DE29716331U1 - Abbildender Kompaktspektrograph - Google Patents

Description

Abbildender Kompaktspektrograph

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.

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.

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 mit

-2-

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.

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.

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 Spiegelsystem

-3-

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.

Vorteilhafterweise fallen die Krümmungsmittelpunkte des Konkavspiegels und des konvexen Beugungsgitters annähernd zusammmen.

Von Vorteil ist es auch, wenn der Eintrittsspalt und/oder das Detektorarray entlang ihrer Ortsachse (Y-Achse) und/oder ihrer Spektralachse (X-Achse) veränderlich positionierbar

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.

Die Erfindung soll anhand von zwei Ausführungsbeispielen und mehreren Abbildungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. A schematisch den optischen Strahlenverlauf im erfindungsgemäßen Spektrographen,

Fig. Al ein Spotdiagramm des Spektrographen bei einer Öffnung F/3 für die

-4-

Spaltpunkte - 4,4 mm, O mm und + 4,4 mm des Eintrittsspaltes bei einer Wellenlänge von 380 ran,

Fig. A2 ein Spotdiagramm entsprechend Fig. Al bei einer Wellenlänge von 580 nm und

Fig. A3 ein Spotdiagramm entsprechend Fig.Al bei einer Wellenlänge von 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 %.

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;

-5-

- 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.

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. 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.

Die Daten für ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung sind in der nachstehenden Tabelle angegeben:

-6-

Tabelle zu Ausfuhrungsbeispiel 2

Konkavspiegel	-150,174 mm
Krümmungsradi us	135 mm
Durchmesser	(0; 0; 0)
Koordinaten des Scheitelpunkts
Beugungsgitter	217,4 Linien/mm
Furchenanzahl	1
Beugungsordnung	25 mm
Durchmesser des Beugungsgitters fiir F/3	77,93 mm
Krümmungsradius	(0; 0; -72,418)
Koordinaten des Scheitelpunkts
Eintrittsspalt	(12,16; 37,4; -150,0)
Koordinaten des Zentrums
Bild/Detektorebene	{ 0; - 44,45; - 149,9 )
Koordinaten des Zentrums	-2,51°
Neigung der Detektorebene
(Drehung um die X-Achse)

Claims (7)

&bull; J*»· »■■■»· Schutzansprüche

1. Abbildender Kompaktspektrograph, insbesondere für die industrielle Prozeßanalyse, für biologisch-medizinische Untersuchungen und die Weltraumforschung (remote sensing), 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 monozentnsches Spioegelsystem bilden und der Konkavspiegel das Licht des Eintrittsspaltes reflektiert und das gebeugte Licht in der Bildebene zur Konvergenz bringt, dadurch gekennzeichnet, 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.

2. Abbildender Kompaktspektrograph nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsmittelpunkte des Konkavspiegels und des konvexen Beugungsgitters annähernd zusammenfallen.

3. Abbildender Kompaktspektrograph nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte von Konkavspiegel und konvexem Beugungsgitter sowie deren Krümmungsmittelpunkte auf einer Achse liegen.

4. Abbildender Kompaktspektrograph nach Anspruch 1,2 und 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsspalt und/oder das Detektorarray entlang ihrer Ortsachse (Y-Achse) und/oder ihrer Spektralachse (X-Achse) veränderlich positionierbar sind.

■ *

-2-

5. Abbildender Kompaktspektrograph nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere zusätzliche Planspiegel zwischen Eintrittsspalt und Konkavspiegel und/oder zwischen Konkavspiegel und Bildebene angeordnet sind.

6. Abbildender Kompaktspektrograph nach Anspruch 1,2, 3 und 4,

dadurch gekennzeichnet, daß das konvexe Gitter in der Anzahl der Gitterfurchen sowie deren Form und Tiefe (geometrische Gestalt) variiert.

7. Abbildender Kompaktspektrograph nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Konkavspiegel aus zwei konkaven Einzelspiegeln besteht.