CH673060A5

CH673060A5 -

Info

Publication number: CH673060A5
Application number: CH523986A
Authority: CH
Inventors: Boris Iosifovich Ivanov; Nikolai Andreevich Kirichenko; Nikolai Petrovich Kozlov; Alexandr Iosifovich Lopatin; Vadim Izrailevich Rakhovsky; Alexei Mikhailovich Shukhtin; Andronik Bagratovi Ioannislani
Original assignee: Vni Ts Izuchenij Vnitspv; Le G Uni Im A A Schdanova
Priority date: 1985-04-30
Filing date: 1985-04-30
Publication date: 1990-01-31
Also published as: GB2185104A; SE455232B; DE3590782T1; FR2583516A1; FR2583516B1; SE8605328D0; GB8630483D0; AU4950585A; WO1986006476A1; JPS62502702A; AU579200B2; SE8605328L; GB2185104B

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Spektrometer mit Interferenz-Selektiv-Amplitudenmodulation gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. DESCRIPTION The present invention relates to a spectrometer with interference selective amplitude modulation according to the preamble of claim 1.

5 Als Grundtyp von der Spektroskopie zur Zeit verwendeten Spektralgeräten dienen Schlitzspektrometer. Ein beliebiges Schlitzspektrometer setzt sich prinzipiell aus einem in der Brennebene eines ein Parallelstrahlenbündel formierenden Kollimators liegenden Eintrittsschlitz, einem Dispersionselement 10 (einem Prisma oder einem Beugungsgitter), einem Austrittsobjektiv und einem in der Brennebene des letzteren liegenden und für eine Wellenlängenselektion des Ausgangslichtstroms sorgenden Austrittsschlitz [siehe z.B. A.N. Zaidel, G.V. Ostrovskaja, J.I. Ostrovsky «Tehnika i praktika spektroskopii» (Technik 15 und Praxis der Spektroskopie), Verlag «Nauka», Moskau, 1972] zusammen. 5 Slit spectrometers are used as the basic type of spectral devices currently used by spectroscopy. In principle, any slot spectrometer consists of an entry slot located in the focal plane of a collimator forming a parallel beam, a dispersion element 10 (a prism or a diffraction grating), an exit lens and an exit slot located in the focal plane of the latter and providing wavelength selection of the output luminous flux [see e.g. AT. Zaidel, G.V. Ostrovskaja, J.I. Ostrovsky «Tehnika i Praktika spektoskopii» (technique 15 and practice of spectroscopy), publisher «Nauka», Moscow, 1972].

Die Auflösung und die Lichtstärke eines solchen Spektrometers hängen von der Schlitzbreite in umgekehrter Weise ab: bei einer Verringerung der Schlitzbreite nimmt die Auflösung zu 20 und die Lichtstärke ab, und umgekehrt. Um die Auflösung eines Dispersionselements zu realisieren, wird es ausserdem notwendig, Kollimatoren mit grossen Brennweiten einzusetzen, denn die Schlitzbreite kann wegen der Beugungserscheinung nicht beliebig klein gemacht werden. Aus diesem Grunde erge-25 ben sich die Abmessungen der Spektrometer mittlerer Klasse von 1,5 bis 2 m, während die Geräte höherer Klasse eine Länge von 6 m und mehr erreichen. The resolution and the light intensity of such a spectrometer depend inversely on the slit width: if the slit width is reduced, the resolution increases and the light intensity decreases, and vice versa. In order to achieve the resolution of a dispersion element, it is also necessary to use collimators with large focal lengths because the slot width cannot be made arbitrarily small due to the diffraction phenomenon. For this reason, the dimensions of the spectrometers of the middle class are 1.5 to 2 m, while the devices of the higher class have a length of 6 m and more.

Verhältnismässig unlängst wurden zwei Typen von grundsätzlich neuen schlitzlosen Spektrometern, die von der Interfe-30 renzerscheinung Gebrauch machen, vorgeschlagen: Fourier-Spektrometer und Spektrometer mit Interferenz-Selektiv-Am-plitudenmodulation (im folgenden SISAM genannt). Die Anwendung dieser zwei Typen der Spektrometer kann die Spektroskopie auf eine qualitativ neue Stufe bringen: erstens kann 35 man die Lichtstärke der Spektrometer und also auch deren Empfindlichkeit um 2 bis 3 Grössenordnungen erhöhen; zweitens kann um die gleiche Zahl die Geschwindigkeit der Informationsablesung, d.h. die Schnelligkeit der Spektralanalyse, erhöht werden; und drittens kann das theoretische Auflösungs-40 vermögen des Dispersionselements praktisch bei beliebigen Brennweiten des Eintrittskollimators und des Austrittsobjektivs realisiert werden, was im Prinzip gestattet, die Masse und das Gewicht der Spektrometer um mehrere zehn und hindert Male zu verringern. Relatively recently, two types of fundamentally new slotless spectrometers that make use of the interference phenomenon have been proposed: Fourier spectrometers and spectrometers with interference-selective-amplitude modulation (hereinafter referred to as SISAM). The use of these two types of spectrometers can take spectroscopy to a qualitatively new level: firstly, the light intensity of the spectrometers and thus their sensitivity can be increased by 2 to 3 orders of magnitude; second, the speed of information reading, i.e. the speed of spectral analysis can be increased; and thirdly, the theoretical resolution of the dispersion element can be practically realized at any focal length of the entrance collimator and the exit lens, which in principle allows the mass and weight of the spectrometer to be reduced by tens and hundreds of times.

45 Das Fourier-Spektrometer (siehe z.B. J. Connes, J. Phys. Rad., 21, 645, 1960) stellt ein Michelson-Interferometer mit einem beweglichen Spiegel dar, der sich in Richtung der Achse des Interferometers in der Nähe der Lage verschieben kann, wo die Gangdifferenz der interferierenden Bündel gleich Null ist. 50 Bei Verwendung dieses Spektrometers muss das zu registrierende Signal maschinell dekodiert werden. Darüber hinaus ist es empfindlich gegen Intensitätsänderungen des zu untersuchenden Lichtes für die Registrierzeit; die mechanische Verschiebevorrichtung des beweglichen Spiegels ist recht kompliziert und ge-55 gen mechanische Störungen empfindlich, während dessen Ar-beits-Spektralbereich durch das Durchlässigkeitsgebiet der Unterlage eines halbdurchlässigen Spiegels begrenzt ist. 45 The Fourier spectrometer (see, for example, J. Connes, J. Phys. Rad., 21, 645, 1960) represents a Michelson interferometer with a movable mirror that moves in the direction of the axis of the interferometer near the position can where the path difference of the interfering bundles is zero. 50 When using this spectrometer, the signal to be registered must be decoded mechanically. In addition, it is sensitive to changes in the intensity of the light to be examined for the registration time; the mechanical displacement device of the movable mirror is quite complicated and sensitive to mechanical disturbances, while its working spectral range is limited by the transmission area of the base of a semitransparent mirror.

Das SISMA stellt ein Zweistrahlinterferometer dar, dessen beide Arme Dispersionselemente enthalten, die in der Weise an-60 geordnet sind, dass die Interferenz nur in der Nähe der einen Wellenlänge beobachtet wird. The SISMA represents a two-beam interferometer, the two arms of which contain dispersion elements which are arranged in such a way that the interference is only observed in the vicinity of the one wavelength.

Das Interferenzverfahren für die Wellenlängenselektion wird durch eine periodische Änderung der Gangdifferenz der interferierenden Lichtbündel ermöglicht. Hierbei wird die Amplituden-65 modulation des Ausgangslichtstroms nur auf der Interferenzwellenlänge beobachtet. Der durch eine Empfangs-Messschaltung registrierte Wechselstromanteil des Ausgangslichtstroms ist zur Lichtintensität auf der Interferenzwellenlänge proportional. The interference method for wavelength selection is made possible by a periodic change in the path difference of the interfering light beams. Here, the amplitude 65 modulation of the output luminous flux is observed only on the interference wavelength. The AC component of the output luminous flux registered by a receive measuring circuit is proportional to the light intensity on the interference wavelength.

3 3rd

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Bei Verwendung aller bisher bekannten SISAM-Schaltungen ist es zur Abstimmung des Geräts und zu dessen Betrieb notwendig, eine Interferenzgenauigkeit von 7 bis 12 Freiheitsgrade für verschiedene Schaltelemente zu sichern, d.h. Winkel mit einer Genauigkeit von unterhalb einer Sekunde und Verschiebungen mit einer Genauigkeit bis auf Wellenlängenbruchteile einzuhalten. When using all previously known SISAM circuits, for tuning the device and for its operation it is necessary to ensure an interference accuracy of 7 to 12 degrees of freedom for different switching elements, i.e. Comply with angles with an accuracy of less than one second and shifts with an accuracy down to wavelength fractions.

Daraus folgt, dass selbst präzis ausgeführte Gerätemuster eine geringe statische und kinematische Beständigkeit gegen mechanische Störungen besitzen; die Abstimmung der Geräte ist eine sehr komplizierte Operation; das Abtastsystem ist so kompliziert, dass der Abtastbereich gegenwärtig mehrere hundert aufzulösende Intervalle nicht überschreitet (für-den sichtbaren Spektralbereich beträgt dieser ca. 1 nm). It follows that even precisely executed device models have a low static and kinematic resistance to mechanical disturbances; tuning the devices is a very complicated operation; the scanning system is so complicated that the scanning range does not currently exceed several hundred intervals to be resolved (for the visible spectral range this is approximately 1 nm).

Darüber hinaus ist der Spektralbereich der meisten SISAM durch den Durchlässigkeitsbereich von lichtteilenden Spiegeln begrenzt; bei allen bekannten SISAM ändern sich die Frequenz und Phase eines modulierten Signals bei einer Strahlung, d.h. sie gestatten es nicht, ein zu registrierendes Signal synchron zu demodulieren; die Modulationsfrequenz unterschreitet 100 Hz, was die Schnelligkeit der Analyse stark begrenzt, wegen der Kompliziertheit des mechanischen Abtastsystems weisen die Geräte Masse und ein Gewicht auf, wie sie bei den Schlitzspektro-metern üblich sind; die Kosten der bekannten SISAM liegen viel höher als die der Schlitzgeräte. In addition, the spectral range of most SISAM is limited by the transmission range of light-dividing mirrors; in all known SISAMs, the frequency and phase of a modulated signal change with radiation, i.e. they do not allow a signal to be registered to be demodulated synchronously; the modulation frequency falls below 100 Hz, which severely limits the speed of the analysis; due to the complexity of the mechanical scanning system, the devices have the mass and weight that are customary with the slot spectrometers; the cost of the known SISAM is much higher than that of the slot machines.

Die eine der SISAM-Schaltungen (siehe z.B. P. Connes, Rev. d'Opt., 34,1, 1956) macht von der Eigenschaft des Beugungsgitters mit einem symmetrischen Strichprofil Gebrauch, eine rechte und eine linke Beugungsordnung gleicher Intensität zu geben. Diese symmetrischen Beugungsordnungen werden zur Bildung von Armen eines das SISAM bildenden Interferometers benutzt. Zu diesem Zweck wird ein System aus zwei oder drei Spiegeln verwendet, die die Bündel der symmetrischen Ordnungen auf das Gitter in der Weise zurückwerfen, um sie nach der erneuten Beugung durch das letztere selektiv zu interferieren. Diesem Spektrometer haften alle obengenannten Mängel an. One of the SISAM circuits (see e.g. P. Connes, Rev. d'Opt., 34.1, 1956) makes use of the property of the diffraction grating with a symmetrical line profile to give right and left diffraction orders of the same intensity. These symmetrical diffraction orders are used to form arms of an interferometer forming the SISAM. For this purpose, a system of two or three mirrors is used, which reflect the bundles of symmetrical orders back onto the grating in such a way that they selectively interfere after being refracted by the latter. This spectrometer has all the shortcomings mentioned above.

Es ist auch ein SISAM (siehe z.B. die CA-PS 1 034 786) bekannt, das im Strahlengang des Lichtbündels hintereinander angeordnet eine Eintrittsapertur, ein Kollimationsmittel, ein Beugungsgitter mit einem symmetrischen Sprichprofil, einen Zusatzspiegel, der in der Weise angeordnet ist, dass seine Reflexionsfläche parallel zu den Strichen des Beugungsgitters und senkrecht zur wirksamen Fläche des letzteren verläuft, zwei Abtastspiegel auf einer gemeinsamen Unterlage, die mit Möglichkeit einer Drehung um eine Achse versehen ist, welche mit der Schnittlinie einer Ebene, in der die wirksame Fläche des Beugungsgitters liegt, und einer Ebene, in der die Reflexionsfläche des Zusatzspiegeis liegt, zusammenfällt, wobei der eine Abtastspiegel zur Reflexion der Strahlen vom Beugungsgitter und der andere Abtastspiegel zur Reflexion der Strahlen vom Zusatzspiegel vorgesehen ist, eine Austrittsapertur und ein mit dieser optisch verbundenes Registriergerät enthält. A SISAM (see, for example, CA-PS 1 034 786) is also known, which has an entrance aperture, a collimation means, a diffraction grating with a symmetrical proverbial profile, an additional mirror which is arranged in such a way that its Reflecting surface parallel to the lines of the diffraction grating and perpendicular to the effective surface of the latter, two scanning mirrors on a common base, which is provided with the possibility of rotation about an axis which is the intersection of a plane in which the effective surface of the diffraction grating lies, and a plane in which the reflection surface of the additional mirror lies coincides, the one scanning mirror for reflecting the rays from the diffraction grating and the other scanning mirror for reflecting the rays from the additional mirror being provided, contains an exit aperture and an optically connected recording device.

Diesem Spektrometer sind Vorteile eigen, nämlich ein einfaches Abtastmittel, geringe Masse und ein geringes Gewicht, die Möglichkeit, von der Methode einer Synchrondemodulation eines Signals Gebrauch zu machen. This spectrometer has advantages, namely a simple scanning means, small mass and light weight, the possibility of using the method of synchronous demodulation of a signal.

Dieses Spektrometer wird aber durch Amplituden- und Phasenverzerrungen gekennzeichnet, was zu einer Verringerung der Messgenauigkeit führt. However, this spectrometer is characterized by amplitude and phase distortions, which leads to a reduction in the measurement accuracy.

Die Amplitudenverzerrungen werden durch das Fehlen des Streifens nullter Ordnung im Interferenzbild verursacht. Das Vorhandensein der Amplitudenverzerrungen hat eine Mehrdeutigkeit bei der Wiederherstellung des zu untersuchenden Spektrums nach einem Registrierstreifen zur Folge. The amplitude distortions are caused by the absence of the zero order stripe in the interference image. The presence of the amplitude distortions results in an ambiguity in the restoration of the spectrum to be examined after a registration strip.

In diesem Spektrometer hängt die apparative Funktion des zu registrierenden Signals bei der Synchrondemodulation von der ursprünglichen optischen Phasendifferenz ab, was zu beträchtlichen Phasenverzerrungen führt und also auch die Stabilität der optischen Eignschaften des Spektrometers nicht von der Hand zu weisende Beschränkungen auferlegt. Die Phasenverzerrungen werden durch zufällige Änderungen in der gegenseitigen räumlichen Anordnung des Beugungsgitters und des s Zusatzspiegeis hervorgerufen und hängen im wesentlichen mit einer Wärmeausdehnung der Befestigungsteile der optischen Elemente zusammen. Für deren Kompensation bedarf es einer strengen (bis auf wenige Zehntel Grad genauen) Stabilisierung der Temperatur des Spektrometers mit Hilfe von Zusatzeinrich-10 tungen. In this spectrometer, the apparatus function of the signal to be registered during synchronous demodulation depends on the original optical phase difference, which leads to considerable phase distortions and therefore also imposes restrictions that cannot be denied by hand on the stability of the optical properties of the spectrometer. The phase distortions are caused by random changes in the mutual spatial arrangement of the diffraction grating and the additional mirror and are essentially related to a thermal expansion of the fastening parts of the optical elements. To compensate for this, a strict (down to a few tenths of a degree) stabilization of the temperature of the spectrometer is required with the help of additional equipment.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer mit Interferenz-Selektiv-Amplitudenmodulation (SISAM) zu schaffen, das ein derartiges System von Abtastspiegeln, welches eine Kompensation von Amplitudenverzerrungen und damit 15 auch eine Eindeutigkeit bei der Wiederherstellung des zu untersuchenden Spektrums nach einem Registrierstreifen sichert, und dabei ein solches Registriergerät aufweist, das für die Kompensation von Phasenverzerrungen sorgt. The invention has for its object to provide a spectrometer with interference-selective amplitude modulation (SISAM), which ensures such a system of scanning mirrors, which compensates for amplitude distortions and thus also uniqueness when restoring the spectrum to be examined after a registration strip , and has such a recording device that ensures the compensation of phase distortions.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das vorgeschlagene 20 Spektrometer die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 umschriebenen Merkmale aufweist. This object is achieved in that the proposed spectrometer has the features described in the characterizing part of patent claim 1.

Zur Kompensation der Phasenverzerrungen in dem Registriergerät des Spektrometers, das miteinander in Reihe geschaltet einen Fotoempfänger, einen Synchrondetektor und einen 25 Anzeiger, sowie einen mit dem Ausgang an den zweiten Eingang des Synchrondetektors angeschlossenen Generator enthält, ist es zweckmässig, das Kompensationsmittel für Phasenverzerrungen des Spektrometers mit einem zweiten Synchrondetektor, einem Frequenzverdoppler und einer Einheit zur vektoriellen 30 Addition elektrischer Signale auszuführen, wobei der zweite Synchrondetektor mit einem Eingang an den Ausgang des Fotoempfängers und mit dem zweiten Eingang über den Frequenzverdoppler an den Ausgang des Generators anzuschliessen ist, während die Einheit zur vektoriellen Addition elektrischer Si-35 gnale zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Synchrondetektors und dem Eingang des Anzeigers zu schalten ist. To compensate for phase distortions in the recording device of the spectrometer, which contains a photo receiver, a synchronous detector and a display, and a generator connected to the output of the second input of the synchronous detector, it is useful to use the compensation means for phase distortions of the spectrometer with a second synchronous detector, a frequency doubler and a unit for vectorial addition of electrical signals, the second synchronous detector having one input to the output of the photoreceptor and the second input to be connected via the frequency doubler to the output of the generator, while the unit is for vectorial addition of electrical Si-35 signals between the outputs of the first and the second synchronous detector and the input of the indicator is to be switched.

Um eine gleichzeitige Messung der Dispersion des Brechungsindexes und des Absorptionsspektrums des zu untersu-40 chenden Werkstoffes zu ermöglichen, ist es erwünscht, das Spektrometer mit einer transparenten Küvette mit paarweise parallelen Seitenwänden für den zu untersuchenden Werkstoff, die an einem der Abtastspiegel starr befestigt und nach den Abmessungen dieses Spiegels ausgeführt ist zu versehen, und das 45 Registriergerät mit einer Recheneinheit zur Errechnung von In order to enable a simultaneous measurement of the dispersion of the refractive index and the absorption spectrum of the material to be examined, it is desirable to use a spectrometer with a transparent cuvette with side walls in parallel for the material to be examined, which is rigidly attached to one of the scanning mirrors and after the dimensions of this mirror is to be provided, and the 45 registration device with a computing unit for calculating

Uu arctg , wobei Um die Amplitude des Signals vom Ausgang Uu arctg, where To the amplitude of the signal from the output

U2a des ersten Synchrondetektors und U20) die Amplitude des Si-50 gnals vom Ausgang des zweiten Synchrondetektors bedeuten, welche Recheneinheit zwei Eingänge aufweist, die an die Ausgänge der jeweiligen Synchrondetektoren geschaltet sind, und U2a of the first synchronous detector and U20) mean the amplitude of the Si-50 signal from the output of the second synchronous detector, which computing unit has two inputs which are connected to the outputs of the respective synchronous detectors, and

Um mit einem an den Ausgang der arctg Recheneinheit ange- To be connected to the output of the arctg processor

55 U2C0 55 U2C0

schlossenen Anzeiger zu versehen. closed indicator.

Das erfindungsgemässe SISAM weist dank der Kompensation der Amplitudenverzerrungen eine hohe Messgenauigkeit auf und kann zur Lösung einer breiten Auswahl von Aufgaben 60 der analytischen Spektroskopie bei der Registrierung sowohl von Linien- als auch von kontinuierlichen Mess- und Absorptionsspektren herangezogen werden. Die Erfindung gestattete es, beim Registriergerät einen zusätzlichen Registrierkanal für die zweite Harmonische des optisch modulierten Signals zu be-65 nutzen und also auch den wirksamen Strahlungsfluss effektiver auszunutzen und die Phasenverzerrungen zu beseitigen. Dies gestattet es, die Messgenauigkeit zu erhöhen, die Forderungen an die Phasencharakteristiken des Spektrometers und folglich auch Thanks to the compensation of the amplitude distortions, the SISAM according to the invention has a high measurement accuracy and can be used to solve a wide range of tasks 60 of analytical spectroscopy in the registration of both line and continuous measurement and absorption spectra. The invention made it possible to use an additional registration channel for the second harmonic of the optically modulated signal in the recording device and thus also to use the effective radiation flow more effectively and to eliminate the phase distortions. This makes it possible to increase the measurement accuracy, the demands on the phase characteristics of the spectrometer and consequently also

673 060 673 060

4 4th

an dessen Betriebsbedingungen zu lockern. Darüber hinaus gestattet es die Anwendung der Methode zweikanaliger Synchrondemodulation, eine Form der Instrumentenkontur für das SISAM zu erhalten, die mit der Form der apparativen Funktion der klassischen Spektrometer identisch ist. to loosen its operating conditions. In addition, the application of the two-channel synchronous demodulation method enables a shape of the instrument contour to be obtained for the SISAM that is identical to the shape of the instrumental function of the classic spectrometer.

Die Erfindung-wird durch die nachstehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. The invention is explained in more detail by the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings.

Es zeigt: It shows:

Fig. 1 die Gesamtanordnung eines erfindungsgemässen Spektrometers mit Interferenz-Selektiv-Amplitudenmodulation; 1 shows the overall arrangement of a spectrometer according to the invention with interference-selective amplitude modulation;

Fig. 2 die Blockschaltung eines Registriergeräts, das mit einem Kompensationsmittel für Phasenverzerrungen versehen ist; 2 shows the block circuit of a recording device which is provided with a compensation means for phase distortions;

Fig. 3 eine Weiterbildung des Spektrometers mit der Blockschaltung einer anderen Ausführung des mit dem Kompensationsmittel für Phasenverzerrungen versehenen Registriergeräts; 3 shows a further development of the spectrometer with the block circuit of another embodiment of the recording device provided with the compensation means for phase distortions;

Fig. 4 eine optische Schaltung des Spektrometers nach Fig. 4 shows an optical circuit of the spectrometer according to FIG.

l; l;

Fig. 5 eine optische Schaltung des Spektrometers nach Fig. 5 shows an optical circuit of the spectrometer according to FIG.

3. 3rd

Das in Fig. 1 dargestellte Spektrometer mit Interferenz-Se-lektiv-AmplitudenmoduIation (SISAM) enthält eine Eintrittsapertur 1, die in einem Gehäuse 2 angeordnet ist und in der Brennebene und auf der optischen Achse eines Kollimationsmit-tels in Form einer Linse 3 liegt, die in einer Fassung 4 befestigt ist. Zwischen der Linse 3 und der Eintrittsapertur 1 liegt ein halbdurchlässiger Spiegel 5, der in einer Fassung 6 befestigt und unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse der Linse 3 angeordnet ist. Ein im Gehäuse 2 angeordnetes ebenes Beugungsgitter 7 mit einem symmetrischen Profil von eine wirksame Fläche des Gitters 7 bildenden Strichen 8 ist auf einer Grundplatte 9 starr befestigt. Auf der gleichen Grundplatte 9 ist ein Zusatzspiegel 10 starr befestigt, der durch einen Piezoke-ramikkondensator mit Belägen 11 und 12 gebildet ist, wobei der Belag 11 als Reflexionsfläche (im folgenden Reflexionsfläche 11) des Zusatzspiegeis 10 dient. The spectrometer with interference selective amplitude modulation (SISAM) shown in FIG. 1 contains an entrance aperture 1 which is arranged in a housing 2 and lies in the focal plane and on the optical axis of a collimation means in the form of a lens 3, which is attached in a version 4. Between the lens 3 and the entrance aperture 1 there is a semitransparent mirror 5 which is fastened in a holder 6 and is arranged at an angle of 45 ° to the optical axis of the lens 3. A flat diffraction grating 7 arranged in the housing 2 with a symmetrical profile of lines 8 forming an effective surface of the grating 7 is rigidly attached to a base plate 9. On the same base plate 9, an additional mirror 10 is rigidly attached, which is formed by a piezoceramic capacitor with coatings 11 and 12, the coating 11 serving as a reflection surface (hereinafter reflection surface 11) of the additional mirror 10.

Der Zusatzspiegel 10 ist gegenüber dem Beugungsgitter 7 derart angeordnet, dass dessen Reflexionsfläche 11 parallel zu den Strichen 8 des Beugungsgitters 7 und unter einem Winkel von 90° zur wirksamen Fläche des Beugungsgitters 7 liegt, wobei die optische Achse der Linse 3 durch die Mitte des Gitters 7 hindurchgeht. Im Gehäuse 2 ist auch eine gemeinsame Unterlage 13 eines ersten Abtastspiegels 14 mit einer zur Reflexion eines Lichtbündels vom Beugungsgitter 7 geeigneten Reflexionsfläche und eines zweiten Abtastspiegels 15 mit einer zur Reflexion eines Lichtbündels vom Zusatzspiegel 10 geeigneten Reflexionfläche angeordnet. Zwischen dem Abtastspiegel 15 und der Unterlage 13 liegt eine planparallele Platte 16, die nach der Grösse dieses Spiegels ausgeführt ist und deren Dicke h der Beziehung The additional mirror 10 is arranged opposite the diffraction grating 7 in such a way that its reflection surface 11 is parallel to the lines 8 of the diffraction grating 7 and at an angle of 90 ° to the effective surface of the diffraction grating 7, the optical axis of the lens 3 passing through the center of the grating 7 goes through. In the housing 2 there is also a common base 13 of a first scanning mirror 14 with a reflection surface suitable for reflecting a light beam from the diffraction grating 7 and a second scanning mirror 15 with a reflection surface suitable for reflecting a light beam from the additional mirror 10. Between the scanning mirror 15 and the base 13 is a plane-parallel plate 16, which is designed according to the size of this mirror and the thickness h of the relationship

1 < h ^ L 1 <h ^ L

genügt, wobei is sufficient, whereby

1 die Abmessung eines Spalts zwischen einer Ebene 17 in der die wirksame Fläche des Beugungssgitters 7 liegt, und einer dem letzteren zugekehrten Stirnfläche 18 des Zusatzspiegeis 10; 1 shows the dimension of a gap between a plane 17 in which the effective surface of the diffraction grating 7 lies and an end face 18 of the additional mirror 10 facing the latter;

L die lineare Abmessung der wirksamen Fläche des Beugungsgitters 7 in einer zur Richtung seiner Striche 8 senkrechten Richtung bedeuten. L is the linear dimension of the effective area of the diffraction grating 7 in a direction perpendicular to the direction of its lines 8.

Die planparallele Platte 16 kann auf der Unterlage 13 beispielsweise mit Hilfe eines optischen Kontaktes befestigt werden. The plane-parallel plate 16 can be attached to the base 13, for example with the aid of an optical contact.

Die gemeinsame Unterlage 13 ist auf einer Grundplatte 19 starr befestigt, die mit der Möglichkeit einer Drehung um eine Achse 20 mittels einer Schraube 21 und einer Mutter 22 angeordnet ist. Die Lagen der Grundplatte 19 sind mit Hilfe einer Feder 23 festgelegt. The common base 13 is rigidly attached to a base plate 19 which is arranged with the possibility of rotation about an axis 20 by means of a screw 21 and a nut 22. The positions of the base plate 19 are determined by means of a spring 23.

Die Drehachse 20 der Grundplatte 19 fällt mit einer Schnittlinie 24 einer Ebene 25, in der die Reflexionsfläche 11 des Zu-s satzspiegels 10 liegt, mit einer Ebene 17 zusammen, in der die wirksame Fläche des Beugungsgitters 7 liegt. The axis of rotation 20 of the base plate 19 coincides with a section line 24 of a plane 25, in which the reflection surface 11 of the additional mirror 10 lies, with a plane 17, in which the effective surface of the diffraction grating 7 lies.

Die Austrittsapertur 26 liegt im Gehäuse 2 symmetrisch zur Eintrittsapertur 1 um den Spiegel 5. Hinter der Austrittsapertur 26 liegt ein Registriergerät 27, das mit einem Kompensations-lo mittel für Phasenverzerrungen versehen ist. Die beiden Beläge 11 und 12 des Kondensators des Zusatzspiegeis 10 sind über durch ein Loch im Gehäuse 2 durchgelassene elektrische Leitungen an das Registriergerät 27 angeschlossen. The exit aperture 26 is located in the housing 2 symmetrically to the entrance aperture 1 around the mirror 5. Behind the exit aperture 26 is a recording device 27 which is provided with a compensation lo means for phase distortions. The two coatings 11 and 12 of the capacitor of the additional mirror 10 are connected to the registering device 27 via electrical lines which are passed through a hole in the housing 2.

In der beschriebenen Ausführungsform des Spektrometers i5 weist das mit dem Kompensationsmittel für Phasenverzerrungen versehene, in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemässe Registriergerät 27 einen im Buch von H. Tietze und K. Schenck «Poluprovodnikovaja Shemotehnika» («Halbleiterschaltungstechnik»), Verlag «Mir» («Frieden»), Moskau, 1983, beschrie-20 benen harmonischen Generator 28 und eine Reihenschaltung aus einem Fotoempfänger 29 [beispielsweise einem im Buch von A.N. Zaindal, G.V. Ostrovskaja, J.I. Ostrovskii «Tehnika i praktika spektroskopii» («Technik und Praxis der Spektroskopie»), Verlag «Nauka» («Wissenschaft»), Moskau, 1972 be-25 schriebenen Fotovervielfacher], der samt einem in der Brennebene der Linse 3 liegenden lichtempfindlichen Element hinter der Eintrittsapertur 26 angeorendet ist, zwei beispielsweise im Buch von H. Tietze und K. Schenck «Poluprovodnikovja shemotehnika», Verlag «Mir», Moskau, 1983, beschriebenen Syn-30 chrondetektor 30 und 31, einer beispielsweise im Buch von D. Kar «Projektirovanie i izgotovlenie elektronnoi apparatury» («Entwicklung und Fertigung elektronischer Geräte»), Verlag «Mir», Moskau, 1980, beschriebenen Einheit 33 zur vektoriellen Addition elektrischer Signale und einem beispielsweise in 35 Form eines Selbstschreibers ausgeführten Anzeiger 34 sowie einen beispielsweise im Buch von R. Kofman, F. Driskol «Ope-racionnye usiliteli i lineinye integralnye shemy» (Operationsverstärker und lineare integrierte Schaltungen»), Verlag «Mir», Moskau, 1979, beschriebenen Frequenzverdoppler 32 auf. 40 In der Ausführungsform des in Fig. 2 dargestellten, mit dem Kompensationsmittel für Phasenverzerrungen versehenen Registriergeräts 27 ist der Generator 28 an die Beläge 11 und 12 des Kondensators (des Zusatzspiegeis 10), an den ersten Eingang des Synchrondetektors 30 unmittelbar und an den ersten Ein-45 gang des Synchrondetektors 31 über den Frequenzverdoppler 32 angeschlossen, der Ausgang des Fotoempfängers 29 ist an die zweiten Eingänge des Synchrondetektoren 30 und 31 und die Einheit 33 zur vektoriellen Addition elektrischer Signale zwischen den Ausgängen des ersten und des zweiten Synchronde-50 tektors 30 bzw. 31 und dem Eingang des Anzeigers 34 geschaltet. In the described embodiment of the spectrometer i5, the recording device 27 according to the invention, which is provided with the compensation means for phase distortions and is shown in FIG. 2, has a “Poluprovodnikovaja Shemotehnika” (“semiconductor circuit technology”) in the book by H. Tietze and K. Schenck, publisher “Mir” ( “Frieden”), Moscow, 1983, described harmonic generator 28 and a series circuit comprising a photo receiver 29 [for example, one in the book by AN Zaindal, G.V. Ostrovskaja, J.I. Ostrovskii "Tehnika i Praktika spektoskopii" ("Technology and Practice of Spectroscopy"), publisher "Nauka" ("Science"), Moscow, 1972 described photomultiplier], which, together with a light-sensitive element lying in the focal plane of lens 3, behind the entrance aperture 26 is located, two syn-30 detectors 30 and 31 described, for example, in the book by H. Tietze and K. Schenck "Poluprovodnikovja shemotehnika", publisher "Mir", Moscow, 1983, one in the book by D. Kar " Projektirovanie i izgotovlenie elektronnoi apparatury "(" Development and production of electronic devices "), publisher" Mir ", Moscow, 1980, described unit 33 for the vectorial addition of electrical signals and an indicator 34, for example in the form of a self-writing device, and one, for example, in the book by R. Kofman, F. Driskol "Ope-racionnye usiliteli i lineinye integralnye shemy" (operational amplifiers and linear integrated circuits »), Publisher "Mir", Moscow, 1979, described frequency doubler 32. In the embodiment of the recording device 27 shown in FIG. 2, which is provided with the compensation means for phase distortions, the generator 28 is directly connected to the coatings 11 and 12 of the capacitor (of the additional mirror 10), to the first input of the synchronous detector 30 and to the first input -45 speed of the synchronous detector 31 is connected via the frequency doubler 32, the output of the photo receiver 29 is connected to the second inputs of the synchronous detectors 30 and 31 and the unit 33 for vectorial addition of electrical signals between the outputs of the first and second synchronous detectors 30 and 30 respectively 31 and the input of the indicator 34.

In der Ausführungsform von dem in Fig. 3 dargestellten SISAM ist im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten SISAM am Abtastspiegel 14 eine transparente Küvette 35 mit 55 paarweise parallelen Seitenwänden angeordnet, die nach den Abmessungen dieses Spiegels hergestellt ist. Es ist aber durchaus möglich die Anordnung der Küvette 35 am Abtastspiegel vorzusehen. In the embodiment of the SISAM shown in FIG. 3, in contrast to the SISAM shown in FIG. 1, a transparent cuvette 35 with 55 parallel pairs of side walls is arranged on the scanning mirror 14 and is produced according to the dimensions of this mirror. However, it is entirely possible to provide the arrangement of the cuvette 35 on the scanning mirror.

Das Registriergerät 36 der beschriebenen Ausführungsform 60 von dem in Fig. 3 dargestellten SISAM ist im Unterschied zu dem in Fig. 2 dargestellten Registriergerät 27 mit einer zusätzli- In contrast to the registration device 27 shown in FIG. 2, the registration device 36 of the described embodiment 60 of the SISAM shown in FIG. 3 is provided with an additional

Uco chen Recheneinheit 37 zur Errechnung von arctg — versehen, Uco chen arithmetic unit 37 for calculating arctg - provided,

U20 U20

65 worin Uà, die Amplitude eines Signals vom Ausgang des Synchrondetektors 30, U20) die Amplitude eines Signals vom Ausgang des Synchrondetektors 31 bedeuten, wobei diese Recheneinheit zwei Eingänge aufweist, die an die Ausgänge der jeweili 65 wherein Uà, the amplitude of a signal from the output of the synchronous detector 30, U20) mean the amplitude of a signal from the output of the synchronous detector 31, this computing unit having two inputs which are connected to the outputs of the respective

5 5

673 060 673 060

gen Synchrondetektoren 30 und 31 angeschlossen sind, und mit einem Anzeiger 38 versehen ist, der an den Ausgang der gene synchronous detectors 30 and 31 are connected, and is provided with an indicator 38 which is connected to the output of

Uo, Uo,

arctg Recheneinheit 37 gekoppelt ist. arctg computing unit 37 is coupled.

U2ra U2ra

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 und 2 dargestellten Spektrometer (SISAM) besteht in folgendem. Der zu untersuchende Eingangslichtstrom 39 (Fig. 4) fällt, nachdem er die Eintrittsapertur 1, den halbdurchlässigen Spiegel 5 und die Linse 3 passiert hat, auf das Beugungsgitter 7 normal ein und wird in eine rechte und eine linke Beugungsordnung zu zwei Lichtbündeln The operation of the spectrometer (SISAM) shown in Figs. 1 and 2 is as follows. The input luminous flux 39 to be examined (FIG. 4) after passing through the entrance aperture 1, the semitransparent mirror 5 and the lens 3 falls normally on the diffraction grating 7 and becomes a right and a left diffraction order into two light beams

40 und 41 vorgegebener Wellenlänge gebeugt. 40 and 41 predetermined wavelength diffracted.

Das Lichtbündel 40 und das von der Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegeis 10 rückgestrahlte Lichtbündel 41 erweisen sich als auf die gemeinsame Unterlage 13 parallelgerichtet. Die Planparallelität der Platte 16 gewährleistet die Parallelität der Reflexionsflächen der Abtastspiegel 14 und 15 und damit die gleichzeitige Erfüllung der Autokollimationsbedingung für die beiden Lichtbündel 40 und 41 bei der Abstimmung des Spektrometers auf eine bestimmte Wellenlänge. The light beam 40 and the light beam 41 retroreflected by the reflection surface 11 of the additional mirror 10 turn out to be directed parallel to the common base 13. The plane parallelism of the plate 16 ensures the parallelism of the reflection surfaces of the scanning mirrors 14 and 15 and thus the simultaneous fulfillment of the autocollimation condition for the two light beams 40 and 41 when the spectrometer is tuned to a specific wavelength.

Die zwei gebeugten Lichtbündel 40 und 41 kehren zum Beugungsgitter 7 zurück, wobei das Lichtbündel 40 von der Reflexionsfläche des Abtastspiegels 14 und das Lichtbündel 41 nacheinander von der Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegeis 10, der Reflexionsfläche des Abtastspiegels 15 und wieder von der Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegeis 10 zurückgestrahlt wird. The two diffracted light beams 40 and 41 return to the diffraction grating 7, the light beam 40 from the reflection surface of the scanning mirror 14 and the light beam 41 successively from the reflection surface 11 of the additional mirror 10, the reflection surface of the scanning mirror 15 and again from the reflection surface 11 of the additional mirror 10 is reflected back.

Nach der Rückkehr werden die beiden Lichtbündel 40 und After returning, the two light beams 40 and

41 in der gleichen Richtung in Form eines zu untersuchenden Ausgangslichtstroms 42 gebeugt, interferieren miteinander, gehen durch die Linse 3 durch, werden vom Spiegel 5 reflektiert und gelangen durch die Austrittsapertur 26 zum Registriergerät 27. In der beschriebenen Ausführungsform des Spektrometers dient als Teilungsmittel für den Eingangs- und Ausgangslichtstrom 39 bzw. 42 der halbdurchlässige Spiegel 5. 41 diffracted in the same direction in the form of an output luminous flux 42 to be examined, interfere with one another, pass through the lens 3, are reflected by the mirror 5 and pass through the exit aperture 26 to the registration device 27. In the described embodiment the spectrometer serves as a dividing means for the Input and output luminous flux 39 and 42 of the semi-transparent mirror 5.

Das Vorhandensein der zwischen dem Abtastspiegel 15 und der Unterlage 13 liegenden planparallelen Platte 16 der Dicke h und die Erfüllung der Bedingung 1 ^ h ^ L führen zu einer Verkürzung der optischen Weglänge des Lichtbündels 41 und demzufolge auch zur Erscheinung eines einer Null gleichen Gangdifferenz entsprechenden Interferenzstreifens in dem auf der wirksamen Fläche des Beugungsgitters 7 befindlichen Interferenzbild für einen beliebigen Punkt des Wellenlängenabtast-bereiches. Die Anwesenheit des Interferenzstreifens nullter Ordnung ermöglicht den Ausgleich von Verzerrungen und die eindeutige Wiederherstellung des zu untersuchenden Spektrums nach einem Registrierstreifen. Die Bilder sämtlicher durch die Lichtbündel 40 und 41 vorgegebener Wellenlänge gebildeten Punkte der Eintrittsapertur 1 (Fig. 4) fallen in der Austrittsapertur 26 zusammen. The presence of the plane-parallel plate 16 of thickness h lying between the scanning mirror 15 and the support 13 and the fulfillment of the condition 1 ^ h ^ L lead to a shortening of the optical path length of the light beam 41 and consequently also to the appearance of an interference fringe corresponding to a zero path difference in the interference image on the effective surface of the diffraction grating 7 for any point in the wavelength scanning range. The presence of the zero-order interference fringe makes it possible to compensate for distortions and to clearly restore the spectrum to be examined after a registration fringe. The images of all the points of the entrance aperture 1 (FIG. 4) formed by the light bundles 40 and 41 of a predetermined wavelength coincide in the exit aperture 26.

Für das Licht der anderen Wellenlängen fallen die entsprechende Punkte der Apertur 1 nicht zusammen. Dies bedeutet, dass die Interferenz in der Austrittsapertur 26 selektiv auf der genannten Wellenlänge erfolgt. Als Modulationsmittel tritt in der beschriebenen Ausführungsform des Spektrometers der Zusatzspiegel 10 auf. Bei einer periodischen Änderung des Gangunterschiedes der interferierenden Lichtbündel 40 und 41, die durch eine hin- und hergehende Bewegung der Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegeis 10 bei der Zuführung einer Spannung vom Generator 28 (Fig. 2) zu diesem erreicht wird, ändert sich periodisch die Intensität des Ausgangslichtstroms 42 (Fig. 4) vorgegebener Wellenlänge. Die Bündel des zu untersuchenden Lichtstroms 42 mit Wellenlängen in der Nähe der vorgegebenen passieren die Austrittsapertur 26 ebenfalls, ihre Intensität wird aber nicht durchmoduliert. Der durch den Fotoempfänger 29 (Fig. 2) des Registriergeräts 27 (Fig. 2) registrierte zu untersuchende Lichtstrom 42 enthält einen durch das Licht der vorgegebenen Wellenlänge bestimmten Wechselanteil und einen durch das Licht der anderen Längen der durch die Austrittsapertur 26 durchgegangenen Wellen bestimmten Gleichanteil. Der durch das Registriergerät 27 abgetrennte und verstärkte Wechselanteil ist proportional der Intensität des Lichtes nur der vorgegebenen Wellenlänge, daran wird auch die spektrale Zu-5 sammensetzung des zu untersuchenden Lichtes beurteilt. The corresponding points of aperture 1 do not coincide for the light of the other wavelengths. This means that the interference in the exit aperture 26 takes place selectively at the wavelength mentioned. In the embodiment of the spectrometer described, the additional mirror 10 acts as a modulation means. With a periodic change in the path difference of the interfering light bundles 40 and 41, which is achieved by a reciprocating movement of the reflection surface 11 of the additional mirror 10 when a voltage is supplied from the generator 28 (FIG. 2) to the latter, the intensity changes periodically of the output luminous flux 42 (FIG. 4) of a predetermined wavelength. The bundles of the luminous flux 42 to be examined with wavelengths in the vicinity of the predetermined one also pass through the exit aperture 26, but their intensity is not modulated through. The luminous flux 42 to be examined, which is registered by the photoreceptor 29 (FIG. 2) of the recording device 27 (FIG. 2), contains an alternating component determined by the light of the predetermined wavelength and a direct component determined by the light of the other lengths of the waves passed through the exit aperture 26 . The alternating component separated and amplified by the registration device 27 is proportional to the intensity of the light only of the predetermined wavelength, and the spectral composition of the light to be examined is also assessed there.

Bei der Abtastung nach dem Spektrum wird die Grundplatte 19 um die Achse 20 gedreht, wobei die Lagen der Autokollima-tion der Reflexionsflächen der zwei Abtastspiegel 14 und 15 für die zu untersuchenden Wellenlängen aufeinanderfolgend beob-lo achtet werden. When scanning for the spectrum, the base plate 19 is rotated about the axis 20, the positions of the autocollimation of the reflection surfaces of the two scanning mirrors 14 and 15 being successively observed for the wavelengths to be examined.

In der beschriebenen Ausführungsform der optischen Schaltung (Fig. 4) des Spektrometers erweisen sich die Amplitudenverzerrungen als kompensiert, entstehen aber zusätzliche Phasenverzerrungen, die mit den oben beschriebenen Phasenverzer-15 rungen adäquat summiert werden. Die zusätzlichen Phasenverzerrungen entstehen wegen der vorhandenen planparallelen Platte 16 der Stärke h, die die Modulationsphase auch von der Wellenlänge X der interferierenden Lichtbündel 40 und 41 entsprechend der Beziehung abhängig macht. In the described embodiment of the optical circuit (FIG. 4) of the spectrometer, the amplitude distortions have been compensated, but additional phase distortions arise, which are adequately summed up with the phase distortions described above. The additional phase distortions arise because of the existing plane-parallel plate 16 of thickness h, which also makes the modulation phase dependent on the wavelength X of the interfering light beams 40 and 41 according to the relationship.

Die Arbeitsweise des mit dem Kompensationsmittel für Pha-25 senverzerrungen versehenen Registriergeräts 27 besteht in folgendem. The operation of the registration device 27 provided with the compensation means for phase distortions consists in the following.

Auf den Fotoempfänger 29 (Fig. 2) fällt durch die Austrittsapertur 26 der Ausgangslichtstrom 42 ein, dessen Wechselanteil durch die Beziehung The output luminous flux 42, the alternating component of which, is incident on the photo receiver 29 (FIG. 2) through the exit aperture 26

30 30th

T(X) = Jo(X) W(X) cos <KX) T (X) = Jo (X) W (X) cos <KX)

beschrieben wird, worin is described in which

J0(X) die Intensität des Eingangslichtstroms 39, 35 W(X) die Amplitudenkomponente der Durchlassfunktion des Spektrometers nach dem Lichtstrom, J0 (X) the intensity of the input luminous flux 39, 35 W (X) the amplitude component of the transmission function of the spectrometer according to the luminous flux,

(J)(X) die Phasendifferenz der interferierenden Lichtströme 40 und 41 (J) (X) the phase difference of the interfering light fluxes 40 and 41

sind, und ein vollständiges Fourier-Spektrum enthält. « Kraft einer achromatischen Modulation im betrachteten optischen System kann (|)(X) in der Form dargestellt werden: and contains a full Fourier spectrum. «The power of an achromatic modulation in the optical system under consideration can be used to represent (|) (X) in the form:

<t>(X.) = a sin cot + (Po + (p(X) <t> (X.) = a sin cot + (Po + (p (X)

45 worin a die Modulationsamplitude, 45 where a is the modulation amplitude,

a> die Modulationsfrequenz, a> the modulation frequency,

t die Zeit, t the time

(Po die ursprüngliche optische Phasendifferenz, (Po the original optical phase difference,

so <p(X) die von der Wellenlänge abhängige Phasenkomponente sind. so <p (X) are the phase components dependent on the wavelength.

Bezeichnen wir Let’s call it

(po + <p(X) = (j>o(X). (po + <p (X) = (j> o (X).

55 Bei der Fourier-Reihenentwicklung wird die Amplitude der ersten Harmonischen durch die Beziehung 55 In Fourier series expansion, the amplitude of the first harmonic is determined by the relationship

Jm(X) = - JoW • W(X) • sin[<j>0 (X)] • 2FBl(a) Jm (X) = - JoW • W (X) • sin [<j> 0 (X)] • 2FBl (a)

60 beschrieben, worin FB, — eine Bessel-Funktion erster Ordnung ist. 60, wherein FB, - is a Bessel function of the first order.

Die Amplitude der zweiten Harmonischen wird durch die Beziehung The amplitude of the second harmonic is determined by the relationship

65 J2o>(A.) = Jo(A) • W(X) • cos [<|>0 (A,)] • 2FB2 (a) 65 J2o> (A.) = Jo (A) • W (X) • cos [<|> 0 (A,)] • 2FB2 (a)

beschrieben, worin Fb2 — eine Bessel-Funktion zweiter Ordnung ist. where Fb2 - is a second order Bessel function.

673 060 673 060

Der erste Synchrondetektor 30 trennt von dem durch den Fotoempfänger 29 registrierten Ausgangslichtstrom 42 die erste Harmonische mit Hilfe eines dem zweiten Eingang des Fotoempfängers 29 vom Ausgang des Generators 28 zugeführten Bezugssignals ab. Der zweite Synchrondetektor 31 trennt von dem durch den Fotoempfänger 29 registrierten Ausgangslichtstrom 42 die zweite Harmonische mit Hilfe eines dem zweiten Eingang des Fotoempfängers 29 vom Ausgang des Generators 28 über den Frequenzverdoppler 32 zugeführten Bezugssignals ab: Die Signale von den Ausgängen der beiden Synchrondetektoren 30 und 31 gelangen auf die zwei Eingänge der Einheit 33 zur vektoriellen Addition elektrischer Signale und dann auf den Anzeiger 34. The first synchronous detector 30 separates the first harmonic from the output luminous flux 42 registered by the photo receiver 29 with the aid of a reference signal fed to the second input of the photo receiver 29 from the output of the generator 28. The second synchronous detector 31 separates the second harmonic from the output luminous flux 42 registered by the photo receiver 29 with the aid of a reference signal fed to the second input of the photo receiver 29 from the output of the generator 28 via the frequency doubler 32: the signals from the outputs of the two synchronous detectors 30 and 31 go to the two inputs of the unit 33 for vectorial addition of electrical signals and then to the indicator 34.

In dem beschriebenen Registriergerät 27 können die an den Eingängen der Einheit 33 zur vektoriellen Addition elektrischer Signale eintreffenden Signale wie folgt dargestellt werden: In the recording device 27 described, the signals arriving at the inputs of the unit 33 for vectorial addition of electrical signals can be represented as follows:

U<a = kjJm (X) (vom Ausgang des ersten Synchrondetektors 30), U <a = kjJm (X) (from the output of the first synchronous detector 30),

U2cd = k2J2o M (vom Ausgang des zweiten Synchrondetektors 31), U2cd = k2J2o M (from the output of the second synchronous detector 31),

worin ki der Verstärkungsfaktor des ersten Synchrondetektors 30, k2 der Verstärkungsfaktor des zweiten Synchrondetektors 31 sind. where ki is the gain factor of the first synchronous detector 30, k2 is the gain factor of the second synchronous detector 31.

Die Einheit 33 zur vektoriellen Addition elektrischer Signale führt eine Operation The unit 33 for vectorial addition of electrical signals performs an operation

/ U2m (X) + UL (X) / U2m (X) + UL (X)

aus. out.

Bei der Erfüllung der Bedingung: If the condition is met:

k,FBl(a) = k2FB2(2), k, FBl (a) = k2FB2 (2),

die durch die Auswahl der entsprechenden Verstärkungsfaktoren ki und k2 oder der Modulationsamplitude a des Zusatzspie-gels 10 in dem am Eingang des Anzeigers 34 ankommenden Summensignal gewährleistet ist, wird die Abhängigkeit des Signals von der ursprünglichen optischen Phasendifferenz cp0 und der von der Wellenlänge abhängigen Phasenkomponente (p(A.) vollkommen ausgeglichen, d.h. es erweisen sich alle entstehenden Phasenverzerrungen als kompensiert. which is ensured by the selection of the corresponding amplification factors ki and k2 or the modulation amplitude a of the additional mirror 10 in the sum signal arriving at the input of the indicator 34, the dependence of the signal on the original optical phase difference cp0 and the phase component dependent on the wavelength ( p (A.) completely balanced, ie all the resulting phase distortions have been compensated.

Das Summensignal gibt nur über die Amplitudenkomponente des Ausgangslichtstroms 42 Auskunft. The sum signal only provides information about the amplitude component of the output luminous flux 42.

Die andere in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform des Spektrometers arbeitet in der gleichen Weise wie oben beschrieben mit folgenden Unterschieden. The other embodiment of the spectrometer shown in Fig. 3 operates in the same manner as described above with the following differences.

Die zwei gebeugten Lichtbündel 40 und 41 (Fig. 5) kehren zum Beugungsgitter 7 zurück, wobei das Bündel 40, nachdem es von der Reflexionsfläche des Abtastspiegels 14 rückgestrahlt worden ist, die transparente planparallele Küvette 35 für den zu untersuchenden Werkstoff das zweite Mal passiert, während das Lichtbündel 41 aufeinanderfolgend von der Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegeis 10, der Reflexionsfläche des Abtastspiegels 15 und wieder von der Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegeis 10 rückgestrahlt wird. The two diffracted light bundles 40 and 41 (FIG. 5) return to the diffraction grating 7, the bundle 40, after having been retroreflected by the reflecting surface of the scanning mirror 14, passing through the transparent plane-parallel cuvette 35 for the material to be examined for the second time. while the light beam 41 is successively retroreflected by the reflection surface 11 of the additional mirror 10, the reflection surface of the scanning mirror 15 and again by the reflection surface 11 of the additional mirror 10.

Wird die Küvette 35 mit dem zu untersuchenden Werkstoff gefüllt, ändert sich die Amplitude des Ausgangslichtstroms 42 um einen Wert, der durch den Amplituden-Absorptionsfaktor a(X) für den Werkstoff bestimmt wird, während die Phasenkomponente (J)(X) einen Zusatz gewinnt, der durch den Brechungsindex n(X) für den Werkstoff bestimmt wird. If the cuvette 35 is filled with the material to be examined, the amplitude of the output luminous flux 42 changes by a value which is determined by the amplitude absorption factor a (X) for the material, while the phase component (J) (X) gains an additive which is determined by the refractive index n (X) for the material.

Dann gelangt auf den Fotoempfänger 29 (Fig. 3) des Registriergeräts 36 durch die Austrittsapertur 26 der Ausgangslichtstrom 42, dessen Wechselanteil durch die Formel Then, the output luminous flux 42, the alternating component of which passes through the formula, reaches the photo receiver 29 (FIG. 3) of the registration device 36 through the exit aperture 26

2n (n-l)m 2n (n-l) m

Jn(X) = J0(X) • eamW(X) ■ cos [<j>(X) ], Jn (X) = J0 (X) • eamW (X) ■ cos [<j> (X)],

X X

worin m die Stärke der Absorptionsschicht des zu untersuchenden Werkstoffes ist, beschrieben wird. where m is the thickness of the absorption layer of the material to be examined is described.

Der Einfluss der Fenster der Küvette 35 kann in der Amplitudenkomponente vernachlässigt werden, während der Einfluss der Phasenkomponente in 4> (X) zu berücksichtigen ist. The influence of the windows of the cuvette 35 can be neglected in the amplitude component, while the influence of the phase component in 4> (X) has to be taken into account.

Im vorliegenden Fall wird eine Quelle eines kontinuierlichen Spektrums benutzt: In the present case a source of a continuous spectrum is used:

J0(X) = J0 = const. J0 (X) = J0 = const.

Die Signale von den Ausgängen der beiden Synchrondetektoren 30 und 31 treffen gleichzeitig sowohl an den zwei Eingängen der Einheit 33 zur vektoriellen Addition elektrischer Signale und dann am Anzeiger 34 als auch an den zwei Eingängen der The signals from the outputs of the two synchronous detectors 30 and 31 hit simultaneously both at the two inputs of the unit 33 for vectorial addition of electrical signals and then at the indicator 34 and at the two inputs of the

Uco arctg Recheneinheit 37 dann am Anzeiger 38 em. Das Uco arctg computing unit 37 then on the display 38 em. The

U2to U2to

Summensignal vom Anzeiger 34 enthält Informationen nur über den Amplituden-Absorptionsfaktor a(k) und das Summensignal vom Anzeiger 38 enthält Informationen über den Brechungsindex n(X) des zu untersuchenden Werkstoffes. Die Nachbehandlung der Registrierstreifen ergibt eine unmittelbare Spektralverteilung der Werte n(X) und a(X) und folglich auch al des Extinktionskoeffizienten %(X) = — des zu untersuchenden The sum signal from the indicator 34 contains information only about the amplitude absorption factor a (k) and the sum signal from the indicator 38 contains information about the refractive index n (X) of the material to be examined. The aftertreatment of the registration strips results in a direct spectral distribution of the values n (X) and a (X) and consequently also as the extinction coefficient% (X) = - of the sample to be examined

4ti 4ti

Werkstoffes, die zugleich aufgezeichnet worden sind. Material that have been recorded at the same time.

Das Spektrometer mit Interferenz-Selektiv-Amplitudenmo-dulation ist im wesentlichen für eine Schnellanalyse von Spurensubstanzen bei Mehrkomponentenstrukturen in der Geologie, Metallurgie, bei der Herstellung reiner Metalle, Legierungen, Halbleiter, im Umweltschutz, für astrophysikalische Forschungen vorgesehen. The spectrometer with interference selective amplitude modulation is essentially intended for a quick analysis of trace substances in multi-component structures in geology, metallurgy, in the production of pure metals, alloys, semiconductors, in environmental protection, for astrophysical research.

6 6

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

3 Blätter Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

673 060

2nd

PATENT CLAIMS

1. spectrometer with interference-selective amplitude modulation, which - arranged one behind the other in the beam path of the light beam - an entrance aperture (1), a collimation means, a diffraction grating (7) with a symmetrical profile of lines (8), an additional mirror (10) , which is arranged in such a way that its reflection surface (11) runs parallel to the lines (8) of the diffraction grating (7) and perpendicular to the effective surface of the latter, two scanning mirrors (14, 15) on a common base (13), which is provided with the possibility of rotation about an axis (20), which with the intersection of a plane (17) in which the effective surface of the diffraction grating (7) lies and a plane (25) in which the reflection plane (11) of the additional mirror (10), coincides, the one scanning mirror (14) for reflecting the rays from the diffraction grating (7) and the other scanning mirror (15) for reflecting the rays from the additional mirror (10) being provided, an Au controversial aperture (26) and a registration device (27) optically connected to the exit aperture (26), characterized in that between the scanning mirror (15) provided for reflecting the rays from the additional mirror (10) and the base (13) there is a plane-parallel plate ( 16) the thickness h is arranged, that of the relationship

1 <h <L

is sufficient in what

1 the dimension of a gap between the plane (17) of the effective surface of the diffraction grating (7) and the end face (18) of the additional mirror (10) facing it, and

L means the linear dimension of the diffraction grating (7) in a direction perpendicular to the direction of its lines (8),

wherein the registration device (27) is provided with a compensation means for phase distortions of the spectrometer.

2. Spectrometer according to claim 1, wherein the recording device (27) connected in series with each other a photo receiver (29), a synchronous detector (30) and an indicator (34) and one with the output connected to the second input of the synchronous detector (30) Generator (28), characterized in that the compensation means for phase distortion of the spectrometer comprises a second synchronous detector (31), a frequency doubler (32) and a unit (33) for the vectorial addition of electrical signals, the second synchronous detector (31) having a Input to the output of the photo receiver (29) and with the second input via the frequency doubler (32) to the output of the generator (28) and the unit (33) for vectorial addition of electrical signals between the outputs of the first and second synchronous detectors ( 30 or 31) and the input of the indicator (34) is switched.

3. Spectrometer according to claim 2, characterized in that it with a transparent cuvette (35) with pairs of parallel side walls for the material to be examined, which is rigidly attached to one (14) of the scanning mirror and designed according to the dimensions of this mirror, and that Registration device (36) with a computing unit (37) for calculating

Uo>

arctg, where UM is the amplitude of the signal from the output

U20)

of the first synchronous detector (30), U2M means the amplitude of the signal from the output of the second synchronous detector (31) and the unit (37) has two inputs which are connected to the outputs of the respective synchronous detectors (30, 31)

Um, and with one at the output of the arctg arithmetic

U20)

Unit (37) connected indicator (38) is provided.