DE102018100622A1 - Simultanspektrometer mit einem planen reflektiven Beugungsgitter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kompaktes Simultanspektrometer, bei dem für den Strahlenverlauf eines einfallenden Lichtbündels (B) und an einem Beugungsgitter (4) spektral aufgespaltete und reflektierte Teillichtbündel (TB) die gleichen abbildenden, brechend wirkenden Flächen (F₁ - F_n) genutzt werden.
Ein Eintrittsspalt (1) ist mit einem senkrechten Abstand (a) zu einer optischen Achse (A) angeordnet, sodass ein Bündelhauptstrahl (B_H) des einfallenden Lichtbündels (B) unter einem mit der optischen Achse (A) einschließenden spitzen Auftreffwinkel (α) auf das Beugungsgitter (4) auftrifft. Das Beugungsgitter (4) ist gegenüber der optischen Achse (A) so verkippt angeordnet, dass ein Teilbündelhauptstrahl (TB_H(λ_a)) eines Teillichtbündels (TB(Aa)) mit einer ausgewählten Wellenlänge (λ_a) der Teillichtbündel (TB) am Beugungsgitter (4) unter einem mit der optischen Achse (A) einschließenden Reflexionswinkel (β) gebeugt und reflektiert wird, der betragsmäßig gleich dem Auftreffwinkel (α) ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Simultanspektrometer (Kompaktspektrometer), wie es gattungsgemäß aus der DE 10 2015 108 818 A1 bekannt ist und, mit dem Licht spektral aufgespaltet, zeitgleich über den gesamten zu analysierenden Wellenlängenbereich detektiert wird.
• Bevorzugte Wellenlängenbereiche, die mit einem Simultanspektrometer adressiert werden, betreffen den Ultraviolett-Bereich (UV), den sichtbaren Bereich (Vis) und den Infrarot- (bzw. nahen Infrarot-) Bereich (IR/NIR). Ein Simultanspektrometer kann sowohl als Prozess- und Laborspektrometer ausgelegt, als auch als portables spektroskopisches System umgesetzt werden. Es kann für die gesamte Breite der UV-, Vis- und IR-Spektroskopie genutzt werden, insbesondere für die Molekül- und Fluoreszenzspektroskopie. Potentielle Anwendungsgebiete betreffen u. a. die chemische Analyse, biologische und medizinische Forschung, Analyse und Diagnostik, die Pharmazie, die Landwirtschafts- und Nahrungsmittelindustrie und die Prozesskontrolle (z. B. Glasindustrie). Außerdem schließt das Anwendungsspektrum auch die Farbmessung und die Messung von Schichtdicken mit ein.
• Jede Art von Spektrometer besteht im Wesentlichen aus einer Eintrittsöffnung (Eintrittsspalt), wenigstens einem Element zur Gewährleistung einer Abbildungsfunktion, wenigstens einem Element mit einer spektral zerlegenden (dispergierenden) Funktion und einem Detektor.
• Zur spektralen Zerlegung des zu untersuchenden Lichts werden häufig Beugungsgitter („Gitter“) verwendet, die entweder auf planen Substraten oder auf gekrümmten Substraten (konkav oder konvex) aufgebracht sind. Sie sind überwiegend in Reflexionsgeometrie ausgeführt.
• Falls das Gitter sich auf einer gekrümmten Fläche befindet, ist zumindest ein Teil der Abbildungsfunktion mit in dieses Element integriert. Der Vorteil hierbei ist, dass das entsprechende Gesamtsystem eine kompakte Bauweise zulässt (Integration mehrerer Funktionalitäten in ein Element). Der Nachteil von Gittern auf gekrümmten Flächen besteht darin, dass diese Art von gekrümmten Gittern nur schwer hergestellt werden kann. Dabei umfasst der Herstellungsprozess, insbesondere bei der Herstellung einer Vielzahl gleicher Elemente, einen zumindest zweistufigen Prozess. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein sogenanntes „Original-Element“ hergestellt, welches in darauffolgenden Verfahrensschritten repliziert bzw. vervielfältigt wird.
• Die Herstellung von „Original-Elementen“ wird häufig mittels photo-lithografischer Verfahren durchgeführt. Es ist allerdings mit nur sehr wenigen dieser Verfahren möglich, Gitterstrukturen auf gekrümmten Flächen herzustellen. Eine der wenigen Methoden, mit der dies möglich ist, ist z. B. die „Interferenz-Lithografie“ (oder auch „Holografie“), die jedoch nur die Herstellung von sehr beschränkten Profilformen erlaubt, insbesondere sind z. B. die Profiltiefen limitiert. Mit der Beschränkung der Profilformen ist auch die nutzbare Beugungseffizienz des Gitters begrenzt.
• Eine zusätzliche Herausforderung besteht in der Replikation von Gittern auf gekrümmten Trägern. Beispielsweise ist es wichtig, neben der lokalen Profiltreue (welche für die Beugungseffizienz entscheidend ist) auch die globale Form beizubehalten, um die Abbildungsfunktion aberrationsfrei zu gewährleisten.
• Ob ein Gitter auf einem planen oder gekrümmten Träger verwendet wird, wirkt sich auch auf das Gesamtkonzept des Spektrometers aus.
• Bei Simultanspektrometern, mit denen das gesamte Spektrum gleichzeitig (simultan) aufgenommen wird, ist es notwendig, den Winkelunterschied der am Gitter gebeugten Teilstrahlenbündel verschiedener Wellenlängen möglichst nah hinter dem Gitter zu verringern, um die vom Gitter räumlich getrennte nachfolgende Abbildungsoptik und den Detektor klein halten zu können.
• Im Stand der Technik wird deshalb für Simultanspektrometer in der Regel ein auf einer konkaven Oberfläche gekrümmtes Gitter verwendet, das die spektral zerlegende Funktion, aber auch die Abbildungsfunktion wenigstens teilweise und in einem Element vereint. Als Detektor wird ein Zeilen- oder Flächendetektor verwendet.
• Neben der Möglichkeit zur simultanen Aufnahme des Spektrums bietet dieser Ansatz die Möglichkeit einer kompakten Bauweise. Ein Beispiel für solch einen Spektrometertyp ist das Rowland-Kreis-Spektrometer. Diese Art von Simultanspektrometer kann auch in einer „monolithischen“ Konfiguration hergestellt werden, für das ein Glas- oder Polymerblock vorgefertigt wird, auf den das Gitter aufgeprägt wird. Ein solches monolithisches Spektrometer behält seinen Justagezustand auch bei großen mechanischen und thermischen Belastungen. Der Nachteil dieser Spektrometer liegt in der Schwierigkeit, Gitter auf gekrümmten Oberflächen zu realisieren.
• Echelle-Spektrometer nutzen in der Regel zwei spektralzerlegende Elemente (Gitter oder Prismen), die das Licht in unterschiedliche (senkrecht zueinander stehende) Richtungen lenken. Damit können Flächendetektoren benutzt werden, so dass gleichzeitig ein großer Spektralbereich und eine hohe spektrale Auflösung ermöglicht wird. Die beiden dispergierenden Funktionen können auch, wie aus der vorbenannten DE 10 2015 108 818 A1 bekannt, innerhalb einer Fläche in einem Kreuzgitter integriert werden.
• Das in der vorgenannten DE 10 2015 108 818 A1 offenbarte Spektrometer umfasst grundsätzlich einen Eintrittsspalt für ein einfallendes, konvergentes Lichtbündel und entlang einer optischen Achse eine Kollimatoroptik, ein kombiniertes Kreuzgitter, sowie eine Fokussieroptik, welche die durch das Kreuzgitter aufgespalteten Spektren verschiedener Beugungsordnungen in eine Beobachtungsebene abbildet, in der ein Bildsensor angeordnet ist. Durch den Eintrittsspalt wird das einfallende konvergente Lichtbündel limitiert. Das nach dem Eintrittsspalt divergente Lichtbündel breitet sich entlang der optischen Achse der Kollimatoroptik aus, wird durch diese kollimiert und fällt unter einem definierten Einfallswinkel auf das kombinierte Kreuzgitter, das eine besondere Kreuzgitterstruktur aufweist. Der Effekt des kombinierten Kreuzgitters ist im Sinne der Spektrenseparierung derselbe, wie er von zwei einzelnen, zueinander um 90° verdrehten, separat angeordneten Gittern eines herkömmlichen Echelle-Spektrometers bekannt ist. Die entscheidenden Vorteile des Kreuzgitters liegen in der wesentlich verkürzten optischen Weglänge, die zur Reduzierung des Bauraums führt, und in einem deutlich verringerten Justageaufwand durch Wegfall der Justierung und Nachjustierung der Einzelgitter zueinander. Nach dem kombinierten Kreuzgitter ist wie in jedem Spektrometer eine Fokussieroptik angeordnet, welche die in mehreren Beugungsordnungen erzeugten und aufgespalteten Spektren, die die Fokussieroptik als ebene Wellen bzw. kollimierte, ausfallende Lichtbündel erreichen, in gebeugte und fokussierte Wellen transformiert, die sich als konvergente Kugelwellen ausbreiten und in einer Beobachtungsebene ihren Fokus bilden. Von dem in der Beobachtungsebene angeordneten Bildsensor können die diagonal verlaufenden Spektren als optoelektronisch gewandelte 2D-Aufnahmen aufgenommen und durch eine nachfolgende Rechentechnik ausgewertet werden.
• Als eine vorteilhafte Ausführung ist in der vorgenannten DE 10 2015 108 818 A1 ein besonders kompaktes Spektrometer mit einem an einem Optikblock ausgebildeten planen Kreuzgitter beschrieben. Die Abbildungsfunktion, das heißt hier die Kollimation des einfallenden Lichtbündels und die Fokussierung des ausfallenden Lichtbündels werden durch zwei unterschiedliche an dem Optikblock ausgebildete, reflektierende Flächen und damit zwei unterschiedliche optische Kanäle realisiert. Zwar entstehen an den reflektierenden Flächen keine chromatischen Fehler, jedoch steht zur Korrektur der durch die Abbildung an den beiden reflektierenden Flächen entstehenden monochromatischen Fehler 3.Ordnung, wie sphärische Aberration, Koma, Bildfeldwölbung, Astigmatismus und Verzeichnung, für den einfallenden Lichtstrahl und den ausfallenden Lichtstrahl jeweils nur eine dieser beiden reflektierenden Flächen zur Verfügung. Mittels jeweils nur einer Fläche diese Fehler zu korrigieren, erscheint zumindest mit einer einfachen rotationssymmetrischen Flächenform nicht möglich. Unabhängig von der Flächenform ist es fertigungstechnisch schwierig, zwei optische Flächen aneinandergrenzend in ausreichender Qualität herzustellen, an die auch höhere Anforderungen gestellt werden als an brechend abbildende Flächen.
• Aus der DE 10 2011 080 278 A1 ist ein Echelle-Spektrometer bekannt, bei dem ein Echelle-Gitter als Einfachgitter ausgeprägt (kein Kreuzgitter) auf der Rückseite eines Glaskörpers aufgebracht (reflektives Gitter) ist, wobei diese Fläche eine gekrümmte Form aufweist. Die Ein- und die Austrittsfläche können zueinander beabstandet sein oder sich zumindest teilweise überlappen und insbesondere Teil einer selben Fläche, z. B. einer Freiformfläche, sein. Auch hier ist es schwierig, Abbildungsfehler mit dem Design nur zweier abbildender Flächen zu korrigieren.
• Auch in der US 6 693 745 B1 und der US 6 977 727 B2 ist jeweils ein Glasblock mit einem auf einer Rückseite ausgebildeten planen Gitter offenbart, wobei der prismenförmige Glasblock keine abbildende Funktion hat.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes, einfach herzustellendes Simultanspektrometer zu schaffen.
• Diese Aufgabe wird für ein Simultanspektrometer mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.
• Die Erfindung soll nachfolgend an einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Hierzu zeigen:
• 1a ein Optikschema eines erfindungsgemäßen Spektrometers in Seitenansicht,
• 1b das Optikschema gemäß 1a in einer zur Seitenansicht senkrechten Draufsicht und
• 1c eine Tabelle mit Parametern des Optikschemas nach 1a und 1b.
• Ein erfindungsgemäßes Spektrometer weist einen Eintrittsspalt 1, einen Detektor 2, ein planes reflektierendes Beugungsgitter 4 und entlang einer optischen Achse A angeordnete abbildende Flächen, nämlich rotationssymmetrische, brechend wirkende abbildende Flächen F₁ - F_n auf, die dem Beugungsgitter 4 in einer Einstrahlrichtung R vor- und nachgeordnet sind. Die Rotationsachsen der abbildenden Flächen F₁ - F_n fallen mit der optischen Achse A zusammen. Ein von dem Eintrittspalt 1 einfallendes Lichtbündel B, das einen Bündelhauptstrahl B_H aufweist, wird in der Einstrahlrichtung R zu dem Beugungsgitter 4 hin von den abbildenden Flächen F₁ - F_n auf das Beugungsgitter 4 kollimiert und am Beugungsgitter 4 in eine Vielzahl von Teillichtbündel TB, jeweils einen Teilbündelhauptstrahl TBH aufweisend, spektral aufgespaltet und reflektiert. Die Teillichtbündel TB werden über die gleichen abbildenden Flächen F₁ - F_n in der Einstrahlrichtung R vom Beugungsgitter 4 weg ortsaufgelöst auf den Detektor 2 fokussiert. Das Beugungsgitter 4 ist auf einer planen Rückseite F_R eines Optikblocks 3, der wenigstens eine der abbildenden Flächen F₁ - F_n aufweist, in einer Pupillenebene des Simultanspektrometers angeordnet.
• Es ist erfindungswesentlich, dass der Eintrittsspalt 1 mit einem senkrechten Abstand a zu der optischen Achse A angeordnet ist, sodass der Bündelhauptstrahl B_H des einfallenden Lichtbündels B unter einem mit der optischen Achse A einschließenden spitzen Auftreffwinkel α auf das Beugungsgitter 4 auftrifft und die plane Rückseite F_R des Optikblocks 3 gegenüber der optischen Achse A so verkippt angeordnet ist, dass ein Teilbündelhauptstrahl TB_H(λ_a) eines Teillichtbündels TB(λ_a) mit einer ausgewählten Wellenlänge λ_a eines Wellenlängenspektrums der Teillichtbündel TB des einfallenden Lichtbündels B am Beugungsgitter 4 unter einem mit der optischen Achse A einschließenden Reflexionswinkel β gebeugt und reflektiert wird, der betragsmäßig gleich dem Auftreffwinkel α ist. Die ausgewählte Wellenlänge λ_a ist bevorzugt eine mittlere Wellenlänge des Wellenlängenspektrums des Lichtbündels B. Das Teillichtbündel TB(λ_a) mit einer ausgewählten Wellenlänge λ_a durchläuft vom Beugungsgitter 4 zum Detektor 2 hin alle abbildenden Flächen F₁ - F_n jeweils unter einem betragsmäßig gleichen Winkel zur optischen Achse A wie das Lichtbündel B vom Eintrittsspalt 1 zum Beugungsgitter 4 hin, weshalb es aufgrund der zwingend gegebenen Rotationssymmetrie der abbildenden Flächen F₁ - F_n einer gleichen Abbildungsfunktion unterliegen. Indem die abbildenden Flächen F₁ - F_n doppelt im Strahldurchgang genutzt werden, kann deren Anzahl im Vergleich zu einem einfachen Strahldurchgang halbiert werden. Im Vergleich zur Verwendung von reflektierend wirkenden (reflektierenden), abbildenden Flächen, bei denen keine chromatischen Abbildungsfehler entstehen, lassen sich brechend wirkende (brechende) Flächen einfacher und kostengünstiger herstellen und entstehende chromatische Fehler durch geeignete Materialkompositionen der verwendeten optischen Linsen beheben. Wenigstens eine der abbildenden Flächen F₁ - F_n befindet sich an dem Optikblock 3 und damit nahe dem Beugungsgitter 4 und wirkt auf die Teilbündelhauptstrahlen TBH vergleichsweise stark konvergierend, womit die von den Teilbündelhauptstrahlen TBH miteinander eingeschlossenen Winkel bereits nahe hinter dem Beugungsgitter 4 verkleinert werden.
• In einer vorteilhaften Ausführung des Simultanspektrometers, dessen Optikschema in der 1a und der 1b gezeigt ist, besteht der Optikblock 3 aus einer ersten Linse L₁ und einer zweiten Linse L₂ unterschiedlichen Materials sowie einem Keil 5, der aus einem dritten Material oder dem gleichen Material wie die erste Linse L₁ ist. Die erste Linse L₁ ist hier eine Plankonvexlinse, an deren planer Seite der Keil 5 angesetzt ist. Der Optikblock 3 weist drei der abbildenden Flächen F₄ , F₅ , F₆ auf, die durch den Übergang zwischen der Atmosphäre und zweiten Linse L₂ als abbildende Fläche F₄ , den Übergang zwischen der zweiten Linse L₂ und der ersten Linse L₁ als abbildende Fläche F₅ und den Übergang zwischen der ersten Linse L₁ und dem Keil 5 als abbildende Fläche F₆ gebildet sind.
• Alternativ, aber fertigungstechnisch ungünstiger kann die der zweiten Linse L₂ abgewandte Seite der ersten Linse L₁ die plane Rückseite F_R des Optikblocks 3 bilden, die gegenüber der optischen Achse A geneigt ist. Der Optikblock 3 hat dann nur die abbildenden Flächen F₄ und F₅ . Der Optikblock 3 kann auch aus mehr als zwei Linsen bestehen und weist dann weitere abbildende Flächen auf.
• Dem Optikblock 3 ist eine Linsengruppe 6 mit einer dritten Linse L₃ und einer vierten Linse L₄ aus unterschiedlichem Material vorgeordnet, die entsprechend weitere der abbildenden Flächen F₁ , F₂ , F₃ aufweisen.
• Anstelle der Linsengruppe 6 kann auch nur die dritte Linse L₃ als eine Einzellinse mit zwei abbildenden Flächen F₁ , F₂ dem Optikblock 3 vorgeordnet sein.
• Mit mehr abbildenden Flächen F₁ - F_n ist es grundsätzlich einfacher, Abbildungsfehler des durch das Simultanspektrometer gebildeten optischen Systems zu korrigieren. Gleichzeitig möchte man aber, insbesondere aus fertigungstechnischen Gründen, die Anzahl der abbildenden Flächen F₁ - F_n klein halten, dem auch die doppelte Nutzung der abbildenden Flächen F₁ - F_n gerecht wird.
• Die abbildenden Flächen F₄ , F₅ , F₆ bzw. F₄ , F₅ am Optikblock 3 sind vergleichsweise pupillennah (nahe der Pupillenebene) und die abbildenden Flächen F₁ , F₂ bzw. F₁ , F₂ , F₃ an der dem Optikblock 3 vorgeordneten dritten Linse L₃ bzw. Linsengruppe 6 sind vergleichsweise pupillenfern angeordnet.
• Der Optikblock 3 ist deshalb vorteilhaft für die sphärische Aberration und die Bildfeldwölbung überkorrigiert, so dass eine durch die dritte Linse L₃ oder die Linsengruppe 6 für das einfallende Lichtbündel B und das Teillichtbündel TB(λ_a ) mit der ausgewählten Wellenlänge λ_a bewirkte sphärische Aberration und Bildfeldwölbung kompensiert wird, und die dritte Linse L₃ oder die Linsengruppe 6 ist vorteilhaft für den Astigmatismus überkorrigiert, so dass ein durch den Optikblock 3 bewirkter Astigmatismus kompensiert wird. Für die Koma und chromatischen Abbildungsfehler sind der Optikblock 3 und die Linsengruppe 6 vorteilhaft in sich korrigiert. Weist das Simultanspektrometer anstelle der Linsengruppe 6 nur eine einzelne dritte Linse L₃ auf, dann ist der Optikblock 3 auch für die chromatischen Fehler überkorrigiert und kompensiert so die an der einzelnen dritten Linse L₃ entstehenden chromatischen Fehler. Eine Verzeichnung muss aufgrund des doppelten Durchlaufs der abbildenden Flächen F₁ - F_n nicht korrigiert werden.
• Die abbildenden Flächen F₁ - F_n sind bevorzugt sphärische Flächen, können aber auch anteilig oder alle asphärische Flächen sein.
• Da der Detektor 2 bzw. genauer der Mittelpunkt des Detektors 2 nicht auf der optischen Achse A angeordnet ist, kann auch durch eine Verkippung des Detektors 2 gegenüber der optischen Achse A vorteilhaft die Bildfeldwölbung für die Abbildung der weiteren der Teillichtbündel TB korrigiert werden.
• Als Beugungsgitter 4 wird entweder ein Liniengitter in Kombination mit einem Liniendetektor als Detektor 2 oder ein Kreuzgitter in Kombination mit einem ortsaufgelösten Flächendetektor verwendet.
• Legt man ein kartesisches Koordinatensystem in das Optikschema, so dass die optische Achse A die Richtung der z-Achse des kartesischen Koordinatensystems definiert und das Beugungsgitter 4 ein Liniengitter ist, dann verlaufen dessen Gitterlinien in Richtung der x-Achse und die plane Rückseite F_R des Optikblocks 3 ist um die x-Achse verkippt und schließt einen ersten Keilwinkel γ_y mit der y-Achse ein.
• Ist das Beugungsgitter 4 ein Kreuzgitter, gebildet durch senkrecht zueinander verlaufende erste und zweite Liniengitter, und ist die optische Achse A in Richtung der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet, dann verlaufen die ersten Gitterlinien in Richtung der x-Achse und die zweiten Gitterlinien in Richtung der y-Achse. Die plane Rückseite F_R des Optikblocks 3 ist um die x-Achse und um die y-Achse verkippt und schließt einen ersten Keilwinkel γ_y mit der y-Achse und einen zweiten Keilwinkel γ_x mit der x-Achse ein.
• Bei der in den 1a und 1b gezeigten Ausführung soll das Beugungsgitter 4 ein Kreuzgitter sein. Entsprechend ist aus der 1a, die eine Seitenansicht darstellt, wobei die Zeichenebene die y-z-Ebene des kartesischen Koordinatensystems darstellt, der erste Keilwinkel γ_y und aus der 1b, die eine Draufsicht darstellt, wobei die Zeichenebene die x-z-Ebene des kartesischen Koordinatensystems darstellt, der zweite Keilwinkel γ_x zu entnehmen. Der Detektor 2, der hier ein ortsaufgelöster Flächendetektor ist, ist ebenfalls um die x-Achse und um die y-Achse verkippt und schließt einen ersten Kippwinkel δ_y mit der y-Achse und einen zweiten Kippwinkel δ_x mit der x-Achse ein.
• In 1c ist eine Tabelle abgebildet, mit vorteilhaften Parametern der Elemente Eintrittsspalt 1, Detektor 2, Linsen L₁ - L₄ , Keil 5 und Beugungsgitter 4 sowie der abbildenden Flächen F₁ - F_n einer vorteilhaften Ausführung eines Simultanspektrometers mit dem Optikschema nach den 1a und 1b. Die Materialangaben entstammen dem Schott-Katalog oder sind gebräuchliche Abkürzungen chemischer Verbindungen. Der angegebene Abstand des Eintrittsspaltes 1 und des Mittelpunktes des Detektors 2 zur ersten abbildenden Fläche F₁ entspricht einem Abstand deren senkrechten Projektion auf die optische Achse A. Der y-Abstand des Eintrittsspaltes 1 entspricht dessen senkrechtem Abstand a von der optischen Achse A.
• Andere vorteilhafte Materialkombinationen für die erste Linse L₁ und zweite Linse L₂ des Optikblocks 3 sind N-PK51 und N-LAK8 oder CaF₂ und N-LAK8.
• Für die Linsengruppe 6 sind N-PK52A und N-KZFS11 oder N-FK51A und N-KZFS2 andere vorteilhafte Materialkombinationen.
• Der erste Keilwinkel γ_y lässt sich über folgende Formel berechnen: $$\text{sin}\left({\gamma }_y\right)\equiv \frac{{\lambda }_{\alpha }\cdot q_1}{2\cdot p_1\cdot n\cdot \text{cos}\left(\alpha \right)}$$

  

  
  mit:
• γ_y - erster Keilwinkel (Kippung um x-Achse)
• α - Auftreffwinkel
• λ_a - ausgewählte Wellenlänge, für die der Hauptstrahl (Bündelhauptstrahl B_H ; Teilbündelhauptstrahl TB_H(λ_a)) symmetrisch bezüglich der optischen Achse A reflektiert wird
• p₁ - Periodenlänge der ersten Gitterlinien des Kreuzgitters (x-Gitterperiode)
• q₁ - genutzte Ordnung des an den ersten Gitterlinien erzeugten Beugungsspektrums
• n - Brechzahl des Materials des Keils 5
• Der zweite Keilwinkel γ_x lässt sich über folgende Formel berechnen: $$\text{sin}\left({\gamma }_x\right)\equiv \frac{{\lambda }_{\alpha }\cdot q_2}{2\cdot p_2\cdot n}$$

  

  
  
• mit:
• γ_x - zweiter Keilwinkel (Kippung um y-Achse)
• λ_a - Wellenlänge, für die der Teilbündelhauptstrahl TB_H(λ_a) in einer Ebene mit der optischen Achse A und dem Auftreffwinkel α reflektiert wird (Zur Berechnung des zweiten Keilwinkels γ_x kann auch eine andere ausgewählte Wellenlänge λ_a zugrunde gelegt werden, womit der Teilbündelhauptstrahl TB_H(λ_a) unter einem Winkel zu der genannten Ebene verlaufen würde.)
• p₂ - Periodenlänge der zweiten Gitterlinien des Kreuzgitters (y-Gitterperiode)
• q₂ - genutzte Ordnung des an den zweiten Gitterlinien erzeugten Beugungsspektrums
• n - Brechzahl des Materials des Keils 5.
• Bezugszeichenliste

1

Eintrittsspalt

2

Detektor

3

Optikblock

L₁

erste Linse

L₂

zweite Linse

L₃

dritte Linse

L₄

vierte Linse

4

Beugungsgitter

5

Keil

6

Linsengruppe

A

optische Achse

F₁ - F_n

abbildende Fläche

F_R

plane Rückseite des Optikblocks 3

B

einfallendes Lichtbündel

B_H

Bündelhauptstrahl

TB

Teillichtbündel

TBH

Teilbündelhauptstrahl

λ_a

ausgewählte Wellenlänge

α

Auftreffwinkel

β

Reflexionswinkel

γ_y

erste Keilwinkel

γ_x

zweiter Keilwinkel

δ_y

erster Kippwinkel

δ_x

zweiter Kippwinkel

R

Einstrahlrichtung

a

senkrechter Abstand

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015108818 A1 [0001, 0012, 0013, 0014]
• DE 102011080278 A1 [0015]
• US 6693745 B1 [0016]
• US 6977727 B2 [0016]

Claims (8)

1. Simultanspektrometer, enthaltend einen Eintrittsspalt (1), einen Detektor (2), ein planes reflektierendes Beugungsgitter (4), entlang einer optischen Achse (A) dem Beugungsgitter (4) in einer Einstrahlrichtung (R) vorgeordnete abbildende Flächen zur Kollimierung eines vom Eintrittsspalt (1) ausgehenden, einen Bündelhauptstrahl (B_H) aufweisenden einfallenden Lichtbündels (B) auf das reflektierende Beugungsgitter (4), das auf einer planen Rückseite (F_R) eines Optikblocks (3) in einer Pupillenebene des Simultanspektrometers angeordnet ist, und dem Beugungsgitter (4) in der Einstrahlrichtung (R) nachgeordnete abbildende Flächen zur Fokussierung des an dem Beugungsgitter (4) spektral in Teillichtbündel (TB) aufgespalteten und ortsaufgelöst reflektierten einfallenden Lichtbündels (B) auf den Detektor (2), dadurch gekennzeichnet, dass die in der Einstrahlrichtung (R) dem Beugungsgitter (4) vorgeordneten abbildenden Flächen auch die dem Beugungsgitter (4) in der Einstrahlrichtung (R) nachgeordneten abbildenden Flächen darstellen und rotationssymmetrische, brechend wirkende abbildende Flächen (F₁ - F_n) sind, von denen wenigstens eine an dem Optikblock (3) ausgebildet ist, und der Eintrittsspalt (1) mit einem senkrechten Abstand (a) zu der optischen Achse (A) angeordnet ist, sodass der Bündelhauptstrahl (B_H) des einfallenden Lichtbündels (B) unter einem mit der optischen Achse (A) einschließenden spitzen Auftreffwinkel (α) auf das Beugungsgitter (4) auftrifft und die plane Rückseite (F_R) des Optikblocks (3) gegenüber der optischen Achse (A) so verkippt angeordnet ist, dass ein Teilbündelhauptstrahl (TB_H(λ_a)) eines Teillichtbündels (TB(λ_a)) mit einer ausgewählten Wellenlänge (λ_a) der Teillichtbündel (TB) eines Wellenlängenspektrums des einfallenden Lichtbündels (B) am Beugungsgitter (4) unter einem mit der optischen Achse (A) einschließenden Reflexionswinkel (β) gebeugt und reflektiert wird, der betragsmäßig gleich dem Auftreffwinkel (α) ist.
2. Simultanspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Optikblock (3) wenigstens eine erste und eine zweite Linse (L₁, L₂) unterschiedlichen Materials enthält, an denen wenigstens zwei der abbildenden Flächen (F₄, F₅) ausgebildet sind, und dem Optikblock (3) eine dritte Linse (L₃) oder eine Linsengruppe (6) mit einer dritten Linse (L₃) und einer vierten Linse (L₄) vorgeordnet ist, die weitere der abbildenden Flächen (F₁, F₂ oder F₁, F₂, F₃) aufweisen.
3. Simultanspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (2) gegenüber der optischen Achse (A) geneigt angeordnet ist, wodurch eine Bildfeldwölbung für die Abbildung der weiteren der Teillichtbündel (TB) korrigiert wird.
4. Simultanspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Optikblock (3), der vergleichsweise nahe der Pupillenebene angeordnet ist, für die sphärische Aberration und die Bildfeldwölbung überkorrigiert ist, so dass eine durch die dritte Linse (L₃) oder die Linsengruppe (6) für das einfallende Lichtbündel (B) und das Teillichtbündel (TB(λ_a)) mit der ausgewählten Wellenlänge (λ_a) bewirkte sphärische Aberration und Bildfeldwölbung kompensiert wird und die dritte Linse (L₃) oder die Linsengruppe (6), die vergleichsweise pupillenfern angeordnet ist, für den Astigmatismus überkorrigiert ist, so dass ein durch den Optikblock (3) bewirkter Astigmatismus kompensiert wird.
5. Simultanspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die plane Rückseite (F_R) des Optikblocks (3) an der zweiten Linse (L₂) ausgebildet ist.
6. Simultanspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die plane Rückseite (F_R) des Optikblocks (3) an einem Keil (5) ausgebildet ist, der an die zweite Linse (L₂) angrenzt, wobei die zweite Linse (L₂) eine Plankonvexlinse ist.
7. Simultanspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (A) die Richtung der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems definiert, das Beugungsgitter (4) ein Liniengitter ist, dessen Gitterlinien in Richtung der x-Achse verlaufen, der Detektor (2) ein Liniendetektor ist und die plane Rückseite (F_R) um die x-Achse verkippt einen ersten Keilwinkel (γ_y) mit der y-Achse einschließt.
8. Simultanspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (A) die Richtung der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems definiert, das Beugungsgitter (4) ein Kreuzgitter ist, mit ersten Gitterlinien, die in Richtung der x-Achse verlaufen, und zweiten Gitterlinien, die in Richtung der y-Achse verlaufen, der Detektor (2) ein Flächendetektor ist und die plane Rückseite (F_R) um die x-Achse verkippt einen ersten Keilwinkel (γ_y) mit der y-Achse einschließt und um die y-Achse verkippt einen zweiten Keilwinkel (γ_x) mit der x-Achse einschließt.

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