DE8624408U1 - Spektrometer - Google Patents

Description

Eichholz, Helge 480/1

Spektrometer

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer, das aus einer spaltförmigen Blende, einer Kollimatorlinse, einer Prismenanordnung, einer Abbildungslinse sowie einem photoelektrischen Empfänger besteht, welche hintereinander im Strahlengang eines von der spaltförmigen Blende ausgehenden Lichtbündels angeordnet sind.

Spektralapparate ermöglichen die spektrale Auswertung des von einer Lichtquelle imitierten oder von einem Analysegegenstand remitierten oder absorbierten Lichtes im

Hinblick auf stoffliche Eigenschaften der Lichtquelle oder des Analysegegenstandes.

Die Wirkungsweise eines PrismenSpektralapparates beruht darauf, daß ein paralleles, aus verschiedenen Wellenlän-

gen zusammengesetztes Lichtbündel auf eine ebene Grenzfläche zweier lichtdurchlässiger Stoffe unterschiedlicher

J optischer Dichte fällt,, wodurch je nach Wellenlänge eine Brechung in unterschiedliche Rieht'·ingen erfolgt. Zur sauberen spektralen Zerlegung des Lichtes dient als Ausgangspunkt eine spaltförmige Blende, die parallel zur brechenden Kante des Prismas angeordnet ist. Die spaltförmige Blende steht im Brennpunkt einer KoIlimatorlin-

. se, welche ein für die saubere spektrale Zerlegung notwendiges Parallelbündel erzeugt. Das Prisma spaltet je nach Lichtzusaminensetzung das in ihn eintretende Parallelbündel in mehrere Parallelbündel mit jeweils einheitlicher Wellenlänge bzw. Farbe, sogenannte monochromatische Bündel, auf. Eine hinter dem Prisma angeordnete Abbildungslinse erzeugt monochromatische Bilder des Spaltes. Die Gesamtheit der farbigen Spaltbilder bildet das Spektrum. Je nach Art der Lichtquelle oder des Analysegegen-Standes erhält man kontinuierliche Spektren oder solche, in denen nur besondere Wellenlängen auftreten.

&mgr; &iacgr;« &egr; ft · &bgr; 4 # >

Spektralappärate werden nach der Art der Auswertung der Spektren in verschiedene Typen unterteilt. Beim Spektroskop wird das Spektrum Visuell betrachtet, der Spektrograph ermöglicht die Belichtung photographischer Schichten, das Spektrometer mißt und registriert das Spektrum quantitativ.

Aus dem Buch "Physikhtltte II, 29. Auflage, 1971, Seite 220, Bild 3.4 - 39 Nr. 3" ist ein Spektrometer der eingangs genannten Art bekannt. Als photoelektrlocher Empfänger dient eine Photozelle mit einem daran angeschlossenen Meßinstrument, welche die Strahlstärke eines durch einen Äustrittsspalt ausgeblendeten schmalen Teils des Spektrums photoelektrisch mißt. Die Spektren und der Austrittsspalt sind gegeneinander beweglich.

Dieses bekannte Spektrometer ermöglicht jeweils nur die Messung einer einzigen Spektrallinie. Soll das ganze Spektrum erfaßt werden, müssen unter Verschiebung des Austrittsspd;! tes eine große Zahl von Einzelmessungen durchgeführt werden. Eine Ermittlung der Wellenlänge des Lichtes erfordert zusätzlich die örtliche Erfassung der Lage des Austrittsspaltes. Eine Auswertung des gesamten Spektrums ist mit diesem Spektrometer sehr zeitaufwendig und

9
—

verlangt eine genaue Koordination der örtlichen Lage des Austrittsspaltes und des Ausgähgssignals der Photozelle. Ein weitere Nachteil besteht darin, daß während der Meßfolge auftretende Schwankungen der Beleuchtungsstärke der Lichtquelle die Meßergebnisse verfälschen können.

Außerdem sind für Laboruntersuchungen vorgesehene Spektrometer bekannt, bei denen die optischen Elemente rowie die mechanischen Befestigungs- und Justagemittel zur Erzielung einer spektralen Auflösung, die eine genaue Aussage über die Eigenschaften der Analysegegenstände erlauben, eine solche Baugröße aufweisen, daß nur ein stationärer Betrieb möglich ist. Zahlreiche sich einer spektrometischen Untersuchung anbietende Analysen bleiben diesen Spektrometern verschlossen. Dieser Nachteil wird auch durch die hohen Kosten für die Einzeluntersuchungen verstärkt. So sind für die Anschaffung eines derartigen

Spektrometer Kosten in Höhe von DM 300.000, 500.000,—

aufzuwenden. Für eine Analyse werden zwischen DM 90,— und DM 100,— verlangt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Spetrometer der eingangs genannten Art so zu verbessern _r daß eine schnelle, von Störungen unabhängige Auswertung

- &iacgr;&ogr; -

des Spektrums möglich ist und das Spektrometer unter Gewährleistung elfter aussagekräftige Analyse bietende Auflösung auch dem ortsveränderlichen Einsatz zugänglich ist und zudem kostengünstig in der Herstellung und im Betrieb sowie einfach bedienbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Spektrometer der eingangs genannten Art, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist, mit den im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmalen.

Durch die Verwendung eines CCD-Sensors wird eine gleichzeitige Erfassung aller abgebildeteten Spektralbereiche des Spektrums erzielt. Die den einzelnen Bildpunkten des CCD-Sensors zugeordneten elektrischen Ladüngswerte bleiben nämlich innerhalb des Sensors auch während der seriellen Weiterverarbeitung der Meßwerte in den Schieberegistern erhalten. Dadurch ist mit einer einzigen Messung eine präzise Aussage über das gesamte Spektrum während eines sehr kurzen Meßzeitraums möglich. Änderungen der Beleuchtungsstärke der Lichtquelle oder auch Änderungen der Eigenschaften des Analysegegenstandes, beispielsweise im strömenden Zustand, können die Verhältnisse zwischen einzelnen Spektrallinien untereinander nicht störend beeinflussen.

Die gleichzeitige Elffassung des gesamteh Spektrums bietet zudem die Möglichkeit, Me33ungen in kurzer Reihenfolge durchzuführen, Neben kostengünstigen Einzelmeßsungen erschließt sich damit dem Spektrometer als neues Anwendungsgebiet auch die Analyse von Stoffen, deren Eigenschaften sinsr ündsrung unterwerfen sinciL· z.B. beim Ablauf einer chemischen Reaktion.

Da CCD-Sensoren so hergestellt werden können# daß sie eine sehr große Arzahl von Bildpunkten auf einer extrem kleinen Fläche beinhalten, werden durch die Verwendung eines solchen Bauelements auch die Voraussetzungen geschaffen, die optischen Bestandteile des Spektrometers in einem sehr kleinen Gehäuse unterzubringen* Dadurch werden die optischen Bestandteile handhabbar, d.h. sie körnen als Spektrometersensor von dem Benutzer in die Hand genommen und auf den zu untersuchenden Analysegegenstand gerichtet wer* den. Dabei gestatten die geringen Abmessungen des Gehäuses Und das geringe Gewicht auch eine mühelose erschütterungsfreie Haltung.

Die mit den geringen Abmessungen des CCD-Sensors zusammenhängende geringe Baugröße wird dadurch erreicht, daß wegen des geringen Abstandes der Bildelemente des CCD-Sensors

auch nur eine geringe Brennweite der Abbildungslinse erforderlich ist. Die Gehäuseabmessungen werden dadurch sowohl in der Dicke als auch in der Länge günstig beein- | flußt.

Die geringe Baugröße schafft auch weiterhin die Voraussetzung, die örtliche Lage der optischen Bestandteile mit einfacheren Mitteln festzulegen, als dies bei einem Spektrometer isit größerer Brennweite der Abbildungslinse der Fall wäre.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Prismenanordnung |

als Geradsichtprisma ausgebildet und das Gehäuse weist ei- | ne rohrförmige Gestalt auf. Die durch die Blende, die Lin- i sen, das Geradsichtprisma und den CCD-Sensor führende optische Achse verläuft parallel zur Gehäuseachse oder fällt mit dieser zusammen, Diese Ausbildung der Prismenanordnung | ermöglicht eine geradlinige Führung des Strahlenganges, |

was einerseits die räumliche Ausnutzung eines symmetrischen f> Gehäuses verbessert und zudem die räumliche Festlegung der ^r optischen Bestandteile erleichtert. Die für eine optimal«? Handhabung günstige rohrförmige Gestalt des Gehäuses kann daher in besonders kleinen Abmessungen verwirklicht werden, so daß eö bequem von den Fingern einer Hand umgriffen

— 13 — * *·· · I '. I . ',,I J j

werden kann.

Damit ist auch die Voraussetzung geschaffen/ gemäß einer vorteilhaften Ausftihrungsform die Blende, die Linsen, das Geradsichtprisma und den CCD-Sensor örtlich durch Gehäuseteil selbst festzulegen.

Besonders sicher auch für eine rauhe Handhabung hat es sich erwiesen, die Linsen und das Geradsichtprisma mit dem Gehäuse zu verkleben. Dadurch wird eine in sich stabile verwlndungs- und verbiegungsfreie Ausgestaltung des Spektrometerserisors erzielt.

Bei einem praktisch ausgeführten Spektrometer besteht das Gehäuse aus Materialien mit gegenläufigen Temperaturausdehnungskoiffizienten. Diese Merkmale bieten auch bei Einsatz des Spektrometersensors unter extremen Klimabedingungen die Gewähr für eine gleichbleibende Meßgenauigkeit. Schwankungen der Umgebungstemperatur werden von dem Gehäuse nämlich so aufgenommen, daß dl« Abstände der optischen Bestandteile konstant bleiben. Sofern auch die optischen Eigenschaften der optischen Bestandteile einet temperaturabhängigen Veränderung unterworfen sind, lassen sich diese ebenfalls durch die genannten Maßnahmen derart kompensieren,

II* »II I t * I i

* * * * · ttttititt &mgr; ä t

- 14 -

daß die Meßgenauigkeit über den gesamten optischen Weg betrachtet innerhalb des für den Einsatz zulässigen klimatischen Rahmens erhalten bleibt.

Als besonders vorteilhaft für die Materialien mit gegenläufigem Temperaturausdehnungskoiffizienten haben sich die Legierungen Nickelin und Konstanten erwiesen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Spektrometer ist die Spaltbrei ta der Blende stufenlos veränderbar, und zwar verzugsweise zwischen 3 cm und 1/1000 cm einstellbar. Die Wahl unterschiedlicher Spaltbreiten bietet eine optimale Anpassung des Spektrometer an den zur Verfügung stehenden Wellenlängenbereich des Lichtes sowie an die Beleuchtungsstärke. Mit dem vorgeschlagenen Varlationsbsreich können alle praktisch auftretenden Meßaufgaben gelöst werden. Kleine Spaltbreiten bieten hohe spektrale Auflösungen bei geringer auf den CCD-Sensor auftreffenden Lichtintensität, große Spaltbreiten verringern die spektral® Auflösung bei höherer Intensität.

Bei einem praktisch ausgeführten Spektrometer kann die Spalteinstellung an Ort und Stelle durch eine von außen zugängliche Rändelschraube betätigt werden. Dieses Merkmal

- 15 -

gestattet eine schnelle und feinfühlige Justage.

Vorzugsweise läßt sich vor der Blende eine einstellbare Objektivlinse anbringen. Diese Linse erweitert den Einsatzbereich des Spektrometers auf die Analyse entfernt liegender Analysegegenstände- Mit Hilfe der Objektivlinse kann das von dem anvisierten Analysegegenstand aasgehende Lichtbündel auf die spaltförmige Blende fokussiert werden, wodurch die Einflüsse anderer Lichtquellen ausgeschaltet werden.

Vorzugsweise besteht das Geradsichtprisma aus einem ersten und dritten äußeren Teilprisma aus Flintglas und einem zweiten mittleren Teilprisma aus Chromglas. Da zur Erzielung eines geradlinigen Strahlenganges wenigstens ein Prisma gegensinnig zu dem oder den anderen Prismen ausgerichtet sein muß, besteht bei einer Dreieranordnung der Prismen das Problem, mit einem Prisma den gleichen Brechungswinkel zu erzielen wie er der Summe der beiden anderen Prismen entspricht. Für das mittlere Prisma wurde daher ein Material mit höherer Brechungezahl verwendet als für die beiden anderen Prismen. Diese Ausgestaltung sorgt lieben der Erzielung optimaler optischer Eigenschaften auch für eine räumlich kompakte Ausbildung der Prismenanordnung.

*· ie - *; i *: : &igr; &iacgr; sj

Die Dispersion des Gerädsichtprismae igt dabei so bemessen, daß die die C- und F-Fraunhöfer-Linien abbildenden Strahlen einen Winkel von etwa I3^a einschließen. Diese Auslegung erlaubt, den CCfJ-Sensor in einem kürzen Abstand von dem Gerädsichtprisma anzuordnen und dabei trotzäein eine optimale nüsieüchfcüng des aktiven, lishfesir.p£i«dlichen Bereichs des CCD-Sensors zu erzielen. Gleichzeitig verhindert diese Bemessung der Dispersion, daß ein Teil des auf das Prisma eintreffenden Lichtes durch Totalreflektion für die Messung verloren geüb, und daß das auswertbare Spektrum auf einen engen Spektralbereich eingeschränkt wird.

Vorzugsweise sind für den sichtbaren Bereich Linsen vorgesehen, die aus Acrylglas bestehen. Dieses Material bietet bei hoher Brechungszahl eine günstige spektrale Wiedergabetreue. Das bedeutet, das die spektrale Zerlegung Ubb einfallenden Lichtbündels überwiegend durch das Geradsichtprisma erfolgt und von den Linsen nur geringfügig beeinflußt und verfälscht werden kann. Diese Maßnahme schafft daher eine hohe Meßlinearität.

Für den gesamten Bereich des zu untersuchenden Spektrums von etwa 200 bis 1000 nm, insbesondere zur Messung des

·*♦ 44 »1114 »* ·· «*

Ultravioletten Bereichs werden Linsen verwendet, die aus Quarzglas bestehen. Dieses Material bietet bei günstiger Brechzahl und vertretbarer spektraler Wiedergabetreue eine sehr günstige, gleichmäßige Lichtdurchlässigkeit Über den genannten Spektralbereich.

Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektrometers stimmt die Breite des aktiven, lichtemfpind-1ichen Bereichs des CCD-Sensors mit der Breite des abzubildenden Spektrums überein oder ist geringfügig größer bemessen und in ca. 2.000 Bildpunkte aufgeteilt.

In diesem Falle besteht eine optimale Anpassung zwischen den Linsenabmessungen und dem Prisma auf der einen Seite und der Breite des aktiven, lichtempfindlichen Bereichs des CCD-Sensors auf. der anderen Seite. Diese Abstimmung bietet die Voraussetzungen für eine optimale Ausnutzung des Gehäusevolumens. Die höchste Auflösung läßt sich bei dieser Ausführungsform dann erzielen, wenn die Spaltbreite der Blende so eingestellt wird, daß das auf dem CCD-Sensor wiedergegebene Abbild des Spaltes gerade die Breite eines Bildpunktes hat. Es Gind dann Auflösungen von 0.-5 nm möglich.

• · &psgr; t · ff » · »ff ··

· · · · II·· IHI I ·· ·

Bei elfter abgewandelten Ausführungsform ist die Breite des aktiven, lichtempfindlichen Bereichs des CCD-Sensors kleiner als die Breite des abgebildeten Spektrums und der CCD-Sensor auf einem in der Bildebene verschiebbaren Schlitten angeordnet.

Diese Merkmale gestatten Messungen mit höherer Auflösung durchzuführen. Zwar kann dann das gesamte abgebildete Spektrum nicht gleichzeitig erfaßt werden, es reicht für Analysen jedoch meist aus, einen Teilbereich des Spektrums auszuwerten, wenn die Messung des erfaßten Spektralbereichs unter der erzielten erhöhten Auflösung dann gleichzeitig erfolgen kann.

Wird für die abgewandelte Ausführung der gleiche CCD-Sensor verwendet wie für die erstgenannte, so lassen sich höhere Auflösungen durch zwei Maßnahmen erreichen, die auch kombinierbar sind. Die eine Maßnahme besteht in einer Erhöhung der Dispersion durch Einsatz einer anderen Prismaanordnung, die andere in einer Erhöhung der Brennweite der Linsen, insbesondere der Abbildungslinse. Während eine Erhöhung der Dispersion des Prismas keine Vergrößerung der Baulänge des Gehäuses erfordert, wird bei einer Erhöhung der Brennweite der Abbildungslinse eine um

diesen Betrag größere Baulänge benötigt.

Im Gegensatz zu den bekannten eingangs genannten Spektrometer ist bei der Verschiebung des CCD-Sensors keine ver-

gleichbar präzise Feststellung der örtlichen Lage erforieh Vieliüehr wird es in den !ssistsn Fällen ausrsiehs

die ungefähre Lage zu ermitteln, da das erfaßte Teilspektrum bereits so charakteristisch ist, daß aufgrund der Intensitäts- und Abstandsverhältnisse der abgebildeten Spektrallinien auf die örtliche Lage auf dem CCD-Sensor rückgeschlossen werden kann.

Bei einem praktisch verwirklichten Spektrometer der erfindungsgemäßen Art weist das zylindrische Gehäuse eine Breite von etwa 3,5 cm und eine Länge von etwa 10 cm auf. Es hat sich gezeigt, daß mit diesen Abmessungen die Unterbringung von optischen Bestandteilen möglich ist, die eine Auflösung von etwa 0,5 nm erlauben, und daß ferner die mechanische Stabilität sicher erreichbar und das Gehäuse einfach handhabbar ist, d.h. bequem ergriffen und auf den Analysegegenstand gerichtet werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung umfaßt die Auswerteeinheit ein Interface und einen Personal Computer, die

örtlich von dem den CCD-Sensor beinhaltenden Gehäuse abgesetzt sind.

Diese Maßnahmen ermöglichen die optimale Handhabung des Spektrometers, indem nur solche Bestandteile zu einem in die Hand zu nehmenden Spektrometersensor vereinigt werden die für die optische Verarbeitung des emitierten oder remitierten Lichtes sowie die optoelektrische Signalumwandlung erforderlich sind. Die für die elektrische Weiterbsarbeitung benötigten Bestandteile belasten den Raumbedarf und das Gewicht des Spektrometersensor^ nicht.

Die Verwendung eines Personal Computers in der Auswerteeinheit ermöglicht eine automatische Meßwerterfassung, MeBwertspeicherung und Meßwertauswertung und eröffnet auch die Möglichkeit einer automatischen Kalibrierung. Die Art der Meßwertauswertung kann ferner den Benutzerwünschen angepaßt werden.

Mit dem zwischen dem CCD-Sensor und dem Personal Computer geschalteten interface wird eine elektrische Anpassung der Ausgangssignale des CCD-^Sensors an die von dem Personal Computer verarbeitbaren Eingangssignale erzielt. Die gesonderte Ausbildung des Interface erleichtert die Anpassung

- 21 -

des CCD-Sensors an jeden handelsüblichen Personal Computer durch einfache Umschaltung des Interface oder seinen Austausch ohne das dadurch ein Eingriff in den Spektrometer sensor vorgenommen werden müßte.

Ein die erf inclungsgemäßen Merkmale aufweisendes Spektrometer läßt sich wesentlich einfacher und kostengünstiger herstellen und betreiben als die eingangs genannte stationäre Laborausführung. Die Beschaffungskosten werden auf etwa DM S.000,— veranschlagt. Hinzu kommen die Anschaffung skosten für den Personal Computer und das Interface. Dementsprechend sind die Kosten für eine Einzelmessung mit etwa DM 5,— anzusezten.

Aufgrund des kostengünstigen Betriebs und der leichten Handhabbarkeit im Vergleich zu dem bekannten stationären Spektrometer erschließen sich der Erfindung eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten, die im wesentlichen darauf beruhen, daß die spektrometrische Messung in der Umgebung stattfinden kann, in der sich gerade der Analysegegenütand befindet. Anwendungen für eine Spektralanalyse bei Remissionsmessungen sind z.B. in der produzierenden Industrie die allgemeine Qualitätskontrolle, bei Farbdruckereimaschinen die automatische Kontrolle und Justage der Farb

zusammensetzung, in der chemischen Industrie die überwachung chemischer Reaktionen und die Steuerung und überwachung des Produktionsablaufs, in der Fördertechnik die Einzelsortierung durch Farberkennung, in der Medizin die Standardisierung und überwachung unterschiedlicher Lösungen von Enzymen, Seren und Gewebeproben, in der Nahrungsmittelindustrie die Kontrolle von Nahrungsmitteln. Anwendungen einer Spektralanalyse bei Emissionsmessungen ist die Steuerung und Optimierung sowie überwachung von Verbrennungsvorgär^gan, z.B. bei großtechnischen Kraftmaschinen oder Heizungsanlagen.

Als weitere Anwendungsmöglichkeit sind die automatische Geld- oder Wertmarkenerkennung zu erwähnen.

Bei den klassischen Laboruntersuchungen, die auch mit den bisherigen stationären Spektrometern durchgeführt wurden, ergibt sich die Möglichkeit, diese an Ort und Stelle und damit schneller durchzuführen. Hier sind zu nennen Blutuntersuchungen durch Absorbtionsspektroskopie, Elementaranalysen durch Emsissions- und Absorbtionsspektroskopie, Dünnschichtchromatographie, High Performance Layer Chromatographie, Elektrophorese, Gaschromatographie und phorensische Toxikologie.

Eine besonders wichtige Anwendung besteht schließlich in der Umweltüberwachung durch spektrometische Messungen von Rauchgasen, Gewässern und Luft.

Bei der überwachung von Gewässern erweist es sich als günstig, wenn die optischen und optoelektrischen Bestandteile des Spektrometers in Form eines Spektrometersensors von dem Interface und dem Personal Computer abgesetzt·.

sind. Der Spektrometersensor kann dann in das Gewässer eingetaucht werden, um Messungen onne störende Beeinflussung durch die Umgebungsluft durchzuführen.

Bei spektroskopischen Messungen von Rauchgasen und der Luft erweist es sich als besonders vorteilhaft, den Spek-

trometersensor mit einer vorgesetzten Objektivlinse zu verw&viden. Die zu untersuchenden Analysegegenstände können dann auch aus größerer Entfernung anvisiert werden, sei es, daß der Aufenthalt in der Nähe des Analysegegenstattdes gefährlich ist, sei es, daß der Betreiber der Anlage den Zutritt verwehrt.

Wird das Spektrometer gemäß etncz Abwandlung mit einem einfachen Winkelprisma versehen, so lassen sich auch refrakto-

metische Messungen durchführen, wie sie z.B. für Qualität Und Steuerüngsäüfgäben in der Lebensmittelindustrie, in der Zellulose- Und Papierindustrie Und in der chemischen Industrie zweckmäßig oder erforderlich sind.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der weiteren Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, die ein AUsführungsbeispiel der Erfindung wiedergibt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Spektrometers,

Fig. 2 eine räumliche Außenansicht eines Spektrometersensors des erfindungsgemäßen Spektrometers ,

Fig. 3 einen Länsschnitt durch das Gehäuse eines Spektrometersensors des erfindungsgemäßen Spektrometes, und

Fig. 4 ein Beispiel für die Darstellung eines gemessenen Spektrums, wie es auf einem Personal Computer wiedergegeben wird.

es es is er

Das in Fig* 1 dargestellte erfindungsgemäße Spektrometer besteht aus einem als Ganzes mit 10 bezeichneten Spektrometersensor, einem Interface 12 sowie einem Personal Computer 14*

Der Spektrometersensor 10 umfaßt im einzelnen eine spalfcförmige Blende 16, eine Kollimatorlinse 18, ein Geradslchtprisma 20 aus den Teilprismen 22, 24, 26, eine Abbildungslinse 28, einen CCD-Sensor 30 sowie ein die genannten optischen und optoelektrischen Bestandteile umgebendes Gehäuse 32. Der CCD-Sensor, das Interface und der Personal Computer sind untereinander durch Signalieihingen 34 verbunden*

Vor der spaltförmigen Blende 16 des Spektrometersensors 10 befindet sich eine Objektivlinse 36, die bei Bedarf auch entfernt werden kann. Mit 38 ist ein Analysegegenstand angedeutet.

Bei dem Analysegegenstand handelt es sich Um eine emittierende Lichtquelle oder die zu messende Oberfläche eines remittierenden Gegenstandes, der je nach Anwendung und zu untersuchender Wellenlänge mit einer Lichtquelle bestrahlt wird, z.B. einem Quecksilberbrenner, einer Xenon-

- 26 -

Hallogeh-, Wolfram- oder Jodquarzlampe. Die für die Messung notwendige Kurzzeitstabilität der Lampe wird durch Stabilisieren der Betriebsspannung erreicht. Bei der Messung des Remissionsspektrums von Oberflächen wird diese vorzugsweise unter einem Winkel von 45° beleuchtet. Es ist jedoch auch möglich, die Oberfläche senkrecht zu beleuchten und den Spektrometersensor unter einem Winkel von zur Materialoberfläche anzustellen. Durch diese Maßnahme wird der bei glänzenden Oberflächen auftretende Anteil direkter Reflektion unterdrückt.

Wird die Lichtquelle in Betrieb gesetzt, so gelangt das von dem Analysegegenstand 38 ausgehende Licht direkt oder über die Objektivlinse 36 auf die spaltförmige Blende Wird eine Objektivlinse 36 verwendet, so läßt sich die Messung auf ein kleines Feld des Analysegegenstaiides 38 begrenzen.

Die spaltförmige Blende 16, die von dem Lichtbündel getroffen wird, dient zur Erzeugung eines Sekundärlichtquelle mit scharf begrenzter Ausdehnung. Die Spaltbreite kann der jeweiligen Aufgabenstellung angepaßt werden; kleine Spaltbreiten ergeben hohe spektrale Auflösungen bsi geringer auf den CGD-Sensor auftreffender Lichtin-

! &iacgr; &iacgr;**.&igr;&iacgr;"

tensität, große Spaltbreiten verringern die spektrale Auflösung bei höherer Intensität* Das von der spaltföz¹-migen Blende 16 ausgehende Licht wird von der Kollimatorlinse 18 auf unendlich fokussiert, d.h., daß das vom Spalt ausgehende Licht in ein Parallelbündel umgesetzt wird. Die Kollimatorlinse 18.kann als Einzellinse oder achromat ausgebildet sein. Bei Verwendung einer Einzellinse wird streng genommen nur das Licht ainsr Wellenlänge in ein Parallelbündel überführt. Bei den übrigen Wellenlängen divergiert oder konvergiert das LichtbÜndel. Dieser Effekt wird bei Verwendung einer achromatischen Linse fast beseitigt. Da es bei der geforderten Aufgabenstellung auf die Güte der Strahlenganges ankommt, wird vorzugsweise eine achromatische Linse verwendet.

Das Geradsichtprisma 20 dient zur spektralen Zerlegung des &iacgr;

auftreffenden Parallelbündels. Die erzielbare spektrale Auflösung kann durch mehrere im Strahlengang hintereinander angeordnete Teilprismen erhöht werden. Indem das mittlere Teilprisma 24 gegensinnig zu den beiden äußeren Teilprismen 22 und 26 ausgerichtet ist Und seine Ablenkung betragsinäßig mit der Summe der Ablenkung der beiden äußeren Teiiprismen 22, 26 übereinstimmt, erfährt das in das Geradsichtprisma eindringende LichtbÜndel im Mittel kei-

■ «

• ♦ · e ·

ne Ablenkung. Die optischen Bestandteile lassen sich daher koaxial im Gehäuse anordnen.

Hinter dem Geradsichtprisma trifft das spektral zerlegte Strahlenbündel auf die Abbildungslinse 28, die die monochromatischen Bilder der spaltförmigen Blende 16 in die Bildebene fokussiert. In dieser befindet sich die lichtempfindliche Schicht des CCD-Sensors 30.

Der CCD-Sensor 30 ist ein integrierter Ha.lbleiterbaustein. Er enthält eine Reihe von gleichartigen linear angeordneten lichtempfindlichen Elmenten. Diese sind für das gesamte sichtbare Spektrum empfindlich. Die lichtempfindlichen Elemente geben eine Spannung ab, die proportional zur eingestrahlten Lichtintensität ist. Der CCD-Sensor 30 wird von dem Interface 12 angesteuert und über führt in umgekehrter Richtung nacheinander die Signale der einzelnen Bildpunkte, die von den lichtempfindlichen Elementen über Schieberegister zum Ausgang des CCD-Sensors gelangen. Der CCD-Senor 30 wird in der Ebene der Abbildung der spaltförmigen Blende 16 senkrecht zum einfallenden Licht so angeordnet, daß sich das Spektrum etwa über seinen gesamten aktiven, lichtempfindlichen Bereich erstreckt«

* I Il *i 4 » 41 ti

" II· » < 1 · < &igr; &igr; |f

I > < < * 1 i.i .1. ■ . ,it

Von dem Interface 12 werden die Ausgangssignale des CCD-Sensors 30 so aufbereitet, daß sie von dem angeschlossenen Personal Computer 14 weiterverarbeitet werden können. Die Weiterverarbeitung kann z.B. in der Gewinnung von Steuersignalen oder in einer graphischen Darstellung des gemessenen Spektrums auf dem Monitor des Personal Computers bestehen.

Zur Erläuterung einiger konstruktiver Einzelheiten zeigt Fig. 2 eine Außenansicht eines Spektrometersensors 10. Das Gehäuse beistzt eine rohrförmige, zylindrische Gestalt mit einem Durchmesser von 3,5 cm und einer Länge von 10 cm. In der einen Stirnfläche ist die spaltförmige Blende 16 eingelassen, die hinsichtlich ihrer Spaltbreite einstellbar und mittels einer Rändelschraube 40 von außen zuqänqlich betätlqbar ist. Aus der anderen Stirnfläche führt ein die Signalleitungen 34 aufnehmendes Kabel heraus, das für eine gute Handhabbarkeit auch eine Länge von einigen Metern aufweisen kann und mit dem Hier nicht dargestellten Interface 12 verbunden 1st.

* &diams; · &diams; * KH I'M I * * «

Soll das erfindungsgemäße Spektrometer erstmalig zur Messung verwendet werden, so 1st zunächst eine Kalibrierung der Meßanordnung erforderlich. Das Erfordernis ergibt sich unter anderem daraus, daß aufgrund der nichtlinearen Winkelabweichung im Prisma die Auflösung über das gesamte sichtbare Spektrum nicht konstant ist.

Zum Zwecke der Kalibrierung der WeIlenlängenskala wird der Spalt mit einem Spektrum bestrahlt, welches über den ganzen sichtbaren Spektralboreich verteilt einzelne Linien emittiert. Trotz der nichtlinearen Wellenlängenskala läßt sich das Linienspektrum in den Signalen der Bildpunkte leicht wiederfinden. Durch rechnerische Interpolation der Signale kann so eine Zuordnung von Bildpunkt zu Wellenlänge getroffen werden.

Zur Durchführung der eigentlichen Messung wird zunächst das Reffliseionsspekfcrum von einer neutral weißen Oberfläche gemessen. Die vom CCD-Sensor gelieferten Signale

* ' * · * &igr;·« ti t t ti

&bull; werden vom Personal Computer als Referenzwerte gespeichertAnschließend wird das Emissionsspektrum der zu ! * untersuchenden Oberfläche aufgenommen. Diese Meßwerte . werden ebenfalls gespeichert. Unter der Voraussetzung, daß die Beleuchtung zwischen beiden Messungen kons,tant ist, ergibt für jedes Sensorelement das Verhältnis von Signalspannung aus der Probenmessung zu Signalspannung aus der Referenzmessung die normierte, d.h. auf eins be-

^: zogene Remission. Die für den Spektralbereich daraus resultierende Remissionskurve kann direkt über den Monitor des Personal Computers ausgegeben werden, wie es in Fig.

4 dargestellt ist. Darin ist über der Abszisse 42 die Wellenlänge und über der Ordinate 44 die Remission aufgetragen.

Die Remissionskurve des Referenzgegenstandes ist mit und diejenige des Analysengegenstandes mit 48 bezeichnet. Während das obere Teilbild in Fig* 4 die nicht normierte Darstellung zeigt, ist die Darstellung im unteren Teilbild normiert, indem die Remissionskurve des Referehzgegenstandes für alle WellenlHnC/enbereiche auf den Wert eins bezogen wurde.

·*" «&Igr;» &bgr; 4 4 t &uacgr;

" ··< I > < t < 1 i 11 i *« t t tl44****t ·

Claims (1)

1. &Lgr; t· * 4»

   i, t . *. &iacgr; &iacgr;

   Eichholz, Helge 480/1

   SchutzanBprUche I

   1, Spektrometer, bestehend aus einer spaltförraigeri Blende (16), einer Kollimatorlinse (18), einer i'ris- |

   menanordnung (20) , einer Abbildungslinse (28) sowie einem photoelektrischen Empfänger, welche hintereinander im Strahlengang eines von der spaltförmigen Blende (16) ausgehenden Lichtbündels angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Empfänger als CCD-Sensor (30) ausgebildet ist, und daß die Blende (16), die Linsen (18, 28), Prismenanordnung (20) und der CCD-Sensor (30) in einem handhabbaren Gehäuse (32) untergebracht sind.

   > · · llflttii

   - 2 ~ »j j ; ⁹ItIiIl*

   2&ngr; Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Priemenanordnung als Gerädsichtprisma (20) ausgebildet ist, das Gehäuse (32) eine rohrförmige Gestalt aufweist und daß die durch die Blende (16), die Linsen (18, 28), das Geradsichtprisma (20) und den CCD-Sensor (30) führende optische Achse parallel zur GehäüSeachse verläuft oder mit dieser zusammenfällt.

   3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (16), die Linsen (18, 28), das Geradsichtprisma (20) und der CCD-Sensor (30) örtlich durch Gehäuseteile festgelegt sind.

   4. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (18, 28) und das Gejtadsichtprisma (20) mit dem Gehäuse (32) verklebt sind.

   5. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (32) aus Materialien mit gegenläufigen Temperatürausdehnungskoiffizienten besteht.

   6. Spektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien mit gegenläufigen Tempera-

   &bull; · ·*· im

   <f<<« ··&diams;·» 'I It

   türausäehnungskolffizienten Nickelin und Konstanten sind.

   7. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,-daß die Spaltbreite der Blende (16) stufenlos veränderbar, vorzugweise zwischen 3 cm und 1/1000 cm einstellbar ist.

   8; Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Spalteinstellung durch eine von außen zugängliche Rändelschraube (40) betätigbar ist.

   9. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-^8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Blende (16) eine einstellbare Objektivlinse (36) anbringbar ist.

   10. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Geradsichtprisma (20) aus einem ersten und dritten, äußeren Teilprisma (22, 26) aus Flintglas und einem zweiten, mittleren Teilprisma (24) aus Chromglas besteht.

   11. Spektrometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion des Geradsichtprismas (20) so bemessen ist,_s daß die die CF-Fraunhofer-Linien abbil-

   denden Strahlen eine Winkel von 13° einschließen.

   12. Spektrometer für den sichtbaren Bereich nach eine/ii der vorhergehenden Anspruch 1-11, dadurch ge^ Kennzeichnet, daß die Linsen (18, 28) aus Acrylglas bestehen.

   13. Spektrometer für den gesamten optischen, insbesondere ultravioletten Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß die linsen (18, 28) aus Quarzglas bestehen.

   14. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des aktiven, lichtempfindlichen Bereichs des CCD-Sensors (30) mit der Breite des abzubildenden Spektrums übereinstirant oder geringfügig größer ist und in ca. 2.000 Bildpunkte aufgeteilt ist.

   15. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des aktiven _t lichtempfindlichen Bereichs des CCD-Sensors (30) kleiner als die Breite des abgebildeten Spektrums ist und daß der CCD-Sensor auf einem in der Bildebene verschiebbaren Schlitten angeordnet ist.

   16. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (32) eine zylindrische Gestalt mit einer Länge von etwa 10 cm und einem Durchmesser von etwa 3,5 cm darbietet.

   17. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenanordnung (20) als 45° Einfach-Prisina ausgebildet ist.