CN110553733B - 光谱仪设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光谱仪设备。光谱仪设备(10)包括：用于在主色散方向上对光线进行光谱分解的第一色散元件(31)；用于在横向色散方向上对光线进行光谱分解的第二色散元件(21)，横向色散方向与主色散方向成角度，从而能够产生二维光谱；准直光学器件(17)，其将光线准直地引导到第一和/或第二色散元件(31、21)；相机光学器件(34)，其将光谱成像到图像平面(41)内；用于在图像平面(41)内探测二维光谱的二维探测器(39)；以及布置在相机光学器件(34)和探测器(39)之间的旋转对称的折射元件(35)的轴外截段。本发明还公开了包括这样的光谱仪设备(10)的光学组件。

Description

光谱仪设备
技术领域
本发明涉及光谱仪设备和包括光谱仪设备的光学组件。
背景技术
针对这种光谱仪设备的示例是具有内部阶次分离(Ordnungstrennung)的中阶梯光谱仪。本发明所基于的问题在下文中根据中阶梯光谱仪来解释。
这种光谱仪设备例如从DE 10 2009 059 280A1中公知。
在中阶梯光谱仪中使用具有阶梯状横截面的光栅。通过以相应的闪耀角照亮阶梯状结构的短面产生了衍射图样，衍射图样集中了高阶次的，例如第五十直至第一百阶次的衍射强度。由此，在紧凑的设备中可以实现高的光谱分辨率。根据入射波长，阶次可能重叠。在具有内部阶次分离的中阶梯光谱仪中，因此阶次又横向于中阶梯光栅的色散方向被色散，以将出现的不同阶次分离。因此获得可以被平面探测器检测的二维光谱。
具有内部阶次分离的中阶梯光谱仪与具有外部阶次分离的中阶梯光谱仪的区别在于，在后者情况中仅来自小的光谱范围内的光线进入到光谱仪内。在具有内部阶次分离的中阶梯光谱仪中，光谱以二维结构的形式产生在探测器平面内。此结构由基本上相互平行地布置的光谱区段组成。对于确定的波长范围，各衍射阶次的自由的光谱范围合成地产生了无缝隙的光谱。使用具有多个探测器元件的平面探测器允许以高的光谱分辨率同时检测大的波长范围。
在光谱仪设备中，在图像面内产生的光谱的品质通过不同的成像误差限制，特别地通过散光、慧差或球面失真限制。如果一定波长的光线在源点成像时不在唯一的像素内集中在探测器上，而是分布在图像平面中的更大的面积上，则这在像素在色散方向上扩展时损害光谱仪的光谱分辨能力，和/或在像素横向于色散方向扩展时导致更差的信噪比。在中阶梯光谱仪的特定情况中，即其中多个衍射阶次依次地被成像，导致像素横向于主色散方向扩展的成像误差可能导致相邻的衍射阶次之间的信号互扰。
发明内容
本发明的任务是：通过很大程度降低如散光、慧差或球面失真的光学图像误差来改进光学光谱仪的图像品质。
此任务通过如下光谱仪设备解决，该光谱仪设备包括：用于在主色散方向上对光线进行光谱分解的第一色散元件；用于在横向色散方向上对光线进行光谱分解的第二色散元件，横向色散方向与主色散方向成角度，从而可以生成二维光谱；将光线准直地引导到第一和/或第二色散元件的准直光学器件；将光谱成像到图像平面内的相机光学器件；用于在图像平面内探测二维光谱的二维探测器；以及布置在相机光学器件和探测器之间的旋转对称的折射元件的轴外截段。
在光谱仪设备中，使光源的入射光线色散，也就是，使入射光线通过至少第一和/或第二色散元件依赖于波长地在不同的空间方向上偏转。通过借助于相机光学器件对分离的光线束进行成像在图像平面内产生了光源的光谱的图像，该图像被具有充分的空间分辨率的探测器记录。
通过将旋转对称的折射元件的轴外截段插入位于相机光学器件和探测器之间的会聚光路内，实现了在整个图像场上的上述成像误差的显着降低。
折射元件布置在相机光学器件和探测器之间是特别有效的，因为各个光束已经相对强烈地几何分离，并且因此对于各个波长实现“独特”的调整。折射元件可以相应地更好地与光束的各个校正要求相匹配。这由于低的相对的光束重叠(见下文)是可行的。如果将相应的折射元件在平行光路中插入，则这将对所有波长具有类似的效果，并且校正将相应地对于所有波长具有类似的影响。折射元件作为光学校正元件布置在探测器之前允许了非常紧凑的结构形式，因为在光束簇的直径的位置处所有的探测到的波长已明显变窄。
各个光束在相机光学器件后方基本上平行于折射元件走向。通过将折射元件构造为汇聚透镜，并且特别是在构造为双凸透镜的实施例中，各个光束在探测器上被推得更靠近在一起。由此，探测器上的光谱变得更小一些，或换言之测量范围变宽。
然而，每个光束内的各个光线限定地朝向探测器上的各个点。每个光束内的光线通过相机光学器件聚焦到探测器上或聚焦到图像平面上。一个波长的许多光线会聚，并且因此通过折射元件在各个点上更好地相遇。换言之，各个波长的点图像变得更小，或者点扩散函数(PSF)变得更窄。
相对的光束重叠是百分比参数，并且可以针对两个波长明确地计算。在光谱仪设备中的光路中的确定的位置处的相对的光束重叠是在此位置处的所选的单色光束的光束横截面积与也由第二单色光束张成的光束横截面积的部分面积之间的倒数算术比。折射元件布置在如下部位处，即相对的光束重叠在此处比在准直光学器件上更小。相对的光束重叠仅在相机光学器件和探测器之间以及在中间成像的区域中的会聚和发散光路中满足此条件。然而，相对的光束重叠在平行光路中，例如在色散元件前方的射线走向中不满足此条件。折射元件构造为棱镜。
术语“旋转对称的折射元件的轴外截段”也包括旋转对称的折射元件的在其轴线之外的部分透射部。
在一个实施方式中，折射元件被构造为双凸透镜。
在一个实施方式中，透镜被构造为球面透镜。
透镜的轴线被限定为如下直线，该直线在穿透点处与两个光学面形成直角。此旋转对称的元件的轴外截段是中心不被轴线穿透的体积截段。该元件是旋转对称体的截段，但其本身不是旋转对称的。
为了再进一步提高折射元件的性能，在一个实施方式中使用非球面透镜。
针对折射光学元件，可能会出现菲涅耳反射。由此产生不希望的多次反射(伪光)。在一个实施方式中，折射元件因此包括宽带镜面化部。
在其中可以改变检测到的波长范围的测量系统的情况中，为了降低色差，使用低色散材料作为折射元件的材料，在一个实施方式中例如使用氟化钙(CaF2)。
在一个实施方式中，通过使用光线计算程序来确定折射元件的最优形式(弯曲半径、轴外距离、透镜厚度、透镜材料、定向、相对于相机光学器件的位置、相对于探测器的位置、透镜旋转)。通过制定合适的目标函数(评价函数)和随后根据目标函数将优化算法应用于光学器件设计，可以找到使整个图像面积上的像素尺寸最小化的参数。通过制定合适的评价函数并且随后优化所释放的参数，也可以实现同时改进另外的装置特征。
如已提及，折射元件在探测器前方的位置是有利的，因为各个波长的光束的分离已经明显进步(相对的光束重叠很低)，并且因此可以更具体地对各个光束产生影响。即使在球面透镜的情况下相对小的自由参数组也允许有效地解决不同波长的各种校正要求。
在一个实施方式中，准直光学器件和/或相机光学器件包括凹面镜，特别是抛物面镜或球面镜。
在一个实施方式中，第一色散元件构造为中阶梯光栅。
在一个实施方式中，第一色散元件由垂直于探测器的图像平面布置的反射镜代替，并且其中，二维探测器由一维探测器代替。由此得到棱镜光谱仪。
在一个实施方式中，第二色散元件构造为棱镜。
在一个实施方式中，棱镜在后侧镜面化。
在一个实施方式中，棱镜以能转动的方式受支承。由此可以调节待检查的波长范围。
在一个实施方式中，光谱仪设备形成利特罗光谱仪(Littrow-Spektrometer)。因此，准直器也同时形成相机反射镜，其将图像成像到探测器上。
在一个实施方式中，探测器被构造为CCD阵列或CMOS探测器。
此任务进一步通过用于改装如上所述的光谱仪设备的光学组件来解决，其中，组件至少包括折射元件。
借助于要求保护的折射元件，不仅可以改善光谱仪设备的图像品质。与图像品质相关的另外的设备特征也可以改变。一个可行方案是通过增加孔径比来增加光导率，同时保持与原始设计相比相同的图像品质。进一步存在如下可行方案，即通过在增加孔径比时减小焦距同时保持光谱分辨能力而将光谱仪小型化。因为在更大的图像场上实现了可接受的失真值，所以可以使用更大的探测器以扩展同时被检测的波长范围。
附图说明
根据附体详细解释本发明。在附图中：
图1示出要求保护的光谱仪设备的构造；
图2示出使用未校正的光谱仪设备测量的失真；
图3示出使用图1中的设备测量的失真；
图4示出图2中的单个光点；
图5示出图3中的单个光点；以及
图6示出使用图1中的设备测量的失真，其中具有附加的波长。
具体实施方式
图1示出以附图标记10标识的要求保护的光谱仪设备的构造。光线源11的光线被集束13地引导到光谱仪设备10的入射缝隙15上，光线从入射缝隙处进入到实际的光谱仪内。光源11的实例是等离子体炬，如ICP-OES(英文：inductively coupled plasma opticalemission spectrometry，即“借助感应耦合的等离子体的光学发射光谱法”)中使用的等离子炬。在此情况中，使用系统检测处在165nm和900nm之间的波长。
入射到光谱仪内的光包括光源发射的所有波长的光线。通过准直光学器件17，例如凹面镜，将光束平行化19。被准直的光然后到达(在本申请的措辞中)第二色散元件上，第二色散元件特别是棱镜21，其用作光学阶次分离单元。棱镜21的后侧23是镜面化的。
通过棱镜预色散的光线，在此例如根据波长λ1，λ2和λ3以附图标号25、27和29图示，从棱镜21到达主色散元件，即中阶梯光栅31。光线由中阶梯光栅衍射为多个具有高阶序数的衍射阶次。在光栅31上阶次还可能空间上很强地相叠。在此处图示的利特罗布置中，来自光栅的光束再次到达背后镜面化的棱镜21、23，此时不同的波长25、27、29再次横向于主色散方向色散。在棱镜的后侧上，不同的示例波长λ1、λ2和λ3(25、27、29)的光束由于大的光束直径而显着相叠，参见附图标记33。因此，相对的光束重叠很大。
光线被从棱镜21引导回到凹面镜17，凹面镜17执行将光束成像到探测器39上。图示了利特罗布置中的光谱仪设备，即凹面镜17也被构造为相机光学器件34。
探测器39例如为CCD探测器，以作为面探测器(2D探测器)。例如，探测器的分辨率为1000×1000。将探测器39定向为使得各个列的定向与衍射阶次大致相同。同时读取整个探测器39。
在到达探测器39的路径上，(由于相机光学器件34)逐渐变窄的光束经过折射元件35。折射元件35在此构造为透镜体。双凸透镜体的两个光学作用面设计为球形。为了将由透镜体35引起的颜色误差保持得尽可能小，使用CaF2作为透镜体材料。进一步地，透镜体35的光学作用面设有镜面涂层，以尽可能地限制探测器39处的伪光产生。在校正透镜35处光束直径已经很小，使得对于在此图示的示例波长得到完全的光束分离，参见附图标号44。因此，相对的光束重叠很小。
通常，折射元件35形成旋转对称的折射元件的轴外截段。
波长λ1、λ2和λ3的已校正的光束(附图标号25、27、29)被进一步引导到探测器单元39。通过棱镜式透镜体35的校正，可以在探测器上在图像平面41内产生非常清晰的像素。校正透镜体35的紧靠探测器39的定位由于良好的光束分离对于提高图像质量是特别合适的。由于光束分离，可以非常独特地校正各个光束，以最小化先前出现的失真。光束的逐渐变窄的直径也允许校正元件的小尺寸。由于透镜体的双凸构造，在此所提出的示例中产生在探测器上被成像的光谱的尺寸减小。由此，增大了能被同时检测的波长范围，同时探测器和像素尺寸保持相同，而光谱分辨能力略微降低。但是由于光学成像误差降低，整体上实现了明显更好的光谱分辨能力。
作为用作主色散元件31的中阶梯光栅的替代，可以使用垂直于光谱仪平面的反射镜。得到了纯棱镜光谱仪，其受益于与以上所述的棱镜式透镜体的相似程度的失真校正。由于失真明显降低，可以使用具有大的缝隙高度的缝隙。与中阶梯光谱仪相比，缝隙定向改变了90°，并且因此光谱仪的几何光导率明显改进。
图2示出未校正的光谱仪设备的失真。图4示出相应的单个光点42。
图3示出使用如上所述的具有校正光学器件35的光谱仪设备10在整个图像场41上可实现的图像品质。光学设备是利特罗频谱仪，其具有400mm的焦距和f/12.5的孔径比。使用轴外抛物面镜作为准直器/相机。光栅是R4中阶梯光栅。在所示的光线计算模拟中，通过面积为20.5×20.5mm2的探测器同时检测380nm(探测器上限)和900nm(探测器下限)之间的波长范围。所示的光点表示不同波长的各个源点的图像。与探测器面相比，像素在比例上被放大了15倍。对于上述波长范围，光学系统，特别是棱镜式透镜35的构造，被优化。使用校正透镜35可以在整个图像场上将失真降低多倍。与未校正的系统相比，相同的光谱范围在主色散方向和横向色散方向上占据更少的空间。框出了图3中被放大示出的单个光点。
在图5中示出了单个光点43的图像品质，其具有对应于在图1中所图示的情况的棱镜式校正透镜35。确定校正透镜的参数，例如定位、定向、曲率半径和轴外距离，以便尽可能强地减小整个图像场上的光点尺寸。在整个图像场内，光点的扩展可以明显降低。现在，对于所覆盖的波长范围的大部分，系统的性能受到衍射的限制。
如所提及，校正透镜35构造为用于380nm和900nm之间的波长范围。在具有棱镜作为横向色散元件的中阶梯光谱仪中，针对长波长范围的优化是值得的，因为随着波长的增加衍射阶次更紧密地相邻：为实现在入射缝隙15处在尽可能大的缝隙高度上的衍射阶次的分离，力求的是在此波长范围内尽可能好的图像品质。通过棱镜21的转动，现在也可以将其他波长范围，特别是更短的波长范围引导到探测器39上。图4示出了由折射元件35引起的颜色误差相对较小。除去所选择的长波范围的波长(红色；附图标号47)外，也图示了在165nm至171nm之间的波长范围内的短波范围(蓝色；附图标号49)中的9个点。失真也同样明显比未校正状态中更小。由于较短波长的光的衍射阶次的自由的光谱范围的较小宽度，光点在主色散方向上仅处在探测器的中心内。在短波测量范围内，位于更左侧或更右侧的探测器区域未被使用。
附图标号列表
10 光谱仪设备
11 光源
13 光源11的集束的射线
15 入射缝隙
17 准直光学器件
19 射线走向中在17之后的平行光
21 第二色散元件、特别是棱镜
23 21的后侧
25 第一波长范围
27 第二波长范围
29 第三波长范围
31 第一色散元件、特别是中阶梯光栅
33 25、27、29的光束在通过31之后在23上的重叠
34 相机光学器件
35 折射元件
39 探测器
41 39上的图像平面
42 未校正的单个光点
43 已校正的单个光点
44 25、27、29的光束在35上的重叠
47 长波范围
49 短波范围

Claims (16)

1.光谱仪设备(10)，所述光谱仪设备包括：
-用于在主色散方向上对光线进行光谱分解的第一色散元件(31)，
-用于在横向色散方向上对光线进行光谱分解的第二色散元件(21)，所述横向色散方向与所述主色散方向成角度，从而能产生二维光谱，
-准直光学器件(17)，所述准直光学器件将光线准直地引导到所述第一色散元件和/或所述第二色散元件(31、21)，
-相机光学器件(34)，所述相机光学器件将光谱成像到图像平面(41)内，
-用于在所述图像平面(41)内探测所述二维光谱的二维探测器(39)，和
-折射元件(35)，该折射元件由旋转对称的折射元件的轴外体积截段构成并且布置在相机光学器件(34)与探测器(39)之间，轴外体积截段的中心不被旋转对称的折射元件的轴线穿透，并且折射元件布置在如下部位处，即相对的光束重叠在此处比在准直光学器件(17)上更小，在光谱仪设备中的光路中的确定的位置处的相对的光束重叠被定义为在该位置处的所选的单色光束的光束横截面积与也由第二单色光束张成的光束横截面的面积之间的倒数算术比。
2.根据权利要求1所述的光谱仪设备(10)，其中，所述折射元件(35)构造为双凸透镜。
3.根据权利要求1或2所述的光谱仪设备(10)，其中，所述折射元件(35)构造为球面透镜。
4.根据权利要求2所述的光谱仪设备(10)，其中，至少一个透镜面构造为非球面的。
5.根据权利要求1、2和4中任一项所述的光谱仪设备(10)，其中，所述折射元件(35)包括镜面化部。
6.根据权利要求1、2和4中任一项所述的光谱仪设备(10)，其中，所述折射元件(35)由弱色散材料制成。
7.根据权利要求1、2和4中任一项所述的光谱仪设备(10)，其中，所述准直光学器件(17)和/或所述相机光学器件(34)包括凹面镜。
8.根据权利要求1、2和4中任一项所述的光谱仪设备(10)，其中，所述第一色散元件(31)构造为中阶梯光栅。
9.根据权利要求1、2和4中任一项所述的光谱仪设备(10)，其中，所述第一色散元件(31)由垂直于所述探测器的图像平面布置的反射镜代替，并且其中，所述二维探测器(39)由一维探测器代替。
10.根据权利要求1、2和4中任一项所述的光谱仪设备(10)，其中，所述第二色散元件(21)构造为棱镜。
11.根据权利要求10所述的光谱仪设备(10)，其中，所述棱镜在后侧镜面化。
12.根据权利要求10所述的光谱仪设备(10)，其中，所述棱镜以能转动的方式受支承。
13.根据权利要求1、2和4中任一项所述的光谱仪设备(10)，其中，所述光谱仪设备(10)形成利特罗光谱仪。
14.根据权利要求1、2和4中任一项所述的光谱仪设备(10)，其中，所述折射元件(35)由氟化钙制成。
15.根据权利要求7所述的光谱仪设备(10)，其中，所述凹面镜是抛物面镜或球面镜。
16.用于改装根据权利要求1-15中任一项所述的光谱仪设备(10)的光学组件，其中，所述光学组件至少包括折射元件(35)。
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