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Autokollimationsspektralapparat mit Spiegeloptik Beim Aufbau von Spiegelspektralapparaten,
z. B. Monochromatoren, wird häufig die sogenannte Autokollimationsmethode verwendet,
die den Vorteil eines einfachen und billigen Aufbaues bietet. Es sind zwei verschiedene
Aufstellungen bekannt, die in Abb. I und 2 dargestellt sind. Bei der einen (Abb.
I) fällt das Licht praktisch in Richtung der Achse des Abbildungsspiegels St auf
diesen. Zwei soge nannte Fangspiegel S2 und S8 dienen dazu, das Licht vom Eintrittsspalt
Spt auf den Spiegel S1 bzw. vom Spiegel S1 auf denAustrittsspalt Sp2 zu werfen.
Durch die Fangspiegel wird jedoch ein wesentlicher Teil der Spiegelöffnung abgeblendet,
so daß sie einen erheblichen Lichtstärkeverlust verursachen und durch Beugung die
Abbildung verschlechtern. Die andere Aufstellung (Abb. 2) vermeidet diesen Nachteil
dadurch, daß das Licht schief auf den Spiegel S, auffällt. Diese Art der Aufstellung
hat den Nachteil, daß die Abbildung durch den dabei auftretenden Abbildungsfehl
er erster Ordnung, die sogenannte Koma, pralctisch unbrauchbar wird. Der außerdem
noch auftretende Astigmatismus schiefer Büschel erlaubt zwar die Abbildung eines
Spaltes, ist jedoch häufig unerwünscht.
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Es ist in der konstruierenden Optik allgemein bekannt, die Bildfehler
eines optischen Systems durch entgegengesetzte Bildfehler eines zusätzlichen Systems
auszugleichen.
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Unter Beachtung dieses allgemein bekannten Prinzips sind für Spektralapparate,
die mit durchgehendem Licht arbeiten, die Abbildungsfehler erster Ordnung durch
geeignete Schiefstellung der beiden symmetrisch zum parallelen Strahlengang liegenden
Abbildungsspiegel kompensiert worden. Eine entsprechende Anordnung für Autokolimation
war bisher nicht bekannt.
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Es wurde nun eine Spiegelanordnung für den Autokollimationsspektralapparat
gefunden, bei dem trotz schiefem Auffall eine gute Abbildung erzielt wird. Diese
bildet den Gegenstand der Erfindung, und zwar besteht diese darin, daß bei einem
Autoliollimationsspektralapparat mit Spiegeloptik mit schiefem Strahleneinfall der
Abbildungsspiegel durch mindestens zwei Spiegel ersetzt ist, deren Brennweiten,
Abstände und Neigungswinkel
so gewählt sind, daß eine optimale Rompensation
der Abbildungsfehler stattfindet und der für die Lichtzerlegung notwendige parallele
Strahlengang erst durch den letzten Spiegel erzeugt wird. Das Spiegelsystem kann
aus zwei Knkavspiegeln bestehen, deren Brennweiten, Abstände und Neigungswinkel
so gewählt sind, daß der Abbildungsfehler erster Ordnung kompensieft ist. Gemäß
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Spiegelsystem auch aus einem Konkav-
und einem Konvexspiegel bestehen, deren Brennweiten, Abstände und Neigungswinkel
so gewählt sind, daß der Abbildungsfehler erster Ordnung ganz und der Astigmatismus
schiefer Büschel teilweise kompensiert sind oder der Astigmatismus ganz und der
Abbildungsfehler 1 erster Ordnung teilweise kompensiert sind.
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Schließlich besteht eine weitere Verbesserung der Erfindung darin,
daß das Spiegelsystem aus zwei Konkav- und einem Konvexspiegei besteht, deren Brennweiten,
Abstände und Neigungswinkel so gewählt sind, daß der Abbildungsfehler erster Ordnung
und der Astigmatismus ganz kompensiert sind. Die bei einer gegebenen Gesamtbreunweite
des Systems zur Kompensation notwendigen Brennweiten, Abstände und Neigungswinkel
lassen sich sowohl rcchnerisch als auch experimentell ermitteln.
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In Abb. 3 his 5 sind drei Ausführungsbeispiele maßstäblich wiedergegeben,
so daß die Winkel und Abstände ohne weiteres ersichtlich sind. Die Gesamtbrennweite
ist, wie für Abb. 1 und 2, für alle drei Fälle f = 1000 mm, das Öffnungsverhältnis
1 : 10.
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Abb. 3 zeigt ein Beispiel, bei welchem der Abbildungsspiegel durch
ein System von zwei Konkavspiegeln S1 (f1 = 1650 mm) und S2 (f2 = 1650 mtn) ersetzt
ist. Die Brennweiten, Abstände und Seigungswinkel sind so gewählt, daß der Abbildungsfehler
erster Ordnung kompcnsiert ist und daß, wie auch bei den folgenden Beispielen, die
Raumausnutzung möglichst gut ist. Diese Anordnung kommt dann in Frage, wenn der
noch verbleibende Astigmatismus schiefer Büschel nicht stört.
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Beispiel In einer Anordnung nach Abb. 3 seien f1 und f2 die Breunweiten
der Hohlspiegel. und S2 #1 und #2 deren neigungswinkel gegen die optische Aches,
d1 und d2 die Burchmesser der Lichtbündel auf S1 und S2. a1 der Abstand zwischen
St und Sa, g1 der Abstand zwischen S1 und Sp1, b, g Bildweiten und Gegenstandsweiten
entsprechend der Formel a/1+a/1=f/1, der durch S1 hervorgerufene Abbildungsfehler
(Koma) ist
wobei f'1 = f1 cos #, desgleichen für S2 #b2=4/3#2/2d# sin F2, zur Fehlerkompensation
muß sein # b1 =#b2, Es sei z. B. f1 = zu = 1650mm, d1 = ((,6nim =3/2 d2, d3 = 100
mm, a1 = 500 mm. g1 = 600 mm.
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#1=5°.
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Damit wird
Db1 = 3,86 mm, d. h. sin #@= 4. #b1 = 4. 3,86 sin , 3 d2'2 3 50 damit wird #2 =
- 5° 55'.
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Abb.4 zeigt eine Anordnung, bei welcher der Abbildungsspiegel durch
ein System von einem Konkavspiegel S1 (f1 = 600 mm) und einem Konvexspiegel S2 (f2
= -875 mm) ersetzt ist, deren Brennweiten, Abstände und Neigungswinkel so gewählt
sind, daß der Abbildungsfehler erster Ordnung ganz kompensiert und der Astigmatismus
schiefer Büschel teilweise kompensiert ist.
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Durch Wahl anderer Winkel läßt sich erreichen, daß der Astigmatismus
ganz und der Abbildungsfehler erster Ordnung teilweise kompensiert sind.
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Abb. 5 zeigt eine Anordnung, bei welcher der Abbildungsspiegel durch
ein System von zwei Konkav- S1 (J1 = goo mm), Ss (f3 = 800 mm) und einem Konvexspiegel
S2 (f2 =-900 mm) ersetzt ist, deren Bremlweitell.
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Abstände und Neigungswinkel so gewählt sind, daß der Abbildungsfehler
erster Ordnung und der Astigmatismus schiefer Büschel ganz kompensiert sind. Gegenüber
der Abl)ildung eines einzigen Spiegels der gleiche Brennweite und der gleichen Öffnung
hat diese Aufstellung noch den Vorteil, daß sie einen kleineren Abbildungsfehler
zweiter Ordnung ergibt.
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Die erfindungsgemäße Aufteilung der Abbildung mittels eines Systems
von Spiegeln
ermöglicht die Verwendung des Autokollimationsprinzips
bei schiefem Einfall der Strahlung. Sie bringt die Vorteile der Autokollimationsmethode
in erhöhtem Maße, da durch sie für eine gegebene Brennweite ein wesentlich geringerer
Platzbedarf besteht. Der Wegfall der Fangspiegel bringt eine vollständige Ausnutzung
der Öffnung und damit eine wesentliche Steigerung der Intensität. Die Steigerung
der Abbildungsschärfe ermöglicht eine gute Ausnutzung des Auflösungsvermögens des
Prismas p. Diese Eigenschaften machen die neue Aufstellung besonders für Ultrarotspektrographen
geeignet. Bei diesen Vorrichtungen, wo man die durch die Brownsche Bewegung gegebene
Grenze der Meßgenauigkeit erreicht, bedeutet jeder Gewinn an Lichtstärke und Abbildungsschärfe
einen Fortschritt im Hinblick auf Meßgenauigkeit, Auflösungsvermögen und Meßgeschwindigkeit.
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PATENTANSPRCHE: I. Autokollimationsspektralapparat mit Spiegeloptik
mit schiefem Strahleneinfall, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsspiegel
durch mindestens zwei Spiegel ersetzt ist, deren Brennweiten, Abstände und Neigungswinkel
so. gewählt sind, daß eine optimale Kompensation der Abbildungsfehler stattfindet
und der für die Lichtzerlegung notwendige parallele Strahlengang erst durch den
letzten Spiegel erzeugt wird.