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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein optisches Spektroskopiesystem
und entsprechendes Verfahren, und insbesondere ein optisches System
und zugehöriges
Verfahren, welches eine erste und zweite Maskeneinrichtung in einer
Fourier-Ebene des
optischen Systems verwendet, um optische Spektroskopievorgänge zu verbessern.
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Aus
der
US 3 979 325 A bzw.
US 4 878 747 A ist
ein optisches System zur Untersuchung von Proben bekannt mit
einer
Energiestrahlungsquelle, welche Strahlungsenergie entlang einem
optischen Weg des optischen Systems emittiert;
einer Probenebene
in dem optischen Weg;
einer zu untersuchenden Probe, die eine
in der Probenebene angeordnete Oberfläche aufweist;
einer Einrichtung
zum Richten der einfallenden Strahlungsenergie auf die Probenoberfläche, einschließlich einer
ersten Maskeneinrichtung, einer Einrichtung zur Aufsammlung von
durch die Probe reflektierter, emittierter oder durchgelassener
Energie, einschließlich
einer zweiten Maskeneinrichtung und einem Detektor in dem optischen
Weg, welcher die durch die zweite Maske gelangende Strahlungsenergie
empfängt,
um ausgewählte
Aspekte der Probe zu untersuchen.
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Optische
Spektroskopie wird in weitem Maße
bei zahlreichen Analysetechniken und für experimentelle Techniken
in der angewandten Forschung und der Grundlagenforschung eingesetzt. Experimente
unter Verwendung der Spektroskopie werden durchgeführt, um
optische Konstanten von Materialproben zu bestimmen, und ebenso,
um die chemische und physikalische Zusammensetzung dieser Materialproben
zu bestimmen. Allerdings wird die optische Spektroskopie, insbesondere
im mittleren Infrarotenergiebereich, immer noch begrenzt durch:
(1) die Empfindlichkeit der verwendeten Detektoren, die einen verhältnismäßig geringen
Dynamikbereich aufweisen; (2) Anomalitäten, die von Oberflächenvariationen
und/oder Inhomogenitäten herrühren, und
(3) Änderungen
der Brechungsindices, die das Absorptionsvermögen der Probenmaterialien zu ändern scheinen.
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In
der Vergangenheit wurden unterschiedliche spektroskopische Geräte entwickelt,
um bestimmte Parameter zu variieren und so die optischen Konstanten
eines Materials durch die festgestellten Variationen zu bestimmen.
Alternativ hierzu wurden spektroskopische Techniken eingesetzt,
um das Absorptionsvermögen
von Materialien zu bestimmen. Tatsächlich existieren geradezu
Büchereien
von Büchern
sowie elektronische Medien, welche reine Materialien eindeutig durch
ihre Absorption elektromagnetischer Strahlungen bei verschiedenen
Frequenzen identifizieren.
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Allerdings
erfordern es die sich ergebenden Spektren, die unter Verwendung
jetziger spektroskopischer Geräte
oder spektroskopischer Probenverfahren erhalten werden, typischerweise,
dass die Materialien in einer Form analysiert werden, welche eine
intensive Vorbereitung der Proben oder sogar eine Zerstörung der
Proben erfordert. Eine derartige Probenvorbereitung verwendet normalerweise
eine abgedichtete Zelle oder ein KBR-Druckverfahren. Zusätzlich kann es bei heutigen
spektroskopischen Geräten
erforderlich sein, dass die Probe von einem Instrument zu einem
anderen Instrument bewegt wird, um den vollständigen Bereich der erforderlichen spektroskopischen
Untersuchungen zu erhalten. Alternativ hierzu kann es erforderlich
sein, dass das verwendete Instrument zeitweilig modifiziert werden muss,
um zusätzliche
Peripheriegeräte
oder Zusatzgeräte
zu verwenden, um den vollen Bereich der spektroskopischen Analyse
durchzuführen.
Die Probenvorbereitung und Änderungen
der Ausrüstung
erfordern zusätzlich
aufzuwendende Zeit, um die Ergebnisse der spektroskopischen Analyse
zu erhalten, und können
diese Ergebnisse negativ beeinflussen infolge der teilweisen oder
völligen
Zerstörung der
Probe und/oder infolge der Variationen zwischen den Geräten.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein im Hinblick auf
diesen Stand der Technik verbessertes optisches System sowie ein
verbessertes Analyseverfahren bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 24 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein optisches System und ein Verfahren
zur Verfügung,
um die optischen Konstanten, das Absorptionsvermögen und/oder die Brechungsindices
eines Materials einfacher und genauer zu bestimmen. Dieses System
und dieses Verfahren verwenden eine erste Maskeneinrichtung (oder
Einlassmaske) an einer Fourier-Ebene des optischen Systems und eine
zweite Maskeneinrichtung (oder Auslassmaske) in einer Fourier-Ebene des
optischen Systems. Die Relativlage der jeweiligen Einlass- und Auslassöffnungen
in der ersten bzw. zweiten Maskeneinrichtung kontrolliert den Energieeinfallswinkel
auf die Probe und kontrolliert ebenfalls den Winkel der reflektierten
oder durchgelassenen Energie, die den Detektor erreicht. Um einen
weiten Bereich spektroskopischer Analysen durchzuführen, können mehrfache
erste bzw. zweite Masken eingesetzt werden, die erste und zweite Öffnungen
variierender radialer und/oder Umfangslage haben. Bei einer bevorzugten
Form der vorliegenden Erfindung können die Einfallswinkel der
Strahlungsenergie auf die Probe von etwa 30° bis zu einschließlich Glanzwinkeln
von etwa 85° variiert
werden. Ein ähnlicher
Winkelbereich kann für
die reflektierte und/oder durchgelassene Energie erhalten werden, die
selektiv den Detektor dadurch erreicht, dass sie durch die zweite
Maskeneinrichtung gelangt.
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Das
optische System und das Verfahren vergrößern die Nachweisempfindlichkeit
für kleine
Mengen von Probenmaterial oder für
spezielle Eigenschaften eines Materials. Die verbesserte Nachweisempfindlichkeitscharakteristik
wird dadurch erreicht, dass die Einfallsenergie, welche die Probe
erreicht, präzise
in vorausgewählten
Einfallswinkeln gezielt wird, und dass die Energie, die von der
Probe reflektiert oder durch diese durchgelassen wird, präzise in vorausgewählten Winkeln
der Reflexion oder der Transmission gesammelt und nachgewiesen wird. Zusätzlich können dadurch,
dass die erste und zweite Maskeneinrichtung präzise und schnell geändert werden
können,
die unterschiedliche Einlass- und Auslassöffnungspositionen aufweisen,
verschiedene Untersuchungen schnell bei einer stationären Probe durchgeführt werden,
welche keine spezielle Vorbereitung und/oder Zerstörung erfordern.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst eine Objektivanordnung mit einem Cassegrain-Spiegelobjektiv,
einer Fourier-Ebenen-Maskeneinrichtung, und einem Gleitstück. Diese
Objektivanordnung kann einfach an einen Abschnitt oder einer Station
eines drehbaren Objektivwechselrevolvers angebracht werden. Die Objektivvorrichtung
umfasst eine Einstellvorrichtung zum Zentrieren des Objektivs in
bezug auf die Zentrumslinie des optischen Weges und/oder zur Bewegung
des primären
Spiegels des Objektivs relativ zum Sekundärspiegel. Zusätzlich kann
das Maskengleitstück
mehrere Aufnahmen aufweisen, die jeweils mehrere unterschiedliche
Masken aufnehmen, und dies gestattet einen schnellen und präzisen Wechsel der
Masken.
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Durch
Verwendung einer Fourier-Ebene oder einer konjugierten Fourier-Ebene
zur Maskierung des optischen Weges kann das vorliegende optische
System, nämlich
das optische System und das Verfahren, die Anomalitäten verringern,
die mit Oberflächenunregelmäßigkeiten
und/oder Inhomogenitäten
zusammenhängen,
und stellt Spektren zur Verfügung,
die eine genauere Identifikation von Materialien durch Recherchen
in Spektrenverzeichnissen gestatten. Zusätzlich lässt sich dieses System, nämlich das
optische System und und das Verfahren, präziser zur Identifikation von
Materialien in einer Mischung einsetzen und zur Quantifizierung
dieser Materialien als Prozentsatz dieser Mischung.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, aus
welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, mit einer Darstellung
des optischen System gemäß der vorliegenden
Erfindung, welches zur Durchführung
von Untersuchungen zum Reflexionsvermögen aufgebaut ist;
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2 einen
vertikalen Querschnitt mit einer Darstellung der bevorzugten Objektivanordnung,
wobei das Maskengleitstück
für eine
teleskopische Einführung
positioniert ist;
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3 eine
Aufsicht der Objektivanordnung im wesentlichen entlang der Ebene
3-3 von 2;
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4 eine
Aufsicht des Maskengleitstücks im
wesentlichen entlang der Ebene 4-4 von 2;
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5 eine
schematische Seitenansicht des optischen Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei welchem die Einlass- und Auslassmasken in einer konjugierten
Ebene der Fourier-Ebene des optischen Weges angeordnet sind;
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6 eine
schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, mit einer Darstellung
des optischen Systems gemäß der vorliegenden
Erfindung, welches für
die Durchführung von
Vollfeld-Transmissionsanalysen des Probenmaterials eingestellt ist;
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7A eine
Erläuterung
zweier beispielhafter Sätze
von Einlass- und Auslassmasken für
gezielte Reflexionsanalyse eines Probenmaterials;
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7B eine
Erläuterung
zweier beispielhafter Sätze
von erster und zweiter Maskeneinrichtungen zur Durchführung einer
Dunkelfeld- oder Streureflexionsanalyse des Probenmaterials;
und
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7C eine
Erläuterung
zweier beispielhafter Sätze
von Mehrfachbandöffnungen
für eine
erste und zweite Maskeneinrichtung zur Durchführung einer Dunkelfeld- oder Streuanalyse
des Probenmaterials.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand genauerer Einzelheiten beschrieben,
anfänglich
anhand von 1; hier ist dargestellt, dass
das optische System eine Energiestrahlungsquelle aufweist, die allgemein
mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist, eine Objektivanordnung,
die allgemein mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet ist, und
eine Probenebene 3. Die Objektivanordnung 2 umfasst
eine erste Maske 5 als erste Maskeneinrichtung eine sekundäre Optik 6, eine
primäre
Optik 7 und eine zweite Maske 8 als zweite Maskeneinrichtung.
Die sekundäre
Optik 6 weist eine konvexe Spiegeloberfläche 10 auf,
und die primäre
Optik 7 ist mit einer abgeschnittenen, konkaven Spiegeloberfläche 11 versehen.
Der Primärspiegel 11 arbeitet
optisch mit der von ihm beabstandeten Sekundärspiegeloberfläche 10 zusammen.
Der Sekundärspiegel 10 und
der Primärspiegel 11 liegen
koaxial und symmetrisch zur Zentrumslinie 12 des optischen
Weges, der allgemein mit der Bezugsziffer 13 bezeichnet
ist. Der Sekundärspiegel 10 der
Sekundäroptik 6 und
der Primärspiegel 11 der
Primäroptik 7 arbeiten
zur Ausbildung eines Cassegrain-Spiegelobjektivs zusammen.
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Eine
Probe 15 kann in dem optischen Weg 13 des optischen
Systems angebracht werden durch eine Positionierstufe oder Halterung 16.
Eine Oberfläche 17 der
Probe 15 wird in der Probenebene 3 des optischen
Systems angeordnet. Wenn sich die Probe in dieser temporär festgelegten
Position befindet, so kann das optische System gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, um zahlreiche optische oder spektroskopische
Versuche mit der Probe zu unternehmen, ohne dass die Probe speziell präpariert
wird, und ohne dass die Probe bewegt wird.
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Die
Energiestrahlungsquelle stellt einen Strahlungsenergiestrahl zur
Verfügung,
vorzugsweise im mittleren Infrarotbereich. Wie in 1 erläutert, verwendet
das optische System eine "Halböffnung" (Halbapertur) des
Strahlungsstrahls für
diese spektroskopische Analyse. Zu diesem Zweck wird ein Strahlteiler
eingesetzt, um nur die Hälfte
des Strahls auf den Einlass der Objektivanordnung zu richten, wie
dies schematisch durch Pfeile 18 dargestellt ist. Als derartiger
Strahlteiler kann ein Aperturbild-Strahlteiler eingesetzt werden,
beispielsweise gemäß US-Patent
Nr. 4 878 747, welches dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehört.
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Der
Halbstrahl der Strahlungsenergie gelangt selektiv durch die Öffnungen
in der ersten Maskeneinrichtung oder ersten Maske 5 der
Objektivanordnung 2 hindurch. Die erste Maskeneinrichtung 5 befindet
sich in einer Fourier-Ebene des optischen Systems oder nahe bei
dieser. Zum Zweck der vorliegenden Anwendung wird eine Fourier-Ebene
definiert als eine Ebene, welche die Eigenschaft aufweist, dass
die radiale Position, in welcher ein Strahl diese Ebene schneidet,
eine direkt korrelierte Funktion aufweist, normalerweise linear,
in bezug auf den Einfalls- oder Reflexionswinkel, welchen der Strahl mit
der Probenebene aufweist, nachdem er zu dem Objektiv oder von diesem
weg gelangt.
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Die
Einfallsstrahlenenergie, die durch eine Öffnung in der ersten Maske 5 auf
einer Seite der optischen Zentrumslinie 12 gelangt, wird
sequentiell von dem Sekundärspiegel 10 und
dem Primärspiegel 11 wegreflektiert,
wie dies schematisch durch Pfeile 20 bzw. 21 angedeutet
ist. Die Einfallsstrahlungsenergie, die von dem Primärspiegel 11 reflektiert
wird, wird auf die Probenoberfläche 17 der
Probe 15 gerichtet. Die Einfallsstrahlungsenergie trifft
auf die Probenoberfläche 17 im
Schnittpunkt der Zentrumslinie 12 mit der Probenebene 3 auf
oder sehr nahe an diesem Punkt. Der Einfallswinkel für die Energie
ist definiert als der eingeschlossene Winkel zwischen dem einfallenden
Strahlungsenergiestrahl und der optischen Zentrumslinie 12.
Der Einfallswinkel für
die Strahlungsenergie auf die Probe kann dadurch variiert werden,
dass die erste Maskeneinrichtung mehrere unterschiedliche Masken 5 in
der Fourier-Ebene umfasst, wie nachstehend noch genauer beschrieben
wird.
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Die
von der Probenoberfläche 17 reflektierte Strahlungsenergie
wird sequentiell vom Primärspiegel 11 und
dem Sekundärspiegel 10 weg
reflektiert, wie dies schematisch durch die Pfeile 23 bzw. 24 angedeutet
ist. Die vom Sekundärspiegel 10 reflektierte Ausgangsenergie
bewegt sich entlang dem optischen Weg 13 zur zweiten Maske 8,
die in der Fourier-Ebene angeordnet ist. Die ausgewählte Strahlungsausgangsenergie
gelangt durch die Öffnung oder
die Öffnungen
in der zweiten Maske 8 zu einem Detektor, der allgemein
mit der Bezugsziffer 25 bezeichnet ist. Durch Variieren
der radialen und/oder Umfangsposition der Öffnungen in der zweiten Maske 8 empfängt der
Detektor 25 nur Strahlungsenergie, die von der Probenoberfläche 17 in
vorausgewählten
Reflexionswinkeln reflektiert wird, da diese zweite Maske und die Öffnung oder Öffnungen
darin in einer Fourier-Plane des optischen Systems oder nahe zu
dieser angeordnet sind.
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Die
Verwendung mehrerer erster und zweiter Masken in einer Fourier-Ebene
ermöglicht
eine signifikante spektroskopische Vielseitigkeit ohne Bewegung
der Probe in der Ebene 3, oder ohne eine Änderung
von Instrumenten. Wie am besten aus den 7A bis 7C hervorgeht,
können
mehrere unterschiedliche erste und zweite Masken 5 bzw. 8 eingesetzt
werden für
unterschiedliche Arten spektroskopischer Untersuchungen.
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Wie
in 7A(1) dargestellt ist, können die erste
Maske 5 und die zweite Maske 8 gemeinsam auf einem
einzigen Scheibenkörper 27 ausgebildet sein.
Die erste Maske 5 auf dem linken Halbkreis des Scheibenkörpers 27,
wie dies in der 7A(1)(a) dargestellt
ist, weist eine erste oder Einlassöffnung 28 auf, die
gekrümmt
ist und die Maske durchquert. Der Radius der ersten Öffnung 28 um
die Zentrumslinie 12 des optischen Weges herum weist eine
direkte Korrelation zum gewünschten
Einfallswinkel auf die Probenoberfläche 17 auf, infolge
der direkten Korrelation zwischen der radialen Position des Strahls
in der Fourier-Ebene zum Einfallswinkel dieses Strahls in der Probenebene.
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Wie
dies in 7A(1)(a) dargestellt ist,
erstreckt sich die erste bogenförmige Öffnung 28 im wesentlichen
halbkreisförmig.
Die erste Öffnung 28 weist
eine begrenzte Breite entlang ihrer gesamten halbkreisförmigen Erstreckung
auf. Diese begrenzte Weite gestattet es, dass ein begrenztes halbkreisförmiges Band
von Einlassstrahlungsenergie hier durchgelangt, wie dies durch mehrere
Bezugsziffern "X" in 7 angedeutet
ist. Das durch die erste Öffnung 28 hindurchgelangende
Einlassenergieband wird durch das Cassegrain-Objektiv reflektiert
und wird dann präzise
auf die Probenoberfläche
in der Probenebene mit dem vorbestimmten Einfallswinkel gerichtet.
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Die
zweite Maske 8 bildet den rechten halbkreisförmigen Abschnitt
des Scheibenkörpers 27. Diese
zweite Maske 8 umfasst eine halbkreisförmige zweite oder Auslassöffnung 29.
Die zweite Öffnung 29 weist
eine begrenzte Breite auf, um es einer ausgewählten Auslassenergie oder reflektierten
Strahlungsenergie zu gestatten, den Detektor zu erreichen, wie durch
die "Punkte" in 7 angedeutet
ist. Für
Untersuchungen der gerichteten Reflexion ist der Radius der zweiten Öffnung 29 von
der Zentrumslinie 12 des optischen Weges 13 gleich
dem Radius von dieser Zentrumslinie für die erste Öffnung 28.
Die zweite Öffnung 29 weist
ebenfalls eine Breite auf, die gleich der Breite der ersten Öffnung 28 in
der ersten Maske 5 ist.
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Wenn
die Masken 5 und 8 in einer Fourier-Ebene des
optischen Systems oder nahe zu dieser angeordnet sind, so gestatten
die erste Öffnung 28 in
der ersten Maske 5 und die zweite Öffnung 29 in der zweiten
Maske 8 eine Durchführung
von Untersuchungen zur gerichteten Reflexion. Die radiale Position
der ersten Öffnung 28 von
der Zentrumslinie 12 legt den Einfallswinkel der Strahlungsenergie
auf die Probenebene 3 fest. Entsprechend kontrolliert der Radius
der zweiten Öffnung 29 von
der Zentrumslinie 12 den Reflexionswinkel für reflektierte
Strahlungsenergie, die schließlich
durch die Öffnung 29 gelangt, um
den Detektor 25 zu erreichen. Mit gleichen Radien für die ersten
und zweiten Öffnungen
wird der Einfallswinkel A dem Reflexionswinkel A gleich, wie dies in 7A(1)(b) gezeigt ist.
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Andere
Arten von Untersuchungen zur gerichteten Reflexion können durch
Verwendung unterschiedlicher Masken durchgeführt werden. Beispielsweise
weist in 7A(2)(a) der Scheibenkörper 27 wiederum
eine erste Maskeneinrichtung, hier die erste Maske 5 auf
seinem linken halbkreisförmigen
Abschnitt auf, und die zweite Maskeneinrichtung, hier Maske 8 auf
seinem rechten halbkreisförmigen
Abschnitt. Die erste Maske 5 weist eine erste oder Einlassöffnung 28A auf
mit in Umfangsrichtung begrenzter bogenförmiger Erstreckung. Der Radius
der bogenförmigen Öffnung 28A bestimmt
den Einfallswinkel der einfallenden Strahlungsenergie, welche die Probenebene
erreicht. Entsprechend begrenzt die Umfangserstreckung der Öffnung 28A die
Umfangserstreckung des Strahlungsenergiebandes, welches die Probenebene 3 erreicht.
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Eine
zweite oder Auslassöffnung 29A mit ebenso
begrenzter bogenförmiger
Ausdehnung ist in der zweiten Maske 8 vorgesehen. Diese
Auslassöffnung 29A kontrolliert
die reflektierte Strahlungsenergie, die durch diese zum Detektor 25 hindurchgelangen
kann. Der Radius der zweiten Öffnung 29A in
der zweiten Maske 8 ist gleich dem Radius der ersten oder
Einlassöffnung 28A in
der ersten Maske 5. Mit derartigen gleichen Radien ist
der Einfallswinkel A1 der Strahlungsenergie auf die Probenebene
gleich dem Reflexionswinkel A1 für
die Strahlungsenergie, die durch die zweite Maske 8 hindurch
bis zum Detektor gelangt. Der Scheibenkörper 27, der die begrenzten
Einlass bzw. Auslassöffnungen 28A bzw. 29A aufweist,
kann von Zeit zu Zeit gedreht werden, um die Eigenschaften bezüglich der
gerichteten Reflexion an anderen Umfangspunkten um den Weg der optischen
Energie zu überprüfen. Auf ähnliche
Weise könnten
die erste und zweite Maske 5 und 8 als einzelne
halbkreisförmige
Körper
zum selektiven Einsatz miteinander ausgebildet sein.
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Wenn
Untersuchungen der Reflexion des nicht-gerichteten oder gestreuten
Typs gewünscht sind,
so können
unterschiedliche Einlass- und Auslassöffnungsanordnungen und radiale
Positionen bei den Einlass- und Auslassmasken vorgesehen werden,
wie dies beispielsweise in den 7B und 7C gezeigt
ist. Wie in 7B(1) dargestellt, erstreckt
sich die Einlassöffnung 28B in
der ersten Maske 5 im wesentlichen halbkreisförmig und
weist einen begrenzten Radius von der Zentrumslinie 12 des
optischen Weges auf. Durch die erste Öffnung 28B gelangende
Einlassenergie weist einen Einfallswinkel A2 auf die Probenoberfläche 17 in
der Probenebene 3 auf, wie dies in 7B(1)(b) gezeigt
ist. Die zweite Auslassöffnung 29B in
der zweiten Maske 8 weist ebenfalls eine im wesentlichen
halbkreisförmige
Erstreckung auf. Der Radius der Auslassöffnung 29B von der
Zentrumslinie 12 ist größer dargestellt
als der Radius für
die erste Öffnung 28B von
der Zentrumslinie 12. Da sowohl die erste als auch die zweite Öffnung 28B bzw. 29B in
einer Fourier-Ebene liegen, ist der Reflexionswinkel A3 für Strahlungsenergie,
welche die Probenebene 3 verläßt und durch die zweite Öffnung 29B zum
Detektor 25 gelangt, größer als
der Einfallswinkel A2. Daher wird der Radius der zweiten Öffnung 29B so
ausgewählt,
dass er schließlich
Strahlungsenergie nachweist, die von der Probe in einem vorbestimmten
Winkel der "gestreuten" Reflexion A3 reflektiert
wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der Radius von 29B größer oder
kleiner sein könnte
als der jeweilige Radius von 28B, abhängig von den gewünschten
Winkeln für
gestreute Energie, die gesammelt werden soll.
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Ein
weiteres Beispiel für
Masken, die für Streureflexionsuntersuchungen
eingesetzt werden können,
ist in 7B(2) dargestellt. Bei einem
derartigen Beispiel ist die erste oder Einlassöffnung 28C in der
ersten Maske 5 von begrenzter Umfangserstreckung und weist
einen verhältnismäßig kleinen Krümmungsradius
um die Zentrumslinie 12 des optischen Weges auf. Die zweite
oder Auslassöffnung 29C ist
ebenfalls von begrenzter Umfangserstreckung, liegt jedoch nicht
diametral der Einlassöffnung 28C gegenüber. Stattdessen
hat die zweite Öffnung 29C in
der zweiten Maske 8 einen größeren Radius um die Zentrumslinie 12 als
der Radius für
die bogenförmige
Einlassöffnung 28C,
und ist in Umfangsrichtung relativ zu dieser versetzt. Wenn die
erste Öffnung 28C und
die zweite Öffnung 29C so
angeordnet sind wie gezeigt, so ist der Einfallswinkel für die Probenebene
erreichende Energie in 7B(2)(b) als A4
dargestellt, wogegen der Reflexionswinkel für den Detektor erreichende
Energie mit A5 bezeichnet ist. Der Reflexionswinkel A5 ist größer als
der Einfallswinkel A4, und die den Detektor erreichende Energie ist
in bezug auf die Einlassenergie sowohl gestreut als auch abgelenkt.
Wie hieraus deutlich wird, können
die Einlassöffnung 28C und
die Auslassöffnung 29C sowohl
radial als auch in Umfangsrichtung in bezug einander variiert werden,
wie dies für
die gewünschte
Untersuchung erforderlich ist.
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In 7C sind
zusätzliche
Masken gezeigt zur Vornahme von Dunkelfelduntersuchungen oder Streureflexionsuntersuchungen,
bei welchen zahlreiche Öffnungen
in der ersten und zweiten Maskeneinrichtung verwendet werden. Wie
zunächst
aus 7C(1) hervorgeht, weist die erste
Maskeneinrichtung 5 eine halbkreisförmige Einlassöffnung 28D auf.
Die zweite Maskeneinrichtung 8 hat zwei EnergieAuslassöffnungen 29D1 und 29D2.
Der Radius der Einlassöffnung 28D um
die Zentrunislinie 12 herum ist größer als der Radius für die Auslassöffnung 29D1 und
kleiner als der Radius für
die Auslassöffnung 29D2.
Bei einer derartigen Anordnung der Einlassöffnung 28D und der
Auslassöffnungen 29D1 und 29D2 ist
der Einfallswinkel A6 für
die Energie, welche die Probenebene 3 durch die Öffnung 28D erreicht,
größer als
der Reflexionswinkel A7 für
die Energie, welche den Detektor durch die Auslassöffnung 29D1 erreicht,
und kleiner als der Reflexionswinkel A8 für die reflektierte Energie,
welche den Detektor 25 durch die Auslassöffnung 29D2 erreicht.
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In 7(C)(2) sind Mehrfach-Einlass- und -Auslassöffnungen
erläutert.
Im einzelnen weist die erste Maskeneinrichtung 5 eine erste
Einlassöffnung 28E1 auf
und eine zweite Einlassöffnung 28E2.
Der Radius der Einlassöffnung 28E1 um
die Zentrumslinie 12 des optischen Weges 5 ist
kleiner als der Radius der Einlassöffnung 28E2 in der
ersten Maskeneinrichtung 5. Einfallende Strahlungsenergie,
die durch die erste Einlassöffnung 28E1 gelangt,
weist einen Einfallswinkel A9 auf die Probenebene 3 auf. Ankommende
Strahlungsenergie, die durch die zweite Einlassöffnung 28E2 gelangt,
weist einen Einfallswinkel A10 auf die Probenebene 3 auf.
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In
der zweiten Maskeneinrichtung 8 sind drei halbkreisförmige Auslassöffnungen 29E1, 29E2 und 29E3 vorgesehen.
Der Radius für
die Auslassöffnung 29E1 ist
kleiner als der Radius für
die Auslassöffnung 29E2,
und dieser wiederum ist kleiner als der Radius für die dritte Auslassöffnung 29E3.
Wie aus der 7C(2)(a) deutlich wird,
weist der Radius der Einlassöffnung 28E1 eine
Größe auf,
der in der Mitte zwischen den Werten für die Radien für die Auslassöffnungen 29E1 und 29E2 liegt,
und der Radius der Einlassöffnung 28E2 weist
eine Größe in der
Mitte zwischen den Radien für
die Auslassöffnungen 29E2 und 29E3 auf.
Infolge der relativen Größen der
jeweiligen Radien der Einlass- und Auslassöffnungen in den Maskeneinrichtung
ist der Reflexionswinkel A11 für
die Energie, die den Detektor durch die Auslassöffnung 29E1 erreicht,
kleiner als der Einfallswinkel A9. Auf ähnliche weise ist der Reflexionswinkel
A12 für
Energie, die den Detektor durch die zweite Auslassöffnung 29E2 erreicht,
größer als
der Einfallswinkel A9, jedoch kleiner als der Einfallswinkel A10. Schließlich ist
der Reflexionswinkel A13 für
reflektierte Energie, die den Detektor durch die Auslassöffnung 29E3 in
der zweiten Maskeneinrichtung 8 erreicht, größer als
der Einfallswinkel A10 für
die Energie, die die Probenoberfläche durch die Einlassöffnung 28E2 erreicht.
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Die
in den 7A–7C gezeigten
ersten und zweiten Maskeneinrichtungen sind nur Beispiele für die zahlreichen
unterschiedlichen Maskenanordnungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden können.
Durch Variieren der radialen Positionen der Einlassöffnungen
in der Einlassmaske kann der Einfallswinkel für die die Probe erreichende Strahlungsenergie
von 30° bis
85° für das dargestellte
Cassegrain-Objektiv variiert werden. Diese Masken müssen präzise auf
dem optischen Weg in einer Fourier-Ebene des optischen Systems oder
nahe bei der Fourier-Ebene angeordnet werden. Für diesen Zweck wurde eine Objektivanordnung
entwickelt, wie sie in den 2 bis 4 erläutert ist.
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Wie
aus 2 hervorgeht, weist die Objektivanordnung ein
Mikroskopverbindungsrohr 31 auf. Der äußere Durchmesser des Verbindungsrohrs 31 an
seinem oberen Ende ist mit einem Gewinde 32 versehen. Dieses
Gewinde passt zu Gewinden auf einer der Stationen eines drehbaren
Mikroskop-Objektivwechselrevolvers. Das Verbindungsrohr wird in die
Station des Mikroskopobjektivwechselrevolvers eingeschraubt, bis
es in der richtigen Lage ist und gehalten wird in dieser Lage durch
eine Gegenmutter 33 und eine Sicherungsmutter 34.
Die Strahlungsenergie des optischen Weges 13 gelangt durch
die Bohrung des Verbindungsrohres 31. Die Gegenmutter und
die Sicherungsmutter positionieren die Objektivanordnung 2 ordnungsgemäß in dem
optischen Weg des Mikroskops, um die richtige vorbestimmte Entfernung
zwischen der Sehfeldblende des optischen Systems, die allgemein
mit der Bezugsziffer 36 bezeichnet ist, und der Probenebene 3 festzulegen.
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Ein
Führungshalter 37 ist
um das Verbindungsrohr 31 angeordnet und wird durch dieses
gehaltert. Eine Bohrung 38 durch den Führungshalterkörper 37 empfängt das
Verbindungsrohr 31. Der Führungshalter 37 ist
mit einem abgestuften Loch 39 versehen, das sich radial
hierdurch erstreckt. Eine erste Optikzentrierschraube 34 steht
in Gewindeeingriff mit dem abgestuften Loch 39. Diese Zentrierschraube 40 gestattet
eine gewisse radiale Einstellung für den Führungshalter 37 relativ
zur Zentrumslinie 12 des optischen Systems.
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Das
untere Ende des Führungshalters 37 weist
eine untere Gegenbohrung 42 auf. Diese Gegenbohrung 42 empfängt eine
Gleitführung 43,
die fest hieran angebracht ist. Die Gleitführung weist einen sich längs erstreckenden
Gleitschlitz 45 auf, der sich quer hierdurch erstreckt.
Eine zentrale Bohrung 46 erstreckt sich durch den Gleitführungskörper, wobei
diese Bohrung konzentrisch zu der Zentrumslinie 12 des
optischen Systems angeordnet ist, um hierdurch Strahlungsenergie
hindurchgelangen zu lassen.
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Die
Sekundäroptik 6 ist
an der Gleitführung 43 angebracht
und wird von dieser gehalten. Zu diesem Zweck erstreckt sich diametral
nach innen von der zentralen Bohrung 46 der Gleitführung 43 eine Montagespinne 48,
die mit einem Montagestift 49 der sekundären Optik 6 verbunden
ist, um diese sekundäre
Optik in dem optischen Weg zu haltern. Durch die diametrale Orientierung
und die richtige Positionierung haltert die Montagespinne 48 die
Sekundäroptik 6 auf
dem optischen Weg, ohne wesentlich die wirksame Eingabe und Abgabe
von Strahlungsenergie zur Objektivanordnung 2 hin und von
dieser weg zu beeinflussen. In dieser Hinsicht bildet die Montagespinne 48 halbkreisförmige Fenster
auf ihren beiden Seiten aus, die der halbkreisförmigen Form der ersten und
zweiten Maskeneinrichtung entsprechen, die für die Reflexionsuntersuchungen
bei einer bevorzugten Ausführungsform
verwendet werden.
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Der
Boden der Führungshalterung 37 ist
mit einem auf diesem angebrachten, sich radial nach außen erstreckenden ringförmigen Flansch 50 versehen.
Die Bodenwand 51 des Flansches 50 ist horizontal
mit der oberen Oberfläche
des Schlitzes 45 ausgerichtet, um einen radialen Zugang
zu diesem Schlitz zu ermöglichen.
Weiterhin stellt der Flansch 50 eine Halterung für einen
drehbaren äußeren Ring oder
Kragen 51 zur Verfügung.
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Der äußere Ring 51 weist
eine sich nach unten erstreckende ringförmige Schürze 52 auf, deren Innendurchmesser
mit einem Gewinde versehen ist. Die primäre Optik wird innerhalb der
ringförmigen Schürze 52 auf
dem äußeren Ring 51 aufgenommen. Der
Außendurchmesser
der Primäroptik 7 ist
mit einem Gewinde versehen, welches mit dem Gewinde auf dem Innendurchmesser
der Schürze 52 zusammenarbeitet.
Daher führt
eine Drehung des äußeren Kragens 51 abhängig von
der Drehrichtung zu einer Anhebung oder einer Absenkung der Primäroptik 7, infolge
der Gewindeverbindung zwischen diesen Teilen. Diese Höheneinstellung
der Hauptoptik 7 kann dazu eingesetzt erden, die geeignete
räumliche
Beziehung zwischen der Primäroptik 7 und
der Sekundäroptik 6 für die vorzunehmenden
Untersuchungen zu erhalten.
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Um
eine weitere Einstellung des Objektivs relativ zu der Zentrumslinie
des optischen Weges zur Verfügung
zu stellen, ist der äußere Ring 51 mit
einem mit Gewinde versehenen Loch 54 versehen, welches
radial durch sein oberes Ende ragt. Das Gewindeloch 54 nimmt
die Zentrierschraube 55 für die zweite Optik und die
Primäroptik
auf. Ein radiales Vorschieben oder Zurückziehen der primären Zentrierschraube 55 kann
die Position der Primäroptik 7 radial
relativ zur Sekundäroptik 6 einstellen,
um eine ordnungsgemäße Zentrierung
um die optische Zentrumslinie 12 des Mikroskops zu erhalten.
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Wenn
die Objektivanordnung 2 an dem drehbaren Objektivwechselrevolver
des Mikroskops angebracht ist und die optischen Einstellungen ordnungsgemäß vorgenommen
wurden, so ist der Führungsschlitz 45 auf
einer Fourier-Ebene des optischen Systems positioniert. Ein Maskengleitstück 57 kann
radial in den Schlitz 45 in der Gleitführung 43 eingeführt und
von diesem wieder abgezogen werden. Ein derartiges Maskengleitstück 57 weist
eine länglich-rechtwinklige
Form auf, wie dies am besten in 4 dargestellt
ist. Die Breite des Maskengleitstücks 57 ist im wesentlichen
gleich der Breite des Führungsschlitzes 45,
um zwischen diesen Teilen einen verhältnismäßig engen Gleitsitz zur Verfügung zu
stellen.
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Das
Maskengleitstück 57 weist
zwei (oder mehr) kreisförmige
Aufnahmen 58A und 58B auf, die in ihm ausgebildet
sind. Wie dies am besten aus 2 hervorgeht,
weist jede dieser Aufnahmen eine Bohrung auf, die vollständig durch
das Maskengleitstück 57 durchragt.
Die Bohrung jeder Aufnahme weist eine Bodenlippe 59 auf,
die bezüglich
der Bohrung geringfügig
radial nach innen vorsteht, um eine Halterung für die erste und zweite Maskeneinrichtung zur
Verfügung
zu stellen. In dieser Beziehung werden die erste Maskeneinrichtung 5 und
die zweite Maskeneinrichtung 8, die eine Maske 28 und
eine Maske 29 aufweisen, wie in 7A(1) dargestellt,
in die Aufnahme 58A dadurch eingeführt, dass die Scheibe 27 in
die Bohrung eingebracht wird. Diese Scheibe wird in der Aufnahme 58A durch
die Lippe 59 gehaltert. Eine zweite Scheibe 27 kann
auf entsprechende Weise in die zweite Aufnahme 58B eingeführt werden. Wie
dargestellt, weist die Scheibe 27 in der zweiten Aufnahme 58D eine
kreisförmige Öffnung auf
für visuelle
Betrachtungszwecke mit sichtbarem Licht. Alternativ hierzu kann
eine andere Maskenscheibe der in 7A bis 7c gezeigten
Art in die Aufnahme 58B eingeführt werden. Eine der beiden
Aufnahmen kann ordnungsgemäß in dem
optischen System in einer Fourier-Ebene des optischen Systems zentriert werden
durch geeignete Positionierelemente.
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Beispielsweise
kann die Bodenoberfläche 52 des
Flansches 50 mit einer teilweise freiliegenden federbelasteten
Kugel 61 versehen sein. Diese Kugel befindet sich in zentriert
radialer Ausrichtung mit dem Zentrum des Führungsschlitzes 45.
Das Gleitstück kann
durch das Loch in der Schürze
des äußeren Rings 51 eingeführt werden,
wobei die Kugel 61 in eine zurückgezogene Position zurückgedrückt wird, um
eine derartige Einfügung
zu gestatten. Das Gleitstück 57 wird
momentan angehalten, wenn die federbelastete Kugel 61 in
eine entsprechend ausgebildete Arretierung 62A auf der
oberen Oberfläche
des Maskengleitstücks 57 aufgenommen
wird. Wenn die Kugel 61 in der Arretierung 62A aufgenommen
wird, so ist die erste Aufnahme 58A auf der Zentrumslinie 12 des
optischen Weges des Systems zentriert.
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Eine
zweite Arretierung 62B ist in der oberen Oberfläche des
Maskengleitstücks 57 vorgesehen, und
zwar in Längsrichtung
zur ersten Arretierung ausgerichtet, jedoch von dieser beabstandet.
Wenn die federbelastete Kugel 61 in der zweiten Arretierung 62B aufgenommen
ist, so ist die zweite Aufnahme 68B auf der Zentrumslinie 12 des
optischen Weges des Systems zentriert. Durch Einstellen der radialen
Position des Maskengleitstücks 57 kann
eine zweier Maskenscheiben gegenüber
dem optischen System zentriert werden, ohne dass irgendwelche Einstellungen
oder Veränderungen
des Instruments vorgenommen werden, und ohne dass die Probe bewegt
wird. Noch weitere Untersuchungen können dadurch vorgenommen werden,
dass die Gleitstücke weggenommen,
die Maskenscheiben in der ersten und zweiten Aufnahme des Gleitstücks 57 gewechselt,
und dann diese wiederum in die optische Anordnung 2 eingeführt werden.
Diese Objektivanordnung 2 kann mit unterschiedlichen optischen
Masken und/oder Wegen für
diese oder mit unterschiedlichen Arten spektroskopischer Untersuchungen
verwendet werden.
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Beispielsweise
können,
wie in 5 dargestellt, erste Maskeneinrichtung 5 und
die zweite Maskeneinrichtung 8 in einer konjugierten Ebene 64 der Fourier-Ebene
angeordnet sein, wenn der Zugang zur Fourier-Ebene schwierig ist
oder eine größere Abmessung
erforderlich ist. Eine Linse 65 (vorzugsweise ein Spiegelsystem
für einen
FTIR-Einsatz) kann in das optische System eingeführt werden, um ein reelles
Bild in der konjugierten Ebene 64 der Fourier-Ebene für das optische
System zu erzeugen.
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6 zeigt
einen weiteren optischen Weg, welchen die vorliegende Erfindung
für spektroskopische
Transmissionsuntersuchungen verwendet. Das optische System gemäß 6 verwendet
die gesamte Apertur oder das gesamte Feld der Strahlungsenergie
durch Weglassen des Strahlteilers. Daher kann die erste Maske 66 den
gesamten kreisförmigen
Scheibenkörper 27 nutzen.
Jede Öffnung,
die irgendwo in diesem kreisförmigen
Scheibenkörper angeordnet
ist, arbeitet so, dass sie Strahlungsenergie in das System durchlässt, und
steuert den Einfallswinkel dieser ankommenden Energie auf die Probe 3.
Die Pfeile 67 und 68 erläutern schematisch mögliche Muster
für die
ankommende Energie auf der Probenoberfläche 3.
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Ein
gleiches oder ähnliches
optisches System wird auf der anderen Seite der Probenebene 3 angeordnet,
um durch die Probe 15 durchgelassene Energie aufzufangen.
Das optische Sammelsystem umfasst eine Primäroptik 69, eine Sekundäroptik 70, eine
zweite Maske 71, und einen Detektor 72. Die zweite
Maske 71 ist in einer Fourier-Ebene des optischen Sammelsystems
angeordnet.
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Die
zweite Maske 71 des Transmissionsuntersuchungsweges von 6 stellt
ebenfalls eine vollständige
Apertur oder ein vollständiges
Feld dar. Daher kann die gesamte kreisförmige Erstreckung der Maskenscheibe
verwendet werden für
die gewünschten
Auslassöffnungskonfigurationen
und die radiale Positionierung. Die Position der Öffnungen
in der zweiten Maske 71 steuert den Transmissions- oder
Akzeptanzwinkel 73 für
durch die Probe 15 durchgelassene Energie, welche schließlich den
Detektor 72 über
das Objektiv und die Öffnungen
in der zweiten Maske 71 erreicht. Hierbei wird durch die Probe 15 durchgelassene
Strahlungsenergie sequentiell von der Primäroptik 69 und der
Sekundäroptik 70 reflektiert
und gelangt dann durch die Öffnung oder
die Öffnungen
in der zweiten Maske 71, um den Detektor 72 zu
erreichen. Offensichtlich kann die Anordnung der Einlass- und Auslassöffnungen
in der ersten Maskeneinrichtung 67 bzw. der zweiten Maskeneinrichtung 71 variiert
werden, um den Einfallswinkel auf die Probe zu steuern sowie den
Transmissions- oder Akzeptanzwinkel von der Probe zum Detektor.
Es können
viele unterschiedliche Masken bei diesem Strahlungstransmissionssystem
verwendet werden, um eine Anzahl spektroskopischer Transmissionsuntersuchungen
durchzuführen.
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Die
unterschiedlichen Untersuchungen oder Analysen, die bei einer einzigen
Probe vorgenommen werden können,
unter Verwendung von Mehrfachmasken, die in der Fourier-Ebene angeordnet sind
für die
ausgewählte
Art der Transmission, Reflexion oder Emission, werden an dem. Detektor
miteinander verglichen, um die Unterschiede zwischen ihnen festzustellen.
Die erhaltenen Differenzen werden dann zusammen mit bekannten mathematischen
Algorithmen eingesetzt (beispielsweise einer Kramer's Kronig-Transformation und
der Kubelka-Munk-Theorie), um die Komponenten der untersuchten Probe genauer
zu quantifizieren und/oder eine präzisere Berechnung der optischen
Konstanten der Probe zur Verfügung
zu stellen.
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Als
einfaches Beispiel für
diese Vorgehensweise könnte
eine Oberfläche 17 der
Probe 15 zwei aufeinanderfolgenden Glanzreflexionsstudien
unterworfen werden, die unter denselben Bedingungen auf dieselbe
Weise vorgenommen werden. Bei dem ersten Versuch könnte die
Strahlungsenergie auf die Probe durch die erste Maskeneinrichtung 5 bei
einem Einfallswinkel von 40° gerichtet
werden, und die Strahlungsenergie, welche den Detektor durch die zweite
Maskeneinrichtung 8 erreicht, könnte in einem Reflexionswinkel
von 40° gesammelt
werden. Ein zweiter Glanzreflexionstest würde dann auf derselben Probe
vorgenommen (mit anderen Einlass- und Auslassmasken), was dadurch
erreicht werden könnte,
dass einfach das Gleitstück 57 in
seine zweite Position verschoben wird, wobei die Zielenergie auf
einen Einfallswinkel von 75° eingestellt
wird, und die gesammelte und nachgewiesene Energie auf einen Reflexionswinkel
bei 75° eingestellt
wird. Dann werden die Versuchsergebnisse verglichen im Zusammenhang
der Versuchsparameter, um die Differenz der reflektierten Energie,
die den Detektor erreicht, für
die beiden Versuche festzustellen. Dann werden die Testparameter
und die erhaltene Differenz zusammen mit bekannten mathematischen
Algorithmen verwendet, um die Komponenten der Probe zu quantifizieren
oder deren optische Konstanten zu bestimmen. Zahlreiche zusätzliche
Spiegel-, Transmissions- und/oder Emissionsuntersuchungen können bei
derselben Probe durchgeführt
werden, um die Bestimmung zu verbessern, die durch Verwendung derselben
Vergleichstechniken und mathematischen Verfahren vorgenommen wird.
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Aus
den voranstehenden Ausführungen
wird deutlich, dass sich Änderungen
der konstruktiven Einzelheiten und der Anordnung vornehmen lassen, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen, welcher sich aus den gesamten
Anmeldungsunterlagen ergibt. Beispielsweise kann das optische System
gemäß der vorliegenden
Erfindung ebenfalls eingesetzt werden zur Durchführung spektroskopischer Untersuchungen
bei Probenmaterialien, welche teilweise Strahlungsenergie absorbieren,
bevor sie diese durch die Einfallsoberfläche emittieren, oder es können Emissionsuntersuchungen
vorgenommen werden, bei welchen die Probe als die Quelle emittierter Energie
behandelt wird.