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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Monochromator und ein
spektrometrisches Verfahren, um einen zu vermessenden Strahl (ein Strahl,
der vermessen wird) vielzählige
Male auf ein und dasselbe Beugungsgitter zu projizieren.
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Herkömmlicherweise
wurde ein Spektroskop, das "Monochromator" genannt wird, als
ein Instrument benutzt, um Wellenlängencharakteristiken eines
zu vermessenden Strahls zu messen. Insbesondere wird weithin ein
doppelter Monochromator genutzt, um bei mehrmaligem Einfall eines
Strahls auf ein oder mehrere Beugungsgitter die Aufrechterhaltung
einer hohen Auflösung
oder einer breiten dynamischen Reichweite zu ermöglichen.
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Eine
Vielzahl von Monochromatoren wurde beispielsweise in dem offengelegten
japanischen Patent JP 8-145795 A offenbart. 4 und 5 sind perspektivische
Seitenansichten, die die Anordnung beispielhafter Monochromatoren
zeigen, die in der Veröffentlichung
offenbart sind.
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Der
Monochromator, der in 4 gezeigt ist, konvertiert einen
Strahl, der von einer optischen Faser 100 ausgestrahlt
wird, durch einen Kollimator 102 in einen parallelen Strahl,
woraufhin dieser parallele Strahl durch ein planares Beugungsgitter 104 gebeugt
wird. Der gebeugte Strahl wird von einem planaren Spiegel 106 reflektiert,
der eine senkrecht zum Strahlengang reflektierende Oberfläche aufweist, durch
das planare Beugungsgitter 104 gebeugt, anschließend durch
den Kollimator 102 gebündelt,
und schließlich
fällt er
durch einen Spalt 108. Ein Monochromator, der in 4 gezeigt
ist, ermöglicht
eine Erhöhung
der Auflösung
der Wellenlänge λ des gebeugten
Strahls, der durch den Ausgangsspalt 108 fällt, da
der zu vermessende Strahl zwei Mal durch das identische planare
Beugungsgitter 104 gebeugt wird.
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Im
Vergleich zu dem Aufbau, der in 4 gezeigt
ist, hat der Monochromator, der in 5 gezeigt ist,
einen Aufbau, der einen dazwischen liegenden Spalt 110 und
zwei Spiegel 112 und 114 umfaßt. In dem in 5 gezeigten
Monochromator wird der gebeugte Strahl, der durch Reflexion durch
den Kollimator 102 zurückgeworfen
wurde, um 90° durch
einen Spiegel 112 reflektiert, fällt durch den dazwischen liegenden
Spalt 110, der sich in der bündelnden Position des gebeugten
Strahls befindet, und wird um 90° durch
den anderen Spiegel 114 reflektiert, um ein weiteres Mal
durch ein optisches System zurückzukehren,
das den Kollimator 102, das planate Beugungsgitter 104,
und den planaren Spiegel 106 umfaßt. Somit ermöglicht es
der in 5 gezeigte Monochromator, die dynamische Reichweite
des Strahls zu erweitern, indem der Strahl durch den dazwischenliegenden
Spalt 110 und den Ausgangsspalt 108 fällt.
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Als
andere herkömmliche
Beispiele des Monochromators sind die in
US 3069966 A und
US 4025196 A veröffentlichten
bekannt.
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Währenddessen
erfordert es der in 4 gezeigte herkömmliche
Monochromator, daß beide,
die optische Faser 100, die zum Einstrahlen des zu vermessenden
Strahls benutzt wird, und der Ausgangsspalt 108, um die
Position des Brennpunkts des Kollimators 102 angeordnet
sind, was die Struktur um die Fokusposition komplex macht und um
des weiteren solche Arbeiten wie das Aufbauen stört. Des weiteren erfordert
es der in 5 gezeigte herkömmliche
Monochromator, dass die zwei Spiegel 112 und 114 und
der dazwischenliegende Spalt 110 zusätzlich zur optischen Faser 100 und
dem Ausgangsspalt 108 um die Stelle des Brennpunktes des
Kollimators 102 angeordnet sind, was den Aufbau um den
Brennpunkt komplex macht und um des weiteren solche Arbeiten wie
das Aufbauen stört.
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Das
Dokument
US 4,973,159
A betrifft eine Spektroskopvorrichtung, die eine Vorrichtung
zum Trennen von Licht von einem zu vermessenden Objekt in Spektralkomponenten,
eine Vorrichtung zum Mischen von Spektralkomponenten, die innerhalb
eines gewünschten
Wellenlängenbereichs
liegen, und eine Vorrichtung zum Ausbilden eines Bildes des zu vermessenden,
aus gemischtem Licht bestehenden Körpers umfaßt. Das erhaltene Bild ist
sehr nützlich für die Beobachtung
des Zustands einer Verbrennungsflamme, des Fortschritts einer photochemischen
Reaktion, des Fortschritts einer biochemischen Reaktion, von Zellgewebe,
und des Zustands einer Flamme zur Analyse einer Lösung, die
ein Metallion enthält,
durch Flammenspektrophotometrie. Die Vorrichtung stellt genaue analytische
Informationen zur Verfügung
und ermöglicht
präzise
Steueroperationen.
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Das
Dokument
US 5,233,405 betrifft
einen Doppelpaß-Abtastmonochromator
zur Verwendung in einer optischen Spektrum-Analysevorrichtung, die eine optische
Eingangsfaser zum Emittieren eines Eingangslichtstrahls, ein Beugungsgitter
zum Beugen des Eingangslichtstrahls, einen Spalt zum Durchlassen
eines ausgewählten
Bereichs des gestreuten Lichtstrahls, einen Motor zum Drehen des Beugungsgitters,
einen Achsen-Kreuzungswinkel-Kodierer
zum Abtasten der Gitterposition sowie eine optische Ausgangsfaser
aufweist. Das Licht, das durch den Spalt hindurchfällt, wird
auf das Beugungsgitter gerichtet und wird vom Beugungsgitter erneut
kombiniert, um einen Ausgangslichtstrahl zu erzeugen. Der zu analysierende
Lichtstrahl fällt
während
erster und zweiter Durchgänge
auf das Beugungsgitter. Eine Polarisations-Drehvorrichtung dreht die Polarisationskomponenten
des Lichtstrahls zwischen den ersten und zweiten Durchgängen um
90°, so
daß das
Ausgangssignal des Monochromators unabhängig von der Polarisation des
Eingangslichtstrahls ist. Die optische Ausgangsfaser wird während der
Drehung des Beugungsgitters in einer Ebene senkrecht zum Ausgangslichtstrahl
mittels einer Mikropositionierungsanordnung verschoben, um den Ausgangslichtstrahl
automatisch nachzuführen
und für
eine optische Trennung zu sorgen.
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Das
Dokument
DE 25 12 625
A1 betrifft einen Doppelpaß-Monochromator mit additiver
Dispersion, bestehend aus einem Eingangsschlitz, zwei Zwischenschlitzen
und einem Ausgangsschlitz, die eine einen Kreis definierende Krümmung haben,
einer Dispersionseinrichtung im Strahlweg zwischen dem Eingangsschlitz
und dem ersten Zwischenschlitz sowie im Strahlweg zwischen dem zweiten
Zwischenschlitz und dem Ausgangsschlitz, die eine Aperturblende
definiert, und einer Spiegeleinrichtung, mit der der Strahl zwischen
dem Eingangsschlitz und dem ersten Zwischenschlitz über die
Dispersionseinrichtung reflektiert wird, und mit denen der Strahl
auch zwischen dem zweiten Zwischenschlitz und dem Ausgangsschlitz über die
Dispersionseinrichtung reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß im
Strahlweg zwischen den beiden Zwischenschlitzen eine optische Kopplungseinrichtung
angeordnet ist, mit der der erste Zwischenschlitz auf dem zweiten
Zwischenschlitz abgebildet wird und die Aperturblende auf sich selbst
abgebildet wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht solcher Probleme geschaffen;
die Aufgabe ist, einen Monochromator und ein spektrometrisches Verfahren
vorzusehen, die solche Arbeiten wie das Aufbauen durch Vereinfachen
der Struktur des Teils erlaubt, in den ein zu vermessender Strahl
einfällt und
ausgestrahlt wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Ein
Monochromator der vorliegenden Erfindung umfaßt ein planares Beugungsgitter;
einen ersten Kollimator und einen zweiten Kollimator, die parallel
zu Gitterstrichen des planaren Beugungsgitters angeordnet sind;
ein erstes reflektierendes Element, das mindestens zwei reflektierende
Oberflächen
aufweist und einen gebeugten Strahl zurückgibt, der so von dem planaren
Beugungsgitter ausgestrahlt wird, daß ein einfallender Strahl und
ein abgehender Strahl des gebeugten Strahls entlang der Gitterstriche
voneinander getrennt sind; und einen Ausgangsspalt, der sich in
der Nähe
einer Stelle eines Brennpunkts des zweiten Kollimators befindet.
Indem man das erste reflektierende Element hat, um einen einfallenden
und einen abgehenden Strahl zu trennen und zurückzugeben, und den ersten und
den zweiten Kollimator für
die jeweiligen zwei getrennten Strahlen hat, kann der Ausgangsspalt
sich an der Stelle des Brennpunkts des zweiten Kollimators befinden
und andere optische Elemente können
sich an der Stelle des Brennpunkts des ersten Kollimators befinden, wobei
sie einen Abstand zueinander aufweisen. Die Aufbauten um die jeweiligen
Positionen der Brennpunkte sind deshalb vereinfacht, um solche Arbeiten wie
das Zusammenbauen zu verbessern.
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Ausdrücklicher
gesagt ist es zu bevorzugen, daß das
Einfalls-Element, das den zu vermessenden Strahl empfängt, um
den Brennpunkt des ersten Kollimators angeordnet ist. Das Trennen
des einfallenden Elements durch einen Abstand vom Ausgangsspalt
vereinfacht jeweilige geeignete Abschnitte, erhöht eine Freiheit des Entwerfens,
und macht solche Arbeiten wie Montieren einfach. Außerdem kann
eine Verbesserung der Auflösung
aufgrund dessen möglich
werden, daß das
identische planare Beugungsgitter die Beugung mehrmals ausführt.
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Alternativ
wird bevorzugt, daß der
Ausgangsspalt und das Einfalls- Element,
das den zu vermessenden Strahl empfängt, um die Stelle des Brennpunkts
des ersten Kollimators angeordnet sind, und daß der dazwischenliegende Spalt
und das zweite reflektierende Element, das sich beidseitig des dazwischenliegenden
Spalts befindet, um den ausgestrahlten Strahl vom zweiten Kollimator
in Richtung des zweiten Kollimators zu reflektieren, um den Brennpunkt
des zweiten Kollimators angeordnet sind. Aufbauten um den Ausgangsspalt
können
von dem dazwischenliegenden Spalt und dem zweiten reflektierenden
Element durch einen Abstand getrennt sein. Deshalb sind alle im
Vergleich dazu um den Ausgangsspalt wie in den herkömmlichen
Beispielen angeordnet, wobei jeweilige Teile freier angeordnet sein
können,
um eine Freiheit des Entwerfens und einfache Montierarbeiten zu
ermöglichen.
Des weiteren kann die dynamische Reichweite des Strahls, der durch
den Ausgangsspalt fällt,
verbreitert werden, indem dem zu vermessenden Strahl durch Reflexion
erlaubt wird, durch den dazwischenliegenden Spalt des zu vermessenden
Strahls durch das zweite reflektierende Element zu fallen.
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Im
besonderen ist es bevorzugt, daß die Richtung
des dazwischenliegenden Spalts parallel zu den Gitterstrichen und
den zwei reflektierenden Oberflächen
des zweiten reflektierenden Elements entlang der Richtung ausgebildet
ist, in der der Strahl, der von dem zweiten Kollimator ausgestrahlt wird,
geschwenkt wird, falls das planare Beugungsgitter um eine Achse
rotiert wird, die parallel zu den Gitterstrichen des Gitters ist.
Durch eine solche Anordnung könnte
ein additiver Dispersionszustand realisiert werden, um des weiteren
eine Winkeldispersion innerhalb der Breite der Wellenlänge des
auf das planare Beugungsgitter einfallenden Strahls zu erhöhen, wodurch
auch eine Erhöhung
der Auflösung
möglich
wird.
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Alternativ
ist es bevorzugt, daß der
dazwischenliegende Spalt in einer Richtung, die rechtwinklig zu
den Gitterstrichen ist, ausgebildet ist, und daß das zweite reflektierende
Element in einer Richtung entlang der Gitterstriche ausgebildet
ist. Durch eine solche Anordnung kann eine differentielle Dispersion realisiert
werden, um die Winkeldispersion innerhalb der Breite der Wellenlänge des
einfallenden Strahls auf das planate Beugungsgitter zu reduzieren.
Die Breite des Ausgangsspalts muß unter der differentiellen
Dispersionbedingung nicht geändert
werden, selbst wenn die Wellenlänge
des zu vermessenden Strahls geändert
wird, um eine Vereinfachung des Aufbaus zu ermöglichen.
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Das
oben beschriebene erste reflektierende Element wird bevorzugt, um
den abgehenden Strahl in eine Richtung auszustrahlen, die fast 180° entgegengesetzt
zu der Richtung des einfallenden Strahls ist. Der Ausgangsspalt
kann einfach mit einem Abstand von den anderen Teilen angeordnet
werden, indem die zwei Kollimatoren, die diesen Positionen entsprechen,
einfach mit diesem Abstand angeordnet werden, weil ein fast parallel
reflektierter Strahl zurückgegeben
wird, der von dem einfallenden Strahl durch den Abstand getrennt
ist.
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Des
weiteren umfaßt
ein spektrometrisches Verfahren der vorliegenden Erfindung die Schritte: Beugen
eines zu vermessenden Strahls, der durch einen ersten Kollimator
zu einem parallelen Strahl umgewandelt ist, durch ein planares Beugungsgitter; Zurückstrahlen
des gebeugten Strahls, so daß der gebeugte
Strahl nach der Rückstrahlung
getrennt von und fast parallel zu demjenigen vor der Rückstrahlung
entlang der Gitterstriche des planaren Beugungsgitters ist; erneutes
Beugen des gebeugten Strahls durch das planate Beugungsgitter; Bündeln des
gebeugten Strahls durch einen zweiten Kollimator; und wobei es dem
gebeugten Strahl ermöglicht wird,
durch einen Ausgangsspalt zu fallen, der sich an einer Stelle befindet,
wo der gebeugte Strahl gebündelt
wird. Der in dem planaren Beugungsgitter gebeugte Strahl wird zu
einer getrennten Stelle entlang der Gitterstriche zurückgestrahlt,
und wieder in das planare Beugungsgitter projiziert, um den Brennpunkt
der zwei Kollimatoren zu trennen, die entsprechend zu dem jeweiligen
einfallenden Strahl und abgehenden Strahl mit einem Abstand installiert
wurden. Deshalb kann die Auflösung
verbessert werden, und die Nutzbarkeit kann ebenfalls durch die
Vereinfachung des Aufbaus verbessert werden.
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Ein
spektrometrisches Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt die Schritte:
Beugen eines zu vermessenden Strahls, der durch einen ersten Kollimator
zu einem parallelen Strahl umgewandelt wurde, durch ein planares
Beugungsgitter; Zurückstrahlen
des gebeugten Strahls durch ein erstes reflektierendes Element,
so daß der
gebeugte Strahl nach der Rückstrahlung
getrennt von und fast parallel zu demjenigen vor der Rückstrahlung
entlang der Gitterstriche des planaren Beugungsgitters ist; erneute Beugung
des gebeugten Strahls durch das planare Beugungsgitter; Bündelung
des gebeugten Strahls durch einen zweiten Kollimator; Rückstrahlen
des gebeugten Strahls über
fast den gleichen Strahlweg durch einen dazwischen liegenden Spalt
und ein zweites reflektierendes Element, die sich an einer Stelle
befinden, wo der gebeugte Strahl gebündelt ist; wobei es dem gebeugten
Strahl ermöglicht
wird, durch einen Ausgangsspalt zu fallen, der sich an der Stelle
befindet, wo der durch den ersten Kollimator gebeugte Strahl gebündelt ist.
Durch eine solche Anordnung kann der Aufbau um den Ausgangsspalt durch
einen Abstand von dem dazwischenliegenden Spalt und dem zweiten
reflektierenden Element getrennt werden. Somit können die jeweiligen Teile freier
angeordnet werden und eine Freiheit des Entwerfens und eine einfache
Montagearbeit ermöglicht werden.
Des weiteren kann die dynamische Reichweite des Strahls, der durch
den Ausgangsspalt fällt, verbreitert
werden, indem dem zu vermessenden Strahl erlaubt wird, durch Reflexion
des zu vermessenden Strahls durch das zweite reflektierende Element
durch den dazwischenliegenden Spalt zu fallen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Seitenansicht, die den umrissenen Aufbau eines
Monochromators einer ersten Ausführungsform
zeigt;
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2 ist
eine perspektivische Seitenansicht, die den umrissenen Aufbau eines
Monochromators einer zweiten Ausführungsform zeigt;
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3 ist
eine perspektivische Seitenansicht, die den umrissenen Aufbau eines
Monochromators einer dritten Ausführungsform zeigt;
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4 ist
eine perspektivische Seitenansicht, die den umrissenen Aufbau eines
herkömmlichen Monochromators
zeigt; und
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5 ist
eine perspektivische Seitenansicht, die einen anderen umrissenen
Aufbau eines herkömmlichen
Monochromators zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Im
nachfolgenden wird ein Monochromator gemäß Ausführungsformen, auf die die vorliegende Erfindung
angewandt ist, durch die Zeichnungen beschrieben werden die als
ein Bezug dienen.
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[Erste Ausführungsform]
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1 ist
eine Ansicht, die den umrissenen Aufbau eines Monochromators einer
ersten Ausführungsform
zeigt. Wie in 1 gezeigt, umfaßt der Monochromator
dieser Ausführungsform
eine einstrahlende Faser 10, zwei parabolische Spiegel 20 und 28,
ein planares Beugungsgitter 22, zwei planare Spiegel 24 und 26,
einen Ausgangsspalt 30 und einen Fotodetektor 32.
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Die
einstrahlende Faser 10 wird zum Ausstrahlen eines zu vermessenden
Strahls in Richtung des einen parabolischen Spiegels 20 benutzt,
und deren eines Ende an eine Stelle gesetzt wird, die fast der Fokusposition
des parabolischen Spiegels 20 entspricht.
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Die
zwei parabolischen Spiegel 20 und 28 befinden
sich in einem gegebenen Abstand parallel zu der Richtung der Gitterstriche
des planaren Beugungsgitters 22. Das Emissionsende der
oben beschriebenen einstrahlenden Faser 10 befindet sich im
Brennpunkt des einen parabolischen Spiegels 20. Der zu
vermessende Strahl, der radial vom ausstrahlenden Ende der einstrahlenden
Faser 10 ausgesandt wird, wird durch den parabolischen
Spiegel 20 reflektiert, um in einen parallelen Strahl umgewandelt zu
werden. Inzwischen befindet sich der Ausgangsspalt 30 im
Brennpunkt des anderen parabolischen Spiegels 28. Der auf
den parabolischen Spiegel 28 einfallende parallele Strahl
wird reflektiert und durch den Ausgangsspalt 30 gebündelt. Durch
das Passieren durch diesen Ausgangsspalt 30 wird eine unnötige Wellenlängenkomponente
des zu vermessenden Strahls entfernt, der in den Fotodetektor 32 projiziert wird.
Der Fotodetektor 32 mißt
die Intensität
des durch den Ausgangsspalt 30 fallenden Strahls.
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Die
zwei planaren Spiegel 24 und 26 sind mit einem
gegebenen Abstand parallel zur Richtung der Gitterstriche des planaren
Beugungsgitters 22 angeordnet. Ein planarer Spiegel 24 reflektiert
den Strahl um fast 90°,
der durch das planare Beugungsgitter 22 parallel zur Richtung
der Gitterstriche des planaren Beugungsgitters 22 gebeugt
ist. Der andere planare Spiegel 26 reflektiert den zu vermessenden
Strahl des weiteren um fast 90°,
der durch den einen planaren Spiegel 24 reflektiert wurde.
Diese zwei planaren Spiegel 24 und 26 werfen den
zu vermessenden Strahl, der von dem planaren Beugungsgitter 22 emittiert
wurde, wieder in Richtung des planaren Beugungsgitters 22 zurück.
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Das
planare Beugungsgitter 22 weist Gitterstriche auf, die
in einer gegebenen Richtung in gewissen Intervallen ausgebildet
sind, und beugt den vom parabolischen Spiegel 20 oder den
von dem planaren Spiegel 26 einfallenden Strahl. In 1 sind
eine Vielzahl von Rillen parallel zu einer senkrechten Richtung
ausgebildet. Die Breite des planaren Beugungsgitters 22 entlang
einer Richtung, die senkrecht zu der Richtung der Gitterstriche
ist, wird mit W bezeichnet und die Dichte der Rillen ist ρ [/mm]. Ein
Mechanismus zum Rotieren, wie ein Motor (nicht veranschaulicht),
der eine Rotationsachse parallel zu den Gitterstrichen aufweist,
ist an dem planaren Beugungsgitter 22 montiert. Der Rotationsmechanismus bildet
eine Rotationsfähigkeit
des planaren Beugungsgitters 22 mit der Rotationsachse
als Mittelpunkt.
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Die
oben beschriebene einstrahlende Faser 10, die zwei parabolischen Spiegel 20 und 28 und
die zwei planaren Spiegel 24 und 26 entsprechen
dem Einstrahl-Element, dem ersten und dem zweiten Kollimator bzw.
dem ersten reflektierenden Element.
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Der
Monochromator dieser Ausführungsform weist
eine solche Struktur auf. Die Funktionsweise dessen ist unten beschrieben.
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Der
einfallende Strahl 40, der von außerhalb via der einstrahlenden
Faser 10 eingeführt
wird, wird durch einen parabolischen Spiegel 20 reflektiert,
zu einem parallelen Strahl 41 umgewandelt und auf das planare
Beugungsgitter 22 projiziert. Das planare Beugungsgitter 22 beugt
den von einem parabolischen Spiegel 20 parallel einfallenden
Strahl 41, um ihn als einen gebeugten Strahl 42 auszustrahlen.
Der gebeugte Strahl 42 wird auf den einen planaren Spiegel 24 projiziert
und durch die zwei planaren Spiegel 24 und 26 in
eine Richtung reflektiert, die fast 180° entgegengesetzt zu der Richtung
ist, in die er projiziert wurde. Des weiteren ermöglicht es
der Gebrauch der zwei planaren Spiegel 24 und 26,
den Weg des gebeugten Strahls 42, der auf diese zwei planaren
Spiegel 24 und 26 projiziert wird, und den Weg
des gebeugten Strahls 42, der von diesen zwei planaren
Spiegeln 24 und 26 ausgestrahlt wird, um eine
bestimmte Entfernung in Richtung der Gitterstriche des planaren
Beugungsgitters 22 zu bewegen.
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Der
durch den planaren Spiegel 26 reflektierte, gebeugte Strahl 43 wird
wieder auf das planare Beugungsgitter 22 projiziert. Das
planare Beugungsgitter 22 beugt den gebeugten, projizierten
Strahl 43 wieder, um ihn als einen gebeugten Strahl 44 abzustrahlen.
Der gebeugte Strahl 44 wird durch den anderen parabolischen
Spiegel 28 reflektiert, um ein Bild auf den Ausgangsspalt 30 abzubilden,
der sich an der Stelle des Brennpunkts dieses parabolischen Spiegels 28 befindet.
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In
der Zwischenzeit verändert
ein leichtes Rotieren des planaren Beugungsgitters 22 um
die Rotationsachse als Mittelpunkt den einfallenden Winkel des parallelen
Strahls 41, der auf das planare Beugungsgitter 22 vom parabolischen
Spiegel 20 projiziert wird, und den Beugungswinkel des
gebeugten Strahls 42, der in Richtung des planaren Spiegels 24 von
dem planaren Beugungsgitter 22 ausgestrahlt ist. Die selbe
Beobachtung wird für
den gebeugten Strahl 43 gemacht, der auf das planare Beugungsgitter 22 nach
Reflexion durch den planaren Spiegel 26 projiziert wird.
Durch eine solche Rotation des planaren Beugungsgitters 22 ist
eine Änderung
der Wellenlänge
des durch den Ausgangsspalt 30 fallenden Strahls aufgrund
der Änderung
des Einfallswinkels und des Beugungswinkels möglich.
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Auf
diese Weise wird in dem Monochromator dieser Ausführungsform
der gebeugte Strahl 42, der von dem planaren Beugungsgitter 22 emittiert
wurde, in eine Richtung zurückgegeben,
die fast 180° entgegengesetzt
zu der Richtung ist, in der er durch Gebrauch der zwei planaren
Spiegel 24 und 26 emittiert und auf das planare
Beugungsgitter 22 projiziert wurde, und dann wird der von
der einstahlenden Faser 10 emittierte zu vermessende Strahl
zwei Mal durch das selbe planare Beugungsgitter 22 gebeugt,
bevor er den Ausgangsspalt 30 erreicht. Deshalb ist es möglich, die
Auflösung
(= λ/Δλ = 2Wρ) der Wellenlänge des
gebeugten Strahls, der durch den Ausgangsspalt 30 fällt, zu
verbessern.
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Der
Gebrauch der zwei planaren Spiegel 24 und 26 und
der zwei parabolischen Spiegel 20 und 28 erlaubt
es, einen Weg, durch den der zu vermessende Strahl den einen planaren
Spiegel 24 erreicht, der von der einstrahlenden Faser projiziert
wurde, von einem Weg mit einem Abstand entlang der Gitterstriche
des planaren Beugungsgitters 22 zu trennen, durch den der
zu vermessende Strahl, der durch den anderen Spiegel 26 reflektiert
wurde, den Ausgangsspalt 30 erreicht. Die jeweiligen Positionen
der einstrahlenden Faser 10 und des Ausgangsspalts 30 können durch
einen Abstand getrennt werden, um somit den Aufbau der jeweils geeigneten
Teile nicht kompliziert zu machen, die Entwurfsfreiheit zu erhöhen und
die Montagearbeit zu vereinfachen.
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[Zweite Ausführungsform]
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2 ist
eine perspektivische Seitenansicht, die den umrissenen Aufbau eines
Monochromators einer zweiten Ausführungsform zeigt. Wie in 2 gezeigt,
umfaßt
der Monochromator dieser Ausführungsform
eine einstrahlende Faser 10, zwei parabolische Spiegel 20 und 28,
das planare Beugungsgitter 22, zwei planare Spiegel 24 und 26,
den Ausgangsspalt 30, einen Fotodetektor 32, einen
dazwischenliegenden Spalt 50 und zwei geneigte Spiegel 52 und 54.
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Der
Monochromator dieser Ausführungsform,
wie in 2 gezeigt, weist im Vergleich zu dem in 1 gezeigten
Monochromator der ersten Ausführungsform
Unterschiede auf, indem der Ausgangsspalt 30 und der Fotodetektor 32 um
die Fokusposition des einen parabolischen Spiegels 20 in
der Nähe
der einstrahlenden Faser 10 angeordnet sind, und indem
der dazwischenliegende Spalt 50 und die zwei geneigten
Spiegel 52 und 54 um die Fokusposition des anderen
parabolischen Spiegels 28 angeordnet sind. Grundsätzlich werden
bezüglich
der Elemente, die gleich zu denen des in 1 gezeigten Monochromators
der ersten Ausführungsform
sind, identische Symbole benutzt, um eine detaillierte Beschreibung
wegzulassen.
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Die
zwei geneigten Spiegel 52 und 54 werden zur Reflexion
des durch den parabolischen Spiegel 28 gebündelten
Strahls wieder in Richtung des parabolischen Spiegels 28 benutzt.
Diese zwei geneigten Spiegel 52 und 54 entsprechen
dem zweiten reflektierenden Element. Diese zwei geneigten Spiegel 52 und 54 sind
entlang der Richtung gelegen, in die der Strahl schwankt, der von
dem parabolischen Spiegel 28 ausgestrahlt wird, falls das
planare Beugungsgitter 22 um die Rotationsachse als Mittelpunkt parallel
zu den Gitterstrichen rotiert. Der zu vermessende Strahl, der von
dem parabolischen Spiegel 28 ausgestrahlt wird, wird näherungsweise
um 90° durch
den einen geneigten Spiegel 52 reflektiert; der Strahl,
der durch den dazwischenliegenden Spalt 50 passiert, der
sich an einer Stelle befindet, in der der reflektierte Strahl gebündelt ist,
wird näherungsweise um
90° durch
den anderen geneigten Spiegel 54 reflektiert, und wird
schließlich
in Richtung des parabolischen Spiegels 28 wieder zurückgestrahlt.
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Der
Monochromator dieser Ausführungsform weist
den folgenden Aufbau auf. Die Funktionsweise desselben wird unten
beschrieben werden. Auf die selbe Weise wie bei dem in 1 gezeigten
Monochromator wird, nachdem ein zu vermessender Strahl, der von
außen
durch die einstrahlende Faser 10 eingeführt wurde, dieser durch jeweils
den einen parabolischen Spiegel 20, das planare Beugungsgitter 22,
den einen planaren Spiegel 24, den anderen planaren Spiegel 26 und
das planare Beugungsgitter 22 reflektiert oder gebeugt
wurde, er durch den anderen parabolischen Spiegel 28 gebündelt. Wie
oben beschrieben wird der zu vermessende Strahl, der durch den parabolischen
Spiegel 28 gebündelt
ist, durch den einen geneigten Spiegel 52 reflektiert,
um den Strahlgang desselben um 90° zu ändern, und fällt durch
den dazwischenliegenden Spalt 50, der sich in der bündelnden
Position befindet, um durch den geneigten Spiegel 54 reflektiert
zu werden, den Strahlgang desselben schätzungsweise um 90° zu ändern, um
in Richtung des anderen parabolischen Spiegels 28 zurückgegeben
zu werden. Der zu vermessende Strahl, der durch solche Schritte
wieder auf den parabolischen Spiegel 28 projiziert wird,
geht über
den identischen Weg zurück,
den er soweit zurückgelegt
hat, und fällt
durch den Ausgangsspalt 30, der um den Brennpunkt des parabolischen
Spiegels 20 angeordnet ist, um den Fotodetektor 32 zu
erreichen.
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Auf
diese Weise wird in dem Monochromator dieser Ausführungsform
der gebeugte Strahl, der von dem planaren Beugungsgitter 22 emittiert
wurde, in eine Richtung zurückgestrahlt,
die fast 180° entgegengesetzt
zu der Richtung ist, in der er emittiert und auf das planare Beugungsgitter 22 durch
Gebrauch der zwei planaren Spiegel 24 und 26 projiziert
wurde, und dann wird der von der einstrahlenden Faser 10 projizierte,
zu vermessende Strahl zwei Mal durch ein und dasselbe planare Beugungsgitter 22 gebeugt, bevor
er den anderen parabolischen Spiegel 28 erreicht. Des weiteren
fällt der
zu vermessende Strahl nach diesen Schritten durch den dazwischenliegenden
Spalt 50, der sich um den Brennpunkt dieses parabolischen
Spiegels 28 befindet, um über den identischen Strahlweg
zurückzufallen
und zwei Mal durch ein planares Beugungsgitter 22 gebeugt
zu werden. Durch zusätzliches
zu dem Ausgangsspalt 30 Durchlaufen des dazwischenliegenden
Spaltes 50 wird das Entfernen einer unnötigen Wellenlängenkomponente von
dem zu vermessenden Strahl ermöglicht,
um die dynamische Reichweite des Strahls zu verbreitern. Das Anordnen
der zwei geneigten Spiegel 52 und 54 entlang einer
Richtung, in der der zu vermessende Strahl durch Rotation des planaren
Beugungsgitters 22 schwankt, ermöglicht außerdem die Verwirklichung der
additiven Dispersionsausrichtung. Deshalb ist es möglich, die
Auflösung
(= λ/Δλ = 4Wρ) der Wellenlänge des
gebeugten Strahls, der durch den Ausgangsspalt 30 fällt, weiter
zu verbessern.
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Die
Benutzung der zwei planaren Spiegel 24 und 26 und
der zwei parabolischen Spiegel 20 und 28 ermöglicht das
Trennen eines Wegs des zu vermessenden Strahls, der zwischen der
einstrahlenden Faser 10 oder dem Ausgangsspalt 30 und
dem einen planaren Spiegel 24 läuft, von einem Weg des zu vermessenden
Strahls, der zwischen dem dazwischenliegenden Spalt 50 und
dem anderen planaren Spiegel 26 läuft, um einen Abstand entlang
der Gitterstriche des planaren Beugungsgitters 22. Somit
könnten die
jeweiligen Positionen der einstrahlenden Faser 10 und des
Ausgangsspalts 30, der zwei geneigten Spiegel 52 und 54 und
des dazwischenliegenden Spalts 50 durch einen Abstand getrennt
werden, um den Aufbau der jeweiligen geeigneten Teile nicht komplex
zu machen, die Freiheit des Entwurfs zu erhöhen und die Arbeit des Aufstellens
zu erleichtern.
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Getrenntes
Positionieren des Ausgangsspalts 30 und des dazwischenliegenden
Spalts 50 ermöglicht
die Verhinderung des Phänomens
der sogenannten gegenseitigen Beeinflussung oder des Streuphänomens,
bei dem ein Teil des zu vermessenden Strahls in Richtung des dazwischenliegenden
Spalts 50 vom parabolischen Spiegel 28 zum Ausgangsspalt 30 läuft. Die
dynamische Reichweite wird ebenfalls verbessert.
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[Dritte Ausführungsform]
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3 ist
eine perspektivische Seitenansicht, die den umrissenen Aufbau eines
Monochromators einer dritten Ausführungsform zeigt. Wie in 3 gezeigt umfaßt der Monochromator
dieser Ausführungsform
eine einstrahlende Faser 10, zwei parabolische Spiegel 20 und 28,
das planare Beugungsgitter 22, die zwei planaren Spiegel 24 und 26,
den Ausgangsspalt 30, den Fotodetektor 32, einen
dazwischen liegenden Spalt 60 und zwei geneigte Spiegel 62 und 64.
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Der
Monochromator dieser Ausführungsform,
wie in 3 gezeigt, weist Unterschiede im Vergleich zu
dem Monochromator der zweiten Ausführungsform auf, indem der dazwischenliegenden Spalt 50 und
die zwei geneigten Spiegel 52 und 54 durch den
dazwischenliegenden Spalt 60 und die zwei geneigten Spiegel 62 und 64 ersetzt
sind, um die Erfindung, die in 2 gezeigt
ist, durch eine unterschiedliche Anordnung der früheren Kombination auszuführen. Grundsätzlich werden
hinsichtlich der Teile, die gleich zu denen des Monochromators sind, der
in 1 und 2 gezeigt ist, die identischen Symbole
benutzt, um eine detaillierte Beschreibung wegzulassen.
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Die
zwei geneigten Spiegel 62 und 64 werden wieder
zur Reflexion eines Strahls 28 in Richtung des parabolischen
Spiegels 28 benutzt, der durch den parabolischen Spiegel
gebündelt
ist. Diese zwei geneigten Spiegel 62 und 64 entsprechen
dem zweiten reflektierenden Element. Diese zwei geneigten Spiegel 62 und 64 sind
Seite an Seite in einer parallelen Richtung zu den Gitterstrichen
des planaren Beugungsgitters 22 angeordnet. Der zu vermessende
Strahl, der von dem parabolischen Spiegel 28 ausgestrahlt
wird, ist näherungsweise
um 90° durch den
einen geneigten Spiegel 62 reflektiert, wobei der zu vermessende
Strahl, der durch den dazwischenliegenden Spalt 60 fällt, sich
in einer Position befindet, in der der reflektierte Strahl gebündelt ist,
und näherungsweise
um 90° durch
den anderen geneigten Spiegel 64 reflektiert und schließlich in
Richtung des parabolischen Spiegels 28 wieder zurückgestrahlt
wird.
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Der
Monochromator der dritten Ausführungsform
weist den folgenden Aufbau auf. Die Funktionsweise desselben wird
nun beschrieben. Auf die gleiche Weise wie bei dem in 1 gezeigten
Monochromator wird ein zu vermessender Strahl durch den anderen
parabolischen Spiegel 28 gebündelt, nachdem er von außen durch
die einstrahlenden Faser 10 eingeführt wurde, und durch jeweils
den einen parabolischen Spiegel 20, das planare Beugungsgitter 22,
den einen planaren Spiegel 24, den anderen planaren Spiegel 26 und
das planare Beugungsgitter 22 reflektiert bzw. gebeugt
wurde. Wie oben beschrieben wird der zu vermessende Strahl, der
durch diesen parabolischen Spiegel 28 gebündelt ist,
durch den einen geneigten Spiegel 62 reflektiert und um 90° in Richtung
der Ausbreitung verschoben, um entlang den Gitterstriche des planaren
Beugungsgitters 22 zu sein, um durch den dazwischenliegenden
Spalt 60 zu fallen, der sich in der bündelnden Position befindet,
um durch den anderen geneigten Spiegel 64 reflektiert zu
werden, um die Ausbreitungsrichtung desselben näherungsweise um 90° zu ändern, um
in Richtung der Seite des anderen parabolischen Spiegels 28 zurückzukehren.
Der zu vermessende Strahl, der wieder durch solche Schritte auf
den parabolischen Spiegel 28 projiziert wird, kehrt den
identischen Weg um, den er bisher zurückgelegt hat, und fällt durch
den Ausgangsspalt 30, der um den Brennpunkt des parabolischen
Spiegels 20 angeordnet ist, um den Fotodetektor 32 zu
erreichen.
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Wie
oben beschrieben ermöglicht
das Durchlaufen durch den dazwischenliegenden Spalt 60 zusätzlich zu
dem Ausgangsspalt 30 in dem Monochromator der dritten Ausführungsform
ein Entfernen einer unnötigen
Wellenlängenkomponente des
zu vermessenden Strahls, um die dynamische Reichweite des Strahls
zu verbreitern. Gleichzeitig ist die Auflösung ( = λ/Δλ = 2Wρ) der Wellenlänge des gebeugten
Strahls, der durch den Ausgangsspalt 30 fällt, dieselbe
wie die des Monochromators der ersten Ausführungsform. Jedoch ermöglicht die
Anordnung der zwei geneigten Spiegel 62 und 64 in
einer parallelen Richtung zu den Gitterstrichen des planaren Beugungsgitters 22 die
Verwirklichung einer differentiellen Dispersionsausrichtung. Die
Wellenlänge
des zu vermessenden Strahls kann durch Rotation des planaren Beugungsgitters 22 und
durch Änderung
einer Spaltbreite des Ausgangsspalts 30 geändert werden.
Die Änderung
einer Spaltbreite des dazwischenliegenden Spalts 60 ist
unnötig.
Deshalb kann eine breite dynamische Reichweite, die gleich zu der
des Monochromators der zweiten Ausführungsform ist, die eine additive
Dispersionsausrichtung aufweist, mit einem relativ einfachen Aufbau
verwirklicht werden.
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Es
ist das Gleiche wie beim Monochromator der zweiten Ausführungsform,
daß der
Gebrauch der zwei planaren Spiegel 24 und 26 und
der zwei parabolischen Spiegel 20 und 28 eine
Trennung eines Wegs des zu vermessenden Strahls, der zwischen der
einstrahlenden Faser 10 oder dem Ausgangsspalt 30 und
dem einen planaren Spiegel 24 läuft, von einem Weg des zu vermessenden
Strahls um einen Abstand entlang der Gitterstriche des planaren Beugungsgitters 22 ermöglicht,
der zwischen dem dazwischenliegenden Spalt 60 und dem anderen
planaren Spiegel 26 läuft.
Somit könnten
jeweils die Positionen der einstrahlenden Faser 10 und
des Ausgangsspalts 30, der zwei geneigten Spiegel 62 und 64 und
des dazwischenliegenden Spalts 60 durch einen Abstand getrennt
werden, um die Struktur der jeweils geeigneten Teile nicht komplex
zu machen, die Entwurfsfreiheit zu erhöhen und die Aufstellarbeit
zu vereinfachen.
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Die
vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung von allem als
veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten. Es ist
deshalb beabsichtigt, daß der
Umfang der Erfindung eher durch die angehängten Ansprüche als durch die vorhergehende
Beschreibung angegeben wird, und alle Änderungen, die in den Sinn
und die Reichweite der Äquivalenz
zu den Ansprüchen
fallen, darin umfaßt
sein sollen. Beispielsweise wurden die zwei parabolischen Spiegel 20 und 28 als
Kollimatoren in dem zuvor erwähnten
Betriebsmodus zur Ausführung
der vorliegenden Erfindung benutzt. Jedoch könnten Bündelungslinsen für diesen
Zweck benutzt werden. Die Laufrichtung des einfallenden Strahls
wird näherungsweise
um 180° durch
Gebrauch der zwei planaren Spiegel 24 und 26 umgekehrt
und ihre Strahlwege wurden entlang der Gitterstriche des planaren Beugungsgitters 22 durch
einen Abstand separiert. Jedoch könnten drei oder mehr planare
Spiegel kombiniert werden. Oder der einfallende Strahl könnte durch
Benutzung zweier reflektierender Oberflächen im gleichen Element reflektiert
werden, die zueinander orthogonalisiert wurden.
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Der
Monochromator könnte
durch Kombination der einstrahlenden Faser 10, des Ausgangsspalts 30 und
des dazwischenliegenden Spalts 50 und 60 in jedem
Betriebsmodus zum Ausführen
der vorliegenden Erfindung präpariert
sein. Beispielsweise könnte
der Ausgangsspalt 30 in dem Monochromator der additiven
Dispersionsausrichtung, der in 2 gezeigt
ist, durch den dazwischenliegenden Spalt 60 und die geneigten
Spiegel 62 und 64, die in 3 gezeigt
sind, ersetzt werden, und der Ausgangsspalt 30 und der
Fotodetektor 32 könnten ebenfalls
um den dazwischenliegenden Spalt 60 bewegt werden. In diesem
Fall kann ein Monochromator mit der additiven Dispersionsausrichtung
in Verbindung mit einer differentiellen Dispersionsausrichtung verwirklicht
werden. In beliebiger Kombination können die einstrahlende Faser 10,
der Ausgangsspalt 30 und die dazwischenliegenden Spalte 50 und 60,
die sich bisher eng auf einem einzigen Platz befinden, an zwei getrennten
Plätzen
angeordnet sein, um die Freiheit der Verteilung der jeweiligen Teile
zu vergrößern, den
Aufbau zu vereinfachen und die Verbesserung solcher Arbeiten wie
des Zusammenbaus zu ermöglichen.