DE102020133617B3 - Hyperchromatisches Axialspektrometer - Google Patents

Abstract

Axialspektrometer mit einer Optikbaugruppe (B1), die eine optische Achse (0) und eine chromatische Längsaberration aufweist, die entlang der optischen Achse (0) ein Axialspektrum mit einer Länge (L) bewirkt, sowie einer punktförmigen Detektoreinheit (D), die in einer Durchstrahlrichtung (R) der Optikbaugruppe (B1) nachgeordnet, auf der optischen Achse (0) angeordnet ist. Die punktförmige Detektoreinheit (D) weist einen festen Abstand zur Optikbaugruppe (B1) auf und enthält, in der Durchstrahlrichtung (R) entlang der optische Achse (0) angeordnet, eine feststehende optisch abbildende Einheit, eine verschiebbare optisch abbildende Einheit und einen feststehenden Hyperchromat (B4). Die verschiebbare optisch abbildende Einheit ist über einen Verschiebeweg (+/-d), um eine Zentralstellung, verschiebbar, der kleiner der Länge (L) des Axialspektrums ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Axialspektrometer wie es gattungsgemäß aus der US 3,185,021 A bekannt ist.
• Im Stand der Technik werden Vorrichtungen zur spektralen Detektion in nichtscannende Systeme (auch „abbildende Spektrometer“ oder „Kompaktspektrometer“) und scannende Systeme unterschieden. Dabei erfolgt die spektrale Zerlegung einer elektromagnetischen Strahlung, bei den nicht-scannenden Systemen, in ein, zur optischen Achse des die spektrale Separation verursachenden Elementes, üblicherweise lateral zerlegtes Spektrum, während sie bei den scannenden Systemen, sowohl in ein üblicherweise lateral zerlegtes Spektrum, aber auch in ein Spektrum entlang der optische Achse des die spektrale Separation verursachenden Elementes erfolgen kann (Axialspektrum).
• Die nicht-scannenden Systeme zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass das zu analysierende Spektrum zeitgleich aufgenommen wird. Dazu sind Sensoren in Form von Zeilen- oder Flächenarrays erforderlich, wobei die Auflösung des Spektrums durch die Anzahl der Pixel der Arrays, die jeweils einen kleinen Wellenlängenbereich aus dem Spektrum detektieren, begrenzt ist. Darüber hinaus sind derartige Arrays für Wellenlängenbereiche größer 1,1 µm oder kleiner 200 nm sehr teuer oder stehen gar nicht zur Verfügung.
• Insbesondere zur Analyse von Spektren großer Spektralbereiche mit einer hohen Auflösung werden scannende Systeme verwendet. Das zu analysierende Spektrum wird hier zeitsequenziell aufgenommen. Bei einem Axialspektrometer, mit dem die spektrale Zerlegung in ein Axialspektrum erfolgt, wird die zu analysierende elektromagnetische Strahlung auf eine optische Einheit gerichtet, die die Strahlung in axialer Richtung der optischen Einheit zerlegt und wellenlängenselektiv verteilt abbildet, wo sie durch eine punktförmige Detektoreinheit zeitlich nacheinander erfasst wird. Dazu wird in der Regel die punktförmige Detektoreinheit entlang der optischen Achse verschoben.
• Aus dem Artikel: „Spectrometer employing a micro-Fresnel lens“, N. Kitaura u.a., Optical Engineering, February 1995, Vol.34.No.2, ist ein Spektrometer bekannt, welches zur spektralen Aufspaltung des zu analysierenden Lichts eine diffraktive Fresnel-Linse nutzt. Das zu analysierende Licht trifft dabei parallel zu ihrer optischen Achse auf die Fresnel-Linse und wird aufgrund der chromatischen Eigenschaften der diffraktiven Fresnel-Linse auf der optischen Achse spektral breit verteilt fokussiert. Es entstehen für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Foki auf der optischen Achse bzw. ein Spektrum entlang der optischen Achse. Durch die axiale Bewegung eines Punktdetektors entlang der optischen Achse auf einem Schlitten können die einzelnen Foki (bzw. das gesamte Spektrum) abgefahren und so das gesamte Spektrum aufgenommen werden. Der Nachteil in dieser Anordnung liegt darin, dass der Punktdetektor die gesamte Länge des erzeugten Spektrums abfahren muss, das heißt, der Bewegungsbereich des Punktdetektors ist identisch mit der Länge des zu detektierenden Spektrums. Ein hochaufgelöstes und breites Spektrum erfordert entsprechend einen sehr langen Bewegungsweg des Detektors. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit den Punktdetektor zu fixieren und die Fresnel-Linse entlang der optischen Achse zu bewegen, wobei der adressierte Nachteil eines langen Bewegungsweges auch hier erhalten bleiben würde.
• In der vorbenannten US 3,185,021 A wurde das Grundprinzip eines Axialspektrometers mit einer Optikbaugruppe, bestehend aus zwei sphärischen Linsen, einer Sammellinse aus einem hoch dispersiven Glas und einer Zerstreuungslinse aus einem gering dispersiven Glas, beschrieben, die gemeinsam eine Dublettlinse bilden. Das von einer Lichtquelle kommende Licht, wird beim Durchlaufen der Dublettlinse gebrochen, an deren Rückseite reflektiert und beim erneuten Durchlaufen der Dublettlinse erneut gebrochen. Damit wird die sphärische Aberration kompensiert und die chromatische Aberration verstärkt. Eine Optikbaugruppe gemäß der vorbenannten US 3,185,021 A weist demnach im Vergleich zur Verwendung einer einzelnen sphärischen Linse eine geringere sphärische Aberration und eine erhöhte chromatische Aberration auf. Es findet eine bessere Farbtrennung entlang der optischen Achse der Optikbaugruppe statt. Um einzelne Spektralanteile des Lichtes zu detektieren, wird eine axial verschiebbare, punktförmige Detektoreinheit, hier bestehend aus einer Lochblende und einem Detektor, entlang der optischen Achse verschoben und es wird jeweils der Spektralanteil von dem Detektor detektiert, der in die Ebene der Lochblende fokussiert wird. Nachteilig ist auch hier die Länge des Bewegungsweges der Detektoreinheit, die der Länge der axialen Dispersion entspricht.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Axialspektrometer zu schaffen, bei dem der zur Detektion des Axialspektrums notwendige relative Verschiebeweg zwischen dem Axialspektrum und der punktförmigen Detektoreinheit kürzer ist als die Länge des Axialspektrums, womit das Axialspektrometer kürzer und kompakter herstellbar ist.
• Diese Aufgabe wird durch ein Axialspektrometer mit einer Optikbaugruppe, die eine optische Achse und eine chromatische Längsaberration aufweist, die entlang der optischen Achse ein Axialspektrum über eine Länge bewirkt, sowie einer punktförmigen Detektoreinheit, die in einer Durchstrahlrichtung der Optikbaugruppe nachgeordnet, auf der optischen Achse angeordnet ist, dadurch gelöst, dass die punktförmige Detektoreinheit einen festen Abstand zur Optikbaugruppe aufweist, die Optikbaugruppe in der Durchstrahlrichtung entlang der optische Achse eine feststehende optisch abbildende Einheit, eine verschiebbare optisch abbildende Einheit, und einen feststehenden Hyperchromat enthält, wobei die verschiebbare optisch abbildende Einheit, über einen Verschiebeweg, der kleiner der Länge des Axialspektrums ist, um eine Zentralstellung, verschiebbar ist,.
• Vorteilhaft weist die feststehende optisch abbildende Einheit und die verschiebbare optisch abbildende Einheit zusammen eine, im Vergleich zu dem Hyperchromat, höchstens geringere chromatische Längsaberration auf.
• Es ist von Vorteil, wenn die feststehende optisch abbildende Einheit eine Sammellinse und die verschiebbare optisch abbildende Einheit eine Schiebelinse ist. Noch vorteilhafter ist die Schiebelinse eine Zerstreuungslinse und am vorteilhaftesten ist sie ein Meniskus.
• In bevorzugten Ausführungen ist der Hyperchromat ein diffraktives Element oder ein Hybridelement mit refraktiven und diffraktiven Eigenschaften.
• Es ist von Vorteil, wenn in der Zentralstellung der Schiebelinse der objektseitige Brennpunkt der Schiebelinse und ein Bildpunkt der Sammellinse zusammenfallen.
• Es ist günstig, wenn der Verschiebewege (+/-d) kleiner 0,5 und größer 0,1 mal der Länge des Axialspektrums ist
• Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen:
• 1a - d eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Axialspektrometers mit unterschiedlichem Einfall der zu analysierende elektromagnetischen Strahlung,
• 2 ein Strahlverlauf für Strahlanteile von drei ausgezeichneten Wellenlängen durch das optische System und
• 3a - c eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Axialspektrometers, wobei die Zerstreuungslinse unterschiedliche Positionen einnimmt.
• Ein erfindungsgemäßes Axialspektrometer enthält, gleich aus dem Stand der Technik bekannten Axialspektrometern, eine Optikbaugruppe B1, mit einer chromatischen Längsaberration, die eine auftreffende elektromagnetische Strahlung in ein Axialspektrum mit einer Länge L zerlegt und entlang einer optischen Achse 0 der Optikbaugruppe B1 wellenlängenselektiv in unterschiedliche wellenlängenselektive Bildpunkte über die Länge L abbildet. Darüber hinaus enthält sie eine punktförmige Detektoreinheit D, die entweder durch einen Detektor mit einer nahezu punktförmigen Detektorfläche, oder einen Detektor mit einer ausgedehnten Detektorfläche und einer vorgeordneten Lochblende gebildet wird.
• Es ist erfindungswesentlich, dass die Optikbaugruppe B1 aus drei optisch abbildenden Einheiten besteht, von denen die beiden äußeren optisch abbildenden Einheiten feststehend sind und die mittlere optisch abbildende Einheit entlang der optischen Achse 0 verschiebbar ist. Die optisch abbildenden Einheiten können jeweils einzelne Elemente oder Elementgruppen sein. Durch die Verschiebung der mittleren optisch abbildenden Einheit werden zeitlich nacheinander die wellenlängenselektiven Bildpunkte der Optikbaugruppe B1 auf der feststehenden Detektoreinheit D abgebildet.
• In den 1a -1c ist eine Prinzipskizze für ein erfindungsgemäßes Axialspektrometer gezeigt. Die Optikbaugruppe B1 mit der optischen Achse 0, enthält hier als feststehende optisch abbildende Einheit eine Sammellinse B2 und einen Hyperchromaten B4, sowie, als verschiebbare optisch abbildende Einheit, eine Schiebelinse B3, die vorteilhaft eine Zerstreuungslinse ist. Durch die vorteilhafte Kombination einer Sammellinse B2 und einer Zerstreuungslinse wird die sphärische Aberration für diese Kombination minimiert. Wird als Zerstreuungslinse ein Meniskus verwendet, lässt sich die Baulänge des Axialspektrometers verkürzen. Die sphärische Aberration wird vorteilhaft weiter minimiert indem wenigstens eine optisch wirksame Oberfläche der Optikbaugruppe B1 als Asphäre ausgebildet ist.
• Der Hyperchromat B4 zeichnet sich dadurch aus, dass er eine sehr starke chromatische Längsaberration aufweist. Dagegen ist die gemeinsame chromatische Längsaberration der Sammellinse B2 und der Schiebelinse B3 vernachlässigbar. Vorteilhaft ist der Hyperchromat B4 ein diffraktives Element. Noch vorteilhafter ist der Hyperchromat als ein Element oder eine Elementgruppe mit refraktiven und diffraktiven Eigenschaften ausgeführt.
• Die Optikbaugruppe B1 bildet eine auf sie gerichtete elektromagnetische Strahlung spektral aufgespaltet entlang der optischen Achse 0 ab. Dargestellt sind hier die Bildpunkte für Strahlanteile in der Bildebene BE_B1λ0 der optischen Baugruppe B1 für eine Zentral-Wellenlänge λ₀, in der Bildebene BE_B1λ1 der optischen Baugruppe B1 für eine erste Rand-Wellenlänge λ₁, und in der Bildebene BE_B1λ2 der optischen Baugruppe B1 für eine zweite Rand-Wellenlänge λ₂.
• Die zu analysierende elektromagnetische Strahlung kommt von der zu analysierenden Probe und wird entsprechend 1a über einen Eingangsspalt auf die Optikbaugruppe B1 geführt, trifft entsprechend 1b direkt von der Probenoberfläche bzw. aus dem Probenvolumen als divergentes Strahlenbündel auf die Optikbaugruppe B1 oder wird entsprechend 1c aus dem Ende einer Glasfaser ausgekoppelt. In diesen Fällen befindet sich der Eingangsspalt, die Probenoberfläche bzw. das Ende der Glasfaser in einer endlich entfernten Objektebene OE_B1 der Sammellinse B2. Die Strahlung kann auch wie in 1d dargestellt aus dem Unendlichen kommen. In allen genannten Fällen des Auftreffens der Strahlung auf die Optikbaugruppe B1, wird diese in einen Bildpunkt der Sammellinse B2, der im Fall, dass die Strahlung aus dem Unendlichen kommt der bildseitige Brennpunkt der Sammellinse B2 ist, abgebildet, wobei der feste Bildpunkt der Sammellinse B2, den Objektpunkt der Schiebelinse B3 bildet. Durch die Verschiebung der Schiebelinse B3 wird deren Objektweite und entsprechend deren Bildweite geändert. Die Bildebene der Schiebelinse B3, die gleich der Objektebene des Hyperchromaten B4 ist, wird verschoben, womit sich die Objektweite des Hyperchromaten B4 ändert, was wiederrum zu einer Änderung der wellenlängenselektiven Bildweiten führt.
• Für jeden Objektpunkt a, der ein Probenort, ein Faserende, ein Eingangsspalt sein oder im „Unendlichen“ liegen kann, lässt sich nach der allgemeinen Abbildungsgleichung die entsprechende Position der Detektoreinheit berechnen, die jeweils einem Bildpunkt a' der optischen Baugruppe B1 für eine jeweilige Wellenlänge entspricht; $$\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B1}\left(\lambda \right)}=\frac{1}{a\text{'}\left(\lambda \right)}+\frac{1}{a\left(\lambda \right)}$$

  

  f'_B1(λ) ist hier die wellenlängenselektive Brennweite der optischen Gruppe B1.
• Idealerweise fällt der objektseitige Brennpunkt der Schiebelinse B3, wenn diese in einer Zentralstellung steht, mit dem Bildpunkt der Sammellinse B2 zusammen, sodass die Strahlung als achsparalleles Strahlenbündel auf den Hyperchromat B4 auftrifft. Dieser Sonderfall ist in 2 gezeigt. Die wellenlängenselektiven Bildpunkte der optischen Gruppe B1 fallen hier mit dessen wellenlängenselektiven bildseitigen Brennpunkten der optischen Gruppe B1 zusammen.
• Nachfolgend wird die Entwicklung eines Startsystems erläutert aus dem heraus optische Parameter für ein erfindungsgemäßes Axialspektrometer abgeleitet werden können. Die Betrachtung erfolgt in paraxialer Näherung für dünne Linsen.
• Eine Länge L des durch die spektrale Zerlegung entlang der optischen Achse 0 entstehenden Axialspektrums, das heißt die Länge der spektralen Verteilung entlang der optischen Achse, entspricht (bei Vernachlässigung einer chromatischen Aberration durch die Sammellinse B2 und die Schiebelinse B3) der Differenz der bildseitigen Brennweiten f'_B4(λ₁) und f'_B4(λ₂) des Hyperchromaten B4, bei den beiden Rand-Wellenlängen λ₁ und λ₂ der Strahlung. $$L=ƒ{\text{'}}_{B4}\left({\lambda }_1\right)-ƒ{\text{'}}_{B4}\left({\lambda }_2\right)$$

  
• Der objektseitige Brennpunkt der Schiebelinse B3, befindet sich bei deren Anordnung in einer Zentralstellung, im Bildpunkt der Sammellinse B2, sodass die Schiebelinse B3 nach unendlich abbildet. Der Hyperchromat B4 bildet dann die Strahlung einer Zentral-Wellenlänge λ₀ in einer zentralen bildseitigen Brennweite f'_B4(λ₀) ab, wo die punktförmige Detektoreinheit D angeordnet ist. Durch eine axiale Verschiebung der Schiebelinse B3 über einen Bereich zwischen ±d, um die Zentralstellung, werden nacheinander Bildpunkte für Strahlung der anderen Wellenlängen auf dem punktförmigen Detektor D abgebildet, das heißt, die Bildweite des Hyperchromaten B4 für die verschiedenen Wellenlängen wird nacheinander auf die zentrale Brennweite f'_B4(λ₀) angepasst. In den 3a-c ist das optische System mit der Schiebelinse B3 in der Zentral-Position (3b) und den beiden Randpositionen (3a und 3c) gezeigt. Entsprechend werden die Strahlanteile der Strahlung mit der Zentral-Wellenlänge λ₀ oder einer der beiden Rand-Wellenlängen λ₁, λ₂ auf der punktförmigen Detektionseinheit D abgebildet.
• Nach der allgemein bekannten Abbildungsgleichung gilt: $$\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B4}\left(\lambda \right)}=\frac{1}{a{\text{'}}_{B4}\left(\lambda \right)}+\frac{1}{a_{B4}\left(\lambda \right)}$$

  

  mit a_B4(λ) als Objektweite und a'_B4(λ) als Bildweite des Hyperchromaten B4 und λ als Parameter für die Wellenlängen zwischen den Randwellenlängen λ₁ und λ₂. Die Objektweite a_B4(λ) des Hyperchromaten B4 ergibt sich demnach zu $$a_{B4}\left(\lambda \right)=\frac{a{\text{'}}_{B4}\left(\lambda \right)ƒ{\text{'}}_{B4}\left(\lambda \right)}{a{\text{'}}_{B4}\left(\lambda \right)-ƒ{\text{'}}_{B4}\left(\lambda \right)}$$

  
• Da der Objektpunkt des Hyperchromaten B4 gleich dem Bildpunkt der Schiebelinse B3 ist, führt deren axiale Verschiebung zur Verschiebung des Objektpunktes des Hyperchromaten B4.
• Die allgemeine Abbildungsgleichung gültig für die Schiebelinse B3 lautet: $$\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B3}\left(\lambda \right)}=\frac{1}{a{\text{'}}_{B3}\left(\lambda \right)}+\frac{1}{a_{B3}\left(\lambda \right)}$$

  

  mit der Brennweite f'_B3(λ), sowie der Objektweite a_B3(λ) und der Bildweite a'_B3(λ) der Schiebelinse B3.
• Es werden für die Rechnung folgende Annahmen getroffen:
1. I. die Wellenlängenabhängigkeit der Sammellinse B2 und der Schiebelinse B3, das heißt die von ihnen in Summe verursacht chromatische Aberration, ist vernachlässigbar (sehr klein) gegenüber der Wellenlängenabhängigkeit des Hyperchromaten B4. Dieser weist eine möglichst breite Spreizung der wellenlängenabhängigen Brennweite f'B4(A) auf, um eine hohe Auflösung des Axialspektrums zu erzielen.
2. II. Der Abstand entlang der optischen Achse 0 zwischen der Schiebelinse B3 und dem Hyperchromat B4, genauer der Abstand deren Hauptebenen, ist vernachlässigbar klein im Vergleich zu der Objektweite a_B4 des Hyperchromaten B4 und der Bildweite a'_B3 der Schiebelinse B3. Damit gilt näherungsweise a'_B3=a_B4.
• In der Ausgangsstellung (Zentralstellung) bildet die Schiebelinse B3 nach unendlich ab. D.h. deren Bildweite a'_B3 ist unendlich und deren Objektweite a_B3(λ₀) entspricht deren Brennweite f'_B3. Wird jetzt die Schiebelinse B3 um ±d verschoben, dann ändern sich auch deren Objektweite a_B3(λ₀) um den entsprechenden Betrag. D.h.: $$a_{B3}=ƒ{\text{'}}_{B3}\left({\lambda }_1\right)-d$$

  

  $$a_{B3}=ƒ{\text{'}}_{B3}\left({\lambda }_2\right)+d$$

  
• Mit der oben genannten Annahme, dass die Sammellinse B2 und die Schiebelinse B3 einen sehr viel kleineren Farbfehler (chromatische Aberration) aufweisen als der Hyperchromat B4, gilt in Näherung, dass die bildseitige Brennweite f'_B3 der Schiebelinse B3 für alle Wellenlängen des Axialspektrums gleich ist: $$ƒ{\text{'}}_{B3}\left({\lambda }_1\right)=ƒ{\text{'}}_{B3}\left({\lambda }_2\right)=ƒ{\text{'}}_{B3}$$

  

  Damit ergeben sich für die Randwellenlängen λ₁ und λ₂ folgende Abbildungsgleichungen: $$\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B3}}=\frac{1}{a{\text{'}}_{B3}\left({\lambda }_2\right)}+\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B3}+d}$$

  

  $$\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B3}}=\frac{1}{a{\text{'}}_{B3}\left({\lambda }_1\right)}+\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B3}-d}$$

  
• Mit: $$c=\frac{1}{a{\text{'}}_{B3}\left({\lambda }_2\right)}-\frac{1}{a{\text{'}}_{B3}\left({\lambda }_1\right)}$$

  

  ergibt sich für (9) - (10) folgende Gleichung: $$0=\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B3}+d}-\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B3}-d}+c$$

  

  Aufgelöst nach f'_B3 ergibt sich: $$ƒ{\text{'}}_{B3}=\sqrt{d^2+2\frac{d}{c}}$$

  
• Unter der Vorgabe, dass mit der Verschiebung der Schiebelinse B3 über den Bereich von - d bis +d (oder umgekehrt) für alle Wellenlängen des Axialspektrums die sich ergebende Bildweite a'_B4(λ) nacheinander mit der Brennweite f_B4(λ₀) zusammenfällt, d.h. es erfolgt für alle Wellenlängen nacheinander eine Abbildung auf den feststehenden Detektor, ergibt sich aus der Abbildungsgleichung (3) folgender Zusammenhang: $$\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B4}\left(\lambda \right)}=\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B4}\left({\lambda }_0\right)}+\frac{1}{a_{B4}\left(\lambda \right)}$$

  
• Bei obenstehender Annahme (II), dass a'_B3 = a_B4 ist, lässt sich in Verbindung mit der Gleichung (14) die Gleichung (11) umformen zu: $$c=\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B4}\left({\lambda }_2\right)}-\frac{1}{ƒ{\text{'}}_{B4}\left({\lambda }_1\right)}$$

  
• Mit Gleichung (2) lässt sich Gleichung (15) umschreiben zu: $$c=-\frac{L}{ƒ{\text{'}}_{B4}\left({\lambda }_2\right)ƒ{\text{'}}_{B4}\left({\lambda }_1\right)}$$

  
• Setzt man Gleichung (16) in Gleichung (13) ein, ergibt sich: $$ƒ{\text{'}}_{B3}=\sqrt{d^2-2\frac{d}{L}ƒ{\text{'}}_{B4}\left({\lambda }_2\right)ƒ{\text{'}}_{B4}\left({\lambda }_1\right)}$$

  
• In Kenntnis der wellenlängenabhängigen Brennweiten des Hyperchromaten B4 und der Länge L des Axialspektrums wird für d ein Betrag gewählt der kleiner L/2 ist und mit der obenstehenden Gleichung (17) wird die Brennweite f'_B3 der Schiebelinse B3 bestimmt. Bevorzugt wird der Verschiebeweg (+/-d) kleiner 0,5 und größer 0,1 mal der Länge L des Axialspektrums gewählt.
• Zusammenfassend ist wie folgt festzuhalten:
• Ausgehend von einem gewählten Hyperchromat B4 lässt sich mit Hilfe der vorgenannten Betrachtungen ein Startsystem konzipieren, das durch Strahldurchrechnungen weiter optimiert werden kann. Die Länge L des Axialspektrums bestimmt sich aus den wellenlängenabhängigen Brennweiten des Hyperchromaten B4.
• Mit der Gleichung (17) lässt sich bei gewähltem d die Brennweite der Schiebelinse B3 auswählen. Dabei wird d erfindungsgemäß so gewählt, dass es kleiner als L/2 ist. Die Brennweite der Sammellinse B2 kann im Prinzip frei gewählt werden. Sie ist vorteilhaft möglichst klein, damit der Strahldurchmesser nicht zu groß wird, bei gegebener Apertur, aber auch nicht zu klein, damit die vorgegebene Apertur ausgeleuchtet wird. Die Sammellinse B2 ist vorteilhaft so gewählt, dass Aberrationen minimiert werden. Vorzugsweise weißen die Sammellinse B2 und / oder die Schiebelinse B3 optische wirksame Flächen mit einer asphärischen Form auf.
• Für Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Axialspektrometer liegt die Länge L für ein hochaufgelöstes Spektrum, beispielsweise für einen Spektralbereich von 1000 nm bis 2000 nm, vorteilhaft zwischen 3 bis 4 mm.
• Bei einer konkreten Ausführung eines Axialspektrometers wird mittels einer Verschiebung um +/-0,54 mm die Gesamtbrennweite des Systems von 1,7 mm auf 2,75 mm angepasst. Für ein Axialspektrum mit der konkreten Länge L von 3,65 mm wird mit einer Verschiebung der Schiebelinse B3 jeweils um 1,1 µm das Axialspektrum jeweils um 3,6 µm verschoben. Das heißt der Verschiebeweg ist nur knapp ein Drittel der Länge L des Axialspektrums.
• Bezugszeichenliste

B1

Optikbaugruppe

0

optische Achse

B2

Sammellinse

B3

Schiebelinse

B4

Hyperchromat

D

punktförmige Detektoreinheit

λ0

Zentral- Wellenlänge

λ1

erste Rand-Wellenlänge

λ2

zweite Rand-Wellenlänge

R

Durchstrahlrichtung

L

Länge des Axialspektrums

Claims (9)

1. Axialspektrometer mit einer Optikbaugruppe (B1), die eine optische Achse (0) und eine chromatische Längsaberration aufweist, die entlang der optischen Achse (0) ein Axialspektrum mit einer Länge (L) bewirkt, sowie einer punktförmigen Detektoreinheit (D), die in einer Durchstrahlrichtung (R) der Optikbaugruppe (B1) nachgeordnet, auf der optischen Achse (0) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die punktförmige Detektoreinheit (D) einen festen Abstand zur Optikbaugruppe (B1) aufweist, die Optikbaugruppe (B1) in der Durchstrahlrichtung (R) entlang der optische Achse (0) eine feststehende optisch abbildende Einheit, eine verschiebbare optisch abbildende Einheit, und einen feststehenden Hyperchromat (B4) enthält, wobei die verschiebbare optisch abbildende Einheit über einen Verschiebeweg (+/-d), um eine Zentralstellung, verschiebbar ist, der kleiner der Länge (L) des Axialspektrums ist.
2. Axialspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehende optisch abbildende Einheit und die verschiebbare optisch abbildende Einheit zusammen eine im Vergleich zu dem Hyperchromat (B4) höchstens geringere chromatische Längsaberration aufweisen.
3. Axialspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehende optisch abbildende Einheit eine Sammellinse (B2) und die verschiebbare optisch abbildende Einheit eine Schiebelinse (B3) ist.
4. Axialspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebelinse (B3) eine Zerstreuungslinse ist.
5. Axialspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstreuungslinse ein Meniskus ist.
6. Axialspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hyperchromat (B4) ein diffraktives Element ist.
7. Axialspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hyperchromat (B4) ein Hybridelement mit refraktiven und diffraktiven Eigenschaften ist.
8. Axialspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zentralstellung der Schiebelinse (B3) der objektseitige Brennpunkt der Schiebelinse (B3) und ein Bildpunkt der Sammellinse (B2) zusammenfallen.
9. Axialspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebewege (+/-d) kleiner 0,5 und größer 0,1 mal der Länge (L) des Axialspektrums ist.

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