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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Echelle-Spektrometer.
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Echelle-Spektrometer werden in der Regel in Bereichen eingesetzt, in denen ein Spektrum mit einem großen Wellenlängenbereich hochaufgelöst auf einmal erfaßt werden soll. Besonders im Bereich der analytischen Chemie beim qualitativen und quantitativen Nachweis von Elementen besteht der Bedarf nach einer Ausweitung des auflösbaren Spektralbereiches bei gleichzeitiger Erhöhung des spektralen Auflösungsvermögens. Auch im Bereich der Astronomie bei der Aufnahme von Sternspektren mit hoher Auflösung werden Echelle-Spektrometer eingesetzt.
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Bekannte Echelle-Spektrometer weisen ein Echellegitter zur Erzeugung eines Dispersionsspektrums und ein weiteres Gitter oder ein Dispersionsprisma auf, um die zum Teil aufeinanderfallenden Beugungsordnungen voneinander zu trennen. Daher weisen solche Echelle-Spektrometer eine Vielzahl von diskreten Optik- und Mechanikkomponenten auf, so daß ein hoher Montage- und Justieraufwand vorliegt und eine kostengünstige Fertigung der Echelle-Spektrometer nicht möglich ist.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Echelle-Spektrometer zur Verfügung zu stellen, das kompakt ist, kostengünstig hergestellt werden kann und gute optische Leistungsparameter aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Echelle-Spektrometer mit einem Detektor und einem monolithischen transparenten Körper, der eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche auf der Vorderseite des Körpers und ein reflektives Echellegitter auf der Rückseite des Körpers aufweist, wobei ein über die Eintrittsfläche in den Körper eintretendes Strahlenbündel am Echellegitter zur Austrittsfläche reflektiert und dabei in einer ersten Dispersionsrichtung spektral aufgespalten wird, durch die Austrittsfläche tritt und auf den Detektor trifft, wobei der Körper so ausgebildet ist, daß er für das über die Eintrittsfläche eintretende, am Echellegitter reflektierte und über die Austrittsfläche austretende Strahlenbündel eine dispergierende Wirkung derart bereitstellt, daß quer zur ersten Dispersionsrichtung eine Trennung der Beugungsordnungen des Echellegitters erfolgt.
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Durch diesen monolithischen Aufbau wird die Anzahl der benötigten Optikelemente minimiert, was einerseits zu einer deutlichen Miniaturisierung führt und andererseits den Justier- und Montageaufwand deutlich reduziert. Ferner werden dabei sehr gute optische Leistungsparameter erzielt.
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Die dispergierende Wirkung des transparenten Körpers quer zur ersten Dispersionsrichtung kann durch eine prismatische Ausbildung des transparenten Körpers und seiner wellenlängenabhängigen Brechzahl bereitgestellt werden.
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Durch den monolithischen Aufbau des transparenten Körpers kann dieser durch Abformverfahren, wie z. B. Spritzgießen oder Spritzprägen, hergestellt werden. Dadurch ist eine kostengünstige und schnelle Herstellung möglich.
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Insbesondere ist das Echellegitter als abbildendes Gitter ausgebildet. Dadurch wird eine weitere Reduzierung der Optikelemente erreicht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann der transparente Körper so ausgebildet sein, daß seiner prismatischen Wirkung keine einzige Dispersionsrichtung für alle Wellenlängen und Beugungsordnungen zugeordnet werden kann. Es kann jedoch jeder Beugungsordnung eine über die Wellenlänge gemittelte Dispersionsrichtung und somit eine mittlere Dispersionsrichtung als zweite Dispersionsrichtung zugeordnet werden. Es ist bevorzugt, daß die mittlere Dispersionsrichtung jeder Beugungsordnung mit der ersten Dispersionsrichtung jeweils einen Winkel von größer als 45° und insbesondere von größer als 60° einschließt. Insbesondere kann der Winkel für zumindest eine Beugungsordnung 90° betragen.
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Ferner können sich die mittleren Dispersionsrichtungen der Beugungsordnungen um z. B. maximal 10°–20° unterscheiden. Insbesondere liegt dieser Unterschied zwischen der mittleren Dispersionsrichtung der niedrigsten Beugungsordnung und der höchsten Beugungsordnung des Echellegitters vor. Unter der niedrigsten und höchsten Beugungsordnung wird die niedrigste Beugungsordnung, die verwendet wird, und die höchste Beugungsordnung, die verwendet wird, verstanden.
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Ferner kann das erfindungsgemäße Spektrometer so ausgelegt sein, daß die getrennten Beugungsordnungen des Echellegitters ein kontinuierliches Spektrum bilden. Insbesondere kann die kleinste Wellenlänge einer ersten Beugungsordnung des Echellegitters der größten Wellenlänge der nächst höheren Beugungsordnung des Echellegitters entsprechen. Somit liegt ein kontinuierliches Spektrum über alle Beugungsordnungen vor.
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Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann der Strahlengang des Strahlenbündels von der Eintrittsfläche über das Echellegitter bis zur Austrittsfläche genau einmal gefaltet sein. Diese Faltung wird durch die Reflexion an Echellegitter realisiert. Diese Ausgestaltung trägt zur kompakten Ausbildung des transparenten Körpers und somit des Spektrometers bei.
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Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann die Rückseite zumindest im Bereich des Echellegitters sphärisch gekrümmt sein. Es ist auch möglich, daß die Rückseite zumindest im Bereich des Echellegitters als rotationssymmetrische Asphäre oder als nicht-rotationssymmetrische Asphäre, die auch als Freiformfläche bezeichnet werden kann, ausgebildet ist.
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Auch die Vorderseite kann im Bereich der Austrittsfläche als Sphäre, als rotationssymmetrische Asphäre oder als nicht-rotationssymmetrische Asphäre ausgebildet sein.
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Das Echellegitter ist bevorzugt als geblaztes Reflexionsgitter ausgebildet. Da das Gitter als Rückseitengitter verwendet wird, tritt eine Verschiebung des Blaze-Maximums um etwa den Faktor n (n = Brechzahl des transparenten Mediums und kann z. B. 1,5 betragen) zu höheren Wellenlängen auf, was in vielen Fällen der praktischen Anwendung entgegenkommt. Insbesondere kann dann für den transparenten Körper ein gewöhnliches Glas, wie z. B. BK7, verwendet werden. Es ist natürlich auch möglich, Quarz oder Flußspat für den transparenten Körper zu verwenden. Im allgemeinen kann der transparente Körper aus Kunststoff, Glas oder Quarz bestehen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann der Detektor einen flächigen Detektionsbereich aufweisen. Damit ist es möglich, die unterschiedlichen Beugungsbänder spektral aufgelöst gleichzeitig zu detektieren.
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Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer die Rückseite des transparenten Körpers zumindest im Bereich des Echellegitters so gekrümmt sein, daß bei Reflexion am Echellegitter eine Fokussierung des Strahlenbündels in horizontaler und vertikaler Ebene bewirkt wird. Die horizontale Ebene ist bevorzugt die Ebene, in der die erste Dispersionsrichtung liegt.
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Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer das Strahlenbündel bei Durchtritt durch die Austrittsfläche in horizontaler und vertikaler Ebene fokussiert werden. Insbesondere kann die Austrittsfläche zur Reduzierung des Astigmatismus und/oder der spektralen Bildfeldkrümmung genutzt werden. Dies ist besonders vorteilhaft möglich, da die Austrittsfläche bildfeldnah positioniert ist.
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Die Eintritts- und Austrittsfläche auf der Vorderseite des transparenten Körpers können voneinander beabstandet sein oder sich zumindest teilweise durchdringen. Insbesondere ist es möglich, daß die Eintritts- und Austrittsfläche Teil der selben Fläche, z. B. der selben Freiformfläche sind. Natürlich kann alternativ (insbesondere wenn die Eintritts- und Austrittsfläche voneinander beabstandet sind) die Eintrittsfläche eine von der Austrittsfläche unabhängige Flächenform aufweisen und separat optimiert sein, um möglichst gute optische Leistungsparameter des Spektrometers zu gewährleisten. Insbesondere kann die Eintrittsfläche als plane Fläche ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Spektrometer ist insbesondere für Wellenlängen aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich, also für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 380–780 nm, ausgelegt. Ferner kann das erfindungsgemäße Spektrometer zusätzlich oder alternativ für den UV-Bereich und/oder den IR-Bereich ausgelegt sein. So ist z. B. ein Wellenlängenbereich von 500–900 nm möglich.
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Das Spektrometer kann ein Gehäuse aufweisen, in dem der Detektor und der transparente Körper angeordnet sind. Der Eintrittsspalt kann an einer Wandung des Gehäuses ausgebildet sein.
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Ferner kann der Eintrittsspalt beispielsweise durch das austrittsseitige Ende einer Lichtleitfaser realisiert sein.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Echelle-Spektrometers;
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2 eine perspektivische Darstellung des transparenten Körpers des erfindungsgemäßen Echelle-Spektrometers;
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3 eine Seitenansicht des transparenten Körpers von 2, und
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4 eine schematische Darstellung der auf den Detektor treffenden Beugungsbänder des erfindungsgemäßen Echelle-Spektrometers.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße Echelle-Spektrometer 1 einen monolithischen transparenten Körper 2 und einen Detektor 3.
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Der Körper 2 umfaßt eine Vorderseite 4 und eine Rückseite 5, wobei die Vorderseite 4 asphärisch gekrümmt ist und in die Rückseite 5 eine sphärische Krümmung aufweist. Der konkave Krümmungsradius der Rückseite 5 beträgt 73,652 mm.
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Auf der Rückseite 5 ist ein abbildendes Echellegitter 6 ausgebildet, das hier ein geblaztes Reflexionsgitter mit ca. 10 bis 100 Linien pro mm ist. Der Blaze-Winkel liegt im Bereich zwischen 50° und 80°.
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In 1 ist schematisch der Verlauf eines Strahlenbündels S, das von einem Eintrittsspalt 7 ausgeht, dargestellt. Das Strahlenbündel S tritt durch die Vorderseite 4 in den transparenten Körper ein und läuft bis zur Rückseite 5, wo es am Echellegitter 6 reflektiert wird und wiederum zur Vorderseite 4 läuft, aus diesem austritt und auf den Detektor 3 trifft. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 1 der Verlauf des Strahlenbündels S nach Eintritt durch die Vorderseite 4 bis zur Rückseite 5 nicht eingezeichnet. Der im transparenten Körper 2 eingezeichnete Strahlenverlauf entspricht dem Strahlenverlauf nach Reflexion an Echellegitter 6.
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Das Echellegitter 6 ist so ausgebildet, daß bei Reflexion eine spektrale Aufspaltung in einer ersten Dispersionsrichtung D1 auftritt, die schematisch in 2 eingezeichnet ist, in der nur der transparente Körper 2 perspektivisch dargestellt ist. Die Gitterfurchen des Echellegitters 6 sind durch die gepunkteten Linien 8 angedeutet. Um nun die Beugungsordnungen des Echellegitters 6, die zumindest zum Teil aufeinander fallen, zu trennen, ist die Vorderseite 4 so gekrümmt und relativ zur sphärischen Rückseite 5 angeordnet, daß das durch den transparenten Körper 2 laufenden Strahlenbündel S mit einer dispergierenden Wirkung quer zur ersten Dispersionsrichtung D1 beaufschlagt wird. Dies wird durch die prismatische Ausbildung des transparenten Körpers 2 erreicht, die in 2 und insbesondere in der Seitenansicht des transparenten Körpers 2 in 3 zu erkennen ist.
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Damit wird erreicht, daß die Spektren der einzelnen Beugungsordnungen voneinander getrennt auf den Detektor 3 treffen, wie schematisch in 4 für die siebte bis dreizehnte Beugungsordnung dargestellt ist, die in der beschriebenen Ausführungsform genutzt werden und sich jeweils von links nach rechts erstrecken. Dabei wird mit B7 die siebte Beugungsordnung, mit B8 die achte Beugungsordnung, ... und mit B13 die dreizehnte Beugungsordnung bezeichnet. Da der Detektor 3 einen flächigen Detektionsbereich aufweist, kann er die in 4 gezeigten Spektren B7–B13 gleichzeitig detektieren. Der Detektor 3 kann daher auch als Flächendetektor bezeichnet werden.
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Durch die prismatische Ausbildung des transparenten Körpers 2 und insbesondere durch die Krümmung von Vorderseite 4 und Rückseite 5 kann der dispergierenden Wirkung zur Trennung der Beugungsordnungen des Echellegitters 6 keine eindeutige Dispersionsrichtung zugeordnet werden. Man kann jedoch jeder Beugungsordnung B7–B13 eine über die Wellenlängen jeder Beugungsordnung gemittelte Dispersionsrichtung zuordnen. Für die siebte Beugungsordnung B7 ist die gemittelte Dispersionsrichtung D2 (die auch als zweite Dispersionsrichtung D2 bezeichnet werden kann) senkrecht zur ersten Dispersionsrichtung, wie z. B. in 2 schematisch dargestellt ist.
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Wie insbesondere der Darstellung in 4 zu entnehmen ist, sind die gemittelten Dispersionsrichtungen D2 der unterschiedlichen Beugungsordnungen voneinander verschieden. So kann sich die gemittelte Dispersionsrichtung der siebten Beugungsordnung von der gemittelten Dispersionsrichtung der dreizehnte Beugungsordnung um z. B. 10°–20° unterscheiden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 2 und 3 nur die gemittelte Dispersionsrichtung D2 der siebten Beugungsordnung eingezeichnet.
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Das erfindungsgemäße Echelle-Spektrometer 1 ist hier bevorzugt so ausgelegt, daß die genutzten Beugungsordnungen (hier siebte bis dreizehnte Beugungsordnung) ein kontinuierliches Spektrum darstellen. Das Spektrum kann z. B. von 500–900 nm laufen.
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Die Bandbreite jeder einzelnen Beugungsordnung B7–B13 entspricht in etwa der mittleren Wellenlänge λMitte geteilt durch die Beugungsordnung n. Dies ist in 4 gut zu erkennen, da mit steigender Beugungsordnung die Breite (waagrechte Ausdehnung) der jeweiligen Beugungsordnung auf dem Detektor 3 abnimmt. Die Darstellung in 4 ist dabei so gewählt, daß die Wellenlänge von links nach rechts zunimmt und von unten nach oben abnimmt. Somit entspricht z. B. die Wellenlänge der siebten Beugungsordnung ganz links (Bezugszeichen 10) der Wellenlänge der achten Beugungsordnung ganz rechts (Bezugszeichen 11).
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Durch die gekrümmte Ausbildung der Rückseite 5 weist das Echellegitter 6 neben der dispergierenden Funktion noch eine abbildende Funktion auf. Ferner ist die Vorderseite 4 so ausgelegt, daß mit ihr fehlerkorrigierende Funktionen verwirklicht werden. Insbesondere wird mittels der Vorderseite 4 der Astigmatismus sowie die spektrale Bildfeldkrümmung verringert.
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Der transparente Körper 2 vereint somit vier optische Funktionen in sich: zwei dispergierende Funktionen (Echellegitter 6 und prismatische Ausbildung zwischen Vorder- und Rückseite 4, 5), eine abbildende Funktion (Echellegitter 6) und eine fehlerkorrigierende Funktion (Vorderseite 4).
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Die Vorderseite
4 kann durch die nachfolgende Formel beschrieben werden:
mit j = [(m + n)
2 + m + 3n]/2 + 1 und
wobei die konische Konstante k = –9,5153·10
–1 beträgt sowie alle Parameter C
j, die in der nachfolgenden Tabelle nicht angegeben sind, den Wert Null aufweisen:
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In der obigen Tabelle ist für jeden Parameter Cj der Wert angegeben und welchem xy-Polynom er zugeordnet ist. So beträgt der Parameter C12 6,5461·10–7 für das Polynom x3y.
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Wenn der Scheitel der Rückseite 4 und somit des Echellegitters 6 im Koordinatenursprung liegt, liegt die Vorderseite 4 relativ zur Rückseite 5 in x-Richtung um +5,5622 mm, in y-Richtung um +3,5117 mm und in z-Richtung um –16,7275 mm versetzt, wobei Drehungen in dieser Reihenfolge um die x-Achse um –25,0104°, um die y-Achse um –16,0487° und um die z-Achse um –21,3584° durchgeführt sind. Der Wert für c ist gleich der Kehrwert von –15,8114 mm.
wobei die konische Konstante k = –9,5153·10–1 beträgt sowie alle Parameter Cj, die in der nachfolgenden Tabelle nicht angegeben sind, den Wert Null aufweisen:
