DE19611218A1

DE19611218A1 - Spektrograph mit niedriger Blendenzahl

Info

Publication number: DE19611218A1
Application number: DE19611218A
Authority: DE
Inventors: Ii George W Hopkins
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1995-06-20
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 1997-01-02
Also published as: US5644396A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf optische Spektrographen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Spektrographen mit niedrigen Blendenzahlen, wodurch sich ein verbessertes Lichtsammlungsvermögen ergibt.

Ein Spektrograph ist ein Gerät zum Trennen elektromagneti scher Strahlung sehr kurzer Wellenlängen (einschließlich des sichtbaren Lichts) in ihre spektralen Komponenten. Optische Spektrographen werden zur chemischen Analyse in der Indu strie, der Medizin und der Wissenschaft verwendet.

Spektrographen enthalten dispersive Elemente, wie z. B. Pris men und Beugungsgitter. Allgemein verwenden moderne Spektro graphen Beugungsgitter, um Licht zu analysieren. Um effizi ent zu arbeiten, enthalten Spektrographen ferner optische Elemente, um Licht für das Prisma oder das Beugungsgitter zu sammeln, und um Licht auf einen Detektor zu konzentrieren. Ferner kann ein Spalt enthalten sein, um Licht mit uner wünschten Wellenlängen von dem Detektor abzuhalten.

Eine allgemeine Form eines Spektrographen weist eine Kom bination von Prismen oder ein planares Beugungsgitter mit optischen Anordnungen zum Sammeln und Fokussieren von Licht auf. Die optischen Anordnungen bilden das Licht in einen im wesentlichen parallelen Strahl, um denselben auf ein disper sives Element auftreffen zu lassen. Getrennte optische An ordnungen werden verwendet, um Licht auf einen Spalt oder einen Detektor nach einer Dispersion durch das Prisma oder Gitter zu fokussieren. Derartige optische Anordnungen können aus Spiegeln, Linsen oder einer Kombination von Spiegeln und Linsen bestehen und können zusammen mit einem Eingangs- und Ausgangs-Spalt als ein Monochromator oder mit einem beweg baren oder Arraydetektor als ein Spektrograph verwendet wer den. Wenn ein einzelner Spiegel oder eine einfache Linse mit sphärischen Oberflächen zum Sammeln von Licht verwendet wird, und ein ähnliches optisches Element zum Fokussieren von Licht auf einen Spalt oder Detektor verwendet wird, be trägt eine typische Blendenzahl f/3,5. Eine Blendenzahl oder ein Fokalverhältnis (dargestellt durch f/#, wobei "#" ein Verhältnis zeigt) ist das. Verhältnis des Abstandes zwischen der Quelle und der Eintritts-Pupille (-Apertur) zu dem Durchmesser der Eintrittspupille. Eine kleinere Blendenzahl zeigt ein besseres Lichtsammlungsvermögen an.

Einige Spektrographen kombinieren die Funktionen der Licht sammlung, Dispersion und Konzentration in einem konkaven Beugungsgitter. Die Verwendung von Beugungsgittern bei der artigen Spektralanalysen begann im achtzehnten Jahrhundert. Die frühen Gitter waren aufgrund der Schwierigkeit des Li nierens von konkaven Gittern planar. Derartige Gitter wurden mit einem Paar von Teleskopen verwendet, wobei das eine zum Parallelrichten von Licht und das andere zum Beobachten ge dacht war (frühe Spektrographen benötigten eine visuelle An passung von Spektren).

Konkave Beugungsgitter wurden nach der Erfindung von holo graphisch-aufgezeichneten Beugungsgittern populär. Konkave Beugungsgitter sind beispielsweise in den U.S.-Patenten 3,628,849, 3,930,728 und 5,052,766 beschrieben.

Obwohl konkave Gitter in der Lage sind, die kombinierte Funktion des Sammelns, des Zerlegens und Konzentrierens von Licht durchzuführen, weisen sie bestimmte Begrenzungen auf. Der Raumwinkel des Lichts, in dem durch derartige Gitter ge sammelt werden kann, ist relativ klein. Es ist schwierig, Gitter mit einer kleineren Blendenzahl aufzuzeichnen. Bei einem konkaven Gitter entspricht die Blendenzahl dem Ver hältnis des Abstandes von der Quelle zu dem konkaven Gitter geteilt durch den Durchmesser des Lichts, das auf das kon kave Gitter auftrifft. Ein kleineres f/# zeigt ein größeres Lichtsammlungsvermögen. Die meisten konkaven Gitter können einen Lichtkegel mit einer Blendenzahl von etwa f/3 handha ben. Selbst die "schnellsten" (d. h. mit den kleinsten Blen denzahlen, um das beste Lichtsammlungsvermögen aufzuweisen) Gitter weisen eine Blendenzahl von etwa f/2 auf.

Während der Herstellung von konkaven, holographischen Git tern liefert die Auswahl der Strahlaufzeichnungsparameter bestimmte Freiheitsgrade zum Korrigieren von Aberrationen der Abbildung der Quelle an dem Detektor. Diese Freiheits grade umfassen das Aufzeichnen einer Wellenlänge, die Po sition von Aufzeichnungspunkten, eine asphärische Oberfläche auf der Gitterlücke und Aberrationen, die in die Aufzeich nungsstrahlen eingeführt worden sind. Die Verwendung von asphärischen Linsen ist gegenüber der Verwendung von asphä rischen konkaven Gittern vorteilhaft. Die konkave Gitter oberfläche und ein aufgezeichnetes Hologramm fallen zu sammen, was die Möglichkeit reduziert, die vorher erwähnten Parameter zur Aberrationskorrektur zu verwenden. Da diese Freiheitsgrade begrenzt sind, existieren resultierende Rest aberrationen. Die Größe dieser Aberrationen erhöht sich mit abnehmenden Blendenzahlen, was eine Begrenzung der minimalen Blendenzahl zur Folge hat. Der weite Bereich des Einfalls winkels für Licht auf ein konkaves Gitter mit einer niedri gen Blendenzahl bewirkt eine Variation der Beugungseffi zienz, was eine zusätzliche Begrenzung für die minimale Blendenzahl bedeutet.

Viele spektroskopischen Messungen werden mit schwachen Sig nalen durchgeführt. Um daher eine gute Analyse zu erreichen, ist es wünschenswert, soviel Photonen als möglich zu sam meln. In bestimmten spektralen Regionen und in allen spek tralen Regionen für sehr schwache Signale wird die Messung durch Rauschen begrenzt sein, das in dem Detektor erzeugt wird. Aus diesen Gründen wird es bevorzugt, aus einem mög lichst großen Raumwinkel Licht zu sammeln, und dieses Licht auf einen möglichst kleinen Detektor zu übertragen. Da das Produkt der Fläche einer Quelle und des Raumwinkels des ge sammelten Lichtes innerhalb eines optischen Systems konstant bleibt, muß nicht nur ein großer Raumwinkel von Licht gesam melt, sondern auch auf den Detektor fokussiert werden, um einen kleinen Detektor verwenden zu können. Zusätzlich müs sen Aberrationen niedrig sein, damit sich eine hohe Abbil dungsqualität an dem Detektor ergibt.

Das Lichtsammlungsvermögen von Spiegeln beträgt typischer weise f/6,7, wie es beispielsweise in der Perkin-Elmer-ICP-OES-Spek trograph-Eingabeoptik (siehe Barnard, Thomas, u. a., Anal. Chem. 65, 1225 (1993)) der Fall ist. Bei typischen schnellen Spiegelsystemen (z. B. Jobin-Yvon H-10, Jarrell-Ashe Model 82-410) beträgt die Blendenzahl etwa f/3,5. Lin sen zur Lichtsammlung und Fokussierung sind im Vergleich zu Spiegeln zu kleineren Blendenzahlen fähig. Die Datta-Samm lungslinse (siehe Datta, Sunil, Indian Journal of Pure and Applied Physics 22, 667 (1984)), die eine verkittete Zwei element-Linse ist, weist eine Blendenzahl von f/3,65 auf. Das größte Sammlungsvermögen bei gegenwärtigen kommerziellen Ausrüstungen, das mit Mehrelement-Linsen in dem Kaiser-Op tical-Systems-Holo-Spec-f/1.8-i-VPT-SYSTEM erreicht wird, beträgt f/1,8. Einfache, Einzelelement-Sammlungs- und Kame ra-Linsen werden von der Eastman Kodak Company beschrieben (siehe U.S.-Patent Nr. 4,895,445, das an Granger erteilt ist). Die Blendenzahlen in dem Patent von Granger, die aus dem Maßstab der Zeichnungen bestimmt sind, scheinen relativ groß zu sein.

Verbesserungen der optischen Anordnungen zum Sammeln von Licht in einem Spektrometer können in der Literatur gefunden werden. Das U.S.-Patent 5,011,284 (Tedesco u. a.) offenbart die Verwendung einer asphärischen Linse zum Sammeln von Raman-gestreutem Licht zur Beugung durch Transmissionsgitter auf einem Prisma. Transmissionsgitter sind jedoch relativ komplex. Darüberhinaus wird bei dem Gerät von Tedesco u. a. immer noch ein relativ großer Lichtdetektor benötigt.

Eine hohe Abbildungsqualität erfordert das Beibehalten der Spezifizität von Licht bei verschiedenen Wellenlängen und ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis durch Konzentrieren von Licht auf einen kleinen Detektor, da ein großer Detektor mehr Rauschen zur Folge hat. Bekannte Spektrographen ver wenden relativ komplexe optische Systeme und weisen doch relativ große Blendenzahlen auf.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Spektrographen mit relativ einfachen optischen Elementen und einer kleinen Blendenzahl zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Spektrographen gemäß Anspruch 1 und durch einen Spektrographen gemäß Anspruch 12 gelöst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar in, ein einfaches Verfahren zum Analysieren von Licht von einer Lichtquelle zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Analysieren von Licht von einer Lichtquelle gemäß Anspruch 13 gelöst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar in, ein Verfahren zum Herstellen eines Spektrographen mit relativ einfachen optischen Elementen und einer kleinen Blendenzahl zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Spektrographen zum Analysieren von Licht von einer Licht quelle gemäß Anspruch 17 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Spektrographen mit einer Kollimationslinseneinheit, einem reflektiven Beugungs gitter, einer Fokussierungslinseneinheit und einem Lichtde tektor. Die Kollimationslinseneinheit weist mindestens ein optisches Element mit mindestens einer asphärischen Oberflä che zum Parallelrichten von Licht von einer Lichtquelle auf. Diese Linseneinheit weist eine positive Brechkraft (eine po sitive optische Leistung) und eine Blendenzahl von höchstens 1,7 auf. Das Beugungsgitter beugt das parallel gerichtete Licht von der Kollimationslinseneinheit. Die zweite Linsen einheit weist ferner mindestens ein optisches Element mit mindestens einer asphärischen Oberfläche auf. Dieselbe fo kussiert das gebeugte Licht auf den Lichtdetektor und weist eine Brennweite auf, die eine Gesamtvergrößerung von 0,8 bis 2,0 schafft, wenn sie mit der Kollimationslinseneinheit und dem Beugungsgitter kombiniert ist.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Analysieren von Licht von einer Lichtquelle. Das Verfahren enthält die Schritte des Parallelrichtens von Licht von der Lichtquelle auf ein Beugungsgitter, des Beugens des parallel gerichteten Lichts von der ersten Linseneinheit mit dem Beu gungsgitter, und des Fokussierens des gebeugten Lichts von dem Beugungsgitter mit einer zweiten Linseneinheit auf einen Lichtdetektor. Die erste Linseneinheit weist eine Blenden zahl von höchstens 1,7 auf. Sowohl die erste Linseneinheit als auch die zweite Linseneinheit weisen mindestens eine Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche auf. Die zweite Linseneinheit weist eine Brennweite auf, die eine Gesamtverstärkung von 0,8 bis 2,0 schafft, wenn sie mit der ersten Linseneinheit und dem Beugungsgitter kombiniert ist.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Spektrographen zum Analysieren von Licht von einer Lichtquelle. Das Verfahren umfaßt, nicht notwendi gerweise in der folgenden Reihenfolge, die Schritte des Be festigens einer Kollimationslinseneinheit, eines planaren Beugungsgitters, einer Fokussierungslinseneinheit und eines Lichtdetektors auf einem Träger. Die Kollimationslinsenein heit weist eine Blendenzahl von 1,7 oder weniger auf und ist in einer Position bezüglich der Lichtquelle befestigt, der art, daß das Licht, das von der Lichtquelle emittiert worden ist, in einen allgemein parallelen Strahl parallel gerichtet wird. Diese Linseneinheit weist mindestens eine Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche auf. Das planare Beugungsgitter ist in einer Position befestigt, um den pa rallel gerichteten Lichtstrahl derart zu beugen, daß das gebeugte Licht erster Ordnung einen spitzen Winkel mit dem parallel gerichteten Strahl bildet. Die Fokussierungslin seneinheit ist in einer Position befestigt, um das gebeugte Licht erster Ordnung auf den Lichtdetektor zu fokussieren. Der planare Lichtdetektor ist in einer Position befestigt, derart, daß die Normale der Ebene des Lichtdetektors einen spitzen Winkel mit der optischen Achse der Fokussierungs linse bildet, um auf dem Lichtdetektor deutliche, kompakte Abbildungen der Lichtquelle bei ausgewählten verschiedenen Wellenlängen zu erhalten.

Der Spektrograph der vorliegenden Erfindung weist unter Ver wendung einfacher optischer Elemente eine kleinere Blenden zahl und ein besseres Lichtsammlungsvermögen als Spektrogra phen gemäß dem Stand der Technik auf, wodurch eine Abbildung mit höherer Qualität erzeugt wird. Diese Erhöhung des Licht sammlungsvermögens wird durch die Verwendung eines einzigen optischen Elements für die Kollimations- und die Kamera-Ein heit möglich gemacht (d. h. die Fokussierungseinheit), obwohl mehrfache Linsen in jeder Linseneinheit verwendet werden können. Jede Linseneinheit weist mindestens eine asphärische optische Oberfläche auf. Die asphärischen Oberflächen korri gieren eine sphärische Aberration und weitere Aberrationen, wie z. B. einen Astigmatismus und eine schiefe sphärische Aberration. Die Verwendung von einzelnen Elementen verein facht das Herstellungs- und das Ausrichtungsverfahren. All gemein würde die Verwendung von einzelnen Linsen in einer chromatischen Aberration resultieren. Bei Systemen gemäß dem Stand der Technik (z. B. der Detektor in dem Holo-Spec-f/1,8-i-Spek trograph mit Mehrelementlinsen, supra) wird die Verbundkameralinse durch die Verwendung von Lasern mit ab weichenden Dispersionen bezüglich der chromatischen Aberra tion korrigiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die chromatische Ab erration durch Neigen der Detektorebene kompensiert werden, was die vorteilhafte Verwendung von Einzelelementlinsen ohne den Bedarf nach komplexen und teueren optischen Anordnungen möglich macht.

Die Verwendung von asphärischen Linsen (wobei jede minde stens eine asphärische Oberfläche aufweist) zum Parallel richten von Licht auf ein Beugungsgitter und zum Fokussieren des gebeugten Lichts auf einen Detektor ermöglicht es, daß die Abbildungen von unterschiedlichen Wellenlängen auf einen kleinen Detektor fokussiert werden. Die Verwendung derarti ger asphärischer Linsen zum Sammeln des gebeugten Lichts ermöglicht die Verwendung von planaren Beugungsgittern. Die erste asphärische Linse korrigiert die sphärische Aberra tion, welche normalerweise aus der Verwendung einer sphäri schen Linse zum Parallelrichten von Licht resultieren würde. Die zweite asphärische Linse kompensiert Aberrationen, die normalerweise eine sphärische Linse zur Folge hat, die Licht sammelt, das von dem planaren Beugungsgitter in einem Winkel gebeugt worden ist. Die zweite asphärische Linse ist von dem Beugungsgitter durch einen Abstand getrennt, was zur Folge hat, daß gebeugtes Licht mit einer anderen Wellenlängen weit getrennte Abschnitte der zweiten Linse trifft. Diese weite Trennung ermöglicht die Verwendung einer allgemeineren Form einer asphärischen Oberfläche, um zusätzlich zur sphärischen Aberration einen Astigmatismus und eine schiefe sphärische Aberration zu korrigieren.

Diese Konfiguration ist vorteilhaft, da, wenn Licht als ein paralleler Strahl auf ein planares Beugungsgitter mit paral lelen Rillen fällt, keine Aberrationen existieren, die durch das planare Gitter eingeführt worden sind. Der einzige Ef fekt auf die Abbildung ist eine Vergrößerung, die dem inver sen Verhältnis der Querschnitte des einfallenden und des ge beugten Strahls entspricht. Linsen müssen keine Gitteraber rationen korrigieren. Die Beugungseffizienz ist eine Funk tion des Einfallswinkels von Licht. Planare Beugungsgitter weisen im Gegensatz zu konkaven Beugungen einen breiten Be reich von Einfallswinkeln auf und machen daher bei Spektro graphen mit einer kleinen Blendenzahl keinen Kompromiß be züglich der Beugungseffizienz notwendig.

Der Spektrograph der vorliegenden Erfindung kann zum Analy sieren von Licht von schwachen Quellen, wie z. B. Fluores zenz, Phosphoreszenz, Raman-Streuung oder -Emission, verwen det werden. Derselbe sammelt über einen großen Raumwinkel Licht, streut dieses Licht und fokussiert es auf einen De tektor wieder aus einem großen Raumwinkel. Die kleine Blen denzahl der zweiten Linseneinheit ermöglicht die Verwendung von kleinen Detektoren, welche weniger Platz in Anspruch nehmen und leichter herzustellen sind als große. Aufgrund dieser Vorteile ist die vorliegende Erfindung besonders gut anwendbar, wenn Licht aus einer schwachen Quelle bei Wellen längen emittiert wird, welche durch verfügbare optische Ma terialien transmittiert werden. Anwendungen werden bei spielsweise bei dem Analysieren von Spektren in der analyti schen Chemie, der klinischen Chemie, des Prozeßüberwachens und der medizinischen Diagnostik gefunden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Bei diesen Figuren stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale der verschiedenen Ansichten und Aufbauten dar, wobei die Figuren jedoch nicht maßstabs getreu sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels des Spektrographen der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels des Spektrographen gemäß der vorliegenden Erfindung, der beim Analysieren von Raman-gestreu ter Strahlung verwendet wird.

Fig. 3 Lichtfleckdiagramme für einen Spektrographen der vorliegenden Erfindung für fünf verschiedene Wel lenlängen, einschließlich der minimalen und maxi malen Wellenlängen für die Spitze und Mitte des Spaltes. Die Lichtfleckdiagramme für den unteren Teil des Spaltes sind Spiegelbilder der entspre chenden Lichtfleckdiagramme für den Oberteil des Spaltes, wobei sie von rechts nach links gespiegelt sind. Lichtfleckdiagramme sind Abbildungen eines Punktes in dem Spalt auf dem Detektor, die durch die Schnittpunkte eines regelmäßigen Gitters von Strahlen durch die erste Linse auf dem Detektor dargestellt sind.

Fig. 4 Abbildungen an dem Detektor für einen Spektrogra phen der vorliegenden Erfindung für fünf Wellenlän gen, und zwar bei einem Spalt mit 0,094 mm Breite und 0,608 mm Höhe. Die Abbildungen werden durch das Verfolgen von Strahlen von zufälligen Punkten in dem Spalt zu zufälligen Punkten in der Begrenzungs apertur an dem Beugungsgitter und dann auf den De tektor erzeugt.

Fig. 5 zeigt Spektrallinien an dem Detektor für den Spek trographen von Fig. 4 für fünf Wellenlängen, und zwar bei einem Spalt mit einer Breite von 0,094 mm und einer Höhe von 0,608 mm. Die Spektrallinien sind durch das bei Fig. 4 beschriebene Strahlen verfolgen erzeugt worden.

Fig. 6 zeigt Abbildungen an dem Detektor für einen Spek trographen der vorliegenden Erfindung, und zwar bei einem 0,122 mm breiten und 0,608 mm hohen Spalt für fünf Wellenlängen, die gemäß der Beschreibung bei Fig. 4 erzeugt worden sind.

Fig. 7 zeigt Spektrallinien an dem Detektor für den Spek trographen von Fig. 6 für fünf Wellenlängen, und zwar bei einem 0,122 mm breiten und 0,608 mm hohen Spalt, die gemäß der Beschreibung bei Fig. 5 er zeugt worden sind.

Ein Ausführungsbeispiel des Spektrographen der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Der Spektrograph 100 weist eine Lichtquelle 101 auf. Diese Lichtquelle kann ein Spalt oder eine lichtemittierende Probe sein (z. B. ein Fluores zenz-, ein Phosphoreszenz- oder ein Raman-gestreutes Licht). Das Licht von der Lichtquelle wird für die Mittenwellenlänge (z. B. 670 nm) durch die Kollimationslinseneinheit 104 paral lel gerichtet, welche eine Einzellinse oder eine Linsengrup pe sein kann. Diese Linseneinheit weist mindestens eine asphärische (nicht-kugelförmige) Oberfläche auf mindestens einer der Linsen in derselben auf. Der Lichtstrahl von der Kollimationslinseneinheit fällt auf ein planares (oder ebe nes) Beugungsgitter 108. Bezüglich der Terminologie bezieht sich der Ausdruck "planar" oder "eben", wenn er auf ein Beu gungsgitter oder auf die Oberfläche eines Lichtdetektors be zogen ist, auf die Gesamterscheinung des Beugungsgitters oder des Detektors, wodurch mikroskopisch nicht planare Strukturen der Rillen auf dem Gitter oder des Pixelarrays des Detektors außer Acht gelassen werden. Auf dem Beugungs gitter 108 wird Licht gemäß seiner Wellenlänge zerlegt (d. h. gebeugt). Das gebeugte Licht fällte auf die Kameralinsen einheit (oder Fokussierungslinseneinheit) 122. Die Fokussie rungslinseneinheit fokussiert das Licht aller Wellenlängen und bildet Abbildungen der Lichtquelle auf dem Detektor 126, und zwar eine pro jeder Wellenlänge.

Als Veranschaulichung ist ein Ausführungsbeispiel eines Spektrographen zum Analysieren von Raman-gestreutem Licht in Fig. 2 gezeigt. Dieser Spektrograph 200 ist derart aufge baut, daß er geeignet ist, um Licht mit Wellenlängen von et wa 675 nm bis 855 nm zu erfassen. Es ist offensichtlich, daß ein Fachmann beispielsweise durch Modifizieren der Beugungs gitterkonfiguration und der asphärischen Oberflächen von Linsen in der Lage sein wird, Spektrographen zu bauen, die für eine Anwendung in einem anderen Wellenlängenbereich ge eignet sind. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Laserstrahl 202 von 670 nm von einem Laser 204 verwen det, um eine analytische Probe 206 in einem Behälter (oder einer analytischen Zelle) zu beleuchten, welcher in der Zeichnung nicht gezeigt ist. Als Ergebnis emittiert die Pro be Raman-Streulicht und wirkt als eine Lichtquelle.

Das Licht, das von der Lichtquelle (d. h. der Probe 206) kommt, fällt auf eine Linse 208 mit einer positiven Brech kraft. Diese Linse 208 weist eine asphärische Oberfläche 210, die auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle liegt und eine sphärische Oberfläche 212 auf, die auf der Seite des eintreffenden Lichts angeordnet ist. Die Ober fläche 210 ist ellipsoid, obwohl eine allgemeine asphärische Oberfläche (d. h. nicht-ellipsoid, nicht-hyperboloid, nicht-paraboloid) ebenfalls verwendet werden kann. Da eine allge meine asphärische Oberfläche schwieriger herzustellen ist und keinen zusätzlichen Vorteil bietet, bevor das Licht ge beugt ist, wird dieselbe gegenüber einer ellipsoiden Ober fläche nicht vorgezogen. Die Linse 208 richtet das Licht von der Lichtquelle 206 parallel, derart, daß das parallel ge richtete Licht ein im wesentlichen paralleler Strahl bei einer Wellenlänge von 765 nm ist. Somit sammelt die Kolli mationslinse Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, um einen Strahl zu bilden. Vorzugsweise weist die Linse 208 eine ellipsoide Oberfläche auf, die sich bezüglich der Linse in der Richtung des parallel gerichteten Lichts befindet, derart, daß ein großer Anteil der Linse zum Sammeln von Licht und zum Parallelrichten von Licht auf eine symmetri sche Art und Weise um die Mitte der Linse herum verwendet werden kann.

Die Linse 208 besteht vorzugsweise aus Glas, obwohl weitere geeignete Substanzen, die in der Technik bekannt sind, zum Herstellen von Linsen verwendet werden können. Das bevor zugte Verfahren zum Herstellen der asphärischen Oberfläche 212 ist Druckgießen. Die sphärische Oberfläche 212 kann ebenfalls durch Gießen hergestellt werden, obwohl auch die herkömmlichen Verfahren des Schleifens und Polierens verwen det werden können. Wegen der begrenzten Dicke des optischen Elements (d. h. der Linse) kann eine Verwendung einer Linse mit zwei asphärischen Oberflächen eine zusätzliche Aberrati onskorrektur schaffen. Derartige Linsen mit zwei asphäri schen Oberflächen sind jedoch schwieriger herzustellen. Die Linse 208 kann ferner, muß jedoch nicht, mit einer Antire flexionsschicht mit einem V-Minimum bei der Anregungswel lenlänge beschichtet sein, derart, daß das Raman-gestreute Licht durch dieselbe transmittiert wird. Derartige asphäri sche Linsen (d. h. Linsen, die jeweils mindestens eine asphä rische Oberfläche aufweisen), können kommerziell erworben werden (wie z. B. bei Optische Werke G. Rodenstock, München, Bundesrepublik Deutschland).

Um unerwünschtes Licht (z. B. die Anregungswellenlänge) in dem parallel gerichteten Strahl zu reduzieren, kann ein Ray leigh-Sperrfilter 216 verwendet werden, um Licht mit der An regungswellenlänge (d. h. bei diesem Ausführungsbeispiel 665 nm) zu reflektieren, und um Raman-gestreutes Licht zu über tragen. Der parallel gerichtete Strahl weist im allgemeinen ein scheibenförmiges Profil auf (der Strahl weist eine Achse auf, die mit 218 bezeichnet ist). Vorzugsweise sind die Lin se 208 und die Lichtquelle 206 derart konfiguriert, daß die Blendenzahl (die Brennweite der Linse geteilt durch den Durchmesser des Strahls) 1,7 oder kleiner ist, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 1,7 und am liebsten wegen der Einfach heit der Herstellung und Konfiguration zwischen 1,2 und 1,7. Wenn eine Linsenauflösung (z. B. kleiner als 40 Auflösungs elemente für ein 8,8 mm breiten Detektor) erforderlich ist, kann eine Blendenzahl kleiner als 1 verwendet werden (z. B. 0,8 für 20 Auflösungselemente für einen 8,8 mm breiten De tektor). Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 beträgt die Blendenzahl der Linse 208 f/1,2, was einer Erhöhung des Lichtsammlungsvermögens um das 2,25fache im Vergleich zu einem Gerät mit f/1,8 gemäß dem Stand der Tech nik entspricht.

Das Licht von den Rändern des Spektrums wird näherungsweise parallel gerichtet, dasselbe divergiert und konvergiert je doch aufgrund einer unkompensierten Dispersion des Linsen materials etwas. Das parallel gerichtete Licht wird gelei tet, um auf ein planares Beugungsgittersystem 220 zu fallen. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel bedeckt das Git tersystem ein lineares Feld von 8,8 mm mit 1200 Rillen pro Millimeter. Bei Fig. 2 sind die Rillen auf der Oberfläche 222 positioniert und in einer Richtung in die Zeichnung hin ein parallel. Ein Gitter fit einer Glanzwellenlänge in der Nähe von 750 nm wird bevorzugt. Glanz bedeutet, daß das Git ter ein Sägezahnprofil aufweist. Die Glanzwellenlänge ist die Wellenlänge, bei der der Einfallswinkel gleich dem Beu gungswinkel bezüglich der zu der großen Facette des Säge zahnprofils normalen Oberfläche ist. Dieses Beugungsgitter ist ein Quadratreflexionsgitter. Somit beugt es wirksam Licht, das Wellenlängen um eine Mittenwellenlänge von 750 nm aufweist. Der Entwurf und die Herstellung von planaren Beu gungsgittern für Licht mit spezifischen Wellenlängen sind in der Technik bekannt. Es ist offensichtlich, daß Gitter mit Rillen anderen Profils (z. B. Quadratwellen, Sinuswellen, etc.) ebenfalls verwendet werden können.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das planare Git tersystem 220 derart angeordnet, daß sein gebeugtes Licht erster Ordnung einen Winkel von etwa 40° zu dem parallel ge richteten Strahl bildet. Diese Anordnung erlaubt es, daß die Linsen und das Gittersystem des Spektrographen geeignet an geordnet werden können, ohne sich gegenseitig zu stören. Es ist offensichtlich, daß das planare Gittersystem positio niert werden kann, um das parallel gerichtete Licht bei ei nem anderen Winkel als 40° zu beugen, solang das gebeugte Licht erster Ordnung durch ein Linsensystem geeignet auf ei nen Detektor fokussiert werden kann.

Das gebeugte Licht erster Ordnung (welches durch die Gitter oberfläche gebeugt wird und nicht durch das Beugungsgitter system transmittiert wird) fällt auf die Kameralinse (oder Fokussierungslinse) 224. Allgemein fällt die optische Achse der Linse 224 mit der Mittellinie des Strahls des gebeugten Lichts erster Ordnung für eine Wellenlänge zusammen, was in gleichen Spektralbeträgen auf dem Detektor auf beiden Seiten dieser Wellenlänge resultiert. Die Fokussierungslinse 224 fokussiert das Licht aller Wellenlängen, damit es durch ein optionales planar-paralleles Fenster 226 durchläuft und Ab bildungen der Lichtquelle, und zwar eine pro jeder Wellen länge, auf einem Detektor 230 bildet. Das planar-parallele Fenster 226 dient dazu, um den Detektor 230 zu schützen. Die Fokussierungslinse 224 ist wie die Kollimationslinse 208 ei ne asphärische Linse, da sie mindestens eine asphärische Oberfläche aufweist. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbei spiel weist die Fokussierungslinse 224 eine asphärische Oberfläche 234 und eine sphärische Oberfläche 236 auf. Die Fokussierungslinse 224 kann wie die Kollimationslinse 208 wunschgemäß mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet werden. Wenn nur eine asphärische Oberfläche pro Linse ver wendet wird, wird es bevorzugt, daß die asphärische Oberflä che jeder Linse auf der zum Beugungsgitter hin gerichteten Seite der Linse angeordnet ist. Die Brennweite dieser Fokus sierungslinse 224 wird derart ausgewählt, daß, wenn dieselbe mit der Kollimationslinse 208 kombiniert ist und das gebeug te Licht erster Ordnung auf den Lichtdetektor 230 fokussiert wird, die resultierenden Abbildungen (von unterschiedlichen Wellenlängen) Vergrößerungen von etwa 0,8 bis etwa 2,0 (d. h. daß Abbildungen vorhanden sind, die minimal um das 0,8fache und maximal um das 2fache größer als die Lichtquelle sind) in der Dimension aufweisen, die im wesentlichen sowohl zu dem gebeugten Lichtstrahl als auch den Rillen des Beugungs gitters senkrecht ist. Es wird der Fall betrachtet, bei dem Abbildungen von interessierenden Wellenlängen von etwa 180 nm bis 2500 nm erfaßt werden können. Das optische Material für die Linsen kann abhängig von der Anwendung ausgewählt werden.

Wenn der parallel gerichtete Lichtstrahl durch das planare Beugungsgitter gebeugt wird, liegt das gebeugte Licht erster Ordnung ebenfalls in der Form eines parallel gerichteten Strahles vor. Der gebeugte Lichtstrahl erster Ordnung, der das Beugungsgitter verläßt, weist jedoch einen kleineren Querschnitt als der parallel gerichtete Strahl auf, der auf das Gitter auftrifft. Da das planare Beugungsgitter bei die sem Ausführungsbeispiel Licht in einer Richtung beugt, die senkrecht zu den Rillen ist und der Einfalls- und Beugungs winkel nicht gleich sind, weist der gebeugte Strahl einen allgemein "zerquetschten", d. h. einen allgemein ellipti schen, Querschnitt auf. Die asphärische Fokussierungslinse 224 weist vorzugsweise eine nicht-ellipsoide, nicht-hyper boloide und nicht-paraboloide Oberfläche zur Aberrations korrektur auf. Das Licht mit verschiedenen Wellenlängen in einem interessierenden Spektrum wird um die Mitte der asphä rischen Linse 224 asymmetrisch verteilt. Somit wird das ge beugte Licht erster Ordnung auf eine asymmetrische Art und Weise um die Mitte der asphärischen Linse durch eine derar tige asphärische Linse auf einen Detektor fokussiert.

Bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verwendung ei ner asphärischen Linse, da eine derartige asphärische, nicht-ellipsoide, nicht-hyperboloide, nicht-paraboloide Lin se eine Aberration korrigieren kann, einen breiteren Ein fallswinkel, was im Vergleich zu einer anderen Linse zu ei ner kleineren Blendenzahl führt. Wenn eine Linse mit sphä rischen Oberflächen verwendet wird, um das gebeugte Licht erster Ordnung auf den Detektor zu fokussieren, ist eine große Blendenzahl notwendig, um Aberrationen auf einen an nehmbaren Pegel zu reduzieren. Die große Blendenzahl bedeu tet, daß eine vergrößerte Abbildung von dem Detektor empfan gen wird, welcher groß genug sein muß, um diese Abbildung zu erfassen. Unter Verwendung einer asphärischen Linse kann ei ne sphärische Aberration korrigiert werden. Die Vergrößerung wird reduziert und ein kleinerer Detektor kann zum Empfang der Abbildung verwendet werden, wodurch das in dem Detektor erzeugte Rauschen reduziert wird. Kleinere Detektoren sind einfacher herzustellen, weniger sperrig und billiger.

Wenn die asphärische Linse von dem Beugungsgitter durch ei nen Abstand getrennt ist, der ausreicht, um Licht verschie dener Wellenlängen über die Linse zu verbreiten, können zu sätzliche Aberrationen, wie z. B. ein Astigmatismus und eine schiefe sphärische Aberration, korrigiert werden. Eine klei ne Blendenzahl und ein kleiner Detektor können für einen er weiterten Wellenlängenbereich verwendet werden. Wenn sich die asphärische Linse zu nahe am Beugungsgitter befindet, kann das Licht verschiedener Wellenlängen nicht angemessen auf der Linse getrennt werden, um aufgrund des begrenzten verfügbaren Platzes durch die asphärische Oberfläche der Linse korrigiert zu werden. Wenn die asphärische Linse zu weit von dem Beugungsgitter entfernt angeordnet ist, wird die Linse natürlich groß und schwierig herzustellen. Vor zugsweise ist der Abstand zwischen der Linsenoberfläche, die zu dem Beugungsgitter hin gerichtet ist, und dem Gitter aus reichend, um in einer Ausbreitung des Lichts der extremen Wellenlängen um die Mittenwellenlänge auf eine Größe zu re sultieren, die etwa das 1,5- bis 3fache, vorzugsweise je doch das etwa 2fache der Größe des Lichtstrahls bei der Mittenwellenlänge beträgt, wenn er das Gitter verläßt. In anderen Worten ist, wenn die Vorrichtung zum Analysieren von Spektren mit einer Mehrzahl von interessierenden Wellenlän gen verwendet wird, das Beugungsgitter von der Fokussie rungslinse durch einen Abstand getrennt, der ausreichend ist, daß die Einhüllende des interessierenden Lichts (mit der kürzesten und der längsten Wellenlänge) derart ausge breitet wird, daß der Lichtstrahl in seiner schmalen Abmes sung, wenn er auf die Fokussierungslinse trifft, eine Größe aufweist, die etwa das 1,5- bis 3fache (vorzugsweise etwa das 1,5- bis 2fache und am besten etwa das 2fache) der schmalen Dimension des Lichtstrahls bei der Mittenwellen länge beträgt, wenn derselbe das Gitter verläßt. In Fig. 1 und Fig. 2 befindet sich die schmale Abmessung in der Ebene der Figur und die breitere Abmessung befindet sich senkrecht zu der Ebene der Figur.

Der Detektor 230 ist ein CCD-Detektor (CCD = Charge Coupled Device = Ladungs-gekoppeltes Bauelement), welcher ein Array von Erfassungseinheiten oder Pixel aufweist, die in einer im wesentlichen flachen (oder planaren) Konfiguration angeord net sind. Derartige Detektoren sind in der Technik bekannt. Die Empfangsoberfläche 240 des CCD-Detektors ist geneigt, um einen kleinen, spitzen Winkel mit einer Ebene zu bilden, die senkrecht zu der allgemeinen optischen Achse der Fokussie rungslinse 224 ist, derart, daß das Licht verschiedener Wel lenlängen auf die Oberfläche 240 fokussiert wird, um deutli che, relativ kompakte Abbildungen auf derselben zu bilden. In anderen Worten bildet die Normale des Detektors einen Winkel mit der optischen Achse der Fokussierungslinse 224. Dieses Neigen des Detektors 230 wird durchgeführt, um die chromatische Aberration aufgrund des Wellenlängenunter schieds des fokussierten Lichts zu korrigieren. Ein Fachmann wird aufgrund der vorliegenden Offenbarung in der Lage sein, den Neigungswinkel anzupassen, bis insgesamt befriedigend deutliche, kompakte Abbildungen erhalten werden. Abhängig von der Qualität der Abbildungen der einzelnen gewünschten Wellenlängen kann der Neigungswinkel dementsprechend einge stellt werden. Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel etwa 0° bis 2°, am besten jedoch etwa 1,5°.

Die Elemente des Spektrographen sind zueinander und mit der Lichtquelle ausgerichtet, um die am meisten erwünschten Ab bildungen auf dem Detektor zu erhalten. Vorzugsweise richtet die Kollimationslinse 208 das gesammelte Licht nicht genau parallel aus, dieselbe ist jedoch derart angeordnet, daß ihr Profil in Verbindung mit dem Profil der Fokussierungslinse 224, welche Licht auf den Detektor fokussiert, eine verbes serte Abbildung über das gesamte Detektorarray schafft. Die Lichtkonzentration in der Mitte des Detektors wird etwas verschlechtert, um eine verbesserte Konzentration des Lichts an den Rändern des Detektorarrays zu erlauben. Bei der vor liegenden Erfindung können durch Verwendung asphärischer Linsen, eines planaren Beugungsgitters und eines etwas ge neigten planaren Detektorarrays ausreichend räumlich ge trennte, deutliche und kompakte Abbildungen auf dem Detektor für eine Blendenzahl von f/1,0 bis f/1,7 und selbst bei ei ner kleinen Blendenzahl von f/1,0 gebildet werden. Die Ab bildungen einer Punktlichtquelle, gemessen entlang des De tektors in der Ebene, die die Achsen der beiden Linsen ent hält, beträgt etwa 0,05 mm für alle Wellenlängen. Als Ergeb nis der Vergrößerung des Gitters und in kleinerem Umfang als Ergebnis der typischen Ausbreitung von 0,05 mm aufgrund ei ner Aberration einer Punktquelle variieren die Abbildungen eines 0,094 mm breiten Spaltes an dem Detektor bezüglich der vollen Breite bei der Hälfte des Maximums von 0,117 mm bei 0,675 µm bis 0,173 mm bei 0,855 µm Wellenlänge. Bei einem 8,8 mm breiten Detektor würde dies etwa 60 spektralen Auflö sungselementen oder etwa dem 1,5fachen der Anzahl (d. h. 40) entsprechen, die erforderlich ist, um von einer guten Auflö sung zu sprechen. Spektralauflösung gibt eine Situation wie der, bei der eine Linie einer gegebenen Wellenlänge deutlich von einer Linie einer benachbarten Wellenlänge getrennt wer den kann. Die Breite eines spektralen Auflösungselementes ist typischerweise als die volle Breite bei der Hälfte des Maximums der Spektrallinie einer einzelnen Wellenlänge defi niert.

Die Elemente in dem Spektrograph, einschließlich der Licht quelle (d. h. der Zelle, die die Probe in dem Fall enthält, bei dem die Probe die Lichtquelle ist) oder des Spaltes, der Kollimationslinseneinheit, des Beugungsgitters, der Fokus sierungslinseneinheit und des Lichtdetektors, können auf einem Träger befestigt werden. Die Abmessungen (einschließ lich der linearen Abmessung) und das Konstruktionsmaterial des Trägers können derart gewählt werden, daß der Träger einen thermischen Ausbreitungs- (oder Kontraktions-Betrag aufweist, der die Veränderungen von Brennweiten der Linse mit der Temperatur kompensiert. Auf diese Art und Weise ist der Spektrograph thermisch stabil, d. h. derselbe wird keinen großen Betrag einer unerwünschten Änderung des Verhaltens bei einer Temperaturänderung aufweisen. Der Temperaturbe reich, bei dem dies durchgeführt werden kann, erstreckt sich im allgemeinen von etwa 20°C bis etwa 50°C.

Bestimmung der Kurven der asphärischen Linsen

Die detaillierte Bestimmung der Kurven der Oberflächen auf den Linsen einschließlich asphärischer Kurven, und der be sten Neigung für das Detektorarray können mit einem Compu ter-unterstützten Linsenentwurfsprogramm durchgeführt wer den, welches die Summe der Quadrate von spezifizierten Ab bildungsfehlern minimiert. Die Abbildungsfehler bestehen aus transversalen Aberrationen von Strahlen an dem Detektorarray in der Ebene, die die Achsen beider Linsen enthält. Eine ausreichende Anzahl von Strahlen bei geeigneten Beabstandun gen auf den Linsen muß bei diesem Verfahren verwendet wer den, um die asphärischen Kurven zu bestimmen. Derartige Strahlen werden für Wellenlängen verfolgt, welche an einigen Stellen näherungsweise gleichmäßig beabstandete Abbildungen auf dem Detektorarray schaffen.

Die Parameterauswahl bei diesem Beispiel ist auf spezifi schen Anforderungen oder Wünschen und auf der Zweckmäßigkeit begründet. Das folgende Beispiel soll der Veranschaulichung dienen. Ein CCD-Detektor mit einer Länge von 9,728 mm wurde verwendet. Aufgrund normaler Herstellungsvariationen wurde eine lineare Dispersion von 8,8 mm für Wellenlängen von 675 nm bis 855 nm gewählt, wobei mindestens 40 Auflösungsele mente und eine Spaltgröße von bis zu 0,122 mm benötigt wer den. Die Höhe des CCD-Detektors beträgt 0,608 mm und eine maximale Flußsammlung ist erwünscht. Aufgrund von Raumanfor derungen zum Anpassen und Befestigen von Linsen wird ein Beugungsgitter gewählt, um die folgenden Bedingungen (1) und (2) zu erfüllen:

35° < Θ_mitte < Θ (1)
17° < (Θ_max-Θ_min) < 21° (2)

wobei Θ_mitte der Abweichungswinkel des gebeugten Axial strahls für die gestreute Mittenwellenlänge und Θ_max und Θ_min Abweichungswinkel für die maximale und die minimale Wellenlänge sind. (Θ_max-Θ_min) ist daher die Winkeldisper sion (Winkelzerstreuung). Dies führt zu der Wahl eines Stan dard-Beugungsgitters mit 1200 Rillen pro Millimeter, wobei Θ_mitte = 40° und (Θ_max-Θ_min) = 19°.

Um das Computeroptimierungsverfahren, das vorher beschrieben wurde, zu verwenden, ist - ein Startentwurf notwendig. Eine exakte Lösung besteht für eine Kollimationslinse, welche ei ne sphärische Aberration korrigiert, welche eine ebene Ober fläche zum Fokus hin und eine konvexe, asphärische Oberflä che zum parallelen Licht hin aufweist. Die asphärische Ober fläche ist ein Ellipsoid einer Umdrehung mit einer Exzentri zität:

e = 1/n (3)

und einer Kegelkonstanten

k = -e² = -1/n² (4)

wobei n der Brechungsindex (siehe unten) ist. Dies wird ver wendet, um die anfängliche erste Linse, welche dann während der Optimierung etwas modifiziert wird, zu spezifizieren. (Kingslake, Rudolph "Lens Design Fundamentals", Academic Press, 1978, S. 113, wobei die Offenbarung desselben bezüg lich des asphärischen Linsenentwurfs hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist).

Der Startentwurf kann eine äquikonvexe Linse für die zweite Linse verwenden. Zu Anfang werden die Brennweiten für beide Linsen bei f = 25 mm gleich gewählt. Die Linsenradien werden aus der folgenden Gleichung berechnet:

wobei r₁ und r₂ die Scheitelpunkt-Krümmungsradien der ersten bzw. zweiten Oberfläche sind. Ein Radius ist positiv, wenn der Mittelpunkt der Kugel auf der rechten Seite des Schei telpunkts ist. Für die flache Oberfläche auf der ersten Lin se werden Terme, die 1/r₁ aufweisen, auf Null gesetzt, wobei t die Linsendicke und n der Brechungsindex für die Mitten wellenlänge sind (Kingslake, supra, S. 54) und t gewählt wird, um eine positive Randdicke zu ergeben.

An diesem Punkt des Entwurfs wird eine Computeroptimierung gestartet (Kingslake, supra, Kapitel 16). Die Gitterneigung wird gewählt, um Licht der Mittenwellenlänge durch die Mitte der zweiten Linse zu richten, wobei die Brechungsgitterglei chung verwendet wird (Richardson in Applied Optics and Optical Engineering, R. Kingslake, Hrsg, Bd. 5, S. 21, Academic Press, 1969):

mλ = d(sinα ± sinβ) (6)

wobei m eine ganze Zahl, d. h. die Brechungsordnung (m = 1 für die Erfindung), λ die Wellenlänge des Lichts in gleichen Einheiten wie d, d der Abstand paralleler Rillen, α der Einfallswinkel und β der Beugungswinkel sind. Das Pluszei chen wird verwendet, wenn sich der einfallende und der ge beugte Strahl auf der gleichen Seite der Normalen zu der Gitteroberfläche befinden, während das Minuszeichen ver wendet wird, wenn sich dieselben auf gegenüberliegenden Sei ten befinden. Eine Gütefunktion, basierend auf dem Algorith mus von Forbes zur Strahlauswahl (G.W. Forbes, J. Opt. Soc. Am. (A), 5, 1943-1956 (1988), hierin durch Bezugnahme aufge nommen) wird verwendet. Aufgrund der Verwendung einer asphä rischen Oberfläche auf der zweiten Linse wird eine große An zahl von radialen Abtastringen N_r = 8 benötigt. Das automa tische Erzeugungsmerkmal für Gütefunktionen, das bei den meisten optischen Entwurfsprogrammen verfügbar ist, kann verwendet werden. Transversale Aberrationen in der Ebene, die die Achsen beider Linsen enthält, werden beibehalten. Transversale Aberrationen außerhalb dieser Ebene werden nicht verwendet. Diese Auswahl resultiert in der kleinsten Abbildungsausbreitung in der Ebene auf Kosten eines annehm baren Lichtverlustes aus der schmalen Abmessung des CCD-De tektors. Zur Gütefunktionserzeugung werden Wellenlängen von 0,675, 0,720, 0,765, 0,810 und 0,855 µm und Objektpunkte an der Mitte der Quelle und um 3,04 mm außerhalb der Ebene, die beide Linsenachsen enthält, verwendet. Zusätzliche Terme müssen zu der Gütefunktion hinzugefügt werden. Die Abwei chung der axialen Strahlen bei 0,675 und 0,855 µm von dem gewünschten Ende des Spektrums bei ± 4,4 mm von dem axialen Punkt auf dem Detektor müssen verwendet werden, um die ge wünschte lineare Dispersion von 8,8 mm zu erhalten. Der Win kel des Strahls bei 0,765 µm zu der Linsenachse und eine normierte Apertur von 0,8 in dem Raum nach der ersten Linse müssen auf Null gesteuert werden, um eine Parallelrichtung des Lichts sicherzustellen. Dies sind die Minimalterme, die in der Gütefunktion benötigt werden, um einen befriedigenden Entwurf fertigzustellen. Die Gewichtungen, die diesen zu sätzlichen Ausdrücken zugewiesen sind, können durch ein paar Versuche und Bewertungen bestimmt werden, um das Entwurfs verfahren zu leiten. Die Aberrationen werden für eine beste Auflösung bei der Wellenlänge von 733 nm ausgeglichen.

Während der frühesten Entwurfsstufen treten folgende Variab len auf: die Scheitelpunkt-Krümmungsradien für beide Linsen, die Kegelkonstante der zweiten Oberfläche der ersten Linse, die Neigung des Beugungsgitters um eine Achse, die zu beiden Linsenachsen senkrecht ist und durch ihren Schnittpunkt ver läuft, der Abstand des Detektors von der zweiten Linse und die Neigung des Detektors um eine Achse, die zu der Ebene, die beide Linsenachsen enthält, senkrecht ist und durch den Schnittpunkt des Detektors und der zweiten Linsenachse ver läuft.

Nach der anfänglichen Optimierung ergibt sich eine allge meine asphärische Oberfläche, die zu der ersten Oberfläche der zweiten Linse hinzugefügt wird und durch folgende Glei chung gegeben ist:

wobei R der Scheitelpunkt-Krümmungsradius und r der radiale Abstand von der Linsenachse sind. Die Parameter R und die asphärischen Koeffizienten AD, AE, AF und AG werden nun wäh rend der Optimierung zur Variation freigegeben. Als nächstes werden die Abstände beider Linsen von dem Beugungsgitter zur Variation freigegeben, wobei die Begrenzung besteht, daß diese Abstände gleich sein sollen. Dies ist die abschließen de Optimierung, wobei die beste Ausgewogenheit zwischen der Brechkraft der zweiten Linse und dem Nutzen vom Ausbreiten des Lichts unterschiedlicher Farben über die asphärische Oberfläche der zweiten Linse gefunden wird. Eine Schlußein stellung der Radien aller Linsenoberflächen, der Kegelkon stante der zweiten Oberfläche der ersten Linse, der asphäri schen Koeffizienten der ersten Oberfläche der zweiten Linse und der Neigungen des Beugungsgitters und des Detektors tre ten während dieser Schlußoptimierung auf. Obwohl während des Entwurfs eine Variation anderer Parameter untersucht werden kann, werden diese Parameter während der Schlußoptimierung vorzugsweise festgehalten, um eine gewünschte Häusung des Spektrographen und gewünschte Linsendicken, die zur Herstel lung geeignet sind, zu erhalten.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel von Fig. 2 weist die op tischen Elemente auf, wie sie in Tabelle 1 spezifiziert sind. Dasselbe ist entworfen, um den Spektralbereich von 675 nm bis 855 nm mit einer Lichtsammlung von f/1,2 und ei ner linearen Dispersion für das Spektrum auf dem Detektor von 8,8 mm zu überdecken. Die Materialien der Linsen sind optische Gläser von der Schott Glass Technologies, Inc. Die optische Beschreibung verwendet die Konventionen und die Terminologie des optischen Entwurfsprogramms OSLO 3 von Sinclair Optics, Inc. (OSLO Series 2 und 3 Handbuch, erste Ausgabe, Sinclair, Optics Inc., 1991, Kapitel 3, wobei sich die Beschreibung auf den Entwurf von asphärischen Linsen be zieht und die Konventionen von Tabelle 1 hierin durch Bezug nahme aufgenommen sind). Die Positionierung des Fensters 226 ist beliebig, sie ist zwischen der Fokussierungslinse 224 und dem Detektor 230 vorgesehen. Die Linsen wurden von den optischen Werken G. Rodenstock, München, BRD hergestellt. Das Ausführungsbeispiel, das durch Tabelle 1 beschrieben ist, ist nur als Beispiel der vorliegenden Erfindung gedacht und soll nicht als Begrenzung interpretiert werden. Ein Fachmann wird in der Lage sein, ähnliche Ausführungsbeispie le herzustellen (S# = Surface number = Oberflächennummer).

Tabelle 1

In Tabelle 1 stellt "S#" die Oberflächennummern der Kompo nenten (einschließlich der optischen Elemente, wie z. B. der Linsen) in dem Spektrograph dar. "Radius" stellt den Schei telpunkt-Krümmungsradius (in mm) des optischen Elements dar, dem eine spezielle Oberflächennummer zugeordnet ist. Eine negative Zahl zeigt an, daß der Mittelpunkt der Krümmung der optischen Oberfläche auf der linken Seite ihres Scheitel punkts ist, wobei das Licht von links nach rechts läuft. "Dicke" stellt den Trennungsabstand (in mm) von der Oberflä che, die durch ein spezifisches S# dargestellt ist, zu der nächsten Oberfläche dar. Eine negative Zahl zeigt eine Rich tungsänderung des Lichts in eine im allgemeinen entgegenge setzte Richtung an. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird dies durch das reflektive Beugungsgitter bewirkt. "Durchmesser" stellt den Durchmesser der Komponente dar, der eine speziel le Oberflächennummer zugeordnet ist. "Material" zeigt das Konstruktionsmaterial eines optischen Elements. F2 ist ein optisches Glas mit einem Brechungsindex von 1,62004 für eine Wellenlänge von 587,6 nm und einer Abbe-Zahl von 36,37. BK7 ist ein optisches Glas mit einem Brechungsindex von 1.5168 für eine Wellenlänge von 587,6 nm und einer Abbe-Zahl von 64,17.

Bezugnehmend auf Tabelle 1 weist die Lichtquelle einen Durchmesser von 0,608 mm auf und ist etwa 24 mm von der Kol limationslinse, die S# = 2 aufweist, entfernt. Die Kollima tionslinse weist eine asphärische Oberfläche auf der Seite des Gitters auf, welche ein S# gleich 6 aufweist. Die asphä rische Oberfläche der Kollimationslinse weist eine Kegelkon stante von etwa -0,454 auf (was eine ellipsoide Oberfläche anzeigt). Ein Aperturanschlag liegt zwischen der Kollima tionslinse und dem Gitter und kontaktiert die Gitterober fläche (da keine Dicke zwischen S# von 4 und S# von 6 exi stiert). Eine Neigung von etwa 9,630 bei S# von 5 stellt einen Koordinatensystemwechsel dar, was anzeigt, daß das Gitter bezüglich des parallel gerichteten Strahls geneigt ist. Die verwendete Konvention ist für alle optischen Ent wurfsprogramme gleich und in OSLO supra, S. 3-27 beschrie ben. Drehungen eines lokalen Koordinatensystems mit dem Ur sprung an dem Scheitelpunkt einer gegebenen Oberfläche fin den in der Ebene der Fig. 1 und 2 und um eine Achse statt, die zu den Fig. 1 und 2 senkrecht ist. Der Drehsinn ist durch eine Linke-Hand-Regel gegeben. Wenn der Daumen einer linken Hand entlang der Achse in die Ebene der Figur hinein zeigt, zeigen die gekrümmten Finger in eine positive Rich tung. Die Neigung an der Oberfläche 7 orientiert die Koordi naten der ursprünglichen Richtung neu. Die Neigung an der Oberfläche 8 orientiert die Koordinaten bei 40° zu der ur sprünglichen Richtung, derart, daß die asphärische Fokussie rungslinse definiert werden kann. Die Nummer S# von 10 und 11 stellen die Oberflächen der asphärischen Fokussierungs linse zum Fokussieren eines gebeugten Lichtes auf einen De tektor dar (welcher durch ein S# von 14 dargestellt ist). Die Oberfläche (S# von 10), die auf der Seite des Gitters liegt, ist asphärisch mit asphärischen Koeffizienten AD, AE, AF, AG, wie es in Tabelle 1 gezeigt ist. Die Oberflächen S# von 12 und S# von 13 sind einem Fenster zugeordnet, das den Detektor schützt. Der Detektor mit einer Oberfläche S# von 14 ist bezüglich der optischen Achse der Fokussierungslinse derart geneigt, daß die Normale zu der Oberfläche S# von 6 etwa um 1,47° von der optischen Achse der Fokussierungslinse abweicht. Das negative Vorzeichen der Neigung entspricht der Konvention der Linke-Hand-Regel, wie sie für die Oberfläche #5 beschrieben wurde.

Die Spektrographen der vorliegenden Erfindung werden gegen über bekannten Geräten eine bessere Abbildungsqualität lie fern. Es wird beispielsweise ein Gerät, wie z. B. das von Tedesco u. a., betrachtet. Details einer optischen Beschrei bung sind in dem U.S.-Patent Nr. 5,011,284 (Tedesco u. a.) nicht vorgesehen, um eine Strahlenverfolgungsanalyse zu er möglichen, die der für die Erfindung dargestellten ähnlich ist. Aus Fig. 1 von Tedesco kann jedoch bestimmt werden, daß die Vergrößerung etwa 10X beträgt. Die Flußsammlung bei Tedesco ist als f/0,6 gegeben. Für eine Flußsammlung, die mit der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung vergleich bar ist, welche bei f/1,2 sammelt, könnte der Spalt oder die Quelle bezüglich der Erfindung die halbe lineare Abmessung aufweisen. Somit könnte mit der Vergrößerung 10X bei einem Gerät wie dem von Tedesco und der halben Spaltgröße die End abbildung in erster Näherung 5mal größer sein. Die Endab bildung bei der Erfindung einschließlich sowohl der Ver größerung als auch der Aberration ist um durchschnittlich das 1,54fache größer als der Spalt. Die Nettodifferenz für eine vergleichbare Flußsammlung beträgt (5/1.54) = 3,25, was bedeutet, daß dies lineare Abmessung der Abbildung bei Tedesco um das 3,25fache größer ist. Die Erhöhung der benö tigten Detektorfläche beträgt 10,6 und das Rauschen, welches gemäß der Quadratwurzel der Detektorfläche variiert, erhöht sich um das 3,25fache.

Der Winkel, durch welchen Licht zerstreut wird, beträgt bei Tedesco etwa 3,3°, wogegen derselbe bei der vorliegenden Er findung 19° beträgt. Ohne Strahlenverfolgungs-Daten für Tedesco aufgrund des Fehlens einer optischen Spezifikation ist ein vollständiger Vergleich der Anzahl von Auflösungs elementen nicht möglich. Wenn jedoch bei der vorliegenden Erfindung 60 Auflösungselemente in die 19° passen, und Tedesco etwa 3,30 verwendet und ein 3,25facher Größenunter schied bezüglich der Erfindung vorhanden ist, würde die An zahl von Auflösungselementen bei Tedesco bezüglich einer äquivalenten Flußsammlung in der Erfindung 3,2 Auflösungs elemente betragen, wie es durch die folgende Gleichung ge geben ist:

60(3,3/19)·(1/3,25) = 3,2

Somit weist die vorliegende Erfindung bei einer vergleich baren Flußsammlung einen deutlichen Vorteil bezüglich eines niedrigeren Detektorrauschens und einer größeren Anzahl von möglichen Auflösungselementen gegenüber Geräten gemäß dem Stand der Technik, die zu dem Verhalten des Geräts von Tedesco u. a. ahnlich sind, auf. Ferner kann ein Spektrograph (wie z. B. das Gerät von Tedesco u. a.), der ein holographi sches optisches Element verwendet, nur S-polarisiertes Licht effizient beugen. Der Spektrograph der vorliegenden Erfin dung, welcher ein Glanzbeugungsgitter verwendet, kann sowohl S- als auch P-polarisiertes Licht effizient beugen. Dies be deutet einen Vorteil von dem bis zu zweifachen des Wirkungs grads für Anwendungen, bei denen die Quelle unpolarisiertes Licht emittiert. Die Abbildungsqualität der Erfindung und ihre Fähigkeit Licht verschiedener Wellenlängen zu trennen, ist in den Fig. 3 bis 7 dargestellt.

Fig. 3 zeigt Lichtfleckdiagramme für 5 Wellenlängen von der minimalen bis zu der maximalen Wellenlänge (für den oberen Teil und den Mittelteil eines Spaltes) für einen Spektrogra phen der vorliegenden Erfindung. Ein Lichtfleckdiagramm wird durch Strahlenverfolgung von einem einzelnen Punkt auf der Quelle unter Verwendung eines regelmäßigen Arrays von Ziel punkten an der Begrenzungsapertur für übertragenes Licht (an dem Beugungsgitter bei der Erfindung), und durch Fortsetzen der Strahlen zu dem Detektor für eine gegebene Wellenlänge erzeugt.

In Analogie zum Gebiet der Graphik ist das Lichtfleckdia gramm ein Pinsel, der verwendet wird, um ein Abbild (die Ab bildung) eines Subjekts (beispielsweise des Spaltes) wieder zugeben. Das Wiedergeben ist durch die Pinselgröße begrenzt. In Fig. 3 beträgt die vertikale Abmessung der Kerne des Lichtfleckdiagramms etwa bei allen Wellenlängen 0,05 mm. Die vertikale Abmessung ist in der Ebene, die die Achsen beider Linsen in dem Spektrographen enthält, weshalb die Abmessung von 0,05 mm bedeutet, daß die Abbildung des Spaltes oder der Quelle, die durch die optische Anordnung des Spektrographen gebildet worden ist, durch Aberrationen um etwa 0,05 mm ver breitert worden ist.

Fig. 4 zeigt Spaltabbildungsdiagramme für fünf Wellenlängen von der minimalen bis zu der maximalen Wellenlänge. Der Spalt ist 0,094 mm breit und 0,608 mm hoch und stellt den schmalsten Spalt dar, der bei dieser Anwendung erwartet wird. Jedes Diagramm wird erzeugt, indem von beliebigen Punkten in dem Spalt zu beliebigen Punkten auf der Begren zungsapertur und auf dem Detektor Strahlen verfolgt werden. Das Diagramm ist eine Visualisierung des Abbildes des Spal tes auf dem Detektor. Der meiste Teil der Vergrößerung der Abbildungsgröße existiert aufgrund der Vergrößerung des Git ters, welche größer werdender Wellenlänge zunimmt, und nicht aufgrund von Aberrationen der Linsen.

Fig. 5 zeigt Auflösungszeichnungen für fünf Wellenlängen von der minimalen zu der maximalen Wellenlänge für einen Spalt, der 0,094 mm breit und 0,608 mm hoch ist. Die Zeichnungen werden erzeugt, indem entsprechende Spaltabbildungs-Diagram me genommen werden und die Strahlen, welche in gleich kleine Segmente des Detektors fallen, summiert werden. Die Auflö sungszeichnungen stellen genau Spektrallinienbreiten dar, die bei Messungen mit einem Spektrographen beobachtet wer den. Bei dieser schmalsten Spaltgröße existieren über 60 Auflösungselemente in dem Spektrum.

Fig. 6 ist ein Spaltabbildungs-Diagramm, das dem von Fig. 4 ähnlich ist, für einen 0,122 mm breiten und 0,608 mm hohen Spalt, das den breitesten Spalt, der in einer Anwendung der vorliegenden Erfindung erwartet worden ist, darstellt.

Fig. 7 zeigt Auflösungszeichnungen, die denen von Fig. 5 ähnlich sind, für einen 0,122 mm breiten und 0,608 mm hohen Spalt. Bei dieser breitesten Spaltgröße existieren über 46 Auflösungselemente. Dies überschreitet die Anforderung einer Anwendung der Erfindung nach einem Minimum von 40 Auflö sungselementen.

Die Fig. 3 bis 7 zeigen die vorteilhafte Anwendung der vor liegenden Erfindung beim Erhalten von Abbildungen hoher Qua lität. Im Vergleich dazu wird ein herkömmlicher Spektrograph mit einem konkaven Beugungsgitter bei einer ähnlichen Anwen dung (einer ähnlichen Spaltgröße, einer ähnlichen Detektor größe, einem ähnlichen Wellenlängenbereich, etc.) mit 40 Auflösungselementen eine Blendenzahl von f/2,3 oder mehr aufweisen.

Obwohl die veranschaulichenden Ausführungsbeispiele des Spektrographen der vorliegenden Erfindung detailliert be schrieben worden sind, ist es offensichtlich, daß die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele durch Fachleute modifi ziert werden können, insbesondere bezüglich von Größen und Formen und Kombinationen von verschiedenen beschriebenen Merkmalen, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung ab zuweichen. Das planare Reflexions-Beugungsgitter kann bei spielsweise durch andere geeignete Beugungsgitter ersetzt werden. Die Kollimationslinse und die Fokussierungslinsen können Kombinationen von Linsengruppen sein. Darüberhinaus ist die Anwendung des Spektrographen nicht auf eine Analyse von Raman-gestreutem Licht begrenzt. Derselbe kann verwendet werden, um Licht von einer beliebigen Lichtquelle zu analy sieren, solange die optischen Elemente und der Detektor für die geeigneten Wellenlängen ausgewählt werden.

Claims

1. Spektrograph (100) zum Analysieren von Licht interes sierender Wellenlängen mit folgenden Merkmalen:

(a) einer ersten Linseneinheit (104) mit mindestens einer Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche zum Parallelrichten von Licht von einer Lichtquelle, wobei die erste Linseneinheit eine positive Brechkraft und eine Blendenzahl von höch stens 1,7 aufweist;
(b) einem reflektiven Beugungsgitter (108) zum Beugen des parallel gerichteten Lichts von der ersten Linse;
(c) einem Lichtdetektor (126); und
(d) einer zweiten Linseneinheit (122) mit mindestens einer Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche zum Fokussieren des gebeugten Lichts auf den Lichtdetektor, wobei die zweite Linsenein heit eine Brennweite aufweist, die ausreichend ist, um für die Lichtquelle eine Gesamtvergröße rung auf dem Lichtdetektor von 0,8 bis 2,0 zu schaffen.

2. Spektrograph (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Blen denzahl der ersten Linseneinheit zwischen 1.0 und 1,7 liegt.

3. Spektrograph (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das gebeugte Licht in der Form eines Strahls ist und das Beugungsgitter (108) von der zweiten Linseneinheit durch einen Abstand getrennt ist, der ausreichend ist, damit sich der gebeugte Lichtstrahl mit Licht verschie dener Wellenlängen in seiner schmalen Dimension auf ei ne Größe des 1,5- bis 3fachen der Größe des Licht strahls ausbreitet, der das Gitter verläßt, wenn der selbe auf die zweite Linseneinheit (122) auftrifft.

4. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Linseneinheit (208) aus ei nem einzelnen optischen Element mit mindestens einer asphärischen Oberfläche (210) besteht und das Licht ei ner spezifischen Wellenlänge von der Lichtquelle zu ei nem parallelen Strahl ausrichtet.

5. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Beugungsgitter (220) ein planares, reflektives Beugungsgitter ist, das eine planare opti sche Oberfläche aufweist, die aus geraden, parallelen und gleichmäßig beabstandeten Rillen besteht.

6. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die zweite Linseneinheit (224) aus ei nem einzigen optischen Element mit mindestens einer asphärischen Oberfläche besteht und das gebeugte Licht verschiedener Wellenlängen fokussiert, um räumlich ge trennte, deutliche, kompakte Abbildungen der Quelle auf dem Lichtdetektor (230) zu bilden.

7. Spektrograph (200) gemäß Anspruch 6, bei dem die zweite Linseneinheit (224) aus einem einzigen optischen Ele ment mit mindestens einer asphärischen, nicht-ellipsoi den, nicht-hyperboloiden, nicht-paraboloiden Oberfläche besteht.

8. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Lichtdetektor ein planares Array (240) aufweist, das bezüglich der optischen Achse der zweiten Linseneinheit geneigt ist.

9. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Linsenelemente (208, 224) aus ei nem Material aufgebaut sind, das die Veränderungen der Brennweiten der Linsenelemente mit der Temperatur durch die Veränderung der linearen Abmessungen der Träger struktur kompensiert werden.

10. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die erste Linseneinheit (208) ein op tisches Element mit einer oder mehreren asphärischen Oberflächen ist, die zweite Linseneinheit (224) ein op tisches Element mit einer oder mehr asphärischen Ober flächen ist, wobei die erste Linseneinheit Licht einer spezifischen Wellenlänge von der Mitte der Lichtquelle im wesentlichen parallel macht, damit dasselbe auf das Beugungsgitter (220) auftrifft, wobei die zweite Lin seneinheit das gebeugte Licht von dem Beugungsgitter in räumlich getrennte, deutliche, kompakte Abbildungen der Lichtquelle für Licht von verschiedenen Wellenlängen auf den Detektor (230) fokussiert.

11. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, der ferner einen Laser (204) zum Beleuchten einer Probe (206) aufweist, um Raman-gestreutes Licht zu emittieren, wobei die Raman-streuende Probe die Lichtquelle ist, die Licht emittiert, das durch die erste Linseneinheit (208) parallel gerichtet werden soll.

12. Spektrograph (200) zum Analysieren eines Spektrums, das eine Mehrzahl von interessierenden Wellenlängen auf weist, mit folgenden Merkmalen:

(a) einer ersten Linseneinheit (208), die aus einer einzigen Linse mit mindestens einer ellipsoiden Oberfläche zum Parallelrichten von Licht von einer Lichtquelle zusammengesetzt ist, wobei die erste Linseneinheit eine positive Brechkraft und eine Blendenzahl von 1,0 bis 1,7 aufweist;
(b) ein planares, reflektives Beugungsgitter (220) zum Beugen des parallel gerichteten Lichts von der er sten Linseneinheit;
(c) einem Lichtdetektor (230); und
(d) einer zweiten Linseneinheit (224), die aus einer einzigen Linse mit mindestens einer nicht-ellip soiden, nicht-paraboloiden, asphärischen Oberflä che zusammengesetzt ist, die dem Beugungsgitter gegenüberliegt, zum Fokussieren des gebeugten Lichts auf den Lichtdetektor, wobei die zweite Linseneinheit eine Brennweite aufweist, die aus reichend ist, um für Licht der interessierenden Wellenlängen eine Gesamtvergrößerung von 0,8 bis 2,0 auf dem Lichtdetektor zu schaffen, wobei das Beugungsgitter (220) von der zweiten Linseneinheit (224) durch einen Abstand getrennt ist, der aus reichend ist, daß ein Strahl des gebeugten Lichts verschiedener Wellenlängen in seiner schmalen Di mension zu dem 1,5- bis 3fachen der Größe des Lichtstrahls ausgebreitet wird, der das Gitter verläßt, wenn derselbe auf die zweite Linsenein heit auftrifft.

13. Verfahren zum Analysieren von Licht von einer Licht quelle mit folgenden Schritten:

(a) Parallelrichten von Licht von der Lichtquelle durch eine erste Linseneinheit (104) mit minde stens einem optischen Element mit mindestens einer asphärischen Oberfläche, wobei die erste Linsen einheit eine positive Brechkraft und eine Blenden zahl von höchstens 1,7 aufweist;
(b) Beugen des parallel gerichteten Lichts von der er sten Linseneinheit (104) mit einem Beugungsgitter (108); und
(c) Fokussieren des gebeugten Lichts von dem Beugungs gitter mit einer zweiten Linseneinheit (122) mit mindestens einem optischen Element mit mindestens einer asphärischen Oberfläche auf einen Lichtde tektor (126), wobei die zweite Linseneinheit eine Brennweite aufweist, die für die Lichtquelle eine Gesamtvergrößerung von 0,8 bis 2,0 schafft, wenn dieselbe mit der ersten Linseneinheit kombiniert ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die zweite Linsen einheit (122) eine Mitte aufweist und das gebeugte Licht um die Mitte auf eine unsymmetrische Art und Wei se fokussiert.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, das ferner den Schritt des Beleuchtens einer analytischen Probe (206) mit einem Laserstrahl (202) umfaßt, um zu bewirken, daß die Probe Raman-gestreutes Licht emittiert, wobei die Raman-streuende Probe die Lichtquelle ist, die Licht emittiert, das durch die erste Linseneinheit parallel gerichtet werden soll.

16. Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 13 bis 15, das ferner den Schritt des Neigens eines planaren Arrays (240) des Lichtdetektors (204) bezüglich der op tischen Achse der zweiten Linseneinheit (224) aufweist.

17. Verfahren zum Herstellen eines Spektrographen (100) zum Analysieren von Licht von einer Lichtquelle mit folgen den Schritten:

(a) Befestigen einer Kollimationslinse (104) mit einer Blendenzahl von 1,7 oder weniger in einer Position bezüglich der Lichtquelle auf einem Träger, der art, daß Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, in einen im wesentlichen parallelen Strahl ausgerichtet wird, wobei die Linseneinheit minde stens eine Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche aufweist;
(b) Befestigen eines planaren Beugungsgitters (108) in einer Position auf dem Träger, um den parallel ge richteten Lichtstrahl zu beugen, derart, daß das gebeugte Licht erster Ordnung einen spitzen Winkel mit dem parallel gerichteten Strahl bildet;
(c) Befestigen einer Fokussierungslinseneinheit (122) in einer Position auf dem Träger, um das gebeugte Licht erster Ordnung zu fokussieren, wobei die Fo kussierungslinseneinheit mindestens eine Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche aufweist; und
(d) Befestigen eines planaren Lichtdetektors (126) auf dem Träger, derart, daß die Normale der Ebene des Lichtdetektors einen spitzen Winkel mit der opti schen Achse der Fokussierungslinse bildet, um deutliche, kompakte Abbildungen der Lichtquelle in verschiedenen Wellenlängen auf dem Lichtdetektor zu erhalten, wobei die zweite Linseneinheit eine Brennweite aufweist, die für die Lichtquelle eine Gesamtvergrößerung auf dem Detektor von 0,8 bis 2,0 schafft.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Verfahren zum Analysieren von Spektren mit einer Mehrzahl von inte ressierenden Wellenlängen dient, und wobei das Beu gungsgitter (108) von der zweiten Linseneinheit durch einen Abstand getrennt ist, der ausreichend ist, daß ein gebeugtes Licht verschiedener Wellenlängen in sei ner schmalen Dimension auf das 1,5- bis 3fache der Größe des Lichtstrahls, der das Gitter verläßt, ausge breitet wird, wenn dasselbe auf die zweite Linsenein heit trifft.

19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem die erste Linseneinheit (104) aus einer einzigen Linse mit minde stens einer ellipsoiden Oberfläche besteht und die zweite Linseneinheit (122) aus einer einzelnen Linse mit mindestens einer aphärischen, nicht-ellipsoiden, nicht-hyperboloiden, nicht-paraboloiden Oberfläche be steht.