DE1909841B2 - Spektrometer - Google Patents
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Description
30
Die Erfindung betrifft ein Spektrometer der im Oberbegriff des Anspruchs I genannten Art.
Spektrometer sind Vorrichtungen zum Messen der spektralen Energieverteilung in Strahlung, die durch
eine Einlaßblende eintritt. Ganz allgemein unterscheidet man zwei Arten von Spektromeiern; den Dispersionstyp, bei dem eine räumliche Konzentration der Energie
als eindeutige Funktion der Wellenlänge erfolgt, und den Interferometertyp, bei dem räumlich verteilte
Interferenzmuster als Funktion der Wellenlänge erzeugt werden. Der Dispersionstyp überall dort verwendet
werden, wo ein besonderer Wellenlängenbereich isoliert weiden soll, d. h. bei Versuchen, die von der
Energie pro Photon der einfallenden Strahlung abhängen. Zur Dispersion oder Beugung können üblicherweise
zwei Verfahren benutzt werden, wobei eines ein Prisma und das andere ein Gitter verwendet. Die
Anwendung der bisherigen Verfahren hing von der Änderung der Photonengeschwindigkeit als Funktion
der Photonenenergie ab und wurde daher sehr stark von den zur Verfügung stehenden passenden Materialien
beeinflußt. Das letztgenannte Verfahren benutzt die Interferenz von Wellen, die von verschiedenen Bereichen
einer gerasterten Fläche reflektiert werden. Da Interferenzen zwischen allen Wellen benachbarter
Spalten eines Gitters auftreten können, ist die räumliche Trennung als Funktion der Wellenlänge nicht eindeutig.
Es ist daher erforderlich, zusammen mit dem Gitter eine Möglichkeit zur Feststellung der Ordnungszahlen der
Interferenzen vorzusehen.
Wegen der mechanischen Unterschiede in den Abmessungen und Winkeln der Spalten, die üblicherweise
bei der Herstellung von bekannten Dispersionsgittern auftreten, war es nicht möglich, derartige
Dispersionsgitter /ijr Messung von Wellenlängen im f>5
Bereich des sichtbaren Spektrums und dort zu benutzen, wo die Zahl der Wcllcnlängcnunterschicde zwischen
benachbarten Spalten groß ist. Eine Ausnahme hierzu besteht in der Verwendung eines Echelle-Gitters für die
!nfrarot-Spektroskopie, wo die Abmessungen der Spalte ausreichend groß sind, so daß die bei der
maschinellen Herstellung auftretenden Toleranzen ausreichen. Neuere technische Verfahren zur Kontrolle
des Gitterrasters machen es jedoch möglich, Echelle-Gitter mit ausreichender Genauigkeit zur Verwendung
für hohe Ordnungszahlen in sichtbaren und ultravioletten Bereichen des Spektrums herzustellen. Spektrometer
mit derartigen Gittern wurden bereits hergestellt, und zwar im allgemeinen als Kombination aus zwei in
Reihe liegenden Spektrometern, von denen eines zur Festlegung der Ordnungszahl des anderen benutzt wird.
Die meisten dieser Geräte arbeiten jedoch mit einer vorgegebenen Stellung bzw. Winkellage des Gitters und
nur in einem kleinen Wellenbereich, da die üblichen Gitter mit hohem Auflösungsvermögen außerdem eine
große Winkelstreuung hervorgerufen, die nicht auf verhältnismäßig einfache Weise gesammelt und gebündelt
werden kann.
Es ist auch bereits ein Spektrometer mit einem Dispersionsprisma und einem diesem nachgeschalteten
Echelle-Gitter, dessen Dispersionsrichtung im wesentlichen senkrecht zu der des Dispersionsprismas liegt,
bekannt (Bausch & Lomb-Katalog D-260; Optics and Spectroscopy, Vol. 11, Nr. 5-6, 1961, Seiten 368-369),
mit dem ein zweidimensionales Spektralbild erzeugt werden kann, in dem in der Horizontalen verschiedene
Wellenlängen und in der Vertikalen Abbildungen verschiedener Ordnungen auftreten. Um bei diesem
Spektrometer eine Verschiebung des Spektralbildes in der Brennebene in Richtung höherer oder niedrigerer
Wellenlängen durchführen zu können, ist das Echelle-Gitter um eine parallel zu den Gitterstufen verlaufende
Achse drehbar. Es ist jedoch nicht möglich, mit diesem bekannten Spektrometer das Spektralbild so zu
verschieben, daß die Abbildungen unterschiedlicher Ordnung mit ausreichender Genauigkeit ausgewertet
werden können.
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Spektrometer der im Oberbegriff des Anspruchs 1
erwähnten Art so auszugestalten, daß durch Verschiebung des Spaktralbildes nicht nur eine Ausrichtung der
Abbildungen von höheren oder niedrigeren Wellenlängen in der Brennebene, sondern zusätzlich auch eine
Verschiebung zur Erzielung von Abbildungen höherer oder niedrigerer Ordnungen erreicht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Dadurch, daß das erfindungsgemäße Spektrometer eine zusätzliche Drehachse des Echelle-Gitters aufweist,
die in bestimmter Weise bezüglich der ersten, parallel zu den Gitterstufen ausgerichteten Drehachse angeordnet
ist, wird es möglich, das erzeugte Spektralbild auch in Richtung von Abbildungen verschiedener Ordnung zu
verschieben, so daß sich sowohl die gewünschte Wellenlänge bzw. der gewünschte Wellenlängenbereich
als auch die gewünschte Ordnung des Spektralbildes genau in der Brennebene abbilden läßt.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispielc zeigenden Figuren näher erläutert.
Fig. I zeig! im Prinzip eine Aufsicht auf die
Anordnung des Prismas bezüglich des Echelle-Gitters; F i g. 2 zeigt eine Ansicht entsprechend Fig. I;
F i g. 3 zeigt schematisch ein Spektrometer;
Pig.4 zeigt schemalisch ein optisches System zur
Erzeugung eines Bildes der Gitterfläche in einem Spektrometer.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die orinzipielle Anordnung
von Dispersionsprisma und Echelle-Gitter sowie die Befestigung und die Drehachsen dieser beiden Elemente.
Die von einer Quelle (nicht gezeigt) einfallende Energie trifft auf das Dispersionsprisma 11, das auf einer
PrisrnaiidlteplaUe 18 betestigt und um die Achse 14
drehbar ist. Die einfallende Energie wird durch das \o Dispersionsprisma 11 hindurch und entlang einer sich in
Richtung der Länge des Spaltes erstreckenden ersten Koordinate abgelenkt. Die so abgelenkte Strahlung
vom Dispersionsprisma 11 fällt auf das Echelle-Gitter
12, das auf einer Gitterhalteplatte 17 befestigt ist, die eine parallel zu den Gitterspalten verlaufende Achse 16
aufweist und mit einer senkrecht zur Achse 16 und parallel zur Prismaachse 14 verlaufenden Achse 15
verbunden ist. Die Achse 14 ist an einer Halteplatte 19 befestigt, die rechtwinklig an der Grundplatte 13
angebracht ist. Die vom Echelle-Gitter 12 gebeugte Strahlung gelangt zurück durch das Dispersionsprisma,
wo sie erneut gebrochen und auf einen nicht dargestellten Ausgangskollimator geleitet wird. Die
Anordnung von Dispersionsprisma und Echelle-Gitter gemäß Fig. 1 und 2 ermöglicht eine maximale
Dispersion bzw. Beugung durch die beiden Elemente, während Dispersionsprisma und Echelle-Gitter von
mäßiger Größe sind und ein kompakter Strahl erzeugt wird, so daß die Anordnung gegenüber den bisher
bekannten Anordnungen verhältnismäßig klein ist. Dabei läßt sich durch die Drehung des Dispersionsprismas
um die Achse 14 der Winkel zwischen der einfallenden Energie und der Eintrittsfläche des
Dispersionsprismas einstellen, ohne daß der Einfallspunkt auf der Einfallsfläche merklich verändert wird.
Wie den Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist, sind das Dispersionsprisma und Echelle-Gitter auf einer vertikalen
Halteplatte befestigt, die ihrerseits an einer Grundplatte angebracht ist. Die Lager für die Achsen
sind aufrecht an der vertikalen Halteplatte befestigt. Die Grundplatte kann jedoch auch durch eine Welle am
Instrumentenrahmen befestigt sein, welche um eine vertikale Achse drehbar ist, die durch den Schnittpunkt
vom Mittelstrahl der einfallenden Energie und Einfallsfläche des Dispersionsprismas führt.
Die verwendeten Kollimatorspiegel sind entweder spärisch oder haben die Form von achsenentfernten
Parabeln.
Fig. 3 zeigt im Prinzip ein Spektrometer, dem Energie von der Quelle 25 zugeführt wird. Die Energie
wird durch eine Optik 26 auf eine Schlitzblende 21 gebündelt und gelangt durch diese hindurch auf den
Kollimatorspiegel 22, der sie auf das Dispersionsprisma 11 leitet, das die Strahlung dispergiert. Von dort fällt die
Strahlung auf das Echelle-Gitter 12. Das Dispersionsprisma 11 ist um die Achse 14 und das Echelle-Gitter 12
um die Achsen 16 und 15 (nicht dargestellt) drehbar. Die von den Spaltflächen im Echelle-Gitter 12 reflektierte
Strahlung wird durch das Prisma zurück auf den f>o
Kollimatorspiegel 23 geleitet, von wo es in der Ausgangsbrennebene gebündelt wird. In den vorstehenden
Figuren ist die Orientierung des Kchcllc-Gittcrs derart gewählt, daß die reflektierte Strahlung vom
Echelle-Gitter zum Ausgangskoüimaioi ein /wciics Ma! e,6,
durch das Dispersionsprisma geleitet wird, l's ist jedoch
auch möglich, das Echelle-Gitter derart auszurichten, daß die reflektierte Strahlung vom Echelle-GiUer
unmittelbar zum Kollimator gelangt, ohne daß sie noch einmal durch das Dispersionsprisma geführt wird. Dies
ist dann erwünscht, wenn die Streuenergie infolge der Streuung durch das Auffallen des eintretenden Strahls
auf die Eintrittsfläche des Dispersionsprismas ausgeschieden werden soll.
Durch die Anordnung des Disnersionsprismas bezüglich des Echelle-Gitters im Spektrometer erhält man
eine im wesentlichen quadratische Brennebene für mindestens eine Oktave des Spektralbereiches.
Bei dem beschriebenen Spektrometer ergibt sich eine Form der Brennebene, die besonders zur Verwendung
von zweidimensionalen, elektrooptischen Fühlern geeignet ist. Als Fühler können beispielsweise Detektoranordnungen,
Bildröhren, Bildverstärker, Bildwandler, Raum/Zeitverschlüsseler und optische Zuordner, etwa
in der Brennebene angeordnete Lochplatten, verwendet werden.
Übliche Verfahren zur quantitativen Messung des Ausgangssignals eines Spektrometer benutzen entweder
fotografischen Film als Zwischenspeicher mit nachfolgender quantitativer fotografischer Dichtemessung
oder fotoelektrische Fühler zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals entsprechend der bestimmten
auf den Fühler fallenden Wellenlänge. Die Form der Brennebene von üblichen Spektrotnetern
ermöglicht nicht die Verwendung von zweidimensionalen elektrooptischen Anordnungen, beispielsweise von
Bildröhren. Ein wesentlicher Vorteil der Form der Brennebene des Echelle-Spektrometers besteht darin,
daß infolge der zweidimensionalen Verteilung und des Auflösungsmaßstabes zweidimensionale elektrooptische
Meßelemente verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil des Echelle-Spektrometers besteht in
dem verhältnismäßig kleinen Winkelbereich der Strahlen, die das Bild in der Brennebene herstellen. Dadurch
ist es verhältnismäßig einfach, die der Anfangsbrennebene nachfolgende Energie wieder zu sammeln und
zusätzlich wieder abzubilden. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Spektralwerte vor der elektrooptischen
Anzeige geändert werden sollen. In denjenigen Fällen, in denen es bekannt ist, daß ein großer
dynamischer Bereich der Spektralkomponenten vorhanden ist. kann eine entsprechende Filterung in der
ersten Spektralebene vorgenommen werden, um den dynamischen Bereich zu kompensieren und örtliche
Sättigungen der Anzeigeeinrichtung zu vermeiden sowie die Intensität der Spektrallinien anzugleichen, so
daß Meßinstrumente mit begrenztem Dynamikbereich, beispielsweise Bildröhren, verwendet werden können.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann in der ersten Spektralebene ein Raum/Zeit-Verschlüsseler
angeordnet und die abgestrahlte Energie in einem einzigen Detektor gesammelt werden. Bei diesem
Verfahren erhält man eine eindeutige Zeitlolgekodierung entsprechend jedem Zerlegungselement in der
spektralen Brennebene. Die entsprechende Intensität kann aus dem Ausgangssignal des einzigen Detektors
durch Verwendung zeitlicher Autokorrelation gewonnen werden. Für den Fall, daß nur ein kleiner Teil der
Spektralwerte gewünscht wird, kann nine mehrfache Wicderabbildung angewendet werden, wobei in der
ersten spektralen Brennebene eine stationäre Maske angeordnet wird, während in der /weiten spektralen
Brennebene, in der ein Raum/Zeit-Verschlüsseler angeordnet ist, eine Wiederabbildung erfolgt.
In F i g. 4 ist ein Beispiel für eine mehrfache
Wiederabbildung gezeigt. Die Ausgangsenergic des
Spektrometer* 3t geht von der spektralen Brennebene
30 durch eine Sammeloptik 32 zur Erzeugung eines ersten Bildes 33 der Gittcrflächc. Der emittierte Strahl
gelangt dann durch die Wiederabbildungsoptik 37 zur Erzeugung eines zweiten Bildes 34 der spektralen
Brennebene und dann durch die Wicderabbildungsoplik 35, wo ein zweites Bild 36 der Gitterfläche erzeugt wird.
Vorzugsweise wird eine räumliche Verschlüsselerschcibc oder eine andere Art von Verschlüsseier oder eine
Bildröhre in der spektralen Brennebene 36 oder in einem nachfolgenden Bild der spektralen Brennebene
34 benutzt.
Die von dem Spektrometer erzeugten Linien in einer im wesentlichen quadratischen Brennebene ermöglichen
außerdem die Verwendung von zweidimensionalen, elektrooptischen Anordnungen, wie Bildverstärkern
und Bildumsetzern zusammen mit üblichen Bildwandlern, beispielsweise Vidikons oder Orthikons. Diese
Anordnungen können die Empfindlichkeit des Systems verbessern oder den Spektralbereich der Bildröhre
vergrößern.
Ferner können bei der Verteilung im Spektrometer zweidimensional, nicht kohärente optische Filter, etwa
ein optischer Zuordner, verwendet werden. Dabei werden pro Element viele Spektrallinien benutzt, so daß
die Empfindlichkeit gegenüber üblichen Anordnungen erhöht wird, die nur eine Spektrallinie pro Element
benutzen.
Die Möglichkeit, mit dem Spektrometer einen großen Spektralbereich bei hoher Auflösung zu beobachten und
zu messen, ist anwendbar, wenn die zu analysierende Energie von einer bekannten Quelle durch Emission von
einem Material oder durch Absorption durch ein Material erzeugt wird. Für besondere Aufgaben können
spezielle konstruktive Aufbauten gewählt werden, jedoch besteht der wesentliche Vorteil des Echelle-Spektrometcrs
in der zweidimensionalen Form der Brennebene und dem Abbildungsmaßstab bei Beobachtung
verschiedener Ordnungszahlen.
Ein geeignetes Echelle-Gitter für das Spektrometer hat 73,25 Linien pro Millimeter bei einer Neigung der
wirksamen Spaltfläche (Blaze-Winkel) von etwa 63". Mit einem 30—60—90° Prisma aus Calciumfluorid
erhält man die erforderliche Trennung und breite Abdeckung des Spektralbereiches. Brennweile und
Schlitzgröße werden aufgrund des besonderen Instrumentenaufbaus und des Verwendungszweckes gewählt.
Die Dispersionsordnung kann beispielsweise eine Brennweite von einem Meter haben, um eine reziproke
Dispersion von 1,4 Ä pro Millimeter bei einer Wellenlänge von etwa 5000 Ä oder von 0,7 Ä pro
Millimeter bei 2500 Ä zu erreichen, wobei ein Spektralbcreich von 1500 Ä bis 6000 Ä in einer einzigen
Fläche von 10 cm χ 12,7 cm in der Brennebene abgebildet wird. Die Auflösung beträgt bei 2500 Ä etwa
0,03 Ä bei einer Schlitzbreite von 50 Mikron.
Bei Verwendung einer Bildröhre, beispielsweise einem Vidikon, wird die Brennweite des Ausgangskollimators
vorzugsweise auf etwa 125 mm verringert. Dadurch erhält man mit einem üblichen Vidikon eine
reziproke Dispersion von 11,2 A pro Millimeter oder eine Auflösung von etwa 0,5 Ä.
Eine sehr kompakte Anordnung für ein elektronisches System erhält man mit einer Brennweite von
0,5 m. Die reziproke Dispersion ist dann vergleichbar mit der von üblichen 3-m-Geräten (2,8 A / mm), jedoch
beträgt die vertikale Abmessung weniger als 30 cm und die Tiefe weniger als 61 cm. Die Auflösung ist etwa 0,1 A
bei 5000 A (begrenzt durch die optischen Aberration).
Gegenüber bisher bekannten Anordnungen überstreicht das beschriebene Spektrometer gleichzeitig
einen Wellenlängenbereich im Verhältnis 100 : 1 bei einem im wesentlichen konstanten Verhältnis von
spektraler Auflösung und Wellenlänge. Ferner bleibt der Bereich des Dispersionswinkels klein, so daß ein
sehr kompakter Aufbau möglich wird. Beispielsweise wurde für den ultravioletten Bereich bisher ein
10-m-Gerät benutzt, während im vorliegenden Fall nt:r
ein 1 -m-Gerät erforderlich ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Spektrometer mit einem EintrittsspMt. einem nachgeordneten Kollimatorspiegel, einer Strahlengang
hinter dem Kollimatorspiegel angeordneten Dispersionsprisma zur Vorzerlegung sowie einem
dem Dispersionsprisma nachgeschalteten Echelle-Gitter, dessen Dispersionsrichtung im wesentlichen
senkrecht zu der des Dispersionsprismas liegt und '°
das um eine parallel zu den Gitterstufen verlaufende erste Achse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Echelie-Gitter (12) um eine zweite, senkrecht zur ersten Achse (16) verlaufende
Achse (15), die parallel zur Eintrittsfläche des
>5 Dispersionsprismas(l I) verläuft,drehbar ist.
2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionsprisma (f 1) um
eine durch die Mittellinie des einfallenden Strahls und parallel zur zweiten Achse (15) verlaufende
Achse (14) drehbar ist.
3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Echelle-Gitter (12) derart
ausgerichtet ist, daß die einfallende Strahlung durch das Dispersionsprisma (11) auf einen Kollimatorspiegel
(23) gelenkt wird.
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