WO2008148551A1 - Spektrometeroptik mit asphärischen spiegeln - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a spectrometer for investigating the optical emission of excited samples in the range of the visible wavelengths and the adjacent wavelength ranges with the features of the preamble of claim 1.
  • spectrometers In generic spectrometers, a portion of a sample is vaporized by spark, arc or ICP and transferred to a plasma. The emissions of the plasma contain spectral lines of the elements occurring therein, which can be examined with optical spectrometers. The light to be examined enters into a spectrometer housing via an entrance slit, where it is at a dispersive
  • the spectral lines are created as an image of the entrance slit on a so-called focal curve.
  • focal curve detectors are arranged, with which the light of the interesting wavelength range is collected and evaluated.
  • spatially resolving semiconductor detectors are used, which consist of a row of detector elements in CCD or CMOS design.
  • these lines of detectors are not arranged directly on the focal curve, but with respect to the plane of the beam path above or below the focal curve.
  • the light is deflected in the known spectrometers of this construction with cylindrical mirrors from the plane of the beam path and focused on the detector lines below this level.
  • the cylindrical mirrors are straight in their longitudinal extent and spherical in their direction of curvature. These are mirrors made of glass, which have a surface mirroring.
  • Object of the present invention is therefore to provide a spectrometer of the type specified, in which the light output is improved.
  • a surface is preferably selected which corresponds to the plane of the beam path of the mathematical shape of a parabola. It can also be provided that the surface is formed by a section of an ellipse.
  • Figure 1 a schematic structure of a spectrometer with line sensors in a plan view of the plane of the beam path; such as
  • FIG. 1 shows schematically the beam path of a spectrometer with spark excitation.
  • An electric spark 1 is generated between an electrode 2 and a sample 3.
  • the spark causes emission in the UV range and in the range of visible light with the characteristic spectral lines of the chemical elements contained in the sample 3.
  • the light is conducted through an entrance slit 6 into the interior of the spectrometer and there impinges on a diffraction grating 7 which spectrally fanning the light in a plane and images the entrance slit 6 onto lines of solid-state sensors 8.
  • a spectrometer is built in standard equipment for laboratory and industrial purposes in the Paschen-Runge arrangement.
  • the beam path between the diffraction grating 7 and the sensors 8 is shown in more detail in FIG.
  • the concave diffraction grating 7 is shown schematically in a cross section, from which a number of beams 10 extend parallel to each other onto an imaging mirror 11.
  • the imaging mirror 11 has a surface 10 facing the rays 10, which is surface-mirrored and whose curvature is aspherical, namely in this embodiment corresponds to a parabola section.
  • the reflective surface 12 focuses the light beams 10 on a photosensitive element 13 of the CCD sensor line 8.
  • the light output is in this geometric arrangement over the known spectrometers, in which the light beams 10 by cylindrical mirror on the CCD line. 8 to be focused, significantly improved.
  • the curvature of the aspherical surface 12 of the mirror 11 perpendicular to the spectral plane may also take the form of an ellipse section.
  • the mirror 11 is linear in the direction perpendicular to the plane of the figure 2, which allows a relatively simple production of the mirror 11.
  • the production of the mirror 11 and in particular the molding of the surface form in the area of the mirrored surface 12 is preferably carried out in glass in a molding process in which the shape of a die is removed.
  • the resulting glass compact can be finished by cutting, steaming, for example with aluminum and mounting in a version to a mirror finished, as needed for the present invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Untersuchung der optischen Emission einer Probe, mit einer Anregungsquelle, einem Eintrittsspalt und einem dispersiven Element, dass das Spektrum des in der Anregungsquelle erzeugten Lichts in einer Ebene auffächert, und mit Festkörper-Sensoren mit einer oder mehreren Zeilen, die zur Auswertung der spektralen Information im Bereich der Fokalkurve des Strahlengangs angeordnet sind, wobei die Sensoren oberhalb oder unterhalb der Ebene angeordnet sind und die spektrale Emission mit Spiegeln auf die Sensoren umgelenkt und fokussiert wird, wobei die reflektierende Oberfläche der Spiegel in einer Krümmungsrichtung asphärisch geformt ist.

Description

Spectro Analytical Instruments
GmbH & Co. KG
Boschstraße 10
D-47533 Kleve
Spektrometeroptik mit nicht-sphärischen Siegeln
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Untersuchung der optischen Emission von angeregten Proben im Bereich der sichtbaren Wellenlängen und der angrenzenden Wellenlängenbereiche mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei gattungsgemäßen Spektrometern wird ein Teil einer Probe durch Funken, Lichtbogen oder ICP Verdampft und in ein Plasma überführt. Die Emissionen des Plasmas enthalten Spektrallinien der darin vorkommenden Elemente, die mit optischen Spektrometern untersucht werden können. Das zu untersuchende Licht tritt über einen Eintrittspalt in ein Spektrometergehäuse ein, wird dort an einem dispersiven
Element gebeugt und spektral aufgeweitet. Die Spektrallinien entstehen als Abbildung des Eintrittspaltes auf einer sogenannten Fokalkurve . Auf dieser Fokalkurve werden Detektoren angeordnet, mit denen das Licht des interessierenden Wellenlängenbereichs gesammelt und ausgewertet wird. Vielfach werden ortsauflösende Halbleiterdetektoren eingesetzt, die aus einer Zeile von Detektorelementen in CCD- oder CMOS-Bauweise bestehen. Diese Zeilen von Detektoren sind aus verschiedenen Gründen nicht unmittelbar auf der Fokalkurve angeordnet, sondern bezüglich der Ebene des Strahlengangs oberhalb oder unterhalb der Fokalkurve. Das Licht wird bei den bekannten Spektrometern dieser Bauweise mit Zylinderspiegeln aus der Ebene des Strahlengangs ausgelenkt und auf die Detektorzeilen unterhalb dieser Ebene fokussiert. Die Zylinderspiegel sind dabei in ihrer Längserstreckung gerade und ihrer Krümmungsrichtung sphärisch. Es handelt sich um Spiegel aus Glas, die eine Oberflächenverspiegelung aufweisen .
In der Praxis zeigt sich, dass derart aufgebaute Spektrometer zwar eine gute optische Leistung aufweisen, dass jedoch für schwache Emissionslinien die Lichtausbeute, also der Anteil des im Strahlengang befindlichen Lichts einer bestimmten Wellenlänge, der tatsächlich am Detektor ankommt, nicht optimal ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Spektrometer der eingangs angegebenen Bauart zu schaffen, bei dem die Lichtausbeute verbessert ist .
Diese Aufgabe wird von einem Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Weil die fokussierenden Umlenkspiegel eine asphärische Oberfläche aufweisen, sind deren Abbildungseigenschaften besser an die geometrischen Verhältnisse in einem solchen Spektrometer angepasst. Dabei wird bevorzugt eine Oberfläche ausgewählt, die senkrecht zu der Ebene des Strahlengangs der mathematischen Form einer Parabel entspricht. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Oberfläche von einem Abschnitt einer Ellipse gebildet wird. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: einen schematischen Aufbau eines Spektrometers mit Zeilensensoren in einer Draufsicht auf die Ebene des Strahlengangs; sowie
Figur 2: einen Schnitt durch das schematisch dargestellte Spektrometer entlang der Linie II - II.
Die Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang eines Spektrometers mit Funkenanregung. Ein elektrischer Funke 1 wird zwischen einer Elektrode 2 und einer Probe 3 erzeugt. Der Funke bewirkt eine Emission im UV-Bereich und im Bereich des sichtbaren Lichts mit den charakteristischen Spektrallinien der in der Probe 3 enthaltenen chemischen Elemente. Das Licht wird durch einen Eintrittsspalt 6 in das Innere des Spektrometers geleitet und trifft dort auf ein Beugungsgitter 7, das das Licht spektral in einer Ebene auffächert und den Eintrittsspalt 6 auf Zeilen von Festkörpersensoren 8 abbildet. Vorzugsweise wird ein solches Spektrometer bei serienmäßigen Geräten für Labor- und industrielle Zwecke in der Paschen- Runge-Anordnung aufgebaut.
Der Strahlengang zwischen dem Beugungsgitter 7 und den Sensoren 8 ist in der Figur 2 näher dargestellt. Hier ist schematisch das konkave Beugungsgitter 7 in einem Querschnitt dargestellt, von dem aus eine Anzahl von Strahlen 10 parallel zu einander auf einen abbildenden Spiegel 11 verlaufen. Der abbildende Spiegel 11 weist eine den Strahlen 10 zugewandte Oberfläche 12 auf, die oberflächenverspiegelt ist und deren Krümmung asphärisch verläuft, nämlich in diesem Ausführungsbeispiel einem Parabelabschnitt entspricht. Die reflektierende Oberfläche 12 fokussiert die Lichtstrahlen 10 auf ein lichtempfindliches Element 13 der CCD-Sensorzeile 8. Die Lichtausbeute ist bei dieser geometrischen Anordnung gegenüber den bekannten Spektrometern, bei denen die Lichtstrahlen 10 durch Zylinderspiegel auf die CCD-Zeile 8 fokussiert werden sollen, erheblich verbessert.
Zusätzlich entsteht in dem Spektrometer durch die verbesserte Bündelung der Emission ein geringerer Anteil an Streulicht.
Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform kann die Krümmung der asphärischen Oberfläche 12 des Spiegels 11 senkrecht zu der spektralen Ebene auch die Form eines Ellipsenabschnitts annehmen.
Der Spiegel 11 ist in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Figur 2 linear, was eine relativ einfache Fertigung des Spiegels 11 ermöglicht. Die Fertigung des Spiegels 11 und insbesondere die Abformung der Oberflächenform im Bereich der verspiegelten Oberfläche 12 erfolgt vorzugsweise in Glas in einem Abformverfahren, bei dem die Form einer Matrize abgenommen wird. Der dabei entstehende Glaspressling kann durch Zuschneiden, Bedampfen beispielsweise mit Aluminium und Montieren in einer Fassung zu einem Spiegel fertig bearbeitet werden, wie er für die vorliegende Erfindung benötigt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Spektrometer zur Untersuchung der optischen Emission einer Probe, mit einer Anregungsquelle, einem Eintrittsspalt und einem dispersiven Element, das das Spektrum des in der Anregungsquelle erzeugten Lichts in einer Ebene auffächert, und mit optischen Festkörper- Sensoren, die zur Auswertung der spektralen Information im Bereich der Fokalkurve des Strahlengangs angeordnet sind, wobei die Sensoren oberhalb oder unterhalb der Ebene angeordnet sind und die spektrale Emission mit
Spiegeln auf die Sensoren umgelenkt und fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche der Spiegel in einer Krümmungsrichtung asphärisch geformt ist.
2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche in einer Richtung einem Parabelabschnitt entspricht.
3. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung in einer Richtung einem Ellipsenabschnitt entspricht.
4. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche senkrecht zu der Krümmungsrichtung linear ausgebildet ist.
5. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Festkörpersensoren mit Detektorelementen in einer Zeile oder in mehreren Zeilen verwendet werden.
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