DE19736474A1

DE19736474A1 - Konkavbeugungsspektroskop und konkavbeugungsspektroskopisches Analyseverfahren

Info

Publication number: DE19736474A1
Application number: DE1997136474
Authority: DE
Inventors: Katsunobu Hama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-08-22
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 1998-02-26
Also published as: JPH1062248A

Description

Hintergrund der Erfindung Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konkavbeugungs spektroskop und ein konkavbeugungsspektroskopisches Analyse verfahren, und besonders solche, die gut für die Verwendung mit einer eindimensionalen Fotosensoranordnung als Lichtemp fänger geeignet sind.

Beschreibung des Stands der Technik

Die Funktion eines konkaven Beugungsgitters besteht nicht nur darin, die Wellenlängen von Licht zu dispergieren, sondern auch darin, der Dispersion ausgesetzte Lichtstrahlen zu fokussieren. Ein Konkavbeugungsspektroskop, welches das konkave Beugungsgitter enthält, wird deshalb, auch infolge der Verbesserung von dessen Leistungsfähigkeit, verbreitet für die Mikroanalysen in Biologie und Chemie eingesetzt.

Das Konkavbeugungsspektroskop wird häufig zusammen mit einer eindimensionalen Fotosensoranordnung verwendet. In diesem Fall ist die flächige Abbildung wichtig, bei der die der Wellenlängendispersion durch das konkave Beugungsgitter ausgesetzten Lichtstrahlen jeweils auf unterschiedliche Positionen in derselben Ebene oder in im wesentlichen der selben Ebene wie die der eindimensionalen Fotosensoranord nung fokussiert werden. Der Grund dafür liegt darin, daß, wenn die flächige Abbildung erreicht wird, die Ebene der Fotosensoranordnung und die Bildebene (Fokalebene) überein stimmen oder im wesentlichen übereinstimmen, so daß die Defokussierung eines geformten Bilds gemindert wird, wodurch eine Messung bei hoher Auflösung realisiert wird. Für den Fall, daß die Apertur des konkaven Beugungsgitters vergrö ßert wird, um die Helligkeit eines optischen Systems zu erhöhen, und daß die Breite eines Eingangsspalts mit der Absicht, eine hohe Auflösung zu erzielen, verengt wird, ist es besonders wichtig, die flächige Abbildung zu erzielen und die Bildebene in Übereinstimmung mit der Ebene der Fotosen soranordnung zu bringen, da die Auflösung des geformten Bildes durch dessen Defokussierung bestimmt wird.

Für die flächige Abbildung des konkaven Beugungsgitters relevante Techniken werden in den offiziellen Mitteilungen über offengelegte japanische Patentanmeldungen Nr. 137233/ 1981 und Nr. 225321/1983 beschrieben. Beide Techniken setzen eine eindimensionale Fotosensoranordnung als Lichtaufnehmer ein und haben die Durchführung einer Messung bei hoher Auf lösung als Ziel. Die erstere Technik von Nr. 137233/1981 ist ein Verfahren, bei dem eine horizontale Brennlinie durch die spezifizierte Anordnung eines holographischen Beugungsgit ters, eines Spalts und eines Sensors in die Nähe einer gera den Linie gebracht wird. Andererseits ist die letztere Tech nik aus Nr. 225321/1983 ein Verfahren, bei dem eine Sensor ebene durch die spezifizierte Anordnung eines mechanisch gekrümmten Beugungsgitters, eines Spalts und eines Sensors in Übereinstimmung mit einer vertikalen Brennlinie gebracht wird, und worin die Abweichungen einer horizontalen Brennli nie und der vertikalen Brennlinie minimiert werden, um da durch nicht nur die horizontale Brennlinie in die Nähe einer geraden Linie zu bringen, sondern auch den Astigmatismus zu verkleinern.

Die Technik nach Nr. 137233/1981 beabsichtigt, das gewünschte Ziel durch Vergrößern des Einfallswinkels eines schräg in das konkave Beugungsgitter einfallenden Licht strahls zu erreichen. Da jedoch α (der Einfallswinkel) und β (der Ausfallswinkel) und z (die Höhe des Spalts) sowie z′ (die Höhe eines Bilds) einander entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, vergrößert sich die Aberration oder Aufspreizung des Bilds mit Zunahmen der Absolutbeträge der Winkel α und β (der Absolutbetrag von β nimmt wie der des Winkels * zu). Folglich ist es bei der Technik nach Nr. 137233/1981 schwie rig, die dem großen Einfallswinkel zuzuschreibende Aufsprei zung des Bilds zu vermeiden. Andererseits ist das Verfahren nach Nr. 225321/1983 hinsichtlich der flächigen Abbildung nicht immer zufriedenstellend, und es widmet auch der Ver ringerung außeraxialer Aberration keine besondere Aufmerk samkeit.

Zusammenfassung der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Konkavbeu gungsspektroskop mit einfachem Aufbau bereitzustellen, das flächige Abbildung ohne Vergrößern des Einfallswinkels eines Lichtstrahls auf ein konkaves Beugungsgitter erreichen kann und außeraxiale Aberration verringern kann.

Um das Ziel zu erreichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Lichtstrahl emittiert, der Lichtstrahl Wellen längendispersion und dann Konvergenz ausgesetzt, die konver gierten Lichtstrahlen werden detektiert, und die Konvergenz positionen in den Richtungen der Lichtstrahlen werden ent sprechend Wellenlängen zwischen der Emission des Licht strahls und der Detektion der Lichtstrahlen kompensiert.

Zusätzlich umfaßt ein Konkavbeugungsspektroskop gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Emittieren eines als linear definierten Lichtstrahls; ein konkaves Beugungsgitter, das den durch die Lichtstrahlemissionsein richtung emittierten Lichtstrahl Wellenlängendispersion aussetzt und das jeweils die der Wellenlängendispersion ausgesetzten Lichtstrahlen fokussiert; und eine zwischen der Lichtquelle und dem konkaven Beugungsgitter angeordnete Ein richtung zum jeweiligen Fokussieren der durch das konkave Beugungsgitter zu fokussierenden, der Wellenlängendispersion ausgesetzten Lichtstrahlen auf unterschiedliche Positionen in einer identischen oder im wesentlichen identischen Ebene.

Für den Fall eines Spektroskops mit konkavem Beugungs gitter ist die außeraxiale Aberration (außeraxiale Wellen frontaberration) eines zu formenden Bilds im allgemeinen durch folgende Formel gegeben:

F11 = (sin α·z/þo + sin β·z′/γ h) (1)

α: Einfallswinkel (bezogen auf eine optische Achse),
β: Ausfallswinkel (bezogen auf die optische Achse),
z: Höhe (Länge) eines Spalts,
z′: Höhe eines Bilds,
w: Koordinate in der Tangentialebene eines konkaven Beugungsgitters (horizontale Richtung = Richtung der Disper sion) ,
l: Koordinate in der Tangentialebene des konkaven Beu gungsgitters (vertikale Richtung),
γ o: Abstand zwischen dem Spalt und dem konkaven Beu gungsgitter,
γ h: Abstand zwischen dem Bild und dem Mittelpunkt des konkaven Beugungsgitters.

Das Spektroskop gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die (vorzugsweise zwischen der Lichtquelle und dem konkaven Beugungsgitter angeordnete) Einrichtung zum Fokussieren der durch das konkave Beugungsgitter zu fokussierenden, der Wellenlängendispersion ausgesetzten Lichtstrahlen, auf je weils unterschiedliche Positionen in einer identischen oder im wesentlichen identischen Ebene. Deshalb wird ein größerer Effekt bei flächiger Abbildung erreicht, ohne den Einfalls winkel im Vergleich zu dem für einen Fall, daß die flächige Abbildung allein durch das konkave Beugungsgitter erreicht werden soll, zu vergrößern. Da außerdem der Einfallswinkel verkleinert werden kann, wird eine Verringerung der außer axialen Aberration eines Bilds erreicht. Folglich kann fest gehalten werden, daß die vorliegende Erfindung für den Fall, daß ein S/N-(Signal/Rausch-)Verhältnis durch Vergrößern des Querschnitts des linearen Lichtstrahls in dessen Längsrich tung verbessert werden soll, sehr effektiv ist. Ferner kann die zwischen der Lichtquelle und dem konkaven Beugungsgitter angeordnete Einrichtung zum Fokussieren der durch das konka ve Beugungsgitter zu fokussierenden, der Wellenlängendisper sion ausgesetzten Lichtstrahlen jeweils auf unterschiedliche Positionen in einer identischen oder im wesentlichen identi schen Ebene, gut eine einfache sein, zum Beispiel eine plan parallele Platte. Der Aufbau des gesamten Spektroskops ist deshalb sehr einfach. Mit anderen Worten wird, gemäß der vorliegenden Erfindung, das Konkavbeugungsspektroskop mit einfachem Aufbau bereitgestellt, das die flächige Abbildung erreichen kann, ohne den Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das konkave Beugungsgitter zu vergrößern, und das die außer axiale Aberration verringern kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm, das das optische System eines Spektrophotometers, das ein Spektroskop mit konkavem Beu gungsgitter in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung enthält, zeigt;

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Ausbreitung von Lichtstrahlen der Wellenlängen λ1 und λ2 basierend auf einer parallelen Glasplatte, die die Ausführungsform von Fig. 1 bildet, zeigt;

Fig. 3 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen den fokussierten Positionen (Brennlinie) von Lichtstrahlen individueller Wellenlängen und die Ebene eines Fotodioden sensors in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zeigt;

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Spektren als Beispiel dienender Wellenlängen zeigt;

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Spektren individueller Wellenlängen in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zeigt;

Fig. 6 ist ein Diagramm, das das optische System eines Spektrophotometers, das ein Spektroskop mit konkavem Beu gungsgitter in einer anderen Ausführungsform der vorliegen den Erfindung enthält, zeigt; und

Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Ausbreitung von Licht strahlen mit den Wellenlängen λ1 und λ2 basierend auf einer aplanatischen Linse zeigt, die die Ausführungsform in Fig. 6 bildet.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform gemäß der vorliegen den Erfindung. Von einer Lichtquelle (1) emittiertes Licht wird durch ein kondensierendes optisches (2) System auf eine Probe (3) projiziert. Durch die Probe (3) durchgelassenes Licht tritt in einen Spalt (4) ein, an dem ein als linear definierter Lichtstrahl erhalten wird. Der als linear defi nierte Lichtstrahl, dessen Lichtquelle der Spalt (4) ist, tritt schräg in ein konkaves Beugungsgitter (6) ein und wird einer Wellenlängendispersion ausgesetzt. Hinsichtlich des Verhältnisses zwischen der Richtung des Querschnitts des Lichtstrahls und derjenigen der Dispersion, stimmt eine Richtung othogonal zu der Längsrichtung des Querschnitts des Lichtstrahls mit der Richtung der Dispersion überein. Die der Dispersion ausgesetzten Lichtstrahlen werden jeweils durch das konkave Beugungsgitter (6) fokussiert. Das bedeu tet, daß die Bilder des Spalts (4) an Positionen geformt werden, die sich für jeweilige Wellenlängen unterscheiden. Die fokussierten Lichtstrahlen werden als Fotoströme abge leitet. Hierin unterzieht ein Signalverarbeitungssystem (8) die Fotoströme einer Strom-Spannungs-Wandlung und unterzieht ferner die sich ergebenden Spannungen einer Analog-Digital- Wandlung. Somit wird der Absorptionsgrad der Probe (3) ge messen.

Allein mit dem konkaven Beugungsgitter (6) werden die zu fokussierenden Bilder nicht streng auf der Ebene (7) einer eindimensionalen Fotodioden-Sensoranordnung geformt, sondern sie werden auf einer in Fig. 3 durch eine gestri chelte Linie angedeuteten Brennlinie (horizontalen Brenn linie) geformt. Obwohl die Bilder idealerweise auf der Ebene (7) der Fotodioden-Sensoranordnung geformt werden sollten, ist der Idealzustand tatsächlich schwer zu erreichen. Es ist jedoch möglich, die Bilder annähernd auf der Ebene (7) der Fotodioden-Sensoranordnung (7) zu formen. Die annähernde Formung von Bildern kann auf eine Art und Weise erreicht werden, daß eine transparente planparallele Platte, nämlich eine planparallele Glasplatte (5a), zwischen dem Spalt (4) und dem konkaven Beugungsgitter (6) als ein Element mit der Funktion zur Dispersion von Wellenlängen angeordnet wird.

Genauer gesagt werden, für den Fall, daß der Licht strahl aus dem Spalt (4), wie in Fig. 2 dargestellt, an einem Punkt S in die planparallele Glasplatte (5a) eingetre ten ist, die Lichtstrahlen der Wellenlängen λ1 und λ2 aus der Glasplatte (5a) mit einem durch die unterschiedlichen Brechungsindizes dieser Glasplatte für die Wellenlängen verursachten Abstand dazwischen austreten. Hinsichtlich der Fokussierung der Lichtstrahlen der Wellenlängen λ1 und λ2 kann folglich ausgesagt werden, daß Positionen 01 und 02 die Spaltpositionen (äquivalenten Spaltpositionen) der jeweili gen Wellenlängen λ1 und λ2 sind. Dieser Aspekt der Fokussie rung ist mit sphärischer Aberration verbunden. Da die sphä rische Aberration jedoch schwach ist, kann sie vernachläs sigt werden.

Die Fokussierungsformel der horizontalen Brennlinie des konkaven Beugungsgitters ist gegeben durch:

γ hi = R cos 2 β i/{cos α + cos β i -(R/γ o) cos 2 α - (2 λ i/σ o) b2} (2)

R: Krümmungsradius des konkaven Beugungsgitters,
σ o: Beugungsspaltweite des Gitters am Mittelpunkt des konkaven Beugungsgitters,
b2: Parameter des konkaven Beugungsgitters für unglei chen Abstand.

Die folgende Formel erhält man aus Formel (2):

d(γ h)/d(γ o) = - (γ h - cos α/γ o/cos β) 2 (3)

Soll folglich der Lichtstrahl der Wellenlänge λi um das Ausmaß þþh verschoben werden, kann die äquivalente Spaltpo sition um das folgende Ausmaß verschoben werden:

Δ γ o = - Δ γ h·(γ h·cos α/γ o/cos β)2 (4)

Idealerweise sollten alle Brennpunkte aller Meßwellen längen mit der Sensorebene (7) übereinstimmen, aber die Erreichung eines derartigen Idealzustands ist in Wirklich keit schwierig. Wie in Fig. 3 gezeigt, befindet sich die Sensorebene (7) deshalb an einer Position, die für die Brennpunkte aller Meßwellenlängen gemittelt ist, das heißt an einer Position, an der der Maximalwert der Abweichungen der Brennpunkte minimal wird. Somit wird ein nahezu idealer Zustand erreicht.

Tabelle 1 listet die Abweichungen der Brennpunkte indi vidueller Wellenlängen von der Sensorebene (7) (Abweichungen für ein häufig verwendetes Beispiel) auf, wie sie unter den Bedingungen α = 3°, σ = 1/400 mm, b2 = 0,245, R = 120 mm und γ o = 115 mm ohne Verwenden der planparallelen Glasplatte (5a) erhalten wurden. Tabelle 2 listet andererseits die Abweichungen der Brennpunkte individueller Wellenlängen von der Sensorebene (7) (Abweichungen in einem Beispiel für die vorliegende Erfindung) auf, wie sie unter den Bedingungen erhalten wurden, daß die planparallele Glasplatte (5a) mit einer Dicke von 38,5 mm direkt hinter dem Spalt (4) angeord net war, und daß das für eine Wellenlänge von þ = 800 nm auf 115 mm gesetzte þo für die jeweiligen Wellenlängen entspre chend Formel (4) verändert wurde.

TABELLE 1

TABELLE 2

Wie aus den Tabellen hervorgeht, beträgt die maximale Abweichung gemäß der vorliegenden Erfindung etwa 1/5 und die Brennpunkte der Lichtstrahlen der jeweiligen Wellenlängen stimmen näherungsweise mit der Sensorebene überein. Folglich wird das Ausmaß an Defokussierung jedes Bildes ebenfalls zu etwa 1/5.

Fig. 4 zeigt die Spektren der jeweiligen Wellenlängen für das Beispiel mit den in Tabelle 1 angegebenen Abweichun gen, während Fig. 5 die jeweiligen Wellenlängen in dem Bei spiel für die vorliegende Erfindung mit den kleineren Abwei chungen wie in Tabelle 2 angegeben zeigt. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, beträgt die Wellenlängenauflösung des auf dem Beispiel für die vorliegende Erfindung basierenden Spektroskops ebenfalls etwa 1/5.

Gemäß der obigen Ausführungsform kann die flächige Abbildung erreicht werden, ohne den Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das konkave Beugungsgitter zu vergrößern, und die Verringerung der außeraxialen Aberration des Spek troskops kann erreicht werden. Außerdem wird zum Erzielen der Effekte nur die einfache planparallele Glasplatte (5a) hinzugefügt. Der Aufbau des Spektroskops ist folglich sehr einfach.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegen den Erfindung und Fig. 7 zeigt die Ausbreitung von Licht strahlen der Wellenlängen λ1 und λ2. In Fig. 6 sind densel ben Bestandteilen dieselben Symbole wie in Fig. 1 zugeord net. Der Unterschied zu Fig. 1 besteht darin, daß zwischen dem Spalt (4) und dem konkaven Beugungsgitter (6) anstelle der planparallelen Glasplatte (5a) eine aplanatische Linse (5b) eingefügt ist. Für den Fall der aplanatischen Linse (5b) gilt die folgende Gleichung:

γ o = (1 + n) · R + C oder γ o = (1 + 1/n) · R + C (5)

γ o: wie in Formel (1),
RR: Krümmungsradius der aplanatischen Linse,
n: Brechungsindex der aplanatischen Linse,
C: Konstante.

Der Brechungsindex n ändert sich quadratisch mit der Wellenlänge λ. Deshalb weist auch die aplanatische Linse (5b) eine Wellenlängendispersion auf. Auch mit der aplanati schen Linse (5b) können folglich die Brennpunkte der Licht strahlen der jeweiligen Wellenlängen annähernd in Überein stimmung mit der Sensorebene gebracht werden. Falls ein "UBK7" (Handelsbezeichnung) als aplanatische Linse (5b) eingesetzt wird, können zu denen der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform äquivalente Effekte hinsichtlich der flächi gen Abbildung erzielt werden, indem deren Dicke auf 5 mm, der Krümmungsradius von deren Oberfläche A auf 38,5 mm, und der Krümmungsradius von deren Oberfläche B auf 26,5 mm ge setzt werden.

Die aplanatische Linse (5b) hat offensichtlich eben falls einen einfachen Aufbau. Zusätzlich ist die aplanati sche Linse (5b) viel dünner als die planparallele Glasplatte (5a). Dies bedeutet, daß die Absorption des Spektroskops für ultraviolette Strahlung verkleinert werden kann, mit anderen Worten, daß der Transmissionsgrad des Spektroskops für die ultraviolette Strahlung vergrößert werden kann. Ferner kann wegen der aplanatischen Linse (5b) verhindert werden, daß die äquivalenten Spaltpositionen (Lichtquellenpositionen) 01 und 02 (siehe Fig. 7) der Lichtstrahlen der Wellenlängen λ1 und λ2 durch Linsenaberrationen aufgespreizt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Konkavbeu gungsspektroskop mit einfachem Aufbau bereitgestellt, das eine flächige Abbildung erreichen kann, ohne den Einfalls winkel eines Lichtstrahls auf ein konkaves Beugungsgitter zu vergrößern, und das außeraxiale Aberration verringern kann.

Claims

1. Spektroskop mit konkavem Beugungsgitter, das umfaßt:
eine Emissionsquelle (1) zum Emittieren eines als linear definierten Lichtstrahls; ein konkaves Beugungsgitter (6), das den durch die Lichtstrahlemissionseinrichtung (1) emit tierten Lichtstrahl einer Wellenlängendispersion aussetzt, und das die der Wellenlängendispersion ausgesetzten Lichtstrahlen jeweils fokussiert; und eine optische Vorrichtung, die zwi schen der Lichtquelle (1) und dem konkaven Beugungsgitter (6) angeordnet ist, zum Fokussieren der der Wellenlängendis persion ausgesetzten, durch das konkave Beugungsgitter (6) zu fokussierenden Lichtstrahlen auf jeweils unterschiedliche Positionen in einer identischen oder im wesentlichen identi schen Ebene (7).

2. Spektroskop mit konkavem Beugungsgitter nach An spruch 1, bei dem die Fokussierungseinrichtung aus einer transparenten planparallelen Platte (5a) besteht.

3. Spektroskop mit konkavem Beugungsgitter nach An spruch 1, bei dem die Fokussierungseinrichtung aus einer aplanatischen Linse (5b) besteht.

4. Spektroskop mit konkavem Beugungsgitter das umfaßt:
eine Lichtquelle (1), die einen Lichtstrahl emittiert, ein konkaves Beugungsgitter (6), das den Lichtstrahl einer Wel lenlängendispersion und dann Konvergenz aussetzt, einen Detektor, der die konvergierten Lichtstrahlen detektiert, und einen Kompensierer, der zwischen der Lichtquelle und dem Detektor eingefügt ist, und der entsprechend den Wellenlän gen Konvergenzpositionen in Richtungen der konvergierten Lichtstrahlen kompensiert.

5. Spektroskop mit konkavem Beugungsgitter nach An spruch 4, das ferner umfaßt: einen Spalt (4), der einem spezifizierten Anteil des Lichtstrahls den Durchgang er laubt, und von dem ein Bild auf dem Detektor geformt wird.

6. Spektroskop mit konkavem Beugungsgitter nach An spruch 5, bei dem der Detektor die konvergierten Lichtstrah len entsprechend den der Dispersion ausgesetzten Wellenlän gen detektiert.

7. Spektroskop mit konkavem Beugungsgitter nach An spruch 6, bei dem der Detektor eine eindimensionale Foto diodenanordnung ist.

8. Spektroskop mit konkavem Beugungsgitter nach An spruch 6, bei dem der Kompensierer zwischen der Lichtquelle und dem konkaven Beugungsgitter eingefügt ist.

9. Verfahren zur spektroskopischen Analyse mit konkavem Beugungsgitter, das umfaßt: Emittieren eines Lichtstrahls, Aussetzen des Lichtstrahls einer Wellenlängendispersion und dann Konvergenz, Detektieren der konvergierten Lichtstrah len, und Kompensieren von Positionen der Konvergenz in Rich tungen der konvergierten Lichtstrahlen entsprechend Wellen längen zwischen der Emission des Lichtstrahls und der Detek tion der konvergierten Lichtstrahlen.

10. Verfahren zur spektroskopischen Analyse mit konka vem Beugungsgitter nach Anspruch 9, bei dem ein spezifizier ter Teil des Lichtstrahls durch einen Spalt gelassen wird, und ein Bild des Spalts geformt und detektiert wird.

11. Verfahren zur spektroskopischen Analyse mit konka vem Beugungsgitter nach Anspruch 10, bei dem die Detektion entsprechend den der Dispersion ausgesetzten Wellenlängen erfolgt.

12. Verfahren zur spektroskopischen Analyse mit konka vem Beugungsgitter nach Anspruch 10, bei dem die Kompensati on zwischen der Emission des Lichtstrahls und der Wellenlän gendispersion erfolgt.