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Die Erfindung betrifft ein Spektrometer, umfassend ein dispersives Element und eine Detektoreinheit zur Erfassung von gebeugtem Licht.
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Spektrometer, insbesondere optisches Spektrometer, dienen zur Erzeugung und Ausmessung von Spektren. Hierbei kann es sich um Emissionsspektren von Materialproben handeln, die in geeigneter Weise zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung angeregt werden und deren Zusammensetzung anhand des ausgemessenen Spektrums ermittelt wird. Untere anderem lassen sich auf diese Weise die Zusammensetzungen von Metalllegierungen analysieren.
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Im Allgemeinen umfasst ein optisches Spektrometer eine Lichteintrittsöffnung, über die ein Lichtbündel mit dem von der Materialprobe ausgesendeten Licht auf ein dispersives Element gelangt, welches das Lichtbündel nach Wellenlängen aufspaltet und ein Prisma oder ein Gitter sein kann. Das Gitter kann als Reflexionsgitter ausgestaltet sein, wodurch ein kompakter Aufbau des Spektrometers erreicht werden kann. Eine Detektoreinheit erfasst Lichtintensitäten des aufgespaltenen Lichts in einem bestimmten Beugungswinkelbereich und umfasst in der Regel Photoelektronenvervielfacher (Photomultiplier) oder eine CCD(Charged Coupled Device)-Matrix mit wenigstens einer Zeile. Die Detektoreinheit ist mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt, welche die mittels der Detektoreinheit erfasste Intensitätsverteilung auswertet und insbesondere Intensitätsmaxima bestimmt, die den Spektrallinien (im Folgenden auch kurz als Linien bezeichnet) der Materialprobe entsprechen.
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Um die Lichteintrittsöffnung auf der Detektoreinheit abzubilden, können Abbildungselemente wie Linsen oder dergleichen vorgesehen sein. Es können auch Reflexionsgitter mit einer konkaven Oberfläche eingesetzt werden, die gleichzeitig als Abbildungselemente dienen. Derartige Reflexionsgitter können als Hohlspiegel ausgestaltet sein, welche die Strahlbündel auf einer gekrümmten Fläche fokussieren, in der die Erfassungselemente der Detektoreinheit angeordnet sind. In der sogenannten Paschen-Runge Aufstellung sind die Lichteintrittsöffnung, das Reflexionsgitter und die Detektoreinheit auf einem Kreis (Rowland-Kreis) angeordnet, welcher bei dieser Aufstellung der Fokalkurve entspricht. Bei einer Weiterentwicklung dieser Aufstellung kann mithilfe von sogenannten Flat-Field-Gittern erreicht werden, dass die Fokalkurve für einen größeren Bereich des Spektrums im Wesentlich geradlinig verläuft, so dass Detektoreinheiten mit ebenen Oberflächen eingesetzt werden können.
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Insbesondere bei Kompaktspektrometern, in denen die Fokalkurven einen geringen Abstand zum dispersiven Element aufweisen, ist das spektrale Auflösungsvermögen (im Folgenden auch kurz als Auflösung bezeichnet) häufig zu gering, um alle für die Probenanalyse relevanten Spektrallinien auflösen zu können. Häufig überlagern sich mehrere Spektrallinien und können nur rechnerisch durch eine Entfaltung (Dekonvolution) getrennt und einzeln identifiziert werden. Die Dekonvolution beinhaltet eine Auswertung der in Abhängigkeit von dem Beugungswinkel erfassten Intensitätsverteilung, die zu diesem Zweck möglichst genau, das heißt mit einer hohen Winkelauflösung bzw. mit einer hohen Anzahl von Datenpunkte, erfasst werden sollte. Die Winkelauflösung entspricht der Ortsauflösung der Erfassungselemente der Detektoreinheit, die häufig derart begrenzt ist, dass die Dekonvolution mit größeren Unsicherheiten behaftet ist. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn sich Spurenlinien, die von Elementen herrühren, die nur einen geringen Anteil an der Materialzusammensetzung der Probe haben, mit Hauptlinien überlagern, die von Elementen mit einem hohen Anteil der Materialzusammensetzung stammen. Die Genauigkeit bei der Erfassung der Intensitätsverteilung kann grundsätzliche durch eine Erhöhung der Ortsauflösung der Detektoreinheit erhöht werden. Dies ist jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden.
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Ein weiteres Problem, das vor allem bei der Erfassung von Emissionsspektren mit wenigen Linien oder in einem großen Spektralbereich auftritt, besteht darin, dass erfasste Einzellinien einen großen Winkelabstand haben oder dass die Spektren einzelne Linien aufweisen, die weit außerhalb des Spektralbereichs liegen, in dem sich die übrigen relevanten Linien bzw. die Mehrzahl der relevanten Linien befinden. Zur Erfassung von Einzellinien in derartigen Spektren werden Detektoreinheiten verwendet, die den gesamten Winkelbereich überdecken, in dem die zu erfassenden Linien auftreten. Dabei überdecken die Detektoreinheiten auch einen erheblichen Winkelbereich zwischen den Winkeln, unter denen die Linien erfasst werden, welcher nicht von Interesse ist. Eine solche Detektoreinheit ist daher unwirtschaftlich.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spektrometer so auszugestalten, dass mit einer möglichst einfachen Detektoreinheit eine effizientere Erfassung von Emissionsspektren zur Materialanalyse ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Spektrometer gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen des Spektrometers sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demgemäß wird ein Spektrometer mit einem dispersiven Element und einer Detektoreinheit zur Erfassung von gebeugtem Licht vorgeschlagen, bei dem in einem Lichtweg zwischen dem dispersiven Element und der Detektoreinheit ein Zerstreuungselement vorgesehen ist, über das Licht aus wenigstens einen Teilbereich des Spektralbereichs zu der Detektoreinheit geführt wird. Bei dem Zerstreuungselement kann es sich um einen Konvexspiegel, insbesondere einen zylindrischen Konvexspiegel, oder eine Zerstreuungslinse handeln. Mithilfe des vorgesehenen Zerstreuungselements können die Abbildungseigenschaften der optischen Komponenten des Spektrometers derart verändert werden, dass die Detektoreinheiten effizienter genutzt werden kann.
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In einer Ausgestaltung des Spektrometers wird nur Licht eines vorgegebenen Teilbereichs des Spektralbereichs über das Zerstreuungselement zu der Detektoreinheit geführt. Hierzu kann das Zerstreuungselement derart angeordnet sein, dass im Wesentlichen nur Licht aus dem vergebenen Teilbereich des Spektralbereichs auf das Zerstreuungselement trifft. In weiteren Bereichen des Spektralbereichs kann die Erfassung von gebeugtem Licht ohne Verwendung eines Zerstreuungselements vorgenommen werden, oder die Erfassung beschränkt sich auf den vorgegebenen Teilbereich des Spektralbereichs.
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Mithilfe des vorgesehenen Zerstreuungselements kann gebeugtes Licht in einem bestimmten Spektralbereich auf einen größeren Bereich der Detektoreinheit abgebildet werden, als es ohne das Zerstreuungselement der Fall wäre. Hierdurch kann eine Intensitätsverteilung in dem betreffenden Spektralbereich mittels eines größeren Detektorbereichs erfasst werden. Dies bedeutet in der Regel, insbesondere bei Verwendung einer Detektoreinheit mit CCD-Sensoren, dass die Intensitätsverteilung mit einer höheren Anzahl von Datenpunkten erfasst werden kann, ohne dass die Ortsauflösung des Detektors erhöht werden muss.
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Aufgrund der resultierenden genaueren Erfassung des Verlaufs der Intensitätsverteilung können insbesondere Unsicherheiten bei der rechnerischen Entfaltung von sich überlagernden Spektrallinien verringert werden. Eine solche Entfaltung kann in einer mit der Detektoreinheit gekoppelten Auswerteeinheit vorgenommen werden, die in einer Ausführungsform des Spektrometers dazu ausgestaltet ist, anhand einer erfassten Intensitätsverteilung von über das Zerstreuungselement zu der Detektoreinheit geführte Licht mehrere Spektrallinien anhand einer Entfaltung zu identifizieren.
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Eine weitere Ausführungsform des Spektrometers zeichnet sich dadurch aus, dass Licht aus dem vorgegebenen Teilbereich des Spektralbereichs, welches über das Zerstreuungselement zu der Detektoreinheit geführt wird, mittels eines als Konvexspiegel ausgestalteten Zerstreuungselements zu einem vorgegeben Bereich der Detektoreinheit geführt wird. Mittels eines solchen Konvexspiegels kann Licht grundsätzlich unabhängig von dem Beugungswinkel auf einem bestimmten Bereich der Detektoreinheit geleitet werden, der zudem unabhängig von der relevanten Fokalkurve gewählt werden kann. Aufgrund der Beugungswinkelunabhängigkeit können beispielsweise weit auseinander liegende Spektrallinien in enger beieinander liegenden Bereichen der Detektoreinheit erfasst werden, wodurch eine bessere Ausnutzung der Detektoreinheit erreicht wird und eine kleinere Detektoreinheit eingesetzt werden kann. Darüber hinaus wird eine flexible Anordnung von Detektoreinheiten ermöglicht. Hierdurch kann insbesondere eine kompaktere Anordnung der optischen Komponenten des Spektrometers erreicht werden.
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Wenn als dispersives Element ein Reflexionsgitter eingesetzt wird, kann eine besonders kompakte Anordnung dadurch erzielt werden, dass die Detektoreinheit auf einer dem untersuchten Bereich des Beugungsspektrums gegenüberliegenden Seite der Gitternormalen angeordnet wird. Daher ist in einer Ausgestaltung des Spektrometers vorgesehen, dass Licht aus dem Teilbereich des Spektrums, der von dem Konvexspiegel auf die Detektoreinheit reflektiert wird, mittels des Konvexspiegels derart auf den vorgegebenen Detektorbereich geleitet wird, dass es gebeugtes Licht aus einem weiteren Teilbereich des Spektralbereichs und/oder ein auf das dispersive Element fallendes Einfallslichtbündel kreuzt. Hierdurch kann die zuvor beschriebene Anordnung der Detektoreinheit erreicht werden, ohne dass die Detektoreinheit und/oder der Konvexspiegel störend im Strahlengang angeordnet werden müssen. Der Konvexspiegel sorgt dabei insbesondere dafür, dass die Fokuslänge in dem dafür benötigten Maß verlängert wird.
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Eine weitere Ausgestaltung des Spektrometers zeichnet sich dadurch aus, dass die Detektoreinheit mehrere räumlich voneinander getrennte Detektorabschnitte umfasst und Licht aus dem vorgegebenen und weiteren Teilbereich des Spektralbereichs in unterschiedlichen Detektorabschnitten erfasst wird. Anhand einer solchen Detektoreinheit und bei einer geeigneten Anordnung der Detektorabschnitte lässt sich eine besonders kompakte Anordnung der optischen Komponenten des Spektrometers erzielen.
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Mithilfe von Konvexspiegeln, mit denen gebeugtes Licht aus einem Teilbereich eines Spektralbereichs auf vorgegebene Bereiche der Detektoreinheit abgebildet werden kann, können insbesondere vereinzelte Spektrallinien erfasst werden, die einen großen Abstand zu einem Spektralbereich haben, in dem die übrigen relevanten Spektrallinien bzw. die Mehrzahl von relevanten Spektrallinien liegt. Hierdurch braucht die Detektoreinheit nicht den gesamten Beugungswinkelbereich bis zum Beugungswinkel der vereinzelten Spektrallinien zu überdecken, so dass eine kleinere Detektoreinheit eingesetzt und ein kompakterer Aufbau der optischen Komponente des Spektrometers erreicht werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Spektrometer mehrere Zerstreuungselemente, über die jeweils das Licht eines Teilbereichs des Spektralbereichs zu der Detektoreinheit geführt wird. Beispielsweise kann jedes Zerstreuungselement zur Erfassung einer bestimmten Spektrallinie und/oder eines begrenzten Spektrallinienbereichs eingesetzt werden.
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Eine Weiterbildung des Spektrometers ist dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element, das Zerstreuungselement und die Detektoreinheit an einem Trägerelement befestigt sind und das Trägerelement aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt ist. Bei dem Trägerelement kann es sich insbesondere um eine Wand eines Optikgehäuses des Spektrometers handeln, in dem die optischen Komponenten untergebracht sind. Die Verwendung von CFK als Material für das Trägerelement hat den Vorteil, dass die relative Ausrichtung der optischen Komponenten zueinander bei Temperaturschwankungen aufgrund des sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten des Materials nicht gestört wird.
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Die zuvor genannten und weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung werden auch anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden.
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Von den Figuren zeigt:
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1 eine schematische Darstellung von optischen Komponenten eines Spektrometers in einer ersten Anordnung mit einem Konvexspiegel,
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2 eine schematische Darstellung der Intensitätsverteilung nach der Reflexion von gebeugtem Licht an dem Konvexspiegel,
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3 eine schematische Darstellung von optischen Komponenten eines Spektrometers in einer zweiten Anordnung und
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4 eine schematische Darstellung von optischen Komponenten eines Spektrometers in einer dritten Anordnung.
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In der 1 ist eine Anordnung mit optischen Komponenten eines Spektrometers gezeigt, welches dazu eingesetzt werden kann, die Zusammensetzungen von Materialproben, insbesondere von Metallen, zu analysieren. Hierzu werden Emissionsspektren ausgewertet, die von den Materialproben aufgrund einer geeigneten Anregung ausgesendet werden. Die Anregung kann beispielsweise durch eine Funkenentladung, die vorzugsweise in einer Argon-Atmosphäre stattfindet, oder eine Bogenentladung, die in einer Luftatmosphäre stattfinden kann, erfolgen, wodurch sich Partikel aus der Probenoberfläche lösen und ein Plasma mit angeregten Atomen bilden, welche das in dem Spektrometer untersuchte Licht emittieren.
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Das von der Materialprobe emittierte Licht gelangt direkt oder durch einen Lichtleiter zu einem Eintrittsspalt 101 der in der 1 gezeigten Anordnung. Um eine möglichst hohe Auflösung des Spektrometers zu erreichen, hat der Spalt eine möglichst geringe Breite, die jedoch so groß gewählt wird, dass eine ausreichende Intensität des in den Eintrittsspalt 101 basierenden Lichts gewährleistet ist. Beispielsweise kann die Spaltbreite zwischen 5 µm und 30 µm betragen. Das durch den Spalt eintretende Einfallslichtbündel 107 trifft auf ein Beugungsgitter 102, welches als Reflexionsgitter ausgestaltet ist. Die Oberfläche des Beugungsgitters wirkt als Hohlspiegel, welcher Abbilder des Eintrittsspalts auf der Fokalkurve abbildet. Vorzugsweise ist das Beugungsgitter 102 als ein Flat-Field-Gitter ausgestaltet, bei dem die Fokalkurve in einem möglichst weiten Spektralbereich im Wesentlichen geradlinig verläuft. Gleichfalls kann jedoch auch ein konvexes Reflexionsgitter 102 eingesetzt werden, welches den Eintrittsspalt auf einer Fokalkurve abbildet, die für den gesamten erfassten Spektralbereich gekrümmt ist. Das Beugungsgitter 102 ist an einen für die Analyse relevanten Spektralbereich angepasst und weist insbesondere eine geeignete Gitterkonstante auf. Je nach untersuchtem Spektralbereich und Auflösung kann die Gitterkonstante beispielsweise zwischen 1000 Striche/mm und 4000 Striche/mm liegen.
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Das an dem Beugungsgitter 102 gebeugte Licht wird von einer Detektoreinheit 103 erfasst. Die Detektoreinheit 103 misst die Intensitätsverteilung des einfallenden Lichts, wobei eine Position auf der Detektoreinheit 103 einem bestimmten Beugungswinkel entspricht. Dementsprechend wird gebeugtes Licht, das von dem Beugungsgitter 102 unter einem bestimmten Beugungswinkel reflektiert wird, an einer dem Beugungswinkel zugeordneten Position von der Detektoreinheit 103 erfasst, so dass der Beugungswinkel ermittelt werden kann. Damit kann die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von dem Beugungswinkel ermittelt werden. Der Beugungswinkel unter der ein Lichtstrahl gebeugt wird ist eine Funktion der Wellenlänge, so dass anhand der Intensitätsverteilung das Emissionsspektrum der Materialprobe bestimmt und insbesondere charakteristische Spektrallinien von enthaltenen chemischen Elementen identifiziert werden können. Hieraus kann die Materialzusammensetzung bestimmt werden.
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Die Detektoreinheit erstreckt sich entlang der Fokalkurve, das heißt der Kurve, auf welcher die Abbilder des Eintrittsspalts 101 von dem Beugungsgitter 102 abgebildet werden. Bei Verwendung eines Flat-Field-Gitters kann in dem Erfassungsbereich, welcher dem näherungsweise geradlinigen Abschnitt der Fokalkurve entspricht, ein Detektor mit einer ebenen Oberfläche eingesetzt werden. Der geradlinige Abschnitt der Fokalkurve kann dem untersuchten Spektralbereich entsprechen, so dass keine gekrümmte Detektoreinheit 103 eingesetzt werden muss. Gleichfalls kann der untersuchte Spektralbereich jedoch auch größer sein, so dass die Detektoreinheit 103 sich über den geradlinigen Bereich hinaus erstreckt und außerhalb des geradlinigen Abschnitts gekrümmte Bereiche aufweist. Wird kein Flat-Field-Gitter eingesetzt, so ist die Oberfläche der Detektoreinheit 103 entsprechend der Fokalkurve im gesamten Bereich gekrümmt. Eine gekrümmte Detektoreinheit 103 kann eine Mehrzahl von kleinen ebenen Bereichen enthalten, mit denen die Krümmung der Fokalkurve nachgebildet wird.
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In einer Ausgestaltung ist die Detektoreinheit 103 als ein CCD-Sensor ausgestaltet, der ein oder mehrere CCD-Sensorelemente beinhalten kann. Da die Intensitätsverteilung lediglich bezüglich einer Richtung erfasst wird, können die CCD-Sensorelemente als eindimensionale CCD-Zeilensensoren ausgestaltet sein. Jedes Sensorelement umfasst in diesem Fall eine Detektorzeile mit einer bestimmten Anzahl lichtempfindlicher Zellen, die auch als Pixel bezeichnet werden.
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Die Detektoreinheit 103 ist mit einer in der 1 nicht dargestellten Auswerteeinrichtung gekoppelt, welche die mittels der Detektoreinheit 103 erfasste Intensitätsverteilung auswertet. Bei der Auswertung bestimmt die Auswerteeinrichtung die erfassten Spektrallinien in dem Emissionsspektrum der Materialprobe. Diese können von der Auswerteeinrichtung ausgegeben und von einem Benutzer des Spektrometers weiterverwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerteeinrichtung anhand der Spektrallinien die Materialzusammensetzung der untersuchten Materialprobe bestimmen und ausgeben. Hierdurch erhält der Benutzer direkt Kenntnis von einer zu ermittelten Materialzusammensetzung der Materialprobe.
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Bei der Anordnung, die in der 1 angezeigt ist, gelangt das gebeugte Licht nicht direkt zu der Detektoreinheit 103, sondern wird durch eine Spiegelanordnung 104 umgelenkt. Grundsätzlich können die optischen Komponenten hierdurch kompakter angeordnet werden. Insbesondere kann der Abstand zwischen der Detektoreinheit 103 und dem Beugungsgitter 102 gegenüber einer Anordnung, bei der keine Umlenkung des gebeugten Lichts vorgesehen ist, verringert werden. Die Spiegelanordnung umfasst einen ersten Spiegel 105, der als ein Planspiegel ausgestaltet ist, das heißt eine ebene Reflexionsoberfläche aufweist. Die Wirkung des Planspiegels beschränkt sich auf eine bloße Umlenkung des gebeugten Lichts auf die Detektoreinheit 103. Alle Lichtstrahlen, die unter einem Einfallswinkel auf den Planspiegel 105 auftreffen, werden unter demselben Ausgangswinkel reflektiert. Beispielhaft ist die Reflexion für jeweils zwei Lichtstrahlen gezeigt, die von den äußeren Kanten des Beugungsgitters 102 ausgehen.
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Die Spiegelanordnung 104 umfasst darüber hinaus einen Konvexspiegel 106, der vorzugsweise als ein zylindrischer Konvexspiegel ausgestaltet ist, wobei die Zylinderachse parallel zur Längsausdehnung des Eintrittsspalts 101 (d.h. senkrecht zur Zeichenebene der 1) verläuft. Der Konvexspiegel 106 reflektiert Licht, welches von dem Beugungsgitter 102 gebeugt worden ist, ebenfalls derart, dass es auf die Detektoreinheit 103 trifft. Verschiedene Lichtstrahlen, die von dem Konvexspiegel 106 an unterschiedlichen Stellen seiner Oberfläche reflektiert werden, haben jedoch beim Auftreffen auf die Detektoreinheit 103 einen größeren Abstand voneinander als es nach einer Reflexion an einem Planspiegel der Fall wäre. Mittels des Konvexspiegels 106 wird das Streulicht des Beugungsgitters 102 somit quasi "aufgeweitet". Dabei wird eine Intensitätsverteilung in einem Winkelbereich des Streulichts, in dem eine Reflexion durch den Konvexspiegel 106 stattfindet, auf einen größeren Bereich der Detektoreinheit 103 und somit auf eine größere Anzahl von Pixeln der Detektoreinheit 103 umgeleitet als es bei einer Reflexion an einem Planspiegel 106 der Fall wäre.
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Mittels des Konvexspiegels 106 wird somit zwar das spektrale Auflösungsvermögen des Spektrometers nicht erhöht, die Intensitätsverteilung kann jedoch zumindest in einem Bereich des Spektrums in einem größeren Bereich der Detektoreinheit 103 und damit mittels einer größeren Anzahl von Pixeln der Detektoreinheit erfasst werden. Der Spektralbereich entspricht dem Bereich von Beugungswinkeln, unter denen von dem Beugungsgitter 102 gebeugtes Licht auf den Konvexspiegel 106 trifft. Durch eine geeignete Ausdehnung und Anordnung des Konvexspiegels 106 lässt sich der Spektralbereich auswählen, so dass die mittels des Konvexspiegels 106 erzielte „Aufweitung“ gezielt in einem vorgegebenen Spektralbereich durchgeführt werden kann.
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Jeder Pixel der Detektoreinheit 103 entspricht einem erfassten Datenpunkt der erfassten Intensitätsverteilung. Somit kann die Intensitätsverteilung in dem Spektralbereich, in dem der Konvexspiegel 106 eingesetzt wird, mit einer höheren Anzahl von Datenpunkten erfasst werden. Hierdurch kann der Verlauf der Intensitätsverteilung mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn mittels Dekonvolution Spektrallinien voneinander getrennt bzw. einzeln identifiziert werden, die sich in der Intensitätsverteilung überlappen. Eine solche Dekonvolution wird anhand der mittels der Detektoreinheit 103 erfassten Intensitätsverteilung in der Auswerteeinrichtung vorgenommen, um unterschiedliche Spektrallinien einzeln zu identifizieren, die aufgrund der zu geringen Auflösung des Spektrometers anders nicht unterschieden werden können. Algorithmen zur Durchführung der Dekonvolution, die auch in der Auswerteeinrichtung eingesetzt werden können, sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass anhand des mittels der Detektoreinheit 103 erfassten Intensitätsverlaufs eine nach Verlauf nachbildende Regressionskurve bestimmt wird, und diese mit Kurven verglichen wird, die modellhaft für eine Überlagerung von Spektrallinien berechnet worden ist.
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Die mittels des Konvexspiegels 406 erzielte „Aufweitung“ und die daraus resultierende genauere Erfassung des Intensitätsverlaufs wird in der 2 schematisch veranschaulicht. In der 2 ist Detektorzeile 201 der Detektoreinheit 103 ausschnittsweise mit einer Anzahl von Pixeln gezeigt, wobei ein beliebig herausgegriffener Pixel mit der Bezugsziffer 202 versehen ist. Ferner ist ein Intensitätsverlauf 203 in einem bestimmten Beugungswinkelbereich dargestellt, der mittels der Detektorzeile 201 nach der Reflexion des gebeugten Lichts an den Konvexspiegel 406 erfasst wird. Jeder Pixel 202 der Detektorzeile 201 erfasst einen Intensitätswert als Datenpunkt der Intensitätsverteilung. Schematisch sind die erfassten Datenpunkte in der 2 dargestellt, wobei ein beliebig herausgegriffener Datenpunkt mit der Bezugsziffer 204 versehen ist. Weiterhin zeigt die 2 den Intensitätsverlauf 205 in demselben Beugungswinkelbereich, wie er von der Detektorzeile 201 erfasst würde, wenn anstelle des Konvexspiegels 406 ein Planspiegel eingesetzt würde, an dem das gebeugte Licht reflektiert wird. Wie in der 2 deutlich wird, überdeckt der Intensitätsverlauf 205 weniger Pixel 202 der Detektorzeile 201, so dass der Intensitätsverlauf 204 mit weniger Datenpunkten erfasst wird.
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Eine genaue Bestimmung des Intensitätsverlaufs mit einer hohen Ortsauflösung der Detektoreinheit 103 ist vor allem in Spektralbereichen vorteilhaft, in denen sich Spektrallinien mit einer geringen Lichtintensität, die von Spurenelementen herrühren, die nur in geringen Anteilen in der Materialprobe enthalten sind, mit Spektrallinien überlappen, die mit einer hohen Lichtintensität erfasst werden können und von Hauptelementen stammen, die in hohen Anteilen in der Materialprobe enthalten sind. Daher wird der Spektralbereich, in dem der Konvexspiegel 106 eingesetzt wird, in einer Ausgestaltung so bestimmt, dass er dem Spektralbereich entspricht, in dem die Spektrallinien von Spurenelementen der untersuchten Materialproben enthalten sind. Bei einer Analyse der Zusammensetzung von Metalllegierungen wird vorteilhaft ein Spektralbereich mit Wellenlängen kleiner als 300 nm ausgewählt, insbesondere ein Bereich zwischen ca. 170 nm und 250 nm. In diesem Bereich befinden sich Spektrallinien von Spurenelementen wie Phosphor, Schwefel und Kohlenstoff, die in der Nähe typischer Hauptlinien (Legierungslinien) von Metalllegierungen liegen.
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Wie in der 1 gezeigt und zuvor beschrieben, kann in einem weiteren Spektralbereich ein Planspiegel 105 eingesetzt werden. Hierdurch kann die Intensitätsverteilung in diesem Spektralbereich in einem kleineren Bereich der Detektoreinheit 103 erfasst werden, als es bei einer ausschließlichen Verwendung eines Konvexspiegels 106 der Fall ist, der im gesamten Spektralbereich für die Umlenkung des Lichts verwendet wird. Hierdurch kann die Detektoreinheit 103 kleiner ausgeführt und eine kompaktere Anordnung der optischen Komponenten der Detektoreinheit erzielt werden. Bei der Analyse von Metalllegierungen wird der Planspiegel vorzugsweise für den Spektralbereich oberhalb von etwa 250 nm bis 300 nm eingesetzt. Um eine Überlappung des von dem Konvexspiegel 106 reflektierten Lichts und des von dem Planspiegel 105 reflektierten Lichts zu vermeiden, ist der Konvexspiegel 106 räumlich beabstandet von dem Planspiegel 105 angeordnet, so dass sich zwischen beiden Spiegeln 105, 106 eine Lücke ausbildet. Die Lücke überdeckt einen Beugungswinkelbereich, der einem bestimmten Spektralbereich entspricht, welcher nicht erfasst werden kann. Die Lücke zwischen den Spiegeln 105, 106 bzw. die Spektralbereiche, in denen die Spiegel 105, 106 jeweils eingesetzt werden, wird vorzugsweise so gewählt, dass sich in dem nicht erfassten Spektralbereich keine relevanten Spektrallinien der Emissionsspektren der untersuchten Materialproben befindet.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann es jedoch gleichfalls vorgesehen sein, dass lediglich ein Konvexspiegel 106 zur Umlenkung des an dem Beugungsgitter 102 gebeugten Lichts auf die Detektoreinheit 103 eingesetzt wird und auf einen Planspiegel 105 verzichtet wird. Der Konvexspiegel 106 kann in diesem Fall einstückig ausgebildet sein und somit in einem zusammenhängenden Spektralbereich verwendet werden. In weiteren Ausgestaltungen kann anstelle eines Konvexspiegels auch ein anderes optisches Zerstreuungselement eingesetzt werden, um die zuvor beschriebene "Aufweitung" zu erreichen. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Zerstreuungslinse (Konvexlinse) handeln. Eine solche kann in Verbindung mit einem Planspiegel in einer Anordnung eingesetzt werden, die in der gleichen Weise arbeitet wie der Konvexspiegel 106. Gleichfalls kann eine Zerstreuungslinse in den Strahlengang zwischen dem Beugungsgitter 102 und der Detektoreinheit 103 angeordnet sein, wenn das von dem Beugungsgitter 103 gebeugte Licht direkt auf die Detektoreinheit 103 fällt. Die Zerstreuungslinse kann in diesem Fall den gesamten Winkelbereich des Streulichts überdecken, so dass das Licht im gesamten Spektralbereich die Zerstreuungslinse passiert. Gleichfalls kann vorgesehen sein, dass die Zerstreuungslinse nur einen Teilbereich des gesamten erfassten Beugungswinkelbereichs überdeckt, so dass analog zu der in der 1 dargestellten Anordnung lediglich Licht in einem Teilbereich des untersuchten Spektralbereichs die Zerstreuungslinse passiert.
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In der 3 ist eine Anordnung mit einem Eintrittsspalt 301 und einem Beugungsgitter 302 veranschaulicht, die in gleicher Weise ausgestaltet sind wie der zuvor beschrieben Eintrittsspalt 101 und das Beugungsgitter 102. Ferner ist eine Detektoreinheit 303 vorgesehen, die analog zu der zuvor erläuterten Detektoreinheit 103 ausgestaltet ist.
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Darüber hinaus umfasst die Anordnung einen oder mehrere Konvexspiegel 304i (i = a, b, c). In der 3 sind beispielhaft drei Konvexspiegel 304a, 304b, 304c dargestellt. Wie der zuvor beschriebene Konvexspiegel 101 können die Konvexspiegel 304i als zylindrische Spiegel ausgebildet sein. Jeder Konvexspiegel 304i reflektiert an dem Beugungsgitter 302 gebeugtes Licht derart, dass es an einer vorgegebenen Position 305i (oder innerhalb eines kleinen Bereichs) auf die Detektoreinheit 304 auftrifft und mittels eines oder mehrerer an dieser Position angeordneter Pixel registriert wird. Um den Einfall von Streulicht in die Detektoreinheit 304 zu verhindern, können geeignete Blenden 306i im Bereich der Positionen 305i vorgesehen sein.
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Jeder Konvexspiegel 304i wird in einer Ausgestaltung zur Erfassung eines vorgegebenen Spektralbereichs des untersuchten Emissionsspektrums verwendet. Hierzu sind die Konvexspiegel 301i jeweils an einer geeigneten Stelle innerhalb des Strahlengangs des gebeugten Lichts in einem dem Spektralbereich entsprechenden Beugungswinkelbereich angeordnet. Der Spektralbereich und der entsprechende Winkelbereich können so ausgewählt sein, dass im Wesentlichen eine einzige vorgegebene Spektrallinie mit einer bestimmten Wellenlänge enthalten ist. Wenn von einem Konvexspiegel 304i nur eine einzige Spektrallinie reflektiert werden soll, ist dieser Konvexspiegel 304i mit entsprechend kleinen Abmessungen ausgeführt. Ferner kann das auf den Konvexspiegel 304i auftreffende und/oder das von diesem reflektierte Licht durch eine geeignete Blende auf einen möglichst kleinen Spektralbereich begrenzt werden. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Konvexspiegel 304i nur in einem schmalen Band reflektiert, welches einen möglichst kleinen Spektralbereich um die betreffende Spektrallinie herum umfasst. Dies kann durch eine entsprechende Beschichtung des Konvexspiegels 304i erreicht werden.
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In weiteren Ausgestaltungen kann einem oder mehreren Konvexspiegeln 304i auch ein größerer Spektralbereich mit mehreren Spektrallinien zugeordnet werden. In diesem Fall werden von den betreffenden Konvexspiegeln 304i Abbilder des Eintrittsspalts 301 in einem bestimmten Bereich der Detektoreinheit 303 erzeugt, wobei je nach spektraler Auflösung eine optische Unterscheidung der Spektrallinien oder Trennung durch Dekonvolution vorgenommen werden kann, um die einzelnen Linien zu identifizieren.
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Abbilder des Eintrittsspalts 301 auf der Detektoreinheit 302 werden bei der in der 3 dargestellten Anordnung durch das Zusammenwirken des Beugungsgitters 302 und der Konvexspiegel 304i erzeugt. Jeder Konvexspiegel 304 verlängert dabei den Lichtweg von dem Beugungsgitter 302 bis zur Position eines mittels des Konvexspiegels 304i erzeugten Abbildes des Eintrittsspalts 301 gegenüber der sogenannten Austrittsschnittweite des Beugungsgitters 302, welche dem Abstand zwischen dem Beugungsgitter 302 und der Fokalkurve entspricht. Dies entspricht einer Vergrößerung der Fokallänge des Beugungsgitters 302. Somit muss die Detektoreinheit 302 in der Anordnung nicht auf der Fokalkurve angeordnet sein, sondern kann im Wesentlichen unabhängig von der Fokalkurve positioniert werden. Aufgrund des verlängerten Lichtwegs kann die Detektoreinheit 302 insbesondere in einem Peripheriebereich der Anordnung der optischen Komponenten und damit außerhalb des Bereichs angeordnet werden, in dem einfallendes oder gebeugtes Licht läuft. Insbesondere kann das von den Konvexspiegeln reflektierte Licht das von den Eintrittsspalt 301 auf das Beugungsgitter 302 fallende Einfallslichtbündel 307 kreuzen, wie es in der 3 beispielhaft dargestellt ist.
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Eine Erfassung einer kontinuierlichen Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von dem anhand der Position auf der Detektoreinheit ermittelten Beugungswinkel kann mit der Anordnung nicht bestimmt werden. Stattdessen kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit bei der Registrierung eines Lichteinfalls an einer Position der Detektoreinheit 303, auf die ein bestimmter Konvexspiegel 304i Licht reflektiert, das Vorhandensein einer oder mehrerer dem Konvexspiegel 304i zugeordneter Spektrallinien registriert und diesen die erfassten Lichtintensitäten zuordnet. Die einem Konvexspiegel 304i zugeordnete Spektrallinie ergibt sich aus dem von dem Konvexspiegel 304i überdeckten Beugungswinkelbereich und ist in der Auswerteeinheit hinterlegt. Gleichfalls kann vorgesehen sein, dass bei einer Auswertung einzelne Spektrallinien bestimmt werden, wenn in dem von einem Konvexspiegel 304i überdeckten Winkelbereich mehrere Spektrallinien enthalten sind.
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Mithilfe einer Anordnung, wie sie in der 3 veranschaulicht ist, können insbesondere Emissionsspektren erfasst werden, die vereinzelte relevante Spektrallinien aufweisen, zwischen denen ein großer Abstand besteht, und/oder Emissionsspektren mit mehreren Gruppen enger benachbarter Spektrallinien, die ihrerseits größere Abstände zueinander aufweisen. Für jede vereinzelte Spektrallinie bzw. jede Spektralliniengruppe wird ein Konvexspiegel 304i in dem entsprechenden Beugungswinkelbereich angeordnet, der gebeugtes Licht auf die Detektoreinrichtung reflektiert. Hierbei können die Positionen 305i bzw. Bereiche auf die das Licht von mehreren Konvexspiegeln 304 reflektiert werden durch eine entsprechende Ausrichtung der Konvexspiegel 304 in geringem Abstand nebeneinander liegen. Hierdurch lässt sich ein Spektrum mit vereinzelten Linien und/oder Liniengruppen mit einer kleinen Detektoreinheit 302 in einer kompakten Anordnung erfassen. Bei einer konventionellen Erfassung eines solchen Spektrums müsste die Detektoreinheit 302 erheblich größer sein, und es müsste insgesamt eine größere Anordnung optischer Komponenten verwendet werden.
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In der 4 ist eine weitere Anordnung gezeigt, die Elemente beider zuvor beschriebener Ausgestaltungen beinhaltet. Die Anordnung umfasst einen Eintrittsspalt 401 und ein Beugungsgitter 402, die in gleicher Weise ausgestaltet sind wie der oben beschriebene Eintrittsspalt 101 und das Beugungsgitter 301. Des Weiteren ist eine Detektoreinheit vorgesehen, die zwei Detektorabschnitte 403a, 403b aufweist, die räumlich getrennt voneinander angeordnet sind.
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Auf den ersten Detektorabschnitt 403a gelangt gebeugtes Licht über eine Spiegelanordnung 404, welche in der dargestellten Ausgestaltung einen Planspiegel 405 und einen Konvexspiegel 406 umfasst und in gleicher Weise ausgestaltet ist wie die zuvor beschriebene Spiegelanordnung 104 der in der 1 veranschaulichten Anordnung. Insbesondere wird von dem Planspiegel 405 und dem Konvexspiegel 406 jeweils Licht in einem bestimmten Spektralbereich, der dem von dem jeweiligen Spiegel 405, 406 überdeckten Winkelbereich entspricht, auf den Detektorabschnitt 403a reflektiert. Wie die Spiegelanordnung 104 kann die Spiegelanordnung 404 alternativ auch nur einen Konvexspiegel 406 umfassen.
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Darüber hinaus sind zusätzliche Konvexspiegel 407a, b vorgesehen, die analog wie die zuvor unter Bezugnahme auf 3 erläuterten Konvexspiegel 304i eingesetzt werden und über die gebeugtes Licht auf den zweiten Detektorabschnitt 403b gelangt. Wie in der 4 gezeigt, sind die Konvexspiegel 407a, b und der Detektorabschnitt 403b vorzugsweise derart angeordnet, dass das von den Konvexspiegeln 407a, b reflektierte Licht sowohl das von der Spiegelanordnung 404 reflektierte Licht als auch das von dem Eintrittsspalt 401 auf das Beugungsgitter 402 fallende Einfallslichtbündel 408 kreuzt. Hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Anordnung der optischen Komponenten erreichen, die in der veranschaulichten Konfiguration enthalten sind.
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In einer Ausgestaltung werden die Konvexspiegel 407a, b zur Erfassung von einzelnen Spektrallinien des untersuchten Emissionsspektrums eingesetzt. Insbesondere könne mithilfe der Konvexspiegel 407a, b einzelne Spektrallinien eines untersuchten Emissionsspektrums erfasst werden, die einen großen Abstand zu einem Bereich haben, in dem sich die Mehrzahl der relevanten Spektrallinien befindet. In dem Bereich, in dem die Mehrzahl der Spektrallinien liegt, kann die Erfassung mithilfe der Spielanordnung 404 und dem anderen Detektorabschnitt 403a vorgenommen werden. In der 4 sind beispielhaft zwei zusätzliche Konvexspiegel 407a, b gezeigt. Sofern lediglich eine einzelne Spektrallinie oder mehr als zwei einzelne Spektrallinien mithilfe zusätzlicher Konvexspiegel 407a, b erfasst werden soll, so sind diese in entsprechend angepasster Anzahl vorhanden, die der Anzahl zu erfassender Spektrallinien entspricht. Gleichfalls kann mithilfe eines oder mehrerer zusätzlicher Konvexspiegel 407a, b auch ein ausgewählter Spektralbereich in der oben beschriebenen Weise erfasst werden.
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Eine Anordnung optischer Komponenten, wie sie schematisch in der 4 veranschaulicht ist, kann beispielsweise zur Erfassung von Zusammensetzungen von Metalllegierungen eingesetzt werden. Die Mehrzahl der Spektrallinien der Emissionsspektren derartiger Legierungen liegt typischerweise in einem Bereich unterhalb von circa 400–420 nm. In diesem Bereich kann die Erfassung mithilfe der Spiegelanordnung 404 und dem Detektorabschnitt 403a vorgenommen werden. Wie bereits zuvor erläutert, kann es dabei vorgesehen sein, dass für Linien in einem Teilbereich unterhalb von circa 250–300 nm eine Erfassung von gebeugtem Licht mithilfe des in der Spiegelanordnung enthaltenen Konvexspiegels 406 erfolgt, um eine Dekonvolution von Spuren- und Legierungslinien zu verbessern. Mithilfe der zusätzlichen Konvexspiegel 407a, b können vereinzelte Spektrallinien erfasst werden, die in Bereichen mit Wellenlängen größer als 400–420 nm auftreten. Hierbei können eine oder mehrere für die Materialuntersuchung relevanten Spektrallinien ausgewählt werden, denen jeweils ein Konvexspiegel 407a, b zugeordnet wird. Beispiele für derartige Linien sind die Na-Linie mit einer Wellenlänge von 589 nm und die Li-Linie mit einer Wellenlänge von 670 nm.
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In einer Abwandlung der in der 4 dargestellten Anordnung kann anstelle der Spiegelanordnung 404 mit einem Planspiegel 405 und einem Konvexspiegel 406 auch lediglich ein Planspiegel 405 oder ein Konvexspiegel 406 eingesetzt werden, welcher das gebeugte auf den Detektorabschnitt 403 reflektiert.
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Es hat sich gezeigt, dass Anordnungen von optischen Komponenten, welche Konvexspiegel 106; 304i; 406; 407a, b umfassen, eine besonders präzise relative Ausrichtung der Komponenten zueinander erfordert. Insbesondere sollte die relative Ausrichtung der Konvexspiegel 106; 304i; 406; 407a, b, dem Beugungsgitter 102; 302; 402 und der Detektoreinheit 103, 303 bzw. den vorgesehenen Detektorabschnitten 403a, b möglichst präzise eingestellt werden und sich zudem während des Betriebs des Spektrometers nicht verändern. Eine Veränderung der relativen Ausrichtung der optischen Komponenten zueinander kann sich im Betrieb des Spektrometers vor allem bei Temperaturschwankungen aufgrund einer thermischen Ausdehnung des Trägers ergeben, an dem die optischen Komponenten üblicherweise befestigt sind. Eine Lösung zur Verhinderung der Dekalibrierung in Folge von Temperaturschwankungen besteht in einer Thermostatisierung. Diese ist jedoch relativ aufwendig.
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In einer Ausgestaltung sind die optischen Komponenten, insbesondere die Konvexspiegel 106; 304i; 406; 407a, b relativ zu dem Beugungsgitter 102; 302; 402 und der Detektoreinheit 103, 303, an einem Trägerelement befestigt, das aus CFK hergestellt ist. CFK hat einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so dass eine Dekalibrierung aufgrund thermischer Einflüsse weitgehend verhindert wird. Die Komponenten oder zwischen den Komponenten und dem Trägerelement vorgesehene Verbindungsstücke werden vorzugsweise durch Verkleben mit dem Trägerelement aus CFK verbunden. Zur Verklebung wird vorzugsweise ein Epoxidharz verwendet, wodurch thermische Spannungen zwischen dem Trägerelement und dem damit verbundenen optischen Komponenten bzw. Verbindungselementen minimiert werden. Bei dem Trägerelement kann es sich um eine Wand eines Optikgehäuses handeln, in dem die optischen Komponenten des Spektrometers untergebracht sind. In gleicher Weise wie mit dem Trägerelement können die optischen Komponenten auf einer gegenüberliegenden Seite an einem weiteren Element befestigt sein, das ebenfalls aus CFK hergestellt ist, so dass sich die optischen Komponenten zwischen dem Trägerelement und dem weiteren Element befinden und fest mit beiden Elementen verbunden sind. Hierdurch entsteht eine Sandwichstruktur, in der die optischen Komponenten als tragende Elemente dienen können. Eine solche Anordnung wird in der Patentanmeldung mit dem Anwaltsaktenzeichen 12346-PT-DE beschrieben, die für die hiesige Anmelderin am selben Tag eingereicht wurde wie die vorliegende Anmeldung und auf die im Zusammenhang mit dem Aufbau vollinhaltlich verwiesen wird.
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Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorausgegangenen Darstellung im Detail beschrieben wurde, sind die Darstellungen illustrativ und beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Varianten der Erfindung und ihre Ausführung ergeben sich für den Fachmann aus der vorangegangenen Offenbarung, den Figuren und den Patentansprüchen.
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In den Patentansprüchen verwendete Begriffe wie "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und dergleichen schließen weitere Elemente oder Schritte nicht aus. Die Verwendung des unbestimmten Artikels schließt eine Mehrzahl nicht aus. Eine einzelne Einrichtung kann die Funktionen mehrerer in den Patentansprüchen genannten Einheiten bzw. Einrichtungen ausführen. In den Patentansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht als Beschränkungen der eingesetzten Mittel und Schritte anzusehen.
