DD296552A5

DD296552A5 - spectrograph

Info

Publication number: DD296552A5
Application number: DD34265190A
Authority: DD
Inventors: Reiner Guether
Original assignee: Akademie Der Wissenschaften Der Ddr,De
Priority date: 1990-07-10
Filing date: 1990-07-10
Publication date: 1991-12-05

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}The invention relates to a spectrograph, which can be used for spatially resolved spectral analysis. The spectrograph according to the invention, consisting of a slit, a corrected holographic grating, an image field focusing lens and a two-dimensionally reflecting receiver matrix, is characterized in that the receiver matrix is in a plane with the sagittal firing curve. spatially resolved spectral analysis; two-dimensionally dissipating receiver matrix; Plane of the sagittal firing curve}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Spektrografen, der fur räumlich auflosende Spektralanalyse verwendet werden kannThe invention relates to a spectrograph which can be used for spatially resolving spectral analysis

Characteristic of the known state of the art

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,In spectroscopy, the problem is to spatially resolve a one-dimensional structured spectrally polychromatic emitter, but at the same time to determine the spectrum of each pixel. For example, Aleksandrova, W Brunner, SI Fedotov, R Guther, MP Kalashmkov, G Korn, AM 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 zunimmt5 Poize, R Riekher and G V Skhzkov in "Investigation of anomalous generation co ₀ and 2ω ₀ harmonics of heating radiation in laser plasma corona by means of holographic gratings" in "Laser and Particle Beams" (1985) vol 3, part 2, p 197 A spatially and spectrally dissolving combination is described by P Lindblom and J Dahlbacka, Appl Opt, (1978) VoI 17, S 2934. Also, for astronomical purposes, M Du ban, J Optics (Paris Further, it is known from the publication of R Guther 'Correction of holographic concave gratings', in Optica Applicats, VoI Xl, No 3,1981, S 413-423, that a automatic correction of a corrected holographic grating can be made so that the height of the spot diagram decreases perpendicular to the dispersion direction, but the width increases in the dispersion direction for it

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 mußThere are cases of spatially resolved spectroscopy, for example in remote sensing, where the spectral resolution may be relatively coarse, for example 10 to 20 nm. However, a medium to good spatial resolution is required. In the known spectroscopic arrangements, emphasis is placed on high spectral resolution The spatial resolution either unacceptably bad, for example, in a consisting only of a concave mesh polychromator with previous focus or by the expense of many optical elements must be bought

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, bei einem Spektrografen die räumliche Auflosung ohne hohen geratetechnischen Aufwand zu verbessernThe aim of the invention is to improve the spatial resolution in a spectrograph without high technical equipment expense

Explanation of the essence of the invention

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 astigmatischeThe object of the invention is to achieve a good spatial resolution in a concave grating of a simple spectrograph, possibly at the expense of spectral resolution, the task is in a spectrograph, consisting of a spatially structured polychromatic radiating gap, a grain holographic grating erfmdungsgemaß solved a Bildfeldebnungslmse and a two-dimensional auflosenden receiving matrix erfmdungsgemaß that the receiving matrix in a plane with the sagittal focal curve is The underlying idea of the invention is that on the sagittal firing curve, the astigmatic

Strahlenbündel senkrecht zur Dispersionsrichtung, also in der räumlich aufzulösenden Richtung, minimale Ausdehnung hat.Beam has perpendicular to the dispersion direction, ie in the spatially resolved direction, minimal extent.

Damit wird zwar automatisch die spektrale Auflösung herabgesetzt, aber bei vermindertem Astigmatismus kann das bei niedriger spektraler Auflösung toleriert werden.This automatically reduces the spectral resolution, but with reduced astigmatism this can be tolerated at low spectral resolution.

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.It goes without saying that when correcting the associated concave grating, the sagittal components of the aberrations in the known light path function can be particularly reduced in order to improve the spatial resolution, in particular for large openings.

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.Also, an enhancement effect on the spatial resolution has a dimming of the grid at the two edges located perpendicular to the grid grooves, a compromise between the required increase in the spatial resolution and the necessary reduction of the light intensity can be found.

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.The focus on the sagittate firing curve has the advantage that this curve is very close to a straight line and therefore the receiver array does not have to be bent along the dispersion direction.

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.An advantageous variant is to arrange the point-shaped light sources for the production of the grid as well as entrance slit and receiver array on a straight line through the center of curvature of the carrier.

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.Further advantageous is the mapping of the spatially structured entrance slit monochromatic on an exit slit and spatial movement of the grid. Then, with spatial movement of the grating, the spatial structure is scanned polychromatically. As a variation of this arrangement, a receiver matrix may also be used instead of the exit slit; then spatially moving the grating can be used to set entire spatially structured spectral ranges optionally for readout by this receiver matrix.

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.A variant of the invention for optimum evaluation of the spatial as well as the spectral information is to divide the grating diffracted at the grating with a divider plate located closest to the grating between the two firing curves and in a sub-beam a receiver matrix in the meridional focal length from the grating to position and to arrange a receiver matrix in the plane of the sagittal focus in the other sub-beam. The matrices have high resolutions both in the spatial direction and in the spectral direction. In this case, the spectral resolution on the meridional firing curve can be taken as the receiver element size of the matrices in the spectral direction, and the spatial resolution in the distance of the sagittal firing curve as receiver element size in the spatial direction. The number of receiver elements along the spatial direction is at most equal to twice the number of spatial positions to be resolved, and the number of receiver elements along the spectral direction is at most equal to twice the number of different wavelengths to be resolved. Then, for each receiver element of the two matrices, a certain superposition of different color values of the same entrance slit points or the intensity values for the same colors, but different spatial source points. The result for the individual location color values is an overdetermined system of equations with the advantage of increasing the accuracy with respect to a particular system of equations. The reduction of the pixel size below the spatial or spectral resolution requires the inclusion of the line image function in the equation system.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawing. Show it

Fig. 1: Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Spektrografen in schematischer Darstellung Fig. 2: Schematische Darstellung einer weiteren Ausführung des Spektrografen.Fig. 1: An embodiment of the spectrograph according to the invention in a schematic representation Fig. 2: Schematic representation of another embodiment of the spectrograph.

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 kann1, the grating, 2 the grating grooves, 3 the nip structured along the Z-direction, 4 the meridional focusing and 5 the sagittal focusing. The two-dimensional receiver array 6, 7, 8 consists of individual receivers which have a greater extent along the dispersion direction Y than along the wavelengths to be spatially resolved. Fig. 9 denotes a curvature compensating lens which can be suitably used to increase the resolution

Die konkrete Ausführung dieses Beispiels ist ausfolgenden Werten zu ersehen: The concrete execution of this example can be seen from the following values:

- Entfernung Eintrittsspalt —Gitterscheitel Ід = 21,93cm,- distance entrance slit lattice vertex Іd = 21,93cm,

- Winkel Eintrittsspalt-Gitterscheitel-Gitternormale α = -6,066°Angle entrance slit grating vertex grating normals α = -6.066 °

- Entfernung Gitterscheitel-Empfängermatrix Ib = 19,281cm- Distance grating vertex-receiver matrix Ib = 19.281cm

- Winkel Gitternormale-Gitterscheitel-Mitte der Empfängermatrix β = 23,933°Angle Lattice Normal Lattice Apex Center of the Receiver Matrix β = 23.933 °

- Entfernung der Punktlichtquelle C für die Gitterherstellung vom Gitterscheitel l_c = 20,2667cm- Distance of the point light source C for the lattice production from the lattice vertex l _c = 20.2667cm

- Winkel zwischen Punkt C-Gitterscheitel-Gitternormale γ = 41°- Angle between point C-grating lattice normal γ = 41 °

- Entfernung der Punktlichtquelle D für die Gitterherstellung vom Gitterscheitel I₀ = 20,0934cm- Removal of the point light source D for the production of lattice crest I ₀ = 20.09 cm

- Winkel zwischen Punkt D-Gitterscheitel-Gitternormale δ = -1,773Angle between point D lattice vertex lattice normal δ = -1,773

- Krümmungsradius des Gitterträgers R = 20,638cm- Radius of curvature of the lattice girder R = 20,638cm

Die Herstellungswellenlänge des Gitters λ_ο = 458 nm, die zentrale Benutzungswellenlänge 200 nm. Ohne Bildfeldebnungslinse werden 11 Pixel räumlich aufgelöst.The fabrication wavelength of the grating λ _ο = 458 nm, the central use wavelength 200 nm. Without field flattening lens 11 pixels are spatially resolved.

Das zweite Ausführungsbeispiel (s. Fig. 1) betrifft einen Monochromator mit räumlicher Auflösung. Mit den für Beispiel 1 verwendeten Bezeichnungen sind die BemessungenThe second embodiment (see Fig. 1) relates to a spatial resolution monochromator. The designations used for example 1 are the dimensions

I_A = 40cm, I₈ = 80cm, Ablenkwinkel 20°, l_c = 41,409cm, γ = 25,994°, I₀ = 42,396cm, δ = -4,006°, R = 54,188cm.I _A = 40cm, I ₈ = 80cm, deflection angle 20 °, l _c = 41.409cm, γ = 25.994 °, I ₀ = 42.396cm, δ = -4.006 °, R = 54.188cm.

Die zentrale Wellenlänge des Durchstimmbereiches beträgt 500nm, die Herstellungswellenlänge 458 nm.The central wavelength of the tuning range is 500 nm, the fabrication wavelength 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.The third embodiment is a variant with two receiver matrices (see Fig. 2). 3 is the spatially and spectrally structured gap, 10 the grating, 11 the splitter plate which is arranged between the meridipnal focal distance 12 closest to the grating and the grating 10. In the plane of the mirror image 13 of the meridional fuel assembly 12, the receiver matrix 15 is arranged. The other receiver matrix 16 is located in the sagittal focal distance 14. From each receiver element of each matrix, an intensity reading is registered via a corresponding multi-channel processing. Then, for the matrix 16, the spatial resolution is ensured parallel to the Z-direction, but along the spectral direction of the Y-axis, contributions are summed up to the edge of as many spectral points in each receiver element as the astigmatic line 14 passes over primaries, as shown in FIG 2 so 5 lines. As a result one obtains a system of equations with the known measured intensities, composed of the desired spatial and spectral values of each point of slit 3. A similar system of equations is obtained with the intensity distribution of the matrix 15. The required equation system is overdetermined and can be resolved according to the sought space color values.

Claims

A spectrograph comprising an array of slit, a corrected holographic grating, a field-flattening lens, and a two-dimensional resolving receiver array, characterized in that the receiver array is in a plane with the sagittal firing curve.

2 spectrograph according to claim 1, characterized in that the light sources for the grating as well as entrance slit and center of the receiver matrix are arranged on a straight line.

3 spectrograph according to claim 1, characterized in that the extension of the grid in the dispersion direction is greater than perpendicular to it.

4 spectrograph according to claim 1, characterized in that a different spectral range is adjustable on the matrix by spatial position change of the grating.

5. A spectrograph according to claim 1, characterized in that a divider plate between the firing curve closest to the grid and the grid is arranged for simultaneous measurement of the intensity distribution both at the location of the meridional firing curve and at the location of the sagittal firing curve by means of a respective receiving matrix.

6 spectrograph according to claim 1, characterized in that a Empfangermatnx is mechanically movable from the sagittal to the meridional position.

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