DE3888813T2

DE3888813T2 - Spektralphotometer mit Verwendung eines konkaven holographischen Beugungsgitters.

Info

Publication number: DE3888813T2
Application number: DE3888813T
Authority: DE
Inventors: James J Sullivan
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1987-12-30
Filing date: 1988-12-14
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2008-12-15
Also published as: JPH01213530A; JP2760825B2; EP0322654A2; HK90694A; EP0322654A3; US4815849A; EP0322654B1; DE3888813D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer, das ein konkaves, holographisches Beugungsgitter benutzt, um das Licht wellenlängenmäßig zu trennen. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Spektrometer, das ein konkaves Beugungsgitter benutzt, welches eine bessere Fokussierung, bessere Helligkeit und geringeren Astigmatismus über einen weiten Längenwellenbereich erreicht.

Hintergrund der Erfindung

Spektrometer mit konkavem Gitter trennen Licht wellenlängenmäßig, um so das Ausmessen oder Aufzeichnen einer oder mehrerer der Wellenlängen zu erlauben. In ihrer einfachsten Form bestehen sie aus einem optischen Detektor, einem konkaven Gitter und einem Eingangsschlitz, durch den ein Strahl des Lichtes auf das Gitter gerichtet wird. Das Gitter besteht aus einer sphärischen reflektierenden Oberfläche, das mit einem feinen Muster aus Rillen bedeckt ist, im allgemeinen parallel und gleichmäßig beabstandet. Die gekrümmte Gitteroberfläche hat sowohl das Trennen der Wellenlängen als auch das Fokussieren des Lichtes als Wirkung.
Die Fokussierungseigenschaft eines konkaven Gitters ist sowohl gut als auch schlecht. Sie ist gut dahingehend, daß keine Hilfs-Fokussierungsvorrichtungen erforderlich sind, so wie sphärische Spiegel, um das Licht auf den Detektor des Spektrometers zu fokussieren. Dies führt zu geringen Kosten, Einfachheit beim Instrument und, im Vakuum-Ultraviolett (UVU)-Wellenlängenbereich, zu einem Vermeiden von Lichtverlustmechanismen, die mit Hilfsvorrichtungen verknüpft sind. Der schlechte Teil eines konkaven Gitters jedoch ist, daß die Ausgestaltung so einfach ist, daß es sehr wenige Parameter gibt, die eingestellt werden können, um verschiedene optische Schwierigkeiten auszugleichen.
Bei den konkaven Gittern des ursprünglichen Typs, die mechanisch hergestellt werden, indem die Rillen in eine weiche Metalloberfläche geritzt oder gezogen werden, ist eine allgemeine Beschränkung der Astigmatismus. Dies ist der Zustand, in dem die Fokalkurve, wo die Bilder verschiedener Wellenlängen am engsten liegen, die die horizontale Fokalebene genannt wird, bedeutend von der Kurve verschieden ist, wo dieselben Bilder eine minimale Höhe haben, die die vertikale Fokalebene genannt wird. Astigmatismus verursacht Lichtverluste und erhöht den Draht verschiedener anderer Aberationen. Dieses Problem ist umso schlimmer, wenn die beiden Fokalkurven voneinander weiter entfernt liegen.
Eine Verbesserung gegenüber mechanisch gezeichneten konkaven Gittern sind holographische Gitter. Hier werden die Rillen mittels eines Interferenzmusters hergestellt, das mit einem kohärenten Laser gebildet ist. Ein Laserstrahl wird in zwei Teile aufgespalten, die an zwei Punkten zu einem Fokus gebracht werden. Das Licht, das von den beiden Fokuspunkten ausgeht, kann eine sphärische Oberfläche beleuchten, die mit einer photosensitiven Schicht überzogen ist. Nach der Belichtung wird die Oberfläche chemisch geätzt und dann mit einem reflektierenden Material oberzogen. Dieser Prozeß, der vier Parameter hat, welche die Orte der beiden Laser-Fokuspunkte definieren, ist allgemeiner als eine mechanisch gezeichnete Fläche, die nur durch einen Parameter gekennzeichnet ist, den Rillenabstand.
Ein Vorteil bei holographischen Gittern ist, daß, indem die Orte der Laser-Fokuspunkte eingestellt werden, die Form und Größe der beiden Fokalkurven modifiziert werden kann. Es wurde sehr früh erkannt, daß die horizontale Fokalkurve flacher gemacht werden kann, um besser der nahezu flachen Form der vertikalen Fokalkurve zu entsprechen, und daß, zu einem bestimmten Ausmaß, die beiden Kurven so gestaltet werden können, daß sie einander näher kommen und sich sogar mehr als einmal kreuzen. Ein Vorteil dieser Kreuzungspunkte ist, daß der Astigmatismus, für Bilder, die hier gebildet werden, Null ist.
In dem Artikel "Aberration-Corrected Concave Gratings Made Holographically (holographisch hergestellte aberrations-korrigierte konkave Gitter)" von Cordelle u. a., veröffentlicht in dem Buch OPTICAL INSTRUMENTS AND TECHNIQUE5, 1969 (Oriel Press, London), Seiten 117-124, ist das Problem von Gitteranordnungen theoretisch diskutiert, was zu dem Ergebnis führt, daß die beiden Fokalkurven sich in drei Punkten schneiden, die auch die drei Punkte des strikten Stigmatismus sind. Dieses mathematische Ergebnis, das zu allgemein ist, um präzise Vorschriften für die Ausgestaltung zu liefern, wird beispielhaft veranschaulicht, indem spezifisch das Erfordernis hinzugefügt wird, das einer der Schnittpunkte und/oder Laser-Fokalpunkte im Zentrum der Krümmung des Gitters liegen muß. Somit wird nicht ausgeschlossen, daß der Quellpunkt das Spektrum überlappt.
Wenigstens seit der Veröffentlichung von "Ray Tracing Through Holographic Gratings (Strahlverfolgung durch holographische Gitter)" von H. Noda u. a., JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, Band 64, 1974, Seiten 1037-1042, das eine exakte Strahlenfolgerprozedur für Spektrometer mit konkavem holographischem Gitter entwickelte, ist es bekannt gewesen, daß im Prinzip ein Computerprogramm benutzt werden konnte, um alle Möglichkeiten für die beste optische Ausgestaltung auf zusuchen. Dieser Ansatz ist durch mehrere wohlbekannte Schwierigkeiten begrenzt, so wie eine Vorab-Festlegung der Suche nach einem Punkt, welcher eine Ausgestaltung darstellt, die lokal optimal ist, jedoch nicht die beste Gesamtausgestaltung darstellt. Ein Beispiel dieses Ansatzes ist in einem Papier von Wayne R. McKinney u. a., APPLIED OPTICS, Band 26, August 1987, Seite 3108, gezeigt. Es war ihre Absicht, ein Spektrometer mäßiger Auflösung zu gestalten, mit einer flachen fokalen Ebene festgelegter Länge, für einen gegebenen Wellenlängenbereich. Sie versuchten, die beste Ausgestaltung mittels computerbasierender Optimierung der verschiedenen optischen Parameter zu finden. Jedoch lieferte dies nicht die allerbeste Ausgestaltung für ihren Zweck.
Wie es in dem US-Patent Nr. 4,279,511 gezeigt ist, gibt es Fälle bei einem Spektrometer mit konkavem Gitter, wo es vorteilhaft ist, einen Detektor entlang einer geraden Linie zu bewegen, so daß unterschiedliche Wellenlängen von dem Detektor überstrichen werden können. Im allgemeinen ist ein konkaves Gitter, selbst ein holographisches Gitter, dafür nicht gut geeignet, da die horizontale Fokalkurve nicht gerade ist, was zu Defokussierungsfehlern führt. Zusätzlich ist die vertikale Fokalkurve, obwohl sie nahezu gerade ist, im allgemeinen nicht entlang der horizontalen Fokalkurve angeordnet, was zu Astigmatismusfehlern führt. Daher würde es wünschenswert sein, ein Spektrometer mit konkavem Gitter mit einem flachen fokalen Feld, einem großen Winkelbereich, einem geringen Astigmatismus, hoher Auflösung und hohem optischem Durchgang zur Verfügung zu haben.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer, wie es in dem einleitenden Teil von Anspruch 1 beschrieben ist.
Das Problem, das der Erfindung zugrundeliegt, ist es, die Nachteile der bekannten Spektrometer, die oben genannt sind, zu beseitigen.
Dieses Problem wird durch Anspruch 1 gelöst.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Form des Spektrometers der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines konkaven Gitters, die dessen Koordinatensystem zeigt;
Fig. 3 ist eine Ansicht, die die horizontalen Fokalkurven eines konkaven Gitters zeigt;
Fig. 4 ist eine Ansicht, die die primäre horizontale Fokalkurve und eine vertikale Fokalkurve des Gitters zeigt; und
Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Teiles der Fokalkurve, wo die Detektoren positioniert sind.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Es wird anfangs auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Form eines Spektrometers der vorliegenden Erfindung im allgemeinen mit 10 bezeichnet ist. Das Spektrometer 10 umfaßt eine Lichtquelle 12, die ein Mikrowellenhohlraum sein kann, dazu ausgelegt, ein Plasma zu bilden, welches ein auszumessendes Material enthält. Die Lichtstrahlen 14 aus der Lichtquelle 12 werden durch eine optische Vorrichtung geleitet, so wie eine Linse 16, auf ein Schlitzelement 18. Das Schlitzelement 18 ist entlang des Lichtweges bewegbar, wie es durch den Pfeil 20 angegeben ist. Die Lichtstrahlen 22 aus dem Schlitzelement 18 werden auf ein holographisches, konkaves Gitter 24 gerichtet. Die gebeugten Lichtstrahlen 26, die von der konkaven Fläche 25 des Gitters 24 reflektiert werden, werden auf einen Photodetektor 28 gerichtet. Wie gezeigt ist der Photodetektor 28 eine Anordnung von Photodetektorelementen, so wie Photodioden. Der Photodetektor 28 ist für die Bewegung entlang einer Ebene 30 aufgebaut, wie es durch den Pfeil 32 angegeben ist.
Das holographische, konkave Gitter 24 wird durch die grundlegende Holographie-Technik gebildet, das in der Technik wohlbekannt ist. Diese Technik umfaßt das überziehen der konkaven Oberfläche eines Gittersubstrates mit einer Schicht eines Photoresistes. Die Photoresist-Schicht wird dann in den Schnittpunkt zweier Laserstrahlen gebracht, die von zwei beabstandeten Lasern ausgehen. Dies erzeugt ein Interferenzmuster in dem Photoresist. Nachdem der Photoresist entwickelt ist, wird das Interferenzmuster in die Oberfläche des Substrates geätzt. Die Oberfläche wird dann mit einem reflektierenden Material, so wie Aluminium, überzogen.
Ich habe entdeckt, daß ein verbessertes Spektrometer mit den gewünschten Eigenschaften, die zuvor genannt worden sind, hergestellt werden kann, wenn die folgenden Einschränkungen erfüllt sind:
1. Eine horizontale Fokalkurve des Gitters läuft durch das Zentrum der Krümmung der konkaven Fläche des Gitters. Diese Fokalkurve wird als die "primäre horizontale Fokalkurve" bezeichnet werden.
2. Die Fokalpunkte des Lasers liegen auf derselben horizontalen Fokalkurve.
3. Eine erste vertikale Fokalkurve schneidet beide Laser- Fokalkurven und schneidet auch die horizontale Fokalkurve an einem dritten Punkt. Die drei Schnittpunkte liegen alle auf derselben Seite der Gitternormalen.
4. Eine zweite vertikale Fokalkurve besteht aus allen vertikal fokussierten Bildern aller Punkte auf der ersten vertikalen Fokalkurve.
5. Der Ort des Quellenpunktes wird durch den Schnittpunkt der zweiten vertikalen Fokalkurve und der horizontalen Fokalkurve bestimmt. Der Quellenpunkt liegt auf der entgegengesetzten Seite der Gitternormalen in Bezug auf die Laser-Fokalpunkte.
6. Die Bild-Fokalkurve liegt entlang der horizontalen Fokalkurve, auf derselben Seite der Gitternormalen wie die Laserpunkte.
Beim Beschreiben konkaver holographischer Spektrometer ist es angebracht, Polarkoordinaten (Rx, X) zu benutzen. Fig. 2 zeigt das Zentrum 34 eines Koordinatensystems, das auf der Fläche 25 des konkaven, holographischen Beugungsgitters 24 zentriert ist. Radiale Entfernungen von dem Zentrum 34 werden durch die Entfernung vom Zentrum 34 zum Zentrum der Krümmung 36 der Fläche 25 normiert und werden durch ein mehrbuchstabiges Symbol identifiziert, das "R" beginnt. Winkel werden mit Großbuchstaben bezeichnet und werden von der Gitternormalen 38 ausgemessen. Die Gitternormale 38 ist eine Linie von dem Zentrum 34 durch das Zentrum der Krümmung 36. Die Ebene des Koordinatensystems schließt das Zentrum 34 ein und ist senkrecht zu dem Vektor Z, der kollinear zu der Richtung der Rillen in der Mitte des Gitters liegt.
Ein konkaves holographisches Gitter kann durch Beziehungen zwischen dem Quellenpunkt 40 an den Polarkoordinaten (Ra, A) und, bei einer bestimmten Wellenlänge L, den Bildpunkt 42, der bei (Rb, B) liegt, beschrieben werden. Die Eigenschaften des Gitters werden auch durch den Ort der beiden Laser-Fokalpunkte 44 und 46 bestimmt, die beim Herstellen der Gitteroberfläche verwendet werden. Der erste Laser-Fokalpunkt 44 liegt bei (Rc, C), und der zweite Laser-Fokalpunkt 46 liegt (Rd, D). Die Winkel B, C und D sind positiv, während der Winkel A negativ ist.
Das Spektrometer kann durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden:
(1) sin D - sin C =Lo/d
(2) sin A + sin B = L/d
(3) 0 = cos² x/Rx - cos x - H sin x
(4) K = 1/Rx - cos x - V sin x.
Die Gleichung (1) zeigt, wie der Rillenabstand, d, durch die beiden Laserwinkel, C und D, und die Laserwellenlänge, Lo, bestimmt ist. Die Gleichung (2) gibt die Beziehung zwischen den Winkeln A und B zu der Quelle und dem Bild und den Rillenabstand, d, und die Wellenlänge L. Die Gleichung (3) definiert eine horizontale Fokalkurve durch das Zentrum der Krümmung und einen allgemeinen Punkt (Rx, X), in Ausdrücken des Parameters H. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen die Koordinaten für die Quelle, einen Bildpunkt und beide Laserpunkte (A, Ra), (B, Rb), (C, Rc) bzw. (D, Rd), alle die Gleichung (3) mit einem gemeinsamen Wert des Parameters H. Die Gleichung (4) definiert eine vertikale Fokalkurve durch einen allgemeinen Punkt (Rx, X), in Ausdrücken der beiden Parameter K und V. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllen die Koordinaten für einen Bildpunkt und beide Laserpunkte alle Gleichung (4) mit gemeinsamen Werten von K und V. Die Koordinaten für die Quelle jedoch erfüllen die Gleichung (4) mit demselben Wert von V und demselben Betrag von K' jedoch mit einem K, das im Vorzeichen unterschiedlich ist. Die Gleichung (4), mit einer Änderung des Vorzeichens für K, beschreibt eine vertikale Fokalkurve, die das vertikal fokussierte Bild der Kurve mit dem ursprünglichen Vorzeichen K ist.
Fig. 3 zeigt die Ebene des Koordinatensystems, einschließlich des Gitters 24. Vier horizontale Fokalkurven, 48, 50, 52 und 54, in der Form der Gleichung (3), sind gezeigt. Alle horizontalen Fokalkurven, die die Gleichung (3) erfüllen, beginnen an dem Gitter 24 und schneiden den Mittelpunkt der Krümmung 36. Die Kurven 48, 50, 52 und 54 entsprechen den Werten von H von -0,3, -0,5, -0,7 bzw. -0,9. Es ist aus der Fig. 3 ersichtlich, daß größere Beträge von H flachere fokale Kurven geben, die jedoch schräger liegen.
Die vertikalen Fokalkurven sind nahezu gerade Linien. Tatsächlich sind die Kurven, die den Mittelpunkt der Krümmung schneiden, exakt gerade. Indem die Parameter V und K variiert werden, kann eine vertikale Fokalkurve geneigt und aus dem Mittelpunkt der Krümmung versetzt werden.
Da es eine Aufgabe ist, Spektrometer mit flacher Fokalebene zu gestalten, ist es nützlich zu wissen, wo der Wendepunkt der Fokalkurve liegt, da es dort ist, wo die Fokalebene am flachsten ist. Dieser Punkt ist durch das folgende Paar Gleichungen festgelegt
(5) Rb =3/2 (cos B) und tan B = -1/(3H).
Das Folgende ist eine Zusammenfassung des Gestaltungsprozesses des Spektrometers. Basierend auf der bekannten Geometrie von Quelle und Detektor und der gewünschten Wellenlängenauflösung wird der Radius der Krümmung des Gitters gewählt. Basierend auf dem gewünschten Wellenlängenbereich wird ein Näherungswert für den Winkelbereich gewählt, der die Bildebene überspannt. Winkelbereiche so groß wie 30 Grad sind als zweckmäßig für die vorliegenden Erfindung gefunden worden. Für diesen Schritt wird ein Näherungswert des Quellenwinkels von Null Grad von der Gitternormalen verwendet. Aus dem gewählten Winkelbereich kann der Rillenabstand, d, aus Gleichung (1) berechnet werden. Ein Wert des Parameters H wird gewählt. Es besteht ein Kompromiß dazwischen, konstante Vergrößerung und Streuung bei geringeren Werten von H, so wie -0,3, zu haben und eine flachere Fokalkurve bei hohen Werten von H, so wie -0,9, zu haben.
Wenn einmal H gewählt ist, so daß die horizontale Fokalkurve des Bildes bekannt ist, werden die beiden Laserwinkel, C und D, gewählt. Diese Wahl ist durch die Gleichung (1) und den gewählten Wert des Rillenabstandes d eingeschränkt. Die Position der beiden Laserpunkte, die auch stigmatische Punkte auf der horizontalen Fokalkurve sind, ebenso wie ein dritter stigmatischer Punkt, werden gewählt, so daß sie auf dem Arbeitsteil der horizontalen Fokalkurve liegen, d. h. dem Abschnitt der Kurve, der die Bilder bei den interessierenden Wellenlängen enthalten wird. Es ist bevorzugt, daß der Arbeit steil der horizontalen Fokalkurve auf dem Wendepunkte zentriert wird, wie es in Gleichung (5) gegeben ist.
An diesem Punkt sind alle Parameter des Spektrometers bestimmt, und die Position des Quellenpunktes kann berechnet werden. Nun wird der Prozeß wiederholt, wobei der berechnete Wert des Quellenwinkels anstelle des genäherten benutzt wird.

Beispiel

Als ein Beispiel soll der Gestaltungsprozeß für ein Spektrometer mit einem Krümmungsradius von 300 mm betrachtet werden. Als Wellenlängenbereich ist einer von 200 bis 800 mm beabsichtigt. Für eine gute Streuung werden anfänglich 25 Grad für den Winkelbereich der Bildebene gewählt. Mit der anfänglichen Annahme, daß der Eingangsschlitz bei Null Grad liegt, wird der Rillenabstand als nahe 1900 nm berechnet. Ein Wert von -0,7 wird für H gewählt, basierend auf einem Kompromiß zwischen Ebenheit des Bildfeldes und Schrägliegen.
Die beiden Laserpunkte werden so gewählt, daß sie den Winkel in dem Wendepunkt einschließen, den Gleichung (5) als 25,46 Grad gibt. Der Winkel zu einem Laser-Fokalpunkt wird zu 29 Grad gewählt. Für eine Laserwellenlänge von 488 nm gibt die Gleichung (1) den zweiten Laserwinkel von 13,18 Grad. Gleichung (3) gibt die normierten radialen Abmessungen der Laserpunkte zu 1,429 für den ersten Punkt und 1,165 für den zweiten. Die gleichzeitige Lösung von Gleichung (4) für die beiden Punkte gibt Werte von -0,2336 für V und -0,0641 für K. Die Gleichungen liefern auch den Ort des Quellpunktes als 0,9228 (-6,288 Grad). Nun wird gefunden, daß die stigmatischen Punkte in der Bildebene bei Wellenlängen von 225 nm und 713 nm liegen. Es gibt einen dritten stigmatischen Punkt an einem dazwischenliegenden Punkt.
Diese Ausgestaltung kann durch Strahlverfolgung bewertet werden. Für ein Gitter mit 75 nm Durchmesser, für Wellenlängen von 200 bis 800 nm, haben Bilder einer Punktquelle spektrale Breiten, die als Standardabweichungen gemessen werden, welche in dem Bereich von 0,062 bis 0,071 nm liegen. Für ein Gitter mit 50 nm Durchmesser sind die Aberrationen noch kleiner, so daß die Standardabweichungen des Bildes im Mittel 0,028 nm sind.
Ich habe gefunden, daß bestimmte kleine Abweichungen von den obigen Einschränkungen noch zu einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Spektrometers führen. Beispielsweise kann die horizontale Fokalkurve so modifiziert werden, daß sie den Mittelpunkt der Krümmung nicht näher als 5 Prozent der Entfernung von dem Gitter zu dem Mittelpunkt der Krümmung kommt. In einem weiteren Beispiel kann die vertikale Fokalkurve, die die beiden Laserpunkte auf der horizontalen Fokalkurve schneidet, von der vertikalen Fokalkurve, die in vertikalem Fokus mit dem Quellenpunkt ist, sich bis zu einer 0,03-Differenz im Parameter K unterscheiden, mit demselben Wert des Parameters V. Diese Abweichungen sind im Hinblick auf die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung.
Um das Gitter 24 der vorliegenden Erfindung herzustellen, werden die beiden Laser entlang der horizontalen Fokalkurve aufgestellt, die im wesentlichen durch den Mittelpunkt der Krümmung der konkaven Oberfläche des Gitters 24 läuft, die die primäre horizontale Fokalkurve ist. Mit Bezug auf Fig. 4 ist der Mittelpunkt der Krümmung der konkaven Oberfläche 25 des Gitters 24 der Punkt 36. Die primäre horizontale Fokalkurve ist die Kurve 56. Zusätzlich werden die beiden Laser entlang des Abschnittes der primären horizontalen Fokalkurve 56 aufgestellt, wo eine vertikale Fokalkurve 58 die primäre horizontale Fokalkurve in wenigstens drei Punkten kreuzt, wobei die drei Punkte auf derselben Seite des normalen Vektors zu dem Mittelpunkt der konkaven Fläche 25 liegen, wie es durch die Linie 38 angegeben ist. Die drei Punkte sollten auf der Seite des Normalenvektors 438 sein, wo die horizontale Fokalkurve am weitesten vom Gitter entfernt liegt. Wie in Fig. 5 gezeigt, die eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der Kurven, die in Fig. 4 gezeigt sind, ist, sind die drei Punkte, in denen die vertikale Fokalkurve 38 die primäre horizontale Fokalkurve 36 kreuzt, mit 60, 62 und 64 angegeben. Beim Herstellen des Gitters 34 werden die beiden Laser auf zwei der Kreuzungspunkte gebracht, bevorzugt auf die äußeren beiden Punkte 60 und 64. Bei der Verwendung des holographischen, konkaven Gitters 34 in dem Spektrometer 10 wird die Ebene 30, in der der Photodetektor 28 angebracht ist, so positioniert, daß sie die drei Schnittpunkte 60, 62 und 64 der primären horizontalen Fokalkurve 56 und der vertikalen Fokalkurve 58 schneidet. In dieser Position der Ebene 30 ist der Photodetektor 28 in Bezug auf das Licht 26, das von dem Gitter 24 reflektiert wird, horizontal fokussiert. Auch, wie es in den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, ist in diesem Bereich der primären horizontalen Fokalkurve 56 die vertikale Fokalkurve 58 sehr nahe an der horizontalen Fokalkurve 56, so daß der Astigmatismus sehr klein ist.
Jedoch kann in dem Spektrometer 10 der Astigmatismus kleiner gemacht werden, indem das Schlitzelement 18 in die Richtung des Pfeiles 20 auf das Gitter 24 zu oder von ihm weg bewegt wird. Diese Bewegung des Schlitzelementes 18 bewegt die vertikale Fokalkurve 58 auf die primäre horizontale Fokalkurve 56 zu oder von ihr weg. Somit kann die vertikale Fokalkurve 58 so bewegt werden, daß sie der primären horizontalen Fokalkurve 58 sehr nahe liegt, um so jeglichen Astigmatismus zwischen den Fokalkurven 56 und 58 zu minimieren oder auszuschalten. Dies bringt den Photodetektor 28 in im wesentlichen exakten Fokus mit dem Spektrum, das von der Lichtquelle 12 geliefert wird.
Da die vertikale Fokalkurve 58 so nahe an der primären horizontalen Fokalkurve 56 in dem Bereich der drei Schnittpunkte 60, 62 und 64 ist, sind nur kleine Bewegungen des Schlitzelementes 18 notwendig, um den Fokus zu erreichen. Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zum Messen der Intensität des Lichtes auf die Elemente des Photodetektors 28, um festzulegen, wann er im Fokus ist. Eine geeignete Technik ist in meiner ebenfalls anhängigen Patentanmeldung, laufende Nummer . . . , angemeldet am . . . , (Anwaltsakte No. 187/234) mit dem Titel APPARATUS AND METHOD FOR ADJUSTING FOCUS OF A MULTI-ELEMENT OPTICAL DETECTOR (Vorrichtung und Verfahren zum Einstellen des Fokus eines optischen Detektors mit vielen Elementen), beschrieben, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Bei dem Verfahren, die in dieser Anmeldung beschrieben ist, wird die zweite Differenz der Ausgabe von drei der Elemente des Photodetektors 28 an jeder Position des Schlitzelementes 18 bestimmt, und die Position, die den höchsten Wert der zweiten Differenz hat, ist die Fokusposition. Somit ist es relativ einfach, den Photodetektor 28 in den Fokus zu bringen.
Der Photodetektor 28 kann entlang der Ebene 30 in den Bereich der Schnittpunkte 60, 62 und 64 bewegt werden, um unterschiedliche Wellenlängen zu erfassen, die von dem Gitter 24 gebeugt werden, und jede Wellenlänge wird im Fokus sein. Anstatt das man einen einzelnen Photodetektor 28 benutzt, der entlang der Fokalkurven bewegbar ist, kann eine Anzahl von Photodetektoren entlang der primären horizontalen Fokalkurve 56 in dem Bereich der Schnittpunkte 60, 62 und 64 angebracht sein. Doch ist es in der Praxis schwierig, die Photodetektoren exakt entlang der primären horizontalen Fokalkurve anzuordnen und Einrichtungen zur Verfügung zu stellen, um Signale von all den Photodetektoren zu erhalten. Daher ist es bevorzugt, eine einzelne Photodetektoranordnung 28 zu benutzen, die entlang der Ebene 30 bewegbar ist.
Somit wird durch die vorliegende Erfindung ein Spektrometer 10 mit einem holographischen, konkaven Gitter 24 zur Verfügung gestellt, die für leichtes Plazieren des Photodetektors 28 im Fokus mit dem Licht von der Lichtquelle 12 sorgt. Auch bietet das Spektrometer 10 einen hohen Lichtpegel und eine Auflösung über einen weiten Bereich von Wellenlängen. Da das Spektrometer 10 ein konkaves Gitter 24 benutzt und der Fokus erreicht wird, indem lediglich das Schlitzelement 18 über einen kleinen Abstand bewegt wird, ist das Spektrometer in der Größe kompakt. Da es einen Vielelement-Photodetektor benutzen kann, der entlang einer Ebene bewegbar ist, können Messungen über einen großen Bereich von Wellenlängen vorgenommen werden, wobei das Detektorelement immer im Fokus gehalten wird.

Claims

1. Spektralphotometer umfassend eine Lichtquelle (12), ein das Licht empfangendes, konkaves, holographisches Gitter (24), wobei das Gitter (24) eine horizontal verlaufende Fokalkurve aufweist, die sich durch den Mittelpunkt der Krümmung des Gitters (24) erstrecktund an drei Punkten von einer vertikal verlaufenden Fokalkurve des Gitters (24) geschnitten wird, und ein das von dem Gitter (24) gebeugte Licht empfangendes Detektormittel (28), dadurch gekennzeichnet, daß die drei Kreuzungspunkte auf einer Seite der Normalen auf dem Mittelpunkt des Gitters (24) angeordnet sind, wobei die Lichtquelle (12) auf der anderen Seite der Normalen angeordnet ist, das Detektormittel (28) im wesentlichen längs eines Weges angeordnet ist, der ein Teil der horizontal verlaufenden Fokalkurve des Gitters (24) ist, und zwei der Kreuzungspunkte die Positionen der beiden zum Bilden des holographischen Gitters verwendeten Laser sind.

2. Spektralphotometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein spaltförmiges Bauteil (18) in dem Lichtweg zwischen der Lichtquelle (12) und dem Gitter (24).

3. Spektralphotometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das spaltförmige Bauteil (18) auf der horizontal verlaufenden Fokalkurve, auf der Seite der Normalen, die der Seite, die die drei Punkte umfaßt, gegenüberliegt, angeordnet ist, so daß der Spalt an den drei Punkten im Vertikalfokus ist.

4. Spektralphotometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das spaltförmige Bauteil (18) entlang des Lichtweges auf das Gitter (24) zu und von demselben weg bewegbar ist.

5. Spektralphotometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Punkte auf der Seite der Normalen sind, auf welcher die horizontal verlaufende Fokalkurve am weitesten von dem Gitter (24) entfernt ist.

6. Spektralphotometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormittel (28) ein Photodetektor ist.

7. Spektralphotometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormittel aus einer Vielzahl von Photodetektorelementen besteht, die längs besagtem Teil der horizontal verlaufenden Fokalkurve angeordnet sind.

8. Spektralphotometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (28) ein vielelementiger Photodetektor ist, der längs einer Ebene angebracht ist, die sich durch die drei Punkte erstreckt.

9. Spektralphotometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (28) längs besagter Ebene bewegbar ist, um einen weiten Bereich von Wellenlängen von dem Gitter zu erfassen.