Die Erfindung betrifft einen Monochromator der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Monochromatoren der genannten Art sind Spektralapparate, die aus einem von einem Gitter erzeugten Spektrum mit einem Austritts¬ spalt einen sehr schmalbandigen Bereich ausblenden. Bei Drehung des Gitters fährt das Spektrum am Gitter vorbei, so daß je nach Winkelstellung des Gitters bestimmte Lichtfrequenzen untersucht werden können. Wird das Gitter laufend geschwenkt, so kann ein ganzes Spektrum gescannt werden.

Gitter werden wegen ihrer hohen Auflösung verwendet, haben aber den Nachteil, daß sie stets Spektren in mehreren Ordnungen erzeu¬ gen. Die 0. Ordnung ist nicht verwendbar, da sie keine Spektral¬ zerlegung aufweist. Die nachfolgenden Ordnungen weisen abneh-

mende Lichtintensität und steigende Dispersion (Spektralauflösung) auf. Aus Intensitätsgründen wird zumeist die I. Ordnung verwen¬ det. Störend dabei ist aber, daß sich die unterschiedlichen Ordnun¬ gen überlappen. Langwelliges Licht der π. Ordnung liegt an der Stelle kurzwelligen Lichtes der I. Ordnung. Daher sind die erwähn¬ ten Kantenfilter erforderlich, die nur oberhalb einer Kan¬ tenwellenlänge Licht durchlassen und somit geeignet sind, bei Be¬ trachtung des Lichtes der I. Ordnung das Licht der II. Ordnung auszufiltern. Das funktioniert aber nur in einem bestimmten Spek¬ tralbereich. Wird beispielsweise mit einem Kantenfilter von 800 nm Kantenwellenlänge gearbeitet, soll aber kürzerwelliges Licht be¬ trachtet werden, so muß das Kantenfilter aus dem Strahlengang ge¬ schwenkt oder durch ein Filter kürzerer Kantenwellenlänge ersetzt werden.

Bei bekannten Monochromatoren sind zu diesem Zweck Kanten¬ filter derart angeordnet, daß sie bei Über- bzw. Unterschreiten be¬ stimmter Drehwinkel des Gitters ein- und ausgeschwenkt werden.

Eine solche Konstruktion ist aus der EP 0 015 607 Bl bekannt (Fig. 2). Das Kantenfilter wird dort von einer kontinuierlichen Kurven¬ scheibe mit Stufenkurve schrittweise bewegt. Der Schrittbetrieb des Kantenfilters hat störende Einflüsse auf die Verstellung des Mono- chromators und stört eine hochpräzise kontinuierliche Verstellbar¬ keit.

Eine gattungsgemäße Konstruktion ist aus dem DE-GM 81 34 940 bekannt. Hier wird ein Kantenfilter kontinuierlich vom Antrieb des Gitters, nämlich einem Einstellknopf, verstellt. Jedoch erfolgt die Verstellung des Kantenfilters linear mit dem Einstellknopf, während das Gitter sinusförmig bewegt wird. Die Winkelstellungen von Gitter und Filter lassen sich nur bei einer Wellenlänge in Überein¬ stimmung bringen. Eine Anwendbarkeit für Filter mit mehreren Kanten ist ausgeschlossen. Ferner gestaltet sich eine Verschiebung des Kantenfilters zu einem anderen Spektralbereich sehr schwierig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Monochromator der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem beliebige Spektralbereiche unter Ausfilterung störender Ordnungen mit hoher Genauigkeit kontinuierlich gescannt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der mit einem Kantenfilter abzudeckende Spektralbereich zum erzeugten Spektrum feststeht. Ein Filter muß also in einem Spektrum beispielsweise der I. Ordnung einen Bereich zwischen zwei feststehenden Wellenlän¬ gen abdecken. Das Spektrum bewegt sich mit der Winkelgeschwin¬ digkeit des Gitters. Wird das Filter auf seinem Radius zur Drehachse des Gitters im entsprechenden Spektralbereich positio¬ niert, so kann es mit dem Gitter kontinuierlich geschwenkt werden. Wird der Filter winkelsynchron mit dem Gitter geschwenkt, so ste¬ hen alle seine Punkte stets in fester Zuordnung zu bestimmten Li¬ nien des Spektrums. Bei beliebig vielen Kanten des Filters ergibt sich somit passende Übereinstimmung zum erzeugten Spektrum. Durch den kontinuierlichen ruckfreien Antrieb des Filters werden störende Einflüsse auf den Gitterantrieb, die Schwingungen und somit eine Verringerung der Auflösung bewirken würden, vermie¬ den. Es kann mit hoher Geschwindigkeit ohne Verringerung der Genauigkeit gescannt werden.

Ein gesondertes Ein- und Ausschwenken des Filters mit einem ei¬ genen, getrennt vom Gitterantrieb vorgesehenen Antrieb ist daher nicht erforderlich. Da das Filter kontinuierlich mit dem Gitter ge¬ schwenkt wird, muß die Gitterverschwenkung nicht mehr zum Fil¬ terwechsel unterbrochen werden. Es lassen sich sehr hohe und ins¬ besondere kontinuierliche Scangeschwindigkeiten erreichen.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Bei Vorsehen mehrerer Filter unterschiedlicher Kantenwellenlänge ist die Erfindung besonders vorteilhaft, da lediglich ein Filter mit un¬ tereinander feststehendem! unterschiedlichen Bereichen mit dem

Spiegel geschwenkt wird. Das mehrfache Unterbrechen der Schwenkbewegung zum Zwecke des Filterwechsels entfällt.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgese¬ hen. Das Filter soll möglichst eng am Austrittsspalt sitzen, auf des¬ sen Radius vom Gitter das Spektrum fokussiert ist. Es ist also ein die Filterbewegung mit der Gitterbewegung koppelndes Getriebe erheblicher Länge erforderlich. Wird dieses als einfacher, das Filter tragender, mit dem Gitter schwenkender Arm größerer Länge aus¬ gebildet, so ergeben sich Schwingungsprobleme. Bei der gewählten Ausführung werden diese vermieden, insbeondere mit der Ausfüh¬ rung des Anspruches 4, bei dem das Koppelgetriebe mit einem Zahnriemen arbeitet. Dieser ergibt bei hoher Antriebspräzision auch bei großen Scangeschwindigkeiten aufgrund seiner Eigen¬ dämpfung eine schwingungs- und lärmarme Übertragung.

Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 5 vorgese¬ hen. Auf diese Weise läßt sich der Antrieb, insbesondere auch hin¬ sichtlich der Filterverschwenkung, sinusförmig, also mit niedrigst- möglichen Beschleunigungskräften ausbilden, wobei die Merkmale des Anspruches 6 für die erforderliche Ansteuerungspräzision sor¬ gen.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schema¬ tisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste vereinfachte Ausführungsform des er¬ findungsgemäßen Monochromators in Draufsicht,

Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1 einer bevorzugten

Ausfiihrungsform des Monochromators,

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3 - 3 in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 4 - 4 in Fig. 2 und

Fig. 5 eine schematische Ansicht entsprechend Fig. 3 mit

Darstellung des Spektrums in I. und II. Ordnung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der dargestellte Monochromator ein Gehäuse auf mit einer nicht dargestellten, parallel zur Zeich¬ nungsebene erstreckten Grundplatte und einer nur ausschnittsweise dargestellten umlaufenden Wand 1, in der stark schematisiert ein Eintrittsspalt 2 und ein Austrittsspalt 3 dargestellt sind.

Um eine mit einem gestrichelten Kreis angedeutete Drehachse 4 schwenkbar ist ein Gitter 5 vorgesehen. Dieses besteht in einer der üblichen Bauweisen aus einer stabilen Platte, auf deren durch die Drehachse verlaufenden Fläche in geeigneter Weise ein Gitter an¬ geordnet ist, beispielsweise in Form geätzter Linien. Je nach Bau¬ ausführung kann die das Gitter tragende Fläche auch beispielsweise konkav ausgebildet sein.

Das Gitter 5 steht auf einer Drehplatte 6, von der es um die Drehachse 4 gedreht werden kann. Dazu greift an einem Drehzap¬ fen 7 eine Schubstange 8 an, deren anderes Ende auf einem Dreh¬ zapfen 9 einer Kurbel 10 gelagert ist, welche auf der Abtriebswelle 11 eines elektrischen Schrittmotors 12 befestigt ist.

Wenn der Schrittmotor 12, wie mit einem Pfeil dargestellt, konti¬ nuierlich umläuft, so ergibt sich für das Gitter 5 eine Hin- und Her¬ schwenkbewegung in einem gewissen Winkelbereich.

Die Motoransteuerung kann dadurch vereinfacht werden, daß an der das Gitter 5 tragenden Drehplatte 6 eine bestimmte Winkelstel¬ lung abgegriffen wird. Dazu ist, wie Fig. 1 zeigt, an der Drehplatte 6 eine Sektorblende 13 vorgesehen, die eine Markierung 14 trägt. Diese wird von einer Lichtschranke 15 gelesen.

Die Lichtschranke 15 und der Schrittmotor 12 sind mit Leitungen 16 bzw. 17 an nicht dargestellte elektronische Steuereinrichtungen angeschlossen, die den Schrittmotor 12 wahlweise zu kontinuierli¬ chem Dauerbetrieb oder zum Einstellen einer bestimmten Winkel-

Position des Gitters 5 ansteuern können, und die Ausgangssignale erzeugen können, mit denen nicht dargestellte Meßauswerteinrich¬ tungen in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Gitters 5 die eingestellte Spektralfrequenz ermitteln.

Ein zu analysierender einfallender Lichtstrahl 18 (gestrichelt) fällt vom Eintrittsspalt 2 her auf das Gitter 5 und wird von diesem in spektraler Zerlegung in Richtung zum Austrittsspalt 3 gebeugt. In Fig. 1 sind die Austrittsrichtungen für die Lichtwellenlängen 400, 800, 1200 und 1600 nm der I. Ordnung gestrichelt angegeben. In der dargestellten Winkelstellung des Gitters 5 fällt die Wellenlänge 800 nm auf den Austrittsspalt 3 und wird von diesem in engem Wellenlängenbereich monochromatisch ausgeblendet. Ein nicht dargestellter nachgeschalteter Detektor kann die Intensität messen.

Wird das Gitter 5 um seine Drehachse 4 um einen Winkel gedreht, beispielsweise um 5° nach rechts gedreht, so schwenkt das Spek¬ trum um denselben Winkel, also ebenfalls um 5° nach rechts. Es würde dann beispielsweise die Frequenz 400 nm auf den Austritts¬ spalt 3 fallen. Auf diese Weise kann durch Verschwenken des Git¬ ters 5 mittels des Schrittmotors 12 der Spektralbereich abgefahren werden. Dreht der Schrittmotor 12 laufend, so wird der Spektralbe¬ reich ständig rauf und runter gescannt. Ein dem Spalt 3 nachge¬ schalteter Detektor mit angeschlossener Auswerteinrichtung kann somit ein ganzes Spektrum ermitteln und durch Mehrfachscannung im Samplingverfahren mit hohem Signal/Rauschabstand ermitteln. Wird mit hoher Geschwindigkeit gescannt, so können auch lang¬ same Veränderungen im einfallenden Strahl 18 unter Mehrfachs¬ cannung genau beobachtet werden.

Fig. 5 zeigt entsprechend dem Schnitt der Linie 3 - 3 in Fig. 1 in Draufsicht von innen auf den Spalt 3 das Spektrum. Es ist dabei zu beachten, das Gitter stets Spektren mehrerer Ordnungen erzeugen. In der Regel wird mit dem Spektrum I. Ordnung gemessen, das von den brauchbaren Ordnungen die höchste Lichtintensität hat. Auf der in Fig. 5 unteren gestrichelten Linie, die links mit I bezeichnet ist, sind die Wellenlängen des Spektrums I. Ordnung in Nanometer

(nm) dargestellt. In der dargestellten Lage des Spektrums fällt die Wellenlänge 1050 nm der ersten Ordnung auf den Austrittsspalt 3.

In Fig. 5 sind auch die Wellenlängen der π. Ordnung auf der obe¬ ren gestrichelten Linie dargestellt. In gleicher Winkelstellung haben diese die halbe Wellenlänge des Spektrums der I. Ordnung. Es fällt also die Wellenlänge 525 nm der II. Ordnung ebenfalls auf den Austrittsspalt 3. Der nachgeschaltete Sensor würde beide durch den Austrittsspalt 3 fallende Wellenlängen erfassen und könnte in der Regel zwischen diesen nicht unterscheiden. Eindeutige Meßergeb¬ nisse wären nicht möglich.

Daher ist, wie Fig. 5 zeigt, dem Spalt 3 ein Kantenfilter 19 vorge¬ schaltet, das eine Kantenwellenlänge von beispielsweise 800 nm aufweist, also nur oberhalb dieser Wellenlänge durchläßt, darunter aber lichtundurchlässig ist.

Bei bekannten Monochromatoren nach dem Stand der Technik wäre ein solches Kantenfilter 19 stationär, aber wegschwenkbar vor dem Austrittsspalt 3 angeordnet und könnte dort zur Auswertung ober¬ halb der Wellenlängen von 800 nm I. Ordnung positioniert bleiben. Unterhalb dieser Wellenlänge bei weiterem Durchfahren des Spek¬ trums wäre es wegzuschwenken und erforderlichenfalls durch ein weiteres Kantenfilter 20 der Kantenwellenlänge 500 nm zu ersetzen, das herunter bis etwa 600 nm I. Ordnung verwendet werden kann. Wird je nach Meßanforderung nur ein enger Spektralbereich benötigt, so kommt man mit einem Kantenfilter aus.

Mit der Erfindung werden die Filter anders bewegt. In einem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sitzen die Kantenfilter 19 und 20 nebeneinander auf einem Arm 21, der radial abstehend an der Drehplatte 6 befestigt ist. Da das Spektrum genau mit der Drehbe¬ wegung des Gitters 5 schwenkt, werden die Kantenfilter 19 und 20 genau mit dem Spektrum geschwenkt, stehen also diesem gegenüber winkelfest. Die beiden Kantenfilter 19 und 20 decken daher stets die Spektralbereiche ab, für die ihre Kantenwellenlängen

passend ausgewählt sind. Der Antrieb des Gitters 5 treibt die Kan¬ tenfilter 19 und 20 zu ihrer Schwenkbewegung mit an.

Bei hohen Schwenkgeschwindigkeiten, selbst bei der dargestellten, sehr schonenden sinusförmigen Antriebsart mit Kurbeltrieb könnte der lange Arm 21 die Kantenfilter 19, 20 oder das Gitter 5 zu Schwingungen anregen. Daher wird in einer bevorzugten Ausfüh¬ rungsform der Fig. 2 und 4 der Filterantrieb anders gelöst.

Wie der Vergleich der Fig. 1 und 2 zeigt, ist die Grundkonstruktion des Monochromators dieselbe, lediglich der Filterantrieb ist abwei¬ chend. Übereinstimmende Teile sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Wie Fig. 4 im Schnitt der Linie 4 - 4 in Fig. 2 zeigt, sind die bei¬ den Kantenfilter 29 und 30, die in ihrer Funktion den Kantenfiltern 19 und 20 der Ausführungsform der Fig. 1 entsprechen, als sektor- förmige Scheiben ausgebildet, die von einer Filterwelle 31 gedreht werden. Diese ist in einem Lagerbock 32 gelagert und wird über ein aus Kegelzahnrädern bestehendes Winkelgetriebe 33 von einer Riemenscheibe 34 getrieben. Diese ist mittels eines Zahnriemens 35 von der als gleich große Riemenscheibe ausgebildeten Drehplatte 6 getrieben.

Bei der Schwenkbewegung des Gitters 5 machen die Kantenfilter 29, 30 die in Fig. 4 mit Pfeilen dargestellte Schwenkbewegung. Da das Koppelgetriebe zwischen der Filterwelle 31 und dem Gitter 5 das Übersetzungsverhältnis 1 : 1 hat, schwenken die Kantenfilter 29, 30 wiederum genau mit dem Spektrum, also winkelsynchron zum Gitter 5, am Austrittsspalt 3 vorbei, also wie bei der Aus¬ führungsform der Fig. 1.