DE112018005597B4

DE112018005597B4 - Polychromatorsysteme

Info

Publication number: DE112018005597B4
Application number: DE112018005597.3T
Authority: DE
Inventors: Sean Kent; Lindsay Buck
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2018-05-02
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2038-05-03
Also published as: JP2021504709A; WO2019106443A1; CN111183342A; US20200379270A1; CN111183342B; US11579459B2; DE112018005597T5; JP7239582B2

Abstract

Ein Polychromatorsystem, umfassend:ein optisches Element (110), das eine trapezförmige Blende (111) definiert;einen Kollimationsspiegel (120) zum Empfang von Licht über die trapezförmige Blende (111) und zur Reflexion von im Wesentlichen kollimiertem Licht;wenigstens eine erste dispersive optische Komponente (130) und eine zweite dispersive optische Komponente (132), die jeweils so konfiguriert sind, dass sie das von dem Kollimationsspiegel (120) empfangene, im Wesentlichen kollimierte Licht für verschiedene Wellenlängen in unterschiedlichem Umfang dispergieren und quer dispergiertes Licht mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen, das entlang einer ersten und zweiten Achse beabstandet ist, bereitstellen; undeinen Fokussierspiegel (140), der so positioniert ist, dass er das quer dispergierte Licht auf einen 2-D-Matrix-Detektor (150) fokussiert, um eine Vielzahl von Blendenbildern der Blende auf einer entsprechenden Vielzahl von Bereichen des Detektors (150) zu erzeugen, wobei jedes der Vielzahl von Blendenbildern einer entsprechenden Wellenlänge des quer dispergierten Lichts zugeordnet ist;wobei entweder der Kollimationsspiegel (120) oder der Fokussierspiegel (140) oder beide ein Freiformspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche ist/sind, die so konfiguriert ist, dass sie die Auswirkungen von optischen Aberrationen des Polychromatorsystems über eine Vielzahl von Wellenlängen des quer dispergierten Lichts entlang der ersten und der zweiten Achse mildert und dadurch die Auflösung der Vielzahl von Blendenbildern, die der Vielzahl der Wellenlängen entlang der ersten und der zweiten Achse zugeordnet sind, optimiert;wobei Winkel der trapezförmigen Blende (111) so ausgelegt sind, um zumindest für Licht mit einer Wellenlänge von 213,857 nm ein rechteckiges Bild am Detektor (150) zu erzeugen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Polychromatoren oder Polychromatorsysteme und im Besonderen auf Polychromatoren oder Polychromatorsysteme zur Verwendung in Spektrometern oder optischen Systemen für die Spektroskopie.
Stand der Technik
Die Druckschrift DE 10 2016 124 980 A1 offenbart eine Spektrometeranordnung mit zweidimensionalem Spektrum. Die Druckschrift WO 2016/ 200 816 A1 offenbart ein Spektrometer mit Freiformflächen.
Zusammenfassung
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Polychromatorsystem, das folgende Komponenten umfasst: ein optisches Element, das eine trapezförmige Blende definiert; einen Kollimationsspiegel zum Empfangen von Licht über die trapezförmige Blende und zum Reflektieren von im Wesentlichen kollimiertem Licht; wenigstens eine erste dispersive optische Komponente und eine zweite dispersive optische Komponente, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie das von dem Kollimationsspiegel empfangene, im Wesentlichen kollimierte Licht für verschiedene Wellenlängen in unterschiedlichem Umfang dispergieren und quer dispergiertes Licht mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen, die entlang einer ersten und zweiten Achse beabstandet sind, bereitstellen; und einen Fokussierspiegel, der so positioniert ist, dass er das quer dispergierte Licht auf einen 2-D-Matrix-Detektor fokussiert, um eine Vielzahl von Bildern der Blende an einer entsprechenden Vielzahl von Bereichen des Detektors bereitzustellen, wobei jedes der Vielzahl von Blendenbildern einer entsprechenden Wellenlänge des quer dispergierten Lichts zugeordnet ist; wobei entweder der Kollimationsspiegel oder der Fokussierspiegel oder beide ein Freiformspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche ist, die so konfiguriert ist, dass sie die Auswirkungen von optischen Aberrationen des Polychromatorsystems über eine Vielzahl der Wellenlängen des quer dispergierten Lichts entlang der ersten Achse und der zweiten Achse mildert und dadurch die Auflösung der Vielzahl von Blendenbildern, die der Vielzahl der Wellenlängen entlang der ersten Achse und der zweiten Achse zugeordnet sind, optimiert, wobei Winkel der trapezförmigen Blende so ausgelegt sind, um zumindest für Licht mit einer Wellenlänge von 213,857 nm ein rechteckiges Bild am Detektor zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen ist die zweite dispersive optische Komponente relativ zur ersten dispersiven optischen Komponente so orientiert, dass die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse ist.
In einigen Ausführungsformen ist die erste dispersive optische Komponente so konfiguriert, dass sie kollimiertes Licht vom Kollimationsspiegel empfängt und das im Wesentlichen kollimierte Licht für verschiedene Wellenlängen entlang der ersten Achse in unterschiedlichem Umfang dispergiert, um dispergiertes Licht zu liefern; und die zweite dispersive optische Komponente ist so konfiguriert, dass sie das dispergierte Licht für verschiedene Wellenlängen entlang der zweiten Achse in unterschiedlichem Umfang weiter dispergiert, um das quer dispergierte Licht zu liefern.
In einigen Ausführungsformen ist die erste dispersive optische Komponente so konfiguriert, dass es das Licht in ein dispergiertes Spektrum mit überlappenden Ordnungen entlang der ersten Achse aufteilt, und die zweite dispersive optische Komponente ist so konfiguriert, dass es das Licht in Spektren unterschiedlicher Ordnung entlang der zweiten Achse aufteilt. In anderen Ausführungsformen ist die zweite dispersive optische Komponente so konfiguriert, dass es das Licht in ein dispergiertes Spektrum mit überlappenden Ordnungen entlang der zweiten Achse aufteilt, und die erste dispersive optische Komponente ist so konfiguriert, dass es das Licht in Spektren unterschiedlicher Ordnung entlang der ersten Achse aufteilt.
In einigen Ausführungsformen umfasst die erste dispersive optische Komponente ein Beugungsgitter und die zweite dispersive optische Komponente ein Prisma. In anderen Ausführungsformen umfasst die zweite dispersive optische Komponente ein Beugungsgitter und die erste dispersive optische Komponente ein Prisma. In anderen Ausführungsformen umfasst die erste dispersive optische Komponente ein erstes Beugungsgitter und die zweite dispersive optische Komponente ein zweites Beugungsgitter.
In einigen Ausführungsformen ist der Kollimationsspiegel ein Freiformspiegel und der Fokussierspiegel ein beliebiger aus: (i) ein sphärischer Hohlspiegel, (ii) ein torischer Hohlspiegel und (iii) ein parabolischer Hohlspiegel. In einigen Ausführungsformen ist der Fokussierspiegel ein Freiformspiegel und der Kollimationsspiegel ein beliebiger Spiegel aus: (i) ein sphärischer Konkavspiegel, ein torischer Hohlspiegel und (iii) ein parabolischer Hohlspiegel.
In einigen Ausführungsformen wird die reflektierende Oberfläche von einem oder beiden der Kollimations- und Fokussierspiegel durch ein Polynom beschrieben. Die reflektierende Oberfläche des Kollimationsspiegels kann durch ein Polynom beschrieben werden: $z (x, y) = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + \sum_{i = 1}^{35} A_{i} \times E_{i} (x, y)$
wobei $r = \sqrt{x^{2} + y^{2}},$
und wobei z die Höhe entlang einer optischen Achse, x die Position entlang der ersten Achse und y die Position entlang der zweiten Achse ist.
In einigen Ausführungsformen ist die zweite dispersive optische Komponente weiter konfiguriert, um das quer dispergierte Licht der ersten dispersiven optischen Komponente zuzuführen, und die erste dispersive optische Komponente ist so konfiguriert, dass die Wellenlängen weiter entlang der ersten Achse dispergiert werden und das weiter quer dispergierte Licht dem Fokussierspiegel zugeführt wird.
Einige nicht zur beanspruchten Erfindung gehörige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zur Optimierung einer reflektierenden Oberfläche eines Freiformspiegels für ein Polychromatorsystem, wobei das Verfahren umfasst:

(i) Initialisieren eines Modells der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels;
(ii) Simulieren eines Blendenbilds bei zwei oder mehr Lichtwellenlängen;
(iii) Bestimmen einer Position des Blendenbildes relativ zu einer Detektorfläche eines simulierten Detektors des Polychromatorsystems;
(iv) als Reaktion auf die Feststellung, dass sich das Blendenbild nicht auf der Detektoroberfläche befindet, Anpassen des Modells der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels, um eine Form der reflektierenden Oberfläche anzupassen;
(v) als Reaktion auf die Feststellung, dass sich das Blendenbild auf der Detektoroberfläche befindet, Bestimmen einer oder mehrerer Eigenschaften für das Blendenbild bei den zwei oder mehr Wellenlängen des Lichts;
(vi) Berechnen eines Gütewertes auf der Grundlage eines Vergleichs der einen oder mehreren Eigenschaften des Blendenbildes mit jeweils einem oder mehreren Eigenschaften eines Referenzbildes;
(vii) als Reaktion auf die Feststellung, dass der Gütewert einen Schwellenwert überschreitet, Wiederholen der Schritte (iv) bis (vi); und
(viii) als Reaktion auf die Feststellung, dass der Gütewert unter einem Schwellenwert liegt, Feststellen, dass die reflektierende Oberfläche des Freiformspiegels optimiert ist.

In einigen Ausführungsformen umfasst die Bestimmung einer oder mehrerer Eigenschaften des Blendenbildes bei den zwei oder mehr Wellenlängen des Lichts die Bestimmung einer oder mehrerer von: (i) einer oder mehrerer Dimensionen des Bildes, (ii) Lichtintensität im Bild und (iii) Position des Bildes auf der Detektoroberfläche.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Referenzbild ein Zielbild.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Anpassung des Modells der reflektierenden Oberfläche die Anpassung eines oder mehrerer Koeffizienten von Termen des Modells. Die Initialisierung des Modells kann die Auswahl von Koeffizienten von Termen des Modells umfassen, so dass die reflektierende Oberfläche einen sphärischen Spiegel approximiert.
In einigen Ausführungsformen kann die Initialisierung eines Modells einer reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels die Initialisierung eines ersten Modells einer ersten reflektierenden Oberfläche des ersten Freiformspiegels und die Initialisierung eines zweiten Modells einer zweiten reflektierenden Oberfläche des zweiten Freiformspiegels und die Anpassung des Modells der reflektierenden Oberfläche die Anpassung eines oder mehrerer Koeffizienten von Termen des ersten Modells der ersten reflektierenden Oberfläche und/oder eines oder mehrerer Koeffizienten von Termen des zweiten Modells der zweiten reflektierenden Oberfläche umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren in Reaktion auf die Feststellung, dass eine vorgegebene Anzahl von Anpassungen am Modell vorgenommen wurde und/oder eine vorgegebene Zeitspanne seit Beginn der Simulation verstrichen ist, die Feststellung, dass die reflektierende Oberfläche des Freiformspiegels optimiert ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren die Simulation des Polychromatorsystems gemäß einem Simulationsmodell, wobei das simulierte Modell das Modell der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels und ein oder mehrere Modelle umfasst, die für andere Komponenten des Polychromatorsystems repräsentativ sind.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die Anpassung freier Parameter des Modells der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels und/oder des einen oder mehrerer Modelle der anderen Komponenten des Polychromatorsystems in Reaktion auf die Feststellung, dass sich wenigstens eines der Blendenbilder nicht auf der Detektoroberfläche befindet. Das Verfahren kann ferner die Anpassung freier Parameter des Modells der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels und/oder des einen oder der mehreren Modelle der anderen Komponenten des Polychromatorsystems in Reaktion auf die Feststellung, dass der Gütewert unter einem Schwellenwert liegt, umfassen.
In einigen Ausführungsformen ist das Zielbild ein Indikator für ein Bild, das vom Polychromatorsystem erzeugt wird, wenn die Wellenlängenauflösung mehrerer Reihen von Wellenlängenbereichen von quer dispergiertem Licht, die sich entlang einer ersten Achse des Detektors des Polychromatorsystems erstrecken, optimiert wird und die Ordnungsauflösung von quer dispergiertem Licht entlang einer zweiten Achse des Detektors des Polychromatorsystems optimiert wird.
Einige nicht zur beanspruchten Erfindung gehörige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Freiformspiegels für ein Polychromatorsystem, wobei das Verfahren umfasst:

Durchführen des Verfahrens einer beliebigen der offenbarten Ausführungsformen, um eine optimierte Form für eine reflektierende Oberfläche des Freiformspiegels zu bestimmen; und
Herstellen des Freiformspiegels entsprechend der ermittelten optimierten Form.

In dieser Beschreibung wird das Wort „umfassen“ oder Variationen wie „umfasst“ oder „umfassend“ so verstanden, dass es die Einbeziehung eines angegebenen Elements, einer ganzen Zahl oder eines Schrittes oder einer Gruppe von Elementen, ganzen Zahlen oder Schritten impliziert, nicht aber den Ausschluss eines anderen Elements, einer ganzen Zahl oder eines Schrittes oder einer Gruppe von Elementen, ganzen Zahlen oder Schritten.
Jegliche Erörterung von Dokumenten, Handlungen, Materialien, Vorrichtungen, Gegenständen oder ähnlichem, die in dieser Beschreibung enthalten sind, ist nicht als Eingeständnis zu verstehen, dass einige oder alle dieser Elemente Teil des Standes der Technik sind oder auf dem für die vorliegende Offenbarung relevanten Gebiet allgemein bekannt waren, wie er vor dem Prioritätsdatum jedes der beigefügten Ansprüche bestand.
Figurenliste
Die Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der unten kurz beschriebenen Zeichnungen näher beschrieben:

1 ist eine schematische Darstellung eines Polychromatorsystems nach einigen Ausführungsformen;
2 ist eine schematische Darstellung einer Vielzahl von Spektren, die durch das Polychromatorsystem von 1 erzeugt werden;
3a ist eine Draufsicht auf ein Polychromatorsystem und ein zugehöriges Strahlendiagramm, entsprechend einigen Ausführungsformen;
3b ist eine perspektivische Ansicht des Polychromatorsystems von 3a und ein zugehöriges Strahlendiagramm;
4a ist die Vorderansicht eines Kollimationsspiegels des Polychromatorsystems von 1;
4b ist eine Seitenansicht des Kollimationsspiegels von 4a;
5 ist eine Darstellung der Abweichung einer reflektierenden Oberfläche des Kollimationsspiegels der 4a und 4b von einer sphärischen Oberfläche;
6a ist ein Blendenbild, das mit einer relativ kurzen Wellenlänge des vom Polychromatorsystem der 1 erzeugten Lichts verknüpft ist;
6b ist ein Intensitätsprofil für das Blendenbild von 6a entlang einer ersten Achse;
7a ist ein Blendenbild, das mit einer relativ langen Wellenlänge des vom Polychromatorsystem der 1 erzeugten Lichts assoziiert ist;
7b ist ein Intensitätsprofil für das Blendenbild von 7a entlang der ersten Achse.
8a ist ein Blendenbild, das mit einer relativ kurzen Wellenlänge des Lichts verknüpft ist, das von einem Polychromatorsystem erzeugt wird, das einen Kollimationsspiegel mit einer parabolisch reflektierenden Oberfläche und einen Fokussierspiegel mit einer parabolisch reflektierenden Oberfläche umfasst;
8b ist ein Intensitätsprofil für das Blendenbild von 8a entlang der ersten Achse;
9a ist ein Blendenbild, das mit einer relativ langen Wellenlänge des Lichts verknüpft ist, das von einem Polychromatorsystem erzeugt wird, das einen Kollimationsspiegel mit einer parabolisch reflektierenden Oberfläche und einen Fokussierspiegel mit einer parabolisch reflektierenden Oberfläche umfasst;
9b ist ein Intensitätsprofil für das Blendenbild von 9a entlang der ersten Achse; und
10 ist ein Flussdiagramm für ein nicht zur beanspruchten Erfindung gehöriges Verfahren zur Bestimmung einer optimierten Form eines Freiformspiegels für einen Polychromator oder ein Polychromatorsystem, entsprechend einiger Ausführungsformen.

Beschreibung der Ausführungsformen
Beschriebene Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf Polychromatoren oder Polychromatorsysteme und im Speziellen auf Polychromatoren oder Polychromatorsysteme zur Verwendung in optischen Spektrometersystemen für die Spektroskopie. Einige nicht zur beanspruchten Erfindung gehörige Ausführungsformen beziehen sich auch auf Verfahren zur Bestimmung optimierter Formen für Freiformspiegel für solche Polychromatoren.
Das von einer chemischen Probe emittierte Licht besteht, wenn es angeregt wird, typischerweise aus Licht mit einer Vielzahl von diskreten und unterschiedlichen charakteristischen Wellenlängen, die als Spitzen (Peaks) in einem Intensitätsspektrum (Emissionslinien) gesehen werden. Bei der spektrochemischen Analyse wird das Spektrum des emittierten Lichts mit einem Spektrometer erzeugt und analysiert. Zur Erzeugung eines Spektrums können Spektrometer ein System von optischen Elementen verwenden, um verschiedene Wellenlängen auf verschiedene Teile eines Detektors zu dispergieren. Das System optischer Elemente kann z.B. einen Spektrographen oder einen Polychromator umfassen, die hier austauschbar eingesetzt werden. Ein Polychromator ist ein optisches Gerät, das Licht mit mehreren Wellenlängen durch einen Eintrittsspalt oder eine Blende empfängt, das Licht mit Hilfe von dispersiven Elementen wie Prismen und/oder Beugungsgittern in einen oder mehrere verschiedene Wellenlängenbereiche trennt und mehrfache Blendenbilder auf einen oder mehrere Detektoren fokussiert, so dass die Wellenlängenbereiche erkannt, gemessen und/oder aufgezeichnet werden können. Polychromatoren erzeugen typischerweise eine einzelne Reihe von Wellenlängen zur Detektion durch einen ein- oder zweidimensionalen Matrix-Detektor. Spektrometer mit sehr hoher Auflösung, wie z.B. Echelle-Spektrometer, sind jedoch so konzipiert, dass sie die gleichzeitige Messung eines breiten Wellenlängenbereichs auf einem Detektor ermöglichen, indem sie mehrere Wellenlängenreihen zur Beleuchtung eines zweidimensionalen Matrix-Detektors erzeugen.
Allerdings neigen Polychromatoren, wie viele optische Systeme, dazu, unter optischen Aberrationen wie Koma und sphärischen Aberrationen zu leiden. Obwohl bei Wellenlängen, die zur Mitte des Detektors hin (d.h. entlang der idealen Strahlengang-Achse) fokussiert sind, ein einigermaßen genaues Blendenbild auf den Detektor projiziert werden kann, werden als Folge der Aberrationen optisch verzerrte oder verschmierte Blendenbilder (Lichtflecken) für Wellenlängen realisiert, die vom Zentrum des Detektors weg fokussiert sind. Als Folge solcher optischer Aberrationen haben viele existierende Polychromatoren lange Brennweiten und hohe f-Zahlen (Blendenwerte), um die erforderliche spektrale Auflösung zu erreichen. Daher neigen klassische Spiegelformen dazu, zu beschränken, wie klein der Polychromator sein kann, bevor optische Aberrationen inakzeptabel werden.
Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass die mit den Bildern mit verzerrter Blende verbundenen Lichtflecken dazu neigen, sich sowohl entlang der X-Achse (Wellenlängenachse) als auch entlang der Y-Achse (Ordnungsachse) der Detektoroberfläche auszubreiten, was zu einer schlechten Auflösung beiträgt. Insbesondere umfassen die Lichtflecke mehrere Reihen von Wellenlängenbereichen von quer dispergiertem Licht, die sich entlang der X-Achse erstrecken, wobei sich das Licht entlang der Reihen ausbreitet (was zu einer schlechten Wellenlängenauflösung beiträgt) und sich orthogonal zu den Reihen entlang der Y-Achse ausbreitet (was zu einer schlechten Ordnungsauflösung beiträgt). Wenn ein Detektor eine Vielzahl von Zeilen von Detektionspixeln umfasst und jede Zeile so angeordnet ist, dass sie eine entsprechende Reihe von Wellenlängenbereichen aufnimmt, kann dementsprechend Licht an der Ober- und Unterseite jedes Pixels einer Reihe von Pixeln des Detektors abfallen und sich mit Licht aus einer anderen Reihe oder Ordnung überlappen, wenn das Licht entlang der Y-Achse ausgebreitet ist.
Beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf Polychromatorsysteme und nicht zur beanspruchten Erfindung gehörige Verfahren zum Entwurf von Polychromatorsystemen, die wenigstens einen Freiformspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie die Auswirkungen optischer Aberrationen des Polychromatorsystems abschwächt. Beispielsweise können ein Kollimationsspiegel oder ein Fokussierspiegel des Polychromatorsystems oder beide einen Freiformspiegel umfassen. In einigen Ausführungsformen ist der wenigstens eine Freiformspiegel so konfiguriert, dass die Wellenlängenauflösung mehrerer Reihen von Wellenlängenbereichen des quer dispergierten Lichts optimiert wird, wobei sich jede Reihe entlang einer ersten Achse eines Detektors des Polychromatorsystems erstreckt. In einigen Ausführungsformen ist der wenigstens eine Freiformspiegel ferner so konfiguriert, dass er die Ordnungsauflösung von quer dispergiertem Licht entlang einer zweiten Achse des Detektors des Polychromatorsystems optimiert. Die zweite Achse kann senkrecht zur ersten Achse verlaufen.
Insbesondere kann die reflektierende Oberfläche des Freiformspiegels eines oder beider Kollimations- und Fokussierspiegel des Polychromatorsystems so konfiguriert oder geformt werden, dass die Auflösung des erzeugten Blendenbildes sowohl entlang der X- als auch der Y-Achse des Detektors optimiert wird. Dementsprechend kann mehr Licht auf einer kleineren Fläche (z.B. lichterkennendes Pixel) des Detektors eingefangen werden, wodurch die Empfindlichkeit des Polychromatorsystems und die Empfindlichkeit eines Instruments, z.B. eines Spektrometers, das das beschriebene Polychromatorsystem umfasst, erhöht wird. Beispielsweise fällt weniger Licht an der Ober- und Unterseite jedes Pixels des Detektors ab, da das Licht stärker auf die Pixel fokussiert wird. Außerdem wird die Überlappung zwischen den Ordnungen (d.h. Licht von einer Wellenlängenreihe, das sich über eine benachbarte Wellenlängenreihe ausbreitet) reduziert, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer falschen Wellenlängenerkennung verringert wird. Durch die Erhöhung der auf die Pixel fokussierten Lichtmenge wird das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht und die Nachweisgrenzen des Geräts verbessert. Darüber hinaus bedeutet eine solche erhöhte Empfindlichkeit, dass das Polychromatorsystem und/oder Spektrometer mit einer verbesserten Fähigkeit zur Auflösung von spektralen Interferenzen, wie z.B. Überlappung von Peaks bei unterschiedlichen Wellenlängen oder Überlappung von Spektren unterschiedlicher Ordnung (Interordnungsinterferenz), versehen werden kann.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Polychromator oder ein Polychromatorsystem 100 für die Spektroskopie gemäß einigen Ausführungsformen dargestellt. Das Polychromatorsystem 100 umfasst ein optisches Element 110, das eine Blende 111 definiert, einen Kollimationsspiegel 120, ein erstes dispersives optisches Element 130, das so konfiguriert ist, dass es verschiedene Wellenlängen des Lichts entlang einer ersten Achse (nicht dargestellt) streut, ein zweites dispersives optisches Element 132, das so konfiguriert ist, dass es verschiedene Wellenlängen des Lichts entlang einer zweiten Achse (nicht dargestellt), die sich von der ersten Achse unterscheidet, streut, und einen Fokussierspiegel 140. In einigen Ausführungsformen umfasst das Polychromatorsystem 100 außerdem einen Detektor 150 mit einer Detektorfläche 151.
Das optische Element 110 ist in Bezug auf eine Lichtquelle 101 so angeordnet, dass das Licht von der Lichtquelle 101 durch die Blende 111 hindurchtreten kann.
Der Kollimationsspiegel 120 ist relativ zum optischen Element 110 so positioniert, dass er das an der Lichtquelle 101 erzeugte Licht 102 über die Blende 111 empfängt und im Wesentlichen kollimiertes Licht reflektiert. In einigen Ausführungen umfasst der Kollimationsspiegel 120 eine reflektierende Oberfläche 121, die um eine zentrale Achse (nicht abgebildet) rotationssymmetrisch sein kann. Dementsprechend kann der Kollimationsspiegel 120 einen Freiformspiegel umfassen.
In einigen Ausführungsformen ist der Kollimationsspiegel 120 mit einer Maske (322, verknüpft, die z.B. vor der reflektierenden Oberfläche 121 positioniert ist. Die Maske 322 definiert eine Maskenöffnung (nicht dargestellt), um den Einfallswinkel des vom Kollimationsspiegel 120 empfangenen Lichts 102 zu begrenzen. Der Kollimationsspiegel 120 und das erste dispersive optische Element 130 sind relativ zueinander so positioniert, dass das erste dispersive optische Element 130 das vom Kollimationsspiegel 120 reflektierte Licht 103 empfangen kann. Die Maske 322 kann die Lichtintensität im Blendenbild beeinflussen und die optischen Aberrationen des Polychromatorsystems durch Beeinflussung des Bereichs der reflektierenden Oberfläche 121 des Kollimationsspiegels 120 beeinflussen. Eine kleinere Maskenblende führt zu einem kleineren Bereich der reflektierenden Oberfläche 121, die eine kleinere Gesamtkrümmung haben kann, als wenn eine größere Maskenblende verwendet würde. Die kleinere Gesamtkrümmung kann daher optische Aberrationen reduzieren.
Das erste dispersive optische Element 130 ist so konfiguriert, dass es das Licht 103 entlang der ersten Achse dispergiert, um dispergiertes Licht 104 zu liefern. In einigen Ausführungsformen ist das erste dispersive optische Element 130 so konfiguriert, dass es den Winkel des Lichts für verschiedene Wellenlängen um unterschiedliche Beträge verändert. Das dispergierte Licht 104 kann im wesentlichen kollimiert werden, d.h. das erste dispersive optische Element 130 kann den Winkel des Lichts um unterschiedliche Beträge für verschiedene Wellenlängen ändern, ohne die Kollimation des vom Kollimationsspiegel reflektierten Lichts 103 wesentlich zu beeinflussen. Das erste dispersive optische Element 130 und das zweite dispersive optische Element 132 sind relativ zueinander so positioniert, dass das zweite dispersive optische Element 132 das vom ersten dispersiven optischen Element 130 dispergierte Licht 104 empfangen kann.
Das zweite dispersive optische Element 132 ist so konfiguriert, dass es das empfangene dispergierte Licht 104 entlang der zweiten Achse (nicht abgebildet) quer dispergiert, um quer dispergiertes Licht 105 zu liefern, das entlang der ersten und zweiten Achse beabstandet ist. Zum Beispiel kann das zweite dispersive optische Element 132 so konfiguriert sein, dass es das empfangene dispergierte Licht 104 in eine andere Richtung streut, die nominell „quer“ zu einer Richtung liegt, in der das dispergierte Licht 104 durch das erste dispersive optische Element 130 dispergiert wurde. In einigen Ausführungsformen ist das zweite dispersive optische Element 132 so konfiguriert, dass es den Winkel des empfangenen dispergierten Lichts 104 für verschiedene Wellenlängen um unterschiedliche Beträge verändert. Das quer dispergierte Licht 105 kann im wesentlichen kollimiert sein, d.h. das zweite dispersive optische Element 132 kann den Winkel des Lichtes für verschiedene Wellenlängen um unterschiedliche Beträge ändern, ohne die Kollimation des vom ersten dispersiven optischen Element 130 empfangenen dispergierten Lichtes 104 wesentlich zu beeinflussen. In einigen Ausführungsformen stehen die erste und die zweite Achse senkrecht zueinander. Zum Beispiel kann das zweite dispersive optische Element 132 relativ zum ersten dispersiven optischen Element 130 so orientiert sein, dass die erste und zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
So teilt in einigen Ausführungsformen das erste dispersive optische Element 130 das Licht in ein dispergiertes Spektrum mit überlappenden Ordnungen und das zweite dispersive optische Element 132 teilt das Licht in Spektren unterschiedlicher Ordnung entlang der zweiten Achse auf. In anderen Ausführungsformen hingegen teilt das zweite dispersive optische Element 132 das Licht in ein dispergiertes Spektrum mit überlappenden Ordnungen entlang der ersten Achse und das erste dispersive optische Element 130 teilt das Licht in Spektren unterschiedlicher Ordnung entlang der zweiten Achse auf. Zum Beispiel kann das erste dispersive optische Element 130 so konfiguriert sein, dass es das Licht 103 entlang der zweiten Achse (Ordnungsachse) streut, und das zweite dispersive optische Element 132 kann so konfiguriert sein, dass es das dispergierte Licht 104 entlang der ersten Achse (Wellenlängenachse) streut, um das querdispergierte Licht 105 zu liefern.
Entweder das erste dispersive optische Element 130 oder das zweite dispersive optische Element 132 erzeugt ein dispergiertes, aber überlappendes Spektrum, und das andere des ersten dispersiven optischen Elements 130 und des zweiten dispersiven optischen Elements 132 trennt die Überlappungen in einer anderen Richtung (z.B. zweite Achse).
Wie in 1 dargestellt, sind der Fokussierspiegel 140 und das zweite dispersive optische Element 132 relativ zueinander so positioniert, dass der Fokussierspiegel 140 das quer dispergierte Licht 105 empfangen kann.
Wie in 3a und 3b dargestellt, sind in einigen Ausführungsformen das zweite dispersive optische Element 132 und das erste dispersive optische Element 130 relativ zueinander so positioniert, dass das quer dispergierte Licht 105 vom zweiten dispersiven optischen Element 132 weiter zum ersten dispersiven optischen Element 130 geleitet wird und weiterhin Wellenlängen entlang der ersten Achse dispergiert werden. In diesen Ausführungsformen liefert dann das erste dispersive optische Element 130 das weiter querdispergierte Licht an den Fokussierspiegel 140.
In einigen Ausführungsformen streut das erste dispersive optische Element 130 oder das zweite dispersive optische Element 132 unterschiedliche Wellenlängen des Lichts infolge von Brechung. Zum Beispiel kann das erste dispersive optische Element 130 oder das zweite dispersive optische Element 132 ein Prisma umfassen. Das Prisma kann zur Dispersion von sichtbaren Wellenlängen des Lichts aus Quarzglas gebildet werden. Wenn die für die Spektroskopie interessanten Wellenlängen ultraviolette und/oder infrarote Wellenlängen umfassen, kann das Prisma zum Beispiel aus Kalziumfluorid (CaF₂) oder Bariumfluorid (BaF₂) hergestellt sein.
In einigen Ausführungsformen streut das erste dispersive optische Element 130 oder das zweite dispersive optische Element 132 verschiedene oder getrennte Wellenlängen des Lichts als Ergebnis von Beugung. Zum Beispiel kann das erste dispersive optische Element 130 oder das zweite dispersive optische Element 132 ein Beugungsgitter wie ein Echelle-Gitter umfassen. Das Echelle-Gitter kann eine relativ geringe Dichte von Gitterlinien umfassen, was für die Beugung bei relativ hohen Einfallswinkeln optimiert ist.
In einigen Ausführungsformen können das erste dispersive optische Element 130 und/oder das zweite dispersive optische Element 132 eine Vielzahl von Prismen oder Beugungsgittern umfassen.
Wie in 2 dargestellt, trennen das erste und zweite dispersive optische Element 130, 132 das vom Kollimator 120 empfangene Licht 103 effektiv in ein oder mehrere Spektren 260 mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, die in einen Detektor 150 projiziert werden. Wie in 2 dargestellt, können beispielsweise das zweite dispersive optische Element 132 und das erste dispersive optische Element 130 so ausgerichtet sein, dass jedes Spektrum 261 der Vielzahl von Spektren 260 entlang der zweiten Achse 272 und die Wellenlängen innerhalb jedes Spektrums 261 entlang einer ersten Achse 271 voneinander getrennt sind. Jedes Spektrum 261 kann durch eine andere Beugungsordnung charakterisiert werden.
Der Fokussierspiegel 140 ist so konfiguriert, dass er das quer dispergierte Licht 105 reflektiert und fokussiert und das fokussierte Licht 106 an den Detektor 150 liefert. In einigen Ausführungsformen ist der Fokussierspiegel 140 so konfiguriert, dass er das quer dispergierte Licht 105 auf die Detektoroberfläche 151 des Detektors 150 fokussiert, um die Vielzahl der Spektren 260 zu liefern. In einigen Ausführungen ist der Detektor 150 in Bezug auf den Fokussierspiegel 140 so positioniert, dass die Detektorfläche 151 in der Brennebene des Fokussierspiegels 140 liegt. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Detektorfläche 151 entlang der ersten und zweiten Achse.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Fokussierspiegel 140 eine Reflexionsfläche 141, die konkav und parabolisch ist. In anderen Ausführungsformen umfasst der Fokussierspiegel 140 eine reflektierende Oberfläche 141, die konkav und sphärisch ist. In anderen Ausführungsformen umfasst der Fokussierspiegel 140 eine reflektierende Oberfläche 141, die konkav und torisch ist. In einigen Ausführungsformen ist der Fokussierspiegel 140 ein Freiformspiegel. In einigen Ausführungsformen umfasst der Fokussierspiegel 140 einen sphärischen Fokussierspiegel. Vorteilhaft ist, dass sphärische Fokussierungsspiegel weniger empfindlich gegenüber X-Y-Positionierungsfehler sind, die durch Kippen oder Neigen des Fokussierungsspiegels korrigiert werden können, um die gewünschte Position der sphärisch gekrümmten Oberfläche zu erreichen, was die Herstellung und Einstellung relativ einfach macht. Ein weiterer Vorteil eines sphärischen Fokussierungsspiegels ist, dass er weniger empfindlich auf Radius-Toleranzfehler reagiert, da diese korrigiert werden können, indem man den Spiegel auf den Detektor zu oder von ihm weg bewegt, um die entworfene Position der sphärisch gekrümmten Oberfläche anzupassen, was den Fokussierungsspiegel relativ billig macht.
So ist in einigen Ausführungsformen entweder einer oder beide des Fokussierspiegels 140 und des Kollimationsspiegels 120 ein Freiformspiegel. In einigen Ausführungsformen umfasst die reflektierende Oberfläche 121 des Kollimationsspiegels 120 einen sphärischen Konkavspiegel oder einen parabolischen Konkavspiegel oder einen torischen Konkavspiegel und der Fokussierspiegel 140 ist ein Freiformspiegel. In einigen Ausführungen umfasst die reflektierende Oberfläche 141 des Fokussierspiegels 140 einen sphärischen Hohlspiegel oder einen parabolischen Hohlspiegel oder einen torischen Hohlspiegel und der Kollimationsspiegel 120 ist ein Freiformspiegel. In einigen Ausführungsformen sind sowohl der Kollimationsspiegel 120 als auch der Fokussierspiegel 140 Freiformspiegel.
Wie in den 1, 3a und 3b dargestellt, wird im Betrieb das Licht der Lichtquelle 101, das durch die Blende 111 des optischen Elements 110 in das System 100 eintritt, durch den Kollimationsspiegel 120 kollimiert oder im Wesentlichen kollimiert. Das erste und das zweite dispersive optische Element 130, 132 biegen oder dispergieren das kollimierte Licht für verschiedene Wellenlängen um unterschiedliche Beträge, um quer dispergiertes Licht 105 zu erzeugen, und der Fokussierspiegel 140 fokussiert das quer dispergierte Licht 105 auf die Detektoroberfläche 151 des Detektors 150, um Bilder der Blende 111 des optischen Elements 110 als Lichtflecken für jede Wellenlänge zu erzeugen. Zum Beispiel kann eine erste Wellenlänge des empfangenen Lichts durch das System 100 auf eine entsprechende erste Fläche 352 der Detektorfläche 151 und eine zweite Wellenlänge des vom System 100 empfangenen Lichts kann auf eine entsprechende zweite Fläche 353 der Detektorfläche 151 fokussiert werden.
Das Polychromatorsystem 100 hat eine einzelne diskrete Wellenlänge, die sich über die Länge des Systems auf der idealen optischen Achse bewegt und so angeordnet werden kann, dass sie als ein Blendenbild in der geometrischen Mitte der Detektorfläche 151 fokussiert werden kann. Blendenbilder bei allen anderen Wellenlängen werden von der Mitte der Detektorfläche 151 versetzt. Für Wellenlängen, die das System 100 relativ nahe an der idealen optischen Achse durchlaufen werden, sind die Brechungs- und Beugungswinkel des ersten und zweiten dispersiven optischen Elements 130, 132 relativ klein. Dementsprechend überlappen sich Bereiche des Fokussierspiegels 140, die zur Reflexion und Fokussierung von Wellenlängen relativ nahe der idealen optischen Achse verwendet werden, im Wesentlichen miteinander und/oder mit einem Bereich des Fokussierspiegels 140, der zur Reflexion und Fokussierung der Wellenlänge auf die ideale optische Achse verwendet wird. Jede Wellenlänge, die durch das System 100 läuft, hat eine andere (wenn auch in einigen Fällen subtil unterschiedliche) Anforderung an die Form des Fokusspiegels, um ein fokussiertes und im Wesentlichen aberrationsfreies Blendenbild auf der Detektoroberfläche 151 zu erzeugen, und es gibt keine mathematisch perfekte Lösung, die gleichzeitig für alle verschiedenen Einfallswinkel des Lichts 105 von jeder Wellenlänge, die vom Fokusspiegel 140 empfangen wird, geeignet sein kann. Obwohl also Licht von der Wellenlänge, die dem idealen optischen Achsenweg folgt, ein relativ fokussiertes Blendenbild 652 (6a) auf der Detektoroberfläche 151 erzeugen kann, können Blendenbilder, die anderen Wellenlängen zugeordnet sind, weniger fokussierte oder unscharfe oder aberrierte Blendenbilder erzeugen. Infolgedessen kann das vom Fokussierspiegel 140 reflektierte Licht an optischen Aberrationen leiden. Außerdem können die optischen Aberrationen bei jeder von einer Vielzahl verschiedener Wellenlängen variieren, da verschiedene Wellenlängen von verschiedenen Bereichen des Fokussierspiegels 140 reflektiert werden. Die Auflösung eines Spektrometers mit dem Polychromatorsystem 100 kann daher über verschiedene Wellenlängenbereiche variieren.
Die Auflösung des Polychromatorsystems 100 wird zum Teil dadurch bestimmt, wie gut unterschiedliche Wellenlängen des Lichts voneinander unterschieden (aufgelöst) werden können, da Licht auf die verschiedenen Bereiche der Detektorfläche 151 projiziert wird und hängt somit von den optischen Aberrationen des Lichtes bei jeder der Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen ab. Ein Polychromatorsystem 100 mit relativ geringen optischen Aberrationen ermöglicht vorteilhaft die Durchführung relativ hochauflösender Spektroskopie, indem benachbarte Bereiche der auf die Detektorfläche 151 projizierten Blendenbilder deutlich voneinander getrennt werden. Die Dispersion der Wellenlängen hilft dabei, zwischen detektiertem Licht (Emissionslinien) bei benachbarten Wellenlängen zu unterscheiden. Eine schlechte Auflösung beeinträchtigt die Fähigkeit, eine Emissionslinie von benachbarten oder anderen nahen Emissionslinien zu trennen oder zu unterscheiden. Eine schlechte Auflösung kann auch die Nachweisgrenzen für Emissionslinien verschlechtern, da die Lichtenergie einer Emissionslinie über einen größeren Bereich von Detektorpixeln verteilt wird und die Spitzenintensität (bzw. das Signal-Rauschen) der Emissionslinie verringert wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Kollimationsspiegel 120 des Polychromatorsystems 100 einen Freiformspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie die Auswirkungen der optischen Aberrationen des Polychromatorsystems 100 mildert, wie z.B. Kollimationsspiegel 120, Fokussierspiegel 140 und/oder andere Komponenten des Polychromatorsystems 100. Der Kollimationsspiegel 120 kann beispielsweise so konfiguriert sein, dass zumindest einige der optischen Aberrationen, wie z.B. sphärische Aberrationen, des Fokussierspiegels 140 vorkorrigiert werden, um dadurch die Projektion von Bildern mit stärker fokussierter Blende auf den Detektor zu ermöglichen. In einigen Ausführungen umfasst die reflektierende Oberfläche 121 des Kollimationsspiegels 120 einen Querschnitt (4b) durch die Mittelachse 423, der nicht-parabolisch und asphärisch geformt ist. In einigen Ausführungsformen ist die reflektierende Oberfläche 121 des Kollimationsspiegels 120 so geformt, dass die Kollimation des von der Blende 111 empfangenen Lichts 102 optimiert wird. Die optimierte Form der reflektierenden Oberfläche 121 kann die Kollimation von Licht 102, das außerhalb der optischen Achse liegt, unterstützen (nicht abgebildet).
In einigen Ausführungsformen umfasst der Fokussierspiegel 140 des Polychromatorsystems 100 einen Freiformspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche, die so konfiguriert ist, dass sie die Auswirkungen von optischen Aberrationen des Polychromatorsystems 100 mildert, wie z.B. des Kollimationsspiegels 120, des Fokussierspiegels 140 und/oder anderer Komponenten des Polychromatorsystems 100.
Insbesondere ist die reflektierende Oberfläche des Freiformspiegels des Kollimationsspiegels 120 und/oder des Fokussierungsspiegels 140 so konfiguriert oder geformt, dass die Auswirkungen von optischen Aberrationen des Polychromatorsystems über eine Vielzahl von Wellenlängen des quer dispergierten Lichts entlang der ersten und zweiten Achse abgeschwächt werden und dadurch die Auflösung der Vielzahl von Blendenbildern, die mit der Vielzahl der Wellenlängen verbunden sind, sowohl entlang der ersten als auch der zweiten Achse optimiert wird. Daher kann durch die Verwendung des beschriebenen Polychromatorsystems 100 mehr Licht durch den Detektor 150 pro Pixel eingefangen werden, wodurch die Empfindlichkeit des Polychromatorsystems 100 und dementsprechend die Empfindlichkeit eines Instruments, wie z.B. eines Spektrometers, das das beschriebene Polychromatorsystem 100 umfasst, erhöht wird. Tendenziell fällt weniger Licht an den oberen und unteren Pixeln jedes Pixelarrays auf dem Detektor ab, wodurch die auf die Pixel fokussierte Lichtmenge erhöht und dementsprechend die Nachweisgrenzen verbessert werden, z.B. durch Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses.
Daher beziehen sich die beschriebenen Ausführungsformen auf ein Polychromatorsystem, bei dem entweder der Kollimationsspiegel oder der Fokussierspiegel oder beide ein Freiformspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche sind, die so konfiguriert ist, dass sie die Auswirkungen von optischen Aberrationen des Polychromatorsystems über eine Vielzahl von Wellenlängen des quer dispergierten Lichts entlang der ersten und der zweiten Achse abschwächt und dadurch die Auflösung der Vielzahl von Blendenbildern, die mit der Vielzahl der Wellenlängen verbunden sind, entlang der ersten und der zweiten Achse optimiert.
In einigen Fällen ist es möglicherweise nicht möglich, die Auflösung des Polychromatorsystems 100 über den gesamten Wellenlängenbereich zu verbessern oder zu optimieren. Dennoch können einige Teilbereiche des Wellenlängenbereichs oder bestimmte Wellenlängen wichtiger sein als andere. Der Kollimationsspiegel 120 und/oder der Fokussierspiegel 140 können daher so geformt werden, dass die Auflösung in ausgewählten Teilbereichen oder bei bestimmten Wellenlängen verbessert wird. Die Auswirkung des Kollimationsspiegels 120 auf die Auflösung wird im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert.
In 5 ist eine beispielhafte Darstellung für eine Abweichung der reflektierenden Oberfläche 121 des Kollimationsspiegels 120 von einer um die zentrale Achse 423 zentrierten Kugeloberfläche dargestellt. Die Abweichung wird durch eine Fläche 580 dargestellt, die um die Zentralachse 423 asymmetrisch ist. Wie gezeigt, ist die Oberfläche 580 im Wesentlichen sattelförmig und die Größe der Abweichung von der Kugeloberfläche kann an jedem beliebigen Punkt bis zu 20 Mikrometer betragen. Die reflektierende Oberfläche 121 kann daher mit dem bloßen Auge nicht von einem sphärischen Spiegel unterschieden werden. Es ist jedoch zu verstehen, dass in anderen Ausführungsformen die Abweichung von einer Kugeloberfläche mehr als 20 Mikrometer betragen kann.
Die reflektierende Oberfläche 121 des Kollimationsspiegels 120 in 5 wird durch eine Polynomfunktion beschrieben, die die Beziehung zwischen den Positionskoordinaten x, y und einer Höhenkoordinate z der reflektierenden Oberfläche 121 beschreibt. Es ist jedoch zu verstehen, dass die reflektierende Fläche 121 des Kollimationsspiegels 120 und/oder die reflektierende Fläche 141 des Fokussierspiegels 140 unter Verwendung klassischer X-Y-Polynome, Zernike-Polynome, Q-Polynome, Tschebyscheff-Polynome, Legendre-Polynome, Forbes-Polynome oder jedes anderen geeigneten mathematischen Modells definiert werden können.
In einer Ausführungsform kann die Polynomfunktion die Form annehmen: $z (x, y) = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 - k) c^{2} r^{2}}} + \sum_{i = 1}^{35} A_{i} \times E_{i} (x, y)$
wobei r $r = \sqrt{x^{2} + y^{2}}$
wobei z die Höhe entlang der optischen Achse, x die Position entlang der ersten Achse 371 und y die Position entlang der zweiten Achse 372 ist. Ein Beispiel für geeignete Koeffizienten für die Polynomfunktion ist in Tabelle 1 unten angegeben.
Einige nicht zur beanspruchten Erfindung gehörige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren 1000 zur Bestimmung einer optimierten Form für eine oder mehrere reflektierende Oberflächen eines oder mehrerer entsprechender Freiformspiegel für ein Polychromatorsystem 100. So kann der Freiformspiegel beispielsweise als Kollimationsspiegel 120 und/oder als Fokussierspiegel 140 des Polychromatorsystems 100 verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 1000 ein computerimplementiertes Verfahren sein, das von einem Computersystem implementiert wird (nicht abgebildet). Zum Beispiel kann das Computersystem (nicht dargestellt) einen Prozessor (nicht dargestellt) und einen Speicher (nicht dargestellt) umfassen, der Computercode oder Befehle umfasst, die, wenn sie vom Prozessor ausgeführt werden, das Computersystem veranlassen, das Verfahren 1000 auszuführen.
Das Verfahren 1000 umfasst die Simulation des Polychromatorsystems 100 nach einem mathematischen Modell des Polychromatorsystems 100. Das Modell des Polychromatorsystems 100 kann ein Modell der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels und ein oder mehrere Modelle umfassen, die für andere Komponenten des Polychromatorsystems 100 repräsentativ sind. Zum Beispiel kann das Polychromatorsystem 100 mit einem optischen Simulationsprogramm wie OpticsStudio™ 16 von Zemax, LLC simuliert werden.
Im Allgemeinen passt das Verfahren 1000 die Koeffizienten des Modells, das für die reflektierende Oberfläche des Freiformspiegels repräsentativ ist, und die freien Parameter zumindest einiger Komponenten des Polychromatorsystems, zu denen der Freiformspiegel gehören kann, schrittweise an, um die Freiformspiegeloberfläche und - position zu optimieren und dadurch die Auswirkungen der optischen Aberration und/oder Bildverzerrung zu reduzieren. Insbesondere bietet das Verfahren in einigen Ausführungsformen eine optimierte Form für einen Freiformspiegel eines Polychromatorsystems, so dass der Freiformspiegel so konfiguriert ist, dass die Wellenlängenauflösung mehrerer Reihen von Wellenlängenbereichen von quer dispergiertem Licht optimiert wird, wobei sich jede Reihe entlang einer ersten Achse eines Detektors des Polychromatorsystems erstreckt, und die Ordnungsauflösung von quer dispergiertem Licht entlang einer zweiten Achse des Detektors des Polychromatorsystems optimiert wird.
Das Verfahren 1000 umfasst die Initialisierung eines Modells, z.B. eines mathematischen Modells, einer reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels bei 1010. In einigen Ausführungsformen umfasst die Initialisierung einer reflektierenden Oberfläche für den Freiformspiegel die Auswahl von Werten von Koeffizienten von Termen im mathematischen Modell, so dass die reflektierende Oberfläche einen sphärischen Spiegel approximiert. In einigen Ausführungsformen ist das mathematische Modell eine Polynomfunktion, die Terme niedrigerer Ordnung und einen oder mehrere Terme höherer Ordnung umfasst. Die Basiskrümmung und/oder konische Konstante kann durch die Terme niedrigerer Ordnung der Polynomfunktion definiert werden. Die Initialisierung der reflektierenden Oberfläche für die Simulation kann die Zuweisung von Nullwert-Koeffizienten für die Terme höherer Ordnung umfassen.
In einigen Ausführungsformen, in denen das Polychromatorsystem 100 beispielsweise zwei Freiformspiegel umfassen soll, die dem Kollimator bzw. dem Fokussierspiegel entsprechen, umfasst das Verfahren die Initialisierung eines ersten Modells einer ersten reflektierenden Oberfläche des ersten Freiformspiegels (zur Verwendung als Kollimator) und die Initialisierung eines zweiten Modells einer zweiten reflektierenden Oberfläche des zweiten Freiformspiegels (zur Verwendung als Fokussierspiegel) bei 1010.
Das Verfahren 1000 umfasst ferner die Simulation eines Blendenbildes bei zwei oder mehr Lichtwellenlängen, bei 1020.
Bei 1030 umfasst das Verfahren 1000 die Bestimmung einer Position des Blendenbildes bei jeder der zwei oder mehr Wellenlängen des Lichts.
Bei 1035 umfasst das Verfahren die Bestimmung, ob sich die Position des (simulierten) Blendenbildes der zwei oder mehr Lichtwellenlängen auf der Detektoroberfläche 151 befindet. Dementsprechend wird die Lage des Blendenbildes relativ zur Detektorfläche 151 des Detektors 150 in einem simulierten Polychromatorsystem bestimmt.
Bei 1040, in Reaktion auf die Feststellung, dass die Positionen des Blendenbildes der zwei oder mehr Lichtwellenlängen nicht auf der Detektoroberfläche 151 liegen, wird das Modell der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels angepasst, um eine Form (oder Krümmung) der reflektierenden Oberfläche einzustellen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Anpassung des Modells der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels die Anpassung eines oder mehrerer Koeffizienten von Termen des Modells. Beispielsweise kann einer oder mehrere der Terme höherer Ordnung der Polynomfunktion modifiziert werden, um eine reflektierende Oberfläche zu approximieren, die sich zur Verwendung als Kollimator oder Fokussierspiegel eignet. In Ausführungsformen, in denen zwei Freiformspiegel optimiert werden, umfasst die Anpassung des Modells der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels die Anpassung eines oder mehrerer Koeffizienten des ersten Modells der ersten reflektierenden Oberfläche und/oder eines oder mehrerer Koeffizienten des zweiten Modells der zweiten reflektierenden Oberfläche.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren die Einstellung freier Parameter wenigstens einiger Komponenten des Polychromatorsystems bei 1045, wie z.B. Drehungen und Verschiebungen von anderen optischer Komponenten relativ zueinander und/oder zum Freiformspiegel, in Reaktion auf die Feststellung, dass wenigstens eines der Blendenbilder nicht auf der Detektoroberfläche 151 liegt.
Bei 1050, in Reaktion auf die Feststellung, dass sich die Position des (simulierten) Blendenbildes der zwei oder mehr Lichtwellenlängen auf dem Detektor befindet, Bestimmen von Eigenschaften oder Charakteristika des Blendenbildes bei den zwei oder mehr Lichtwellenlängen. Die Eigenschaften oder Charakteristika können eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften oder Charakteristika umfassen: eine oder mehrere Dimensionen des Blendenbildes, die Lichtintensität im Blendenbild und die Position des Blendenbildes auf der Detektoroberfläche 151.
Zum Beispiel können die eine oder mehrere Dimensionen die volle Breite bei halber maximaler Intensität (FWHM) des Blendenbildes über eine oder beide der ersten Achse 371 und der zweiten Achse 372 umfassen. Bei einer trapezförmigen Blende 111 kann das Blendenbild beispielsweise als ein Rechteck von etwa 25 Mikrometer Breite und etwa 50 Mikrometer Höhe geformt sein.
Bei 1060 umfasst das Verfahren die Berechnung eines Gütewertes gemäß einer Gütefunktion, die auf dem Vergleich der ermittelten Eigenschaften oder Charakteristika mit entsprechenden Eigenschaften oder Charakteristika eines Ziel- oder Referenzbildes basiert.
In einigen Ausführungsformen wird die Gütefunktion durch einen Vergleich der ermittelten Dimensionen des simulierten Blendenbildes mit den Dimensionen eines Zielbildes definiert. Der Gütewert kann z.B. reduziert werden, wenn die Dimension(en) des simulierten Blendenbildes näher an der Dimension(en) des Zielbildes liegt (liegen), skaliert mit einem Skalierungsfaktor. Der Skalierungsfaktor ist repräsentativ für das Polychromatorsystem 100, das aus einem oder mehreren angetriebenen Spiegeln besteht, die die Abmessungen des Blendenbildes relativ zur Blende 111 skalieren. In einigen Ausführungsformen kann der Skalierungsfaktor ein Wert von 1 sein. In diesem Fall entsprechen die Abmessungen des Blendenbildes den Abmessungen der Blende 111.
Der Gütewert kann ein Maß für die Differenz zwischen den Dimensionen des simulierten Blendenbildes und des Zielbildes sein. Der Gütewert kann beispielsweise ein Maß für die Differenz zwischen dem FWHM des simulierten Blendenbildes und dem FWHM des Zielbildes über eine oder zwei Achsen sein. Alternativ dazu kann der Gütewert ein Maß für das Verhältnis zwischen dem FWHM des simulierten Blendenbildes und dem FWHM des Zielbildes über eine oder zwei Achsen sein.
In einigen Ausführungsformen wird die Gütefunktion durch einen Vergleich der im Blendenbild enthaltenen simulierten Intensität mit der Intensität des Zielbildes definiert. Zum Beispiel kann der Gütewert reduziert werden, wenn die simulierte Blendenintensität näher am Intensitätswert des Bildes liegt. Der Gütewert kann ein Maß für die Differenz zwischen der simulierten Blendenbildintensität und der Zielbildintensität oder der simulierten Blendenbildleistung und dem Zielbild sein. Alternativ kann der Gütewert ein Maß für das Verhältnis zwischen der simulierten Blendenbildintensität und der Zielbildintensität sein.
In einigen Ausführungsformen wird die Gütefunktion durch einen Vergleich der simulierten Blendenorte bei zwei oder mehr Wellenlängen mit einem Zielbildort der zwei oder mehr Wellenlängen definiert. Zum Beispiel kann der Gütewert reduziert werden, wenn die Positionen des simulierten Blendenbildes näher an den Positionen des Zielbildes liegen. Der Gütewert kann ein Maß für die Differenz zwischen den Positionen des simulierten Blendenbildes und den Zielbildpositionen sein. Der Gütewert kann zum Beispiel ein Maß für die Differenz zwischen den simulierten Blendenbildpositionen und den Zielbildpositionen sein Maß für die Differenz zwischen den Bildorten des simulierten Blendenbildes und den Bildorten des Zielbildes über eine oder zwei Dimensionen. Alternativ kann der Gütewert ein Maß für das Verhältnis zwischen den Bildorten des simulierten Blendenbildes und den Bildorten des Zielbildes über eine oder zwei Dimensionen sein.
In einigen Ausführungsformen stellt das Zielbild die Dimensionen eines gewünschten Blendenbildes dar, das auf dem Detektor mit dem Polychromatorsystem 100 erzeugt werden soll. Zum Beispiel kann das Zielbild auf ein Bild hinweisen, das vom Polychromatorsystem erzeugt wird, wenn die Wellenlängenauflösung mehrerer Reihen von Wellenlängenbereichen des quer dispergierten Lichts, die sich entlang der ersten Achse 371 des Detektors des Polychromatorsystems erstrecken, optimiert wird und die Ordnungsauflösung des quer dispergierten Lichts entlang der zweiten Achse 372 des Detektors des Polychromatorsystems optimiert wird. Das Zielbild kann ein theoretisches Blendenbild darstellen, bei dem keine optische Aberration und/oder Bildverzerrung oder ein theoretisches Minimum an optischer Aberration und/oder Bildverzerrung vorliegt.
In einigen Ausführungsformen basiert die Gütefunktion auf einem Vergleich des simulierten Blendenbildes mit einem Referenzbild. Das Referenzbild kann das simulierte Blendenbild des initialisierten Modells sein. Die Gütefunktion kann beispielsweise durch einen Vergleich des simulierten Blendenbildes mit einem Referenzbild so definiert werden, dass der Gütewert reduziert wird, wenn die Dimension(en) des simulierten Blendenbildes im Vergleich zur Dimension(en) des Referenzbildes reduziert werden. In einigen Ausführungsformen kann der Gütewert reduziert werden, wenn die Intensität des simulierten Blendenbildes im Vergleich zur entsprechenden Intensität des Referenzbildes erhöht wird. In einigen Ausführungsformen kann der Gütewert verringert werden, wenn die Position des simulierten Blendenbildes näher an der Position des Referenzbildes liegt.
In einigen Ausführungsformen ist das Referenzbild ein dynamisches Bild, und das Verfahren 1000 kann die Anpassung von Eigenschaften oder Charakteristiken des Referenzbildes umfassen, um den Freiformspiegel in einer bestimmten Weise maßzuschneidern oder anzupassen. Wenn zum Beispiel festgestellt wird, dass die UV-Wellenlängen wichtiger sind als die sichtbaren Wellenlängen, kann das Verfahren 100 die Anpassung der Eigenschaften oder Charakteristiken des Referenzbildes umfassen, um ein Referenzbild zu erzeugen, das eine verbesserte Reaktion eines Freiformspiegels auf UV-Wellenlängen auf Kosten der Reaktion auf sichtbare Wellenlängen anzeigt.
Bei 1065 umfasst das Verfahren den Vergleich des Gütewertes mit einem Schwellenwert. In einigen Ausführungsformen umfasst der Vergleich die Bestimmung, ob der Gütewert größer als ein Schwellenwert ist.
Als Reaktion auf einen Gütewert, der größer als ein Schwellenwert ist, umfasst das Verfahren 1000 wiederum die Anpassung der Koeffizienten des Modells der reflektierenden Oberfläche des Freiformspiegels, um eine Form (oder Krümmung) der reflektierenden Oberfläche bei 1040 einzustellen und/oder die Anpassung zusätzlicher freier Parameter von wenigstens einigen der Komponenten im Polychromatorsystem bei 1045 (die den/die Freiformspiegel einschließen können). In einigen Ausführungsformen werden das Modell und/oder zusätzliche freie Parameter angepasst, wenn der Gütewert gleich dem Schwellenwert ist.
Bei 1080, wenn der Gütewert unter einem Schwellenwert liegt, umfasst das Verfahren 1000 die Bestimmung, dass die Form für die reflektierende Oberfläche des Freiformspiegels optimiert ist. In einigen Ausführungsformen wird, wenn der Gütewert gleich dem Schwellenwert ist, bestimmt, dass die Form optimiert ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 1000 als Reaktion auf Anpassungen der Koeffizienten des Modells für den Freiformspiegel und/oder auf Anpassungen freier Parameter wenigstens eines Teils des Polychromatorsystems 100, die unwirksam sind, den Gütewert weiter unter einen Schwellen- oder Zielwert zu senken, z.B. nachdem eine vorbestimmte Zeitspanne seit dem Beginn der Simulation verstrichen ist und/oder eine vorbestimmte Anzahl von Anpassungen vorgenommen wurde, die Bestimmung, dass die reflektierende Oberfläche des Freiformspiegels für das Polychromatorsystem 100 optimiert ist. Es kann beispielsweise bestimmt werden, dass weitere Anpassungen des Modells des Freiformspiegels im Wesentlichen unwirksam sind, um den Gütewert weiter zu reduzieren, und dass der Gütewert konvergiert hat und dass das Modell repräsentativ für einen lokal optimierten Freiformspiegel ist, bei dem die Wirkung von optischen Aberrationen und/oder Bildverzerrungen auf dem Blendenbild im Vergleich zu dem/den initialisierten Freiformspiegel(n) reduziert ist.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Freiformspiegels für das Polychromatorsystem 100, das die Durchführung des Verfahrens 1000 zur Bestimmung einer optimierten Form für eine reflektierende Oberfläche eines Freiformspiegels für ein Polychromatorsystem und die Herstellung des Freiformspiegels gemäß der bestimmten optimierten Form umfasst.
Unter Bezugnahme auf die 6a und 6b und die 7a und 7b werden Beispiele von Blendenbildern 652, 753, die auf die jeweiligen Flächen 352, 353 der Detektorfläche 151 des Detektors 150 projiziert werden, und die zugehörigen Intensitätsprofile gezeigt. Die Blendenbilder wurden mit einer optischen Simulationssoftware wie OpticsStudio™ 16 von Zemax, LLC simuliert.
Unter Bezugnahme auf die 6a und 6b wurde das Blendenbild 652 für Licht mit einer Wellenlänge von etwa 213,857 nm unter Verwendung des Systems 100 simuliert, wobei das optische Element 110 eine trapezförmige Blende 111, der Kollimationsspiegel 120 eine reflektierende Oberfläche 121, die durch ein Polynom gemäß den Koeffizienten in Tabelle 1 beschrieben wird, umfasst und der Fokussierspiegel 140 eine sphärische reflektierende Oberfläche 141 umfasst.
Das Blendenbild ist ein Bild einer trapezförmigen Blende 111 des optischen Elements 110 des Systems 100, das auf die Detektorfläche 151 projiziert wird. Die Form des Blendenbildes ist keine exakte Nachbildung der Trapezform der Blende 111 aufgrund von optischen Aberrationen und/oder Bildverzerrungen des Systems 100, wie z.B. sphärische Aberrationen , z.B. durch den sphärischen Fokussierspiegel 140 und/oder Bildscherungen durch das erste und zweite dispersive optische Element 130, 132. Die Winkel der trapezförmigen Form der Blende 111 wurden so ausgelegt, dass sie der Scherverzerrung des Systems 100 entsprechen, um ein rechteckiges Bild am Detektor 150 zu erzeugen. Simulationen zeigen, dass für Licht mit einer Wellenlänge von etwa 213,857 nm die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) 692 des Lichtintensitätsprofils 690 durch die Mitte des Blendenbildes entlang der ersten Achse 371 ähnlich ist wie das simulierte FWHM 892 eines Lichtintensitätsprofils 890 (8b) durch die Mitte eines Blendenbildes 852 (8a), wobei das System 100 einen Kollimationsspiegel 120 mit einer parabolisch reflektierenden Oberfläche und einen Fokussierspiegel mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche umfasst. Der Unterschied zwischen den beiden FWHMs kann beispielsweise etwa 3% betragen. Das FWHM des Lichtintensitätsprofils durch die Mitte des Blendenbildes entlang der zweiten Achse 372 ist jedoch etwa 30% kleiner als das simulierte FWHM, wenn das System 100 einen Kollimationsspiegel 120 mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche und einen Fokussierspiegel 140 mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche umfasst. In einigen Ausführungsformen ist das FWHM des Lichtintensitätsprofils bei 213,857 nm durch die Mitte des Blendenbildes entlang der zweiten Achse 372 etwa 35% kleiner als das simulierte FWHM ist, wobei das System 100 einen Kollimationsspiegel 120 mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche und einen Fokussierspiegel 140 mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche umfasst.
Unter Bezugnahme auf die 7a und 7b wurde das Blendenbild 753 für Licht mit einer Wellenlänge von etwa 766,491 nm unter Verwendung des Systems 100 simuliert, wobei das optische Element 110 eine trapezförmige Blende 111, der Kollimationsspiegel 120 eine reflektierende Oberfläche 121, die durch ein Polynom gemäß den Koeffizienten in Tabelle 1 beschrieben wird, und der Fokussierspiegel 140 eine sphärische reflektierende Oberfläche 141 umfasst.
Das Blendenbild 753 entspricht einem Bild einer trapezförmigen Blende 111 des optischen Elements 110 des Polychromatorsystems, das auf die Detektorfläche 151 von der idealen optischen Achse (nicht abgebildet) des Systems 100 weg projiziert wird. Die Form des Blendenbildes 753 entspricht aufgrund von optischen Aberrationen wie z.B. Koma-Aberrationen nicht der Trapezform der Blende 111. Simulationen zeigen jedoch, dass für etwa 766,491 nm Wellenlänge die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) 792 des Lichtintensitätsprofils 790 durch die Mitte des Blendenbildes 753 entlang der ersten Achse 371 kleiner ist als das simulierte FWHM 992 eines Lichtintensitätsprofils 990 (9b) durch die Mitte eines Blendenbildes 953 (9a), das erzeugt wird, wenn das System 100 einen Kollimationsspiegel 120 mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche und einen Fokussierspiegel mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche umfasst. Der Unterschied zwischen den beiden FWHMs kann beispielsweise etwa 25% betragen. Das FWHM des Lichtintensitätsprofils durch die Mitte des Blendenbildes entlang der zweiten Achse 372 ist etwa 25% kleiner als das simulierte FWHM, das erzeugt wird, wenn das System 100 einen Kollimationsspiegel 120 mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche und einen Fokussierspiegel 140 mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche umfasst. In einigen Ausführungsformen ist das FWHM des Lichtintensitätsprofils bei 766,491 nm Wellenlänge durch die Mitte des Blendenbildes entlang der zweiten Achse 372 etwa 3% kleiner als das simulierte FWHM, das erzeugt wird, wenn das System 100 einen Kollimationsspiegel 120 mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche und einen Fokussierspiegel 140 mit einer parabolischen reflektierenden Oberfläche umfasst.
Die Form der reflektierenden Oberfläche 121 des Kollimationsspiegels 120 und/oder die Form der reflektierenden Oberfläche 141 des Freiformfokusspiegels 140 kann optimiert werden, um die Auflösung des Systems 100 über möglichst viele Wellenlängen in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zu erhöhen. Der Wellenlängenbereich kann z.B. von 165 nm bis 800 nm reichen.
Die Erhöhung der Auflösung des Systems 100 durch Optimierung der Form der reflektierenden Oberfläche 121 des Kollimationsspiegels 120 und/oder der Form der reflektierenden Oberfläche 141 des Fokusspiegels 140 kann die Intensität des vom Detektor 150 erfassten Lichts erhöhen und dadurch Signal-Rausch- und Detektionseffizienz eines Spektrometers mit dem Polychromatorsystem 100 erhöhen. Obwohl ein Reduzieren der Größe der Blende 111 des optischen Elements 110 auch die Auflösung des Polychromatorsystems 100 erhöhen kann, würde es auch die Lichtintensität verringern und damit auch das Signal-Rausch-Verhältnis reduzieren.
Die Steuerung der optischen Aberrationen des Polychromatorsystems 100 mit Hilfe eines Freiform-Kollimationsspiegels 120 und/oder eines Freiform-Fokussierspiegels 140 kann es ermöglichen, die physikalische Gesamtgröße des Systems 100 zu reduzieren. Die Brennweite des Polychromatorsystems 100 kann reduziert werden, was zu einer kürzeren optischen Weglänge, kleineren optischen Komponenten und größeren Reflexionswinkeln zwischen den optischen Komponenten führt, ohne dass die Auflösung durch sich verschlechternde optische Aberrationen beeinträchtigt wird.
In einigen Ausführungsformen kann der Kollimationsspiegel 120 aus metallischen Materialien hergestellt werden, um eine optimierte reflektierende Oberfläche 121 zu erzeugen und/oder der Fokussierspiegel 140 kann aus metallischen Materialien hergestellt werden, um eine reflektierende Oberfläche 141 zu erzeugen, indem man eine Ein-Punkt-Diamant-gedrehte Computer-Numerische-Steuerung (CNC, single point diamond turned Computer Numerical Control) einer Drehbank oder Fräse verwendet. In anderen Ausführungsformen können der Kollimationsspiegel 120 und/oder der Fokussierspiegel 140 aus Glasmaterialien mit einem magneto-rheologischen Endbearbeitungsverfahren hergestellt werden, um die endgültige Form der reflektierenden Oberflächen 121 für den Kollimationsspiegel 120 und/oder die endgültige Form der reflektierenden Oberfläche 141 des Fokussierspiegels 140 zu polieren. Replikation oder Spritzgießen kann auch zur Herstellung des Kollimationsspiegels 120 und/oder des Freiformfokusspiegels 140 verwendet werden.
Die reflektierende Oberfläche 121 des Kollimationsspiegels 120 und/oder die reflektierende Oberfläche 141 des Fokussierspiegels 140 können innerhalb bestimmter Toleranzen wie Durchhang und Neigungsfehler hergestellt werden. Der Durchhangfehler ist die Abweichung der reflektierenden Oberfläche 121 vom optimierten Design. In einigen Ausführungen kann die Toleranz des Durchhangfehlers an jedem Punkt der reflektierenden Oberfläche 121 weniger als ein Viertel einer Referenzwellenlänge betragen. Zum Beispiel kann der Durchhangfehler relativ zu einer Referenzwellenlänge von 632,8 nm und damit weniger als etwa 160 nm spezifiziert werden. Der Neigungsfehler ist die Abweichung zwischen der reflektierenden Oberfläche 121 und der optimierten Oberfläche über eine bestimmte Strecke. In einigen Ausführungsformen kann der Neigungsfehler kleiner als eine Referenzwellenlänge geteilt durch 15 pro cm über die Oberfläche sein, d.h. weniger als etwa 42 nm/cm (relativ zur Referenzwellenlänge von 632,8 nm).
Die Fachleute werden verstehen, dass zahlreiche Variationen und/oder Änderungen an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von der breiten allgemeinen Tragweite der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten.

Claims

Ein Polychromatorsystem, umfassend: ein optisches Element (110), das eine trapezförmige Blende (111) definiert; einen Kollimationsspiegel (120) zum Empfang von Licht über die trapezförmige Blende (111) und zur Reflexion von im Wesentlichen kollimiertem Licht; wenigstens eine erste dispersive optische Komponente (130) und eine zweite dispersive optische Komponente (132), die jeweils so konfiguriert sind, dass sie das von dem Kollimationsspiegel (120) empfangene, im Wesentlichen kollimierte Licht für verschiedene Wellenlängen in unterschiedlichem Umfang dispergieren und quer dispergiertes Licht mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen, das entlang einer ersten und zweiten Achse beabstandet ist, bereitstellen; und einen Fokussierspiegel (140), der so positioniert ist, dass er das quer dispergierte Licht auf einen 2-D-Matrix-Detektor (150) fokussiert, um eine Vielzahl von Blendenbildern der Blende auf einer entsprechenden Vielzahl von Bereichen des Detektors (150) zu erzeugen, wobei jedes der Vielzahl von Blendenbildern einer entsprechenden Wellenlänge des quer dispergierten Lichts zugeordnet ist; wobei entweder der Kollimationsspiegel (120) oder der Fokussierspiegel (140) oder beide ein Freiformspiegel mit einer reflektierenden Oberfläche ist/sind, die so konfiguriert ist, dass sie die Auswirkungen von optischen Aberrationen des Polychromatorsystems über eine Vielzahl von Wellenlängen des quer dispergierten Lichts entlang der ersten und der zweiten Achse mildert und dadurch die Auflösung der Vielzahl von Blendenbildern, die der Vielzahl der Wellenlängen entlang der ersten und der zweiten Achse zugeordnet sind, optimiert; wobei Winkel der trapezförmigen Blende (111) so ausgelegt sind, um zumindest für Licht mit einer Wellenlänge von 213,857 nm ein rechteckiges Bild am Detektor (150) zu erzeugen.
Polychromatorsystem nach Anspruch 1, wobei die zweite dispersive optische Komponente (132) relativ zur ersten dispersiven optischen Komponente (130) so orientiert ist, dass die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse steht.
Das Polychromatorsystem von Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste dispersive optische Komponente (130) so konfiguriert ist, dass sie kollimiertes Licht von dem Kollimationsspiegel (120) empfängt und das im Wesentlichen kollimierte Licht für verschiedene Wellenlängen entlang der ersten Achse in unterschiedlichem Umfang dispergiert, um dispergiertes Licht bereitzustellen; und wobei die zweite dispersive optische Komponente (132) so konfiguriert ist, dass sie das dispergierte Licht für verschiedene Wellenlängen entlang der zweiten Achse in unterschiedlichem Umfang weiter dispergiert, um das quer dispergierte Licht bereitzustellen.
Das Polychromatorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste dispersive optische Komponente (130) so konfiguriert ist, dass sie das Licht in ein dispergiertes Spektrum mit überlappenden Ordnungen entlang der ersten Achse trennt, und die zweite dispersive optische Komponente (132) so konfiguriert ist, dass sie das Licht in Spektren unterschiedlicher Ordnung entlang der zweiten Achse trennt.
Das Polychromatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite dispersive optische Komponente (132) so konfiguriert ist, dass sie das Licht in ein dispergiertes Spektrum mit überlappenden Ordnungen entlang der zweiten Achse trennt, und die erste dispersive optische Komponente (130) so konfiguriert ist, dass sie das Licht in Spektren unterschiedlicher Ordnung entlang der ersten Achse trennt.
Das Polychromatorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste dispersive optische Komponente (130) ein Beugungsgitter und die zweite dispersive optische Komponente (132) ein Prisma umfasst.
Das Polychromatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite dispersive optische Komponente (132) ein Beugungsgitter und die erste dispersive optische Komponente (130) ein Prisma umfasst.
Das Polychromatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste dispersive optische Komponente (130) ein erstes Beugungsgitter und die zweite dispersive optische Komponente (132) ein zweites Beugungsgitter umfasst.
Das Polychromatorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kollimationsspiegel (120) ein Freiformspiegel ist und der Fokussierspiegel (140) ist: (i) ein sphärischer Hohlspiegel, (ii) ein torischer Hohlspiegel oder (iii) ein parabolischer Hohlspiegel.
Das Polychromatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Fokussierspiegel (140) ein Freiformspiegel ist und der Kollimationsspiegel (120) ist: (i) ein sphärischer Hohlspiegel, (ii) ein torischer Hohlspiegel oder (iii) ein parabolischer Hohlspiegel.
Das Polychromatorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die reflektierende Oberfläche entweder des Kollimationsspiegels (120) oder des Fokussierspiegels (140) oder beider durch ein Polynom beschrieben wird.
Das Polychromatorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Oberfläche des Kollimationsspiegels (120) beschrieben wird durch wobei und $\begin{array}{l} z (x, y) = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k) c^{2} r^{2}}} + \sum_{i = 1}^{35} A_{i} \times E_{i} (x, y) \\ r = \sqrt{x^{2} + y^{2}}, \end{array}$
wobei z die Höhe entlang einer optischen Achse, x die Position entlang der ersten Achse und y die Position entlang der zweiten Achse ist, wobei E_i Terme einer Potenzreihenentwicklung, Ai Koeffizienten der Potenzreihenentwicklung und c und k Konstanten sind.
Das Polychromatorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite dispersive optische Komponente (132) weiterhin so konfiguriert ist, dass sie das quer dispergierte Licht der ersten dispersiven optischen Komponente (130) zuführt und die erste dispersive optische Komponente (130) so konfiguriert ist, dass sie die Wellenlängen weiter entlang der ersten Achse streut und das weiter quer dispergierte Licht dem Fokussierspiegel (140) zuführt.