DD210753A1

DD210753A1 - Anordnung zur auswahl von spektrenabschnitten aus einem gesamtspektrum

Info

Publication number: DD210753A1
Application number: DD24372682A
Authority: DD
Inventors: Joachim Mohr
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1982-10-01
Filing date: 1982-10-01
Publication date: 1984-06-20
Also published as: DE3326868A1

Abstract

Die Erfindung wird angewendet zur Spektralanalyse ausgewaehlter Nachweisspektrallinien bzw. zur Darstellung ausgewaehlter Spektrenabschnitte aus einem grossen Spektralbereich bei relativ hohem spektralen Aufloesungsvermoegen und hohem Lichtleitwert des dispergierenden optischen Systems. Die Aufgabe der Erfindung, ein dispergierendes optisches System zu entwickeln, bei dem Ansteuerungselemente mit relativ geringer Schrittgenauigkeit verwendet werden koennen u. keine Begrenzungen an die Spalthoehe durch spektrale Ueberlagerungen auftreten, wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die Dispersionsebenen eines dispergierenden Elements und eines Echellegitters im wesentlichen parallel zueinander liegen, dass ein einem Vormonochromator und einem Echellesystem gemeinsamer Spalt zumindest annaehernd in der meridionalen Fokalebene des Vormonochromators angeordnet ist, und dass das dispergierende Element, der gemeinsame Spalt, ein Empfaengersystem, das Echellegitter und/oder mindestens ein Abbildungselement des Echellesystems in ihren Einstellfunktionen zur Wellenselektierung steuerbar miteinander gekoppelt sind.

Description

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Anordnung zur Auswahl von Spektrenabschnitten aus einem GesamtSpektrum

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Auswahl von * Spektrenabschnitten aus einem Gesamtspektrum. Sie wird angewendet zur Spektralanalyse ausgewählter Nachweisspektrallinien bzw. zur Darstellung ausgewählter Spektrenabschnitte aus einem großen Spektralbereich bei relativ hohem spektralen Auflösungsvermögen und hohem Lichtleitwert des dispergierenden optischen Systems.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bei der Anwendung bekannter Gittermonochromatoren mit Echelettegittern und hoher reziproker Lineardispersion müssen zwecks Wechsel der zu untersuchenden Spektrallinien oder Spektrenabschnitte oft große Gitterwinkelbei-eiche abgefahren werden. Dazu sind an die verwendeten Gitterantriebsmechanismen höchste Anforderungen in Bezug auf Positioniergenauigkeit und Lagereproduktion der Beugungsgitter zu stellen. Gemäß der Gitterformel sin<Vg + sin /% = m-^l^G^1,9 bestimmt die obere Grenzwellenlänge des abzutastenden Spektralbereiches die maximal verwendbare Gitterfurchenzahl pro Millimeter'(G) und damit das Auflösungsvermögen des Monοchromatο rs.PUr einen großen, abzutastenden

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Spektralbereich wird es unter Umständen notwendig, mit zwei oder mehreren Gittern bzw. Spektralordnungen zu arbeiten. PUr die Gitterechselmechanismen sind ebenfalls höchste Positioniergenauigkeit und Lagereproduktion erforderlich. Nachteilig ist der damit verbun-" dene Zeitaufwand bis zum Erreichen entfernter Wellenlängenpositionen· Andere bekannte technische Lösungen verwenden Monochromstoren mit einem Echellegitter und gekreuzte Dispersion. Dabei wird das Spektrum durch das Echellegitter in vielen Spektralordnungen erzeugt. Ein Querdispersionselement trennt die Ordnungen in einzelne Zeilen auf.

Bei Anordnungen für gekreuzte Dispersion kann zur Darstellung eines großen Spektralbereiches infolge der Ordnungszeilentrennung nur eine geringe Eintrittsspalthöhe des optischen Systems gewählt werden, so daß der Lichtleitwert und damit die spektrale Strahlungsleistung des optischen Systems eingeschränkt ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und einzelne Spektrallinien oder Spektrenabschnitte eines großen Spektralbereiches mit hoher Auflösung, großem Lichtleitwert und reduziertem Streulichtanteil auf einen Empfänger abzubilden und den Wechsel zwischen einzelnen Spektrallinien oder Spektrenabschnitten in kurzer Zeit durchzuführen.

Darstellung des Wesens der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung, ein dispergierendes optisches System zu entwickeln, bei dem Ansteuerungselemente mit relativ geringer Schrittgenauigkeit verwendet werden können und keine Begrenzungen an die Spalthöhe durch

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spektrale Überlagerungen auftreten, wird durch, eine . Anordnung zur Auswahl von Spektrenabschnitten aus einem Gesamtspektrum, bei der die Strahlung einer Strahlungsquelle über eine im Strahlengang befindliche Beleuchtungsoptik nacheinander auf ein dispergierendes Element eines Vormonoehromators, auf ein Echellegitter eines mit weiteren Abbildungselementen versehenen Echellesystems und auf ein Empfängersystem gelenkt wird, wobei der Vormonochromator und das Echellesystem durch einen gemeinsamen Spalt optisch miteinander verbunden sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dispersionsebenen des dispergierenden Elements und des Echellegitter im wesentlichen parallel zueinander liegen, daß der gemeinsame Spalt zumindest annähernd in der meridionalen Pokalebene des Vormonoehromators angeordnet ist, und daß das dispergierende Element, der gemeinsame Spalt, das Empfängersystem, das Echellegitter und/oder mindestens eines der Abbildungselemente in ihren Einstellfunktionen zur Weilenlängenselektierung steuerbar miteinander gekoppelt sind. Dem dispergierenden Element und dem gemeinsamen Spalt ist ein erstes gemeinsames, rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet· Dabei sind entweder das Echellegitter und die Abbildungselemente im Strahlengang fest und zumindest Teile des Empfängersystems entlang einer vom Echellegitter erzeugten Spektralordnung verschiebbar angeordnet, oder das Empfängersystem ist im Strahlengang fest angeordnet und das Echellegitter und mindestens eines der Abbildungselemente sind um zu den Furchen des Echellegitter im wesentlichen parallele Achsen drehbar gelagert· Den verschiebbaren und drehbaren Elementen sind jeweils ein weiteres rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet ·

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden· Einer Strahlungsquelle 1 sind entlang eines Strahlenganges 2 eine Beleuchtungsoptik 3 und ein Eintrittsspalt 4 eines als Czerny-Turner-Anordnung ausgebildeten Vormonochromators 5 nachgeordnet. Der V©monochromator besteht außerdem aus einem Eollimatorspiegel 6, einem rückfläehenverspiegelten Prisma 7, das um eine Achse parallel zu seiner brechenden Kante drehbar angeordnet ist und einem Kameraspiegel 8. Ein Spalt 9 mit veränderlicher Spaltbreite ist gleichzeitig als Austrittsspalt des Vormonochromators 5 und als Eintrittsspalt des Echellesystems 10 vorgesehen. Mit einem Schrittmotor verbundene Kurvenscheiben 12 und 13 besitzen jeweils am Prisma 7 und am Spalt 9 befestigte Hebel 14 und 15, die in der Zeichnung schematisch angedeutet sind. Das Echellesystem 10, ebenfalls als Czerny-Turner-Anordnung ausgebildet, besteht außer dem Spalt 9 aus einem Kollimatorspiegel 16 einem Echellegitter 17 und einem Kameraspiegel 18. Ein Austrittsspalt 19, der sich in der nicht dargestellten meridionalen Fokalebene des Echellesystems 10 befindet, und ein Umleiokelement 20 sind auf einer an Pührungsstangen 21 verschiebbaren Halterung 22 befestigt, die über eine Antriebsspindel mit einem Schrittmotor 24 gekoppelt ist. Die Schrittmotoren 11 und 24 werden über einen Mikrorechner 25, der über eine Dateneingabe 26 verfügt, angesteuert. Bin Strahlungsstromempfänger 27 ist dem Austrittsspalt 19 nachgeordnet.

Die von der Strahlungsquelle. 1 ausgehende Strahlung tritt über die Beleuchtungsoptik 3 und den Eintrittsspalt 4 in den Vormonochromator 5 ein, wird durch das Prisma 7 spektral zerlegt, und Teile der Strahlung gelangen über

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den Spalt 9 in das Echellesystem 10. Durch das Echellegitter 17 findet eine nochmalige Zerlegung des Lichtes statt, ehe es über den Austrittsspalt 19 und das Umlenkelement 20 auf den Strahlungsstromempfänger gelenkt wird. Die durch den Schrittmotor angetriebenen Kurvenscheiben 12 und 13 verstellen mittels der Hebel 14 und 15 das Prisma 7 und den Spalt 9 so, daß durch Drehung des Prismas 7 das gesamte Spektrum über den Spalt 9 gefahren wird, und daß gleichzeitig durch dessen Spaltbreiteneinstellung die Spektralordnung ausgewählt wird, in der sich die gewünschte Spektrallinie bzw. der Spektralabschnitt befindet. Infolge der Beugung der durch den Spalt 9 hindurchgehenden Strahlung durch das Echellegitter 17 entsteht in der meridionalen Pokalebene des Echellesystems eine überlagerungsfreie Spektralordnung mit hoher reziproker . Lineardispersion.

Um eine scharfe Seitenbegrenzung der abzubildenden SpektralOrdnungen zu erreichen, ist der Spalt 9 in der meriodionalen Fokalebene des Vormonochromators 5 angeordnet.

Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt einen hohen . Lichtleitwert, da das Prisma 7 und das Echellegitter die Strahlung in der gleichen Ebene dispergieren,und deshalb die Spalthöhe der Spalte 4 und 9 in der Pokalebene des Echellesystems voll genutzt werden kann. Da sowohl Prismen als auch Echellegitter einen geraden Spalt als gekrümmte Linien abbilden, sind der Vormonochromator 5 und das Echellesystem 10 so zueinander aufgestellt, daß die durch Prisma und Echellegitter hervorgerufenen Spaltkrümmungen in ihrer Sichtung kompensiert werden.

Zur Einstellung der erfindungsgemäßen Anordnung auf eine Wellenlänge Άχ wird erstens die zugehörige Spektralordnung m aus den im Mikrorechner 25 gespeicherten

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Daten ermittelt. Als zweiter Schritt wird über den Mikrorechner 25 der Vormonochromator 5 durch Prismendrehung und Spaltbreitenänderung so eingestellt, daß in der Pokalebene des Eehellesystems 10 die Spektralordnung m erscheint, in der der zu selektierende Wellenlängenabschnitt liegt. Drittens wird durch den Mikrorechner 25 eine Verschiebeposition ·?« ,- 2* für den Austrittsspalt 19 entlang der SpektralOrdnung m errechnet, wobei %m die Mittenwellenlänge der Spektralordnung m darstellt. In einem vierten Schritt wird die Position der Wellenlänge P* mit dem Austrittsspalt 19, gesteuert über den Mikrorechner 25 und angetrieben durch den Schrittmotor 24, angefahren. Durch die Aufteilung des Wellenlängenwechsels in Wechsel der Spektralordnungen und Verschiebung innerhalb einer kurzen Ordnungszeile gestattet die erfindungsgemäße Anordnung einen wesentlieh sehne11eren Wechsel zwischen Abschnitten mit großem Wellenlängenabstand als Monochromatoren mit Echelettegitter. Der Aufwand zur Positionierung der Elemente der erfindungsgemäßen Anordnung ist gegenüber einem Scanningmonochromator mit Echelettegitter niedriger₅ weil das Vormonochromatorprisma 7 und der Spalt 9 in wenigen wiederkehrenden Schritten entsprechend der verwendeten Ordnung m positioniert werden und' in der Pokalebene des Echellesystems nur eine durchgehende reproduzierbare Positionierung innerhalb einer großen OrdnungsZeilenlänge erfolgen muß«, Die Empfängerkombination aus Austrittsspalt und Strahlungsstromempfänger kann auch durch einen Bildempfänger, z.B. einen Zeilenempfänger, ersetzt werden, der bei nicht ausreichender Zeilenlänge in ähnlicher Weise wie der Austritts.spalt verschiebbar angeordnet werden kann.

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Der Vormonochromator und das Echellesystem können auch als anderes optisches System, z.B. Littrow-System, ausgebildet sein. Anstatt des Prismas im Vormonochromator ist auch ein Echelettegitter verwendbar. In einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Έmpfangerkombination im Strahlengang fest angeordnet, während das Echellegitter oder der Kameraspiegel des Echellesystems parallel zum Furchenverlauf des Echellegitter drehbar und über einen mit den Daten des Rechners angesteuerten Schrittmotor zu verstellen sind.

Dadurch läuft die gesamte ausgewählte Spektra!Ordnung über die Mitte der Fokalebene des Echellesystems ab·

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Claims

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Erfindungsanspruoh

1. Anordnung zur Auswahl von Spektrenabschnitten aus einem Gesamtspektrum, bei der die Strahlung einer Strahlungsquelle über eine im Strahlengang befindliche Beleuchtungsoptik nacheinander auf ein dispergierendes Element eines Vormonochromators, auf ein Echellegitter eines mit weiteren Abbildungselementen versehenen Echellesystems und auf ein Empfängersystem gelenkt wird, wobei der Vormonochromator und das Echellesystem durch einen gemeinsamen Spalt optisch miteinander verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Dispersionsebenen des dispergierenden Elements und des Echellegitters im wesentlichen parallel zueinander liegen, daß der gemeinsame Spalt zumindest annähernd in der meridionalen Fokalebene des Vormonochromators angeordnet ist, und daß das dispergierende Element, der gemeinsame Spalt, das Empfängersystem, das Echellegitter und/ oder mindestens eines der Abbildungselemente in ihren Einstellfunktionen zur Wellenlängenselektierung steuerbar miteinander gekoppelt sind·
2. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem dispergierenden Element und dem gemeinsamen Spalt ein erstes gemeinsames, rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet ist.

3· Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Echellegitter und die Abbildungselemente im Strahlengang fest und zumindest !Teile des Empfängersystems entlang einer vom Echellegitter erzeugten Spektralordnung verschiebbar angeordnet sind und daß der Empfängerkombination ein weiteres, rechnergesteuerstes Verstellelement zugeordnet ist·

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4. Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Empfängersystern im Strahlengang fest angeordnet und das Echellegitter und mindestens eines der Abbildungselemente um zu den Furchen des Echellegitters im wesentlichen parallele Achsen drehbar gelagert sind, und daß dem Echellegitter und/oder mindestens einem der Abbildungselemente ein weiteres, rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet ist.

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