DE10011462C2

DE10011462C2 - Optical spectrometer with astigmatism compensation

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: DE10011462A1; AU2001231689A1; WO2001069190A1

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, ...An optical spectrometer with an astigmatic aberration contains a grating for dispersing the light entering the spectrometer in a first direction of dispersion and a second dispersing element for dispersing the light entering the spectrometer in a second direction of dispersion, which forms an angle with the first direction of dispersion. A collimator mirror, a camera mirror and an entry slit arrangement are also provided. A first entry slit is provided for bundle limitation in the first dispersion direction, which is located on the optical axis at a first distance from the collimator mirror, and a second entry slit is for bundle limitation in the second dispersion direction, which is located on the optical axis at a second distance from the collimator mirror is provided. The entrance slits are arranged in such a way that the sagittal image of the first entrance slit and the meridional image of the second entrance slit coincide in an image plane of the spectrometer. The grating can be illuminated at an off-plane angle and the first and the second entrance slits are arranged at an angle other than 90 ° on the optical axis. The first and second distance of the entrance slit to the collimator mirror as well as the angle of the first entrance slit around the optical axis can be chosen such that the sagittal pixels for all bundles, ...

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft ein Optisches Spektrometer mit einem astigmatischen Abbildungsfehler, enthaltend
The invention relates to an optical spectrometer with an astigmatic aberration

a) a grating for the dispersion of the light entering the spectrometer in a first Dispersion direction,
b) a second dispersing element for dispersing the in the spectrometer entering light in a second direction of dispersion, which is an angle with the forms the first direction of dispersion,
c) a collimator mirror,
d) a camera mirror,
e) a first entrance slit, for limiting the bundle in the first direction of dispersion, which is on the optical axis at a first distance from the collimator mirror is located, and
f) a second inlet gap, for limiting the bundle in the second direction of dispersion, which is on the optical axis at a second distance from the collimator mirror is located, whereby
g) the entrance columns are arranged such that the sagittal image of the first Entry slit and the meridional image of the second entry slit in one image plane of the spectrometer coincide, and
h) the grating in front of the second dispersing element in the optical path Beam path is arranged and can be illuminated at an off-plane angle (γ).

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Justage der Spaltpositionen.The invention further relates to a method for adjusting the gap positions.

State of the art

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.Optical spectrometers are used for the wavelength-dependent decomposition of light at least one dispersing element. Depending on the application, there are different ones Spectrometer. The spectrum is the intensity distribution depending on the Designated wavelength. With spectrographs, a whole spectrum section is at the same time detectable in the image plane of the spectrometer. With monochromators, the light becomes one selected wavelength directed to an exit slit. By rotating the In the case of monochromators, the dispersing element can then have the wavelength at the exit slit be varied and you get an intensity distribution over time or the angle of rotation, which can each be assigned to a wavelength.

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.In the spectrometers of the present type, the light from a light source is transmitted through a Entry slit arrangement through to a concave collimator mirror, usually one spherical mirror, a toroid mirror or a paraboloid mirror. The Collimator mirrors transform the light into a parallel bundle. The parallel bundle is applied to a dispersing element, e.g. B. directed an Echelle grating. Have Echelle grids a stepped surface on which the incident light beam reflects and is bowed. The light beams diffracted depending on the wavelength are Camera mirror focused in the image plane of the spectrometer.

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.Echelle grating with a grating groove spacing that is significantly larger than the longest measuring wavelength, usually disperse the light with a large blaze angle in high order. This creates a spectrum with an overlay of different ones Orders with a comparatively small free spectral range.

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.Arrangements are known in which the light is spectral before it enters the spectrometer is pre-disassembled so that essentially only light of one order reaches the spectrometer.

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.There are also, e.g. B. from DD 256 060 or DD 292 078, spectrometer with internal Order separation known, in which another within the beam path dispersing element is arranged which transversely to the light Main direction of dispersion of the echelle grating spectrally decomposed. This will make the different orders separated angularly and it arises after the Image through the camera mirror a two-dimensional spectrum. With these The maximum usable "gap height" is determined by the degree of transverse dispersion limited. These known spectrometers therefore have two slit widths: one slit width, which limits the incoming light beam in the main direction of dispersion and another, which causes a limitation in the transverse dispersion direction.

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. The known spectrometers are optical, depending on the arrangement and properties Components usually with aberrations such as coma and / or astigmatism afflicted. In the case of astigmatism, the meridional and sagittal image locations differ. With in other words: a point-shaped object is in one direction, e.g. B. horizontally distorted, in focus at a location that is in front of or behind the location where the object is in another direction, e.g. B. is vertically distorted sharp.

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".It is also from the above. Publications known method, astigmatism in spectrometers to be remedied by a preferably point-shaped light source by means of spherical and / or toric mirror is mapped towards the collimator in such a way that on Spectrometer input creates an astigmatic image. This astigmatic picture is at one Place a horizontally extended "light strip" and something behind it on the optical axis a vertically extended "strip of light".

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.At the location of the astigmatic image there is an entrance slit arrangement from two crossed entry columns arranged one behind the other. At this Entry slit arrangement, the entry slits are just positioned so that the "light streaks" be let through. The astigmatism of the spectrometer makes it artificial introduced astigmatism again compensated and in the image plane of the spectrometer creates an astigmatism-free image with increased resolution.

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.However, there are spectrometers in which the meridional and sagittal image location is not only in the direction of the optical axis, but at least one of the slit images is rotated around the optical axis. This occurs especially when the parallel Beams of light at an of-plane angle on a diffraction grating as a dispersing one Element meets. An off-plane angle is the angle that the parallel light beam has with the Level of dispersion, i.e. H. with the plane that is perpendicular to the furrows of a Diffraction grating, or perpendicular to the roof edge of a dispersion prism. In in this case the image of the gap appears which is the boundary in the image plane the slit images defined in the direction of the main dispersion, rotated about the optical axis.

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. The slit images in this case are not perpendicular relative to the order lines d. H. to Main direction of dispersion oriented in the image plane. If an area detector with and the column direction perpendicular to each other are used and are the Orders with respect to the main direction of dispersion essentially parallel to the Aligned detector rows, the slit image is inclined with respect to the column direction of the Detector. This leads to a rectangular, perpendicular to the main direction of dispersion stretched slit image to reduce the achievable spectral Resolution of the spectrometer.

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.EP 0833 135 A1 describes an Echelle spectrometer with internal order separation and Off-plane angle known. The spectrometer has only one entry slit, the Image errors caused by the off-plane angle by a trapezoidal Design of the entry gap compensated. There is a rotation of separate entry columns not described.

Disclosure of the invention

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.The object of the invention is to place in the image plane of a spectrometer the aforementioned Type with sharp grid dimensions to sharply image spectral lines. It is still Object of the invention, in such a spectrum with the lowest possible image errors generate in which the sagittal with the meridional image plane for selected Wavelengths coincide and in which the monochromatic slit images at best possible sharpness in the main dispersion direction essentially perpendicular to Course of the diffraction orders of the diffraction grating is aligned. It is still Object of the invention, a method for adjusting the positions of the entry gaps on a To create spectrometers of the type mentioned.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß
According to the invention the object is achieved in that

a) the first and second entry slits at an angle (ϕ) different from 90 degrees are arranged to each other on the optical axis, and
b) the first and second distance of the entrance column to the collimator mirror, and the Angles of the first entrance slit around the optical axis are chosen such that the sagittal pixels for all bundles that run through the first entry slit in the are essentially mapped in a line in the image plane of the spectrometer and that this line runs essentially perpendicular to the first direction of dispersion.

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.An anamorphic bundle transformation can occur when using an off-plane angle be avoided. The grid dimensions can be optimized. Through the off-plane At an angle, however, the sagittal image of the entrance slit is twisted in the image plane on. This twisting can be done by changing the angle between the entry gaps be compensated. As a result, the imaging properties of the spectrometer remain despite get off-plane angle.

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).This is particularly advantageous if surface detectors are perpendicular to each other arranged pixels are used to record a spectrum. The light of one Wavelength is then equal to a minimum number of pixels Column coordinate distributed in a row of adjacent detector rows whose Signals hardware-wise without loss of spectral resolution to a single signal can be summarized (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.The first and second distances of the entry gaps are preferably to Collimator mirror and the angle of the first entry slit around the optical axis chosen in such a way that the sagittal pixels for all bundles through the first Entry slit run, essentially in a line in the image plane of the spectrometer are shown and that this line is substantially perpendicular to the first Dispersion direction runs.

Die Scheitel- und Mittelpunkte der optischen Komponenten liegen vorzugsweise in einer Ebene, die die Hauptebene des Spektrometers definiert.The apex and center points of the optical components preferably lie in one Plane that defines the main plane of the spectrometer.

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.In a preferred embodiment of the invention, the grating is an Echelle grating with a preferred blaze angle of 76 degrees. As a second dispersing element a prism can be used which has a prism angle of at least 5 degrees Has.

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.The prism is preferably mirrored on one side so that the one dispersed by the prism Beam is steerable again through the prism. Then one can be special compact arrangement can be achieved in which a high resolution with small Dimensions is reached.

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. Alternatively, a mirror is arranged behind the prism, on which the mirror of the prism dispersed beam can be reflected back into the prism. This makes for larger Prism angle also in a double pass and a higher without total reflection Prism dispersion possible. But there can also be a diffraction grating behind the prism be arranged at which the beam dispersed by the prism into the prism bend back. This is an increased and compared to the prism dispersion their wavelength dependence changed transverse dispersion realizable.

Zur weiteren Erhöhung der Dispersion am Prisma kann im Strahlengang vor dem Prisma wenigstens ein weiteres Prisma angeordnet sein.To further increase the dispersion on the prism, the beam path in front of the prism at least one further prism can be arranged.

In einer alternativen Anordnung ist das zweite dispergierende Element ein Beugungsgitter, hinter dem ein Prisma angeordnet sein kann.In an alternative arrangement, the second dispersing element is one Diffraction grating, behind which a prism can be arranged.

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.The camera mirror and collimator mirror are expediently used as a spherical mirror educated. Spherical mirrors are generally the most common of all concave mirror types inexpensive to manufacture and inexpensive to adjust. However, toroidal Mirrors or paraboloid mirrors are used, the curvatures of which Conditions of the spectrometer are adjusted.

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.If the first dispersing element is rotatably supported about an axis, which perpendicular to its plane of dispersion, the slit image of a wavelength in the image plane in the direction of dispersion. The second dispersing Element can also be rotatably mounted about an axis which is perpendicular to second dispersion level. About the rotation of the second dispersing Elements, the order in the image plane can be changed. Then that's it Spectrometer can be used as a monochromator. Expediently Computer means provided for calculating the angle of rotation from a wavelength and a selected position of the slit image in the image plane and adjusting means for setting of the angle of rotation. The actuating means can be a computer-controlled stepper motor. With this stepping motor can be a lever arm attached to the dispersing element are moved and the wavelength is set at the exit slit.

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.The dispersing elements are preferably rotatable at the same time. Thereby the positioning times are shortened if both the order and the wavelength can be set within an order.

Im Monochromator kann der Austrittsspalt durch einen Zeilendetektor ersetzt werden, womit eine simultane Messung einer Wellenlänge mit ihrer spektralen Umgebung möglich wird. In the monochromator, the exit gap can be replaced by a line detector, with which a simultaneous measurement of a wavelength with its spectral environment becomes possible.

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 an alternative embodiment of the invention, an area detector is in the Exit plane arranged. All surface detectors are conceivable here, such as. B. Photo plates, CCD detectors, photodiode arrays or similar. Then the spectrometer is as Spectrograph can be used. The entire wavelength spectrum in question is detected simultaneously in the exit plane. Depending on the arrangement, they are distributed Wavelengths over several orders. A wavelength may also occur in 2 or more Orders at the same time.

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 a preferred embodiment of this alternative, the area detector is one Solid state detector formed with a plurality of pixels, in which the signal on all pixels, which can be assigned to the same wavelength, by the hardware can be combined into a single signal. This reduces the amount of data and the readout rate and the transmission rate can be increased.

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 a further embodiment of the invention, the camera mirror is horizontal Axis that is perpendicular to the direction of incidence of the light beam. This Tilt angle serves as a further depending on the focus distances Degree of freedom to correct imaging errors.

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.In a particularly preferred embodiment of the invention, at least one of the Entry column rotatably arranged about an axis which corresponds to the direction of incidence of the Light collapses. Then an adaptation of the entry gap arrangement to the other conditions can be made without the entry gap arrangement exchange. The gap angle can be calculated using computer means, e.g. B. on a computer can be calculated and adjusting means for adjusting the gap angle can be used Automation can be provided.

Die Justage der Spaltpositonen kann über ein Verfahren mit folgenden Schritten vorgenommen werden:
The gap positions can be adjusted using the following steps:

a) Determination of an exit plane of the spectrometer according to the rules of geometric optics, in particular determining the course of the Diffraction order in the range of a selected monochromatic wavelength in this image plane
b) Establishment of an essentially point-shaped light source of the selected one monochromatic wavelength at a selected position within the Diffraction order in the image plane of the spectrometer,
c) Determination of the first, meridional position of the image of the light source which after passing through the rays from the light source in backward through the spectrometer in a first, meridional Splitting plane arises,
d) Establishing a slit at this position so that the light beam is complete can pass through the gap,
e) Determination of the second, sagittal position of the image of the light source, which after passing through the rays from the light source in backward through the spectrometer in a second, sagittal Split level arises and
f) establishing a further slit at a position such that the light through the Gap can pass through
g) Setting up a second, essentially point-shaped light source selected monochromatic wavelength at a second position in the Image plane, which is perpendicular to the diffraction order Position of the first light source is shifted,
h) Determination of the meridional position of the image of the second light source according to (c)
i) Establish a slit at this position so that the light beams of both Light sources can completely pass through the gap,
j) Determination of the sagittal position of the image of the second light source in the sagittal fissure plane,
k) inclination of the spherical, concave camera mirror about an axis parallel to the Lattice grooves of the first dispersing element such that the longitudinal axes of the sagittal images of both light sources lie on one line,
l) Gradually change the distance between the image plane and the camera mirror so that after each new execution of the adjustment steps (b) to ( 1 ) the longitudinal axes of the sagittal images of both light sources lie on one line.

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.With this method, the light path is reversed to close those slit positions determine where the aberrations occurring in the exit plane be compensated. This applies particularly to those aberrations that are in Act in the direction of the main direction of dispersion. In particular, using this method the optimal angle of the gap components to each other can be determined.

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. This method can also be used to compensate for errors in which not just one Twisting of the gap components against each other occurs, but also z. Legs Curvature. The light source in the exit plane produces in the entrance area of the Spectrometer just the pictures, with their positions and forms entry column in the reverse light path produce a sharp image.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Nachstehend sind einige Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. Below are some embodiments described with reference to the accompanying drawings. It shows:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des allgemeiner Aufbaus Fig. 1 is a perspective view of the general structure

Fig. 2 die Eintrittsspalt-Anordung als Detail Fig. 2 shows the entrance gap arrangement as a detail

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Echelle-Gitter in vergrößerter Darstellung Fig. 3 is a side view of an Echelle grating in an enlarged view

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Strahlengang Fig. 4 is a plan view of the beam path

Fig. 5 ein typisches Spektrum eines Wellenlängen-Kontinuums Fig. 5 shows a typical spectrum of a wavelength continuum

Fig. 6 ein typisches Linien-Spektrum bei einjustierten Eintrittsspalten Fig. 6 shows a typical line spectrum with adjusted entry gaps

Fig. 7 ein typisches Linien-Spektrum bei unjustierten Eintrittsspalten Fig. 7 is a typical line spectrum in unadjusted entrance slits

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Prismenanordnung mit mehreren Prismen und einem Planspiegel Fig. 8 is a plan view of the prism arrangement with a plurality of prisms and a plane mirror

Fig. 9 eine Draufsicht auf die Prismenanordnung mit einem verspiegelten Prisma Fig. 9 is a plan view of the prism arrangement with a mirrored prism

Fig. 10 eine Seitenansicht auf den Strahlengang bei geneigtem Kameraspiegel Fig. 10 is a side view of the beam path with the camera mirror inclined

Description of an embodiment

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. Fig. 1 shows an inventive spectrometer 10 is shown schematically. The light from a light source 12 is focused on an entrance slit arrangement 16 by means of a lens 14 or a mirror. The entrance slit arrangement 16 essentially consists of two slit masks 18 and 20 . The slit masks are arranged vertically at a distance from one another along the optical axis 22 . In Fig. 2, the inlet gap arrangement 16 is shown again in detail. The gap masks 18 and 20 essentially consist of a metal foil, each with a gap opening 24 and 26 of a defined width. Alternatively, a commercially available gap arrangement with adjustable gap jaws can also be used.

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.The gap opening 26 extends essentially vertically at the height of the optical axis. The gap opening 24 is inclined at an angle ϕ with respect to the horizontal 28 . Only light passes through the entrance slit arrangement and passes through both stomata. This is the case with light that runs along the optical axis. Instead of the lens 14, means for astigmatic illumination of the entrance slit arrangement can also be used.

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.As shown in FIG. 1, the light is parallelized by means of a spherical concave mirror 30 . The parallel bundle 32 then strikes an Echelle grating 34 where it is dispersed. The grid furrows 44 run horizontally. The dispersion takes place perpendicular to the grating furrows, ie vertically in FIG. 1. The parallel light bundle 32 falls on the Echelle grating 34 at a very shallow angle with respect to the dispersion plane. The angle corresponds to approximately 90 degrees minus the blaze angle of the Echelle grating. In Fig. 3 the Echelle grating 34 is shown again in detail from the side.

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.The Echelle grating 34 comprises step-shaped grating grooves 44 . The lattice furrows 44 have a distance d which corresponds to the lattice constant. The angle of incidence α is the angle between the incident beam 32 and the perpendicular 46 to the grating 34 . The diffraction angle β is the angle between the diffracted beam 58 and the perpendicular 46 to the grating 34 . The blaze angle θ _B is the angle between the perpendicular 46 on the grid 34 and the perpendicular 54 on the narrow surfaces of the grid furrows 44 . In the present exemplary embodiment, the angles α, β and θ _B coincide approximately.

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.A high blaze angle concentrates the intensity of the diffraction pattern on high diffraction orders in the region between the thirtieth and hundredth and thirtieth order for the wavelengths to be measured. A high diffraction order results in a high resolution. Likewise, a large diffraction angle, which in the present case is 76 degrees, results in a high resolution. The Echelle grating 34 has a small number of lines of 75 lines per millimeter in order to achieve the highest possible angle dispersion for wavelengths in the range from 190 nm to 852 nm. Typically, line counts of 25 to 250 lines per millimeter are used. Due to the large angle of incidence, the grating 34 must be correspondingly long if all the radiation is to strike the grating.

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.The parallel bundle 32 ( FIG. 1) falls on the grid 34 at an angle γ, the so-called off-plane angle, with respect to a plane perpendicular to the grid furrows. In Fig. 3 this plane corresponds to the paper plane. In FIG. 4, this is shown again as a plan view. The beam 22 is reflected on the mirror 30 and falls on the Echelle grating 34 at the off-plane angle γ. There it is reflected in the plane parallel to the lattice furrows 44 and diffracted in the perpendicular dispersion plane.

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.The reflected and dispersed beam 58 is directed by a prism 60 with a roof edge 62 . In Fig. 1, the roof edge 62 of the prism 60 is perpendicular. The beam 58 is dispersed in the prism 60 , strikes a plane mirror 64 behind it and is reflected back into the prism 60 . The beam is redispersed there. Corresponding to the vertical roof edge 62 of the prism 60 , the beam is dispersed twice in the horizontal direction, that is to say perpendicular to the grating dispersion direction (main dispersion direction) (transverse dispersion). The orders overlapping in the main dispersion direction are pulled apart in a direction perpendicular to the main dispersion direction by the transverse dispersion on the prism 60, which is considerably smaller than in the main dispersion.

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.After focusing the bundles 66, which are parallel for exactly one wavelength in each case, by means of a further spherical concave mirror 68 , a focused beam 69 is thus obtained. A two-dimensional spectrum 70 arises in the exit plane 72 . The spectrum of a continuous radiator is shown schematically in FIG. 5. The wavelengths are distributed in the main direction of dispersion in the direction of arrow 74 . The various orders are pulled apart in the transverse dispersion direction, represented by arrow 76 . So the 100th order is 78 , e.g. B. next to the 99th order 80th

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.In the present embodiment, a frame (not shown) is arranged around the area of the exit plane 72 . A detector can be attached to this frame. In a first exemplary embodiment, a charged-coupled device (CCD) detector of a conventional type is arranged in the exit plane. The CCD detector in FIG. 6 is provided with picture elements 84 which are arranged in a rectangular grid in horizontal detector rows 94 and vertical detector columns 92 . The detector is oriented such that the detector columns 92 run along the diffraction orders 74 of the Echelle grating 34 in FIG. 5.

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.By rotating the slit mask 18 , the slit opening 24 , through which the slit image is delimited in the main dispersion direction, can be rotated by an angle ϕ with respect to the horizontal. The rotation takes place in such a way that the slit images of the different wavelengths are oriented perpendicular to the detector columns 92 , in the direction of the detector rows 94 . The gap opening 26 in the gap mask 20 runs vertically. This is shown in FIG. 6 using a line spectrum with sharp lines 82 . In this case, the stomata in the slit masks are optimally adjusted to each other.

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.Each line 82 extends over two pixels 84 in the same row and in adjacent columns of the detector in the horizontal direction, represented by an arrow 76 in FIG. 6. The signals of the two adjacent pixels correspond to the same wavelength and can be combined into one signal , Lines 86 and 82 are in one order, but belong to different wavelengths.

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 Fig. 7 shows the case in which the stomata are not optimally aligned with each other 18 and 20. Line 96 , corresponding to line 82 in FIG. 6, extends over a plurality of pixels 98 , 100 , 102 and 104 in different detector lines of the detector. This makes the evaluation of the spectrum more difficult and the spectral resolution of the spectrometer deteriorates. Furthermore, falsification occurs in some cases in that light from two different lines 95 , 96 reaches one and the same detector line 97 .

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.In a further embodiment, the spectrometer works in monochromator mode. The grid 34 is then movable about an axis 106 which runs parallel to the grid furrows. The rotation can take place by means of a computer-controlled stepper motor (not shown). The stepper motor is connected to a lever arm, via which the angle of rotation can be adjusted. With the rotation of the grating 34 , a line of a selected wavelength is shifted in the direction of the main dispersion in the exit plane, that is to say in the direction of the arrow 74 in FIG. 5 or in the opposite direction.

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).Furthermore, the prism 60 can be rotated about an axis parallel to the roof edge 62 . This rotation can also be stepper motor controlled. The prism 60 is attached to a rotatable table, e.g. B. by gluing. The table is in turn connected to a lever arm which is moved by the stepper motor. By rotating the prism 60 , an order is shifted in the direction of arrow 76 ( FIG. 5) or in the opposite direction. The prism can only be rotated about the axis parallel to the roof edge 62 . However, the mirror 64 can also be coupled to the prism or moved independently of the prism (not shown).

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. By - if possible simultaneously - controlling the grating and prism rotation, one can Wavelength can be "driven" to a specified location in a spectrum, on which a detector is arranged. The signal for is then obtained at the detector this one wavelength. Since the spectrum is divided into many orders, one can large spectrum range can be covered in comparatively short positioning times. It it is no longer necessary to scan every wavelength, just the right one Order set and the relatively short path within the order to selected wavelength can be adjusted.

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.Only a limited angular dispersion can be achieved with a prism. However, it may be desirable to pull the orders further apart. This is e.g. B. the case when a large amount of light should fall on the detector for each wavelength. Then the prism dispersion can be increased by cascading one or more other prisms. This is shown for two identical prisms in FIG. 8. Another prism 110 is arranged between the Echelle grating 34 and the prism 60 . As a result, the light is further dispersed and the effective prism angle is composed of the prism angles of the two prisms 60 and 110 .

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Ordnungen mit einem anderen Dispersionsverlauf getrennt. Hierfür wird ein weiteres Prisma aus einem anderen Material verwendet.In an embodiment not shown, the orders are marked with a different dispersion course separately. For this another prism becomes another Material used.

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.A further increase in the transverse dispersion is achieved in an alternative exemplary embodiment (not shown). For this purpose, instead of the plane mirror 64 in FIG. 8, a plane grid is used. The furrows of this plan grid are oriented parallel to the roof edge 62 of the prism 60 . The angle of incidence and the number of lines of the grating are preferably selected so that the distance between adjacent orders in the image plane 72 generated with the resulting angular dispersion of the grating and prism (or grating and prisms) is essentially equidistant for the entire wavelength range to be measured.

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.If a large order separation is not required, a prism 112 mirrored on one side can be used. This is shown in FIG. 9. However, the maximum prism angle 114 is limited because the light beam 66 is totally reflected in the prism for angles that are too large.

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.The course of the optical axis 22 is shown in FIG. 10 again using a lateral representation of the structure of the spectrometer 10 . It can be seen that the optical axis runs essentially in a plane 114 until it meets the mirror 68 . The mirror 68 is tilted somewhat, such that the beam 69 runs out of the plane 114 at a slight angle.

Claims

1. Optical spectrometer ( 10 ) with an astigmatic aberration, containing

a) a grating ( 34 ) for dispersing the light entering the spectrometer in a first direction of dispersion,
b) a second dispersing element ( 60 ) for dispersing the light entering the spectrometer in a second direction of dispersion, which forms an angle with the first direction of dispersion
c) a collimator mirror ( 30 ),
d) a camera mirror ( 68 ),
e) a first entrance slit ( 24 ) for bundle limitation in the first dispersion direction, which is located on the optical axis ( 22 ) at a first distance from the collimator mirror ( 30 ), and
f) a second entrance slit ( 26 ) for bundle limitation in the second dispersion direction, which is located on the optical axis ( 22 ) at a second distance from the collimator mirror ( 30 ), whereby
g) the entry slits ( 24 , 26 ) are arranged such that the sagittal image of the first entry slit ( 24 ) and the meridional image of the second entry slit ( 26 ) coincide in an image plane ( 72 ) of the spectrometer ( 10 ), and
h) the grating ( 34 ) is arranged in front of the second dispersing element in the beam path in the optical beam path and can be illuminated at an off-plane angle (γ),

characterized in that

a) the first and second entry slits ( 24 , 26 ) are arranged at an angle (ϕ) different from one another on the optical axis ( 22 ), and
b) the first and second distance of the entrance slits ( 24 , 26 ) to the collimator mirror ( 30 ), as well as the angle of the first entry slit ( 24 ) around the optical axis ( 22 ) are chosen such that the sagittal pixels for all bundles that pass through run the first entry slit ( 24 ), are depicted essentially in a line in the image plane ( 72 ) of the spectrometer ( 10 ) and that this line runs essentially perpendicular to the first direction of dispersion.

2. Spectrometer ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the apex and center points of the optical components are located in a main plane.

3. Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the grating ( 34 ) is an Echelle grating.

4. Spectrometer ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the Echelle grating ( 34 ) has a blaze angle of 76 degrees.

5. spectrometer ( 10 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the second dispersing element is a prism ( 60 ).

6. Spectrometer ( 10 ) according to claim 5, characterized in that the prism ( 60 ) has a prism angle of at least 5 degrees.

7. Spectrometer ( 10 ) according to claim 5 or 6, characterized in that the prism ( 60 ) is mirrored on one side, such that the dispersed by the prism ( 60 ) beam ( 58 ) can be steered again through the prism ( 60 ) is.

8. spectrometer ( 10 ) according to claim 5 or 6, characterized in that a mirror ( 64 ) is arranged behind the prism ( 60 ), on which the from the prism ( 60 ) dispersed beam ( 58 ) in the prism ( 60 ) is reflectable back.

9. spectrometer ( 10 ) according to claim 5 or 6, characterized in that a diffraction grating is arranged behind the prism ( 60 ), on which the beam dispersed by the prism ( 60 ) can be diffracted back into the prism ( 60 ).

10. Spectrometer ( 10 ) according to one of claims 5 to 9, characterized in that at least one further prism ( 110 ) is arranged in the beam path in front of the prism ( 60 ).

11. Spectrometer ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second dispersing element is a diffraction grating.

12. Spectrometer ( 10 ) according to claim 11, characterized in that a prism is arranged behind the diffraction grating.

13. Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the camera mirror ( 68 ) is designed as a spherical mirror.

14. Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the collimator mirror ( 30 ) is designed as a spherical mirror.

15. Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the grating ( 34 ) is rotatably mounted about an axis ( 106 ) which is perpendicular to its dispersion plane.

16. Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second dispersing element ( 60 ) is rotatably mounted about an axis ( 62 ) which is perpendicular to the dispersion plane.

17. Spectrometer ( 10 ) according to claim 15 or 16, characterized by computer means for calculating the angle of rotation from a wavelength and a selected position of the slit image in the image plane ( 72 ) and by adjusting means for adjusting the angle of rotation.

18. Spectrometer ( 10 ) according to claim 16, characterized in that the adjusting means is formed by a computer-controlled stepper motor, by means of which a lever arm attached to the dispersing element can be moved.

19. Spectrometer ( 10 ) according to any one of claims 16 to 18, insofar as they are related to claim 16, characterized in that the dispersing elements are rotatable at the same time.

20. Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that an area detector is arranged in the image plane ( 72 ).

21. Spectrometer ( 10 ) according to claim 20, characterized in that the area detector is formed by a solid-state detector with a plurality of pixels ( 84 ), in which the signal on all pixels ( 84 ) which can be assigned the same wavelength from the hardware can be combined into a single signal.

22. Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the camera mirror ( 68 ) is inclined about a horizontal axis which is perpendicular to the direction of incidence of the light beam.

23. Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the entry slits ( 24 , 26 ) is arranged rotatably about an axis ( 22 ) which is connected to the connecting line between the slit centers and the center of the collimator mirror ( 30 ) coincides.

24. Spectrometer ( 10 ) according to claim 23, characterized by computer means for calculating the slit angle (ϕ) and adjusting means for adjusting the slit angle.

25. A method for adjusting the slit positions of a spectrometer ( 10 ) according to one of claims 1 to 24, characterized by the steps:

a) determining an image plane ( 72 ) of the spectrometer ( 10 ) according to the rules of geometric optics, in particular determining the course of the diffraction order ( 78 , 80 ) in the region of a selected monochromatic wavelength in this image plane ( 72 )
b) establishing an essentially point-shaped light source of the selected monochromatic wavelength at a selected position within the diffraction order ( 78 , 80 ) in the image plane of the spectrometer ( 10 ),
c) determining the first, meridional position of the image of the light source which arises after passing through the beams of rays emanating from the light source in a rearward direction through the spectrometer ( 10 ) in a first, meridional slit plane ( 20 ),
d) establishing a slit ( 26 ) at this position such that the light beam can pass completely through the slit,
e) determination of the second, sagittal position of the image of the light source, which arises after passing through the rays emanating from the light source in the backward direction through the spectrometer in a second, sagittal slit plane ( 18 ) and
f) establishing a further slit ( 24 ) at a position such that the light can pass through the slit,
g) establishing a second, essentially punctiform light source of the selected monochromatic wavelength at a second position in the image plane, which is shifted perpendicular to the position of the first light source with respect to the course of the diffraction order,
h) determination of the meridional position of the image of the second light source in accordance with (c)
i) establishing a slit at this position in such a way that the light beams of both light sources can pass completely through the slit,
j) determining the sagittal position of the image of the second light source in the sagittal slit plane,
k) inclination of the camera mirror ( 68 ) about an axis parallel to the grating grooves of the first dispersing element such that the longitudinal axes of the sagittal images of both light sources lie on one line,
l) Gradually change the distance between the image plane ( 72 ) and the camera mirror ( 68 ) such that after each new execution of the adjustment steps (b) to ( 1 ), the longitudinal axes of the sagittal images of both light sources lie on one line.