DD251837A1

DD251837A1 - Polychromator fuer ccd-zeilenabbildung

Info

Publication number: DD251837A1
Application number: DD29325386A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Dobschal; Siegfried Polze
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1986-07-31
Filing date: 1986-07-31
Publication date: 1987-11-25
Also published as: DD251837B5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Polychromator fuer CCD-Abbildung und kann in Emmissions- und Absorptionsspektrometrie sowie anderen Mehrkanaldetektoren angewandt werden. Die Aufgabe, ein spezielles holografisches Gitter anzugeben, das besondere Randbedingungen erfuellt, wird geloest, indem Gitter fuer den kurzen und langen Spektralbereich angegeben werden, wobei im Zusammenhang mit dem Abstand von Eintrittsspalt zum Spektrum Koma- und Astigmatismussenkung erreicht werden. Fig. 1

Description

daß für den langen Spektralbereich der Polychromatorfolgende Parameter aufweist: Gitter 1

Gitter2	R :	= -3,95 grd
R = 180,635mm	Ic =
l_c = 178,965 mm	Id =
I₀ = 180,027 mm	Ύ ^c
y = 11,5 grd	δ =
δ = -6,19grd
Linien = 200 L/mm	= 180,26 mm
a = -5 grd	= 177,624 mm
L_A = 180 mm	= 177,084 mm
L_B = 180,147	= 11,5grd
ε = Ogrd	= 6,196grd
λ-Bereich Gitter 1: 190...	Linien = 199,7 L/mm
Gitter 2: 370...	α =

mm

370 nm
550 nm
Gitterdurchmesser 50 nm

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann zur Erzeugung eines bestimmten Spektral bereiches zur Abbildung auf eine Empfängerzeile in der Emissionsund Absorptionsspektrometrie sowie in Verbindung mit anderen fotometrischen Mehrkanaldetektoren eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß abbildende holografische Gitter für ein ebenes Spektrenfeld korrigiert werden können. In Journ. Opt. Soc. Am. 61 (1971) 1001 werden die Herstellungsbedingungen solcher Gitter beschrieben. Im Handbook of Diffraction Gratings Ruled & Holographic, 1973 werden korrigierte konkave Gitter für die Verwendung in Spektrographen und für Zeilen-, Matrix- und andere Mehrkanalempfänger eingesetzt.

Inder DE-OS 1948961 werden für Spektrographen geeignete abbildende Gitter angegeben, wobei der Begriff Spektrograph nicht ein vollständig geebnetes Bildfeld einbezieht.

Die bisher beschriebenen Gitter sind den Besonderheiten von Zeilen nicht angepaßt, abgesehen vom quasi ebenen Bildfeld. In DE-PS 2656119 werden ein Korrektionsverfahren und die Herstellungsfiguration für bildfeldgeebnete abbildende Gitter beschrieben. Die Gitter weisen drei Wellenlängen mit verschwindender meridionaler Defokussierung innerhalb des spektralen Korrektionsbereiches auf, zwischen denen der Astigmatism us an einem weiteren Punkt verschwindet, Koma I ist lineare Funktion der Wellenlänge, und die Dispersion des Spektrums wird annähernd linearisiert. Korrektionsfreiheitsgrade sind insbesondere der Einfallswinkel, der Ablenkwinkel und der Neigungswinkel des Spektrums.

In Optik 64 (1983) 185-189 wird ein Korrektionsverfahren für Dioden-Zeilen-Polychromatoren angegeben, das auf zwei stigmatischen Punkten im Korrektionsbereich beruht und eine Minimierung von Koma I und Il durch Veränderung des Abbildungsmaßstabes anstrebt. Der Neigungswinkel ist ebenfalls Korrektionsfreiheitsgrad, doch wird entsprechend den Anwendungserfordernissen auch der Neigungswinkel Null zugelassen.

-2- Zt)I 83/

Die besonderen Korrektionserfordernisse der abbildenden Gitter für Zeilenpoiychromatoren beruhen auf der Geometrie der

strahlungsempfindlichen Elemente bzw. der Gesamtfläche. Die Breite der Elemente ist typisch 0,013 bis 0,03mm, die Höhe 0,3

bis 1 mm. Die Dimensionierung des Eintrittsspaltes wird unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes diesen

Abmessungen angepaßt, wobei die Breite des Eintrittsspaltes auch mehrere Elementbreiten betragen kann. Aus den

vergleichsweise geringen Eintrittsspaltflächen resultiert auch der bei hohem Öffnungsverhältnis des abbildenden Gitters prinzipiell geringe Lichtleitwert des Polychromaten.

Auf Grund der kleinen Elementhöhe führen die Abbildungsfehler in sagittaler Richtung, insbesondere der Astigmatismus, zu

Strahlungsverlusten und Verminderung der fotometrischen Meßgenauigkeit, besonders dann, wenn die Strahlungsverluste in Abhängigkeit von der Wellenlänge oszillieren.

Abbildungsfehler in meridionaler Richtung vermindern in üblicher Weise die erreichbare spektrale Auflösung und bei zu engen Spaltbreiten und unsymmetrischen Korrektionsprofilen die fotometrische Richtigkeit. Ein besonderes Problem liegt bei der Absorptionsspektroskopie vor, wenn die Ausläufer des Korrektionsprofils die maximal meßbare Extinktion vermindern können.

Problematisch ist auch der Neigungswinkel der Spektrenebene gegenüber der mittleren optischen Achse im spektralen Anwendungsgebiet.

Mit wachsendem Neigungswinkel steigen die Reflexionsverluste an der Zeilenoberfläche, die sich besonders im UV mit entsprechend verminderter Ausstrahlungsstärke auswirken. Dadurch entsteht u.U. mehr Falschlicht im Spektrometer, eine Verschlechterung des Signal/Rauschverhältnisses und in der Absorptionsspektrometrie schlechtere Grenzen für die maximale und minimale Extinktion. Ein großer Neigungswinkel bringt außerdem eine komplizierende Vergrößerung der linearen Dispersion auf der Zeile, wenn ein größerer Spektralbereich innerhalb der Zeilenlänge untergebracht werden soll.

Die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik der Zeile weist eine besonders geringe Empfindlichkeit im UV auf, die ca. 0,2 bis 0,1 gegenüber dem Maximum im langwelligen VIS beträgt. Daraus ergeben sich Meßprobleme. Der Effekt wird noch verstärkt durch Streulicht aus dem langwelligen VIS im kurzwelligen UV.

Die Blazecharakteristik ist geeignet, die Signalhöhe im kurzwelligen zu verbessern, kann aber diesen Empfindlichkeitsverlust nicht vollständig kompensieren.

Bei einem nichtlinearen Dispersionsverlauf wird außerdem der Auswerte-Rechenaufwand erhöht. Zu große Ablenkwinkel am Gitter bewirken ein ungünstiges Effektivitätsverhalten des Gitters, was zu einer Einschränkung des optimalen Effektivitätsbereiches sowie einer kleineren maximalen Effektivität mit erheblichen Polarisationsschwankungen führt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein bildfeldgeebnetes, abbildendes, holografisches Gitter zu entwickeln, das den Eigenschaften der Zeile angepaßt ist und die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein holografisches Gitter anzugeben, das die durch die Zeilengeometrie geforderten Werte an Auflösung, Astigmatismus und Beugungseffektivität erfüllt, in Verbindung mit der Empfängerzeile verbesserte fotometrische Richtigkeit aufweist sowie in absorptionsspektrometrischen Anwendungen einen vergrößerten Extinktionsbereich zuläßt. Desweiteren soll das Gitter den Bedingungen der gleichzeitigen Messung von Spektralbereichen mit starker Empfindlichkeitsänderung angepaßt sein sowie das optische Signal-Untergrundverhältnis verbessert werden. Diese Aufgabe löst ein Polychromator für CCD-Zeilenabbildung erfindungsgemäß dadurch, daß im Falle des kurzen Spektralbereiches der Verlauf des Astigmatismus so korrigiert wird, daß er im Zusammenwirken mit der Beugungseffektivität des Gitters und der Empfindlichkeit der Empfängerzeiie so verläuft, daß der Energieverlauf im Spektralbereich annähernd linear gestaltet wird, so daß der Astigmatism us im kurzwelligen UV ein Minimum hat und dann stetig zunimmt. Die korrektionsbedingte Halbwertsbreite für die Eintrittsspaltbreite gegen Null und Δλ gegen Null ist im wesentlichen gleich einer Elementbreite der Zeile und besitzt im kurzwelligen UV ihr Minimum.

Der Abstand zwischen Eintrittsspalt und Spektrum wird minimal gestaltet zwecks Koma- und Astigmatismussenkung und der Neigungswinkel der Empfängerzeile gleich oder nahe Null Grad eingestellt, falls der Beugungswinkel am Gitter für alle Wellenlängen ungleich Null Grad ist und ungleich Null Grad ist, falls der Beugungswinkel Null Grad im Spektrum auftritt mit dem Ziel, daß von der Empfängerzeile auf das Gitter reflektierte Strahlung weder alsO. noch als I.Ordnung auf die lichtempfindlichen Teile der Elementzeile trifft

Für den ersten Fall ist ein Gitter mit folgenden Parametern günstig:

Π	180,26 mm	a	= -5grd
L-c	175,786 mm	La	= 182 mm
L₀ =	183,49 mm	Lb	= 178mm
y =	fi,5grd	ε	= 3,11 grd
δ =	-6,19grd	λ	= 190. ..370mm
Linien	= 200 L/mm	Gitterdurchmesser = 50 mm

-3- ZbT Ö3/

Für den Fall des langen Spektralbereiches, d.h. wenn die soeben beschriebene Lösung nicht mehr anwendbar ist, wird zur Lösung der Aufgabe ein Polychromator mit aberrationskorrigiertem, holografisch erzeugtem Konkavgitter verwendet, das aus einem Paar von Konkavgittern besteht, die untereinander austauschbar sind. Das für den UV-Bereich vorgesehene Gitter ist ein im Stehwellenverfahren hergestelltes, abbildendes Hologitter und das für den VIS-Bereich vorgesehene ein symmetrisch abbildendes Gitter. Damit wird eine optimale Anpassung der Beugungseffektivität an die Zeilenempfindlichkeit erreicht. Der Gittereinfallswinkel ist für beide Gitter so einzurichten, daß ein minimaler Ablenkwinkel bzw. Abstand zwischen Eintrittsspalt und Empfängerzeile entsteht. Durch diese Aufspaltung des Spektralbereiches und die gleichzeitige Minimierung des Gitterablenkwinkels läßt sich die Abbildung unter zu sätzlich er geeigneter Optimierung der übrigen Gitterparameter.wie R, L_c, Ld, γ, δ, L_A, Lg mit dem Ziel der Bildfeldebnung, Koma- und Astigmatismussenkung bezüglich der Zeilengeometrie und -empfindlichkeit günstig gestalten.

Das zu verwendende UV-Gitter besitzt das Effektivitätsmaximum bei 220 nm und das Maximum der spektralen Auflösung sowie Minimum des Astigmatismus bei 190nm.

Die Linearität der Dispersion wird auf Grund der kürzeren Teilspektrenlängen bei gleichzeitiger Wahl der beiden Gitterstrichzahlen im Verhältnis gi/g₂ = 1,0025 verbessert.

Um den Falschlichtanteil zu senken, ist die Empfängerzeile so auszurichten, daß auf das Gitter zurückreflektiertes Licht nicht über die 0. oder 1. Beugungsordnung auf die lichtempfindlichen Teile der Empfängerzeile zu rückgelangen kann.

Dazu ist die Empfängerzeile im Winkel von annähernd Null Grad zum Hauptstrahl der mittleren gebeugten Wellenlänge zu stellen, falls der Beugungswinkel für alle Wellenlängen Φ Null Grad ist. Tritt der Beugungswinkel Null Grad im Spektrum auf, muß die Zeile so gekippt werden, daß vom Gitter zurückreflektiertes Falschlicht nicht die lichtempfindlichen Teile der Zeile trifft.

Besonders günstig ist die erfindungsgemäße Lösung ausgestaltet, wenn die Gitter folgende Parameter aufweisen

Gitter 1	L_A = 180 mm	Gitter 2	L_B = 180,147 mm	,.370 mm	= -3,95 grd
R =	R =	ε =Ogrd	..550 mm
Lc =	L_c =	jereich: Gitter 1 190.,		I
Ld ^:	Ld =	' Gitter2 370..
y '	7 =	sser: 50 mm
δ	δ =
= 180,635 mm	= 180,26 mm
= 178,965 mm	= 177,624mm
= 180,027 mm	= 177,804 mm
= 11,5grd	= 11,5grd
= -6,19grd	= 6,196grd
Linien = 200 L/mm	Linien = 199,7 L/mm
a	a -



jent

irne
= -5grd

Die Auflösung mit dieser Konfiguration ist <0,2nm, im UV <0,12nm, während der Astigmatismus < 0,1 mm, im UV < 0,05mm, ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1: ze:igt die Herstellungskonfiguration für die Gitter Fig. 2; die Anwendungskonfiguration.

i ι Vo^den beiden kohärenten Punktlichtquellen D; c, die sich im Abstand Id bzw. l_c von Scheitelpunkt des Gitterträgers 2 befinden, gehen kohärente Kugelwellen aus und fallen im Winkel γ bzw. δ zur Gitternormalen auf die mit fotoempfindlichem Material beschichtete (nicht dargestellt) Oberfläche des Gitterträgers 2, dessen konkave Fläche den Radius R hat. In Fig. 2 befindet sich der Eintrittsspalt 1 in Abstand l_Avom Scheitelpunkt des Gitterträgers 2, durch den Licht unter dem Winkel «gegen die Flächennormale auf das Gitter trifft und nach Reflexion unter dem Winkel β auf dieEmpfärigerzeile 3, die sich im Abstand I₈ vom Scheitelpunkt befindet. Die Empfängerzeile 3 weicht um den Winkel ε vom rechten Winkel zur Einfallsrichtung ab. Eine mögliche Lösung unter Verwendung von austauschbaren Gittern weist folgende Parameter auf:

Gitter 1	182mm	Gitter 2	= 179,71 mm
R =	178 mm	R	= 171,553mm
Lc =	3,11 grd	Lc	= 171,0mm
L₀ =	190-370 ηm	L₀	= 11,5grd
Ύ	370-550nm	Ύ	= 6,2 grd
δ =	S	= -3,95 grd
a -	a	Linien= 199,7 L/n
= 180,26 mm
= 175,786 mm
= 183,49 mm
= 11,5grd
= -6,19grd
= -5grd
Linien = 200 L/mm



La =
Lb =
ε =
Wellenlängenbereich: Gitter 1

Gitter 2

Claims

Polychromator für CCD-Zeilenabbildung, der ein Spaltsystem aus Ein- und Austrittsspalt, einen Gitterträger mit konkavem Gitter sowie eine Empfängerzeile aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß der Astigmatismus korrigiert ist, daß er zusammen mit der Beleuchtungseffektivität des Gitters und der Empfindlichkeit der Empfängerzeile so verläuft, daß der Energieverlauf im Spektralbereich annähernd linear ist, daß der Astigmatismus im kurzwelligen UV ein Minimum aufweist und stetig zunimmt, daß die korrektionsbedingte Halbwertsbreite für die Eintrittsspaltbreite gegen Null geht und im wesentlichen gleich einer Elementbreite der Empfängerzeile ist und im kurzwelligen UV ein Minimum hat, daß der Abstand zwischen Eintrittsspalt und Spektrum minimal ist, daß der Neigungswinkel der Empfängerzeile gleich oder annähernd Null Grad ist, daß für den kurzen Spektralbereich der Polychromator folgende Parameter aufweist:

R = 180,26mm = -5grd

L_c = 175,786 mm L_A = 182mm

L₀= 183,49mm L₈ = 178mm

y = 11,5grd ε = 3,11 grd

δ = -6,19grd λ *'= 190...370 nm

Linien = 200 L/mm Gitterdurchmesser = 50 mm _/