DE3621464C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System eines Monochromators gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Allgemein bekannt sind Monochromatoren, deren optisches System aus zwei Spalten und einem Rowlandgitter besteht, d. h. aus einem Beugungsgitter, dessen Furchen mit gleichmäßigem Abstand an der konkaven kugelförmigen Fläche angeordnet sind. In diesen Monochromatoren ist das Gitter oder wenigstens einer der Spalte beweglich.

Der Nachteil der obengenannten Systeme ist deren großer Astigmatismus, d. h. ein optischer Fehler, der darin besteht, daß alle Punkte eines Spaltes durch das Gitter verzerrt abgebildet werden. Dieser Fehler erscheint derart, daß das Bild der Seitenkanten des Spaltes in der einen Ebene und das Bild der Ober- und Unterkante des Spaltes in einer anderen Ebene abgebildet wird, die erheblich von der ersten entfernt ist. Es existiert daher keine Möglichkeit, das Bild eines Spaltes im anderen Spalt abzubilden, was mit einem großen Verlust an Licht verbunden ist, das durch den Monochromator durchgelassen wird.

Bekannt sind zwei Verfahren zur bedeutenden Verminderung des Astigmatismus, d. h. des oben beschriebenen optischen Fehlers des Monochromators.

Das erste Verfahren besteht in der Anwendung von asphärischen, d. h. nicht kugelförmigen konkaven Flächen des Gitters. Die Herstellungstechnologie solcher Flächen ist jedoch extrem arbeits- und zeitaufwendig und mit großen Kosten verbunden.

Das zweite Verfahren, bekannt aus dem Lehrbuch der Firma JOBIN YVON mit dem Titel: "DIFFRACTION GRATINGS RULES AND HOLOGRAPHIC" 1976, besteht in der Anwendung von Gittern mit ungleichmäßigem Furchenabstand. Die Herstellungstechnologie solcher Gitter wird zwar schon gut beherrscht und ist auch verhältnismäßig ökonomisch, jedoch ergibt sich bei diesen Gittern der Nachteil der Unlinearität des durch sie entwickelten Spektrumbildes. Im Zusammenhang damit ist der Mechanismus, der die Wellenlänge des durch den Monochromator durchgehenden Lichtes verändert und anzeigt, kompliziert und teuer.

Allgemein bekannt sind auch Doppelmonochromatoren, bestehend aus zwei Monochromatoren mit Rowlandgitter, die eine Verminderung des sogenannten Parasitlichtes erstreben. Diese Monochromatoren weisen die gleichen oben dargestellten Fehler auf.

Aus der US-PS 35 75 511 ist ein Monochromator des Czerny- Turner Typs bekannt. Diese Monochromator weist ein ebenes Beugungsgitter und einen Konkavspiegel auf, der als Kollimator für das ein- und austretende Bündel dient. Bei dem bekannten Monochromator wird die Korrektur des Spektrumbildes durch einen in der Nähe des Eintrittsspaltes angeordneten unbeweglichen zylindrischen Konkavspiegel vorgenommen, der das gekrümmte Spektrumbild des Monochromators geraderichtet.

Aus der EP 00 98 429 A2 ist ein Doppelmonochromator mit konkaven Gittern bekannt, zwischen denen sich eine rotierende Scheibe mit einem spiraligen Schlitz und ein unbeweglicher sphärischer Hohlspiegel befinden, der den Auffächerungspunkt des einen Gitters im Auffächerungspunkt des anderen Gitters abbildet. Der Hohlspiegel dient hier als Kollektor.

Aus der DE 32 24 736 A1 ist ein Spektrometer mit einem konkaven Beugungsgitter und einem konkaven Spiegel bekannt, der sich außerhalb des optischen Systems des Spektrometers befindet. Der Spiegel erfüllt die Rolle eines Beleuchterobjektivs und bildet das Bild der Lichtquelle im Eintrittsspalt des Spektrometers ab, wobei das Licht vorher durch ein System austauschbarer Filter geführt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System eines Monochromators anzugeben, das auch bei Einsatz des üblichen Rowlandgitters nur einen minimalen Astigmatismus aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches System eines Monochromators, das zwei auf dem Rowlandkreis angeordnete Spalte sowie ein als Rowlandgitter ausgebildetes konkaves Beugungsgitter enthält, dadurch gelöst, daß ein zylindrischer Konkavspiegel vorgesehen ist, der drehbar um eine Achse, die durch den Mittelpunkt des Rowlandkreises geht und senkrecht zur Ebene dieses Kreises steht, gelagert ist, wobei eine in der Zylinderfläche des Konkavspiegels (Z) verlaufende Gerade in der Ebene des Rowlandkreises liegt und die Drehachse des Konkavspiegels schneidet und wobei sowohl die Spalte als auch das Rowlandgitter unbeweglich angeordnet sind.

Bei diesem optischen System eines Monochromators ist der Astigmatismus bedeutend vermindert trotz der Anwendung eines Gitters mit kugelförmiger Fläche und mit gleichmäßigem Furchenabstand. Die Wellenlängenänderung des durch den Monochromator durchgehenden Lichtes wird durch die einfache Drehung des den Astigmatismus korrigierenden Konkavspiegels durchgeführt.

Nachstehend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch das optische System eines Monochromators,

Fig. 2 den Querschnitt durch das optische System eines Doppelmonochromators.

Die Querschnitte liegen jeweils in der Symmetrieebene des angegebenen Systems.

Das in Fig. 1 dargestellte optische System eines Monochromators besteht aus zwei Spalten S 1 und S 2, einem konkaven Gitter D mit einem Radius RD der kugelförmigen Fläche sowie aus einem zylindrischen Konkavspiegel Z mit einem Radius RZ der Zylinderfläche. Die Spalte S 1 und S 2 sowie das Gitter D sind unbeweglich. Der Spiegel Z befindet sich in einer Drehfassung und ist um eine Achse drehbar, die zur Zeichnungsebene senkrecht steht und durch den Punkt P geht. Dieser Punkt P liegt in der optischen Achse des Gitters D genau in der Mitte zwischen dem Scheitel W und dem Mittelpunkt K der kugelförmigen Fläche des Gitters D. Die Achse der Zylinderfläche des Spiegels Z verläuft senkrecht zur Drehachse des Spiegels und die Gerade WT in dieser Zylinderfläche schneidet die Drehachse im Punkt P. Die Mittelpunkte der Spalte S 1 und S 2 liegen auf dem sogenannten Rowlandkreis OR, d. h. auf dem Kreis, der durch den Mittelpunkt K geht und mit dem Scheitel W der kugelförmigen Fläche des Gitters D in Berührung steht. Der Punkt P ist der Mittelpunkt des Kreises OR, daher teilt die Gerade WT den Kreis in zwei gleiche Teile, was zur Folge hat, daß der Spiegel Z alle Punkte des Kreises OR ebenfalls auf diesem Kreis abbildet. Die Eigenschaft des Rowlandgitters ist, daß es für die auf dem Rowlandkreis angeordneten Spalte ein scharfes Bild der Seitenkanten dieser Spalte auf dem Kreis abbildet. Für das divergente Lichtbündel, das vom Spalt S 1 ausgeht und vom Gitter D reflektiert wird, wäre ein entsprechendes Bild des Spaltes S 1 am Punkt O 1 entstanden; aber noch vor Erreichen des Punktes O 1 wird das Licht derart vom Spiegel Z reflektiert, daß es sich bei entsprechendem Einstellen dieses Spiegels in dem Spalt S 2 konzentriert und an dieser Stelle ein scharfes Bild von den Seitenkanten des Spaltes S abbildet. Die Ober- und Unterkanten des Spaltes S 1 würden durch das Gitter D am Punkt O 2 abgebildet, d. h. weit außerhalb des Kreises OR. Durch die Auswahl des entsprechenden Radius RZ der Zylinderfläche des Spiegels Z erreicht man, daß im Spalt S 2 auch ein scharfes Bild von den Ober- und Unterkanten des Spaltes S 1 gebildet wird, d. h. man gewinnt ein Bild, das vom Fehler des Astigmatismus befreit ist.

Für diverse Lichtquellenlängen bildet das Gitter D das Bild O 1 in diversen Punkten des Kreises OR ab. Durch eine entsprechende Drehung des Spiegels Z um die Drehachse, die durch den Punkt P geht, kann jeder dieser Punkte des Kreises im Mittelpunkt des Spaltes S 2 abgebildet werden. Hierin besteht das Einstellen des Monochromators auf die gewünschte Wellenlänge.

Entsprechend der Eigenschaften des Rowlandgitters ist die Größe der Wellenlängenänderung proportional zur Größe des Drehwinkels des Spiegels Z. Die Stellung des Spaltes S 1 auf dem Kreis OR wird derart ausgewählt, daß das durch diesen Spalt durchgehende Licht nicht auf die Kante des Spiegels Z fällt, unabhängig von der Winkeleinstellung dieses Spiegels im Rahmen des Winkelbereichs, der dem Meßbereich des Monochromators entspricht. Außerdem soll der Spiegel Z ausreichend lang sein, damit das vom Gitter D reflektierte Licht bei jeder seiner Winkeleinstellungen im Rahmen des Meßbereiches vollständig vom Spiegel Z reflektiert wird. Der Spiegelradius RZ soll die Gewinnung der optimalen Qualität des Bildes des Spaltes S 1 im Spalt S 2 bei einer Lichtwellenlänge, die dem Mittelpunkt des Meßbereiches entspricht, sichern. Dann ist der Astigmatismus des optischen Systems über den ganzen Meßbereich gering.

In Fig. 2 ist das optische System eines Doppelmonochromators dargestellt, bestehend aus zwei oben beschriebenen Systemen. Die einzelnen Systeme sind zueinander um den Halbkreis-Winkel (180°) gedreht und sie berühren sich in dem Punkt, der dem Mittelpunkt des Spaltes S 2 in Fig. 1 entspricht. Da am Berührungspunkt diese Systeme das Spektrumbild in entgegengesetzten Richtungen entwickeln, kann der Spalt S 2 weggelassen sein. Um die optisch aktive Fläche beider Gitter D 1 und D 2 besser auszunutzen, befindet sich am Berührungspunkt eine Glas- oder Quarzlinse S mit derart ausgewählter optischer Leistung, daß sie das Bild des Gitters D 1 an der Fläche des Gitters D 2 abbildet und umgekehrt. Der zusätzliche Vorteil des Systems nach Fig. 2 ist, daß die optische Achse des Lichtbündels, das in den Doppelmonochromator hineingeht sowie die optische Achse des Lichtbündels, das aus ihm herausgeht, ihre Richtung während des Verstellens der Wellenlänge des durchgelassenen Lichtes nicht ändern. Das ist ein Vorzug, den bekannte Monochromatoren mit Rowlandgitter nicht aufweisen.

Claims (1)

1. Optisches System eines Monochromators, enthaltend zwei auf dem Rowlandkreis angeordnete Spalte sowie ein als Rowlandgitter ausgebildetes konkaves Beugungsgitter, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Konkavspiegel (Z) vorgesehen ist, der drehbar um eine Achse, die durch den Mittelpunkt (P) des Rowlandkreises geht und zur Ebene dieses Kreises senkrecht steht, gelagert ist, wobei eine in der Zylinderfläche des Konkavspiegels (Z) verlaufende Gerade (WT) in der Ebene des Rowlandkreises liegt und die Drehachse des Konkavspiegels (Z) schneidet und wobei sowohl die Spalte (S 1, S 2) als auch das Rowlandgitter (D) unbeweglich angeordnet sind.