DE3322639C2 - Konkavgitterspektrometer - Google Patents

Abstract

Konkavgitterspektrometer zur Erzeugung eines Spektralbildes durch Streuung eines zu messenden Lichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge mit einer Anordnung, welche ein Konkavgitter mit verschiedenem Abstand und/oder gekrümmten Rillen, welche auf einer konkaven sphärischen Oberfläche geformt sind, und einen Eingangsschlitz aufweist, der an einer solchen Position auf einer vertikalen Brennlinie, welche durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Oberfläche verläuft, angeordnet ist, daß die Summe der Quadrate der Differenz zwischen der horizontalen und vertikalen Brennweite bei jeder Wellenlänge im Wellenlängenbereich einen Minimalwert annimmt. Das zu messende Licht, welches durch den Eingangsschlitz projiziert wird, wird durch das Konkavgitter entsprechend der Wellenlänge gestreut und es wird ein Bild auf der vertikalen Brennlinie fokussiert, welche durch den Krümmungsmittelpunkt des sphärischen Gitters verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konkavgitterspektrometer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es z. B. aus der US-PS 4012 843 bekannt ist
Unter den verschiedenen Spektrometertypen, weiche in Polychromatoren verwendet worden sind, ist das üblichste Spektrometer ein Konkavgitterspektrometer, welches ein sehr einfaches optisches System aufweist und keine unabhängige Fokussie^reinrichtung wie z. B. einen sphärischen Spiegel benötigt Das vom Spektrometer in Abhängigkeit von der Wellenlänge gestreute und fokussierte Spektraibilä wird durch einen Fotodetektor nachgewiesen, der aus einer Trockenplatte, einer Vielzahl von Fotomultipliern oder Solarzellen bestehen kann, die an den jeweiligen Fokussierungspositionen des Spektrums angeordnet sind. Neuerdings sind Fotodetektoranordnungen praktiziert worden, in weichen eine Vielzahl von kleinen Halblekerfotosensoren wie z. B. ladungsgekoppelte Eii.ichtungen (CCD) und Fotodioden in einem konstanten Abstand angeordnet sind Diese Fotodetektoranordnung wird gebildet ^'lrch Eingliedern von einigen hundert oder mehr der oben erwähnten Halbleiterfotosensoren auf einer I inie, was eine einfache Handhabbarkeit und die Messung der Lichtintensität für viele Wellenlängen in einer sehr kurzen ?eit ermöglicht Demzufolge kann durch Kombination einer Fotodetektoran-Ordnung mit dem oben erwähnten Konkavgitter ein Polychromator geschaffen werden, der eine Hochgeschwindigkeitsrnessung mit einfachem Aufbau ermöglicht

Die zur Zeit verfügbaren Fotodetektoranordnungen sind jedoch solche, bei welchen die Fotosensoren in einem ebenen Bereich angeordnet sind. Um die Fotodetektoranordnung zu verwenden, muß daher das Spektrometer ein optisches System aufweisen, das ein spektrales Bild auf der gleichen Ebene fokussiert Wie in F i g. 1 gezeigt ist erzeugt das konventionelle Konkavgitter 1, bei welchem konstant beabstandete, gerade Rillen bzw. Furchen (auf einer Rohlingebene) auf einer konkaven sphänschen Oberfläche gebildet sind (vgl. z. B. Handbuch der Physik, von G. W. Stroke, BdXXIX, 1967, Seiten 472—486). eine spektrale Bildoberfläche, mit einem Rowland-Kreis 2 mit einem Durchmesser gleich dem Radius der sphärischen Oberfläche und normal zur Zeichnung. Die oben erwähnte Bedingung ist nicht erfüllt In F i g. 1 ist außerdem ein Eintrittsspalt 3. ein Strahl 4 eines zu messenden Probenlichtes, die Normale 5 der Beugungsgitteroberfläche, ein Strahl 6 des gestreuten monochromatischen Lichts und der Mittelpunkt A der Krümmung der sphärischen Oberfläche gezeigt

Wenn die Position der ebenen Lichtnachweiseinrichtung bei einem Konkavgitterspektrometer der eingangs genannten Art der gekrümmten horizontalen Brennlinie, welche auch meridio-iale bzw. tangentiale Brennlinie gennannt wird, im Schnittbereich der horizontalen BrennHnie mit der vertikalen Brennlinie, welche auch sagitta-Ie Brennlinie genannt wird, weitgehend angenähert wird, wird zwar die Entbündelung über den benutzten Wellenlängenbereich verringert. Der Astigmatismus wird hierbei jedoch um so größer, je mehr man sich vom Schnittpunkt der ebenen Lichtnachweiseinrichtung mit der vertikalen Brennlinie entfernt Wenn man die ebene Lichtnachweiseinrichtung in die lineare vertikale Brennlinie legt ist der Astigmatismus über den benutzten Wellenlängenbereich Null. Die Entbündelung wird hierbei jedoch um so größer, je mehr man sich vom Schnitlpunkt der vertikalen Brennlinie mit der horizontalen Brennlinie entfernt

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konkavgitterspektrometer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei dem Astigmatismus und Entbündelung gleichzeitig weitgehend eliminiert werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Konkavgitterspektrometer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst Erfindungsgemäß besteht also immer ein bestimmter Satz von Bedingungen, unter denen eine gerade Linie, welche eine Annäherung an die gekrümmte horizontale Brennlinie darstellt, mit der linearen vertikalen Brennlinie übereinstimmt. Das erfindungsgemäße Konkavgitterspektrometer weist daher sehr gute Fokussierungseigenschaften sowohl in bezug auf die Entbündelung wie auch auf den Astigmatismus auf.

Im nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 eine beispielhafte schematische Darstellung eines Gitterspektrometers gemäß Stand der Technik,
Fig.2 eine beispielhafte schematische Darstellung, welche das Verfahren zur Herstellung des konkaven

j*

β Gitters mit verändertem Abstand und gekrümmten Rillen zeigt, welches gemäß einer Ausführungsform der

H vorliegenden Erfindung verwendet wird, F i g. 3 eine schematische Darstellung, welche die horizontale und vertikale Brennlinie eines konkaven Gitters

£' mit verschiedenem Abstand und gekrümmten Rillen zeigt.

S Fig.4 eine graphische Darstellung, welche die Veränderungen der Summe der Quadrate der Differenz

zwischen der horizontalen und vertikalen Brennweite zeigt,

öf Fig.5 eine graphische Darstellung des Fehlers der horizontalen Brennweite, welcher durch die lineare

W Annäherung verursacht WTd, und S; F i g. 6 eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

£ In Fig.2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines konkaven Gitters mit verschieden beabstandeten und

l| gekrümmten Rillen gezeigt welches in der US-PS 40 12 843 vorgeschlagen worden ist Das Diamantwerkzeug 7 :% · bewegt sich rückwärts und vorwärts innerhalb einer Ebene, welche eine Gerade einschließt, die um einen Winkel

'■·'.', θ im Verhältnis zur Normalen 4 des Rohlings 8 am Mittelpunkt O abgeschrägt ist und senkrecht zur Zeichenebe-

:; ne verläuft Der sphärische Rohling 8 wird mit einem verschiedenen Abstand in der durch den Pfeil gezeigten

-■·: Richtung bewegt Verschieden bzw. ungleich beabstandete, gerade Rillen 9 mit einer Neigung Θ, wenn von der

t■'." Vorderseite des Zeichnungsbtettes beobachtet, werden gebildet Die Rillen sind elliptisch mit einer bestimmten Abplattung, bestimmt durch θ und die Krümmung der sphärischen Oberfläche, wenn sie längs der Normalen 4

; projiziert werden.

Das konkave Gitter mit mechanisch geformten Rillen, welche, wie oben beschrieben, gebildet worden sind,

t weist horizontale und vertikale Brennlinien auf, weiche jeweils durch die nachfolgenden Gleichungen (1) und (2)

ί ausgedrückt werden:

1 ( cos·' a _ cosg^ 1 ( cor β _ cosj? \ (sing + sinjjQ / _ tan θ\ _ _n .

τ r~r~ ~r~) ⁺ τ \—PT Rj R ' κ ~2~) - ° ⁽¹⁾ τ (τ - Ψ) ⁺ τ (ir - Ψ) - t^ ■ — - ■>■

Dabei ist, wie in F i g. 6 teilweise gezeigt, ot der Einfallswinkel des Lichtes,/?der Beugungswinkel des Lichtes mit der Wellenlänge λ, r der Abstand OS zwischen dem Eintrittsspalt und dem konkaven Gitter, γ'η die horizontale Brennweite OH, rV die vertikale Brennweite Ό~Ϋ, R der Krümmungsradius OA der sphärischen Oberfläche des Gitters, θ der Neigungswinkel der auf der sphärischen Oberfläche des Gitters gebildeten Rillen, wie oben in Verbindung mit F i g. 2 erwähnt und k eine Konstante, welche den Abstand der Rillen bestimmt In diesem Zusammenhang wird ebenfalls Bezug auf die oben erwähnte US-PS 40 12 843 genommen.

Ein Beispiel der horizontalen Brennlinie, welche sich aus Gleichung (1) ergibt ist die Linie 10 in F i g 3 und ein Beispiel der vertikalen Brennlinie, welche sich aus der Gleichung (2) ergibt ist die Linie 11 in F i g. 3. In F i g. 3 ist außerdem Jas konkave Gitter 12 und der Mittelpunkt A der Krümmung der sphärischen Oberfläche gezeigt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist die horizontale Brennlin!. 10 eine Kurve, während die vertikale Brennlinie 11 eine Gerade ist Bei dem gezeigten Beispiel fallen sie nicht miteinander zusammen, ausgenommen an den speziellen Punkten A und B.

In allgemeinen Spektrometern ist der Brennpunkt in horizontaler Richtung wichtiger als der Brennpunkt in vertikaler Richtung, um die ausreichende Auflösung zu erzielen. Beim Aufbau eines Spektrometers werden daher Fotosensoren auf der horizontalen Brennlinie angeordnet wodurch sich Astigmatismus im Spektralbild ergibt Wenn die fotoempfindliche Fläche eben ist wie im Falle der Fotodetektoranordnung, stellt sich die Frage, an welcher Position auf der horizontalen Brennünie die Fotosensoren angeordnet werden sollten, zusätzlich zu dem obigen Problem. Es wurde die Möglichkeit der Verwendung der vertikalen Brennlinie als Annäherung der horizontalen Brennlinie geprüft, wodurch gleichzeitig das Problem des Astigmatismus gelöst werden kann.

In Fig.4 ist das Ergebnis der Berechnung für die Summe der Quadrate der Differenz der vertikalen und horizontalen Brennweite (r¹, — γ'η) für jede Wellenlänge <? = 2 (^r'y — ^ΓΉβ gezeigt, wobei der Einfallswinkel a und die oben erwähnte Konstante k als Parameter verwendet werden. Die Spezifizierungen sind z. B. wie folgt: Anzahl der Rillen 300 Rillen/mm, Krümmungsradius 50 mm, θ = 8° und Wellenlängenbereich 250 bis 750 nm. Es muß nicht unbedingt erwähnt werden, daß um so bessere Eigenschaften erziel* werden, je kleiner der Wert Q ist Wie aus F i g. 4 hervorgeht, hat die Summe Q der Quadrate für jeden Einfallswinkel einen Minimalwert, wobei der Wert von Q sich in Abhängigkeit vom Einfallswinkel χ ändert und ihre Einhüllende hat ebenfalls einen Minimalwert Genauere Berechnungen für α und k um den Minimalwert von Q, gezeigt in der Figur, ergibt, daß der Minimalwert von Q genauer bei a = —5,6° und k = 0338 liegt. Der W«:rt von (r\ — γ'η) für jede Wellenlänge, d. h. die horizontale Brennabweichung ist durch die ausgezogene Linie (a) in F i g. 5 gezeigt. Das durch (a) gezeigte Ergebnis ist nicht sehr unterschiedlich von der Brennabweichung, welche durch Annäherung der horizontalen Brennlinie durch eine Gerade erhalten wird durch eine solche Auswahl der Konstanten k des veränderlichen Abstandes, daß die horizontale Brennlinie innerhalb des verwendeten Wellenlängenbereichs so linear wie möglich ist (gezeigt durch die gestrichelte Linie (b) in Fig.5). In einem anderen Beispiel wurde bestätigt, daß siciierlich eine Bedingung existiert, welche erlaubt daß die horizontale Brennkurve durch eine lineare vertikale Brennlinie durch Auswahl eines geeigneten Einfallswinkels angenähert wird.

In Fig. 6 ist ein Diagramm gezeigt, in welchem eine Ausführungform der vorliegenden Erfindung erläutert wird. Die Figur stellt eine Draufsicht des Polychromators dar, welcher aus dem konkaven Gitterspektrometer

mit einer Fotodetektoranordnung (ζ. B. CCD-Anordnung, Fotodiodenanordnung, usw.) zum Messen des Wellenlängenbereiches von z. B. 250 bis 750 nm besteht.
Die Spezifikationen des konkaven Gitters und der optischen Einrichtungen sind folgende:

Anzahl der Rillen (durchschnittlich):	350 Riilen/nm
Krümmungsradius:	50 mm
Einfallswinkel λ:	-3.6°
k:	0,2448
Θ:	8°
r.	50,94 mm

Ein Eintrittsspalt 3 und eine Fotodetektoranordnung 13 sind auf einer Linie angeordnet, welche durch den Krümmungmittelpunkt A des sphärischen konkaven Gitters 12, verläuft, d.h. auf der Linie 11, welche die angenäherte horizontale Brennlinie und zur gleichen Zeit die vertikale Brennlinie, wie vorher beschrieben, ist. Das zu bemessende Licht 4 fällt durch den Eintrittsspalt 3 auf das konkave Gitter 12. Das in Abhängigkeit von der Wellenlänge durch das Gitter 12 gestreute Licht 6 wird auf einen bestimmten Fotosensor in der Fotodetektoranordnung 13 fokussiert, welche auf der Brennoberfläche angeordnet ist, um ein Spektralbild frei von Astigmatismus zu bilden.

Gcinäß der AusfuhrüngSiöriTi der F i g. 6 erscheini in dem Spckträibüd kein Astigmatismus, wodurch die

wirksame Messung des Lichtes ermöglicht wird. Es ist außerdem möglich, die Verteilung der Spektralintensität räumlich genau zu messen, indem eine Vielzahl von Löchern in der vertikalen Richtung des Spaltes anstelle eines Eintrittsspaltes angeordnet werden und durch Verwendung eines zweidimensionalen Fotosensors wie z. B. einer zweidimensionalen Fotodetektoranordnung. In einem solchen Spektrometer können z. B. gleichzeitig Gasspektren nachgewiesen werden.

Obwohl die Ausführungsform hauptsächlich für Spektrometer beschrieben worden ist, bei welchen ein konkaves Gitter mit unterschiedlichem Abstand und gekrümmte Rillen verwendet wird, welche durch mechanisches Teilen geformt worden sind, können auch konkave Gitter mit unterschiedlichem Rillenabstand und geraden Rillen und konkave Gitter mit konstant beabstandeten gekrümmte^. Rillen verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. IConkavgitterspektrometer für einen Polychromator mit einer ebenen, einen Wellenlängenbereich erfassenden Lichtnachweiseinrichtung an einer Bildfokussierungsposition, die beim Furchen des Konkavgitters verschiedenen Abstand und/oder eine gekrümmte Form aufweisen und auf einer konkaven sphärischen Oberfläche ausgebildet sind, wobei das Gitter eine horizontale Brennlime erzeugt, die eine vertikale Brennlinie schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtnachweiseinrichtung (13) auf der vertikalen Brennlinie (11) angeordnet ist und daß der Eintrittsspalt (3) des Spektrometer^ an einer solchen Position auf der durch den Krümmungsmittelpunkt (A) der sphänschen Oberfläche verlaufenden vertikalen Brennlinie

ίο (11) angeordnet ist, daß die vom Einfallswinkel (ac) des Lichtes und vom Furchenabstand (k) abhängende Summe der Quadrate (Q) der Differenz zwischen der vertikalen und horizontalen Brennweite jeder einzelnen Wellenlänge des von der Lichtnachweiseinrichtung (13) erfaßten Wellenlängenbereichs einen Minimalwert annimmt

2. Konkavgitterspektrometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Eintrittsspalt aus einer Vielzahl von in vertikaler Richtung angeordneten Löchern besteht

3. Konkavgitterspektrometer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die ebene Lichtnachweiseinrichtung (3) eine Fotodiodenanordnung aufweist