CN101014841B - 通过应用两个光谱计装置改善探测器利用的阶梯光栅-光谱计 - Google Patents

通过应用两个光谱计装置改善探测器利用的阶梯光栅-光谱计 Download PDF

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Abstract

一种光谱计装置(10)具有一个光谱计(14)，用于在一个探测器(42)上产生一种来自辐射源的辐射的第一波长范围的光谱，它包含一个阶梯光栅(36)用于对于进入光谱计装置(10)里的辐射在一个光分散方向(46)上进行光谱分解；包含一个用于分散的元件(34)用于借助于对所述辐射在一个横向分散方向(48)上的光谱分散来进行序列分离，此横向分散方向与阶梯光栅(36)的主分散方向形成一个角度，因此可以产生具有多数分开序列(52)的二维光谱(50)；包含一个成像的光学装置(24，38)用于使通过入射间隙(20)进入光谱计装置(10)的辐射在一个成像平面(40)里成象，并且包含一个面积探测器(42)，它具有许多探测元件在成象平面(40)里成象，并且包含一个面积探测器(42)，它在成象平面(40)里具有许多探测元件的一种二维布置。所述装置的特征在于，设有另外一个光谱计(12)，它具有至少另外一个进行分散的元件(64)和另外一个成像的光学装置(60，66)，用于在同一个探测器(42)上产生一种来自一个辐射源的辐射的与第一波长范围不同的第二波长范围的光谱(68)。所述光谱可以按面积或者随时间在探测器上进行分离。

Description

通过应用两个光谱计装置改善探测器利用的阶梯光栅-光谱计
技术领域
本发明涉及一种光谱计装置，它具有一个光谱计，用于在一个探测器上产生一种来自辐射源的辐射的第一波长范围的光谱，它包含有：
(a)一个阶梯光栅，用于对进入到光谱计装置的辐射在一个主分散方向上进行光谱分解；
(b)一个用于分散的元件，用于借助于对在一个横向分散方向上的辐射的光谱分解进行序列分离，此横向分散方向与阶梯光栅的主分散方向形成一个角度，因此可以产生一种具有多数分离序列的二维光谱，
(c)一个成像的光学装置，用于使通过入射间隙进入到光谱计装置里的辐射在一个成像平面里成像，并且
(d)有一个面积探测器，它具有许多探测元件在成像平面里的二维布置。
在这样一种阶梯光栅-光谱计中，应用了具有一种阶梯形(阶梯光栅(频率)＝阶梯)横断面的光栅。通过具有一个对应闪耀角的阶梯形构造产生一种衍射图，它使衍射的强度集中在高的序列里，例如在第50至100的序列里。因此可以在紧凑的装置中达到高的光谱分辨率。这些序列可以根据射入波长的不同而相互重叠。因而使序列再次横向于分散平面地进行分散，以便分离开各种不同的所出现的序列。因此得到一种二维的光谱，它可以用面积探测器来检测。
一种这样的阶梯光栅-光谱计具有内部序列分离，它与具有外部序列分离的阶梯光栅-光谱计是不同的，后者只是来自一个小的光谱范围的辐射进入到光谱计中。在具有内部序列分离的光谱计中，在探测器上产生一种二维构造形式的光谱。这种构造由基本上相互平行布置的、一个自由光谱范围的大小的光谱段组成。应用一种具有许多探测元件的面积探测器就可以以高的分辨率同时地检测一个大的波长范围。
所述横向分散通常选择得如此大，以致于序列到处被完全分离开了。为了在整个光谱范围上保证有这样的光谱范围：其中在各个序列之间产生了一个没有被利用的中间空间。因此在应用一种棱镜用于在短波光谱范围里横向分散时由于较高的折射率形成了比在较长波的光谱范围里更大的中间空间。
在已知的装置中不利的是：若要以高分辨率和足够的光电导率来检测较大的光谱范围的话，探测器通常必须要很大。另外还有以下问题：如果辐射源以很不相同的光谱强度发射的话。因此使所述在光谱学中重要的光谱范围从193nm至852nm虽然被一些辐射器完全遮盖住了，但在350nm以上的范围里所述强度往往高出在200nm的短波光谱范围里时达多个数量级。通常探测器并没有充足的动态范围，因此光谱范围只能用灵敏度的损失同时进行检测，或者必须相互分开地用不同的曝光时间来测量。
技术背景
已知有一种装置，其中利用了序列之间的中间空间.光谱计设有一种装置用于使射入到光谱计里的光进行预分散.使光在一个具有很小角度的棱镜上进行预分散.此外选择一个射入间隙高度，它与短波光谱范围里两个序列之间的一个中间空间的最大宽度相一致.通过合适地照射射入间隙可以使短波辐射完全进入到光谱计里.长波光谱范围的辐射通过预分散只是部分地射到所述射入间隙上.因此在序列分离并不如此大的那些范围里一个较小的射入间隙高度是有效的.按此方式对于一般的强度弱的短波光谱范围来说使光电导率提高.
通过这种装置，虽然完全充分地利用了探测器表面，但探测器大小仍相同。每个探测器元件的照射强度实际上通过所述装置也并没有被改变。为此在附带的光学元件上总之出现损失。
另外还已知有一种装置，它通过在整个光谱范围上更加均匀的横向分散更好地充分利用探测器表面。这种更加均匀的横向分散通过如下方法来达到：通过两个逆向的不同材料的棱镜引起横向分散。所述分散则由两种材料的分散差值得出。必须应用大的棱镜角，以便达到足够大的差值。对应地在同时只是小的合成分散时出现了高的透射损失。
另外还已知了一种装置，它应用了棱镜和光栅的组合用于产生横向分散。棱镜在短波光谱范围里有一种较高的分散，而光栅则在长波光谱范围里。所述组合比单单其中一个元件来说产生了一种更均匀的横向分散。然而在此装置中不利的是：由于横向分散光栅的不同的序列使序列分离的单值性失去了。这里如果要在宽的范围上同时地进行测量的话，对于探测器的动态范围也存在困难。
发明内容
本发明的任务是提出一种开头所述种类的光谱计装置，其中可以更好地充分利用所提供的探测器表面，并且同时可以减小所需要的探测器表面。本发明的另外的任务是，提出一种具有已改善的动态范围的光谱计。按照本发明如下来解决该任务：设置了另外一个光谱计装置，它具有另外一个进行分散的元件和另外一个成像光学装置，用于产生从一个辐射源到同一个探测器上的辐射的与第一波长范围不同的第二波长范围的一种光谱。
由于在一个分离开的光路里使用了附加的光学元件，就可以使光谱分布在两个光谱范围上。在这种情况下，光学元件-也就是说进行分散的元件、反射镜、入射间隙宽度等等各自可以适应于测量任务。按此方式例如可以使强度强烈的波长范围的光电导率变小，而对强度弱的范围则变大。因此使所述射到探测器上的辐射更好地适应其动态范围。强的光谱线可以同时地在弱光谱线旁进行测量。另外这两个由不同的光谱计装置在共同的成像平面里所产生的光谱可以被相同的探测器范围来检测，因此探测器的外形尺寸总的来说就更小。然后也不再需要读出这么多的探测器元件，因而减小了读出时间。在光谱计之内并没有使用可活动的部件，如翻转反射镜或削波器。这使制造和调节更容易。另外除了在一定条件下用于主要的辐射分配之外并不需要光学元件-如半透明的反射镜、光分离器或类似元件，它们使光电导率降低。
这种光谱计装置的特别优点在于：两个光谱清晰地在探测器上成象。有色的或其余的成像错误被最小化。这在二维的连续光谱时特别重要，因为这些光谱规定了探测器所处的一个平面。
所述另一个进行分散的元件同样也优选为一个阶梯光栅.在这里，可以设置一个配属于第二阶梯光栅的进行分散的元件，用此元件可以对由第二阶梯光栅分散了的辐射在一个横向分散方向上进行光谱分解，以用于序列分离，此横向分散方向与第二阶梯光栅的分散方向形成一个角度.那么整个装置包括有两个独立的阶梯光栅-光谱计，它们二者应用相同的探测器.在每个阶梯光栅-光谱计里产生了不同光谱范围的一个二维阶梯光栅-光谱.每个光谱计可以适应于所述光谱范围.那么就可以使光电导率适应于探测器的动态范围.光学元件的反射性和透射可以对于各自的光谱范围进行优化.在本发明的一种设计方案中各设有一个棱镜作为用于序列分离的进行分散的元件.
在本发明的一种特别优选的设计方案中，另一个光谱计装置与第一光谱计装置对称地布置，其中探测器位于对称平面上并垂直于该对称平面。在这样一种装置中，探测器并不是垂直地位于探测器和相机镜头之间的连接线上。这例如可以通过一种按照概念“四面体(Tetraeder)装置”而已知的装置来实现，在此装置中，阶梯光栅的分散方向垂直于在成像光学装置上的偏转角。在此，成像光学装置分别由一个准直镜和一个照相反射镜构成。在此装置中准直和照相反射镜的中点布置在阶梯光栅的分散平面之内。
在本发明的一种设计方案中设有一个反射镜，用于使入射间隙和准直镜之间的光路折弯。另外可以设有用来影响反射镜曲率的装置，从而可以对成像误差、尤其是散光进行弥补。所述用于影响反射镜曲率的装置可以由一个反射镜框和至少一个纵向压力装置构成，后者在反射镜高度上延伸，并基本上在中间从后面指向反射镜地施加一个压力，使得形成一个取决于压力的反射镜曲率。该压力装置可以由一个可调整的调整螺钉的力来加载。在这样一种方案中，可以使成像错误按特别简单的方式进行校正。
在本发明的第一种设计方案中这样设计了所述横向分散，因此在第一光谱计装置的二维光谱的序列之间在探测器上存在有不受照射的中间空间，第二光谱计装置的光谱可以投影在这些中间空间里。那么这些在探测器上所产生的光谱在空间上被重叠并且同时被读出。
在一种备选方案中设有用来对探测器随时间受控制地进行照射的装置，因此交替地使第一或第二波长范围到达所述探测器上。在这种备选方案中，使产生的光谱随时间分开地读出。照射时间可以对应于探测器的动态范围各自适应于每个光谱。所述两种备选方案可以相互组合起来。曝光时间的调整可以通过分别打开和关闭各自的入射间隙来进行。为此目的也可以在光谱计装置之外设有一个共同的削波器。
本发明的设计方案是从属权利要求的主题。以下参照附图对一个实施例加以详细说明。
附图说明
图1：表示具有两个镜像对称布置的阶梯光栅-光谱计的一种光谱计装置的简略图；
图2：表示两个光谱如何能够在空间上在一个探测器上重叠；
图3：表示两个空间上重叠的线光谱如何能调定到一种最小的搭接；
图4：表示了在一个探测器元件上随时间的强度变化曲线，此时使探测器用两个光谱交替地以不同的间隔进行照射和读出；
图5：表示了在一个探测器元件上随时间的强度变化曲线，此时探测器用两个光谱一起交替地以相同的间隔进行照射，并以不同的间隔读出；
图6：表示一个用来照射有间隔的入射间隙的削波器盘的俯视图；
图7：一个可调整的圆柱反射镜在没有弯曲位置上的详图；
图8：表示图7所示圆柱反射镜在弯曲位置上。
图1中用10总体称之为光谱计装置。该光谱计装置10包含两个光谱计12和14，它们布置在一个共同的外壳16里。光谱计12和14的元件相对于一个平面18相互镜像对称地布置。为了简单起见这里因此只对一个光谱计详细加以说明。
在一个入射间隙20上使辐射进入到光谱计里。入射的辐射射到一个平面镜22上。在所述平面镜22上使辐射在向着一个准直镜24的方向上反射。准直镜24是一个球面镜，用此球面镜使发散的辐射发生平行。平行的射束26通过一个棱镜34。在棱镜之后设有一个阶梯光栅36。
阶梯光栅36的分散装置在一个垂直于图1所在的平面的平面里延伸。阶梯光栅的光栅刻线槽位于图1中基本上从上向下的视图平面里。该阶梯光栅有一个大的闪耀角，而且所述辐射在一个平缓的角度的情况下射到光栅上，该光栅布置成与图面成一个角度。所述平行的、分散的辐射被光栅36反射到照相镜38上。此时所述辐射重新穿过棱镜34。照相镜38使所述辐射聚焦在成像平面40里。在平面40里设有一个面积探测器42。该面积探测器42由一个具有许多探测器元件的阵列组成。这样一种面积探测面例如是一个CCD(电荷耦合)探测器。其余的通常属于一个探测器的元件-如放大器、转换器、电子装置和数据处理装置则用44简略表示。
阶梯光栅36使所述辐射垂直于图示平面地进行分散。由于大的闪耀角以及与波长相比光栅刻线槽的大的间距，在此使辐射集中在许多高序列数的序列里。因此在相比来说较为紧凑的装置时达到特别高的分辨率。棱镜34使所述辐射在图示平面里垂直于阶梯光栅36的分散方向(主分散方向)进行分散。因此使序列相互分开。在探测器上产生一种二维的光谱。
图2中概略表示了一种具有连续光谱的辐射器的一种这样的光谱。用50标注出在探测器42上的光谱的边缘，此处用俯视图表示。主分散方向在箭头46的方向上延伸。棱镜装置的横向分散方向在箭头48的方向上延伸。相应地，紫外线光谱范围的短波长度表示于图2左边，而近红外范围的较长波全在右边示出。总有一个垂直的线52代表了一个序列的自由光谱范围。对应于光栅分散，所述分散在小的波长时较大，而自由的光谱范围较小。所述序列通过横向分散在箭头48方向上分开。在这些序列之间形成了中间空间54。对应于棱镜分散，这些中间空间54在短波范围内大于在长波范围内。
图1也表示了具有第二间隙56的第二光谱计12。其构造同样如同第一光谱计14那样。所述辐射经过平面镜58、准直镜60，通过棱镜62，经过光栅64至照相镜66，然后同样也被聚焦在探测器42上。在这里所述光栅也是一个阶梯光栅。但是也可以应用一种通常的衍射光栅来代替一种阶梯光栅，并且只使一个序列、例如也作为具有大扫描范围的参照而在探测器上进行投影。
光谱计12也在探测器42上产生一种二维图像.这在图2中用虚线70分开表示，并称为68.若使两个入射间隙56和20被照射的话，那就可以使两个光谱相互交叉，并同时地在探测器42上进行投影.在照相镜38和/或66上、并在阶梯光栅36和/或64上设有步进电机(未示出)，用这些步进电机可以使图像在探测器平面里运动.那么光谱就可以相互交叉，以致于一个光谱的序列70位于另一个光谱的中间空间54里.探测器面积因此被最佳地充分利用.若将短波范围的、例如从190nm至300nm的辐射导引通过一个光谱计，并将较长波范围的、例如300nm至852nm的辐射导引通过另一个光谱计，那么就可以按此方式使探测器的外形尺寸保持较小，而并不使光电导率或者光谱分辨率有重大变化.由于棱镜分散取决于波长，在这种情况下必须组合不同的棱镜62，34，它们的波长相关性导致分散，它们提供一种适合的序列图形.
尤其在线辐射器作为辐射源时、或者在测量任务时(此时只是某些、小的、清楚定义了的光谱范围是至关重要的)，所述棱镜分散不需要适应于各自不同的光谱部分的序列分离。这简略示于图3中。此处有两个线光谱72和74在探测器上叠加，因而形成了图形76。在所述图形上线78和80相互可能重叠。光谱72因而通过照相镜的摆动而大致在平面里移动，使这些线不再搭接。光谱72的原始位置用虚线82表示。在复杂的线光谱时不能完全排除重叠。因此使光谱的图形例如通过之字曲折形的、逐步的运动而相互对着移动，并求出重叠度。图形相互的最佳位置则通过最小重叠度来定义。
在一种用于光谱的按面积重叠的备选方案中，使光谱随时间偏置地投影到探测器上。在图4中示出在一种象素处的强度分布。根据探测器，只是在比更强的光谱来说更长的间隔t2之后才将强度更弱的光谱读出，所述更强的光谱已经在一个短的间隔t1之后被读出。
可选择地借助于一个削波器将强化的光谱遮挡住，使探测器的曝光比用强度弱的光谱更短。这表示于图5中。此处在间隔t3期间内没有光线经过所述间隙。
有一些应用情况，例如LIPS，此时需要特别快速的转换时间。在这种应用情况时，用一个激光束对一个试件进行扫描。所述激光束分离一小部分的表面物质并使其激发。在遇到激光脉冲之后在开头几个微秒里所述物质发射一种连续的光谱。这种辐射不应被探测到。只有在经过这个时间段之后才应该接收元素特有的原子发射。在此处的构造中，为了实现这种特别短的转换时间应用了一种旋转的消波器86。该削波器86直接布置在图1中的一个和/或两个入射间隙20和56的前面。削波器包括一个盘84，其直径约为10cm。该直径大于入射间隙20和56之间的间距。在盘84里设有两个间隙88和90，其宽度小于10mm。盘84布置在一个高速马达的轴上。所述轴位于称作92的削波器轴线上，并在图1中布置于反射镜平面18里。马达以30000转/分钟以内的转速进行工作。为了避免空气摩擦和振动，所述盘布置在一个外壳里，该外壳具有用于辐射的窗口。为了导热，在外壳上设有一个水冷却系统。用这种装置可以在探测时间约20μs时实现操作转换时间在1μs范围里。

Claims (11)

1.光谱计装置(10)，它具有一个光谱计(14)，用于在一个探测器(42)上产生一种来自辐射源的辐射的第一波长范围的光谱，包含有：
(a)一个第一阶梯光栅(36)，用于对于进入到光谱计装置(10)中的辐射在一个主分散方向(46)上进行光谱分散，
(b)一个进行分散的元件(34)，用于借助于对于所述辐射在一个横向分散方向(48)上的光谱分解来进行序列分离，此横向分散方向与第一阶梯光栅(36)的主分散方向形成一个角度，因此可产生一种具有多个分开序列(52)的二维光谱(50)，
(c)一个成像的光学装置(24，38)，用于使通过入射间隙(20)进入到光谱计装置(10)里的辐射在一个成像平面里(40)里成像，
(d)一个面积探测器(42)，它在成像平面(40)里具有许多探测器元件的一种二维布置，以及
(e)另一个光谱计(12)，它具有至少另一个进行分散的元件(64)和另一个成像光学装置(60，66)，用于产生一个与第一波长范围不同的、来自辐射源的辐射的第二波长范围的光谱(68)，
其特征在于，
(f)所述第二波长范围的光谱在同一探测器(42)上成像，其中这两个波长范围的光谱在所述探测器上至少局部地按照平面是重叠的，并且
(g1)所述横向分散使得在第一光谱计(14)的二维光谱的序列(52)之间在探测器上存在未照射到的中间空间(54)，在该中间空间里至少局部地可以使第二光谱计(12)的光谱进行投影，或者
(g2)设有用于随时间受控制地照射探测器的装置，从而交替地使第一或第二波长范围到达探测器(42)上。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述另一个进行分散的元件(64)同样也是一个阶梯光栅，并且设有一个配属于第二阶梯光栅的进行分散的元件(62)，用此元件可以使所述被第二阶梯光栅分散的辐射在横向分散方向(48)上进行光谱分解，以用于序列分离，所述横向分散方向与第二阶梯光栅的分散方向形成一种角度。
3.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，总是设有一个棱镜(34，62)作为用于序列分离的进行分散的元件。
4.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述另一个光谱计装置(12)与第一光谱计装置(14)对称地进行布置，探测器(42)布置在对称平面(18)上并与之垂直。
5.按权利要求1所述的装置，其特征在于，成像光学装置分别由一个准直镜(24，60)和一个照相镜(38，66)构成。
6.按权利要求5所述的装置，其特征在于，设有一个镜(22，58)用于折弯入射间隙(20，56)和准直镜(24，60)之间的光路，并且设有用于影响镜曲率的装置，从而可以弥补成像错误。
7.按权利要求6所述的装置，其特征在于，所述成像错误是散光。
8.按权利要求6所述的装置，其特征在于，所述用于影响镜曲率的装置由一个支架和至少一个纵向压力装置构成，该压力装置在镜高度上延伸，并且基本上在中心如此施加一个从下面指向所述镜的压力，从而形成一种取决于压力的镜曲率。
9.按权利要求8所述的装置，其特征在于，压力装置(104)被一个可调整的调整螺钉的力来加载。
10.用于调节一个按照上述权利要求之一所述的光谱计装置的方法，其特征在于以下步骤：
(a)用第一线性辐射器的辐射对第一光谱计(14)的入射间隙(56)进行照射，
(b)用第二线性辐射器的辐射对第二光谱计(12)的入射间隙(20)进行照射，
(c)用共同的探测器(42)对在第一和第二光谱计里所产生的线性光谱同时进行探测，
(d)借助于一个或两个成像光学装置使所述两个线性光谱相互对着按照平面进行移动，从而使所有的或者所选择的线的重叠最小。
11.按照权利要求1至9的一种光谱计装置用于激光感生的离等子光谱学(LIPS)的应用。
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