DE29716331U1 - Imaging compact spectrograph - Google Patents
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Description
Abbildender KompaktspektrographImaging compact spectrograph
Die Erfindung betrifft einen hoch ortsauflösenden Spektrographen, der infolge seiner einfachen, kleinen und kompakten Bauform insbesondere für die industrielle Prozeßanalyse, biologisch-medizinische Untersuchungen, wie auch für die Weltraumforschung (remote sensing) geeignet ist. Er kann aber ebenso an andere Meßaufgaben angepaßt werden.The invention relates to a high spatial resolution spectrograph which, due to its simple, small and compact design, is particularly suitable for industrial process analysis, biological and medical examinations, as well as for space research (remote sensing). However, it can also be adapted to other measuring tasks.
Der Spektrograph ist vom Offner-Typ und enthält in seinem optischen Aufbau ein monozentrisches Konkav-Konvex-Spiegelsystem. Der Eintrittsspalt und die Bildebene befinden sich in Ebenen, die in etwa die gleiche Entfernung zum Scheitelpunkt des Konkavspiegels haben. Der konvexe Spiegel wird durch ein Reflexionsbeugungsgitter mit konvexer Gitterfläche realisiert. Durch den symmetrischen Aufbau des optischen Systems werden Abbildungsfehler durch Koma und Verzeichnung vermieden. Sphärische Aberration und Astigmatismus können so klein gehalten werden, daß mit dem Spiegelsystem gute Abbildungsleistungen erzielt werden.The spectrograph is of the Offner type and contains a monocentric concave-convex mirror system in its optical structure. The entrance slit and the image plane are located in planes that are approximately the same distance from the vertex of the concave mirror. The convex mirror is realized by a reflection diffraction grating with a convex grating surface. The symmetrical structure of the optical system prevents imaging errors due to coma and distortion. Spherical aberration and astigmatism can be kept so small that good imaging performance can be achieved with the mirror system.
Die Verwendung von Offner-Spiegelsystemen in Spektrographen ist bereits aus den Veröffentlichungen von Lobb, D.R., „Theory of concentratic designs for grating spectrometers", Applied Optics (1994), S. 2648 - 2658 und von Reininger, F., Near ultra-violet visible infrared mapping spectrometer (NU-VTMS), SPIE (1994), S. 332 - 344 bekannt. Lobb verwendet ein auf den Konvexspiegel aufgebrachtes Gitter, Reininger benutzt für sein Konzept eines hochauflösenden Spektralapparates für Wellenlängen zwischen 0,25 und 5 &mgr;&eegr;&igr; ein Offner-System, bei dem sich ein holographisches Beugungsgitter mit konvexer Fläche an der Stelle des Konvexspiegels befindet. Das Gerät ist vorzugsweise für Weltraumuntersuchungen vorgesehen und erreicht innerhalb eines ausgedehnten Spektralbereiches gute Ergebnisse hinsichtlich des spektralen und örtlichen Auflösungsvermögens durch Maßnahmen, wie die Verwendung zusätzlicher Umlenkspiegel zur Mehrfachbeugung, den Einsatz von holographischen Gittern mit komplizierter Charakteristik und von zwei Bildebenen mitThe use of Offner mirror systems in spectrographs is already known from the publications of Lobb, D.R., "Theory of concentric designs for grating spectrometers", Applied Optics (1994), pp. 2648 - 2658 and Reininger, F., Near ultra-violet visible infrared mapping spectrometer (NU-VTMS), SPIE (1994), pp. 332 - 344. Lobb uses a grating applied to the convex mirror, Reininger uses an Offner system for his concept of a high-resolution spectral device for wavelengths between 0.25 and 5 μηλ, in which a holographic diffraction grating with a convex surface is located in the place of the convex mirror. The device is primarily intended for space investigations and achieves good results in terms of spectral and local resolution within an extended spectral range. resolution through measures such as the use of additional deflection mirrors for multiple diffraction, the use of holographic gratings with complicated characteristics and two image planes with
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entsprechenden Detektorarrays, jeweils getrennt für den UV/sichtbaren und den infraroten Bereich. Ein erheblicher apparativer Mehraufwand und die Verwendung zusätzlicher und auch teurer optischer Bauelemente ist dafür erforderlich. Mit der DE-OS 195 37 949 wird ein konzentrisches Spektrometer vom Offner-Typ vorgeschlagen, bei dem als Dispersionselement ein oder mehrere Prismen mit gekrümmten Flächen eingesetzt werden, wobei eine der Prismenflächen als konvexe Spiegelfläche ausgebildet ist. Diese, auch als Fery-Prismen bezeichneten Dispersionselemente sind sphärisch oder auch asphärisch gekrümmt. Durch die Kombination mehrerer Prismen aus unterschiedlichen optischen Materialien wird die Linearität der Dispersion verbessert. Neben einem geteilten Konkavspiegel mit Teilspiegeln mit teilweise unterschiedlichen Radien und/oder Krümmungsmittelpunkten sind weitere Korrekturglieder, wie Linsen zwischen dem Eintrittsspalt und dem ersten Konkavspiegel bzw. zwischen dem zweiten Konkavspiegel und der Bildebene usw. vorgesehen. Nur so läßt sich die angegebene hohe Ortsauflösung von etwa 30 &mgr;&eegr;&igr; bei Spalthöhen von 12 bis 30 mm erreichen. Der erforderliche Mehraufwand durch die Verwendung zusätzlicher optischer Bauelemente mit zum Teil geneigten Achsen erhöht den Fertigungs- und Justieraufwand. Außerdem vergrößern die Maßnahmen zur Korrektur der Nichtlinearität der Dispersion die äußeren Abmessungen des Spektrometers ganz beträchtlich.corresponding detector arrays, each separately for the UV/visible and the infrared range. This requires a considerable amount of additional equipment and the use of additional and expensive optical components. DE-OS 195 37 949 proposes a concentric spectrometer of the Offner type, in which one or more prisms with curved surfaces are used as the dispersion element, with one of the prism surfaces being designed as a convex mirror surface. These dispersion elements, also known as Fery prisms, are spherically or aspherically curved. The linearity of the dispersion is improved by combining several prisms made of different optical materials. In addition to a divided concave mirror with partial mirrors with partially different radii and/or centers of curvature, further correction elements are provided, such as lenses between the entrance slit and the first concave mirror or between the second concave mirror and the image plane, etc. This is the only way to achieve the specified high spatial resolution of around 30 μηδ at slit heights of 12 to 30 mm. The additional effort required by the use of additional optical components with partially inclined axes increases the manufacturing and adjustment effort. In addition, the measures to correct the non-linearity of the dispersion increase the external dimensions of the spectrometer considerably.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung für einen Spektrographen für vielfältige Anwendungsbereiche zu schaffen, die unter Verwendung einer möglichst geringen Anzahl optischer Bauelemente eine kleine und kompakte Bauausführung des Gerätes gestattet. Der Spektrograph soll zudem im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 780 nm auch für größere Spalthöhen ein gutes örtliches und spektrales Auflösungsvermögen besitzen.It is therefore the object of the invention to create an arrangement for a spectrograph for a wide range of applications, which allows a small and compact design of the device using the smallest possible number of optical components. The spectrograph should also have a good local and spectral resolution in the wavelength range between 380 nm and 780 nm even for larger slit heights.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Spektrographenanordnung mit, entlang des Lichtweges nacheinander angeordnet, einem Eintrittsspalt, einem Konkavspiegel und einem konvexen holographischen Beugungsgitter sowie einer Bildebene mit Detektorarrays, wobei der Konkavspiegel und das konvexe Beugungsgitter ein monozentrisches SpiegelsystemThe object is achieved according to the invention with a spectrograph arrangement with, arranged one after the other along the light path, an entrance slit, a concave mirror and a convex holographic diffraction grating as well as an image plane with detector arrays, whereby the concave mirror and the convex diffraction grating form a monocentric mirror system
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bilden und der Konkavspiegel das Licht des Eintrittsspaltes auf das Beugungsgitter reflektiert und das gebeugte Licht anschließend in einer Bildebene zur Konvergenz bringt, dadurch gelöst, daß der Radius des Konkavspiegels eine Größe von einem 1,8 - bis 2,1 fachen des Radius der konvexen Spiegelfläche des Beugungsgitters besitzt und der Abstand zwischen Konkavspiegel und Beugungsgitter gleich dem 0,8 - bis 1,1 fachen der Größe des Radius der konvexen Spiegelfläche des Beugungsgitters ist.form and the concave mirror reflects the light from the entrance slit onto the diffraction grating and then causes the diffracted light to converge in an image plane, is solved by the radius of the concave mirror being 1.8 to 2.1 times the radius of the convex mirror surface of the diffraction grating and the distance between the concave mirror and the diffraction grating being 0.8 to 1.1 times the radius of the convex mirror surface of the diffraction grating.
Vorteilhafterweise fallen die Krümmungsmittelpunkte des Konkavspiegels und des konvexen Beugungsgitters annähernd zusammmen.Advantageously, the centers of curvature of the concave mirror and the convex diffraction grating approximately coincide.
Von Vorteil ist es auch, wenn der Eintrittsspalt und/oder das Detektorarray entlang ihrer Ortsachse (Y-Achse) und/oder ihrer Spektralachse (X-Achse) veränderlich positionierbarIt is also advantageous if the entrance slit and/or the detector array can be variably positioned along their spatial axis (Y-axis) and/or their spectral axis (X-axis).
Der erfindungsgemäße Spektrograph erreicht bei einer Öffnung F/3 und einer Gesamtspalthöhe von über 8 mm über sein gesamtes Bildfeld eine räumliche Auflösung von < 50 &mgr;&eegr;&igr;, wobei mit dieser Feldgröße seine Leistungsgrenze noch nicht überschritten ist. Mit einer Lineardispersion von 61,5 nm/mm bei einer Wellenlänge von 380 nm und einer Breite des Eintrittsspaltes von 0,1 &mgr;&igr;&eegr; beträgt die spektrale Auflösung &Dgr;&lgr; = 6 nm. Durch seine äußeren Abmessungen von nur 140 mm &khgr; 160 mm &khgr; 85 mm und ein. Gewicht von etwa 1,2 kg läßt sich das Gerät leicht handhaben und macht es für vielfältige Anwendungen in der Industrie, der Medizin und Umweltsanalytik sowie für die Forschung und Lehre interessant.The spectrograph according to the invention achieves a spatial resolution of < 50 μηλ over its entire image field with an aperture of F/3 and a total slit height of over 8 mm, although its performance limit is not yet exceeded with this field size. With a linear dispersion of 61.5 nm/mm at a wavelength of 380 nm and an entrance slit width of 0.1 μηλ, the spectral resolution Δλ = 6 nm. Due to its external dimensions of only 140 mm x 160 mm x 85 mm and a weight of around 1.2 kg, the device is easy to handle and makes it interesting for a wide range of applications in industry, medicine and environmental analysis as well as for research and teaching.
Die Erfindung soll anhand von zwei Ausführungsbeispielen und mehreren Abbildungen näher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail using two embodiments and several figures.
Fig. A schematisch den optischen Strahlenverlauf im erfindungsgemäßen Spektrographen,Fig. A schematically shows the optical beam path in the spectrograph according to the invention,
Fig. Al ein Spotdiagramm des Spektrographen bei einer Öffnung F/3 für dieFig. Al is a spot diagram of the spectrograph at an aperture F/3 for the
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Spaltpunkte - 4,4 mm, O mm und + 4,4 mm des Eintrittsspaltes bei einer Wellenlänge von 380 ran,Slit points - 4.4 mm, O mm and + 4.4 mm of the entrance slit at a wavelength of 380 ran,
Fig. A2 ein Spotdiagramm entsprechend Fig. Al bei einer Wellenlänge von 580 nm undFig. A2 a spot diagram corresponding to Fig. Al at a wavelength of 580 nm and
Fig. A3 ein Spotdiagramm entsprechend Fig.Al bei einer Wellenlänge von 780 nm.Fig. A3 is a spot diagram corresponding to Fig.A1 at a wavelength of 780 nm.
In Fig. A gelangt die Strahlung durch einen Eintrittsspalt (1) auf einen Konkavspiegel (2). Der Eintrittsspalt ist seitlich versetzt von einer Bezugsachse Z angeordnet. Das Spaltzentrum hat die Koordinaten (12,2; 37,6; -139,38). Die Gesamthöhe des Eintrittsspaltes beträgt 9 mm. Der Konkavspiegel (2) befindet sich mit seinem Scheitelpunkt auf der Bezugsachse Z. Er hat einen Krümmungsradius von -139,9 mm. Der Durchmesser und die Höhe des Konkavspiegels betragen 135 mm bzw. 65 mm, die Scheitelkoordinaten sind mit (0; 0; 0) als Koordinatenursprung festgelegt. Das holographische Beugungsgitter (3) ist in Z-Richtung in einer Entfernung von - 66,92 mm zum Konkavspiegel angeordnet. Damit bestimmen sich die Koordinaten seines Scheitelpunktes auf der konvexen Spiegelfläche (4) durch (0; 0; - 66,92 ). Die konvexe Spiegelfläche mit den holographischen Gitterstrukturen hat einen Krümmungsradius von 73,5 mm. Der Abstand zwischen den Krümmungsmittelpunkten des Konkavspiegels (2) und der Spiegelfläche (4) beträgt 0,52 mm. Die Öffhungsblende liegt auf der Spiegelfläche. Für eine Öffnungsverhältnis F/3 ist der Gitterdurchmesser 25,4 mm. Die Teilung des Gitters ist klassisch, d.h. die Gitterfurchen sind äquidistante Linien in ihrer Projektion auf die Tangentialebene im Scheitelpunkt. Die Furchenzahl beträgt 224 Linien/mm. Die gemessene Beugungseffizienz hat in 1. Ordnung je nach Wellenlänge Werte zwischen 24 bis 27 %.In Fig. A, the radiation passes through an entrance slit (1) onto a concave mirror (2). The entrance slit is arranged laterally offset from a reference axis Z. The slit center has the coordinates (12.2; 37.6; -139.38). The total height of the entrance slit is 9 mm. The concave mirror (2) is located with its vertex on the reference axis Z. It has a radius of curvature of -139.9 mm. The diameter and height of the concave mirror are 135 mm and 65 mm respectively, the vertex coordinates are set with (0; 0; 0) as the coordinate origin. The holographic diffraction grating (3) is arranged in the Z direction at a distance of - 66.92 mm from the concave mirror. The coordinates of its vertex on the convex mirror surface (4) are thus determined by (0; 0; - 66.92). The convex mirror surface with the holographic grating structures has a radius of curvature of 73.5 mm. The distance between the centers of curvature of the concave mirror (2) and the mirror surface (4) is 0.52 mm. The aperture stop is on the mirror surface. For an aperture ratio of F/3, the grating diameter is 25.4 mm. The grating is divided in a classic way, i.e. the grating grooves are equidistant lines in their projection onto the tangential plane at the vertex. The number of grooves is 224 lines/mm. The measured diffraction efficiency in the first order has values between 24 and 27%, depending on the wavelength.
Die gebeugte Strahlung gelangt erneut auf den Konkavspiegel (2) und erzeugt in der Bildebene (5) mit Detektorarray ein Spektralbild. Der Abstand zwischen Konkavspiegel und Bildebene beträgt -139,5 mm. Die Koordinaten des Detektorzentrums sind (- 2,72; - 37,6;The diffracted radiation again reaches the concave mirror (2) and creates a spectral image in the image plane (5) with the detector array. The distance between the concave mirror and the image plane is -139.5 mm. The coordinates of the detector center are (- 2.72; - 37.6;
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- 139,5 ). In der Bildebene wird eine Lineardispersion des Spektrums von 61,5 nm / mm bei einer Wellenlänge von 380 nm und 61,8 nm / mm bei einer Wellenlänge von 780 nm gemessen. Mit einer Neigung der Detektorebene von -3,085° um die X-Achse erzielt man bei einer Spalthöhe von 8,8 mm für die Bezugswellenlänge von 633 nm eine räumliche Auflösung von < 50 &mgr;&eegr;&igr; bzw. > 10 Linien / mm. Die spektrale Auflösung beträgt für eine Spaltbreite von 0. lmm etwa 6,1 nm.- 139.5 ). In the image plane, a linear dispersion of the spectrum of 61.5 nm / mm at a wavelength of 380 nm and 61.8 nm / mm at a wavelength of 780 nm is measured. With an inclination of the detector plane of -3.085° around the X-axis, a spatial resolution of < 50 μηλ or > 10 lines / mm is achieved at a slit height of 8.8 mm for the reference wavelength of 633 nm. The spectral resolution is approximately 6.1 nm for a slit width of 0.1 mm.
Fig. Al zeigt ein Spotdiagramm des Ausführungsbeispiels für die Spaltpunkte Y = - 4,4 mm; 0 mm und + 4,4 mm (Ordinate) für die Wellenlänge 380 nm. Auf der Abzissenachse ist als Maß der jeweilige Abstand der Bildebene zu der optimalen Einstellebene (Defokussierung) aufgetragen. Die Spotgröße beträgt für das Spaltzentrum 19 &mgr;&idiagr;&eegr;, für die Ortskoordinaten + 4,4 mm und - 4,4 mm jeweils ca. 50 &mgr;&eegr;&igr;.Fig. Al shows a spot diagram of the embodiment for the slit points Y = - 4.4 mm; 0 mm and + 4.4 mm (ordinate) for the wavelength 380 nm. The respective distance of the image plane to the optimal adjustment plane (defocusing) is plotted on the abscissa axis as a measure. The spot size is 19 μηη for the slit center, and approximately 50 μηη for the location coordinates + 4.4 mm and - 4.4 mm.
Fig. A2 und A3 zeigen entsprechende Spotdiagramme für Wellenlängen von 580 und 780 nm. Für eine Wellenlänge von 580 nm sind die Spotgrößen 21, 50 und 46 &mgr;&eegr;&igr; sowie 22,48 und 45 &mgr;&eegr;&igr; für 780 nm Wellenlänge.Fig. A2 and A3 show corresponding spot diagrams for wavelengths of 580 and 780 nm. For a wavelength of 580 nm, the spot sizes are 21, 50 and 46 μηδ and 22,48 and 45 μηδ for 780 nm wavelength.
Die Daten für ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung sind in der nachstehenden Tabelle angegeben:The data for a further embodiment according to the invention are given in the table below:
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Tabelle zu Ausfuhrungsbeispiel 2Table for Example 2
Claims (7)
Priority Applications (1)
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| DE29716331U DE29716331U1 (en) | 1997-09-11 | 1997-09-11 | Imaging compact spectrograph |
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Family Applications (1)
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| DE29716331U Expired - Lifetime DE29716331U1 (en) | 1997-09-11 | 1997-09-11 | Imaging compact spectrograph |
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- 1997-09-11 DE DE29716331U patent/DE29716331U1/en not_active Expired - Lifetime
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Effective date: 20051006 |
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