CN102378904A - 具有内部预色散的中阶梯光栅光谱仪装置 - Google Patents

Abstract

具有内部级次分离的中阶梯光栅光谱仪装置（10）包含中阶梯光栅（34）和色散元件（38）、成像光学系统（18，22，28，46）、面检测器（16）以及预色散装置（20），所述色散元件（38）用于进行级次分离，使得可产生具有多个被分离的级次（56）的二维谱，所述预色散装置（20）用于朝色散元件（38）的横向色散的方向使辐射预色散。该装置的特征在于：预色散装置（20）包括预色散元件，该预色散元件沿着光学路径被布置在光谱仪装置内部的入射缝隙（12）之后；成像光学系统被构造为使得预色散辐射可以被成像到附加的在预色散方向上无限制的图像平面（24）中，该图像平面（24）沿着光学路径被布置在预色散元件（20）和中阶梯光栅（34）之间；以及光学装置（20,68）被设置在预色散光谱的位置上，用于影响在检测器（16）上的空间和/或光谱辐射密度分布。

Description

具有内部预色散的中阶梯光栅光谱仪装置

技术领域

本发明涉及一种具有内部级次分离的中阶梯光栅光谱仪装置（Echelle-Spektrometeranordnung），其包含：

（a）用于对在主色散方向上的辐射进行谱线分解的中阶梯光栅，

（b）用于借助横向色散方向上的辐射的谱线分解进行级次分离的色散元件，该横向色散方向与中阶梯光栅的主色散方向形成角度，使得可产生具有多个被分离的级次的二维谱，

（c）用于将通过入射狭缝入射到光谱仪装置中的辐射成像到图像平面中的成像光学系统，以及

（d）在图像平面中具有二维布置的多个检测元件的面检测器，以及

（e）用于朝色散元件的横向色散的方向使辐射预色散的预色散装置。

在中阶梯光栅光谱仪中使用了具有阶梯状（Echelle（法语）=阶梯）的横截面的光栅。通过具有相对应的闪耀角的步状结构产生了衍射图案，该衍射图案将衍射强度集中到高的级次中，例如集中到第五十级到第一百级中。由此可以在紧凑布局的情况下实现高的光谱分辨率。这些级次可（按照入射的波长）叠加。这些级次在带有内部级次分离的中阶梯光栅光谱仪中因而再一次横向于中阶梯光栅的色散方向被色散，以便分离不同的出现的级次。这样获得了可以利用面检测器来检测的二维谱。

具有内部级次分离的中阶梯光栅光谱仪与具有外部级次分离的中阶梯光栅光谱仪的不同在于：在最后提到的光谱仪中，仅仅来自小的光谱范围的辐射入射到该光谱仪中。在具有内部级次分离的光谱仪中，光谱以二维结构的形式在检测器上被产生。该结构由自由光谱范围的大小的基本上彼此平行布置的光谱区段构成。具有多个检测元件的面检测器的使用允许同时以高分辨率检测大的波长范围。

横向色散通常大地被选择，使得级次到处完全被分离。为了在整个光谱范围上保证这种情况，有如下光谱范围：在所述光谱范围中，在各个级次之间形成不使用的中间空隙。这样，在将棱镜用于横向色散时，在短波光谱范围中由于较高色散而形成比在较长波的光谱范围中更大的中间空隙。

在公知的装置中的缺点是，当较大光谱范围要以高分辨率和足够的光吞吐量被检测时，检测器通常必须非常大。此外，如果辐射源以非常不同的光谱强度发射，则产生问题。这样，在光谱学中重要的从193nm到852nm的光谱范围尽管被一些辐射器完全覆盖，然而强度在350nm以上的范围中常常比在200nm处的短波光谱范围中高多个量级。通常，检测器并不具有足够的动态范围，使得光谱范围仅须在灵敏度被损失的情况下同时被检测或者彼此分离地必须在不同的光照时间（Belichtungszeit）的情况下被测量。

背景技术

由DD 292078公知一种利用在级次之间的中间空隙的装置。光谱仪被配备有用于使入射到光谱仪中的辐射预色散的装置。该装置被设置在实际的光谱仪装置外部。辐射通过棱镜以非常小的角度被预色散。此外，选择如下入射狭缝高度：所述入射狭缝高度与在短波光谱范围中的两个级次之间的中间空隙的最大宽度相对应。通过适当照明入射狭缝，短波辐射现在可以完全入射到光谱仪中。较长波的光谱范围的辐射由于预色散而仅仅部分地通过入射狭缝。由此在级次分离不是如此大的范围中，较小的入射狭缝高度是有效的。以这种方式，通过合计检测器的多个检测元件的强度，针对通常在强度弱化的短波光谱范围提高了信噪比。然而，射到每个单个检测元件上的辐射保持相同。每个单个检测元件的照明强度通过该装置实际上没有被改变。通过该装置，尽管完全利用了检测器面，但是为了检测整个光谱所需的检测器大小保持相同。通过不仅针对预色散而且针对横向色散使用棱镜，级次分离中的沿着光谱的差别均保持不改变。

此外还公知了一种通过目的在于通过在整个光谱范围上的更均匀的横向色散而更好地利用检测器表面的装置。更均匀的横向色散通过如下方式来实现：横向色散通过不同材料的两个反向棱镜来实现。色散接着由两种材料的色散之差来确定。必须使用大的棱镜角，以便实现足够大的差。在最终得到仅仅小的色散的同时出现了相对应高的透射损耗（Transmissionsverlust）。

DE 10 2004 028 001 A1描述了一种允许采用市场上可买到的较小的检测器的装置。该装置使用了具有附加的成像光学系统的另一中阶梯光栅光谱仪。两个光谱仪中的每个都在波长范围上被优化。辐射的测量接着通过划分波长范围并且在时间上分离地进行。通常强度较弱的、短波的波长范围在第一测量中被执行，而更加强的长波波长范围在第二测量中利用另一光谱仪来执行。两个光谱仪使用了如下相同的检测器：该相同的检测器在该装置中允许被构造得较小，因为不再必须由检测器检测完整的光谱。

Gilbert M. Levy、Alexander Qaglia、Robert E. Lazure和Scott W. McGeorge在Spectrochimica Acta（第42.B卷，（1987年），第341-351页）中描述了一种具有带有预色散的中阶梯光栅光谱仪的光谱仪装置。该装置利用光栅来进行预色散。在这样产生的光谱的平面中设置有掩膜（Maske），利用该掩膜有针对性地遮住未被使用的光谱范围。其余光谱范围利用中阶梯光栅光谱仪在相同的方向上被色散并且被转向到一维行上。

DE 2 312 777公开了一种具有带有内部级次分离的中阶梯光栅光谱仪的装置。整个光谱被成像到检测器上。被设置用于横向色散的色散装置包括棱镜和直接在其后设置的色散光栅。棱镜色散和光栅色散被设计来使得级次基本上等距地显现在检测器上。

发明内容

本发明的任务是提出了开头所述类型的中阶梯光栅光谱仪装置，该中阶梯光栅光谱仪装置允许利用市场上可买到的检测器测量具有大的光谱范围和强烈变化的强度的光谱。

根据本发明，该任务通过如下方式来解决：

（f）预色散装置包括预色散元件，所述预色散元件沿着光学路径被布置在光谱仪装置内部的入射狭缝之后，

（g）成像光学系统被构造为使得被预色散的辐射可以被成像到附加的在预色散方向上无限制的图像平面中，该图像平面沿着光学路径被布置在预色散元件和中阶梯光栅之间，以及

（h）光学装置被设置在被预色散的光谱的位置上，用于影响检测器上的空间和/或光谱辐射密度分布。

附加的被预色散的光谱不要求高的光谱分辨率。该附加的被预色散的光谱可以利用公知的色散装置来产生。两个镜可以被用作成像光学系统，这两个镜在整个光谱范围上仅具有小的反射损耗。光谱可以利用平面光栅来产生。附加的狭缝是不必要的。附加的光谱至少在预色散方向上无限制地被构造。不同于利用机械装置、例如掩膜或者狭缝，被预色散的光谱可以利用光学装置而有针对性地被影响。预色散优选地（绝对而言）在相同的方向（如横向色散）上进行。

光学装置可以是用于在附加的图像平面中与位置有关地使被预色散的辐射强度弱化的装置。这些光学装置可以通过布置在附加的图像平面中的具有与位置有关的透射的灰色滤光器(Graufilter)来实现。透射可以沿着光谱改变，使得检测元件的动态范围最佳地被利用。在具有弱强度的范围中，辐射完全被透过。在高强度的范围中，辐射被强烈地弱化。不同于在使用挡板的情况下，没有对各个辐射束的空间限制。此外，光谱的完整的波长范围被透过。

在本发明的特别优选的改进方案中，强度弱化与成像光学系统、中阶梯光栅、色散元件的透射和反射的光谱变化曲线（Verlauf）相适配，与辐射器的强度的光谱分布和/或检测器的量子效率的光谱分布相适配，使得由辐射器在检测器中产生的强度谱基本上是相同的。

在本发明的另一改进方案中，预色散元件是光栅。优选地，用于横向色散的色散元件是棱镜，而预色散的光栅的光栅线数与棱镜的色散适配，使得成像到检测器上的级次基本上等距地出现。换言之：被预色散的光谱通过选择光栅线数和预色散的成像光学系统的焦距而被影响，使得由横向色散和预色散得到的变化曲线和与波长的平方成比例的中阶梯光栅的自由光谱范围的变化曲线基本上被补偿。这种合适的光学装置的选择能够实现基本上等距的级次距离并且因此能够实现检测器面的最佳利用。

此外，设置有级次滤波器（Ordnungsfilter）作为用于在附加的图像平面中与位置有关地使被预色散的辐射强度弱化的光学装置，该级次滤波器遮住预色散光栅的更高的级次。

可替换地，预色散装置可以包含附加的棱镜，该附加的棱镜的顶部边缘（Dachkante）被布置为使得棱镜色散平行于中阶梯光栅的主色散方向走向。预色散装置的较高衍射级接着与光谱第一级分离，并且例如可以利用挡板等等来遮住或者遮暗（abschatten）。接着，仅仅预色散光栅的优选地第一或其他所选择的级的辐射射到检测器上。

应理解的是，用于影响被预色散的光谱的光学装置也可以被组合。这样，预色散可以利用光栅来进行，以便能够实现小的检测器并且同时使用用来考虑检测器的动态范围的灰色滤光器。重要的是，附加的光谱提供了有针对性地影响每时间单位射到各个被照明的检测器像素上的光子数的可能性。在这种情况下，不同于例如在使用不透光的挡板的情况下，准连续地达到的中间值是可能的。

所描述的光谱仪装置可以具有在190nm到860nm之间带有连续光谱的辐射源、尤其是高压短弧氙气灯。该光谱仪装置特别适合于原子吸收光谱学（AAS）。

本发明的改进方案是从属权利要求的主题。以下参照所附的附图更为详细地阐述了实施例。

附图说明

图1是中阶梯光栅光谱仪装置的示意图，其中辐射器的辐射被预色散。

图2图示了在检测器上的光谱。

图3图示了典型的连续辐射器的光谱强度变化曲线、典型的检测器的灵敏度的光谱强度变化曲线和典型的镜的反射性的光谱强度变化曲线。

图4示出了灰色滤光器的位置分辨的透射。

图5示出了中阶梯光栅光谱仪的可替换的实施例，其中使用具有挡板而不是灰色滤光器的棱镜。

图6是在图5中的带有挡板的装置的第一焦点中的图像的示意图。

具体实施方式

图1示出了总体上用10标明的中阶梯光栅光谱仪装置。中阶梯光栅光谱仪装置10具有入射狭缝12。入射狭缝12利用来自辐射源14的辐射被照明。这种辐射源例如是短弧高压氙气灯或者氘辐射器（Deuteriumstrahler），如在原子吸收光谱学中所使用的那样。可替换地，发射源的辐射、例如感性耦合的等离子体源（ICP）可以被成像到入射狭缝上。

入射狭缝12的宽度和高度与检测器16的检测元件的宽度和高度相适配。由准直镜18和摄像机镜22构成的预色散的成像光学系统将入射狭缝22成像到图像平面24中。在准直镜18与摄像机镜22之间布置有反射的平面光栅20。该平面光栅20用于使准直镜18的入射的平行辐射26预色散。代替所描述的预色散的成像光学系统，弯曲的成像光栅也是合适的。

在图像平面24中形成在为190nm到860nm的光谱范围上具有大约12mm的空间伸展的线性光谱。预色散的辐射射到成像光学系统的另一准直镜上，该准直镜在图1中用28标明。这通过射线30来表示。

在准直镜28上反射的被平行化的辐射32射到中阶梯光栅34上。在中阶梯光栅34上，辐射32在高的级次中横向于光栅20的预色散的色散方向地被色散。被色散的辐射36被中阶梯光栅34以公知的方式朝向石英棱镜38被反射。石英棱镜38的顶部边缘40被定向为使得在石英棱镜上的横向色散垂直于中阶梯光栅34的色散方向并且平行于平面光栅20的色散方向进行，其中平面光栅和石英棱镜的色散相加。石英棱镜38在背侧42上被镜面化（verspiegeln）。由此，入射的辐射36在两次穿过棱镜38之后在成像光学系统46的摄像机镜上被反射。这通过射线44来表示。摄像机镜46将辐射成像到检测器16上。检测器16是市场上可买到的电荷耦合器件（CCD，Charge-Coupled-Device）检测器，该电荷耦合器件检测器在190nm到860nm的波长范围中具有高的灵敏度。

检测器16包括带有用来检测入射的辐射的检测元件54（像素）的多个列50和行52。在这种检测器16上的列和行中的两个示意性地在图2中示出。应理解的是，该图示并不是比例正确的。市面上可买到的检测器具有30mm×30mm的大小并且例如具有4000000个方形像素，所述方形像素根据狭缝12的宽度具有15μm的宽度。

在所示的装置中，产生多个级次，这些级次由于横向色散和预色散而近似等距地并排放置。用56标明的级次在检测器16上彼此近似平行地走向，如这在图2中所绘出的那样。在级次56之间存在未被照明的距离58。波长λ在根据中阶梯光栅34的色散向下的方向66（主色散方向）上增加。级次n根据平面光栅20的预色散与棱镜38的横向色散的叠加而向右变大。相对应地，在高的级次中的短波光谱范围在检测器的右边。

在级次之间的距离58也由预色散与横向色散的叠加得到。典型的棱镜材料、如石英和氟化钙的色散朝向更短的波长特别是在UV中强烈地升高。相对应地，这些级次在没有其他措施的情况下在短波波长范围中被分离得远，而这些级次在长波范围中紧密地放在一起，如这例如在已经提及的DE 10 2004 028 001中情况如此。

衍射光栅的角色射针对小的衍射角近似恒定。

因为针对中阶梯光栅的各个级次的自由光谱范围与波长的平方成比例地增长，所以相邻级次的距离在使用用于朝向较长的波长进行级次分离的光栅的情况下强烈地增长。

光栅20的线数现在被选择为使得光栅预色散和棱镜横向色散对不均匀的级次分离的影响在所考虑的波长范围中恰好被补偿，该波长范围在本实施例中位于190nm到860nm之间。通过用于进行级次分离的两步式布局，实现了级次之间的近似恒定的距离。由横向色散和预色散得到的总色散恰好被选择得大来使得在级次之间的未被照明的中间空隙始终宽于检测器像素并且因此在级次之间实现了真实的强度最小值。但是总色散也未选择得明显更大，以便可以将所有级次成像到所描述的市场上可买到的检测器上。

图3示出了高压短弧氙气灯的光谱强度变化曲线60。认识到，强度在分析上非常重要的范围中比在大约500nm的范围中显著地小了200nm。镜的反射性62和检测器16的灵敏度64在短波范围中在正常情况下下降。

检测器16的检测元件54都以相同的频率被读取。这意味着：所有检测元件利用相同的光照时间被照明。为了避免被强烈照明的检测元件例如在500nm左右的波长范围中在足够的信号被产生于弱照明的区域中之前变为饱和，在图像平面24中布置具有与位置有关的弱化的灰色滤光器68。

图4是图像平面24中的位置分辨的灰色滤光器吸收的示意图。在左边区域中，滤光器是完全透明的。在此，短波区域被成像。在具有长波光谱范围的右边区域中，灰色滤光器更强烈地吸收。认识到，通过利用吸收性材料来位置可变地涂层薄的石英玻璃窗，可以实现对射到检测器上的光谱进行非常精确的影响。

灰色滤光器的理想的透射变化曲线用实验方法被确定，其方式是光谱仪装置在不存在滤光器时利用连续的辐射源来照明。接着，在检测器上沿着级次中部获得如下的强度变化曲线：该强度变化曲线由光学部件的反射损耗和透射损耗以及检测器的量子灵敏度和辐射源的光谱变化曲线得到。从这样获得的密集的强度值序列可以确定灰色滤光器的与波长有关的透射变化曲线。为此，每个值被除以该光谱内的最小强度值并且确定倒数。如果在预色散的成像光学系统的附加的图像平面的位置上采用具有该透射变化曲线的灰色滤光器，则在检测器上对于该配置形成了相同的强度谱。

应理解的是，这种透射变化曲线也可以被算出或者以其他方式被获得。然而，所建议的方法是特别简单且精确的。

除了位置分辨的灰色滤光器之外，还采用了级次滤波器，所述级次滤波器遮住在图像平面24中的被预色散的光谱的较高的级次。

预色散的成像光学系统可以被确定大小为使得成像光学系统的成像误差（尤其是成像光学系统的像散现象）恰好可以被补偿，以致在图像平面中形成入射狭缝的消散像的清晰图像。

在另一可替换的实施例中，在光路中在图像平面24的范围中，在光栅20之后附加地布置棱镜21。棱镜21仅具有在中阶梯光栅的主色散方向上的比较弱的色散。通过在光栅20上的预色散产生的光栅光谱可以在多个级次上延伸。通过棱镜21的色散，这些级次横向于预色散被分开。不希望的较高的级次利用简单的挡板23被遮暗。由此，波长可以与检测器上的每个位置明确地相关联。与挡板组合的棱镜21使级次滤波器多余。在图像平面24中产生的图像示意性地在图6中示出。

Claims (13)

1.一种具有内部级次分离的中阶梯光栅光谱仪装置（10），其包含：

（a）用于对在主色散方向（66）上的辐射进行谱线分解的中阶梯光栅（34），

（b）用于借助横向色散方向上的辐射的谱线分解进行级次分离的色散元件（38），该横向色散方向与中阶梯光栅（34）的主色散方向形成角度，使得能够产生具有多个被分离的级次（56）的二维谱，

（c）用于将通过入射狭缝（12）入射到光谱仪装置（10）中的辐射成像到图像平面中的成像光学系统（18，22，28，46），以及

（d）在图像平面中具有二维布置的多个检测元件（54）的面检测器（16），以及

（e）用于朝色散元件（38）的横向色散的方向使辐射预色散的预色散装置（20），

其特征在于，

（f）预色散装置（20）包括预色散元件，该预色散元件沿着光学路径被布置在光谱仪装置内部的入射狭缝（12）之后，

（g）成像光学系统被构造为使得被预色散的辐射能被成像到附加的在预色散方向上无限制的图像平面（24）中，该图像平面（24）沿着光学路径被布置在预色散元件（20）和中阶梯光栅（34）之间，以及

（h）光学装置（20,68）被设置在预色散光谱的位置上，用于影响检测器（16）上的空间和/或光谱辐射密度分布。

2.根据权利要求1所述的光谱仪装置，其特征在于，设置有用于在附加的图像平面（24）中与位置有关地使被预色散的辐射强度弱化的装置（68）。

3.根据权利要求2所述的光谱仪装置，其特征在于，用于与位置有关地使被预色散的辐射强度弱化的装置由带有与位置有关的透射的布置在附加的图像平面中的灰色滤光器（68）形成。

4.根据权利要求2或3所述的光谱仪装置，其特征在于，强度弱化与成像光学系统（18，22,28,46）、中阶梯光栅（34）、色散元件（38,20）的透射和反射的光谱变化曲线相适配，与辐射器（14）的强度的光谱分布和/或检测器（16）的量子效率的光谱分布相适配，使得由辐射器（14）在检测器（16）上产生的强度谱基本上相同。

5.根据上述权利要求之一所述的光谱仪装置，其特征在于，预色散元件是光栅（20）。

6.根据权利要求5所述的光谱仪装置，其特征在于，色散元件（38）是棱镜，并且预色散光栅（20）的光栅线数与棱镜的色散相适配，使得被成像在检测器（16）上的级次（56）基本上等距地出现。

7.根据上述权利要求之一所述的光谱仪装置，其特征在于，级次滤波器被布置在附加的图像平面（24）中。

8.根据权利要求5或6所述的光谱仪装置，其特征在于，预色散装置包含附加的棱镜，该附加的棱镜的顶部边缘被布置为使得棱镜色散平行于中阶梯光栅的主色散方向走向，并且预色散装置包含用于抑制预色散光栅的较高的级次的挡板。

9.根据上述权利要求之一所述的光谱仪装置，其特征在于，设置有在190nm到860nm之间具有连续光谱的辐射源（14）、尤其是高压短弧氙气灯。

10.根据上述权利要求之一所述的光谱仪装置，其特征在于在图像平面中的用于抑制预色散光栅的较高的级次的级次滤波器。

11.根据上述权利要求之一所述的光谱仪装置，其特征在于，成像光学系统被构造来使得在附加的图像平面中能够产生像散的图像，该像散的图像恰好被成像光学系统的其他光学部件补偿，使得在图像平面中在检测器上形成消像散的清晰图像。

12.根据上述权利要求之一所述的光谱仪装置（10）针对原子吸收光谱学或者光学发射光谱学的应用。

13.一种用于在面检测器上产生二维阶梯光栅光谱的方法，其特征在于如下步骤：

（a）使辐射源（14）的在预色散方向上的辐射预色散；

（b）产生被预色散的辐射的图像（24）；

（c）以光学方式影响被预色散的辐射；

（d）在面检测器（16）上产生二维阶梯光栅光谱，其中阶梯光栅光谱的横向色散方向在预色散方向的方向上。

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