DE19539683A1 - Vorrichtung für Spektralanalyse mit kombinierter, komplementärer Filterung insbesondere für RAMAN-Spektrometrie - Google Patents
Vorrichtung für Spektralanalyse mit kombinierter, komplementärer Filterung insbesondere für RAMAN-SpektrometrieInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die spektrale Analyse mit kombinierter,
komplementärer Filterung.
Sie findet eine allgemeine Anwendung in der Spektralanalyse und genauer in der
RAMAN-Spektrometrie.
In dem Dokument FR-A-2 681 941 hat der Anmelder schon eine Vorrichtung für
die Spektralanalyse für die RAMAN-Spektrometrie vorgeschlagen, welche umfaßt:
- - eine Quelle, die geeignet ist, eine Anregungsstrahlung einer vorgegebenen Wel lenlänge zu erzeugen;
- - einen Platz für eine zu untersuchende Probe;
- - Vorrichtungen zum Führen der Anregungsstrahlen zu einer auf dem Platz an geordnete Probe;
- - ein Trennfilter, das geeignet ist, in eine erste Richtung ein erstes Spektralband der Strahlung, die es empfängt, zu reflektieren, und das in eine zweite Richtung den Rest der Strahlung, die es empfängt, durchläßt, wobei das erste Spektralband um die Wellenlänge der Anregungsstrahlung zentriert ist und der Rest der von dem Trennfilter durchgelassenen Strahlung dem gewünschten RAMAN-Spektrum entspricht;
- - Vorrichtungen zum Auffangen der von der angeregten Probe gestreuten Strah lung und zum Führen derselben zu dem Trennfilter;
- - Vorrichtungen zur Detektion und spektralen Analyse, die entlang der zweiten Richtung angeordnet sind; und
- - Vorrichtungen zum Auffangen des von dem Trennfilter übertragenen RAMAN- Spektrums und zum Führen desselben zur den Vorrichtungen zur Detektion und Analyse.
Das Trennfilter trennt hier die polychromatische, von der Probe gestreute Strahlung
in eine durchgelassene und eine reflektierte Strahlung.
In der Praxis umfaßt die durchgelassene Strahlung das nützliche und für die zu
analysierende Probe charakteristische Spektrum. Zum Beispiel ist bei der RAMAN-Spek
trometrie das nützliche Spektrum das sogenannte "RAMAN-" Spektrum, das aus dem
Effekt der Änderung der Wellenlänge resultiert, der die Streuung des Lichtes durch die
Probe begleitet, wenn diese von einer monochromatischen Anregungsstrahlung beleuchtet
wird. Im Gegensatz dazu ist die reflektierte Strahlung auf ein Spektralband beschränkt, das
um die Wellenlänge der Anregungsstrahlung zentriert ist, die der RAYLEIGH-Streustrah
lung ohne Änderung der Wellenlänge entspricht.
Sehr oft ist das Trennfilter von dem Typ, der ein relativ schmales Spektralband
zurückweist (im Englischen "notch"), wie etwa die Interferenzfilter mit mehrfachen dielek
trischen Schichten, die sogenannten ASHER-Kolloidfilter oder die holographischen Filter.
Dieser Typ von Filter ist vorteilhafterweise einfach zu handhaben und weist einen sehr
hohen Durchlaßkoeffizienten außerhalb des Sperrbandes auf.
Jedoch hat diese Art von Filter den Nachteil, eine relativ geringe Steigung der Ab
schneideflanken (keine steilen Ränder) und ein relativ breites Rückweisungs- oder Sperr
band bezogen auf den zu eliminierenden Anregungsstrahl aufzuweisen.
Daraus folgt, das die nützlichen und für die zu analysierende Probe charakteristi
schen Informationen, die vom Fachmann "Strahlen niedriger Frequenz" genannt werden,
von dem Trennfilter nicht zu den Detektions- und Analysevorrichtung durchgelassen wer
den sondern mit der Anregungsstrahlung eliminiert (reflektiert) werden, was einen be
trächtlichen Informationsverlust nach sich zieht.
Eine bekannte Lösung besteht darin, das Trennfilter als Hochpaß oder Tiefßaß zu
verwenden, der auf die Wellenlänge des Anregungsstrahls ausgerichtet ist. Jedoch besitzt
eine solche Lösung den Nachteil, entweder den STOKES-Anteil oder den ANTISTOKES-
Anteil des RAMAN-Spektrums zu beseitigen.
Eine andere Lösung würde darin bestehen, ein Trennfilter des Typs mit einem en
gen Sperrbereich mit einer steilen Abschneideflanke zu verwenden. Jedoch ist ein solches
Filter derzeit technisch nicht herstellbar.
Der Anmelder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur Spektralanalyse
zur Verfügung zu stellen, die ermöglicht, alle nützlichen Informationen, insbesondere die
Strahlen niedriger Frequenz des RAMAN-Spektrums, zu bewahren, indem er ein nicht
perfektes Trennfilter zum Beispiel des "Notch-" Typs verwendet.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lösung dieses Problems vor. Sie hat zur
Aufgabe eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art, die gekennzeichnet ist durch die
Tatsache, daß sie außerdem umfaßt:
- - ein Sperrfilter, das geeignet ist, die Blockierung eines zweiten Spektralbandes mit einer geringeren Breite als diejenige des ersten Spektralbandes durchzuführen, und eine steile Abschneideflanke besitzt und die Wellenlänge der Anregungsstrahlung einschließt;
- - Vorrichtung zum Auffangen des ersten Spektralbandes der von dem Trennfilter reflektierten Strahlung und zum Führen derselben auf das Sperrfilter, um aus ihm das zwei te Spektralband zu entfernen; und
- - Vorrichtungen zum Auffangen der von dem Sperrfilter herrührenden Strahlung und zum Führen derselben auf optische Vorrichtungen, die sie in der zweiten Richtung mit dem von dem Trennfilter durchgelassenen RAMAN-Spektrum derart kombinieren, daß die Detektions- und Analysevorrichtungen die derart kombinierten, komplementären Strah lungen verarbeiten.
Eine solche Vorrichtung bringt den Vorteil, daß sie ein vollständiges RAMAN-
Spektrum wiederherstellt, indem sie den mittleren und hohen Frequenzteil mit dem tiefen
Frequenzteil, der normalerweise verloren geht, kombiniert und das solcherart wiederher
gestellte Spektrum zu den Detektions- und Analysevorrichtungen führt. Unter diesen Be
dingungen besitzt das analysierte RAMAN-Spektrum mehr Informationen als in den Vor
richtungen nach dem Stand der Technik, die ein nicht perfektes Filter des "Notch-" Typs
verwendeten.
Vorteilhafterweise umfaßt das Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke einen sub
traktiven Monochromator mit zwei Streugiftern und einer Reflexions/Transmissionslichtfalle,
wobei diese Falle zwischen den beiden Gittern angeordnet ist, um die Anre
gungsstrahlung entlang des Hinwegs im optischen Pfad zur Probe durchgehen zu lassen
und die in dem ersten Spektralband enthaltene Anregungsstrahl, die von dem Trennfilter
reflektiert wurde, entlang dem Rückweg des optischen Pfads einzufangen.
Vorteilhafterweise erzeugt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erhöhte Trans
mission in dem gesamten nützlichen Spektralband des RAMAN-Spektrums, das mit einer
sehr steilen Dämpfungskurve bei der entsprechenden Sperrwellenlänge, die dem zu elimi
nierenden Anregungsstrahl entspricht, verbunden ist.
In der Praxis ist das Trennfilter geeignet, sich um einen vorgegebenen Drehwinkel
zu drehen, um mit Präzision die Wellenlänge des Sperrbandes des Trennfilters zu verschie
ben und einzustellen.
Diese Rotation führt zu einer Verschiebung im Raum des reflektierten Strahls, was
die Kopplung mit den oberhalb und/oder unterhalb des Trennfilters angeordneten optischen
Elementen kompliziert.
Es sind mechanische Systeme bekannt, die durch Ritzel die gekoppelte Rotation
mehrerer in Reihe angeordneter Filter sicherstellen. Jedoch haben solche Systeme den
Nachteil, daß sie nicht hinreichend genau sind. Außerdem erfordert die Verschiebung der
Strahlen die Verwendung von Filtern großer Dimensionen.
Die vorliegende Erfindung hat zusätzlich zur Aufgabe, eine befriedigende Lösung
für dieses Problem zu finden.
Diese Lösung wird durch eine Vorrichtung des oben beschriebenen Typs erhalten,
bei der das Trennfilter geeignet ist, die von der Probe entlang einer Einfallsrichtung, die der
zweiten Richtung entspricht, herrührende Strahlung zu empfangen und das erste Spek
tralband entlang der ersten Richtung auf ein Element zu reflektieren, das geeignet ist, eine
Kompensation der Winkelabweichung des Trennfilters auszuführen, wobei die Vorrichtung
gekennzeichnet ist durch die Tatsache, daß der Mechanismus geeignet ist, das Element zur
Kompensation der Abweichung auf solche Weise mitzuführen, daß das Kompensations
element sich um denselben Winkel wie das Trennfilter dreht, damit das erste Spektralband
in eine dritte vorgegebene Richtung reflektiert wird.
In der Praxis umfaßt der Mechanismus wenigstens einen Winkel mit einem Winkel
γ mit γ = C + 180°/2, welcher umfaßt:
- - einen ersten festen Schenkel, der in der Translationsrichtung durch eine Öffnung, die in der Halterung des Trennfilters, das in der Translationsrichtung fest montiert ist, ge arbeitet ist, beweglich montiert ist; und
- - einen zweiten festen Schenkel, der das Kompensationselement trägt,
wobei die Spitze des Winkels gezwungen ist, sich in der Translationsrichtung ent
lang einer Achse zu bewegen, die an der Winkelhalbierenden zwischen der Einfallsrichtung
und der dritten Richtung angeordnet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher im Lichte der
nachfolgenden, detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 stellt schematisch ein RAMAN-Spektrometer mit kombinierten, komplemen
tären Filtern nach der vorliegenden Erfindung dar.
Fig. 2A zeigt eine Vorrichtung zur Spektralanalyse mit kombinierten, komplemen
tären Filtern nach der Erfindung, bei der das Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke einen
subtraktiven, doppelten Monochromator und eine Reflexions/Transmissions-Lichtfalle
nach der vorliegenden Erfindung umfaßt.
Fig. 2B zeigt die Vorrichtung der Fig. 2A, bei der konkave Umlenkspiegel durch
Linsenobjektive nach der vorliegenden Erfindung ersetzt sind.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, die
zwei in Reihe angeordnete Trennfilter verwendet, um die kombinierten, komplementären
Filter nach der vorliegenden Erfindung darzustellen.
Fig. 4 ist eine Vorrichtung zur Spektralanalyse mit kombinierten, komplementären
Filtern nach der Erfindung, bei der das Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke vom
Interferenz- oder holographischen Typ ist.
Fig. 5 zeigt die Vorrichtung der Fig. 4, die zwei in Reihe angeordnete Trennfilter
nach der vorliegenden Erfindung verwendet.
Fig. 6 stellt schematisch eine Vorrichtung zur Spektralanalyse mit kombinierten,
komplementären Filtern nach der Erfindung dar, bei der der Anregungsstrahl mit der Wel
lenlänge λ0 direkt auf die Probe gerichtet ist, ohne durch das Trennfilter zu gehen.
Fig. 7 stellt schematisch die in Fig. 6 gezeigte Vorrichtung zur Spektralanalyse mit
kombinierten, komplementären Filtern nach der Erfindung dar, die zwei in Reihe angeord
nete Trennfilter verwendet.
Fig. 8 ist eine Vorrichtung zur Spektralanalyse mit kombinierten, komplementären
Filtern nach der Erfindung, bei der das Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke vom Typ
des reflektierenden FABRY-PEROT-Interferometers ist.
Fig. 9 stellt schematisch die spektrale Responsekurve eines klassischen Trennfilters
des "Notch-" Typs dar, das auf die Anregungswellenlänge λ0 zentriert ist.
Fig. 10 stellt die Kurve des von der Probe in der Anwesenheit eines leichten parasi
tären Hintergrundes gestreuten Spektrums dar, das gleichzeitig die tiefen, mittleren und
hohen Frequenzen in den Stokes- und Anti-Stokes-Bereichen umfaßt.
Fig. 11 stellt das von einem klassischen Trennfilter durchgelassene RAMAN-Spek
trum dar, dessen tiefe Frequenzen zwischen λ1 und λ2 abgeschnitten sind.
Fig. 12 stellt das von einem klassischen Trennfilter reflektierte Spektrum dar.
Fig. 13 stellt die spektrale Responsekurve eines klassischen Sperrfilters mit steiler
Abschneideflanke dar.
Fig. 14 stellt das von einem klassischen Trennfilter reflektierte und dann entspre
chend der Erfindung von einem klassischen Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke gefil
terte Signal dar.
Fig. 15 stellt die erfindungsgemäße Kombination des von einem klassischen Trenn
filter durchgelassenen RAMAN-Spektrums und des von dem Sperrfilter mit steiler Ab
schneideflanke herrührenden Signals dar.
Fig. 16 stellt die typische Responsekurve eines klassischen Sperrfilters mit steiler
Abschneideflanke des Absorptionstyps dar.
Fig. 17 stellt schematisch-die typische Responsekurve eines klassischen Sperrfilters
mit steiler Abschneideflanke des FABRY-PEROT-Interferometertyps dar.
Fig. 18A stellt schematisch die selbstausrichtende Vorrichtung nach der Erfindung
dar, wenn die Einfallsrichtung DT2 und die Ausfallsrichtung DR3 einen beliebigen Winkel
zwischen sich bilden.
Die Fig. 18B bis 23 stellen schematisch die selbstausrichtende Vorrichtung nach
der Erfindung dar, wenn die Einfallsrichtung DT2 und die Ausfallsrichtung DR3 zuein
ander parallel sind.
Die Fig. 24 bis 28 stellen schematisch die selbstausrichtende Vorrichtung nach
der Erfindung dar, wenn die Einfallsrichtung DT2 und die Ausfallsrichtung DR3 senkrecht
aufeinander stehen.
In der nachfolgenden Beschreibung ist die Spektralanalyse vom Typ des RAMAN-
Effekts. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung, insbesondere die Kombination der kom
plementären Filterung, eine Anwendung in jedem Gebiet der Spektralanalyse, zum Beispiel
der Emissions-, Lumineszenz-, Phosphoreszenz- oder Fluoreszenzspektroskopie findet.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Spektralanalyse dargestellt, die drehbar um ein
klassisches Trennfilter FS1, zum Beispiel ein "Notch-" Filter, das hiernach im Detail be
schrieben wird, angeordnet ist.
Die Quelle LA erzeugt eine Anregungsstrahlung REX mit einer vorgegebenen
Wellenlänge λ0. Die Quelle LA ist zum Beispiel ein Argonionenlaser, der einen monochro
matischen Lichtstrahl REX mit einer Wellenlänge λ0 von 488 nm oder 514,5 nm emittiert.
Ein Platz EMP ist vorgesehen, um eine zu analysierende Probe aufzunehmen. All
gemein ist der Platz EMP in einer vorgegebenen Beziehung zum Objektiv eines Mikroskops
angeordnet, falls die Spektralanalyse vom Mikroprobentyp ist. Die Anregungsstrahlung
REX wird mittels optischer Vorrichtungen, die weiter unten im Detail beschrieben werden,
auf die auf dem Platz angeordnete Probe geführt.
Die von der der Anregung unterworfenen Probe herruhrende oder gestreute Strah
lung RD wird auf das Filter FS1 geführt.
Wie bekannt ist, ist das Trennfilter FS1 geeignet, auf der einen Seite ein erstes
spektrales Band TLB der Strahlung RD, die es empfängt, entlang einer ersten Richtung
DR1 zu reflektieren. Das spektrale Band TLB schließt die Wellenlänge des Anregungs
strahls REX ein. Auf der anderen Seite läßt das Trennfilter FS1 in einer zweiten Richtung
DT2 den Rest RAM der Strahlung RD, die es empfängt, durch. Der Rest RAM der Strah
lung, die es empfängt, entspricht hier dem RAMAN-Spektrum.
Vorrichtungen zur Detektion und Spektralanalyse MAY sind entlang der zweiten
Richtung DT2 angeordnet, um das solcherart von dem Trennfilter FS1 durchgelassene
RAMAN-Spektrum zu detektieren und zu analysieren.
Die Einfallsrichtung des gestreuten Strahls RD entspricht hier der Durchlaßrichtung
DT2. Diese Durchlaßrichtung DT2 bildet einen Winkel α bezüglich der Reflexionsrichtung
DR1. Der Winkel α liegt zum Beispiel in der Größenordnung von 7 bis 11°. Offen
sichtlich sind auch andere Winkel α für die Ausführung der Erfindung möglich.
Um die wesentlichen, von der erfindungsgemäßen Vorrichtung gebrachten Vorteile
zu verstehen, ist es wichtig, zunächst den spektralen Response der Bestandteile der Vor
richtung zu beschreiben.
In Fig. 10 ist das Spektrum der von der der Anregung unterworfenen Probe ge
streuten Strahlung RD dargestellt. Die Abszisse stellt die Wellenzahl in cm-1 dar. Die Ordi
nate stellt die Intensität der gestreuten Strahlung in einer beliebigen Einheit dar.
Der Ursprung der Abszisse ist um die Wellenlänge λ0 des Anregungsstrahls REX
zentriert. Die gestreute Strahlung RD ist polychromatisch und umfaßt einen Hauptstrahl
RP hoher Intensität, der RAYLEIGH-Streustrahl genannt wird und dem Streustrahl ohne
Änderung der Wellenlänge entspricht. Die Strahlung RD umfaßt auch eine bestimmte An
zahl feiner Strahlen der Stokes-RAMAN-Spektren ST und Anti-Stokes-RAMAN-Spektren
AST. Diese Strahlen sind symmetrisch bezüglich des Strahls RP, besitzen eines unter
schiedliche Intensität und stellen die mit einer Änderung der Wellenlänge entsprechend
dem RAMAN-Effekt gestreuten Strahlen dar.
Es sind diese feinen, um den anregenden Hauptstrahl angeordneten Strahlen, die die
zu analysierende Probe darstellen und charakterisieren. Die in der Nähe des Anregungs
strahls befindlichen Strahlen werden vom Fachmann Strahlen "niedriger Frequenz" BP ge
nannt, während die von dem Anregungsstrahl entfernten Strahlen Strahlen "mittlerer und
hoher Frequenz" HF genannt werden.
In Fig. 9 ist der spektrale Response eines klassischen Trennfilters zum Beispiel des
"Notch-" Typs dargestellt. Die Abszisse stellt die Wellenzahl in cm-1 dar. Die Ordinate
stellt den Durchlaß- oder Reflexionskoeffizienten in Prozent dar.
Der spektrale Response des Trennfilters zeigt ein Profil einer allgemein rechtwinkli
gen Form mit nicht steilen Flanken, das um die Wellenlänge λ0 zentriert ist. Das Trenn
filter weist einen hohen Reflexionskoeffizienten für den zu eliminierenden Strahl RP und
ein relativ breites Sperrband um diesen zu eliminierenden Strahl herum, eine nicht steile
Abschneideflanke und einen erhöhten Durchlaßkoeffizienten außerhalb des Sperrbandes
auf Genauer ist das Filter mit einem maximalen Durchlaßkoeffizienten durchlässig für die
Strahlen mit einer Wellenlänge niedriger als λ1′ und größer als λ1. Es dämpft und reflek
tiert mit einem niedrigen Durchlaßkoeffizienten die Strahlen mit einer Wellenlänge niedri
ger als λ2 oder höher als λ2′. Das Spektralband wird Spektralband mit nicht steilen Flan
ken bezeichnet, wenn die Steigung der Abschneideflanken (zwischen λ2 und λ1 oder zwi
schen λ1′ und λ2′) gering ist, und die Strahlen mit einer Wellenlänge zwischen λ2 und λ1
oder zwischen λ1′ und λ2′ schrittweise abgeschwächt werden.
Es ist festzustellen, daß ein solches Trennfilter einen komplementären spektralen
Transmissions/Reflexions-Response erzeugt. Die Transmissionskurve ist hier als dicker
Strich dargestellt, während die Reflexionskurve als dünner Strich dargestellt ist.
Allgemein wird das Filter FS1 verwendet, um den ohne Änderung der Wellenlänge
gestreuten Anregungsstrahl mit einer relativ sehr hohen Intensität zu eliminieren, während
das RAMAN-Spektrum (die Stokes- und Anti-Stokes-Strahlen) durchgelassen wird, um
mittels der Detektions- und Analysevorrichtungen analysiert zu werden.
Mit dem spektralen Response des oben beschriebenen Trennfilters werden die
Strahlen niedriger Frequenz BF nicht zu den Detektions- und Analysevorrichtungen durch
gelassen, sondern werden mit dem Anregungsstrahl eliminiert (reflektiert), was zu einem
beträchtlichen Informationsverlust führt.
In Fig. 11 ist das von dem Trennfilter FS1 durchgelassene RAMAN-Spektrum
dargestellt. Dieses Spektrum RAM umfaßt die Strahlen mit einer Wellenlänge kleiner als
λ2 und größer als λ2′, die vollständig von dem Filter FS1 durchgelassen werden. Die
Strahlen mit einer Wellenlänge zwischen λ1 und λ1′ werden stark abgeschwächt, da sie
von dem Filter FS1 reflektiert werden.
Weiterhin werden die Strahlen (hier diejenigen mit niedrigen Frequenzen), deren
Wellenlänge zwischen λ2 und λ1 einerseits und zwischen λ1′ und λ2′ andererseits liegen,
schwach von dem Filter FS1 durchgelassen, da sie sich in dem Sperrbereich des Filters
befinden, wo die Steigung nicht sehr steil ist.
In Fig. 12 ist das Spektrum der von dem Filter FS1 reflektierten Strahlung TLB
dargestellt. Es umfaßt ein relativ breites Band bezogen auf den zu eliminierenden Anre
gungsstrahl, das den besagten Anregungsstrahlung λ0 umgibt.
Allgemein arbeitet das Trennfilter FS1 mittels Interferenzen mehrfacher Ordnung.
Es wird ausgewählt aus der Gruppe der "Notch-" Filter mit halbdurchlässigen Spiegeln,
der Interferenzreflexionsfilter, der kolloiden Filter des sogenannten ASHER-Typs, der
Filter mit mehrfachen dielektrischen Schichten, der Filter des LIPPMAN-Typs mit Index
gitter oder des holographischen Typs.
Im folgenden wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen.
Erfindungsgemaß ist ein Sperrfilter FCB vorgesehen, das hiernach in größerem
Detail beschrieben wird und das geeignet ist, in dem von dem Trennfilter TLB reflektierten
Signal ein zweites Frequenzband zurückzuhalten, das schmaler ist als das erste Frequenz
band und steile Kanten oder steile Abschneideflanken ET besitzt und die Wellenlänge des
Anregungsstrahls REX umgibt.
Genauer wird das erste Spektralband der von dem Filter FS1 reflektierten Strah
lung zunächst auf das Sperrfilter FCB geführt. Dann sind Auffangvorrichtungen vorgese
hen, um das von dem Sperrfilter FCB gefilterte Signal LBO aufzufangen und es mittels
optischer Kombinationsvorrichtungen mit dem Spektrum RAM entlang der Durchlaßrich
tung DT2 zu kombinieren. Die optischen Kombinationsvorrichtungen reflektieren das Si
gnal LBO exakt in die zweite Durchlaßrichtung DT2, was ermöglicht, es komplementär
mit dem von dem Trennfilter durchgelassenen Spektrum RAM zu kombinieren.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfassen die optischen Kombinationsvorrichtungen das
Trennfilter FS1 und einen Spiegel M2, die so zueinander angeordnet sind, daß sie ohne
Verluste das Signal LBO entlang der Richtung DT2 schicken.
Die komplementäre Kombination der Signal LBO und RAM entsprechend der
vorliegenden Erfindung wird besser mittels der nachfolgend beschriebenen Spektralant
worten verstanden.
In Fig. 13 ist die typische Spektralantwort eines klassischen Sperrfilters gezeigt,
das in der Lage ist, ein schmales Band ET mit steilen Kanten, die auch steile Abschneide
flanken bezeichnet werden, zu sperren. Die Transmission ist für Wellenlängen zwischen λ3
und λ3′ im wesentlichen null. Das schmale Band ET ist um eine Wellenlänge λ0 zentriert,
die der Wellenlänge RP des Anregungsstrahls REX entspricht. Für die Strahlen zwischen
λ4 und λ3 auf der einen Seite und die Strahlen zwischen λ3′ und λ4′ auf der anderen Seite
besitzt das Sperrfilter zum Beispiel einen Durchlaßkoeffizienten von mehr als 50%.
In Fig. 14 ist das Spektrum der von dem Trennfilter FS1 reflektierten und von dem
Sperrfilter FCB entsprechend der Erfindung gefilterten Strahlung dargestellt. Es ist an
gebracht zu bemerken, daß das Signal LBO hier einem Spektralband entspricht, das das
schmale Band ET, das heißt den Anregungsstrahl mit der Wellenlänge λ0 nicht umfaßt (B
LBO=TLB-ET).
In Fig. 15 ist das aus der Kombination des von dem Filter FS1 durchgelassenen
Signals RAM mit dem von dem Sperrfilter FCB herrührenden Signal LBO resultierende
Spektrum dargestellt.
Es ist festzustellen, daß das zusammengesetzte Spektrum LBO + RAM alle nützli
chen und für die zu analysierende Probe charakteristischen Informationen umfaßt. Bezüg
lich der gestreuten Strahlung RD umfaßt es vorteilhafterweise alle Informationen außer
dem Anregungsstrahl mit sehr hoher Intensität, der die Detektion und die Analyse behin
dert.
Somit sind die Analysevorrichtungen mit einem solchen zusammengesetzten Signal
in der Lage, bislang verlorengegangene Information zu erhalten.
In Fig. 2A umfaßt das Sperrfilter FCB einen subtraktiven Doppelmonochromator
mit zwei Streugittern und einer Reflexions-/Transmissions-Lichtfalle, die zwischen den
beiden Gittern angeordnet ist, so wie es in der Patentanmeldung FR-A-2 681 941, die unter
dem Namen des vorliegenden Anmelders eingereicht wurde, beschrieben ist. Die Beschrei
bung dieser Anmeldung soll in der vorliegenden Anmeldung mit umfaßt sein.
Kurz gesagt, erzeugt die Lichtquelle LA den Anregungsstrahl REX. Optische Vor
richtungen LO bündeln den Anregungsstrahl REX auf die Durchlaßoberfläche T10 einer
Transmissions-/Reflexions-Lichtfalle PG10, die diesen Anregungsstrahl REX zu einer
ersten Streustufe R10 durchläßt. Allgemein umfaßt das optische System die zu analysieren
de Probe, die auf dem Platz EMP angeordnet ist, eine Linse, wie zum Beispiel ein Mikro
skopobjektiv L1, einen Umlenkspiegel M1, eine weitere Linse L2, einen Eingangsspalt FE,
einen konkaven Sammelspiegel M10, ein Streugitter R10 und einen weiteren konkaven
Spiegel M20.
In der Hinrichtung des optischen Pfades (also entlang der durch den Pfeil F1 ange
zeigten Richtung) geht der monochromatische Anregungsstrahl REX durch die Durchlaß
oberfläche T10, wird von dem Spiegel M20 auf das Streugitter R10 reflektiert, das ihn auf
den Spiegel M10 streut, um dann über den Eingangsspalt FE, die Linse L2, den Spiegel
M1, das Trennfilter FS1 und das Objektiv zur Probe geführt zu werden.
In der Rückrichtung des optischen Pfades (also entlang der durch den Pfeil F2
angezeigten Richtung) wird der Strahl RD, der von der durch den Anregungsstrahl REX
angeregten Probe herrührt, auf das Trennfilter FS1 geführt, welches das spektrale Band
TLB über den Spiegel M1 auf das erste, hiervor beschriebene Streugitter R10 reflektiert.
Das Streugifter R10 streut die polychromatischen Strahlen, die das Signal TLB bilden.
Diese letzteren werden durch den Spiegel M20 gebündelt, um ein gestreutes spektrales
Bild auf der den Reflexionsoberflächen T30 und T20 gemeinsamen Ebene zu bilden. Die
Durchlaßoberfläche T10 spielt also die Rolle einer Lichtfalle für den in dem Signal TLB
enthaltenen Anregungsstrahl, indem sie ihn durch die Oberfläche T10 hindurchgehen läßt,
während die reflektierenden Oberflächen T20 und T30 den solcherart von dem Anregungs
strahl REX befreiten Strahl LBO auf den konkaven Spiegel M30 reflektieren. Dann führt
der Spiegel M30 den Strahl LBO zu einem zweiten Streugitter R20, einem weiteren kon
kaven Spiegel, einem Ausgangsspalt FS und einer Linse L3. Die Streugifter R10 und R20
sind hier in einer subtraktiven Konfiguration angeordnet, das heißt, daß die von dem Gitter
R10 gestreuten und von den reflektierenden Oberflächen T20 und T30 reflektierten Strah
len in einem einzigen Bild ohne Dispersion auf dem Ausgangsspalt FS zusammengesetzt
werden.
Die optischen Kombinationsvorrichtungen sind vorgesehen, um das von dem opti
schen Aufbau bestehend aus dem doppelten Monochromator R10/20 und der Lichtfalle
PG10 gefilterte Signal LBO aufzufangen und zu führen. Diese optischen Kombinationsvor
richtungen umfassen einen Spiegel M2, der das Signal LBO entlang einer Richtung DR1
auf das Trennfilter FS1 führt, die mit der Durchlaßrichtung DT2 einen Winkel α bildet.
Das Trennfilter FS1 reflektiert also das Signal LBO exakt in die zweite Durchlaßrichtung
DT2, was die komplementäre Kombination mit dem von dem Trennfilter durchgelassenen
Spektrum RAM ermöglicht. Die Analysevorrichtungen MAY analysieren schließlich über
eine Linse L4 die derart kombinierten Strahlen LBO und RAM.
Zum Beispiel können die Detektions- und Analysevorrichtungen MAY ein
RAMAN-Spektrometer mit FOURIER-Transformation umfassen.
Es ist festzustellen, daß die unter Bezugnahme auf die Fig. 2A beschriebene Vor
richtung die Leistungen eines RAMAN-Spektrometers mit FOURIER-Transformation in
dem Maße erheblich steigert, in dem sie den Zugriff auf die gesamte, für die RAMAN-
Spektrometrie notwendige spektrale Breite einschließlich des Bereichs der Strahlen mit
niedrigen Frequenzen erlaubt, die bislang mit einem klassischen Trennfilter des "Notch-"
Typs nicht zugänglich waren.
Es ist gleichfalls festzustellen, daß die zwischen den beiden Streugittern R10 und
R20 des doppelten Monochromators angeordnete Lichtfalle PG10 eine komplementäre
Rolle spielt, indem sie in der Hinrichtung des optischen Pfads den Anregungsstrahl zur
Probe durchläßt, während sie in der Rückrichtung des optischen Pfads den in dem Trenn
filter reflektierten Signal TLB enthaltenen Anregungsstrahl einfängt.
Als Variante (Fig. 2B) kann der optische Aufbau R10/R20/PG10 mit Linsen an
stelle der konkaven Umlenkspiegel, die den Nachteil eines großen Raumverbrauchs haben,
ausgeführt sein.
Kurz gesagt, erzeugt die Lichtquelle LA den Anregungsstrahl REX. Optische Vor
richtungen LO bündeln den Anregungsstrahl REX nahe der schrägen Kante eines Spiegels
MB, der hier die Rolle eines Lippenspalts spielt. Die Linse läßt diesen Anregungsstrahl
REX zu einer ersten Streustufe R10 durch. Allgemein umfaßt das optische System die zu
analysierende Probe, die auf dem Platz EMP angeordnet ist, eine Linse L1, wie zum Bei
spiel ein Mikroskopobjektiv, einen Umlenkspiegel M1, eine weitere Linse L2, einen Ein
gangsspalt FE, zwei weitere Umlenkspiegel MR2 und MR1, eine Linse L10 und ein Streu
gifter R10.
In der Hinrichtung des optischen Pfades (also entlang der durch den Pfeil F1 ange
zeigten Richtung) wird der Anregungsstrahl REX durch die Vorrichtungen LO und L12 als
paralleler Strahl auf das Streugitter R10 gebündelt, das ihn auf den Spiegel MR1 streut, um
dann über die Linse L10, den Spiegel MR2, den Eingangsspalt FE, die Linse L2, den Spie
gel M1, das Trennfilter FS1 und die Linse L1 zur Probe geführt zu werden.
In der Rückrichtung des optischen Pfades (also entlang der durch den Pfeil F2
angezeigten Richtung) wird der Strahl RD, der von der durch den Anregungsstrahl REX
angeregten Probe herrührt, auf das Trennfilter FS1 geführt, welches das erste spektrale
Band TLB über den Spiegel M1 auf die erste, hiervor beschriebene Streustufe reflektiert.
Das Streugifter R10 streut die polychromatischen Strahlen, die das Signal TLB bilden.
Diese Strahlen werden von der Linse L12 gebündelt, um ein gestreutes spektrales Bild in
der Brennebene der Lichtfalle in der Form einer schrägen Kante zu bilden. Diese Lichtfalle
läßt den Anregungsstrahl REX hindurchgehen, während die reflektierende Oberfläche des
abgeschrägten Spiegels MB den solcherart von dem Anregungsstrahl REX befreiten Strahl
LBO auf eine zweite Streustufe mit einer Linse L13, einem zweiten Streugitter R20, einer
weiteren Linse L14, einem weiteren Umlenkspiegel R20 und einem Ausgangsspalt FS
reflektiert.
Offensichtlich sind die Streugitter R10 und R20 in Drehrichtung einstellbar mon
tiert, um mit Präzision die Position des Spektralbildes bezüglich des abgeschrägten Spie
gels so einstellen zu können, daß ein spektrales Abschneiden in der Nähe der Anregungs
wellenlänge möglich ist.
Die optischen Kombinationsvorrichtungen M2 und L16 sind vorgesehen, um das
von dem optischen Aufbau bestehend aus dem doppelten Monochromator R10/20 und der
Lichtfalle MB gefilterte Signal LBO aufzufangen und es entlang einer Richtung DR1, die
einen Winkel α mit der Richtung DT2 bildet, zum Trennfilter FS1 zu führen.
Das Trennfilter FS1 reflektiert also das Signal LBO in die zweite Durchlaßrichtung
DT2, was die komplementäre Kombination mit dem von dem Trennfilter durchgelassenen
Spektrum RAM ermöglicht. Die Analysevorrichtungen MAY analysieren schließlich vor
teilhafterweise über eine Linse L4 die derart kombinierten Strahlen LBO und RAM.
Es ist festzustellen, daß die unter Bezugnahme auf die Fig. 2B beschriebene Vor
richtung ebenfalls die Leistungen eines RAMAN-Spektrometers mit FOURIER-Trans
formation oder des Dispersionstyps mit Ein- oder Mehrkanaldetektion erheblich steigert.
In Fig. 3 ist der optische Pfad des Signals LBO leicht modifiziert im Vergleich zu
dem unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2A und 2B beschriebenen optischen Pfad. In
diesem Falle umfassen die optischen Strahlkombinationsvorrichtungen zusätzlich ein zwei
tes Trennfilter FS2, das auf geeignete Weise unterhalb des Spiegels M2 angeordnet ist, um
das Signal LBO entlang der Richtung DT2 zu reflektieren, damit es mit dem von dem Fil
ter FS1 durchgelassenen Signal RAM kombiniert wird.
In Fig. 4 ist das Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke vom Typ eines FABRY-
PEROT-Interferometers.
Der klassische Nachteil dieser Art von Filter ist die Existenz einer großen Zahl
schmaler Durchlaßbänder, die bezogen auf die Wellenzahl äquidistant sind und sich in dem
von dem RAMAN-Spektrum überdeckten Bereich befinden. Überraschenderweise ver
schwindet dieser Nachteil in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eines dieser engen
Bänder mit dem Anregungsstrahl im Inneren des Sperrbandes des Trennfilters zusammen
fallen läßt und die oben beschriebenen, komplementären, kombinierten Filterungen durch
führt.
Das Filter FCB ist in dem Pfad des Anregungsstrahls (in der durch den Pfeil F1
gegebenen Richtung) angeordnet. Zunächst reflektiert es entlang einer geeigneten Richtung
den Anregungsstrahl REX auf einen Spiegel M13, damit er über den Spiegel M1 auf das
Trennfilter FS1 geführt wird.
In der anderen optischen Richtung (also in der durch den Pfeil F2 gegebenen Rich
tung) erhält das Sperrfilter das das von dem Trennfilter FS1 reflektierte Spektralband TLB
darstellende Signal über die Spiegel M1 und M13. Das Sperrfilter FCB eliminiert dann
durch Reflexion den Anregungsstrahl REX und läßt das Signal LBO zu den Spiegeln M14
und M2 durch, um ihn schließlich über das Filter FS1 zu den Detektionsvorrichtungen
MAY zu führen.
In der Fig. 5 ist eine weitere Variante der spektralen Analysevorrichtung mit kom
binierter, komplementärer Filterung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese
unterscheidet sich von der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung durch die Tatsache, daß die
optischen Kombinationsvorrichtungen dieses Mal einen Aufbau M2/F52 anstelle des Auf
baus M2/FS1 umfassen, wobei das Element FS2 ein Trennfilter ähnlich dem Trennfilter
FS1 ist. Der Aufbau M2/F52 ist solcherart aufgebaut, daß er das Signal LBO entlang der
Richtung DT2 auf die Detektionsvorrichtungen MAY lenkt.
Es ist festzustellen, daß eine unterschiedliche Winkeleinstellung für die Trennfilter
FS1 und FS2 eine größere Optimierungsmöglichkeit für die Abschneideflanke in der Nähe
der zu eliminierenden Anregungswelle bietet.
In Fig. 6 ist der optische Pfad der Anregungsstrahlung REX im Vergleich zu den
hiervor beschriebenen Vorrichtungen etwas modifiziert. Hier beleuchtet der Anregungs
strahl REX die an der Stelle EMP angeordnete Probe über Fokussierungsvorrichtungen
FOC1, ohne durch das Trennfilter FS1 zu gehen. Diese Anordnung, zum Beispiel unter
einem Winkel von 90° bezüglich der optischen Sammelachse, ist vorteilhaft für die Beseiti
gung von spiegelnden Reflexen auf der Probe und ermöglicht, die Intensität des Anre
gungsstrahls zu erhöhen. Diese Anordnung ist nur möglich, wenn der vordere Abstand des
Objektivs FOC2 größer als einige Millimeter ist.
Das Objektiv FOC2 ist hier zwischen dem Platz EMP und dem Filter FS1 angeord
net, um einen Strahl der gestreuten Strahlung RD mit geringer Strahlöffnung auf das Filter
durchzulassen. Was den Rest angeht, sind die optischen Pfade ähnlich denen der zuvor
beschriebenen Vorrichtungen. Das Sperrfilter ist zum Beispiel ein Filter des Absorptions
typs, dessen spektraler Response unter Bezugnahme auf Fig. 16 beschrieben ist.
Wie in Fig. 16 gezeigt, eliminiert das Absorptionsfilter ein schmales Band mit einer
steilen Abschneideflanke, das um die Wellenlänge λ0 zentriert ist (geringer Transmissions
koeffizient) ebenso wie weitere Bänder BL, die bezüglich λ0 verschoben sind. Überra
schenderweise ist dies nicht störend, wenn sich diese weiteren Bänder außerhalb des Sperr
bandes des Trennfilters FS1 befinden. Daraus folgt, daß die Kombination der komplemen
tären Filterungen die Gesamtheit des RAMAN-Spektrums wiederherstellt. Das Filter FCB
ist zum Beispiel ein Ioddampf-Absorptionsfilter.
In Fig. 7 ist die spektrale Analysevorrichtung mit kombinierter, komplementärer
Filterung, die unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben wurde, zusätzlich mit der Variante
des zweiten Trennfilters FS2, das entsprechend der Fig. 3 angeordnet ist, gezeigt.
In Fig. 8 ist eine weitere Variante der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
dargestellt, bei der das Sperrfilter vom Interferometertyp ist mit einer unter Bezugnahme
auf Fig. 17 beschriebenen Spektralantwort.
Wie in Fig. 17 gezeigt, zeigt das Interferometerfilter des FABRY-PEROT-Typs
eine große Anzahl schmaler Transmissionsspitzen, die bezüglich der Wellenzahl äquidistant
sind. Bei einer einzigen dieser Spitzen ist die maximale Transmissionsdämpfung um die
Wellenzahl der zu eliminierenden Anregungsstrahlung zentriert.
Das hiervor beschriebene Trennfilter kann um eine Drehachse drehbar angeordnet
sein, so daß der Winkel α, den die Einfallsrichtung DT2 bezüglich der Reflexionsrichtung
DR1 bildet, geändert werden kann, um die Wellenlänge des Sperrbandes des Trennfilters
auswählen zu können. Jedoch zieht diese Rotation eine Verschiebung im Raum des reflek
tierten Signals nach sich, was die Kopplung der optischen Elemente, die oberhalb oder
unterhalb des Filters FS1 angeordnet sind, verkomplizieren kann.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lösung für dieses Problem vor. Diese Lö
sung wird erhalten, indem man entweder im Eingangsstrahl RD oder im Ausgangsstrahl
TLB ein Abweichungskompensationselement M1 anordnet, das geeignet ist, durch einen
mit der Rotation des Trennfilters FS1 verbundenen Mechanismus solcherart mitgeführt zu
werden, daß es sich um denselben Winkel dreht wie das Trennfilter, um das erste Spek
tralband TLB in eine dritte vorgegebene Richtung DR3 zu reflektieren.
In der Praxis ist das Abweichungskompensationselement ein ebener Spiegel, der
dank des Mechanismus nach der vorliegenden Erfindung, wenn das sich Trennfilter FS1
um einen vorgegebenen Winkel dreht, eine Rotation in derselben Ebene ausführt.
Genauer stellt der Mechanismus die Verschiebung des Einfallspunkts des Strahls
TLB auf dem Abweichungskompensationselement M1 entlang der Ausgangsachse DR3
sicher.
Der Mechanismus zum Winkelausgleich oder zur Selbstausrichtung der Ausgangs-
und Eingangsstrahlen kann mittels mehrerer Anordnungen ausgeführt werden. In der nach
folgenden Beschreibung sind diese Anordnungen gelenkig um einen Trägerwinkel ange
bracht, der auf einem seiner Schenkel das Trennfilter und auf dem anderen seiner Schenkel
das Kompensationselement trägt. Jedoch können auch andere Anordnungen geeignet sein.
Wie in Fig. 18A gezeigt, sind die Eingangsstrahlen RD und die Ausgangsstrahlen
TLB entlang beliebiger Richtungen DT2 und DR3 angeordnet, die untereinander einen
Winkel C bilden.
Der Mechanismus zur Winkelkompensation oder zur Selbstausrichtung nach der
vorliegenden Erfindung umfaßt einen Winkel mit einem Winkel γ, wobei γ = (180 + C)°/2.
Der Winkel besitzt einerseits einen ersten festen Schenkel 504, der in der Translations
richtung durch eine Öffnung gleitend montiert ist, die in der Halterung des Trennfilters FS1
gearbeitet ist, und andererseits einen zweiten festen Schenkel 520, der das Kompensations
element M1 trägt.
Der Scheitel 525 des Winkels ist so angeordnet, daß er sich entlang einer Achse
530 in Translationsrichtung bewegt, welche an einer Winkelhalbierende zwischen der Ein
fallsrichtung DT2 und der dritten Richtung DR3 angeordnet ist.
Der erste steife Schenkel verbleibt während der Rotation des Trennfilters um die
Achse 506 senkrecht zum Trennfilter FS1.
Die in Verbindung mit den Fig. 18B bis 23 beschriebenen optischen Aufbauten
betreffen eine Vorrichtung, in der die Einfallsrichtung DT2 und die Ausgangsrichtung DR3
zueinander parallel sind.
Erfindungsgemäß umfaßt der Mechanismus einen Winkel 10 mit einem Winkel von
90° (mit C gleich 0°). Der Winkel besitzt einen ersten Schenkel 12, der in der Translations
richtung durch eine Öffnungen gleitend montiert ist, die in der Halterung des Trennfilters
FS1 gearbeitet ist.
Das Kompensationselement M1 ist auf dem zweiten festen Schenkel 20 des Win
kels 10 montiert. Die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elements ist parallel
zum zweiten Schenkel und senkrecht zur Ebene P1, die durch die Geraden DT2 und DR3
aufgespannt wird.
Der Scheitel S1 des Winkels ist an einem Gelenk 21 montiert, dessen Rotations
achse senkrecht zur Ebene P1 ist. Der Scheitel S1 des Winkels ist so angeordnet, daß er
sich auf einer Schiene 25 entlang einer geradlinigen Translation 22 bewegt, deren Achse im
halben Abstand zwischen der Einfallsrichtung DT2 und der dritten Reflexionsrichtung
DR3 angeordnet ist. Diese Achse 22 ist parallel zu der Einfallsrichtung DT2 und der Reflexionsrichtung
DR3 und liegt in einer Ebene parallel zu derjenigen des Winkels.
Der erste feste Schenkel bleibt senkrecht zum Trennfilter FS1 während der Rota
tion desselben um die Achse 14, die senkrecht zur Ebene des Winkels und zur durch die
Geraden DT2 und DR3 aufgespannten Ebene P1 ist. Diese Drehachse 14 nimmt eine feste,
vorgegebene Position ein.
Es ist festzustellen, daß die Schenkel des Winkels mit dem auf das Trennfilter FS1
reflektierten Strahl ein rechtwinkliges Dreieck bilden, dessen Scheitelwinkel gleich α/2,
also konstant gleich der Hälfte des Winkels a zwischen dem Einfallsstrahl RD und dem
reflektierten Strahl TLB ist.
Erfindungsgemäß sind die ersten und zweiten Schenkel 12 und 20 des Winkels in
Antwort auf eine Drehung des Filters FS1 um einen vorgegebenen Winkel (Übergang von
FS1 zu FS1′ oder von α zu α′) in der Lage, in Translationsrichtung derart bewegt zu wer
den (Übergang von 10 zu 10′), daß das reflektierende Element M1 sich um den besagten
Winkel dreht (Übergang von M1 zu M1′), um das erste Spektralband TLB zu erhalten und
es in die dritte vorgegebene Reflexionsrichtung DR3 zu reflektieren.
Vorteilhafterweise sind Vorrichtungen zum Steuern der Bewegung in Translations
richtung und/oder in Rotationsrichtung MD geeignet, die Bewegung der beweglichen Ele
mente der Vorrichtung zu steuern, um die Rotation des Kompensationselements M1 um
einen Winkel zu erreichen, der dem des Trennfilters entspricht. Diese Steuerungsvorrich
tungen MC sind zum Beispiel ein Mikromotor. Diese Steuerungsvorrichtungen stellen die
Selbstausrichtung der Vorrichtung in Abhängigkeit von Änderungen der Anregungswellen
länge oder in Abhängigkeit von Änderungen der Eigenschaften des Filters FS1 her. Dieses
Filter FS1 kann vorteilhafterweise austauschbar sein, um das System an verschiedene An
regungen anzupassen.
In Fig. 18B breitet sich die gestreute Strahlung RD von links entlang der Richtung
DT2 aus, um über die Elemente FS1 und M1 entlang der Richtung DR3 nach rechts reflek
tiert zu werden.
In Fig. 19 unterscheidet sich der optische Aufbau von dem unter Bezugnahme auf
Fig. 18 beschriebenen durch die Tatsache, daß der dem gestreuten Strahl RD entsprechen
de Strahl sich von rechts ausbreitet, um auf das Trennfilter FS1 geführt zu werden. Das
Signal TLB wird entlang der Richtung DR1 auf das Kompensationselement M1 reflektiert,
das das Signal TLB entlang der Richtung DR3 nach rechts reflektiert. Wie unter Bezug
nahme auf die Fig. 18B beschrieben, bleibt der zweite feste Schenkel während der Trans
lationsbewegung des Winkelscheitels parallel zum Kompensationselement M1.
In Fig. 22 kommt die gestreute Strahlung RD von links entlang der Richtung DT2.
Das Signal TLB wird über den Spiegel M1 gleichfalls nach links entlang der Richtung DR3
geführt. Der zweite feste Schenkel 20 verbleibt hier während der Translationsbewegung
des Winkelscheitels S1 senkrecht zum Kompensationselement M1.
In Fig. 23 kommt die gestreute Strahlung RD von rechts, um entlang der Richtung
DT2 auf das Filter FS1 geführt zu werden. Das Signal TLB wird von den Elementen FS1
und M1 reflektiert, um nach links entlang der Richtung DR3 geführt zu werden.
In Fig. 20 ist eine Ausführungsform des Winkels 10 gezeigt, die unter Bezugnahme
auf die Fig. 18B, 19, 22 und 23 beschrieben wurde. In dieser Ausführungsform ist der
erste Schenkel 12 geeignet, in einer ersten Schiene 15 entlang der ersten Translationsachse
16 bewegt zu werden, während das Filter FS1 in der Translationsrichtung fest bleibt. Die
Schiene 15 ist in der Nähe des Trennfilters FS1 angeordnet. Der Scheitel S1 des Winkels
ist geeignet, auf einer zweiten Schiene 25 entlang der zweiten Translationsachse 22 bewegt
zu werden. Die Schiene ist um ein Gelenk 21 drehbar.
Als Variante ist entsprechend der Fig. 21 der erste Schenkel 12 geeignet, in einer
weiteren Schiene 17 entlang der ersten Translationsachse bewegt zu werden. In dieser
Konfiguration ist die Schiene 17 um den Scheitel S1 gelenkig gelagert.
Dank der erfindungsgemäßen Aufbauten sind die Eingangsstrahlen RD und die
Ausgangsstrahlen TLB im Raum fest und bleiben mit den anderen Elementen des optischen
Systems ausgerichtet, wenn das Durchlaßband des Trennfilters geändert wird.
Es sei festzustellen, daß dieses Prinzip auch auf eine Anordnung von mehreren
Filtern ausgedehnt werden kann, die in Reihe entlang dem optischen Pfad auf solche Weise
angeordnet sind, daß sie die Charakteristiken des Spektralfilters verbessern.
Offensichtlich muß man, wenn man eine Anordnung wünscht, in der der Ausgangs
strahl TLB nicht parallel zur Eingangsachse RD ist, zum Beispiel einen festen Zusatzspie
gel (nicht dargestellt) in dem Pfad des Ausgangsstrahls TLB verwenden.
Der Mechanismus der Winkelkompensation und der Selbstausrichtung der Strahlen
findet auch Anwendung in einer Vorrichtung, in der die Richtungen DT2 und DR3 aufein
ander senkrecht stehen.
Unter dieser Bedingung umfaßt der erfindungsgemäße Mechanismus einen Winkel
100 mit einem Winkel γ von genau 135° (Fig. 24) (mit C gleich 90°).
Entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel, in dem die Rotationsachse des
Filters FS1 in der Translationsrichtung fest ist, erfährt nur der Kompensationsspiegel M1
eine Translationsbewegung und dreht sich gleichzeitig um einen Winkel α, der gleich der
Drehung des Filters FS1 ist.
In der Praxis umfaßt der Winkel 100 einen ersten festen Schenkel 104, auf dem das
Trennfilter FS1 drehbar um eine Drehachse 106 montiert ist, die in der zu diesem Winkel
senkrecht liegenden Ebene liegt. Der erste Schenkel 104 ist durch eine Öffnung, die in dem
Träger des Filters FS1 gearbeitet ist, gleitend montiert, so daß der erste Schenkel 104
während der Translationsbewegung des Winkelscheitels senkrecht zur Ebene des Filters
FS1 bleibt.
Der Winkel 100 umfaßt außerdem einen zweiten festen Schenkel 120, der gleitend
durch die Öffnung, die in den Träger des Kompensationselements M1 gearbeitet ist, mon
tiert ist, so daß der zweite Schenkel senkrecht zur Ebene des Kompensationselements M1
bleibt.
Der Schenkel S2 des Winkels 100 ist mit einem Gelenk 121 verbunden, dessen
Drehachse senkrecht zur von den Geraden DT2 und DR3 aufgespannten Ebene ist. Das
Gelenk 121 ist entlang einer vorgegebenen Translationsachse 130, die um 45° zur Einfalls
richtung DT2 und zur dritten Reflexionsrichtung DR3 angeordnet ist und in einer zur
Ebene des Winkels parallelen Ebene liegt, gleitend montiert.
In Antwort auf eine Rotation des ersten Filters FS1 um einen vorgegebenen Winkel
α ist der Scheitel S2 des Winkels geeignet, in Translationsrichtung derart bewegt zu wer
den, daß sich das Kompensationselement M1 um den besagten Winkel dreht, um das erste
Spektralband TLB zu empfangen und es in die dritte vorgegebene Reflexionsrichtung
DR3 zu reflektieren.
In der Praxis wird die Translationsachse des zweiten Schenkels auf einer Schiene
entlang der Richtung DR3 geführt.
Es sei festzustellen, daß in dieser Konfiguration der Spiegel M1 nicht mehr parallel
zum Filter FS1 ist, sondern von einem festen Arm mitgenommen wird, so daß der Winkel
gleich 135° ist. Der Winkel zwischen der Geraden DT2 und der Achse 130 bleibt hier kon
stant gleich 45°.
In Fig. 24 kommt der von der Probe gestreute Strahl RD von links, um entlang der
Richtung DT2 auf das Filter FS1 geführt zu werden. Das Trennfilter FS1 trennt den Strahl
RD in zwei Strahlen, wovon der erste RAM entlang der Richtung DT2 geführt wird und
der zweite dem Signal des Spektralbandes TLB entspricht und entlang der Richtung DR1
auf den ebenen Spiegel M1 reflektiert wird. Dieser reflektiert das Spektralband TLB ent
lang der Richtung DR3, die senkrecht zur Richtung DT2 ist.
In Fig. 24 wird das Signal TLB nach oben entlang der Richtung DR3 gelenkt. In
einer Variante (Fig. 25) ist die Konfiguration so ausgeführt, daß das Signal TLB entlang
der Richtung DR3 nach unten geführt wird. Hier ist der Spiegel M1 parallel zum zweiten
Schenkel 120 befestigt und weist kein Gelenk und keine Schiene auf. Die Ausmaße der
reflektierenden Oberflächen des Filters FS1 und des Spiegels M1 sind geeignet, die Selbst
ausrichtung der Eingangsstrahlen RD und der Ausgangsstrahlen TLB entsprechend der
Erfindung zu ermöglichen.
Zum Beispiel sind die Ausmaße der reflektierenden Oberflächen in der Größen
ordnung von 20 bis 30 mm für kommerzielle Elemente.
In Fig. 26 ist eine weitere Variante dargestellt, in der das Signal RD von rechts
kommt im Gegensatz zu den Fig. 24 und 25, wo es von links kommt.
Für den Rest ist die in Fig. 26 dargestellte Konfiguration ähnlich der in Verbindung
mit Fig. 24 beschriebenen.
In Fig. 27 kommt das gestreute Signal RD von der rechten Seite, um entlang der
Richtung DR3 nach unten geführt zu werden.
In Fig. 28 ist eine weitere Variante dargestellt, in der das Trennfilter FS1 sich dreht
und eine Translationsbewegung erfährt. Gleichfalls dreht sich der Kompensationsspiegel
M1 und erfährt ebenfalls eine Translationsbewegung.
In dieser Konfiguration umfaßt die Selbstausrichtungsvorrichtung nach der vorlie
genden Erfindung vier Schenkel B1 bis B4 ein- und derselben konstanten Länge, um einen
Rhombus LOS mit vier Scheiteln S3, S4, S5 und S6 zu bilden.
Der Scheitel S3 der Schenkel B1 und B2 trägt das Trennfilter FS1. Es dreht sich
um eine Rotationsachse R1, die in einer Ebene senkrecht zu der der Schenkel B1 und B2
liegt.
Der Scheitel S6 der Schenkel B4 und B1 trägt den Spiegel M1. Er dreht sich um
eine Rotationsachse R2, die in einer Ebene senkrecht zu der der Schenkel B4 und B1 liegt.
Der Scheitel S4 der Schenkel B2 und B3 trägt eine Schiene G2, die geeignet ist,
den Scheitel S4 in Translationsrichtung entlang einer Diagonalen D1 des Rhombus LOS zu
führen.
Der Scheitel S5 der Schenkel B3 und B4 trägt eine Schiene G1, die geeignet ist,
den Scheitel S5 in Translationsrichtung entlang einer anderen Diagonalen D2 des Rhombus
LOS zu führen.
Der Schenkel B2 ist in Translationsrichtung gleitend entlang einer Achse A1 paral
lel zur Richtung DT2 montiert.
Der Schenkel B4 ist in Translationsrichtung gleitend entlang einer Achse A2 paral
lel zur Richtung DR3 montiert.
Es ist eine bekannte Eigenschaft des Rhombus, daß die Diagonalen aufeinander
senkrecht bleiben, wenn man die Winkel an den Scheitelpunkten ändert.
Durch gleichzeitige Verschiebung der beiden Schienen G1 und G2 in Antwort auf
eine Rotation des Filters FS1 um einen vorgegebenen Winkel, dreht sich das Kompensa
tionselement M1 um den gleichen Winkel, um das erste spektrale Band TLB zu empfangen
und es in die dritte vorgegebenen Reflexionsrichtung DR3 zu reflektieren.
In einer Variante, in der der Rhombus durch ein Parallelogramm ersetzt wird, be
steht die Diagonale, die eine konstante Länge besitzt, aus einem sich drehenden Arm. Die
Drehungen des Spiegels M1 und des Filters FS1 werden zum Beispiel durch Drücken von
geradlinigen Armen, die auf zylindrischen Rollen gleiten und von Federn (nicht dargestellt)
in Andruckpositionen gehalten werden, erzeugt.
Es sei festzustellen, daß die hiervor beschrieben Selbstausrichtungsvorrichtungen
verschiedene Anwendungen finden, zum Beispiel in der Röntgenstrahlspektrometrie, wenn
die Elemente M1 und FS1 durch Kristallflächen gleicher Eigenschaften ersetzt werden.
Diese Selbstausrichtungsvorrichtungen ermöglichen auch optische Messungen unter einem
veränderlichem Einfallswinkel auf eine Probe, die sich auf der Höhe des Filters FS1 befin
det, ohne daß die Strahlen bewegt und ohne daß die Polarisationsrichtungen verändert
werden müssen.
Diese Selbstausrichtungsvorrichtungen können auch eine Anwendung in Mono
chromatoren mit Beugungsgittern finden, in denen die beiden Gitter die Elemente M1 und
FS1 ersetzen, die sich fest um denselben Winkel drehen. Die Kollimatorachse und die Aus
gangsachse sind dann fest.
Schließlich können diese Selbstausrichtungsvorrichtungen eine Anwendung in allen
Arten von interferometrischen Systemen finden, die einen variablen Einfallswinkel benöti
gen, zum Beispiel in Interferometern des FABRY-PEROT-Typs.
Claims (17)
1. Vorrichtung für die Spektralanalyse, welche umfaßt:
- - eine Quelle (LA), die geeignet ist, eine Anregungsstrahlung (REX) einer vor gegebenen Wellenlänge (λ0) zu erzeugen;
- - einen Platz (EMP) für eine zu untersuchende Probe;
- - Vorrichtungen zum Führen der Anregungsstrahlen (REX) zu einer auf dem Platz angeordnete Probe;
- - ein Trennfilter (FS1), das geeignet ist, ein erstes Spektralband (TLB) der Strah lung, die es empfängt, in eine erste Richtung (DR1) zu reflektieren, und das den Rest (RAM) der Strahlung, die es empfängt, in eine zweite Richtung (DT2) durchläßt, wobei das erste Spektralband (TLB) um die Wellenlänge der Anregungsstrahlung (REX) zentriert ist und der Rest (RAM) der von dem Trennfilter (FS1) durchgelassenen Strahlung dem gewünschten RAMAN-Spektrum entspricht;
- - Vorrichtungen zum Auffangen der von der angeregten Probe erzeugten Strahlung (RD) und zum Führen derselben zu dem Trennfilter (FS1);
- - Vorrichtungen (MAY) zur Detektion und spektralen Analyse, die entlang der zweiten Richtung (DT2) angeordnet sind; und
- - Vorrichtungen zum Auffangen des von dem Trennfilter übertragenen RAMAN- Spektrums (RAM) und zum Führen desselben zur den Vorrichtungen (MAY) zur Detek tion und Analyse;
dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt:
- - ein Sperrfilter (FCB), das geeignet ist, die Blockierung eines zweiten Spektralban des (ET) mit einer geringeren Breite als diejenige des ersten Spektralbandes (TLB), das eine steile Abschneideflanke besitzt und die Wellenlänge (λ0) der Anregungsstrahlung (REX) einschließt, durchzuführen;
- - Vorrichtungen zum Auffangen des ersten Spektralbandes (TLB) der von dem Trennfilter (FS1) reflektierten Strahlung und zum Führen derselben auf das Sperrfilter (FCB), um aus ihm das zweite Spektralband (ET) zu entfernen; und
- - Vorrichtungen zum Auffangen des dem ersten Spektralband (TLB) entsprechen den Signals (LBO), dem derart von dem Sperrfilter aus dem zweiten schmalen Band (ET) entfernt wurde, und zum Führen des Signals (LBO) auf optische Vorrichtungen (M2, FS1), die es in der zweiten Richtung (DT2) mit dem von dem Trennfilter durchgelassenen RAMAN-Spektrum (RM) derart kombinieren, daß die Detektions- und Analysevorrich tungen (MAY) die derart kombinierten, komplementären Strahlungen (LBO und RAM) verarbeiten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektions- und
Analysevorrichtungen (MAY) geeignet sind, die derart kombinierten, komplementären
Strahlungen (LBO und RAM) gleichzeitig zu verarbeiten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Detektions- und Analysevorrichtungen (MAY) ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus
den Fouriertransformationsspektrometern und den Ein- oder Mehrkanal-Dispersionsspek
trometern besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Kom
binationsvorrichtungen das Trennfilter (FS1) umfassen, das derart angeordnet ist, daß es
das erste Spektralband, das von dem zweiten, engen Band (LBO) entfernt wurde, in die
zweite Richtung (DT2) reflektiert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Kom
binationsvorrichtungen ein Hilfs-Trennfilter (FS2) umfassen, das getrennt von dem ersten
Trennfilter (FS1) regelbar ist, um das erste, von dem zweiten, engen Band (LBO) entfernte
Spektralband entlang der zweiten Richtung (DT2) zu reflektieren.
6. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Trennfilter (FS1) einen erhöhten Reflektionskoeffizienten für den zu eliminieren
den Anregungsstrahl, ein relativ breites Sperrband bezüglich des zu eliminierenden Anre
gungsstrahls und einen erhöhten Transmissionskoeffizienten außerhalb des Sperrbandes
besitzt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennfilter
(FS1) mit Mehrfachwelleninterferenz arbeitet und daß es ausgewählt wird aus der Gruppe
der Notchfilter mit halbdurchlässigen Spiegeln, der Interferenzreflektionsfilter, der kolloi
den Filter des sogenannten ASHER-Typs, der Filter mit mehrfachen dielektrischen Schich
ten, der Filter des LIPPMAN-Typs mit Indexgitter oder der Filter des holographischen
Typs.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrfilter
(FCB) aus der Gruppe der Absorptionsfilter, der interferometrischen Filter des FABRY-
PEROT-Typs oder des Typs mit einem dispersiven System ausgewählt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrfilter
(FCB) einen subtraktiven Monochromator mit zwei Dispersionsgittern (R10, R20) und
einer Reflexions/Transmissions-Lichtfalle (PG10, MD) umfaßt, wobei diese Falle zwi
schen den beiden Gittern angeordnet ist, um die Anregungsstrahlung (REX) entlang des
Hinwegs (F1) im optischen Pfad zur Probe gehen zu lassen und die in dem ersten Spek
tralband (TLB) enthaltene Anregungsstrahlung, die von dem Trennfilter reflektiert wurde
entlang dem Rückweg (F2) des optischen Pfads einzufangen.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der das Trennfilter
(FS1) drehbar montiert ist und geeignet ist, die von der Probe entlang einer Einfallsrich
tung, die der zweiten Richtung (DT2) entspricht, gestreute Strahlung (RD) zu empfangen
und das erste Spektralband (TLB) entlang der ersten Richtung (DR1) auf ein Abwei
chungskompensationselement (M1) zu reflektieren, das es dann entlang einer dritten vor
gegebenen Richtung (DR3) reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Mechanis
mus aufweist, der geeignet ist, das Element (M1) zur Kompensation der Abweichung auf
solche Weise mitzuführen, daß sich das Kompensationselement (M1) um denselben Winkel
wie das Trennfilter (FS1) dreht, damit das erste Spektralband (TLB) in die dritte vorgege
bene Richtung (DR3) reflektiert wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mechanismus
wenigstens einen Winkel (10) mit einem Winkel γ mit γ = C + 180°/2 aufweist, welcher
umfaßt:
- - einen ersten festen Schenkel (504, 12), der in der Translationsrichtung durch eine in der Halterung des Trennfilters (FS1), das in der Translationsrichtung fest montiert ist, gearbeitete Öffnung beweglich montiert ist, und
- - einen zweiten festen Schenkel (520, 20), der das Kompensationselement (M1) trägt, wobei der Scheitel (S1) des Winkels gezwungen ist, sich in der Translationsrich tung entlang einer Achse (22) zu bewegen, die an der Winkelhalbierenden zwischen der Einfallsrichtung (DT2) und der dritten Richtung (DR3) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste feste
Schenkel geeignet ist, senkrecht zum Trennfilter (FS1) zu bleiben, wenn dieses gedreht
wird und wenn der Scheitel des Winkels in Translationsrichtung bewegt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Schenkel (520, 20) geeignet ist, senkrecht zum Kompensationselement (M1) zu bleiben,
wenn der Scheitel des Winkels in Translationsrichtung bewegt wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Schenkel (20) geeignet ist, parallel zum Kompensationselement (M1) zu bleiben, wenn der
Scheitel des Winkels in Translationsrichtung bewegt wird.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
sie Steuerungsvorrichtungen (MD) umfaßt, die geeignet sind, die Bewegung der bewegli
chen Elemente der Vorrichtung in Antwort auf einen vorgegebenen Befehl zu steuern, um
eine Selbstausrichtung der Eingangsstrahlen (RD) und der Ausgangsstrahlen (TLB) des
Trennfilters zu erreichen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mechanismus
vier Schenkel (B1 bis B4) ein- und derselben konstanten Länge umfaßt, um einen Rhombus
(LOS) mit vier Scheiteln (S3, S4, S5 und S6) zu bilden, wobei der Scheitel (S3) der Schen
kel (B1 und B2) das Trennfilter FS1 trägt, das sich um eine Rotationsachse (R1), die in
einer Ebene senkrecht zu der der Schenkel (B1 und B2) liegt, dreht, der Scheitel (S6) der
Schenkel (B4 und B1) den Spiegel M1 trägt, der sich um eine Rotationsachse (R2), die in
einer Ebene senkrecht zu der der Schenkel (B4 und B1) liegt, dreht, der Scheitel (S4) der
Schenkel (B2 und B3) eine Schiene (G2) trägt, die geeignet ist, den Scheitel (S4) in Trans
lationsrichtung entlang einer Diagonalen (D1) des Rhombus (LOS) zu führen, der Scheitel
(S5) der Schenkel (B3 und B4) eine Schiene (G1) trägt, die geeignet ist, den Scheitel (S5)
in Translationsrichtung entlang einer anderen Diagonalen (D2) des Rhombus (LOS) zu
führen, wobei der Schenkel (B2) in Translationsrichtung entlang einer Achse (A1) gleitend
montiert ist, die parallel zur Richtung (DT2) ist, und der Schenkel (B4) in Translations
richtung entlang einer Achse (A2) parallel zur Richtung (DR3) montiert ist, und
daß die beiden Schienen (G1 und G2) in Antwort auf eine Rotation des Filters
(FS1) um einen vorgegebenen Winkel geeignet sind, sich gleichzeitig derart zu bewegen,
daß sich das Kompensationselement (M1) um den gleichen Winkel dreht, um das erste
Spektralband (TLB) zu empfangen und es in die dritte vorgegebenen Reflexionsrichtung
(DR3) zu reflektieren.
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