DE2539183C2 - Optisches Meßinstrument - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Meßinstrument mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zur Bildung eines Strahlenbündels, einem ersten Strahlenteiler in dem Strahlenbündel zur Bildung eines Probenstrahls und eines Bezugsstrahls, einem zweiten Strahlenteiler, auf den der Probenstrahl und der Bezugsstrahl zur Bildung eines wiedervereinigten Strahls treffen, und mit Einrichtungen zum Analysieren des wiedervereinigten Strahls.

Ein derartiges Meßinstrument kann beispielsweise ein Atomabsorptionsspektrometer sein. In einem Typ eines Atomabsorptionsspektrometers werden zwei Strahlenteiler verwendet. Der eine empfängt Strahlung von einer Lampe und teilt diese in einen Probenstrahl und einen Bezugsstrahl. Der Probenstrahl wird zu einem Spaltbild in dem Probenatomisierungsbereich (z. B. einer Flamme) fokussiert und danach vereinigt der zweite Strahlenteiler den Probenstrahl und den Bezugsstrahl wieder und der vereinigte Strahl wird danach durch einen Monochromator zu einem Detektor geschickt. Die Strahlenteile-, die zuerst für die Verwendung in dem obenerwähnten Instrument vorgeschlagen wurden, sind vom herkömmlichen »Ziegel«-Typ. Bei der Anwendung solcher Strahlenteiler hat sich jedoch herausgestellt, daß ein unerwünscht hoher Rauschpegel vorhanden war. Untersuchungen fanden, daß dieses Rauschen von einer zeitabhängigen Schwankung in der optischen Homogenität der Flamme oder Probe stammt. Das im Probenbereich erzeugte Spaltbild ist annähernd 0,5 mm breit und 3—7 mm hoch. Das Ziegelmuster des ersten Strahlenteilers wurde auf dem zweiten durch eine Lochoptik über das Medium des Spaltbildes in rohen Zügen abgebildet Es stellte sich heraus, daß Schliereneffekte das Bild des ersten Strahlenteilers auf dem zweiten Strahlenteiler sich verschieben oder schänken ließen, wodurch ein Rauschen entstand.

Aus der französischen Patentschrift 4 85 249 war bereits eine optische Einrichtung bekannt die dazu dient.

ίο ein Strahlenbündel derart zu teilen, daß weder in dem reflektierten Lichtstrahl noch in dem Durchgangslichtstrahl bemerkenswerte Störungen auftreten. Als besonders vorteilhaft wird es bei dieser Anordnung angesehen, daß das Auftreten von Beugungsspektren vermieden wird. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Strahlenteiler durch reflektierende und durchlässige Zonen gebildet wird, wobei diese Zonen oder Flächen so ausgestaltet sind, daß sie getrennt und dem unbewaffneten Auge sichtbar sind und daß sie völlig unregelmäßig orientiert oder angeordnet sind. Auch die Form der Fläche soll unregelmäßig sein, so daß insbesondere eine systematische Reihenanordnung oder eine periodisch wiederkehrende Anordnung von parallelen Grenzflächen zwischen den reflektierenden und durchlässigen Zonen vermieden wird.

Eine Anordnung der eingangs erwähnten Art ist auch bereits aus der US-Patentschrift 37 25 204 bekannt, bei der ein monochromatischer Strahl durch einen rotierenden Spiegel, dessen eine Hälfte durchlässig ist und dessen andere Hälfte den auftreffenden Strahl reflektiert, entsprechend der Drehgeschwindigkeit des Spiegels in einen Meßstrahl und einen Bezugsstrahl unterteilt wird. Nach dem Durchgang der Strahlen durch die Probe bzw. eine Bezugsprobe ist ein zweiter rotierender Spiegel vorgesehen, der eine reflektierende und eine durchlässige Hälfte aufweist. Durch diesen zweiten Spiegel werden die beiden getrennten Strahlen wieder zu einem gemeinsamen Strahl vereinigt. Anstelle dieses zweiten Spiegels kann jedoch auch ein feststehender Spiegel mit durchlässigen bzw. reflektierenden Streifen vorgesehen werden.

Durch die US-Patentschrift 16 62 693 ist auch bereits ein optisches System zur Verwendung in Dreifarbenkameras bekanntgeworden, bei dem in der Nähe des Objektivs ein aus dreieckförmigen Prismen zusammengesetzter Würfel verwandt wird, der auf seinen Diagonalflächen Streifen bzw. Muster aus reflektierenden und durchlässigen Flächen aufweist. Der in den Würfel eintretende Strahl wird in drei Strahlen in verschiedene Richtungen aufgeteilt. Teile der Diagonalflächen des Würfels können mit jeweils Streifen versehen sein, die in den verschiedenen Diagonalflächen im rechten Winkel zueinander verlaufen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, das durch Schliereneffekte verursachte Rauschen bei der Messung auf ein Minimum zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Meßinstrument der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste und der zweite Strahlenteiler jeweils sich abwechselnde reflektierende und strahlendurchlässige Streifen aufweisen, und daß die Projektionen der Streifen des ersten Strahlenteilers in eine Ebene senkrecht zur optischen Achse orthogonal zu den Projektionen der Streifen des zweiten Strahlentoilers verlaufen.

Durch diese Meßvorrichtung wird das durch Schliereneffekte verursachte Rauschen auf ein Minimum reduziert. Die Meßvorrichtung bietet weiterhin den Vor-

teil, daß mit den Strahlenteilern ein Verhältnis von reflektiertem zu durchfallendem Licht erreichbar ist, das über den UV-Bereich und den sichtbaren Bereich im wesentlichen konstant ist Dieses Verhältnis kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Dabei könneu die Strahlenteiler so gewählt werden, daß sie in den optischen Eigenschaften, wie der relativen Intensität, der Wellenlänge und der Breite des Spektralspaltes zueinander passen und daß sie schließlich eine hohe Effizienz, etwa durch niedrige Absorptionsverluste, bieten.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand eines in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispiels erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Atom-Absorptionsspektrometer als Beispiel für ein erfindungsgemäßes Meßinstrument; F i g. 2 eine Seitenansicht eines der Strahlenteiler; F i g. 3 eine Seitenansicht des anderen Strahlenteilers;

Fig.4 die Abbildung des einen Strahlenteilers auf de.n anderen.

In Fig. 1 ist ein Atom-Absorptionsspektrometer 10 dargestellt, das eine Strahlungsquelle 12, etwa eine Hohlkathodenlampe hat. Die Strahlungsquelle 12 richtet ein Bündel monochromatischer Strahlung auf einen ebenen Spiegel 14, von wo das Strahlenbündel zu einem fokussierenden Toroidspiegel 16 gelenktwird. Der Spiegel 16 richtet die Strahlung auf einen ortsfesten Strahlenteiler 18 der einen Teil der Strahlung in einen Probenstrahl S reflektiert, von dem in dem Probenbereich 20 ein Spaltbild / der Strahlungsquelle geformt wird. Der durchgehende Teil der Strahlung geht weiter durch den Strahlenteiler 18 zu einem Planspiegel 22. der einen Bezugstrahl R formt, der in einem Abstand parallel zum Probenstrahl verläuft. Nach dem Durchgang durch den Probenbereich wird der Probenstrahl von einem Planspiegel 24 auf einen zweiten, ortsfesten Strahlenteiler 26 reflektiert, der auch in dem Bezugstrahl R liegt. Dabei werden der Probenstrahl und der Bezugstrahl wiedervereinigt und ein Toroidspiegel 28 reflektiert die Strahlung durch eine Eintrittsblende 34 und über Planspiegel 30,32 zu einem Bild im Eintrittspalt 36 eines Monochrominors 38. Der Monochromator 38 arbeitet in üblicher Weise mit einem parallelrichtenden Spiegel 40 und einem Gitter 42, um ein schmales Wellenlängenband auszublenden und mit ihm am Austrittspalt 44 ein Bild zu erzeugen, worauf die Strahlung vom Austrittspalt auf einen Detektor 46 fällt. Ein von einem Motor 50 angetriebener lichtundurchlässiger Zerhacker 48 ist derart angeordnet, daß er periodisch den Probenstrahl und den Bezugstrahl in der gewünschten Folge abdeckt.

F i g. 2 zeigt den Strahlenteiler 18. Er weist ein Quarzglassubstrat auf, auf dem eine mit Aluminium bedampfte spiegelnde Oberfläche in der Form mehrerer vertikaler reflektierender Streifen 52 angebracht ist, die voneinander durch durchsichtige Bereiche 54 getrennt sind. Weiter weist der Strahlenteiler 18 einen linken reflektierenden Teil 56 und einen rechten reflektierenden Teil 58 auf. die breiter sind als die reflektierenden Streifen 52. Das Verhältnis der reflektierenden zu den durchlässigen Bereichen des Strahlenteilers 18 kann an die jeweiligen Verwendungsbedingungen angepaßt werden. Bei dem dargestellten Strahlenteiler sind z. B. die reflektierenden und durchlässigen Streifen annähernd gleich und haben eine Breite von etwas mehr als 1 mm.

F i g. 3 veranschaulicht den zweiten Strahlenteiler 26. der in den meisten Punkten dem Strahlenteiler 18 gleicht. Doch laufen bei dieser Ausführung die Streifen horizontal in Form von reflektierenden Streifen 62. die durch transparente Bereiche 64 voneinander getrennt sind. Der Strahlenteiler 26 hat außerdem einen oberen reflektierenden Teil 66 und einen unteren reflektierenden Teil 68. die beide breiter sind als die reflektierenden Streifen 62. Das Verhältnis von Reflexion zu Transmission kann auch beim zweiten Strahlenteiler variiert werden, um den gestellten Anforderungen zu genügen: in einer Ausführungsform jedoch, die zur Benutzung mit dem vorher beschriebenen Strahlenteiler 18 bestimmt ist. sind die reflektierenden Streifen etwas breiter als die transparenten Streifen, um einen größeren Anteil der Strahlung vom Probenstrahl S aufzunehmen. In einem praktischen Beispiel beträgt die Breite jedes reflektierenden Streifens 62 annähernd 2,36 mm, während die Breite jedes durchlässigen Streifens 64 annähernd 1,15 mm ist.

Die gestrichelten Linien 60 sind nicht körperliche Teile der Strahlenteiler 18 und 26, sondern definieren nur die freie Öffnung des Systems: sie sind angebracht, um ein wichtiges Merkmal zu illustrieren, nämlich daß an den betreffenden Strahlenteilern die Streifen sich vertikal bzw. horizontal ein gutes Stück über die Öffnung hinaus erstrecken, aber horizontal bzw. vertikal ein Stück weit in die öffnung gerückt sind.

Wie oben erläutert, hat das Spaltbild /eine Breite von nur etwa 0,5 mm und wirkt daher als Loch, das eine rohe Abbildung des Strahlenteilers 18 auf dem Strahlenteiler 26 erzeugt. Das Resultat ist in Fig.4 veranschaulicht, wo etwas schematisiert der Strahlenteiler 26', überlagert von dem Bild 18' des Strahlenteilers 18, gezeigt ist. Die Umrisse der beiden Strahlenteiler sind verzerrt, so daß sie sich nicht abdecken, und die Streifen sind in geringerer Zahl und viel breiter als in Wirklichkeit dargestellt, um die Funktion deutlich zu machen. Die Öffnung 60 ist mit gestrichelten Linien gezeigt.

Der Probenstrahl wird an den reflektierenden Teilen des Strahlenteilers 18 reflektiert und wo diese reflektierten Teile des Probenstrahles auf die reflektierenden Teile des Strahlenteilers 26 auftreffen, werden sie noch einmal reflektiert und sind als schräg schraffierte Bereiche 5'dargestellt. Das durch die durchlässigen Teile des Strahlenteilers 18 fallende Licht bildet den Bezugstrahl und die Teile, die danach auch durch die durchlässigen Teile des Strahlenteilers 26 gehen, treten in den wiedervereinigten Strahl ein und sind durch eine entgegengesetzte Schraffierung veranschaulicht und mit R' bezeichnet.

Nimmt man nun an, daß Schliereneffekte im Probenbereich 20 des Spektrometers das Bild 18' des ersten Strahlenteilers sich auf der Oberfläche des Strahlenteilers 26' bewegen lassen, so ist zu beobachten, daß dabei keine merkliche Änderung des Verhältnisses der Probenstrahl-Strahlung S' zur Bezugstrahl-Strahlung R' eintritt. Da die Streifen rechtwinkelig zueinander verlaufen, ist die Kombination von horizontalen und vertikalen Streifen unempfindlich gegen eine Strahlablenkung.

Außerdem werden Randeffekte dadurch ausgeschaltet, daß die Streifen innerhalb der freien Öffnung 60 gehalten werden und der Strahl im Probenbereich im optischen Strahl des Systems etwas überwiegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Optisches Meßinstrument mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zur Bildung eines Strahlenbündels, einem ersten Strahlenteiler in dem Strahlenbündel zur Bildung eines Probenstrahls und eines Bezugsstrahls, einem zweiten Strahlenteiler, auf den der Probenstrahl und der Bezugsstrahl zur Bildung eines wiedervereinigten Strahls treffen, und mit Einrichtungen zum Analysieren des wiedervereinigten Strahls, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Strahlenteiler (18, 26) jeweils sich abwechselnde reflektierende (52; 62} und strahlendurchlässige (54; 64) Streifen aufweisen, und daß die Projektionen der Streifen des ersten Strahlenteilers (18) in eine Ebene senkrecht zur optischen Achse orthogonal zu den Projektionen der Streifen des zweiten Strahlenteilers (26) verlaufen.

2. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Streifen von wenigstens einem der Strahlenteiler (18; 26) über die Ränder der optischen Öffnung (60) des Instrumentes hinausreichen.

3. Meßinstrument nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Streifen wenigstens eines der Strahlenteiler (18; 26) in der optischen Öffnung (60) des Instrumentes liegen.

4. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder (56, 58; 66, 68) der Streifen beider Strahlenteiler (18; 26) in der optischen Öffnung (60) des Instrumentes liegen und daß der Probenstrahl (S) im Strahlengang zwischen dem ersten und zweiten Strahlenteiler (18; 26) ein Bild formt.