DE1916548B1

DE1916548B1 - Vorrichtung zur spektralen Zerlegung von Licht

Info

Publication number: DE1916548B1
Application number: DE19691916548D
Authority: DE
Inventors: Wilson Dr Raymond
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1969-04-01
Filing date: 1969-04-01
Publication date: 1970-10-08
Also published as: US3625615A

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vor- trittsspalt am Ort des ersten aplanatischen Punktes

richtung zur spektralen Zerlegung von Licht, welche aus angeordnet sind. Wegen der Aplanasie und der Astig-

einem zur Vorzerlegung dienenden Prisma und einem matismuskorrektion ist die Trennung von Ein- und

nachgeschalteten Gitterivlonochromator besteht. Austrittsspalt ohne merkbare Verschlechterung der

Es sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei 5 Abbildung möglich.

denen ein normales Prisma als Vorzerleger verwendet Arbeitet man mit der neuen Vorrichtung nicht in

ist. Diese Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, AutokoUimation, so liegt der Austrittsspalt auf dem

daß sie nicht sehr lichtstark sind und daß ihr Aufbau Rowland-Kreis des Konkavgitters. Der Rowland-

durch die notwendigen zusätzlichen optischen EIe- Kreis muß keineswegs mit dem äußeren aplanati-

mente relativ aufwendig ist. io sehen Kreis identisch sein. Die notwendige Bedin-

Es ist auch bekannt, einen Prismen-Gitter-Mono- gung für die richtige Anordnung des Konkavgitters

chromator mit einem : sogenannten Fery-Prisma als ist nur die, daß sowohl der zweite aplanatische Punkt

Vorzerleger auszurüsten. Ein solches Prisma weist des Prismas als auch der Schnittpunkt des Mitten-

jedoch Koma und Astigmatismus auf, so daß die Ab- Strahles des Grenzbüschels mit dem durch diesen

bildung durch dieses Prisma nur recht mangelhaft ist. 15 Punkt gehenden zweiten aplanatischen Kreis auf dem

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Rowland-Kreis liegen, so daß also die Verbindung

eine Vorrichtung zur spektralen Zerlegung von Licht dieser beiden Punkte eine Sehne des Rowland-Krei-

anzugeben, welche aus ,einem zur Vorzerlegung die- ses bildet. Eine gekippte Lage des Gitters bei der

nenden Prisma und einem nachgeschalteten Gitter- diese Bedingung eingehalten ist, ermöglicht es ohne

Monochrometer besteht und die sich durch eine hohe 20 Autokollimation zu arbeiten und erlaubt damit eine

Lichtstärke und durch einen kompakten und nicht bequeme Trennung von Ein- und Austrittsspalt. Der

aufwendigen Aufbau auszeichnet. Eintrittsspalt kann damit genau auf der Achse des

Die Vorrichtung zur spektralen Zerlegung von Prismas liegen bleiben.

Licht nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, Beim Arbeiten in und außerhalb der Autokollimadaß das Prisma als ein mit sphärischen Flächen ver- 25 tion ist es möglich und vorteilhaft, hinter dem Aussehenes aplanatishes Prisma mit der Brechzahl η aus- trittsspalt ein zweites Konkavgitter anzuordnen. Man gebildet ist, dessen erste Fläche konzentrisch zum erhält damit einen Gitter-Monochromator mit zwei ersten aplanatischen Punkt ist, der den Abstand r₂fn hintereinandergeschalteten Beugungsgittern,
vom Krümmungsmittelpunkt der mit Radius r₂ ver- In vielen Fällen ist es zweckmäßig, das Konkavsehenen aplanatischen Brechfläche hat und an dessen 30 gitter als Echelle-Gitter auszubilden, d. h. als ein Git-Ort der Eintrittsspalt angeordnet ist und daß der ter, das einen gewissen Blaze-Winkel aufweist. Ein Gitter-Monochromator als konkaves Beugungsgitter solches Gitter kann mit geringer Neigung in verhältausgebildet ist, auf dessen Rowland-Kreis sowohl der nismäßig hohen Ordnungen betrieben werden. Eine zweite aplanatische Punkt als auch der Punkt liegt, solche Anordnung ist besonders bezüglich der Komin dem der Mittenstrahl des Grenzbüschels vorgege- 35 pensation von Koma und Astigmatismus von Vorteil, bener Öffnung den konzentrisch zum Krümmungs- Einen lichtstarken Prismen-Gitter-Monochromator mittelpunkt der aplanatischen Brechfläche liegenden erhält man auch, wenn man dem beschriebenen aplazweiten aplanatischen Kreis schneidet. natischen Prisma einen lichtstarken Gitter-Mono-

Ein vom Eintrittsspalt ausgehendes Lichtbüschel, chromator bekannter Bauart nachschaltet. In diesem

dessen Randstrahl das Prisma an einer Stelle durch- 40 Fall wird das Prisma so zum Gitter-Monochromator

setzt, die für die technische Ausnutzung noch weit angeordnet, daß das virtuelle Bild des Eintrittsspaltes

genug von der Stelle der Totalreflexion entfernt ist, des Prisman-Vorzerlegers den Eintrittsspalt des Git-

ist hier als Grenzbüschel bezeichnet. Im allgemeinen ter-Monochromators bildet. Man erhält damit eine

kann man annehmen, daß der erwähnte Randstxahl kompakte und mit einem Minimum an optischen EIe-

eine Neigung von etwa 75 bis 80° zur Ebene des Ein- 45 menten aufgebaute Monochromator-Kombination.

trittsspaltes aufweist. Der dem aplanatischen Prisma nachgeschaltete Git-

Der Schnittpunkt des Mittenstrahles dieses Grenz- ter-Monochromator kann in Czerney-Turner, Ebert-

büschels mit dem zweiten aplanatischen Kreis könnte Fastie oder anderer Anordnung aufgebaut sein,

beispielsweise zugleich der Drehpunkt für das Kon- Es kann auch vorteilhaft sein, als Vorzerleger eine

kavgitter sein. Dieses Gitter wird in diesem Fall zur 50 Prismenkombination zu verwenden, die aus einem

Wahl der Wellenlänge um geringe Winkelbeträge um ersten mit sphärischen Flächen versehenen aplanati-

diesen Punkt gedreht. Es ist auch möglich die spek- sehen Prisma mit der Brechzahl n_x und einem zwei-

trale Abtastung durch Drehen des Gitters um einen ten mit sphärischen Flächen versehenen Prisma mit

anderen Punkt und gegebenenfalls eine zusätzliche der Brechzahl n₂ besteht, wobei die erste Fläche des

Verschiebung durchzuführen. 55 aplanatischen Prismas konzentrisch zum ersten apla-

Das bei der neuen Vorrichtung verwendete aplana- natischen Punkt ist, der den Abstand H₂Zn₁ · r₂ vom tische Prisma liefert für den auf der Achse gelegenen Krümmungsmittelpunkt der mit dem Radius r₂ verPunkt eine fehlerfreie Abbildung. Koma und Astig- sehenen aplanatischen Brechfläche hat und die erste matismus eines sphärischen Konkavgitters werden Fläche des zweiten Prismas ebenfalls den Radius r₂ durch das Prisma nicht beeinflußt. Es ist deshalb vor- 60 hat, während die zweite Fläche konzentrisch zum teilhaft, das Konkavgitter als torisches Gitter auszu- zweiten aplanatischen Punkt liegt und verspiegelt bilden. Damit gelingt es, den Astigmatismus aufzu- ist. Ein- und Austrittsspalt liegen bei dieser Vorrichheben. Durch eine gezielte Abweichung von den tung am Ort des ersten aplanatischen Punktes, und im aplanatischen Bedingungen ist es auch möglich, die Weg des durch den Austrittsspalt tretenden Lichtes Koma des Gitters für die mittlere Wellenlänge im 65 ist ein konkaves Beugungsgitter angeordnet. Bei die-Prismenteil zu kompensieren. ser Vorrichtung ist also ein ein Zwischenbild liefern-' *Es"ist auch möglich; mit der neuen Vorrichtung in der Prismenvorzerleger mit einem Konkavgitter kom-Autokollimation zu arbeiten, wobei Ein- und Aus- biniert.

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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Kreis 13 nicht zugleich der Rowland-Kreis des Beu-Fig. 1 bis 5 der Zeichnungen näher erläutert. Im gungsgitters ist. Im dargestellten Beispiel ist der einzelnen zeigt Rowland-Kreis des konkaven Beugungsgitters 15 mit

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrich- 16 bezeichnet. Wie man ohne weiteres erkennt, liegen tung, das aus einem aplanatischen Prisma und einem 5 die Punkte 12 und 7 auf dem Kreis 16. Die hier dar-Konkav-Gitter besteht, gestellte Vorrichtung hat eine andere Grundneigung

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem gegen- des Beugungsgitters zur Ebene des Eintrittsspaltes 8, über der Vorrichtung nach F i g. 1 ein Konkav-Gitter als die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung. Damit ist anderer Grundneigung verwendet ist, es möglich, eine erwünschte Beugungsrichtung vom

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei welchem dem io Gitter her zu erzielen ohne in Konflikt mit dem ersten Konkav-Gitter ein zweites Konkav-Gitter Prisma zu kommen,
nachgeschaltet ist, Die Vorrichtung nach F i g. 2 arbeitet nicht in

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Autokollimation. Das am Gitter 15 gebeugte Licht aplanatisches Prisma als Vorzerleger mit einem licht- erzeugt deshalb eine Abbildung des Eintrittsspaltes 8 starken Monochromator in Ebert-Anordnung kombi- 15 am Ort 17, welcher auf dem Rowland-Kreis 16 liegt: niert ist, Bei einer Verwendung der Vorrichtung als Spektro-

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel, bei dem als Vor- graph ist ein lichtempfindlicher Film 18 auf dem zerleger eine Kombination aus zwei Prismen verwen- Rowland-Kreis 16 angeordnet,
det ist. F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung, welche bezüglich

In Fig. 1 ist mit 1 ein mit den sphärischen Flä- 20 des Prismas 1 und des Beugungsgitters 20 genauso chen 2 und 3 versehenes aplanatisches Prisma be- aufgebaut ist, wie das in F i g. 1 oder 2 dargestellte zeichnet, das aus Material mit der Brechzahl« be- Ausführungsbeispiel. Diese Vorrichtung arbeitet jesteht. Die aplanatische Brechfläche 3 dieses Prismas doch nicht in Autokollimationj so daß ein Bild des hat den Radius r₂. Ihr Krümmungsmittelpunkt ist mit Eintrittsspaltes 8 am Ort 21 entsteht, welcher auf 5 bezeichnet. Die aplanatischen Punkte der Fläche 3 25 dem, zugleich den Rowland-Kreis des Gitters 20 darsind mit 6 und 7 bezeichnet. Da die Brechzahl des stellenden zweiten aplanatischen Kreis 13 liegt. Diese das Prisma 1 umgebenden Mediums n=l ist, hat der Abbildung wird hier als Zwischenabbildung verwenerste aplanatische Punkt 6 den Abstand rjn vom det, und das von ihr ausgehende Licht fällt auf ein Krümmungsmittelpunkt 5. Der zweite aplanatische zweites konkaves Beugungsgitter 22. Der Rowland-Punkt 7 hat dann den Abstand r₂ · η vom Punkt 5. 30 Kreis dieses Gitters ist mit 23 bezeichnet. Das vom

Die erste sphärische Fläche 2 des Prismas 1 ist Beugungsgitter 22 kommende Licht gelangt schließkonzentrisch zum ersten aplanatischen Punkt 6. Am lieh zum Austrittsspalt 24. ,
Ort dieses Punktes ist der Eintrittsspalt 8 angeordnet. Die Vorrichtung nach Fig. 3 kann auch so ausge-

Ein vom Eintrittsspalt 8 ausgehendes Grenzbüschel staltet werden, daß Prisma 1 und Beugungsgitter 20 ist mit 9 bezeichnet. Der Randstrahl 10 dieses Bü- 35 in Autokollimation arbeiten. In diesem Fall ist das schels weist in der Darstellung einen Winkel 0=80° zweite Gitter 22 so anzuordnen, daß das durch den mit der Ebene des Eintrittsspaltes 8 auf. Dieser Win- am Ort des ersten aplanatischen Punktes 6 gelegenen kel ist durch die Forderung gegeben, daß der Rand- Austrittsspalt tretende Licht auf dieses Gitter trifft,
strahl 10 weit genug von der Stelle der Totalreflexion Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, bei welcher das

entfernt sein soll, um ein einwandfreies Funktionie- 4& aplanatische Prisma 1 als Vorzerleger eines lichtren der Vorrichtung zu gewährleisten. - starken Gitter-Monochromators in Ebert-Anordnung

Das Grenzbüschel 9 hat ein vorgegebenes Öff- verwendet ist. Dieser Gitter-Monochromator besteht nungsverhältnis. Im dargestellten Beispiel beträgt das aus dem Hohlspiegel 25 und dem Beugungsgitter 26. Öffnungsverhältnis Ϊ : 3. Der Mittenstrahl des Grenz- Das Prisma 1 ist so angeordnet, daß das virtuelle büschels 9 ist mit 11 bezeichnet. Dieser Mittenstrahl 45 Bild des Eintrittsspaltes 8 den Eintrittsspalt 27 des schneidet den konzentrisch zum Krümmungsmittel- Gitter-Monochromators 25, 26 bildet. Der Austrittspunkt 5 der aplanatischen Brechfläche 3 liegenden spalt ist mit 28 bezeichnet. Wie man aus F i g. 4 zweiten aplanatischen Kreis 13 im Punkt 12. Der erkennt, ergibt sich eine sehr kompakte einfach auf-Kreis 13 auf dem der Schnittpunkt 12 und der zweite gebaute Vorrichtung, die vom Prisma her zudem aplanatische Punkt 7 liegt, stellt den Rowland-Kreis 50 sehr lichtstark sein kann. Eine solche Vorrichtung für ein konkaves Beugungsgitter 14 dar. Der Krüm- ist besonders sinnvoll, wenn der Gitter-Monochromungsradius dieses Gitters ist durch den Durchmes-^ mator — z.B. durch Verwendung asphärischer ser des Kreises 13 gegeben. -Spiegel —auch entsprechend lichtstark arbeiten

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung arbeitet in kann.

Autokollimation. Das am Gitter 14 gebeugte Licht 55 Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeiläuft deshalb durch das Prisma 11 zurück zum ersten spiel ist der Prismen-Vorzerleger zusammengesetzt aplanatischen Punkt 6, an dessen Ort der Austritts- aus dem aplanatischen Prisma 1 und einem zweiten spalt 19 angeordnet ist. Zur Wahl der Wellenlänge mit sphärischen Flächen versehenen Prisma, welches kann beispieslweise das Beugungsgitter 14 um den hier durch das Luftprisma dargestellt ist, welches die Punkt 12 um kleine Winkelbeträge gedreht werden. 60 Flächen 3 und 30 aufweist. Die Fläche 30 wird durch Wie schon eingangs erwähnt, sind jedoch auch einen Hohlspiegel gebildet, welcher konzentrisch andere Arten der spektralen Abtastung möglich. zum zweiten aplanatischen Punkt 7 liegt.

Die allgemeine Bedingung für den Rowland-Kreis Das vom Spiegel 30 reflektierte Licht gelangt zum

des Beugungsgitters ist die, daß auf diesem Kreis so- Austrittsspalt 15 und erzeugt dort eine Zwischenwohl der Schnittpunkt 12 als auch der zweite apla- 65 abbildung des Eintrittsspaltes 8. Im Weg des durch natische Punkt 7 liegen muß, d. h., daß die Strecke 7, den Austrittsspalt 19 tretenden Lichtes ist ein kon-12 eine Sehne des Rowland-Kreises bildet. kaves Beugungsgitter 31 angeordnet, dessen Rowland-

F i g. 2 zeigt nun eine Vorrichtung, bei welcher der Kreis mit 32 bezeichnet ist. Auf diesem Kreis ent-

steht die Abbildung des Spektrums, welche mittels einer photoempfindlichen Schicht 33 festgehalten wird.

Es ist auch möglich, an Stelle des Luftprismas 3, 30 ein materielles Prisma vorzusehen, welches mit dem Prisma 1 kombiniert ist. In diesem Fall sind die Dispersionen der beiden Prismen gegenläufig, und das Prisma 1 besteht aus einem Material mit höherer Brechzahl als das Prisma 2.

In dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ruft ein sphärisch gekrümmtes Konkav-Gitter Koma und Astigmatismus hervor. Der Astigmatismus kann prinzipiell mit einem torischen Gitter aufgehoben werden, so daß es also vorteilhaft ist, das Beugungsgitter 14 als torisches Gitter auszubilden. Durch eine gezielte Abweichung von den aplanatischen Bedingungen ist es auch möglich, die Koma des Gitters für die mittlere Wellenlänge im Prismenteil zu kompensieren. Diese gezielte Abweichung von den aplanatischen Bedingungen besteht darin, daß der Ort des Eintrittsspaltes 8 nicht mehr am Ort des ersten aplanatischen Punktes 6 liegt, sondern längs der Achse des Prismas verschoben ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur spektralen Zerlegung von Licht, bestehend aus einem zur Vorzerlegung dienenden Prisma und einem nachgeschalteten Gitter-Monochromator, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma als ein mit sphärischen Flächen versehenes aplanatisches Prisma (1) mit der Brechzahl η ausgebildet ist, dessen erste Hache (2) konzentrisch zum ersten aplanatischen Punkt (6) ist, der den Abstand r₂ln vom Krümmungsmittelpunkt (5) der mit dem Radius r₂ versehenen aplanatischen Brechflächen (3) hat und an dessen Ort der Eintrittsspalt (8) angeordnet ist, und daß der Gitter-Monochromator als konkaves Beugungsgitter (14,15) ausgebildet ist, auf dessen Rowland-Kreis (16) sowohl der zweite aplanatische Punkt (7) als auch der Punkt (12) liegt, in dem der Mittenstrahl (11) des Grenzbüschels (9) vorgegebener Öffnung den konzentrisch zum Krümmungsmittelpunkt (5) der aplanatischen Brechfläche (3) liegenden zweiten aplanatischen Kreis (13) schneidet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-

kennzeichnet, daß das Konkav-Gitter als torisches Gitter ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Konkav-Gitter als Echelle-Gitter ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Ansprach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsspalt (19) auf dem Rowland-Kreis (16) des Konkav-Gitters (15) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Austrittsspalt ein zweites Konkav-Gitter (22) angeordnet ist.

6. Vorrichtung zur spektralen Zerlegung von Licht, bestehend aus einem zur Vorzerlegung dienenden Prisma und einem nachgeschalteten Gitter-Monochromator, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma als ein mit sphärischen Flächen versehenes aplanatisches Prisma (1) mit der Brechzahl η ausgebildet ist, dessen erste Fläche (2) konzentrisch zum ersten aplanatischen Punkt (6) ist, der den Abstand rjn vom Krümmungsmittelpunkt (5) der mit dem Radius r₂ versehenen i aplanatischen Brechfläche (3) hat und an dessen Ort der Eintrittsspalt (8) angeordnet ist, und daß dieses Prisma so zum Gitter-Monochromator (25, 26) angeordnet ist, daß das virtuelle Bild (27) des Eintrittsspaltes (8) den Eintrittsspalt des Gitter-Monochromators bildet.

7. Vorrichtung zur spektralen Zerlegung von Licht, bestehend aus einem zur Vorzerlegung dienenden Prisma und einem nachgeschalteten Beugungsgitter, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma aus der Kombination eines mit sphärischen Flächen versehenen aplanatischen Prismas (1) mit der Brechzahl n_x mit einem zweiten mit sphärischen Flächen versehenen Prisma mit der Brechzahl n₂ besteht, wobei die erste Fläche (2) des aplanatischen Prismas konzentrisch zum ersten aplanatischen Punkt (6) ist, der den Abstand H₂Zn₁ · r₂ vom Krümmungsmittelpunkt (5) der mit dem Radius r₂ versehenen aplanatischen Brechfläche (3) hat und die erste Fläche (3) des zweiten Prismas ebenfalls den Radius r₂ hat, während die zweite Fläche (30) konzentrisch zum zweiten aplanatischen Punkt (7) liegt und verspiegelt ist, daß Ein- und Austrittsspalt (8, 19) am Ort des ersten aplanatischen Punktes (6) angeordnet sind und daß im Weg des durch den Austrittsspalt (19) tretenden Lichtes ein konkaves Beugungsgitter (31) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen