3511676A1

DE3511676A1 - Monochromator

Info

Publication number: DE3511676A1
Application number: DE19853511676
Authority: DE
Inventors: Osamu Kyoto Akiyama
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1985-10-03
Also published as: JPS60207018A; US4697924A

Description

Henkel, Feiler, Hänzel & Partner ■f-

Patentanwälte

SHIMADZU CORPORATION

Kyoto, Japan

S32-38387M/YO

Monochromator

Monochromator

Die Erfindung betrifft einen Monochromator zur Verwendung bei einem Spektro- oder Spektralphotometer ο.dgl.

Als Monochromator sind ein Einzelmonochromator, der ein

, ._ Dispersionselement in einen Strahlengang einzubringen b

vermag, und ein Doppelmonochromator, der zwei Dispersionselemente in Reihe miteinander in den Strahlengang einführt, bekannt. Der Einzelmonochromator besitzt einen einfachen Aufbau, ist aber mit viel Streulicht behaftet, während der Doppelmonochromator mit weniger Streulicht behaftet ist, aber eine geringere Empfindlichkeit, d.h. eine geringere Lichtstärke, besitzt. Im Hinblick darauf, daß beide Monochromatoren dieser Art jeweils sowohl Vorzüge als auch Nachteile aufweisen,

hängt die zweckmäßige Verwendung der einen oder anderen 25

Monochromatorart von dem zu messenden Objekt bzw. Meßobjekt ab.

Bekannt ist auch die Verwendung von sowohl Einzel- als auch DoppeImonochromatoren, die so ausgelegt sind, daß Beugungsgitter als Dispersionselemente wählbar und wechselweise umschaltbar sind.

In beiden Fällen wird jedoch ein Beugungsgitter in

einem Einzelmonochromator für Umschaltzwecke benutzt, 35

während ein Beugungsgitter oder beide Beugungsgitter,

die paarweise vorgesehen sind, bei einem Doppelmonochromator eingesetzt wird bzw. werden. Aus diesem Grund

._ besitzt der Einzelmonochromator, ebenso wie der Doppelo

monochromator, keine andere als die vorgesehene Funktion, so daß jede Einheit jeweils ausschließlich nur für ihre individuellen Einsatzzwecke benutzt werden kann.

Infolgedessen ergeben sich Unbequemlichkeiten, wenn verschiedenartige Messungen durchgeführt werden sollen, weil sowohl ein Einzel- als auch ein Doppelmonochromator im voraus bereitgestellt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Monochromators, der je nach dem jeweiligen Meßobjekt durch Wählen eines Einzel- oder eines Doppelmonochromators benutzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Ein Monochromator gemäß der Erfindung ist so ausgebildet, daß zwei Spektroskope mit jeweils einem oder 25

mehreren Dispersionselementen in Reihe miteinander in einen Strahlengang eingeschaltet sind und daß in einem Spektroskop oder in beiden Spektroskopen ein Spiegel angeordnet ist und entsprechend der Stelle, an der das

(die) Dispersionselement(e) angeordnet ist (sind), 30

positioniert werden kann, so daß damit das (die) Dispersionselement (e) entsprechend umgeschaltet werden kann (können).

Als Dispersionselemente sind bereits konkave Beugungs- ό ο gitter, z.B. sphärische, elliptische oder toroidförmige

konkave Beugungsgitter, oder plane Beugungsgitter, z.B. Echelettegitter, Echellegitter oder Laminar-Beugungs-

P- gitter, vorgeschlagen worden. Andererseits sind als ο

Spiegel solche mit einer planen Fläche und solche mit einer gekrümmten Fläche (Höh1-Spiegel) bekannt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er_n findung anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf einen Monochromator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt 15

durch einen bei der Ausführungsform nach Fig. 1 verwendeten Drehmechanismus und

Fig. 3 und 4 schematische Aufsichten auf andere Ausführungsformen der Erfindung. 20

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind ein erstes und ein zweites Spektroskop 1 bzw. 2 in Reihe miteinander in einen Strahlengang eingeschaltet. Die Symbole S1, S2, S3 bezeichnen Eintritts-, 25

Zwischen- bzw. Austrittsschlitze.

Das erste Spektroskop 1 ist auf einer Drehbasis 3 mit einem konkaven Beugungsgitter G1 und einem Hohl-Spiegel

M1 mit gekrümmter oder gebogener Fläche zentriert, 30

wobei durch Drehung der Drehbasis 3 entweder das Element GI oder das Element M1 wählbar und zum Strahlengang ausrichtbar ist. Wenn das konkave Beugungsgitter GI gewählt wird oder ist, wird die Drehbasis 3 mit Wellenlängenantrieb bzw. wellenlängenabhängig gedreht. Wenn dagegen der Hohl-Spiegel M1 gewählt wird oder ist, wird

die Drehbasis 3 so festgehalten, daß der Spiegel MI das Abbild des Eintrittsschlitzes S1 auf den Zwischenschlitz

_c S2 fokussiert,
ο

Das zweite Spektroskop 2 ist auf einer Drehbasis 4 mit konkaven Beugungsgittern G2, G3 unterschiedlicher Gitterabstände zentriert, wobei durch Drehung der Drehbasis 4 eines der Gitter G2 oder G3 wählbar und zum Strahlengang ausrichtbar ist. Die Drehbasis 4 ist mittels Wellenlängenantriebs (wavelength drive) drehbar .

Es sind verschiedene Drehmechanismen für die mehrere 15

Beugungsgitter aufweisende Drehbasis 4 bekannt. Für die Erfindung kann ein beliebiger dieser Mechanismen angewandt werden. Bezüglich der Drehbasis 3 kann ein an sich bekannter Mechanismus, ähnlich dem für die Drehbasis 4 benutzten Drehmechanismus, zum Wählen des konkaven Beugungsgitters G1 bzw. des Höh1-Spiegels M1 verwendet werden. Zum Festhalten des Höh1-Spiegels M1 in einer vorbestimmten Ausrichtung oder Orientierung, wenn dieser Spiegel gewählt bzw. auf ihn umgeschaltet ist,

sollte zusätzlich ein anderer Mechanismus vorgesehen δ O

sein.

Eine Ausführungsform eines für die Drehbasis 3 verwendbaren Drehmechanismus ist in Fig. 2 dargestellt.

An einer Welle eines Impuls- oder Schrittmotors 5 ist starr die Drehbasis 3 angebracht, welche das konkave Beugungsgitter G1 und den Hohl-Spiegel M1 trägt. Am Umfang der Drehbasis 3 angebrachte, dem Beugungsgitter G1 und dem Spiegel M1 zugeordnete bzw. entsprechende Flansche 6 bzw. 7 sind durch einen Sensor, z.B. einen

Photokoppler (optoelektronischer Koppler) 8 erfaßbar. Ein Meßspiegel vom Photokoppler 8 dient zur Ansteuerung c des Schrittmotors 5.

Die Drehbasis 3 und der Schrittmotor 5 sind weiterhin an einer (drehbaren) Welle 9 mit einer Lagereinrichtung befestigt, an der eine Sinusstabeinheit (sine bar .« means) 10 montiert ist. Ein Anschlag 11 wird zurückgezogen, wenn das konkave Beugungsgitter G1 gewählt ist, und vorgeschoben, wenn der Hohl-Spiegel M1 gewählt ist.

Wenn insbesondere das konkave Beugungsgitter G1 gewählt

und zum Strahlengang gerichtet ist, um einen Wellen-15

längenantrieb zur Drehung der Sinusstabeinheit 10 vorzusehen, wird das Beugungsgitter G1 mittels des Schrittmotors 5 gedreht. Wenn der Hohl-Spiegel MI gewählt und in den Strahlengang eingebracht ist, verhindert der Anschlag 11 eine Bewegung der Sinusstabeinheit 10, so daß der Spiegel M1 in einer vorgegebenen Orientierung festgehalten wird.

Andererseits kann der Drehmechanismus 4, auf dem das

zweite Spektroskop 2 angeordnet ist, ohne den Anschlag 25

beim Drehmechanismus nach Fig. 2 ausgebildet sein.

Wenn die erfindungsgemäße Anordnung als Einzelmonochromator benutzt wird, wird der Hohl-Spiegel M1 im ersten

Spektroskop 1 gewählt. Soll sie als Doppelmonochromator 30

benutzt werden, so wird das konkave Beugungsgitter G1 im ersten Spektroskop 1 gewählt. In beiden Fällen wird eines der konkaven Beugungsgitter G2 und G3 des zweiten Spektroskop 2 gewählt.

Fig. 3 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der

Erfindung, bei der ein erstes und ein zweites Spektroskop 21 bzw. 22 in Reihe miteinander in den Strahlenp. gang eingeschaltet sind. Bei der dargestellten Anordnung umfaßt das erste Spektroskop 21 einen eine gekrümmte Fläche aufweisenden bzw, Hohl-Spiegel M2 und zwei konkave Beugungsgitter G4, G5 unterschiedlicher Gitterabstände. Das zweite Spektroskop 22 trägt einen Hohl-Spiegel M3 und zwei konkave Beugungsgitter G6, G7 unterschiedlicher Gitterabstände.

Wenn diese Ausführungsform als Einzelmonochromator benutzt wird, werden auf erstem und zweitem Spektroskop

21 bzw. 22 der Hohl-Spiegel M2 bzw. eines der konkaven 15

Beugungsgitter G6 oder G7 oder aber der Beugungsgitter G4 oder G5 und der Spiegel M3 gewählt.

Wenn diese Anordnung als Doppelmonochromator benutzt wird, werden auf erstem und zweitem Spektroskop 21 bzw. HK

22 jeweils eines der konkaven Beugungsgitter G4 oder G5 bzw. eines der Beugungsgitter G6 oder G7 gewählt.

Obgleich bei den beschriebenen Ausführungsformen Spektroskope mit konkaven Beugungsgittern und Hohl-Spiegel 25

vorgesehen sind, ist darauf hinzuweisen, daß auch ein planes Beugungsgitter in Kombination mit einem Planspiegel zur Bildung einer Montierung oder Anordnung des Czerny-Tuner- oder Littrow-Typs gewählt werden kann.

Fig. 4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, bei der ein Spektroskop 31 mit einem planen Beugungsgitter G8 und einem Planspiegel M4 versehen ist, so daß eine Montierung oder Anordnung des Czerny-Tuner-Typs gebildet ist. Konkave Kondensorspiegel MR1 und MR2 sind auf beiden Seiten des ersten Spektroskops 31 im Strahlengang angeordnet.

Ein zweites Spektroskop 32 weist drei plane Beugungsgitter G9 - G11 unterschiedlicher Gitterabstände auf,

wobei auf seinen beiden Seiten konkave Kondensorspiegel ο

MR3 und MR4 in den Strahlengang eingeschaltet sind.

Der Monochromator gemäß dieser Ausführungsform wirkt als Doppelmonochromator, wenn das plane Beugungsgitter -G8 auf dem ersten Spektroskop 31 gewählt ist, und als Einzelmonochromator, wenn der Planspiegel M4 gewählt ist.

Die Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 können für

jedes Spektroskop denselben Drehmechanismus wie bei der 15

Ausführungsform nach Fig. 1 aufweisen.

Erfindungsgemäß kannsomit eine einzige Monochromatoreinheit selektiv als Doppel- oder Einzelmonochromator

benutzt werden. Eine solche Einheit kann beispielsweise 20

nicht nur als Einzelmonochromator benutzt werden, wenn

Messungen mit hoher Empfindlichkeit (tightly sensitive) durchgeführt werden sollen, d.h. wenn eine integrierte Sphäre oder Kugel vorgesehen und der Lichtstrahl abgeschwächt ist, sondern auch als Doppelmonochromator 25

eingesetzt werden, wenn eine durchsichtige Probe eines hohen Absorptionsgrads und geringer Durchlässigkeit mit enger Toleranz gemessen werden soll oder wenn Einfarbigkeit hoher Reinheit erforderlich ist.

Wie vorstehend erläutert, kann der Monochromator gemäß der Erfindung in Form einer einzigen Einheit zweckmäßig und wirkungsvoll je nach dem Zweck der Messung und dem jeweiligen Meßobjekt eingesetzt werden.

Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Monochromator, gekennzeichnet durch

mindestens zwei in Reihe in einen Strahlengang eingeschaltete Spektroskope (z.B. 1, 2), von denen mindestens eines ein Reflexionsmittel (z.B. M1) zum

Reflektieren von Licht und ein Dispersionsmittel Ib

(z.B. G1) zum Zerstreuen des Lichts aufweist, und eine mit mindestens einem der Spektroskope verbundene Positioniereinrichtung (z.B. 3, 4) zum selektiven Ausrichten entweder des Reflexionsmittels oder ·* des Dispersionsmittels im Strahlengang. ί

2. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Spektroskope ein erstes und ein letztes Spektroskop umfassen und daß

weiterhin
25

ein Einfalls- oder Eintrittsgitter, das mindestens einen Eintrittsschlitz aufweist und im Strahlengang vor dem ersten Spektroskop angeordnet ist, ein Austrittsgitter, das mindestens einen Austrittsschlitz aufweist und im Strahlengang hinter dem letzteren Spektroskop angeordnet ist, und mindestens ein Zwischengitter, das mindestens einen Zwischenschlitz aufweist und im Strahlengang zwischen erstem und zweitem Spektroskop angeordnet ist, vorgesehen sind.

3. Monochromator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare von konkaven Kondensorspiegeln

,- vorgesehen sind und daß jeweils ein konkaver Kondensorspiegel jedes Paar im Strahlengang vor und hinter jedem (dem betreffenden) Spektroskop angeordnet ist.

4. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsmittel mindestens ein Reflexionselement in Form eines Planspiegels oder eines eine gekrümmte Fläche aufweisenden oder Hohl-Spiegels ist.

5. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-15

net, daß das Dispersionsmittel mindestens ein Dispersionselement in Form eines planen oder eines konkaven Beugungsgitters aufweist.

ν

6. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

/ net, daß jedes Spektroskop eine um eine Achse drehbare Plattform (Bühne), auf welcher die betreffenden Reflexions- und Dispersionsmittel angeordnet sind, aufweist und die Positioniereinrichtung eine Dreheinrichtung zum Drehen der Plattform um die genannte 25

Achse herum aufweist, so daß das jeweilige Reflexionsoder Dispersionsmittel selektiv im Strahlengang positionierbar ist.

7, Monochromator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich-30

net, daß die Dreheinrichtung einen Impuls- oder

Schrittmotor für den Drehantrieb der Plattform und Feststellmittel (location means) zum Anhalten der Plattform in einer vorbestimmten Stellung aufweist.

35

8. Monochromator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform eine kreisrunde Form besitzt

r- und die Feststellmittel
ο

mehrere am Umfang der Plattform angeordnete Flansche, von denen jeweils zumindest einer dem Reflexionsmittel und einer dem Dispersionsmittel entspricht, und

eine Photokopplereinheit zur Bestimmung oder Erfassung der Stellung der Flansche bei der Drehung der Plattform umfassen, wobei die Photokopplereinheit ein Meßsignal zur Steuerung des Betriebs des Schrittmotors abgibt.

9. Monochromator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung weiterhin eine Sinusstabeinheit (sine bar means) und einen Anschlag aufweist, wobei der Anschlag dann, wenn das Reflexios-

mittel gewählt ist, mit der Sinusstabeinheit in Be- Λ U

rührung bringbar ist und damit eine Bewegung der Plattform verhindert, während er dann, wenn das Dispersionsmittel gewählt ist, außer Berührung mit der Sinusstabeinheit bewegbar ist.

10. Monochromator mit einem ihn durchlaufenden (optischen) Strahlengang, gekennzeichnet, durch ein Eintrittsgitter, das einen Eintrittsschlitz aufweist und so angeordnet ist, daß sich der Eintrittsschlitz am Anfang des Strahlengangs befindet, ein hinter dem Eintrittsschlitz im Strahlengang angeordnetes erstes Spektroskop mit mindestens einem ersten Reflexionselement zum Reflektieren von Licht längs des Strahlengangs und einem ersten Dispersionselement zum Beugen des Lichts länqs des 35

Strahlengangs, wobei das erste Reflexionselement und

das erste Dispersionselement auf einer um eine Achse drehbaren Drehbasis angeordnet sind und durch Drehen

_c der Drehbasis selektiv und abwechselnd das erste ο

Reflexionselement oder das erste Dispersionselement wählbar ist, ein Zwischengitter, das einen Zwischenschlitz aufweist und im Strahlengang hinter dem ersten Spektroskop angeordnet ist, wobei letzteres Licht vom Eintrittsschlitz zum Zwischenschlitz richtet, ein im Strahlengang hinter dem Zwischengitter angeordnetes zweites Spektroskop mit mindestens einem zweiten Dispersionselement zum Beugen des Lichts

längs des Strahlengangs, wobei das zweite Disper-15

sionselement auf einer um eine Achse drehbaren Drehbasis angeordnet ist, und ein Austrittsgitter, das einen Austrittsschlitz aufweist und im Strahlengang hinter dem zweiten

Spektroskop angeordnet ist, wobei letzteres Licht 20

vom Zwischenschlitz zum Austrittsschlitz richtet.