DD296552A5 - Spektrograf - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spektrografen, der fuer raeumlich aufloesende Spektralanalyse eingesetzt werden kann. Der erfindungsgemaesze Spektrograf, bestehend aus einem Spalt, einem korrigierten holographischen Gitter, einer Bildfeldebnungslinse und einer zweidimensional aufloesenden Empfaengermatrix, ist dadurch gekennzeichnet, dasz sich die Empfaengermatrix in einer Ebene mit der sagittalen Brennkurve befindet.{Spektrograf; raeumlich aufloesende Spektralanalyse; zweidimensional aufloesende Empfaengermatrix; Ebene der sagittalen Brennkurve}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Spektrografen, der fur räumlich auflosende Spektralanalyse verwendet werden kann

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt ist in der Spektroskopie die Problemstellung, einen eindimensional strukturierten spektral polychromatisch strahlenden Emitterzum einen räumlich aufzulösen, aber auch gleichzeitig das Spektrum jedes Bildelementes zu ermitteln Beispielsweise ist von I V Aleksandrova, W Brunner, S I Fedotov, R Guther, M P Kalashmkov, G Korn, A M Maksimchuk, Yu A Mikhailov,

5 Poize, R RiekherundG V Skhzkov in „Investigation of anomalous generation co₀and 2ω₀ harmonics of heating radiation in laser plasma corona by means of holographic gratings" in „Laser and Particle Beams" (1985) vol 3, part 2, S 197-205 em explodierendes Kernfusionstarget raumlich eindimensional und spektral aufgelost worden Eine raumlich und spektral auflosende Kombination istvon P Lindblom und J Dahlbacka,Appl Opt ,(1978) VoI 17,S 2934 beschrieben Ebenso wurden fur astronomische Zwecke von M Du ban, J Optics (Paris) 9,163 (1978) Mehrelementesysteme zur räumlich-spektralen Abbildung bekannt Weiterhin ist aus der Veröffentlichung von R Guther,, Correction of holographic concave gratings ', in Optica Applicats, VoI Xl, No 3,1981, S 413-423 bekannt, daß sich eine automatische Korrektion eines korrigierten holographischen Gitters so fuhren laßt, daß die Hohe des Spot-Diagramms senkrecht zur Dispersionsrichtung abnimmt, aber die Breite in Dispersionsrichtung dafür zunimmt

Es gibt Falle räumlich aufgelöster Spektroskopie, zum Beispiel in der Fernerkundung, wo die spektrale Auflosung relativ grob sein kann, zum Beispiel 10 bis 20 nm Dafür wird aber eine mittlere bis gute räumliche Auf lösung gefordert In den bekannten spektroskopischen Anordnungen wird Wert auf hohe spektrale Auflosung gelegt, wobei die räumliche Auflosung entweder unakzeptabel schlecht ist, zum Beispiel in einem nur aus einem Konkavgitter bestehenden Polychromator mit bisheriger Fokussierung oder aber durch den Aufwand vieler optischer Elemente erkauft werden muß

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei einem Spektrografen die räumliche Auflosung ohne hohen geratetechnischen Aufwand zu verbessern

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, in einem aus einem Konkavgitter bestehenden einfachen Spektrografen eine gute raumliche Auflosung, unter Umstanden auf Kosten der spektralen Auflosung, zu erreichen Die Aufgabe wird bei einem Spektrografen, bestehend aus einem raumlich strukturierten polychromatisch strahlenden Spalt, einem korngierten holographischen Gitter, einer Bildfeldebnungslmse und einer zweidimensional auflosenden Empfangermatrix erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß sich die Empfangermatrix in einer Ebene mit der sagittalen Brenn kurve befindet Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist der, daß auf der sagittalen Brennkurve das astigmatische

Strahlenbündel senkrecht zur Dispersionsrichtung, also in der räumlich aufzulösenden Richtung, minimale Ausdehnung hat.

Damit wird zwar automatisch die spektrale Auflösung herabgesetzt, aber bei vermindertem Astigmatismus kann das bei niedriger spektraler Auflösung toleriert werden.

Es versteht sich von selbst, daß bei der Korrektur des zugehörigen Konkavgitters die Sagittalanteile der Aberrationen in der bekannten Lichtwegfunktion besonders herabgesetzt werden können, um die räumliche Auflösung insbesondere für große Öffnungen zu verbessern.

Ebenfalls eine verbessernde Wirkung auf die räumliche Auflösung hat eine Abblendung des Gitters an den beiden senkrecht zu den Gitterfurchen befindlichen Rändern, wobei ein Kompromiß zwischen erforderlicher Erhöhung der räumlichen Auflösung und notwendiger Herabsetzung der Lichtstärke zu finden ist.

Die Fokussierung auf die sagittate Brennkurve hat den Vorteil, daß diese Kurve einer Geraden sehr nahe kommt und daher das Empfängerarray entlang der Dispersionsrichtung nicht gebogen werden muß.

Eine vorteilhafte Variante besteht darin, die punktförmigen Lichtquellen für die Herstellung des Gitters als auch Eintrittsspalt und Empfängerarray auf einer Geraden durch den Krümmungsmittelpunkt des Trägers anzuordnen.

Weiterhin vorteilhaft ist die Abbildung des räumlich strukturierten Eintrittsspaltes monochromatisch auf einen Austrittsspalt und räumliche Bewegung des Gitters. Dann wird bei räumlicher Bewegung des Gitters die räumliche Struktur polychromatisch abgetastet. Als Variation dieser Anordnung kann auch anstelle des Austrittsspaltes eine Empfängermatrix verwendet werden; dann können durch räumliche Bewegung des Gitters ganze räumlich strukturierte Spektralbereiche wahlweise zum Auslesen durch diese Empfängermatrix eingestellt werden.

Eine Variante der Erfindung zur optimalen Auswertung der räumlichen als auch der spektralen Information besteht darin, das am Gitter gebeugte Bündel mit einer zwischen Gitter und der dem Gitter nächstgelegenen der beiden Brennkurven angeordneten Teilerplatte zu teilen und in einem Teilbündel eine Empfängermatrix in der meridionalen Brennweite vom Gitter zu positionieren und im anderen Teilbündel eine Empfängermatrix in der Ebene des sagittalen Fokus anzuordnen. Dabei haben die Matrizen hohe Auflösungen sowohl in räumlicher Richtung als auch in spektraler Richtung. Dabei kann als Empfängerelementgröße der Matrizen in spektraler Richtung die spektrale Auflösung auf der meridionalen Brennkurve genommen werden, und als Empfängerelementgröße in der räumlichen Richtung die räumliche Auflösung in der Entfernung der sagittalen Brennkurve. Die Anzahl der Empfängerelemente entlang der räumlichen Richtung ist maximal gleich der doppelten Anzahl der aufzulösenden Raumpositionen, und die Anzahl der Empfängerelemente entlang der spektralen Richtung ist maximal gleich der doppelten Anzahl der aufzulösenden unterschiedlichen Wellenlängen. Dann trifft auf jedes Empfängerelement der beiden Matrizen eine bestimmte Superposition aus verschiedenen Farbwerten gleicher Eintrittsspaltpunkte oder den Intensitätswerten für gleiche Farben, aber verschiedene räumliche Quellpunkte. Es ergibt sich für die einzelnen Orts-Farb-Werte ein überbestimmtes Gleichungssystem mit dem Vorteil der Erhöhung der Genauigkeit gegenüber einem bestimmten Gleichungssystem. Die Verkleinerung der Pixelgröße unter die räumliche oder spektrale Auflösung erfordert die Einbeziehung der Linienbildfunktion in das Gleichungssystem.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Spektrografen in schematischer Darstellung Fig. 2: Schematische Darstellung einer weiteren Ausführung des Spektrografen.

Beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bedeuten 1 das Gitter, 2 die Gitterfurchen, 3 den entlang der Z-Richtung strukturierten Spalt, 4 die meridionale Fokussierung und 5 die sagittale Fokussierung. Das zweidimensionale Empfängerarray 6, 7, 8 besteht aus Einzelempfängern, die entlang der Dispersionsrichtung Y eine größere Ausdehnung haben als längs der räumlich aufzulösenden Wellenlängen. 9 bezeichnet eine die Bildfeldkrümmung ausgleichende Linse, die zur Erhöhung der Auflösung zweckmäßig eingesetzt werden kann

Die konkrete Ausführung dieses Beispiels ist ausfolgenden Werten zu ersehen:

- Entfernung Eintrittsspalt —Gitterscheitel Ід = 21,93cm,

- Winkel Eintrittsspalt-Gitterscheitel-Gitternormale α = -6,066°

- Entfernung Gitterscheitel-Empfängermatrix Ib = 19,281cm

- Winkel Gitternormale-Gitterscheitel-Mitte der Empfängermatrix β = 23,933°

- Entfernung der Punktlichtquelle C für die Gitterherstellung vom Gitterscheitel l_c = 20,2667cm

- Winkel zwischen Punkt C-Gitterscheitel-Gitternormale γ = 41°

- Entfernung der Punktlichtquelle D für die Gitterherstellung vom Gitterscheitel I₀ = 20,0934cm

- Winkel zwischen Punkt D-Gitterscheitel-Gitternormale δ = -1,773

- Krümmungsradius des Gitterträgers R = 20,638cm

Die Herstellungswellenlänge des Gitters λ_ο = 458 nm, die zentrale Benutzungswellenlänge 200 nm. Ohne Bildfeldebnungslinse werden 11 Pixel räumlich aufgelöst.

Das zweite Ausführungsbeispiel (s. Fig. 1) betrifft einen Monochromator mit räumlicher Auflösung. Mit den für Beispiel 1 verwendeten Bezeichnungen sind die Bemessungen

I_A = 40cm, I₈ = 80cm, Ablenkwinkel 20°, l_c = 41,409cm, γ = 25,994°, I₀ = 42,396cm, δ = -4,006°, R = 54,188cm.

Die zentrale Wellenlänge des Durchstimmbereiches beträgt 500nm, die Herstellungswellenlänge 458 nm.

Das dritte Ausführungsbeispiel ist eine Variante mit zwei Empfängermatrizen (s. Fig. 2). Es bedeuten 3 den räumlich und spektral strukturierten Spalt, 10 das Gitter, 11 die Teilerplatte, die zwischen der dem Gitter am nächsten befindlichen meridipnalen Fokalentfernung 12 und dem Gitter 10 angeordnet ist. In der Ebene des Spiegelbildes 13 der meridionalen Brennfigur 12 ist die Empfängermatrix 15 angeordnet. Die andere Empfängermatrix 16 befindet sich in der sagittalen Fokalentfernung 14. Von jedem Empfängerelement jeder Matrix wird ein Intensitätsmeßwert über eine entsprechende Vielkana!verarbeitung registriert. Dann ist für die Matrix 16 die räumliche Auflösung parallel zur Z-Richtung gewährleistet, aber entlang der spektralen Richtung der Y-Achse werden bis auf den Rand von so vielen Spektralpunkten in jedem Empfängerelement Beiträge aufsummiert, wie die astigmatische Linie 14 Empängerzeilen überstreicht, in Fig. 2 also 5 Zeilen. Als Resultat erhält man ein Gleichungssystem mit den bekannten gemessenen Intensitäten, zusammengesetzt aus den gesuchten Raum- und Spektralwerten jedes Punktes von Spalt 3. Ein ähnliches Gleichungssystem wird mit der Intensitätsverteilung der Matrix 15 erhalten. Das gesuchte Gleichungssystem ist überbestimmt und kann nach den gesuchten Raum-Farb-Werten aufgelöst werden.

Claims (6)

1 Spektrograf, bestehend aus einer Anordnung von Spalt, einem korrigierten holographischen Gitter, einer Bildfeldebnungslmse und einer zweidimensional auflosenden Empfangermatrix, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Empfangermatrix in einer Ebene mit der sagittalen Brennkurve befindet.

2 Spektrograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen fur die Gitterhersteilung sowie Eintrittsspalt und Mitte der Empfangermatrix auf einer Geraden angeordnet sind.

3 Spektrograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des Gitters in Dispersionsrichtung großer ist als senkrecht dazu.

4 Spektrograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch räumliche Lageveranderung des Gitters ein anderer Spektralbereich auf der Matrix einstellbar ist.

5. Spektrograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilerplatte zwischen der am nächsten zum Gitter gelegenen Brennkurve und dem Gitter angeordnet ist zur simultanen Vermessung der Intensitatsverteilung sowohl am Ort der meridionalen Brennkurve als auch am Ort der sagittalen Brennkurve mittels je einer Empfangermatrix.

6 Spektrograf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Empfangermatnx mechanisch von der Sagittal- zur Meridionalposition bewegbar ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen