DE102016005386A1

DE102016005386A1 - Optomechanisch kompensiertes Spektrometer

Info

Publication number: DE102016005386A1
Application number: DE102016005386.0A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Bohle; Alexander MORLANG
Original assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Current assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2036-05-05
Also published as: US10018508B2; US20170322077A1; DE102016005386B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Untersuchung des Spektrums einer optischen Emissionsquelle, – mit einem Optikgrundkörper, – mit einer mit dem Optikgrundkörper fest verbundenen Lichteintrittsöffnung, die Licht von der Emissionsquelle in das Spektrometer einkoppelt, – mit wenigstens einem Dispersionselement welches das Licht als Strahlenbündel empfängt und ein Spektrum erzeugt, sowie – mit wenigstens einem Detektor zur Messung des erzeugten Spektrums, – wobei ein Lichtweg von der Lichteintrittsöffnung zu dem Detektor verläuft, wobei zur Temperaturkompensation in einem Abschnitt des Lichtwegs zwischen der Lichteintrittsöffnung und dem wenigstens einen Detektor, in welchem das Strahlenbündel nicht parallel verläuft, eine Spiegelgruppe mit wenigstens zwei Spiegeln vorgesehen ist, von denen wenigstens ein Spiegel oder die ganze Spiegelgruppe relativ zu dem Optikgrundkörper beweglich angeordnet und mit einem temperaturgesteuerten Antrieb gekoppelt ist, wobei der Lichtweg von der Lichteintrittsöffnung zu dem wenigstens einen Detektor über die Spiegelgruppe geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Spektrometer zur Untersuchung der optischen Emission von Strahlungsquellen, wie sie in der optischen Emissionsspektralanalyse (OES) Verwendung finden, dienen der Zerlegung und Untersuchung der optischen Emission aus einem Plasma, welches durch Anregungsquellen wie z. B. Bogen, Funken, ICP, oder LIBS erzeugt wird. Das gemessene Spektrum ermöglicht die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der im Plasma angeregten Probe.
Im Allgemeinen besteht ein solches Spektrometer aus einem abbildenden System optischer Elemente auf einem Grundkörper mit einer Lichteintrittsöffnung, einem Beugungsgitter als Dispersionselement und mindestens einem Detektor zur Messung der spektral zerlegten Strahlung sowie gegebenenfalls zusätzlichen optischen Elementen wie Blenden, Spiegeln, Linsen, Strahlteilern zur Strahlformung und Strahlführung. Im Spektrometer bezeichnet man die Orte scharfer Abbildung der Eintrittsöffnung für alle Wellenlängen als Fokalkurve bzw. Fokalfläche. Die Strahlungsbeiträge benachbarter Wellenlängen sind hier bestmöglich voneinander getrennt, die spektrale Auflösung erreicht hier ihr Maximum. An der Fokalkurve werden ortsauflösende Arraydetektoren positioniert, um das Spektrum in seiner Gänze zu messen, oder es werden dort Austrittsblenden angebracht, um das Licht einzelner Wellenlängen zu selektieren und einem nachfolgenden Detektor zuzuführen.
Als Beispiel sei ein Spektrometer mit konkavem Dispersionsgitter mit Krümmungsradius R und Furchenabstand d in Paschen-Runge-Anordnung betrachtet. Die Lichteintrittsöffnung, i. d. R. ein Spalt mit weniger als 20 μm Breite, befindet sich in der Dispersionsebene des Gitters, das neben der Dispersion gleichzeitig als abbildendes Element fungiert und das gebeugte Licht fokussiert. Der Strahlweg zwischen der Lichteintrittsöffnung und der Gittermitte wird als Eintrittsschnittweite LE, der Strahlweg von der Gittermitte zur Fokusposition als Austrittsschnittweite LA der betrachteten Wellenlänge bezeichnet. Daneben wird der Winkel, unter dem die Strahlung vom Eintrittsspalt auf das Gitter einfällt, als Einfallswinkel α bezeichnet und der Winkel, unter dem die in der Ordnung N gebeugte Strahlung der betrachteten Wellenlänge λ das Gitter verlässt, als Beugungswinkel β der betrachteten Wellenlänge. Der Beugungswinkel wird dabei durch die Gittergleichung bestimmt: nλ = d(sinα + sinβ) {Gl. 1}
Gl. 1 besagt auch, dass eine kleine Änderung des Einfallswinkels Δα zu Änderungen der Beugungswinkel aller Wellenlängen um den gleichen Winkelbetrag aber mit umgekehrtem Vorzeichen führen: Δβ = –Δα.
Die Fokalkurve des Spektrometers ergibt sich gemäß der Abbildungsgleichung am konkaven Beugungsgitter: cos²β/LA + cos²α/LE – cosα/R – cosβ/R = 0 {Gl. 2} als gebogene Linie in der Dispersionsebene. Im Fall LE = Rcosα entspricht die Fokalkurve einer Kreislinie [Rowlandkreis: LA = Rcosβ].
Für eine kleine Änderung der Eintrittsschnittweite ΔE << LE kann aus Gl. 2 die Änderung der Austrittsschnittweite ΔA abgeleitet werden zu: ΔA = –ΔE/[1 + δ(1 + cosα/cosβ)]² {Gl. 3}
Hierin beschreibt δ die Abweichung der Eintrittsschnittweite von der Rowland-Schnittweite: LE = Rcosα(1 + δ).
Die Austrittsschnittweiten ändern sich stets mit umgekehrtem Vorzeichen. Die Fokalkurve des Spektrometers wandert also näher an das Gitter heran, wenn sich der Eintrittsspalt vom Gitter entfernt. Umgekehrt rückt die Fokalkurve vom Gitter weg, wenn sich der Eintrittsspalt dem Gitter nähert.
In der Rowlandkreis-Situation (δ = 0) vereinfacht sich Gl. 3 zu: ΔA = –ΔE. Die Änderung der Austrittsschnittweite ist für alle Wellenlängen gleich und unabhängig vom Einfallswinkel α. Mit Abweichung von der Rowlandkreissituation sind die Beträge nicht mehr gleich. Mit wachsendem δ entwickelt sich zudem eine Winkelabhängigkeit, die jedoch bei den in Spektrometern üblichen Winkeln lange vernachlässigt werden kann.
Bedingt durch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien haben Temperaturveränderungen eine direkte Auswirkung auf die Eigenschaften des Spektrometers. Durch die thermische Ausdehnung des Optikgrundkörpers, der im Allgemeinen aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, verändern sich die Abstände von Eintrittsspalt und Detektoren relativ zum Dispersionsgitter. Bei einer Temperaturerhöhung werden alle Abstände größer, bei einer Temperaturabsenkung werden alle Abstände kleiner. In jedem Fall tritt eine Defokussierung des optischen Systems ein, da sich die Austrittsschnittweiten aufgrund der Abbildungsgleichung (Gl. 3) stets entgegengesetzt zu den mechanischen Abständen verändern. Fokalkurve und Detektoren bewegen sich in entgegengesetzte Richtung voneinander weg. Die Defokussierung des optischen Systems hat unmittelbar eine Verschlechterung des spektralen Auflösungsvermögens des Spektrometers zur Folge.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Ansätze bekannt, um bei variabler Umgebungstemperatur die spektrale Auflösung der Spektrometer zu erhalten. Diese Ansätze sind im Folgenden aufgelistet:

1. Thermostatische Stabilisierung: das optische System wird auf einer konstanten Temperatur gehalten. Je nach Umgebungstemperatur muss es gekühlt oder erwärmt werden. Dieser Ansatz ist weit verbreitet und hat sich vielfach bewährt, ist aber energieaufwendig und insbesondere bei mobilen Geräten, die von Energiespeichern gespeist werden, von Nachteil.
2. Der Optikgrundkörper wird aus Materialien mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt. Dadurch fällt die Defokussierung des Spektrometers gering aus und die Verschlechterung der spektralen Auflösung bleibt tolerierbar. Solche Materialien sind z. B. Invar^® oder, wie im Patent DE 10 2011 082 468 B4 beschrieben, aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff. Die Festlegung auf einige wenige geeignete Materialien schränkt jedoch die konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten stark ein und wirkt sich zudem nachteilig auf die Herstellkosten aus.
3. In der Patentanmeldung DE 10 2010 000 490 A1 wird zur Kompensation des Temperatureffekts die Position des Eintrittsspalts entlang der Einfallsrichtung der Strahlung mechanisch verändert. Hierzu befindet sich der Eintrittsspalt auf einem Kompensationskörper, der am Optikgrundkörper angebracht ist. Bei Temperaturänderung bewirkt der Kompensationskörper eine Bewegung des Eintrittsspalts gegenüber dem Optikgrundkörper, wodurch sich die Eintrittsschnittweite verändert. Die Kompensationsbewegung des Eintrittsspalts ist so dimensioniert, dass die Fokalkurve nachgeführt wird und keine Defokussierung des optischen Systems eintritt. Dieser Lösungsansatz beinhaltet, dass der Eintrittsspalt nicht mehr fest in den Optikgrundkörper integriert werden kann, sondern sich relativ zu diesem bewegen muss. Die Kompensationsbewegung des Eintrittsspalts muss darüber hinaus auch noch stärker ausfallen als die ursächliche, von der Ausdehnung des Optikgrundkörpers hervorgerufene Bewegung. Nur auf diese Weise kann die erforderliche Lagekorrektur der Fokalkurve erreicht werden, wie aus den oben erläuterten Zusammenhängen der optischen Abbildung hervorgeht. Ein Eintrittsspalt, der seine Position im Grundkörper in dieser Weise verändert, ist jedoch von Nachteil hinsichtlich der Stabilität der Lichteinspeisung von der Strahlungsquelle in das Spektrometer. Es ändert sich dabei auch die räumliche Position des Eintrittsspalts gegenüber der Emissionsquelle. Diese Situation ist insbesondere dann nachteilig, wenn die Strahlung nur aus einem kleinen, räumlich scharf abgegrenzten Teilbereich der Emissionsquelle in das Spektrometer gelangen soll.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spektrometer mit einer Temperaturkompensation zu schaffen, das ohne eine thermostatische Temperaturstabilisierung arbeitet, in dem ein Optikgrundkörper aus konventionellen Materialien verwendet werden kann, und bei dem sich die räumliche Position des Eintrittsspaltes gegenüber der Emissionsquelle nicht aufgrund der Temperaturkompensation ändert.
Diese Aufgabe wird von einem Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
Weil bei einem Spektrometer zur Untersuchung des Spektrums einer optischen Emissionsquelle,

– mit einem Optikgrundkörper,
– mit einer mit dem Optikgrundkörper fest verbundenen Lichteintrittsöffnung, die Licht von der Emissionsquelle in das Spektrometer einkoppelt,
– mit wenigstens einem Dispersionselement welches das Licht als Strahlenbündel empfängt und ein Spektrum erzeugt, sowie
– mit wenigstens einem Detektor zur Messung des erzeugten Spektrums,
– wobei ein Lichtweg von der Lichteintrittsöffnung zu dem Detektor verläuft, in einem Abschnitt des Lichtwegs zwischen der Lichteintrittsöffnung und dem wenigstens einen Detektor, in welchem das Strahlenbündel nicht parallel verläuft, eine Spiegelgruppe mit wenigstens zwei Spiegeln vorgesehen ist, von denen wenigstens ein Spiegel oder die ganze Spiegelgruppe relativ zu dem Optikgrundkörper beweglich angeordnet und mit einem temperaturgesteuerten Antrieb gekoppelt ist, wobei der Lichtweg von der Lichteintrittsöffnung zu dem wenigstens einen Detektor über die Spiegelgruppe geführt ist, kann durch die temperaturabhängige Bewegung wenigstens eines Spiegels innerhalb der Spiegelgruppe oder der Spiegelgruppe insgesamt die Dejustierung des Spektrometers bei Temperaturänderungen kompensiert werden, indem die Lichteintrittsöffnung virtuell verschoben wird, während die Lichteintrittsöffnung an dem Optikgrundkörper fixiert bleibt.

Dabei kann die Spiegelgruppe in einem ersten Abschnitt des Lichtwegs zwischen der Lichteintrittsöffnung und dem Dispersionselement vorgesehen sein, in welchem das Strahlenbündel divergent verläuft. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei Paschen-Runge-Anordnungen vorteilhaft. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Spiegelgruppe in einem zweiten Abschnitt des Lichtwegs zwischen dem Dispersionselement und dem wenigstens einen Detektor anzuordnen, in dem das Strahlenbündel konvergent verläuft. So kann z. B. bei Echelle-Anordnungen auf eventuelle konstruktive Einschränkungen Rücksicht genommen werden.
Vorteile im optischen Aufbau ergeben sich, wenn die Spiegelgruppe aus zwei Planspiegeln besteht, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind und einen Reflektor bilden, der den Strahl in der Einfallsebene oder der Ausfallsebene des Spektrometers umlenkt. Die Einfallsebene bezeichnet bei Spektrometern mit konkavem Beugungsgitter die Ebene, die vom einfallenden Lichtstrahl und dem Lot auf der Gittermitte aufgespannt wird. Die Ausfallsebene eines solchen Spektrometers ist identisch mit der Dispersionsebene, welche durch die gebeugten Lichtstrahlen der verschiedenen Wellenlängen aufgespannt wird. Meist fallen Einfalls- und Ausfallsebene in diesen Spektrometern zusammen.
Dabei ist bevorzugt, wenn die Spiegelgruppe eine Symmetrieachse aufweist und von dem Antrieb in einer Verschiebungsrichtung linear verschoben wird, um die optische Weglänge des Lichtwegs (Eintrittsschnittweite oder Austrittsschnittweite) zu verändern, was einer virtuellen Bewegung der Lichteintrittsöffnung in Strahlrichtung gleichkommt.
Je nach Aufbau und Anforderungen des Spektrometers kann die Verschiebungsrichtung in der Einfallsebene von der Richtung der Symmetrieachse der Spiegelgruppe abweichen und deshalb bei der Linearverschiebung der Spiegelgruppe gleichzeitig zu der Veränderung der Eintrittsschnittweite ein Parallelversatz des von der Spiegelgruppe reflektierten Strahls auftreten, was einer virtuellen Bewegung der Eintrittsöffnung in Strahlrichtung und quer zur Strahlrichtung gleichkommt, oder es kann die Verschiebungsrichtung in der Einfallsebene in Richtung der Symmetrieachse ausgerichtet sein.
Es kann auch alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die Spiegelgruppe um eine vertikal zur Einfallsebene ausgerichtete Achse gedreht wird, wobei die Lage der Drehachse so gewählt ist, dass bei der Drehung sowohl eine gewünschte Änderung der Eintritts- oder Austrittsschnittweite als auch ein gewünschter Parallelversatz des von der Spiegelgruppe reflektierten Strahls erzielt wird, was einer virtuellen Bewegung der Eintrittsöffnung in Strahlrichtung und quer zur Strahlrichtung gleichkommt.
Es kann weiter von Vorteil sein, wenn die Spiegelgruppe um eine Achse senkrecht zur Einfallsebene gedreht wird, wobei die Lage der Drehachse so gewählt ist, dass eine gewünschte Änderung der Eintritts- oder Austrittsschnittweite erzielt wird, jedoch der Parallelversatz des von der Spiegelgruppe reflektierten Strahls vernachlässigbar klein ist, beispielsweise weniger als 10 μm quer zur Strahlrichtung beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Antrieb der Spiegelgruppe gegenüber dem Optikgrundkörper ein Thermobimetall auf. Ein derartiger Antrieb kann einfach aufgebaut sein und benötigt keine Energie und keine elektronische Steuerung.
Ebenso ist es bevorzugt, wenn die Spiegelgruppe an dem Optikgrundkörper in einem Linearlager gelagert ist, welches vorzugsweise als Wälzlager ausgebildet ist.
Das Thermobimetall kann streifenfömig ausgebildet sein und mit einem ersten Ende wärmeleitend an dem Optikgrundkörper fixiert sein. Dadurch wird erreicht, dass der Antrieb der Spiegelgruppe dem Temperaturverlauf des Optikgrundkörpers besonders gut folgen kann.
Eine zuverlässige und spielfreie Verbindung des Thermobimetalls mit der Spiegelgruppe wird erzielt, wenn das Thermobimetall mit seinem zweiten Ende schwimmend an der Spiegelgruppe gelagert ist.
Alternativ können anstelle der Linearlager auch Drehlager vorgesehen sein, wenn eine Drehbewegung der Spiegelgruppe bevorzugt ist. Für den Antrieb der Spiegelgruppe gilt dann entsprechendes.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1: ein Paschen-Runge Spektrometer in Rowlandkreisanordnung in einer schematischen Darstellung in einer Draufsicht auf die Einfalls- und Ausfallsebene;
2: drei alternative Ausführungen der Spiegelgruppe;
3: die Wegänderungen bei linearer Bewegung der Spiegelgruppen aus 2 in Richtung der Symmetrieachse;
4: Veränderungen der Halbwertsbreite einer Spektrallinie in Abhängigkeit von der Temperatur bei einem unkompensierten im Vergleich zu zwei verschiedenen Ausführungen von erfindungsgemäß kompensierten Spektrometern;
5: schematische Darstellungen ähnlich 3, wobei die Verschieberichtung von der Symmetrieachse der Spiegelgruppe abweicht;
6: eine weitere Möglichkeit, mittels einer Linearbewegung eine Weglängenänderung des Strahls zu bewirken; sowie
7: Änderungen des Lichtwegs bei einer Drehung einer Spiegelgruppe in einem Beispielsfall.
8: Schematische Darstellung des Antriebs der Spiegelgruppe mit einem Thermobimetallstreifen.
Die vorliegende Erfindung verfolgt bei der Kompensation der Defokussierung aufgrund der thermischen Ausdehnung des Optikgrundkörpers den neuen Ansatz, wie in 1 am Beispiel eines Paschen-Runge Spektrometers in Rowlandkreisanordnung gezeigt. Die Lichteintrittsöffnung ist als Eintrittsspalt 2 dargestellt. Dieser sowie das konkave Beugungsgitter 3, Array-Detektoren 4a, Austrittsspalte 5 mit nachgelagerten Detektoren 4b sind auf dem Rowlandkreis 7 angeordnet und fest mit dem Optikgrundkörper 1 verbunden. Der Lichtweg innerhalb des Spektrometers verläuft also von der Lichteintrittsöffnung zu den Detektoren. Innerhalb dieses Lichtwegs sind verschiedene optische Elemente angeordnet. Die temperaturabhängige Lage der Elemente zueinander wird allein durch die thermische Dehnungsbewegung des Optikgrundkörpers bestimmt. Zur Vermeidung der Defokussierung des Spektrometers wird die Position des Eintrittsspaltes nicht real sondern lediglich virtuell verschoben. Hierzu ist der Lichtstrahl 8 auf seinem Weg vom Eintrittsspalt 2 zum Gitter 3 über eine relativ zum Optikgrundkörper 1 bewegliche Spiegelgruppe 6 geleitet. Die Spiegelgruppe besteht aus zwei Planspiegeln, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind und einen Reflektor bilden, der den Strahl 8 in der Einfallsebene umlenkt. Wird die Spiegelgruppe in der Einfallsebene entlang ihrer Symmetrieachse 9, welche durch die Winkelhalbierende zwischen den beiden Spiegeln festgelegt ist, bewegt, so ändert sich die Eintrittsschnittweite, d. h. die optische Weglänge zwischen dem Eintrittspalt 2 und dem Beugungsgitter 3. Vom Gitter aus betrachtet erscheint der Eintrittspalt also näher bzw. weiter. Durch die Bewegung der Spiegelgruppe lässt sich der Eintrittsspalt in Strahlrichtung virtuell verschieben. Virtuell bedeutet hierbei: nur in der optischen Abbildung wirksam. Der Eintrittspalt wird physisch nicht bewegt.
Die einfachste Variante einer solchen Spiegelanordnung stellt ein Retroreflektor dar, d. h. zwei um 90° zueinander angeordnete Spiegel 10 [2a]. Offensichtlich bewirkt eine Verschiebung der Spiegelgruppe um Δs entlang der Symmetrieachse 11 nach unten [in 3a], dass sich Weglänge des Strahls 12 um 2Δs verringert. Umgekehrt verlängert sich die Wegstrecke des Strahls um diesen Betrag, wenn die Verschiebung der Spiegelgruppe nach oben erfolgt.
Die beiden Spiegel können unter einem anderen Winkel als 90° zueinander angeordnet sein, um dem reflektierten Strahl eine gewünschte Richtung zu geben [2b, 3b]. Außerdem kann der Lichtweg innerhalb der Spiegelgruppe auch überkreuz geführt sein, wie in 2c, 3c dargestellt. In jedem Fall bewirkt eine Verschiebung der Spiegelgruppe entlang ihrer Symmetrieachse eine Veränderung der optischen Weglänge, d. h. der Eintrittsschnittweite der optischen Abbildung. Lediglich der Betrag der Verschiebung variiert, der für die Erzielung einer bestimmten Weglängenänderung erforderlich ist. Allen Varianten in 3a, 3b, 3c gemeinsam ist, dass bei der Verschiebung der Spiegelgruppe entlang ihrer Symmetrieachse die Richtung und die Lage des reflektierten Strahls invariant sind.
Um die Defokussierung des Spektrometers [1] aufgrund der thermischen Ausdehnung des Optikgrundkörpers 1 zu verhindern, wird die Spiegelgruppe 6 temperaturabhängig verschoben und die Schnittweiten der optischen Abbildung so angepasst, dass die Fokalkurve wieder am Ort der Detektoren 4a bzw. Austrittspalte 5 liegt. Da sowohl die thermische Ausdehnung des Grundkörpers als auch der Korrekturbeträge der Schnittweiten klein gegenüber der Brennweite des Spektrometers sind, behält die Fokalkurve mit hinreichender Genauigkeit ihre Kreisform.
Das Konzept konnte experimentell verifiziert werden. Zum Nachweis der Lage der Fokalkurve und damit der spektralen Auflösung des Spektrometers dient die Halbwertsbreite (FWHM) des Abbildungsprofils einer Spektrallinie, wie es von einem CCD-Array-Sensor am Rowlandkreis gemessen wird.
4 zeigt die Halbwertsbreite der Spektrallinie Hg 435,83 nm, gemessen über einen Temperaturbereich von 17°C bis 47°C beispielsweise in einem Spektrometer nach 1. Die Werte sind relativ zum Messwert im Fokus aufgetragen, der Wert 1,5 bedeutet demnach eine Verschlechterung der Halbwertsbreite – und damit der spektralen Auflösung – um 50%. Kurve (a) gibt den Temperaturverlauf ohne Kompensations-maßnahme an, Kurve (b) den Temperaturverlauf mit Fokuskompensation mittels der linear bewegten Spiegelgruppe. Der horizontale Verlauf der Kurve (b) beweist die Wirksamkeit der Fokusnachführung durch die von einem Thermobimetall bewegte Spiegelgruppe. Die Kurve (c) wurde aufgenommen mit einer Spiegelgruppe, die temperaturabhängig gedreht wurde. Auch diese Kurve zeigt den erzielten Kompensationseffekt.
In einer bevorzugten Ausführung [8] wird die zur optomechanischen Kompensation der Defokussierung erforderliche Linearbewegung der Spiegelgruppe 19 gegenüber dem Optikgrundkörper 20 mit Hilfe einer mechanisch präzisen Linearführung 22 und eines Thermobimetallstreifens realisiert 18, wobei die Einkopplung des Thermobimetallstreifens 18 auf der Seite der Spiegelgruppe 19 mechanisch spielfrei ausgeführt ist. Dadurch tritt bei einem Richtungswechsel kein Umkehrspiel auf. Das andere Ende des Thermobimetallstreifens 18 ist mit dem Optikgrundkörper 20 wärmeleitend fest verbunden. Die zur Kompensation erforderliche temperaturabhängige Auslenkung des Thermobimetalls wird entsprechend den Erfordernissen des Optikdesigns berechnet.
Die Defokussierung der optischen Abbildung aufgrund der thermischen Ausdehnung des Optikgrundkörpers stellt eine intrinsische Eigenschaft aller Spektrometer dar. Darüber hinaus kann in manchen Spektrometern konstruktionsbedingt eine temperaturabhängige Driftbewegung des Spektrums entlang der Fokalkurve vorkommen. Bei dieser Art der Dejustierung des optischen Systems handelt sich um eine kollektive Änderung der Beugungswinkel aller Wellenlängen, wie sie beispielsweise durch eine geringfügige Rotationsbewegung des Dispersionselements um die zur Dispersionsebene senkrechte Achse eintritt. Dies verursacht eine geringfügige Änderung des Einfallswinkels, infolgedessen sich die Beugungswinkel aller Wellenlängen mit umgekehrtem Vorzeichen ändern. An einer bestimmten Stelle der Fokalkurve des Spektrometers wird nun eine andere Wellenlänge gemessen. Eine solche temperaturbedingte Spektrumsdrift kann erfindungsgemäß ebenfalls mittels der linear bewegten Spiegelbaugruppe kompensiert werden.
5a zeigt die Situation beim Retroreflektor [2a], wenn die Bewegung der Spiegelgruppe in der Einfallsebene linear auf einer Achse erfolgt, die nicht der Symmetrieachse entspricht. Die Verschiebung der Spiegelgruppe entlang der Achse 17 nach unten zieht analog zu 3a eine Verringerung der optischen Wegstrecke für den Strahl 12 nach sich. Zusätzlich jedoch wird der Strahl noch parallel versetzt. Gleiches gilt nach 5b und 5c für die Varianten der Spiegelanordnungen 2b und 2c. Bei Drehung der Verschiebeachse 17 gegenüber der Symmetrieachse im Uhrzeigersinn, wie in 5 gezeigt, erfolgt der Strahlversatz nach links. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass eine Drehung der Verschiebeachse gegen den Uhrzeigersinn einen Strahlversatz nach rechts hervorruft. Über die Wahl des Winkels der Verschiebeachse zur Symmetrieachse lässt sich ein gewünschtes Wertepaar von optischer Weglängenänderung und Strahlversatz pro Stellweg einstellen.
Der Parallelversatz des einfallenden Strahls ist bei der optischen Abbildung der Verlagerung des abzubildenden Objekts quer zur optischen Achse äquivalent. Im Spektrometer nach 1 bewirkt eine Bewegung der Spiegelgruppe gemäß 5b daher sowohl eine virtuelle Positionsänderung des Eintrittsspalts in Strahlrichtung als auch eine virtuelle Positionsänderung des Eintrittsspalts senkrecht zur Strahlrichtung in der Einfallsebene. Der Eintrittspalt wird wie zuvor mechanisch nicht verschoben.
Die virtuelle Lageänderung des Eintrittsspalts quer zur Strahlrichtung ist vom Beugungsgitter aus betrachtet gleichbedeutend mit einer virtuellen Einfallswinkeländerung, in deren Folge sich die Beugungswinkel aller Wellenlängen mit umgekehrtem Vorzeichen ändern. Betrag und Vorzeichen dieser virtuellen Einfallswinkeländerung können durch die Winkelabweichung der Verschiebeachse der Spiegelgruppe zu ihrer Symmetrieachse eingestellt werden.
Mit der zum Optikgrundkörper temperaturabhängig bewegten Spiegelgruppe lässt sich demnach sowohl die Defokussierung des Spektrometers bei Temperaturänderungen kompensieren als auch eine ggf. vorliegende temperaturbedingte kollektive Spektrumsdrift, ohne die Lichteintrittsöffnung mechanisch bewegen zu müssen.
6 veranschaulicht eine weitere Möglichkeit mittels einer Linearbewegung eine Weglängenänderung des Strahls zu bewirken. Beide Spiegel 10 werden einzeln linear entlang der Achse 13 bewegt, welche senkrecht zur Symmetrieachse 11 liegt. Die Spiegel verändern dabei ihren Abstand zur Symmetrieachse 11 in gleicher Weise. Dargestellt ist die Verschiebung der Spiegel aufeinander zu, wodurch sich der Strahlweg 12 verkürzt. 6a, 6b, 6c zeigen die verschiedenen Anordnungsvarianten der Spiegel analog zu 3a, 3b, 3c. Umgekehrt wird eine Verlängerung des Strahlwegs bewirkt, wenn sich die Spiegel auf der Achse 13 gleichmäßig voneinander entfernen.
Zusätzlich zur Weglängenänderung tritt ein Parallelversatz des ausfallenden Strahls auf, wenn die Bewegung der Spiegel entlang der Achse 13 nicht gleichmäßig erfolgt, die Spiegel also unterschiedliche Strecken zurücklegen. Die oben beschriebene optische Kompensation der thermischen Effekte ist also nicht nur mit der Linearbewegung der gesamten Spiegelgruppe möglich sondern auch mit der Linearbewegung der einzelnen Spiegel relativ zueinander. Die technische Umsetzung dieser Lösung gestaltet sich jedoch erheblich aufwändiger, da zwei Bewegungsantriebe realisiert und thermomechanisch sehr präzise aufeinander abgestimmt werden müssen. Für den praktischen Einsatz ist dieser Lösungsansatz daher wenig relevant.
Statt einer Linearverschiebung der Spiegelgruppe kann auch eine Rotation der Spiegelgruppe um eine Achse senkrecht zur Einfallsebene durchgeführt werden, um eine Veränderung der optischen Weglänge und bei Bedarf gleichzeitig eine Parallelverschiebung des ausfallenden Strahls zu ermöglichen, somit die Lichteintrittsöffnung virtuell in Strahlrichtung und quer zur Strahlrichtung zu verschieben [7a und 7b]. Die Lage der Drehachse 14, um welche die Spiegelgruppe gedreht wird, bestimmt das Verhältnis von Weglängenänderung und Parallelversatz bei der Drehbewegung. Die Position der Drehachse kann auch so gewählt werden, dass bei der Drehung der Spiegelgruppe die gewünschte Weglängenänderung erfolgt, aber nur eine sehr kleine und somit vernachlässigbare Parallelverschiebung des Strahls auftritt. Dieser Sonderfall entspricht in seiner Wirkung der linear entlang ihrer Symmetrieachse bewegten Spiegelgruppe [3b bzw. 3c] Die experimentelle Verifikation dieser Aussage erfolgte in einem zu 1 analogen Aufbau, worin aber die Kompensation der Defokussierung mittels einer Drehung der Spiegelgruppe anstelle einer Linearverschiebung erfolgte. Auch in diesem Aufbau wurde die zur optischen Kompensation erforderliche Bewegung der Spiegelgruppe thermomechanisch mittels Thermobimetall realisiert. Kurve (c) in 4 zeigt den Temperaturverlauf der gemessenen Halbwertsbreite der Spektrallinie Hg 435,83 nm bei der Fokuskompensation mittels der gedrehten Spiegelgruppe. Der horizontale Verlauf der Kurve (c) beweist die Wirksamkeit der Fokusnachführung durch die von einem Thermobimetall-Element gedrehte Spiegelgruppe.
Bislang wurde die Wirkung einer bewegten Spiegelgruppe erläutert, die sich im Strahlengang des Spektrometers zwischen der Lichteintrittsöffnung und dem Dispersionselement befindet. Die hierdurch hervorgerufene virtuelle Verschiebung der Lichteintrittsöffnung führt indirekt, über die Gesetze der optischen Abbildung und der Beugung am Dispersionsgitter, zur gewünschten Korrektur der räumlichen Lage der Fokalkurve und des erzeugten Spektrums.
Es ist leicht nachzuvollziehen, dass, wenn sich die Spiegelgruppe im Strahlengang zwischen dem Dispersionselement und dem/den Detektor/en befindet, die räumliche Lage der Fokalkurve und des erzeugten Spektrums direkt durch die Bewegung der Spiegelgruppe korrigieren lassen, und zwar für die Wellenlängen, deren gebeugte Strahlung von der Spiegelgruppe erfasst wird. Die Änderung der optischen Weglänge des Strahls verändert hier direkt die Austrittsschnittweiten und der Parallelversatz des Strahls verschiebt das Spektrum unmittelbar. Die Spiegelgruppe ruft wiederum die Wirkungen einer virtuell verschobenen Lichteintrittsöffnung hervor.
Obwohl die Zusammenhänge am Beispiel eines Paschen-Runge Spektrometers erläutert wurden, ist die erfindungsgemäße Anordnung nicht auf diesen Spektrometertyp beschränkt, sondern in allen abbildenden Spektrometeraufbauten mit konkaven oder ebenen Beugungsgittern wirksam und anwendbar, vorausgesetzt die Spiegelgruppe wird an einer Stelle im Strahlengang der optischen Abbildung positioniert, an der sie ihre oben beschriebenen Einflüsse auf die Eintrittsschnittweite oder die Austrittsschnittweiten des abbildenden Systems ausüben kann. Dies gilt beispielsweise auch für Echelle-Spektrometer.
Die Verwendung von Thermobimetall stellt eine einfache, sehr zuverlässige und kostengünstige Möglichkeit der Bewegungskontrolle dar. Im Sinne dieser Erfindung sind aber auch weitere Möglichkeiten der temperaturabhängigen Kompensationsverschiebung der Spiegelgruppe zulässig. So kann diese z. B. auch mittels elektrisch angetriebener Stelleinheiten erfolgen, die durch Erfassen von Temperatur, Dehnung oder anderer Parametern angesteuert werden können.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, Spektrometer mit Optikgrundkörpern aus bewährten herkömmlichen Materialien herzustellen und die beschriebenen Effekte effektiv und kosteneffizient zu kompensieren. Im Gegensatz zur thermostatischen Regelung wird bei der erfindungsgemäßen Kompensation mittels eines thermomechanischen Antriebs mit Thermobimetall keine elektrische Energie verbraucht. Das ist insbesondere für mobile Geräte, die auf Stromversorgung durch Energiespeicher (Akkumulatoren, Batterien, etc.) angewiesen sind, von großem Vorteil.
Da zur erfindungsgemäßen Realisierung der optomechanischen Kompensation der Defokussierung mittels einer Spiegelgruppe keine mechanische Bewegung der Eintrittsöffnung erforderlich ist, treten keine Nachteile oder Einschränkungen bei der Einspeisung des Lichts von der Strahlungsquelle auf. Darüber hinaus ist mit dem erfindungsgemäßen Ansatz zusätzlich noch eine Kompensation etwaiger kollektiver Driften des dargestellten Spektrums möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011082468 B4 [0012]
DE 102010000490 A1 [0012]

Claims

Spektrometer zur Untersuchung des Spektrums einer optischen Emissionsquelle, – mit einem Optikgrundkörper (1), – mit einer mit dem Optikgrundkörper (1) fest verbundenen Lichteintrittsöffnung (2), die Licht von der Emissionsquelle in das Spektrometer einkoppelt, – mit wenigstens einem Dispersionselement (3), welches das Licht als Strahlenbündel empfängt und ein Spektrum erzeugt, sowie – mit wenigstens einem Detektor (4a, 4b) zur Messung des erzeugten Spektrums, – wobei ein Lichtweg (8) von der Lichteintrittsöffnung (2) zu dem Detektor (4a, 4b) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abschnitt des Lichtwegs (8) zwischen der Lichteintrittsöffnung (2) und dem wenigstens einen Detektor (4a, 4b), in welchem das Strahlenbündel nicht parallel verläuft, eine Spiegelgruppe (6) mit wenigstens zwei Spiegeln (10) vorgesehen ist, von denen wenigstens ein Spiegel (10) oder die ganze Spiegelgruppe (6) relativ zu dem Optikgrundkörper (1) beweglich angeordnet und mit einem temperaturgesteuerten Antrieb gekoppelt ist, wobei der Lichtweg (8) von der Lichteintrittsöffnung (2) zu dem wenigstens einen Detektor (4a, 4b) über die Spiegelgruppe (6) geführt ist.
Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelgruppe (6) in einem ersten Abschnitt des Lichtwegs (8) zwischen der Lichteintrittsöffnung (2) und dem Dispersionselement (3) vorgesehen ist, in welchem das Strahlenbündel divergent verläuft.
Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelgruppe (6) in einem zweiten Abschnitt des Lichtwegs (8) zwischen dem Dispersionselement (3) und dem wenigstens einen Detektor (4a, 4b) vorgesehen ist, in dem das Strahlenbündel konvergent verläuft.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelgruppe (6) zwei Planspiegel (10) umfasst, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind und einen Reflektor bilden, der das Licht umlenkt.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelgruppe (6) eine Symmetrieachse (11) aufweist und von dem Antrieb in einer Verschiebungsrichtung (9) linear verschoben wird, um die optische Weglänge des Lichtwegs (8) zu verändern und/oder einen Parallelversatz zu erzeugen.
Spektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungsrichtung (9) in der Einfallsebene in Richtung der Symmetrieachse (11) ausgerichtet ist.
Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelgruppe (6) um eine rechtwinklig zur Einfallsebene orientierte Drehachse (14) gedreht wird, wobei die Lage der Drehachse (14) so gewählt ist, dass bei der Drehung sowohl eine Änderung der Länge des Lichtwegs (8) als auch ein Parallelversatz des von der Spiegelgruppe (6) reflektierten Lichts erzielt wird.
Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelgruppe (6) um eine rechtwinklig zur Einfallsebene orientierte Drehachse (14) gedreht wird, wobei die Lage der Drehachse (14) so gewählt ist, dass eine Änderung der Länge des Lichtwegs (8) erzielt wird, jedoch der Parallelversatz des von der Spiegelgruppe (6) reflektierten Strahls vernachlässigbar klein ist.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Spiegelgruppe (6) gegenüber dem Optikgrundkörper (1, 20) ein Thermobimetall (18) umfasst.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelgruppe (6, 19) an dem Optikgrundkörper (1, 20) in einem Linearlager (22) gelagert ist.
Spektrometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Linearlager (22) als Wälzlager ausgebildet ist.
Spektrometer nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermobimetall (18) streifenfömig ausgebildet ist und mit einem ersten Ende wärmeleitend an dem Optikgrundkörper (1, 20) fixiert ist.
Spektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermobimetall (18) mit seinem zweiten Ende schwimmend an der Spiegelgruppe (6, 19) gelagert ist.