DE19539683B4

DE19539683B4 - Vorrichtung für Spektralanalyse mit kombinierter, komplementärer Filterung insbesondere für RAMAN-Spektrometrie

Info

Publication number: DE19539683B4
Application number: DE19539683A
Authority: DE
Inventors: Edouard Da Silva; Michel Delhaye; Jacques Barbillat
Original assignee: Dilor
Current assignee: Dilor
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2015-10-26
Also published as: FR2726365B1; GB9521761D0; FR2726365A1; GB2294542B; US5661557A; GB2294542A; DE19539683A1

Abstract

Vorrichtung für die Spektralanalyse, welche umfasst:
– eine Quelle (LA), die geeignet ist, eine Anregungsstrahlung (REX) einer vorgegebenen Wellenlänge (λ0) zu erzeugen;
– einen Platz (EMP) für eine zu untersuchende Probe;
– Vorrichtungen zum Führen der Anregungsstrahlen (REX) zu einer auf dem Platz angeordneten Probe;
– ein Trennfilter (FS1), das geeignet ist, ein erstes Spektralband (TLB) der Strahlung, 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...

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 Wellenlänge zu erzeugen;
– einen Platz für eine zu untersuchende Probe;
– Vorrichtungen zum Führen der Anregungsstrahlen zu einer auf dem Platz angeordnete 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 Strahlung 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-Spektrometrie 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-Streustrahlung 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 dielektrischen 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 Abschneideflanken (keine steilen Ränder) und ein relativ breites Rückweisungs- oder Sperrband bezogen auf den zu eliminierenden Anregungsstrahl aufzuweisen.

Daraus folgt, das die nützlichen und für die zu analysierende Probe charakteristischen Informationen, die vom Fachmann "Strahlen niedriger Frequenz" genannt werden, von dem Trennfilter nicht zu den Detektions- und Analysevorrichtungen durchgelassen werden, sondern mit der Anregungsstrahlung eliminiert (reflektiert) werden, was einen beträchtlichen Informationsverlust nach sich zieht.

Eine bekannte Lösung besteht darin, das Trennfilter als Hochpaß oder Tiefpaß 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 engen Sperrbereich mit einer steilen Abschneideflanke zu verwenden. Jedoch ist ein solches Filter derzeit technisch nicht herstellbar.

Aus der EP 0 535 753 ist eine Vorrichtung für die Spektralanalyse bekannt, die eine Lichtquelle, eine Probe, einen Trennfilter und eine Detektions- und Spektralanalysevorrichtung, aber keinen Sperrfilter gemäß der nachfolgend beschrieben und beanspruchten Erfindung zeigt.

Der Anmelder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur _RAMAN 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 zur Lösung dieses Problems eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art vor, 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 zweite 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 wiederhergestellte Spektrum zu den Detektions- und Analysevorrichtungen führt. Unter diesen Bedingungen besitzt das analysierte RAMAN-Spektrum mehr Informationen als in den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die ein nicht perfektes Filter des "Notch-" Typs verwendeten.

Vorteilhafterweise umfaßt das Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke einen subtraktiven Monochromator mit zwei Streugittern und einer Reflektions/Transmissions-Lichtfalle, wobei diese Falle zwischen den beiden Gittern angeordnet ist, um die Anregungsstrahlung 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 Transmission in dem gesamten nützlichen Spektralband des RAMAN-Spektrums, das mit einer sehr steilen Dämpfungskurve bei der entsprechenden Sperrwellenlänge, die dem zu eliminierenden 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 verschieben 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 Spektralband 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 Kompensationselement 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, gearbeitet ist, beweglich montiert ist, und
– einen zweiten festen Schenkel, der das Kompensationselement trägt, wobei die Spitze des Winkels gezwungen ist, sich in der Translationsrichtung entlang 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.
1 stellt schematisch ein RAMAN-Spektrometer mit kombinierten, komplementären Filtern nach der vorliegenden Erfindung dar.
2A zeigt eine Vorrichtung zur Spektralanalyse mit kombinierten, komplementären Filtern nach der Erfindung, bei der das Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke einen subtraktiven, doppelten Monochromator und eine Reflektions/Transmissions-Lichtfalle nach der vorliegenden Erfindung umfaßt.
2B zeigt die Vorrichtung der 2A, bei der konkave Umlenkspiegel durch Linsenobjektive nach der vorliegenden Erfindung ersetzt sind.
3 ist eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Vorrichtung, die zwei in Reihe angeordnete Trennfilter verwendet, um die kombinierten, komplementären Filter nach der vorliegenden Erfindung darzustellen.
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.
5 zeigt die Vorrichtung der 4, die zwei in Reihe angeordnete Trennfilter nach der vorliegenden Erfindung verwendet.
6 stellt schematisch eine Vorrichtung zur Spektralanalyse mit kombinierten, komplementären Filtern nach der Erfindung dar, bei der der Anregungsstrahl mit der Wellenlänge λ0 direkt auf die Probe gerichtet ist, ohne durch das Trennfilter zu gehen.
7 stellt schematisch die in 6 gezeigte Vorrichtung zur Spektralanalyse mit kombinierten, komplementären Filtern nach der Erfindung dar, die zwei in Reihe angeordnete Trennfilter verwendet.
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.
9 stellt schematisch die spektrale Responsekurve eines klassischen Trennfilters des "Notch-" Typs dar, das auf die Anregungswellenlänge λ0 zentriert ist.
10 stellt die Kurve des von der Probe in der Anwesenheit eines leichten parasitären Hintergrundes gestreuten Spektrums dar, das gleichzeitig die tiefen, mittleren und hohen Frequenzen in den Stokes- und Anti-Stokes-Bereichen umfaßt.
11 stellt das von einem klassischen Trennfilter durchgelassene RAMAN-Spektrum dar, dessen tiefe Frequenzen zwischen λ1 und λ2 abgeschnitten sind.
12 stellt das von einem klassischen Trennfilter reflektierte Spektrum dar.
13 stellt die spektrale Responsekurve eines klassischen Sperrfilters mit steiler Abschneideflanke dar.
14 stellt das von einem klassischen Trennfilter reflektierte und dann entsprechend der Erfindung von einem klassischen Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke gefil terte Signal dar.
15 stellt die erfindungsgemäße Kombination des von einem klassischen Trennfilter durchgelassenen RAMAN-Spektrums und des von dem Sperrfilter mit steiler Abschneideflanke herrührenden Signals dar.
16 stellt die typische Responsekurve eines klassischen Sperrfilters mit steiler Abschneideflanke des Absorptionstyps dar.
17 stellt schematisch die typische Responsekurve eines klassischen Sperrfilters mit steiler Abschneideflanke des FABRY-PEROT-Interferometertyps dar.
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 18B bis 23 stellen schematisch die selbstausrichtende Vorrichtung nach der Erfindung dar, wenn die Einfallsrichtung DT2 und die Ausfallsrichtung DR3 zueinander parallel sind.
Die 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 komplementären Filterung, eine Anwendung in jedem Gebiet der Spektralanalyse, zum Beispiel der Emissions-, Lumineszenz-, Phosphoreszenz- oder Fluoreszenzspektroskopie findet.
In 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 monochromatischen 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. Allgemein ist der Platz EMP in einer vorgegebenen Beziehung zum Objektiv eines Mikrokops 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 herrührende oder gestreute Strahlung 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 Anregungsstrahls 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 Strahlung, 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 Reflektionsrichtung DR1. Der Winkel α liegt zum Beispiel in der Größenordnung von 7 bis 11°. Offensichtlich sind auch andere Winkel 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 Vorrichtung zu beschreiben.
In 10 ist das Spektrum der von der der Anregung unterworfenen Probe gestreuten Strahlung RD dargestellt. Die Abszisse stellt die Wellenzahl in cm^–1 dar. Die Ordinate 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 Anzahl feiner Strahlen der Stokes-RAMAN-Spektren ST und Anti-Stokes-RAMAN-Spektren AST. Diese Strahlen sind symmetrisch bezüglich des Strahls RP, besitzen eine unterschiedliche 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 Anregungstrahls befindlichen Strahlen werden vom Fachmann Strahlen "niedriger Frequenz" BF ge nannt, während die von dem Anregungsstrahl entfernten Strahlen Strahlen "mittlerer und hoher Frequenz" HF genannt werden.
In 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 Reflektionskoeffizienten in Prozent dar.
Der spektrale Response des Trennfilters zeigt ein Profil einer allgemein rechtwinkligen Form mit nicht steilen Flanken, das um die Wellenlänge λ0 zentriert ist. Das Trennfilter weist einen hohen Reflektionskoeffizienten 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 reflektiert mit einem niedrigen Durchlaßkoeffizienten die Strahlen mit einer Wellenlänge niedriger als λ2 oder höher als λ2'. Das Spektralband wird Spektralband mit nicht steilen Flanken bezeichnet, wenn die Steigung der Abschneideflanken (zwischen λ2 und λ1 oder zwischen 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/Reflektions-Response erzeugt. Die Transmissionskurve ist hier als dünner Strich dargestellt, während die Reflektionskurve als dicker 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 durchgelassen, sondern werden mit dem Anregungsstrahl eliminiert (reflektiert), was zu einem beträchtlichen Informationsverlust führt.
In 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 12 ist das Spektrum der von dem Filter FS1 reflektierten Strahlung TLB dargestellt. Es umfaßt ein relativ breites Band bezogen auf den zu eliminierenden Anregungsstrahl, das den besagten Anregungsstrahl λ0 umgibt.
Allgemein arbeitet das Trennfilter FS1 mittels Interferenzen mehrfacher Ordnung.
Es wird ausgewählt aus der Gruppe der "Notch-" Filter mit halbdurchlässigen Spiegeln, der Interferenzreflektionsfilter, der kolloiden Filter des sogenannten ASHER-Typs, der Filter mit mehrfachen dielektrischen Schichten, der Filter des LIPPMAN-Typs mit Indexgitter oder des holographischen Typs.
Im folgenden wird wieder auf 1 Bezug genommen.
Erfindungsgemäß 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 Frequenzband 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 Strahlung zunächst auf das Sperrfilter FCB geführt. Dann sind Auffangvorrichtungen vorgesehen, um das von dem Sperrfilter FCB gefilterte Signal LBO aufzufangen und es mittels optischer Kombinationsvorrichtungen mit dem Spektrum RAM entlang der Durchlaßrichtung DT2 zu kombinieren. Die optischen Kombinationsvorrichtungen reflektieren das Signal LBO exakt in die zweite Durchlaßrichtung DT2, was ermöglicht, es komplementär mit dem von dem Trennfilter durchgelassenen Spektrum RAM zu kombinieren.
Wie in 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 Signale LBO und RAM entsprechend der vorliegenden Erfindung wird besser mittels der nachfolgend beschriebenen Spektralantworten verstanden.
In 13 ist die typische Spektralantwort eines klassischen Sperrfilters gezeigt, das in der Lage ist, ein schmales Band ET mit steilen Kanten, die auch steile Abschneideflanken 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 14 ist das Spektrum der von dem Trennfilter FS1 reflektierten und von dem Sperrfilter FCB entsprechend der Erfindung gefilterten Strahlung dargestellt. Es ist angebracht 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 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 nützlichen und für die zu analysierende Probe charakteristischen Informationen umfaßt. Bezüglich der gestreuten Strahlung RD umfaßt es vorteilhafterweise alle Informationen außer dem Anregungsstrahl mit sehr hoher Intensität, der die Detektion und die Analyse behindert.
Somit sind die Analysevorrichtungen mit einem solchen zusammengesetzten Signal in der Lage, bislang verlorengegangene Information zu erhalten.
In 2A umfaßt das Sperrfilter FCB einen subtraktiven Doppelmonochromator mit zwei Streugittern und einer Reflektions-/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 Beschreibung dieser Anmeldung soll in der vorliegenden Anmeldung mit umfaßt sein.
Kurz gesagt, erzeugt die Lichtquelle LA den Anregungsstrahl REX. Optische Vorrichtungen L0 bündeln den Anregungsstrahl REX auf die Durchlaßoberfläche T10 einer Transmissions-/Reflektions-Lichtfalle PG10, die diesen Anregungsstrahl REX zu einer ersten Streustufe R10 durchläßt. Allgemein umfaßt das optische System die zu analysierende Probe, die auf dem Platz EMP angeordnet ist, eine Linse, wie zum Beispiel ein Mikroskopobjektiv 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 angezeigten Richtung) geht der monochromatische Anregungsstrahl REX durch die Durchlaßoberfläche 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 Streugitter 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 Reflektionsoberflächen 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 Anregungsstrahl 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 konkaven Spiegel, einem Ausgangsspalt FS und einer Linse L3. Die Streugitter 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 Strahlen in einem einzigen Bild ohne Dispersion auf dem Ausgangsspalt FS zusammengesetzt werden.
Die optischen Kombinationsvorrichtungen sind vorgesehen, um das von dem optischen Aufbau bestehend aus dem doppelten Monochromator R10/20 und der Lichtfalle PG10 gefilterte Signal LBO aufzufangen und zu führen. Diese optischen Kombinationsvorrichtungen 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 2A beschriebene Vorrichtung 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 Trennfilter reflektierten Signal TLB enthaltenen Anregungsstrahl einfängt.
Als Variante (2B) kann der optische Aufbau R10/R20/PG10 mit Linsen anstelle der konkaven Umlenkspiegel, die den Nachteil eines großen Raumverbrauchs haben, ausgeführt sein.
Kurz gesagt, erzeugt die Lichtquelle LA den Anregungsstrahl REX. Optische Vorrichtungen L0 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 Beispiel ein Mikropkopobjektiv, einen Umlenkspiegel M1, eine weitere Linse L2, einen Eingangsspalt FE, zwei weitere Umlenkspiegel MR2 und MR1, eine Linse L10 und ein Streugitter R10.
In der Hinrichtung des optischen Pfades (also entlang der durch den Pfeil F1 angezeigten Richtung) wird der Anregungsstrahl REX durch die Vorrichtungen L0 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 Spiegel 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 Streugitter 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 montiert, um mit Präzision die Position des Spektralbildes bezüglich des abgeschrägten Spiegels so einstellen zu können, daß ein spektrales Abschneiden in der Nähe der Anregungswellenlänge 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 vorteilhafterweise über eine Linse L4 die derart kombinierten Strahlen LBO und RAM.
Es ist festzustellen, daß die unter Bezugnahme auf die 2B beschriebene Vorrichtung ebenfalls die Leistungen eines RAMAN-Spektrometers mit FOURIER-Transformation oder des Dispersionstyps mit Ein- oder Mehrkanaldetektion erheblich steigert.
In 3 ist der optische Pfad des Signals LBO leicht modifiziert im Vergleich zu dem unter Bezugnahme auf die 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 Filter FS1 durchgelassenen Signal RAM kombiniert wird.
In 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 verschwindet dieser Nachteil in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eines dieser engen Bänder mit dem Anregungsstrahl im Inneren des Sperrbandes des Trennfilters zusammenfallen läßt und die oben beschriebenen, komplementären, kombinierten Filterungen durchführt.
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 Richtung) 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 5 ist eine weitere Variante der spektralen Analysevorrichtung mit kombinierter, komplementärer Filterung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese unterscheidet sich von der in 4 gezeigten Vorrichtung durch die Tatsache, daß die optischen Kombinationsvorrichtungen dieses Mal einen Aufbau M2/FS2 anstelle des Auf baus M2/FS1 umfassen, wobei das Element FS2 ein Trennfilter ähnlich dem Trennfilter FS1 ist. Der Aufbau M2/FS2 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 6 ist der optische Pfad der Anregungsstrahlung REX im Vergleich zu den hiervor beschriebenen Vorrichtungen etwas modifiziert. Hier beleuchtet der Anregungsstrahl 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 Beseitigung von spiegelnden Reflexen auf der Probe und ermöglicht, die Intensität des Anregungsstrahls 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 angeordnet, 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 Absorptionstyps, dessen spektraler Response unter Bezugnahme auf 16 beschrieben ist.
Wie in 16 gezeigt, eliminiert das Absorptionsfilter ein schmales Band mit einer steilen Abschneideflanke, das um die Wellenlänge λ0 zentriert ist (geringer Transmissionskoeffizient) ebenso wie weitere Bänder BL, die bezüglich λ0 verschoben sind. Überraschenderweise ist dies nicht störend, wenn sich diese weiteren Bänder außerhalb des Sperrbandes des Trennfilters FS1 befinden. Daraus folgt, daß die Kombination der komplementären Filterungen die Gesamtheit des RAMAN-Spektrums wiederherstellt. Das Filter FCB ist zum Beispiel ein Ioddampf-Absorptionsfilter.
In 7 ist die spektrale Analysevorrichtung mit kombinierter, komplementärer Filterung, die unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wurde, zusätzlich mit der Variante des zweiten Trennfilters FS2, das entsprechend der 3 angeordnet ist, gezeigt.
In 8 ist eine weitere Variante der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der das Sperrfilter vom Interferometertyp ist mit einer unter Bezugnahme auf 17 beschriebenen Spektralantwort.
Wie in 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 Reflektionsrichtung DR1 bildet, geändert werden kann, um die Wellenlänge des Sperrbandes des Trennfilters auswählen zu können. Jedoch zieht diese Rotation eine Verschiebung im Raum des reflektierten 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 Lösung 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 Spektralband 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 nachfolgenden 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 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 Translationsrichtung durch eine Öffnung gleitend montiert ist, die in der Halterung des Trennfilters FS1 gearbeitet ist, und andererseits einen zweiten festen Schenkel 520, der das Kompensationselement 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 Einfallsrichtung 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 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 Translationsrichtung 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 Winkels 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 Rotationsachse 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 Reflektionsrichtung DR3 angeordnet ist. Diese Achse 22 ist parallel zu der Einfallsrichtung DT2 und der Reflektionsrichtung DR3 und liegt in einer Ebene parallel zu derjenigen des Winkels.
Der erste feste Schenkel bleibt senkrecht zum Trennfilter FS1 während der Rotation 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 α 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 werden (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 Reflektionsrichtung DR3 zu reflektieren.
Vorteilhafterweise sind Vorrichtungen zum Steuern der Bewegung in Translationsrichtung und/oder in Rotationsrichtung MD geeignet, die Bewegung der beweglichen Elemente der Vorrichtung zu steuern, um die Rotation des Kompensationselements M1 um einen Winkel zu erreichen, der dem des Trennfilters entspricht. Diese Steuerungsvorrichtungen MC sind zum Beispiel ein Mikromotor. Diese Steuerungsvorrichtungen stellen die Selbstausrichtung der Vorrichtung in Abhängigkeit von Änderungen der Anregungswellenlänge oder in Abhängigkeit von Änderungen der Eigenschaften des Filters FS1 her. Dieses Filter FS1 kann vorteilhafterweise austauschbar sein, um das System an verschiedene Anregungen anzupassen.
In 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 reflektiert zu werden.
In 19 unterscheidet sich der optische Aufbau von dem unter Bezugnahme auf 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 Bezugnahme auf die 18B beschrieben, bleibt der zweite feste Schenkel während der Translationsbewegung des Winkelscheitels parallel zum Kompensationselement M1.
In 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 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 20 ist eine Ausführungsform des Winkels 10 gezeigt, die unter Bezugnahme auf die 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 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 Ausgangsstrahl TLB nicht parallel zur Eingangsachse RD ist, zum Beispiel einen festen Zusatzspiegel (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 aufeinander senkrecht stehen.
Unter dieser Bedingung umfaßt der erfindungsgemäße Mechanismus einen Winkel 100 mit einem Winkel γ von genau 135° (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, montiert 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 Einfallsrichtung DT2 und zur dritten Reflektionsrichtung 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 werden, daß sich das Kompensationselement M1 um den besagten Winkel dreht, um das erste Spektralband TLB zu empfangen und es in die dritte vorgegebene Reflektionsrichtung 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 konstant gleich 45°.
In 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 entlang der Richtung DR3, die senkrecht zur Richtung DT2 ist.
In 24 wird das Signal TLB nach oben entlang der Richtung DR3 gelenkt. In einer Variante (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 Selbstausrichtung der Eingangsstrahlen RD und der Ausgangsstrahlen TLB entsprechend der Erfindung zu ermöglichen.
Zum Beispiel sind die Ausmaße der reflektierenden Oberflächen in der Größenordnung von 20 bis 30 mm für kommerzielle Elemente.
In 26 ist eine weitere Variante dargestellt, in der das Signal RD von rechts kommt im Gegensatz zu den 24 und 25, wo es von links kommt.
Für den Rest ist die in 26 dargestellte Konfiguration ähnlich der in Verbindung mit 24 beschriebenen.
In 27 kommt das gestreute Signal RD von der rechten Seite, um entlang der Richtung DR3 nach unten geführt zu werden.
In 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 vorliegenden 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 parallel zur Richtung DT2 montiert.
Der Schenkel B4 ist in Translationsrichtung gleitend entlang einer Achse A2 parallel 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 Kompensationselement M1 um den gleichen Winkel, um das erste spektrale Band TLB zu empfangen und es in die dritte vorgegebenen Reflektionsrichtung DR3 zu reflektieren.
In einer Variante, in der der Rhombus durch ein Parallelogramm ersetzt wird, besteht 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 befindet, ohne daß die Strahlen bewegt und ohne daß die Polarisationsrichtungen verändert werden müssen.
Diese Selbstausrichtungsvorrichtungen können auch eine Anwendung in Monochromatoren 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 Ausgangsachse sind dann fest.
Schließlich können diese Selbstausrichtungsvorrichtungen eine Anwendung in allen Arten von interferometrischen Systemen finden, die einen variablen Einfallswinkel benötigen, zum Beispiel in Interferometern des FABRY-PEROT-Typs.

Claims

Vorrichtung für die Spektralanalyse, welche umfasst: – eine Quelle (LA), die geeignet ist, eine Anregungsstrahlung (REX) einer vorgegebenen Wellenlänge (λ0) zu erzeugen; – einen Platz (EMP) für eine zu untersuchende Probe; – Vorrichtungen zum Führen der Anregungsstrahlen (REX) zu einer auf dem Platz angeordneten Probe; – ein Trennfilter (FS1), das geeignet ist, ein erstes Spektralband (TLB) der Strahlung, 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 zu den Vorrichtungen (MAY) zur Detektion und Analyse; dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem umfasst: – ein Sperrfilter (FCB), das geeignet ist, die Blockierung eines zweiten Spektralbandes (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 Sperrfilter (TLB) entsprechenden Signals (LBO), dem von dem Sperrfilter das zweite schmale 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 (RAM) derart kombinieren, dass die Detektions- und Analysevorrichtungen (MAY) die derart kombinierten, komplementären Strahlungen (LBO und RAM) verarbeiten.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektions- und Analysevorrichtungen (MAY) ausgewählt sind aus einer Gruppe, die aus den Fouriertransformationspektrometern und den Ein- oder Mehrkanal-Dispersionsspektrometern besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass optische Kombinationsvorrichtungen das Trennfilter (FS1) umfassen, das derart angeordnet ist, dass es das erste Spektralband, von dem das zweite, enge Band (ET) entfernt wurde, in die zweite Richtung (DT2) reflektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Kombinationsvorrichtungen ein Hilfs-Trennfilter (FS2) umfassen, das getrennt von dem ersten Trennfilter (FS1) regelbar ist, um das erste Spektralband, von dem das zweite, enge Band (ET) entfernt wurde, entlang der zweiten Richtung (DT2) zu reflektieren.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennfilter (FS1) einen erhöhten Reflexionskoeffizienten für den zu eliminierenden Anregungsstrahl, ein relativ breites Sperrband bezüglich des zu eliminierenden Anregungsstrahls und einen erhöhten Transmissionskoeffizienten außerhalb des Sperrbandes besitzt.
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 kolloiden Filter des sogenannten ASHER-Typs, der Filter mit mehrfachen dielektrischen Schichten, der Filter des LIPPMAN-Typs mit Indexgitter oder der Filter des holographischen Typs.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrfilter (FCB) einen subtraktiven Monochromator mit zwei Dispersionsgittern (R10, R20) und eine Reflexions/Transmissions-Lichtfalle (PG10, MD) umfasst, wobei diese Falle zwischen den beiden Gittern angeordnet ist, um die Anregungsstrahlung (REX) entlang des Hinwegs (F1) im op tischen Pfad zur Probe gehen zu lassen und die in dem ersten Spektralband (TLB) enthaltene Anregungsstrahlung, die von dem Trennfilter reflektiert wurde entlang dem Rückweg (F2) des optischen Pfads einzufangen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der das Trennfilter (FS1) drehbar montiert ist und geeignet ist, die von der Probe entlang einer Einfallsrichtung, die der zweiten Richtung (DT2) entspricht, gestreute Strahlung (RD). zu empfangen und das erste Spektralband (TLB) entlang der ersten Richtung (DR1) auf ein Abweichungskompensationselement (M1) zu reflektieren, das es dann entlang einer dritten vorgegebenen Richtung (DR3) reflektiert, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Mechanismus 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 vorgegebene Richtung (DR3) reflektiert wird.
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 Translationsrichtung entlang einer Achse (22) zu bewegen, die an der Winkelhalbierenden zwischen der Einfallsrichtung (DT2) und der dritten Richtung (DR3) angeordnet ist.
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.
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.
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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie Steuerungsvorrichtungen (MD) umfasst, die geeignet sind, die Bewegung der beweglichen 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.
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 Schenkel (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 Translationsrichtung 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 Translationsrichtung 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 Reflektionsrichtung (DR3) zu reflektieren.