DE10011462C2

DE10011462C2 - Optisches Spektrometer mit Astigmatismuskompensation

Info

Publication number: DE10011462C2
Application number: DE10011462A
Authority: DE
Inventors: Helmut Becker-Ros; Stefan Florek; Guenter Wesemann
Original assignee: GES FOERDERUNG SPEKTROCHEMIE; GES ZUR FOERDERUNG ANGEWANDTER OPTIK OPTOELEKTRONIK QUANTENELEKTRONIK & SPEKTROSKOPIE EV
Current assignee: PEKINELMER LAS,INC.(N.D.GES.D.STAATES DELAWARE), B
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2020-03-11
Also published as: WO2001069190A1; DE10011462A1; AU2001231689A1

Abstract

Ein optisches Spektrometer mit einem astigmatischen Abbildungsfehler enthält ein Gitter zur Dispersion des in das Spektrometer eintretenden Lichtes in einer ersten Dispersionsrichtung sowie ein zweites dispergierendes Element zur Dispersion des in das Spektrometer eintretenden Lichtes in einer zweiten Dispersionsrichtung, welche einen Winkel mit der ersten Dispersionsrichtung bildet. Es sind weiterhin ein Kollimatorspiegel, ein Kameraspiegel und eine Eintrittsspaltanordnung vorgesehen. Ein erster Eintrittsspalt ist zur Bündelbegrenzung in der ersten Dispersionsrichtung, welcher auf der optischen Achse in einem ersten Abstand zum Kollimatorspiegel befindlich ist, vorgesehen und ein zweiter Eintrittsspalt ist zur Bündelbegrenzung in der zweiten Dispersionsrichtung, welcher auf der optischen Achse in einem zweiten Abstand zum Kollimatorspiegel befindlich ist, vorgesehen. Dabei sind die Eintrittsspalte derart angeordnet, daß das sagittale Bild des ersten Eintrittsspaltes und das meridionale Bild des zweiten Eintrittsspaltes in einer Bildebene des Spektrometers zusammenfallen. Das Gitter ist unter einem off-plane Winkel beleuchtbar und der erste und der zweite Eintrittsspalt sind in einem von 90 DEG verschiedenen Winkel zueinander auf der optischen Achse angeordnet. Der erste und zweite Abstand der Eintrittsspalte zum Kollimatorspiegel sowie der Winkel des ersten Eintrittsspaltes um die optische Achse können derart gewählt sein, daß die sagittalen Bildpunkte für alle Bündel, ...

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Optisches Spektrometer mit einem astigmatischen Abbildungsfehler, enthaltend

a) ein Gitter zur Dispersion des in das Spektrometer eintretenden Lichtes in einer ersten Dispersionsrichtung,
b) ein zweites dispergierendes Element zur Dispersion des in das Spektrometer eintretenden Lichtes in einer zweiten Dispersionsrichtung, welche einen Winkel mit der ersten Dispersionsrichtung bildet,
c) einem Kollimatorspiegel,
d) einen Kameraspiegel,
e) einen ersten Eintrittsspalt, zur Bündelbegrenzung in der ersten Dispersionsrichtung, welcher auf der optischen Achse in einem ersten Abstand zum Kollimatorspiegel befindlich ist, und
f) einen zweiten Eintrittsspalt, zur Bündelbegrenzung in der zweiten Dispersionsrichtung, welcher auf der optischen Achse in einem zweiten Abstand zum Kollimatorspiegel befindlich ist, wobei
g) die Eintrittsspalte derart angeordnet sind, daß das sagittale Bild des ersten Eintrittsspaltes und das meridionale Bild des zweiten Eintrittsspaltes in einer Bildebene des Spektrometers zusammenfallen, und
h) das Gitter vor dem zweiten dispergierenden Element im Strahlengang im optischen Strahlengang angeordnet ist und unter einem off-plane Winkel (γ) beleuchtbar ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Justage der Spaltpositionen.

Stand der Technik

Optische Spektrometer dienen der wellenlängenabhängigen Zerlegung von Licht durch mindestens ein dispergierendes Element. Je nach Anwendung unterscheidet man verschiedene Spektrometer. Als Spektrum wird die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge bezeichnet. Bei Spektrographen ist ein ganzer Spektrumsausschnitt gleichzeitig in der Bildebene des Spektrometers detektierbar. Bei Monochromatoren wird das Licht einer ausgewählten Wellenlänge auf einen Austrittsspalt gelenkt. Durch Drehung des dispergierenden Elements kann dann bei Monochromatoren die Wellenlänge am Austrittsspalt variiert werden und man erhält eine Intensitätsverteilung über die Zeit oder den Drehwinkel, welche jeweils wieder einer Wellenlänge zugeordnet werden können.

Bei den Spektrometern der vorliegenden Art wird das Licht einer Lichtquelle durch eine Eintrittsspaltanordnung hindurch auf einen konkaven Kollimatorspiegel, üblicherweise einen sphärischen Spiegel, einen Toroid-Spiegel oder einem Paraboloid-Spiegel, gelenkt. Der Kollimatorspiegel transformiert das Licht zu einem parallelen Bündel. Das parallele Bündel wird auf ein dispergierendes Element, z. B. ein Echelle-Gitter gelenkt. Echelle-Gitter haben eine treppenförmige Oberfläche, an welcher das einfallende Lichtbündel reflektiert und gebeugt wird. Die wellenlängenabhängig gebeugten Lichtbündel werden mittels eines Kameraspiegels in die Bildebene des Spektrometers fokussiert.

Echelle-Gitter mit einem Gitterfurchenabstand, der deutlich größer als die längste zu messende Wellenlänge ist, dispergieren das Licht üblicherweise mit großem Blazewinkel in hoher Ordnung. Es entsteht dadurch ein Spektrum mit einer Überlagerung von verschiedenen Ordnungen mit vergleichsweise geringem freien Spektralbereich.

Es sind Anordnungen bekannt, bei welchen das Licht vor Eintritt in das Spektrometer spektral vorzerlegt wird, so daß im wesentlichen nur Licht einer Ordnung in das Spektrometer gelangt.

Es sind weiterhin, z. B. aus der DD 256 060 oder DD 292 078, Spektrometer mit interner Ordnungstrennung bekannt, bei welchen innerhalb des Strahlengangs ein weiteres dispergierendes Element angeordnet wird, welches das Licht quer zur Hauptdispersionsrichtung des Echellegitters spektral zerlegt. Dadurch werden die verschiedenen Ordnungen winkelmäßig voneinander getrennt und es entsteht nach der Abbildung durch den Kameraspiegel ein zweidimensionales Spektrum. Bei diesen Anordnungen wird die maximal nutzbare "Spalthöhe" durch den Grad der Querdispersion begrenzt. Diese bekannten Spektrometer weisen also zwei Spaltbreiten auf: Eine Spaltbreite, welche das eintretende Lichtbündel in Hauptdispersionsrichtung begrenzt und eine weitere, welche eine Begrenzung in Querdispersionsrichtung bewirkt.

Die bekannten Spektrometer sind je nach Anordnung und Eigenschaften der optischen Komponenten gewöhnlich mit Abbildungsfehlern wie Koma und/oder Astigmatismus behaftet. Bei Astigmatismus fallen der meridionale und der sagittale Bildort auseinander. Mit anderen Worten: Ein punktförmiges Objekt wird in einer Richtung, z. B. horizontal verzerrt, an einem Ort scharf abgebildet, der vor oder hinter dem Ort liegt, an welchem das Objekt in einer anderen Richtung, z. B. vertikal verzerrt scharf abgebildet wird.

Es ist eine auch aus o. g. Druckschriften bekannte Methode, Astigmatismus bei Spektrometern zu beheben, indem eine vorzugsweise punktförmige Lichtquelle mittels sphärischer und/oder torischer-Spiegel derart in Richtung auf den Kollimator abgebildet wird, daß am Spektrometereingang ein astigmatisches Bild entsteht. Dieses astigmatische Bild ist an einer Stelle ein horizontal ausgedehnter "Lichtstreifen" und etwas dahinter auf der optischen Achse ein vertikal ausgedehnter "Lichtstreifen".

An der Stelle des astigmatischen Bildes befindet sich eine Eintrittsspalt-Anordung bestehend aus zwei im Abstand hintereinander angeordneten, gekreuzten Eintrittsspalten. Bei dieser Eintrittsspalt-Anordnung sind die Eintrittsspalte gerade so positioniert, daß die "Lichtstreifen" hindurchgelassen werden. Durch den Astigmatismus des Spektrometers wird dieser künstlich eingeführte Astigmatismus wieder kompensiert und in der Bildebene des Spektrometer entsteht ein Astigmatismus-freies Bild mit erhöhter Auflösung.

Es gibt jedoch Spektrometer, bei welchen der meridionale und der sagittale Bildort nicht nur in Richtung der optischen Achse verschoben werden, sondern zumindest eines der Spaltbilder um die optische Achse verdreht wird. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn das parallele Lichtbündel unter einem Of-plane-Winkel auf ein Beugungsgitter als dispergierendes Element trifft. Ein Off-plane-Winkel ist der Winkel, den das parallele Lichtbündel mit der Dispersionsebene, d. h. mit der Ebene bildet, die senkrecht zu den Furchen eines Beugungsgitters, bzw. senkrecht zu der Dachkante eines Dispersionsprismas verläuft. In diesem Fall erscheint das Bild desjenigen Spaltes, welcher in der Bildebene die Begrenzung der Spaltbilder in Richtung der Hauptdispersion definiert, um die optische Achse verdreht.

Die Spaltbilder sind in diesem Fall nicht senkrecht relativ zu den Ordnungszeilen d. h. zur Hauptdispersionsrichtung in der Bildebene orientiert. Wird ein Flächendetektor mit in Zeilen- und Spaltenrichtung senkrecht zueinander angeordneten Bildpunkten verwendet und sind die Ordnungen bezüglich der Hauptdispersionsrichtung im wesentlichen parallel zu den Detektorzeilen ausgerichtet, so ist das Spaltbild geneigt gegenüber der Spaltenrichtung des Detektors. Dieses führt bei einem rechteckigen, senkrecht zur Hauptdispersionsrichtung gestreckten Spaltbild zu einer Verringerung des erreichbaren spektralen Auflösungsvermögens des Spektrometers.

Aus der EP 0833 135 A1 ist ein Echelle-Spektrometer mit interner Ordnungstrennung und Off-Plane-Winkel bekannt. Das Spektrometer ist mit nur einem Eintrittsspalt versehen, der Abbildungsfehler, die durch den Off-Plane-Winkel entstehen, durch eine trapezförmige Ausgestaltung des Eintrittsspalts kompensiert. Eine Drehung von separaten Eintrittsspalten ist nicht beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, in die Bildebene eines Spektrometers der eingangs genannten Art bei geringen Gitterabmessungen Spektrallinien scharf abzubilden. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, bei einem solchen ein Spektrum mit möglichst geringen Bildfehlern zu erzeugen, in welchem die sagittale mit der meridionalen Bildebene für ausgewählte Wellenlängen zusammenfällt und in welchem die monochromatischen Spaltbilder bei bestmöglicher Bildschärfe in Hauptdispersionsrichtung im wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Beugungsordnungen des Beugungsgitters ausgerichtet ist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Justage der Positionen der Eintrittsspalte an einem Spektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß

a) der erste und der zweite Eintrittsspalt in einem von 90 Grad verschiedenen Winkel (ϕ) zueinander auf der optischen Achse angeordnet sind, und
b) der erste und zweite Abstand der Eintrittsspalte zum Kollimatorspiegel, sowie der Winkel des ersten Eintrittsspaltes um die optische Achse derart gewählt sind, daß die sagittalen Bildpunkte für alle Bündel, welche durch den ersten Eintrittsspalt laufen, im wesentlichen in einer Linie in der Bildebene des Spektrometers abgebildet werden und daß diese Linie im wesentlichen senkrecht zur ersten Dispersionsrichtung verläuft.

Bei Verwendung eines off-plane Winkels kann eine anamorphotische Bündeltransformation vermieden werden. Die Gitterabmessungen können optimiert werden. Durch den off-plane Winkel tritt jedoch eine Verdrehung des sagittalen Bildes des Eintrittsspaltes in der Bildebene auf. Diese Verdrehung kann durch Veränderung des Winkels zwischen den Eintrittsspalten kompensiert werden. Dadurch bleiben die Abbildungseigenschaften des Spektrometers trotz off-plane Winkels erhalten.

Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Flächendetektoren mit rechtwinklig zueinander angeordneten Bildpunkten verwendet werden um ein Spektrum aufzunehmen. Das Licht einer Wellenlänge ist dann auf eine minimale Anzahl von Bildpunkten mit gleicher Spaltenkoordinate in einer Reihe benachbarter Detektorzeilen verteilt, deren Signale hardwaremäßig ohne Verlust an spektraler Auflösung zu einem einzigen Signal zusammengefasst werden können (binning).

Vorzugsweise sind der erste und zweite Abstand der Eintrittsspalte zum Kollimatorspiegel, sowie der Winkel des ersten Eintrittsspaltes um die optische Achse derart gewählt, daß die sagittalen Bildpunkte für alle Bündel, welche durch den ersten Eintrittsspalt laufen, im wesentlichen in einer Linie in der Bildebene des Spektrometers abgebildet werden und daß diese Linie im wesentlichen senkrecht zur ersten Dispersionsrichtung verläuft.

Die Scheitel- und Mittelpunkte der optischen Komponenten liegen vorzugsweise in einer Ebene, die die Hauptebene des Spektrometers definiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist Gitter ein Echelle-Gitter mit einem bevorzugten Blazewinkel von 76 Grad ist. Als zweites dispergierendes Element kann ein Prisma verwendet werden, welches einen Prismenwinkel von wenigstens 5 Grad hat.

Das Prisma ist vorzugsweise einseitig verspiegelt, damit der von dem Prisma dispergierte Strahl ein weiteres Mal durch das Prisma lenkbar ist. Dann kann eine besonders kompakte Anordnung erreicht werden, bei der eine hohe Auflösung bei kleinen Abmessungen erreicht wird.

Alternativ ist hinter dem Prisma ein Spiegel angeordnet, an welchem der von dem Prisma dispergierte Strahl in das Prisma zurück reflektierbar ist. Dadurch ist bei größerem Prismenwinkel ebenfalls im doppelten Durchgang und ohne Totalreflexion eine höhere Prismendispersion realisierbar. Es kann aber auch eine Beugungsgitter hinter dem Prisma angeordent werden, an welchem der von dem Prisma dispergierte Strahl in das Prisma zurück beugbar ist. Dadurch ist eine erhöhte und gegenüber der Prismendispersion in ihrer Wellenlängenabhängigkeit veränderte Querdispersion realisierbar.

Zur weiteren Erhöhung der Dispersion am Prisma kann im Strahlengang vor dem Prisma wenigstens ein weiteres Prisma angeordnet sein.

In einer alternativen Anordnung ist das zweite dispergierende Element ein Beugungsgitter, hinter dem ein Prisma angeordnet sein kann.

Kameraspiegel und Kollimatorspiegel sind zweckmäßigerweise als sphärischer Spiegel ausgebildet. Sphärische Spiegel sind von allen Konkavspiegeltypen im allgemeinen am kostengünstigsten herstellbar und unaufwendig zu justieren. Es können aber auch Toroid- Spiegel oder Paraboloid-Spiegel verwendet werden, deren Krümmungen an die Gegebenheiten des Spektrometers angepasst sind.

Wenn das erste dispergierende Element um eine Achse drehbar gelagert ist, welche senkrecht zu seiner Dispersionsebene verläuft, kann das Spaltbild einer Wellenlänge in der Bildebene in Dispersionsrichtung verschoben werden. Das zweite dispergierende Element kann ebenfalls um eine Achse drehbar gelagert sein, welche senkrecht zur zweiten Dispersionsebene verläuft. Über die Drehung des zweiten dispergierenden Elements kann die Ordnung in der Bildebene verändert werden. Dann ist das Spektrometer als Monochromator verwendbar. Zweckmäßigerweise werden Rechnermittel vorgesehen zur Berechnung des Drehwinkels aus einer Wellenlänge und einer ausgewählten Lage des Spaltbildes in der Bildebene und Stellmittel zum Einstellen des Drehwinkels. Das Stellmittel kann ein Computergesteuerter Schrittmotor sein. Mit diesem Schrittmotor kann ein an dem dispergierenden Element angebrachter Hebelarm bewegt werden und so die Wellenlänge am Austrittsspalt eingestellt werden.

Die dispergierenden Elemente sind vorzugsweise gleichzeitig drehbar. Dadurch verkürzen sich die Stellzeiten, wenn sowohl die Ordnung als auch die Wellenlänge innerhalb einer Ordnung eingestellt werden.

Im Monochromator kann der Austrittsspalt durch einen Zeilendetektor ersetzt werden, womit eine simultane Messung einer Wellenlänge mit ihrer spektralen Umgebung möglich wird.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Flächendetektor in der Austrittsebene angeordnet. Hier sind alle Flächendetektoren denkbar, wie z. B. Photoplatten, CCD-Detektoren, Photodioden-Arrays o. ä. Dann ist das Spektrometer als Spektrograph verwendbar. Das gesamte in Frage kommende Wellenlängen-Spektrum wird simultan in der Austrittsebene detektiert. Je nach Anordnung verteilen sich die Wellenlängen über mehrere Ordnungen. Eine Wellenlänge tritt ggf. auch in 2 oder mehr Ordnungen gleichzeitig auf.

In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Alternative ist der Flächendetektor von einem Festkörperdetektor mit einer Vielzahl von Bildpunkten gebildet, bei welchem das Signal auf allen Bildpunkten, welches derselben Wellenlänge zuordnenbar ist, von der Hardware zu einem einzigen Signal zusammenfassbar ist. Dadurch reduziert sich die Datenmenge und die Ausleserate und die Übertragungsrate können erhöht werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kameraspiegel um eine horizontale Achse, die senkrecht auf der Einfallsrichtung des Lichtbündels liegt, geneigt. Dieser Neigungswinkel dient in Abhängigkeit von den Fokusabständen als weiterer Freiheitsgrad zur Korrektur von Abbildungsfehlern.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens einer der Eintrittsspalte um eine Achse drehbar angeordnet, welche mit der Einfallsrichtung des Lichtes zusammenfällt. Dann kann eine Anpassung der Eintrittsspaltanordnung an die weiteren Gegebenheiten vorgenommen werden, ohne die Eintrittsspaltanordnung auszutauschen. Der Spaltwinkel kann mittels Rechnermitteln, z. B. über einen Computer berechnet werden und Stellmittel zum Einstellen des Spaltwinkels können zur Automatisierung vorgesehen werden.

Die Justage der Spaltpositonen kann über ein Verfahren mit folgenden Schritten vorgenommen werden:

a) Bestimmung einer Austrittsebene des Spektrometers nach den Regeln der geometrischen Optik, insbesondere Bestimmung des Verlaufs der Beugungsordnung im Bereich einer ausgewählten monochromatischen Wellenlänge in dieser Bildebene
b) Einrichtung einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle der ausgewählten monochromatischen Wellenlänge an einer ausgewählten Position innerhalb der Beugungsordnung in der Bildebene des Spektrometers,
c) Bestimmung der ersten, meridionalen Position des Bildes der Lichtquelle welches nach Durchlaufen der von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündel in rückwärtiger Richtung durch das Spektrometer in einer ersten, meridionalen Spaltebene entsteht,
d) Einrichtung eines Spaltes an dieser Position derart, daß das Lichtbündel vollständig durch den Spalt hindurchtreten kann,
e) Bestimmung der zweiten, sagittalen Positon des Bildes der Lichtquelle, welches nach Durchlaufen der von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündel in rückwärtiger Richtung durch das Spektrometer in einer zweiten, sagittalen Spaltebene entsteht und
f) Einrichtung eines weiteren Spaltes an einer Position derart, daß das Licht durch den Spalt hindurchtreten kann,
g) Einrichtung einer zweiten, im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle der ausgewählten monochromatischen Wellenlänge an einer zweiten Position in der Bildebene, welche bezüglich des Verlaufes der Beugungsordnung senkrecht zur Position der ersten Lichtquelle verschoben ist,
h) Bestimmung der meridionalen Position des Bildes der zweiten Lichtquelle entsprechend (c)
i) Einrichtung eines Spaltes an dieser Position derart, daß die Lichtbündel beider Lichtquellen vollständig durch den Spalt hindurchtreten können,
j) Bestimmung der sagittalen Positon des Bildes der zweiten Lichtquelle in der sagittalen Spaltebene,
k) Neigung des spärischen, konkaven Kameraspiegels um eine Achse parallel zu den Gitterfurchen des ersten dispergierenden Elementes derart, daß die Längsachsen der sagittalen Bilder beider Lichtquellen auf einer Linie liegen,
l) Schrittweise Änderung des Abstandes zwischen der Bildebene und dem Kameraspiegel derart, daß nach jeweils erneuter Ausführung der Justageschritte (b) bis (1) die Längsachsen der sagittalen Bilder beider Lichtquellen auf einer Linie liegen.

Bei diesem Verfahren wird der Lichtweg umgekehrt, um diejenigen Spaltpositionen zu bestimmen, bei denen die auftretenden Abbildungsfehler in der Austrittsebene kompensiert werden. Das gilt besonders für diejenigen Abbildungsfehler, welche in Richtung der Hauptdispersionsrichtung wirken. Insbesondere kann mit diesem Verfahren der optimale Winkel der Spaltkomponenten zueinander bestimmt werden.

Mit diesem Verfahren sind aber auch jene Fehler kompensierbar, bei denen nicht nur eine Verdrehung der Spaltkomponenten gegeneinander auftritt, sondern auch z. B. eine Krümmung. Die Lichtquelle in der Austrittsebene produziert im Eintrittsbereich des Spektrometers gerade die Bilder, mit deren Positionen und Formen Eintrittsspalte im umgekehrten Lichtweg eine scharfe Abbildung bewirken.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Nachstehend sind einige Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des allgemeiner Aufbaus

Fig. 2 die Eintrittsspalt-Anordung als Detail

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Echelle-Gitter in vergrößerter Darstellung

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Strahlengang

Fig. 5 ein typisches Spektrum eines Wellenlängen-Kontinuums

Fig. 6 ein typisches Linien-Spektrum bei einjustierten Eintrittsspalten

Fig. 7 ein typisches Linien-Spektrum bei unjustierten Eintrittsspalten

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Prismenanordnung mit mehreren Prismen und einem Planspiegel

Fig. 9 eine Draufsicht auf die Prismenanordnung mit einem verspiegelten Prisma

Fig. 10 eine Seitenansicht auf den Strahlengang bei geneigtem Kameraspiegel

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Spektrometer 10 schematisch dargestellt. Das Licht einer Lichtquelle 12 wird mittels einer Linse 14 oder eines Spiegels auf eine Eintrittsspalt- Anordnung 16 fokussiert. Die Eintrittsspalt-Anordnung 16 besteht im wesentlichen aus zwei Spaltmasken 18 und 20. Die Spaltmasken sind senkrecht in einem Abstand zueinander entlang der optischen Achse 22 angeordnet. In Fig. 2 ist die Eintrittsspalt- Anordnung 16 nochmals im Detail dargestellt. Die Spaltmasken 18 und 20 bestehen im wesentlichen aus einer Metall-Folie mit jeweils einer Spaltöffnung 24 und 26 definierter Breite. Alternativ kann auch jeweils eine handelsübliche Spaltanordnung mit verstellbaren Spaltbacken verwendet werden.

Die Spaltöffnung 26 verläuft im wesentlichen vertikal auf der Höhe der optischen Achse. Die Spaltöffnung 24 verläuft unter einem Winkel ϕ gegenüber der Horizontalen 28 geneigt. Es gelangt nur Licht durch die Eintrittsspaltanordnung, welches beide Spaltöffnungen passiert. Dies ist bei Licht der Fall, welches entlang der optischen Achse verläuft. Es können weiterhin an Stelle der Linse 14 Mittel zur astigmatischen Beleuchtung der Eintrittsspaltanordnung eingesetzt werden.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird das Licht mittels eines sphärischen Konkav-Spiegels 30 parallelisiert. Das parallele Bündel 32 trifft anschließend auf ein Echelle-Gitter 34, wo es dispergiert wird. Die Gitterfurchen 44 verlaufen horizontal. Die Dispersion erfolgt senkrecht zu den Gitterfurchen, d. h. vertikal in Fig. 1. Das parallele Lichtbündel 32 fällt bezogen auf die Dispersionsebene unter einem sehr flachen Winkel auf das Echelle-Gitter 34. Der Winkel entspricht annähernd 90 Grad minus dem Blazewinkel des Echelle- Gitters. In Fig. 3 ist das Echelle-Gitter 34 nochmals im Detail von der Seite dargestellt.

Das Echelle-Gitter 34 umfasst stufenförmige Gitterfurchen 44. Die Gitterfurchen 44 haben einen Abstand d, welcher der Gitterkonstanten entspricht. Der Einfallswinkel α ist der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl 32 und der Senkrechten 46 auf das Gitter 34. Der Beugungswinkel β ist der Winkel zwischen gebeugtem Strahl 58 und der Senkrechten 46 auf das Gitter 34. Als Blazewinkel θ_B wird der Winkel zwischen der Senkrechten 46 auf das Gitter 34 und der Senkrechten 54 auf die schmale Flächen der Gitterfurchen 44 bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel fallen die Winkel α, β und θ_B annähernd zusammen.

Durch einen hohen Blazewinkel wird die Intensität des Beugungsbildes auf hohe Beugungsordnungen in der Gegend zwischen dreißigster und hundertdreißigster Ordnung für die zu messenden Wellenlängen konzentriert. Eine hohe Beugungsordnung bewirkt eine hohe Auflösung. Desgleichen bewirkt ein großer Beugungswinkel, der im vorliegenden Fall 76 Grad beträgt eine hohe Auflösung. Das Echelle-Gitter 34 hat eine geringe Strichzahl von 75 Striche pro Millimeter um für Wellenlängen im Bereich von 190 nm bis 852 nm eine möglichst hohe Winkeldispersion zu erreichen. Typischerweise werden Strichzahlen von 25 bis 250 Striche pro Millimeter verwendet. Durch den großen Einfallswinkel muß das Gitter 34 entsprechend lang sein, wenn die gesamte Strahlung auf das Gitter auftreffen soll.

Das parallele Bündel 32 (Fig. 1) fällt bezogen auf eine Ebene senkrecht zu den Gitterfurchen unter einem Winkel γ, dem sogenannten off-plane Winkel, auf das Gitter 34. In Fig. 3 entspricht diese Ebene der Papierebene. In Fig. 4 ist dies nochmals als Draufsicht dargestellt. Der Strahl 22 wird an dem Spiegel 30 reflektiert und fällt unter dem off-plane Winkel γ auf das Echelle-Gitter 34. Dort wird er in der Ebene parallel zu den Gitterfurchen 44 reflektiert und in der dazu senkrechten Dispersionsebene gebeugt.

Der reflektierte und dispergierte Strahl 58 wird durch ein Prisma 60 mit Dachkante 62 gelenkt. In Fig. 1 verläuft die Dachkante 62 des Prismas 60 senkrecht. Der Strahl 58 wird in dem Prisma 60 dispergiert, trifft dahinter auf einen Planspiegel 64 und wird zurück in das Prisma 60 reflektiert. Dort wird der Strahl erneut dispergiert. Entsprechend der senkrechten Dachkante 62 des Prismas 60 wird der Strahl zweifach in horizontaler Richtung, also senkrecht zur Gitterdispersionsrichtung (Hauptdispersionsrichtung) dispergiert (Querdispersion). Die in Hauptdispersionsrichtung überlappenden Ordnungen werden durch die im Vergleich zur Hauptdispersion erheblich geringere Querdispersion am Prisma 60 in einer Richtung senkrecht zur Hauptdispersionsrichtung auseinandergezogen.

Nach der Fokussierung der für jeweils genau eine Wellenlänge parallelen Bündel 66 mittels eines weiteren sphärischen Konkav-Spiegels 68 erhält man somit einen fokussierten Strahl 69. Es entsteht ein zweidimensionales Spektrum 70 in der Austrittsebene 72. Das Spektrum eines kontinuierlichen Strahlers ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Wellenlängen verteilen sich in Hauptdispersionsrichtung in Richtung des Pfeils 74. Die verschiedenen Ordnungen werden in Querdispersionsrichtung, dargestellt durch Pfeil 76, auseinandergezogen. So liegt die 100.Ordnung 78, z. B. neben der 99.Ordnung 80.

In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Rahmen (nicht dargestellt) um den Bereich der Austrittsebene 72 angeordnet. An diesem Rahmen läßt sich ein Detektor befestigen. In einem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Charged-Coupled-Device (CCD)-Detektor üblicher Bauart in der Austrittsebene angeordnet. Der CCD-Detektor in Fig. 6 ist mit Bildelementen 84 versehen, welche in einem rechtwinkligen Raster in horizontalen Detektorzeilen 94 und vertikalen Detektorspalten 92 angeordnet sind. Der Detektor ist so ausgerichtet, daß die Detektorspalten 92 entlang den Beugungsordnungen 74 des Echelle- Gitters 34 in Fig. 5 verlaufen.

Durch Drehung der Spaltmaske 18 kann die Spaltöffnung 24, durch welche das Spaltbild in Hauptdispersionsrichtung begrenzt wird, um einen Winkel ϕ gegenüber der Horizontalen gedreht werden. Die Drehung erfolgt so, daß die Spaltbilder der verschiedenen Wellenlängen jeweils senkrecht zu den Detektorspalten 92, in Richtung der Detektorzeilen 94 ausgerichtet sind. Die Spaltöffnung 26 in der Spaltmaske 20 verläuft vertikal. Dies ist in Fig. 6 anhand eines Linienspektrums mit scharfen Linien 82 dargestellt. In diesem Fall sind die Spaltöffnungen in den Spaltmasken optimal zueinander justiert.

Jede Linie 82 erstreckt sich über zwei Bildpunkte 84 in der gleichen Zeile und in benachbarten Spalten des Detektors in horizontaler Richtung, dargestellt durch einen Pfeil 76 in Fig. 6. Die Signale der beiden benachbarten Bildpunkte entsprechen der gleichen Wellenlänge und können zu einem Signal zusammengefasst werden. Die Linien 86 und 82 liegen in einer Ordnung, gehören aber zu verschiedenen Wellenlängen.

In Fig. 7 ist der Fall dargestellt, bei welchem die Spaltöffnungen 18 und 20 nicht optimal zueinander justiert sind. Die der Linie 82 in Fig. 6 entsprechende Linie 96 erstreckt sich über mehrere Bildpunkte 98, 100, 102 und 104 in verschiedenen Detektorzeilen des Detektors. Dadurch wird die Auswertung des Spektrums erschwert und die spektrale Auflösung des Spektrometers verschlechtert. Des weiteren tritt in manchen Fällen eine Verfälschung dadurch auf, daß Licht von zwei verschiedenen Linien 95, 96 ein und dieselbe Detektorzeile 97 erreicht.

In einer weiteren Ausführungsform arbeitet das Spektrometer im Monochromatorbetrieb. Dann ist das Gitter 34 um eine Achse 106 beweglich, die parallel zu den Gitterfurchen verläuft. Die Drehung kann mittels eines rechnergesteuerten Schrittmotors (nicht dargestellt) erfolgen. Der Schrittmotor ist mit einem Hebelarm verbunden, über welchen der Drehwinkel einstellbar ist. Mit der Drehung des Gitters 34 erfolgt die Verschiebung einer Linie einer ausgewählten Wellenlänge in Richtung der Hauptdispersion in der Austrittsebene, also in Richtung des Pfeils 74 in Fig. 5 beziehungsweise in der dazu entgegengesetzten Richtung.

Des weiteren ist das Prisma 60 um eine Achse parallel zur Dachkante 62 drehbar. Auch diese Drehung kann Schrittmotor-gesteuert erfolgen. Das Prisma 60 wird dazu auf einem drehbaren Tisch befestigt, z. B. durch Kleben. Der Tisch wird wiederum mit einem Hebelarm verbunden, welcher mit dem Schrittmotor bewegt wird. Durch eine Drehung des Prismas 60 wird die Verschiebung einer Ordnung in Richtung des Pfeils 76 (Fig. 5) beziehungsweise in der dazu entgegengesetzten Richtung bewirkt. Das Prisma kann allein um die Achse parallel zur Dachkante 62 gedreht werden. Es kann aber auch der Spiegel 64 gekoppelt mit dem Prisma oder unabhängig vom Prisma mitbewegt werden (nicht dargestellt).

Durch die - möglichst gleichzeitige - Steuerung der Gitter- und Prismendrehung kann eine Wellenlänge in einem Spektrum gezielt an einen vorgegebenen Ort "gefahren" werden, an welchem ein Detektor angeordnet ist. Man erhält dann am Detektor das Signal für diese eine Wellenlänge. Da das Spektrum auf viele Ordnungen verteilt ist, kann ein großer Spektrumsbereich in vergleichsweise kurzen Stellzeiten überstrichen werden. Es braucht nicht mehr jede Wellenlänge abgetastet werden, sondern nur noch die richtige Ordnung eingestellt und der relativ kurze Weg innerhalb der Ordnung bis zur ausgewählten Wellenlänge einjustiert werden.

Mit einem Prisma ist nur eine begrenzte Winkeldispersion erreichbar. Es kann aber wünschenswert sein, die Ordnungen weiter auseinander zu ziehen. Dies is z. B. der Fall, wenn für jede Wellenlänge eine große Lichtmenge auf den Detektor fallen soll. Dann kann die Prismendispersion durch Hintereinanderschalten eines oder mehrerer weiterer Prismen vergrößert werden. Dies ist für zwei identische Prismen in Fig. 8 dargestellt. Zwischen dem Echelle-Gitter 34 und dem Prisma 60 ist ein weiteres Prisma 110 angeordnet. Dadurch wird das Licht weiter dispergiert und der effektive Prismenwinkel setzt sich zusammen aus den Prismenwinkeln der beiden Prismen 60 und 110.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Ordnungen mit einem anderen Dispersionsverlauf getrennt. Hierfür wird ein weiteres Prisma aus einem anderen Material verwendet.

Eine weitere Vergrößerung der Querdispersion wird in einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) erreicht. Dazu wird an Stelle des Planspiegels 64 in Fig. 8 ein Plangitter eingesetzt. Die Furchen dieses Plangitters sind parallel zur Dachkante 62 des Prismas 60 orientiert. Einfallswinkel und Strichzahl des Gitters werden dabei vorzugsweise so gewählt, daß der mit der resultierenden Winkeldispersion von Gitter und Prisma (bzw. Gitter und Prismen) erzeugte Abstand zwischen benachbarten Ordnungen in der Bildebene 72 für den gesamten zu messenden Wellenlängenbereich im wesentlichen äquidistant ist.

Wird keine große Ordnungstrennung benötigt, so kann ein einseitig verspiegeltes Prisma 112 verwendet werden. Dies ist in Fig. 9 dargestellt. Der maximale Prismenwinkel 114 ist jedoch begrenzt, da der Lichtstrahl 66 für zu große Winkel im Prisma totalreflektiert wird.

Der Verlauf der optischen Achse 22 ist in Fig. 10 nochmals anhand einer seitlichen Darstellung des Aufbaus des Spektrometers 10 dargestellt. Man erkennt, daß die optische Achse im wesentlichen in einer Ebene 114 verläuft, bis sie auf den Spiegel 68 trifft. Der Spiegel 68 ist etwas verkippt, derart, daß der Strahl 69 mit einem geringen Winkel aus der Ebene 114 läuft.

Claims

1. Optisches Spektrometer (10) mit einem astigmatischen Abbildungsfehler, enthaltend

a) ein Gitter (34) zur Dispersion des in das Spektrometer eintretenden Lichtes in einer ersten Dispersionsrichtung,
b) ein zweites dispergierendes Element (60) zur Dispersion des in das Spektrometer eintretenden Lichtes in einer zweiten Dispersionsrichtung, welche einen Winkel mit der ersten Dispersionsrichtung bildet
c) einem Kollimatorspiegel (30),
d) einen Kameraspiegel (68),
e) einen ersten Eintrittsspalt (24), zur Bündelbegrenzung in der ersten Dispersionsrichtung, welcher auf der optischen Achse (22) in einem ersten Abstand zum Kollimatorspiegel (30) befindlich ist, und
f) einen zweiten Eintrittsspalt (26), zur Bündelbegrenzung in der zweiten Dispersionsrichtung, welcher auf der optischen Achse (22) in einem zweiten Abstand zum Kollimatorspiegel (30) befindlich ist, wobei
g) die Eintrittsspalte (24, 26) derart angeordnet sind, daß das sagittale Bild des ersten Eintrittsspaltes (24) und das meridionale Bild des zweiten Eintrittsspaltes (26) in einer Bildebene (72) des Spektrometers (10) zusammenfallen, und
h) das Gitter (34) vor dem zweiten dispergierenden Element im Strahlengang im optischen Strahlengang angeordnet ist und unter einem off-plane Winkel (γ) beleuchtbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) der erste und der zweite Eintrittsspalt (24, 26) in einem von 90 Grad verschiedenen Winkel (ϕ) zueinander auf der optischen Achse (22) angeordnet sind, und
b) der erste und zweite Abstand der Eintrittsspalte (24, 26) zum Kollimatorspiegel (30), sowie der Winkel des ersten Eintrittsspaltes (24) um die optische Achse (22) derart gewählt sind, daß die sagittalen Bildpunkte für alle Bündel, welche durch den ersten Eintrittsspalt (24) laufen, im wesentlichen in einer Linie in der Bildebene (72) des Spektrometers (10) abgebildet werden und daß diese Linie im wesentlichen senkrecht zur ersten Dispersionsrichtung verläuft.

2. Spektrometer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitel- und Mittelpunkte der optischen Komponenten in einer Hauptebene befindlich sind.

3. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (34) ein Echelle-Gitter ist.

4. Spektrometer (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Echelle-Gitter (34) einen Blazewinkel von 76 Grad hat.

5. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite dispergierende Element ein Prisma (60) ist.

6. Spektrometer (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (60) einen Prismenwinkel von wenigstens 5 Grad hat.

7. Spektrometer (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (60) einseitig verspiegelt ist, derart, daß der von dem Prisma (60) dispergierte Strahl (58) ein weiteres Mal durch das Prisma (60) lenkbar ist.

8. Spektrometer (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Prisma (60) ein Spiegel (64) angeordnet ist, an welchem der von dem Prisma (60) dispergierte Strahl (58) in das Prisma (60) zurück reflektierbar ist.

9. Spektrometer (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Prisma (60) ein Beugungsgitter angeordnet ist, an welchem der von dem Prisma (60) dispergierte Strahl in das Prisma (60) zurück beugbar ist.

10. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor dem Prisma (60) wenigstens ein weiteres Prisma (110) angeordnet ist.

11. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite dispergierende Element ein Beugungsgitter ist.

12. Spektrometer (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Beugungsgitter ein Prisma angeordnet ist.

13. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kameraspiegel (68) als sphärischer Spiegel ausgebildet ist.

14. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimatorspiegel (30) als sphärischer Spiegel ausgebildet ist.

15. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (34) um eine Achse (106) drehbar gelagert ist, welche senkrecht seiner Dispersionsebene verläuft.

16. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite dispergierende Element (60) um eine Achse (62) drehbar gelagert ist, welche senkrecht zur Dispersionsebene verläuft.

17. Spektrometer (10) nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch Rechnermittel zur Berechnung des Drehwinkels aus einer Wellenlänge und einer ausgewählten Lage des Spaltbildes in der Bildebene (72) und durch Stellmittel zum Einstellen des Drehwinkels.

18. Spektrometer (10) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellmittel von einem Computergesteuerten Schrittmotor gebildet ist, mittels welchem ein an dem dispergierenden Element angebrachter Hebelarm bewegbar ist.

19. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, soweit sie auf Anspruch 16 zurückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die dispergierenden Elemente gleichzeitig drehbar sind.

20. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flächendetektor in der Bildebene (72) angeordnet ist.

21. Spektrometer (10) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächendetektor von einem Festkörperdetektor mit einer Vielzahl von Bildpunkten (84) gebildet ist, bei welchem das Signal auf allen Bildpunkten (84), welche derselben Wellenlänge zuordenbar sind, von der Hardware zu einem einzigen Signal zusammenfassbar ist.

22. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kameraspiegel (68) um eine horizontale Achse, die senkrecht auf der Einfallsrichtung des Lichtbündels liegt, geneigt ist.

23. Spektrometer (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Eintrittsspalte (24, 26) um eine Achse (22) drehbar angeordnet ist, welche mit der Verbindungslinie zwischen den Spaltmittelpunkten und der Mitte des Kollimatorspiegels (30) zusammenfällt.

24. Spektrometer (10) nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch Rechnermittel zur Berechnung des Spaltwinkels (ϕ) und Stellmittel zum Einstellen des Spaltwinkels.

25. Verfahren zur Justage der Spaltpositionen eines Spektrometers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Bestimmung einer Bildebene (72) des Spektrometers (10) nach den Regeln der geometrischen Optik, insbesondere Bestimmung des Verlaufs der Beugungsordnung (78, 80) im Bereich einer ausgewählten monochromatischen Wellenlänge in dieser Bildebene (72)
b) Einrichtung einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle der ausgewählten monochromatischen Wellenlänge an einer ausgewählten Position innerhalb der Beugungsordnung (78, 80) in der Bildebene des Spektrometers (10),
c) Bestimmung der ersten, meridionalen Position des Bildes der Lichtquelle welches nach Durchlaufen der von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündel in rückwärtiger Richtung durch das Spektrometer (10) in einer ersten, meridionalen Spaltebene (20) entsteht,
d) Einrichtung eines Spaltes (26) an dieser Position derart, daß das Lichtbündel vollständig durch den Spalt hindurchtreten kann,
e) Bestimmung der zweiten, sagittalen Positon des Bildes der Lichtquelle, welches nach Durchlaufen der von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündel in rückwärtiger Richtung durch das Spektrometer in einer zweiten, sagittalen Spaltebene (18) entsteht und
f) Einrichtung eines weiteren Spaltes (24) an einer Position derart, daß das Licht durch den Spalt hindurchtreten kann,
g) Einrichtung einer zweiten, im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle der ausgewählten monochromatischen Wellenlänge an einer zweiten Position in der Bildebene, welche bezüglich des Verlaufes der Beugungsordnung senkrecht zur Position der ersten Lichtquelle verschoben ist,
h) Bestimmung der meridionalen Position des Bildes der zweiten Lichtquelle entsprechend (c)
i) Einrichtung eines Spaltes an dieser Position derart, daß die Lichtbündel beider Lichtquellen vollständig durch den Spalt hindurchtreten können,
j) Bestimmung der sagittalen Positon des Bildes der zweiten Lichtquelle in der sagittalen Spaltebene,
k) Neigung des Kameraspiegels (68) um eine Achse parallel zu den Gitterfurchen des ersten dispergierenden Elementes derart, daß die Längsachsen der sagittalen Bilder beider Lichtquellen auf einer Linie liegen,
l) Schrittweise Änderung des Abstandes zwischen der Bildebene (72) und dem Kameraspiegel (68) derart, daß nach jeweils erneuter Ausführung der Justageschritte (b) bis (1) die Längsachsen der sagittalen Bilder beider Lichtquellen auf einer Linie liegen.