DD226962B1 - OPTICAL SYSTEM FOR ECHELLE SPECTROMETERS - Google Patents

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DD226962B1
DD226962B1 DD26478984A DD26478984A DD226962B1 DD 226962 B1 DD226962 B1 DD 226962B1 DD 26478984 A DD26478984 A DD 26478984A DD 26478984 A DD26478984 A DD 26478984A DD 226962 B1 DD226962 B1 DD 226962B1
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Stefan Florek
Helmut Becker-Ross
Joachim Mohr
Hans-Juergen Dobschal
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Zeiss Jena Veb Carl
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J2003/1828—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating with order sorter or prefilter

Description

Für die Astigmatismuskompensation muß der Abstand des sagittalen Spaltes vom KollimatorspiegelFor astigmatism compensation, the distance of the sagittal gap from the collimator mirror

,22

v=X Rcos 0. v = X Rcos 0.

(cos oC/cos ß)'(cos oC / cos ß) '

2 22 2

(cOSiX-/cOfc ß) · COS(cOSiX- / cOfcβ) · COS

betragen. Zur Trennung von sich überlagernden Echelle-Ordnungen bei Verwendung eines großen Wellenlängenbereiches wird ein Dispersionsprisma vor dem Echelle-Gitter angeordnet, das in doppeltem, möglichst symmetrischem Durchgang, arbeitet. Der außeraxiale Winkel Θ an den Spiegeln wird so gewählt, daß sich die Begrenzung des zweidimensionalen Spektrums so eng wie möglich neben der Prismakante befindet.be. In order to separate overlapping echelle orders when using a large wavelength range, a dispersion prism is placed in front of the echelle grating, which operates in a double, symmetrical, as much as possible passage. The off-axis angle Θ on the mirrors is chosen so that the boundary of the two-dimensional spectrum is as close as possible to the prism edge.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Beispieles näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to an example shown in the drawing.

In Figur ist das erfindungsgemäße System schematisch dargestellt.In Figure the system according to the invention is shown schematically.

Von einer Lichtquelle 1 ausgehendes Licht durchsetzt am Mittelpunkt Aden sagittalen Eintrittsspalt 2.Light emanating from a light source 1 passes through the sagittal entrance slit 2 at the center Aden.

Weiter wird der nachgeordnete tangentiale Eintrittsspalt 3 durchdrungen, und das Licht tritt im Scheitelpunkt B auf den Kollimatorspiegel 4 mit dem Radius Rv Das reflektierte Licht durchsetzt in den Punkten P1, P2 das Dispersionsprisma 8 und fällt unter dem Einfallswinkel im Punkt C auf den Mittelpunkt des Echelle-Gitters 7. Der Lichtstrahl wird unter dem Beugungswinkel ß vom Echelle-Gitter 7 abgelenkt und durchsetzt in den Punkten P3, P4 erneut das Dispersionsprisma 8. Danach tritt das Licht im Scheitelpunkt D auf den Kameraspiegel 5 mit dem Radius R2 und erzeugt nach Reflexion in der Fokalebene 6 einen herausgegriffenen Mittelpunkt E des Spektrums. Der Lichtstrahl wird unter einem außeraxialen Winkel O1 am Kollimatorspiegel 5 reflektiert.Further, the subordinate tangential entrance slit 3 is penetrated, and the light occurs at the vertex B on the collimator mirror 4 with the radius Rv The reflected light passes through the dispersion prism 8 at the points P 1 , P 2 and falls at the point of incidence at the point C to the center of the echelle grating 7. The light beam is deflected by the echelle grating 7 at the diffraction angle β and again penetrates the dispersion prism 8 at the points P 3 , P 4. Thereafter, the light at the vertex D passes onto the camera mirror 5 with the radius R 2 and, upon reflection in the focal plane 6, produces an extracted center E of the spectrum. The light beam is reflected at an off-axis angle O 1 on the collimator 5.

Das beschriebene optische System ist überdies auch für Plangittersysteme anwendbar.The described optical system is also applicable to Plangittersysteme.

Der erfindungsgemäße Aufbau wird in folgender Konfiguration realisiert:The structure according to the invention is realized in the following configuration:

R1 = R2 = 1 002 mm O1=Q2 = 7,46°R 1 = R 2 = 1 002 mm O 1 = Q 2 = 7.46 °

AB = 506,25 mm a = 68,23°AB = 506.25 mm a = 68.23 °

BP1 = DP4 = 473 mm ß = 60,33° CP2 = CP3 = 67 mmBP 1 = DP 4 = 473 mm β = 60.33 ° CP 2 = CP 3 = 67 mm

Die Fokalebene 6 ist um 5,2° senkrecht zur Dispersionsebene des Echelle-Gitters 7 gedreht. Das Prisma 8 ist so angeordnet, daß für die Wellenlänge, die die geometrische Mitte von 6 in B trifft, symmetrischer Strahlverlauf am Prisma 8 sowohl in der Dispersionsebene von Gitter 7 als auch in der senkrecht dazu stehenden Dispersionseinrichtung des Prismas 8 erzielt wird. Das optische System istfüreinen Wellenlängenbereich von 190-850 nm ausgelegt, wobei für den Bereich 190-370 nm eine Auflösung 0,01 nm und für den Bereich 370-850 nm eine Auflösung 0,05nm erreicht wird.The focal plane 6 is rotated by 5.2 ° perpendicular to the dispersion plane of the echelle grating 7. The prism 8 is arranged so that for the wavelength that meets the geometric center of 6 in B, symmetrical beam path at the prism 8 in both the dispersion plane of grating 7 and in the perpendicular thereto dispersion device of the prism 8 is achieved. The optical system is designed for a wavelength range of 190-850 nm, with a resolution of 0.01 nm being achieved for the range 190-370 nm and a resolution of 0.05 nm for the range 370-850 nm.

Claims (2)

-1 Patentansprüche:-1 claims: 1. Optisches System für Echelle-Spektrometer, bestehend aus einer Eintrittsspaltanordnung, einem Echelle-Gitter (7), Kollimatorspiegel (4) und Kameraspiegel (5) sowie einer Fokalfläche (6), gekennzeichnet dadurch, daß die Reflexion der Scheitelpunktstrahlen (AB, BC) am Kollimatorspiegel (4) und (CD, DE) am Kameraspiegel (5) in Ebenen erfolgt, die senkrecht zur Dispersionsebene des Echelle-Gitters (7) verlaufen, daß die Abstände der Scheitelpunkte von (4) und (5) zum Echelle-Gitter gleich sind, daß die Eintrittsspaltanordnung aus einem sagittalen (2) und tangentialen Spalt (3) besteht, die derart angeordnet sind, daß das tangentiale und sagittale Spaltbild auf der Fokalfläche (6) zusammenfällt, daß sich die Eintrittsspaltanordnung bezüglich der Fokalfläche auf entgegengesetzten Seiten in gleichem Abstand von der Dispersionsebene des Echelle-Gitters befindet, daß sich die Fokalfläche in der tangentialen Brennebene des Kameraspiegels (5) befindet.1. An optical system for echelle spectrometer, consisting of an entrance slit arrangement, an echelle grating (7), collimator mirror (4) and camera mirror (5) and a focal surface (6), characterized in that the reflection of the vertex rays (AB, BC ) takes place on the collimator mirror (4) and (CD, DE) on the camera mirror (5) in planes which are perpendicular to the dispersion plane of the echelle grating (7) such that the distances of the vertices of (4) and (5) to the echelle Lattices are equal, that the entrance slit arrangement of a sagittal (2) and tangential gap (3) arranged such that the tangential and sagittal slit image on the focal surface (6) coincides, that the entrance slit arrangement with respect to the focal surface on opposite sides is located at the same distance from the dispersion plane of the echelle grating that the focal surface is in the tangential focal plane of the camera mirror (5). 2. Optisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Ordnungstrennung ein Dispersionsprisma (8) in doppeltem Durchgang vor dem Echelle-Gitter eingesetzt ist.2. An optical system according to claim 1, characterized in that for order separation, a dispersion prism (8) is inserted in double passage in front of the Echelle grating. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung kann in Geräten für die Spektralanalysen angewandt werden.The invention can be used in devices for spectral analyzes. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Echelle-Spektrometer für Anwendungen in der Spektralanalyse, bei denen durch die analytische Aufgabenstellung das minimale Auflösungsvermögen und der minimale Lichtleitwert bei vorgegebenem Spektralbereich weitestgehend festgelegt sind, sind bekannt. Die Geräteentwicklung tendiert dazu, die Grenzwerte dieser Parameter bei möglichst geringer Baugröße des Spektrometer und minimalen Aufwand zu erreichen. Es ergibt sich, daß die erforderliche Fläche des Echelle-Gitters durch den geforderten minimalen Lichtleitwert bestimmt wird. Bei fester Gittergroße nehmen bei Verringerung der Brennweite von Kollimator- und Kameraspiegel die minimal möglichen außeraxialen Winkel und damit die Abbildungsfehler zu. Um geringste Baugröße zu realisieren, ist ein möglichst abbildungsfehlerarmer Spektrometeraufbau notwendig. Hierfür bieten bekannte Lösungen keine günstigen Voraussetzungen. Die Korrekturmethoden der Abbildungsfehler bedingen unnötig große Geräteabmessungen und hohe Kosten, wie z.B. in US-PS 4183668 beschrieben.Echelle spectrometers for applications in spectral analysis, in which by the analytical task, the minimum resolution and the minimum light conductance are largely fixed for a given spectral range, are known. The device development tends to reach the limits of these parameters with the smallest possible size of the spectrometer and minimal effort. It follows that the required area of the echelle grating is determined by the required minimum light conductance. With a fixed grid size, reducing the focal length of the collimator and camera mirrors will increase the minimum possible off-axis angles and thus the aberrations. In order to realize the smallest size, a possible poor imaging aberration spectrometer is necessary. For this, known solutions offer no favorable conditions. The correction methods of aberrations require unnecessarily large device dimensions and high costs, e.g. in U.S. Patent 4,183,668. Ziel der ErfindungObject of the invention Ziel der Erfindung ist es, eine Lösung zu finden, die die Mängel des bekannten Standes der Technik abstellt.The aim of the invention is to find a solution that addresses the shortcomings of the known prior art. Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Aufbau für ein Echelle-Spektrometer anzugeben, bei dem der Zustand geringster Abbildungsfehler, insbesondere Koma und Astigmatismus, für den vorgegebenen Spektralbereich bei der engsten geometrisch möglichen Anordnung der optischen Bauelemente erreicht wird. Diese Aufgabe löst ein optisches System für Echelle-Spektrometer erfindungsgemäß dadurch, daß die Anordnung der optischen Bauelemente zur Minimierung von Abbildungsfehlern bestimmte geometrische Bedingungen erfüllt. Kollimator- und Kameraspiegel sind Hohlspiegel, deren Scheitelpunkte in der Dispersionsebene des Echelle-Gitters liegen, wobei die Dispersionsebene die Ebene ist, die senkrecht zu den Gitterfurchen durch den Mittelpunkt der Gitterfläche verläuft. Kollimator- und Kameraspiegel befinden sich in gleichem Abstand vom Echelle-Gitter in minimaler Entfernung voneinander, um zum Zwecke hoher Gittereffektivität eine nur geringe Abweichung vom Autokollimationsfall am Gitter zu gewährleisten. Die Ablenkung der Hauptstrahlen in den Scheitelpunkten von Kollimator- und Kameraspiegel erfolgt in Ebenen, die senkrecht zur Dispersionsebene des Echelle-Gitters verlaufen. Die Eintrittsspalte und die Mitte des Spektrums liegen jeweils auf der entgegengesetzten Seite der Dispersionsebene des Echelle-Gitters. Die Koma ist nicht mehr wie bei Czerny-Turner-Anordnungen vom Einfalls- und Beugungswinkel am Echelle-Gitter abhängig.
Sie verschwindet fürThe invention has for its object to provide an optical structure for an echelle spectrometer, in which the state of least aberrations, in particular coma and astigmatism, is achieved for the given spectral range in the closest geometrically possible arrangement of the optical components. This object is achieved by an optical system for Echelle spectrometer according to the invention in that the arrangement of the optical components to minimize aberrations met certain geometric conditions. Collimator and camera mirrors are concave mirrors whose vertices are in the dispersion plane of the echelle grating, the dispersion plane being the plane perpendicular to the grating grooves through the center of the grating surface. Collimator and camera mirrors are equidistant from the echelle grating at a minimum distance from each other to provide only a small deviation from the autocollimation event at the grating for high grating effectiveness. The deflection of the principal rays at the vertices of the collimator and camera mirrors occurs in planes perpendicular to the dispersion plane of the Echelle grating. The entrance slits and the center of the spectrum are each on the opposite side of the dispersion plane of the Echelle grating. The coma no longer depends on the incidence and diffraction angle on the Echelle grating as in Czerny-Turner arrangements.
She disappears for 2 32 3 sin θ2 = R2 * cos Q2 sin θ 2 = R 2 * cos Q 2 sin O1 R1 2 · 1 sin O 1 R 1 2 · 1 wenn sich der Eintrittsspalt in einer Entfernung rt = Ѵг · R1 · cosQvom Kollimatorspiegel befindet. Das wird für Ѳі = 02 = Ѳ und R1 = R2 = R erfüllt, die Koma wird für den symmetrischen Fall eliminiert. Das tangentiale Bild des Eintrittsspaltes entsteht im Abstand r[ = 1/2Rcos0 vom Kameraspiegel. Der Astigmatismus ist dann beseitigt, wenn das sagittale Bild mit dem tangentialen zusammenfällt.if the entrance slit at a distance r t = Ѵг · R 1 · cosQvom collimator is. This is done for Ѳі = 02 = Ѳ and R 1 = R 2 = R, the coma is eliminated for the symmetric case. The tangential image of the entrance slit arises at a distance r [= 1 / 2Rcos0 from the camera mirror. The astigmatism is eliminated when the sagittal image coincides with the tangential one. Dazu wird erfindungsgemäß der Eintrittsspalt in zwei senkrecht zueinander angeordnete Teilspalte zerlegt, die die begrenzte Spalthöhe und -breite der Eintrittsapertur bilden.For this purpose, according to the invention, the entrance slit is split into two sub-slits arranged perpendicular to one another, which form the limited slit height and width of the entry aperture.
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