DE60010322T2

DE60010322T2 - Konzentrisches spektrometer mit verringerung interner spiegelreflexionen

Info

Publication number: DE60010322T2
Application number: DE60010322T
Authority: DE
Inventors: A. Perry PALUMBO
Original assignee: Hach Co
Current assignee: Hach Co
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2020-11-14
Also published as: JP2003515733A; EP1236025B1; WO2001040746A1; US6538736B1; CA2389367C; EP1236025A1; CA2389367A1; JP4611591B2; DE60010322D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Spektrometer und Spektrographen mit optischen Elementen, wobei die Oberflächen der genannten Elemente einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt aufweisen. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein "optisches System mit Einheitsvergrößerung ohne Seidel-Aberrationen" nach Dyson, das konzentrische Spektrometer und konzentrische Spektrographen aufweist, in welchen das optische System nach Dyson eingesetzt wird.
Stand der Technik
Konzentrische optische Systeme gemäß der Beschreibung von J. Dyson, JSOA, "Unit Magnification...Aberrations", Band 49, Nr. 7, S. 713 – 716, sehen große Bildfelder vor, die frei von Seidel-Aberrationen sind und somit Bilder in hoher Qualität und hoher Auflösung bilden können. Diese optische Anordnung wurde von L. Mertz, Applied Optics, "Concentric Spectrographs", Band 16, Nr. 12, S. 3122–3124 und W. Slutter ( EP 0 862 050 A2 ; 1998) vorteilhaft bei Spektrometern und Spektrographen zur Erzeugung einer spektralen Ausbreitung optischer Energie in hoher Qualität eingesetzt.
EP A 862050 offenbart einen modifizierten konzentrischen Spektrographen.
Interne Lichtreflexionen an optischen Oberflächen können die Qualität des an der Bildöffnung gebildeten Bilds verschlechtern. Das Bild kann als Folge innerer Reflexionen durch unzählige optische Phänomene verschlechtert werden. Bei Beispiel für den Güteabfall ist die Bildung mehrerer Bilder des Objekts an der Bildöffnung. Ein weiteres Beispiel für den durch innere Reflexionen bewirkten Güteabfall ist die Bildung von Interferenzstreifen an der Bildöffnung. Ein weiteres Beispiel für die Verschlechterung der Bildqualität ist der Verlust von Kontrast oder der Erkennungsgrenze, wenn reflektiertes Licht von einer optischen Oberfläche außerhalb des Brennpunkts an der Bildöffnung auftrifft und nicht zu der Bildung des Bilds des Objekts bzw. des Motivs beiträgt. Das Objekt in Spektrometern ist für gewöhnlich der Eintrittsschlitz bzw. die Eintrittsöffnung, durch welche die zu analysierende optische Energie in das Spektrometer eintritt.
In einem konzentrischen Spektrometer mit der optischen Konfiguration nach Dyson existieren zwei regelmäßig gerichtete Oberflächenreflexionen, die zu inneren Reflexionen beitragen oder diese bewirken. Beide Reflexionen haben ihren Ursprung an der konvexen Oberfläche der plankonvexen Linse, die konzentrisch zu einem konkaven Beugungsgitter bzw. optischen Gitter angeordnet ist. Die erste Reflexion erfolgt, wenn von der Objektebene übertragenes Licht auf die konvexe Oberfläche der Linse einfällt, und die zweite Reflexion tritt auf, wenn das gebeugte Licht von dem Gitter auf der genannten konvexen Oberfläche auftrifft. Entweder eine oder beide dieser Reflexionen können die Bildgüte des Spektrometers verschlechtern.
Die Effekte innerer Reflexionen wurden gemäß dem Stand der Technik durch die Abscheidung verschiedener Antireflexionsbeschichtungen auf die optischen Oberflächen in dem konzentrischen Spektrometer reduziert. Eine bzw. mehrere antireflektierende Beschichtungen können auf optische Oberflächen aufgetragen werden, um die differentielle Änderung des Brechungsindex zu verringern, wenn sich der Strahl von einem optischen Medium (wie etwa Luft) auf ein zweites optisches Medium mit einem anderen Brechungsindex ausbreitet (wie zum Beispiel Glas), wodurch die Stärke der gleichmäßig gerichteten Reflexion reduziert wird. Es gibt viele Beispiele für Beschichtungen auf optischen Oberflächen, welche die Stärke der Reflexionen auf optischen Oberflächen verringern. Es gibt zudem zahlreiche Werke der Literatur zu Studien der Abscheidung einzelner oder mehrerer Lagen bzw. Schichten, die Reflexionen an optischen Oberflächen reduzieren.
Eine bzw. mehrere Antireflexionsbeschichtungen mit hoher Leistungsfähigkeit, für gewöhnlich eine mehrlagige dielektrische Beschichtung, welche die Reflexion an der Oberfläche erheblich reduziert, weisen inhärente Nachteile auf. Zu diesen Nachteilen zählen hohe Produktionskosten, ein enger Wellenlängenbereich, bei dem der Reflexionsverlust gering ist, beschränkte Einfallwinkel, in denen sich Strahlen mit geringer Reflexion ausbreiten können, und zudem sind sie zerbrechlich und erfordern eine spezielle Handhabung, Reinigung und Umweltschutzmaßnahmen. Diese Hochleistungsbeschichtungen können sogar eine stärkere Reflexion als eine Oberfläche ohne antireflektierende Beschichtung bewirken, wenn sie jenseits des vorgesehenen Wellenlängenbereichs verwendet werden. Unabhängig von der bzw. den verwendeten Beschichtungen) werden innere Reflexionen nicht über einen breiten Wellenlängenbereich auf einen Wert reduziert, bei dem keine Verschlechterung der Bildqualität durch eines oder mehrere der vorstehend genannten optischen Phänomene in konzentrischen optischen Systemen erfolgt.
Eine weitere Art und Weise der Reduzierung innerer Reflexionen in konzentrischen Spektrometern erfolgt durch die Reduzierung der numerischen Apertur (NA) des Spektrometers. Eine Möglichkeit zur Reduzierung der NA des Spektrometers ist die Platzierung eines optischen Stopps in dem Spektrometer. Dies ist nicht wünschenswert, da es sich bei dem Ergebnis um einen Verlust des detektierbaren Signals, einen Rückgang des Lichtleitwerts bzw. des Durchsatzes des optischen Systems handelt und das Streulicht in dem Spektrometer erhöht werden kann, da mehr Energie innerhalb der Grenzen des Spektrometers absorbiert werden kann.
Es ist allerdings erforderlich, intern reflektiertes Licht in einem konzentrischen Spektrometer abzuschwächen, so dass weder eine Verschlechterung der Bildqualität noch ein Kontrastverlust auftreten, wobei ein hoher Lichtleitwert aufrechterhalten wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet die Einschränkungen innerer Reflexionen in der Optik konzentrischer Spektrometer durch Abschwächung der gleich gerichtet reflektierten Strahlen in Bezug auf die Ausbreitung durch das optische System. Folglich bleibt die Bildqualität an der Detektierungs- oder Bildebene ebenso erhalten wie ein hoher Lichtleitwert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind in einem konzentrischen Spektrometer mit allen Merkmalen nach Anspruch 1 ein Objekt und eine Bildöffnung vorgesehen, durch welche optische Strahlung oder Licht in das Spektrometer durch die genannte Objektöffnung eintritt, und wobei ein räumlich verstreutes Bild der genannten Objektöffnung durch Wellenlänge an der genannten Bildöffnung erzeugt wird. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen definiert. Das Feld oder das Ausmaß der Objekt- und Bildöffnungen in Verbindung mit der Brennweite des optischen Systems definiert die Begrenzung, innerhalb der sich Licht in dem optischen System ausbreiten kann. Strahlen, die das System an der Begrenzung der Öffnungsfelder ausbreiten, sind marginale Strahlen.
Vorgesehen ist ein konkaves Beugungsgitter, das von einem bzw. mehreren Objekten von der Objektebene einfallendes Licht reflektiert und bricht und an der Bildung eines räumlich abgelenkten Bilds von dem bzw, den Objekten durch Wellenlänge auf der Bildebene teilnimmt. Vorgesehen ist eine plankonvexe Linse, durch die Licht von der Objektebene zu dem Beugungsgitter übertragen wird, wobei das Licht gebrochen und reflektiert, danach erneut durch die gleiche plankonvexe Linse übertragen wird, um ein spektral verstreutes Bild des Objekts in der Bildebene zu bilden. Die konvexe Oberfläche der Linse und die konkave Oberfläche des Beugungsgitters sind konzentrisch oder nahezu konzentrisch um einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt. Ferner vorgesehen ist ferner eine optische Achse, welche den Krümmungsmittelpunkt der optischen Elemente aufweist und sich durch die mechanische Achse sowohl der Linse als auch des Beugungsgitters erstreckt. Ein radialer Abstand ist von der optischen Achse definiert, die sowohl die Objekt- als auch die Bildöffnungen aufweist.
Meridionale Ebenen, welche die optische Achse aufweisen, sind senkrecht zu dem X-Y-Pfad eines bestimmten gebrochenen Strahls definiert, wenn sich der Strahl von dem Gitter in Richtung der konvexen Oberfläche der Linse ausbreitet. Ein gebrochener Strahl, der auf die konvexe Linsenoberfläche der Linse einfällt, sorgt für eine gleich gerichtete Reflexion. Ein Strahl, der auf die konvexe Linsenoberfläche auftrifft, bevor die meridionale Ebene der Strahlen geschnitten wird, bewirkt, dass die gleich gerichtete Reflexion so gerichtet wird, dass sie ein zweites Mal auf dem Gitter auftrifft. Dieser Strahl kann das optische System durch eine Brechung nullter Ordnung weiter ausbreiten, um ein Spektrum oder einen Teil eines Spektrums in der Bildöffnung zu bilden, das bzw. der keine Korrelation zu dem entsprechenden Spektrum aufweist. Das Ergebnis ist ein Anstieg von Streulicht. Ein gebrochener Strahl, der die meridionale Ebene des Strahls schneidet, bevor er auf die konvexe Linsenoberfläche auftrifft, bewirkt dass die gleich gerichtete Reflexion von dem Beugungsgitter und der Bildebene weg gerichtet wird, ohne dass die Möglichkeit für eine sekundäre Reflexion oder Brechung besteht. Entsprechend kann eine Ablenkeinrichtung oder eine Reihe von Ablenkeinrichtungen und/oder Oberflächen, die Licht absorbierende Medien aufweisen, verwendet werden, um eine weitere Ausbreitung in dem Spektrometer zu verhindern, ohne den optischen Pfad des Spektrometers zu beeinträchtigen. Die vorliegende Erfindung schließt die Möglichkeit aus, dass gebrochene Strahlen auf die Oberfläche der konvexen Linse auftreffen, ohne dass vorher die meridionale Ebene geschnitten wird, wodurch eine weitere Ausbreitung interner gleich gerichteter Reflexionen verhindert wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft den Einsatz von Ablenkeinrichtungen, die lediglich die Ausbreitung von Licht aus einer Richtung verhindern müssen, da sekundäre Brechungen oder Reflexionen an der Gitteroberfläche nicht auftreten. Die Ablenkeinrichtungen können somit optimiert werden, so dass sie Streulicht durch mehrfaches Auftreffen des reflektierten Lichts auf den absorbierenden Medien oder Ablenkeinrichtungen abschwächen, um das Streulicht in dem Spektrometer insgesamt weiter zu reduzieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ferner nicht zulässig, dass sich von der Objektöffnung in Richtung der Objektachse erstreckende marginale Strahlen die optische Achse vor der konvexen Oberfläche der Linse schneiden, da dies zu inneren Reflexionen führen würde. Ferner definieren marginale Strahlen, die sich von der optischen Achse weggehend erstrecken, die freie Öffnung des optischen Systems.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine dicht an der konkaven Oberfläche des Gitters platzierte Lochmaske. Diese Lochmaske begrenzt die NA des Spektrometers und reduziert zudem Streulicht in dem Spektrometer. Der Rand oder die nahe Peripherie des Gitters weist für gewöhnlich keine optische Qualität auf. Der Rand des Gitters ist für gewöhnlich abgeschrägt, um die Zerbrechlichkeit des Gitters zu verringern, wobei dies aber auch den unerwünschten Effekt des Streuens von Licht in Richtung der Bildöffnung zur Folge haben kann. Ferner weist die optische Oberfläche hinter der freien Öffnung des Gitters Fehler durch die Replizierungs- oder Fertigungsverfahren auf. Eine Lochmaske sieht somit eine Oberfläche vor, die Licht absorbiert, zur Begrenzung der NA des Spektrometers dient und den Bereich hinter der freien Öffnung des Gitters maskiert, um das Streuen von Licht in Richtung der Bildöffnung zu verhindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung liegen die Objekt- und Bildöffnungen somit in einer oder mehreren parallelen oder zusammenfallenden Ebenen, dicht an oder eingeschlossen in der bzw. die planare Oberfläche der plankonvexen Linse. Die Dicke der plankonvexen Linse und die Linsenradien, der Abstand zwischen der konvexen Oberfläche der Linse und der konkaven Oberfläche des Beugungsgitters, die Radien des Beugungsgitters und die Gitterrillendichte werden gleichzeitig angepasst, um Aberrationen in den Spektrometeröffnungen so gering wie möglich zu halten und sehen die gewünschte räumliche Dispersion vor. Ferner werden der radiale Abstand von der optischen Achse, an der die Objekt- und Bildöffnungen angeordnet sind, sowie die Durchmesser der Linse, des Gitters und der Lochmaske gemäß der vorliegenden Erfindung so angepasst, dass die gewünschte numerische Apertur des Spektrometers vorgesehen wird, während innere Reflexionen eliminiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Draufsicht von oben (X-Z-Ebene) eines bekannten modifizierten konzentrischen Spektrographen mit Objekt- und Bildöffnungen, die nicht in der Ausbreitungsachse vorgesehen sind;
2 eine Seitenansicht (Y-Z-Ebene) der Abbildung aus 1;
3 eine axiale Ansicht (X-Y-Ebene) der Abbildung aus 1 mit einer Ansicht durch die planare Oberfläche der Linse in Richtung des Beugungsgitters;
4 eine axiale Ansicht (X-Y-Ebene) eines bekannten modifizierten konzentrischen Spektrographen mit zwei Objekt- und Bildöffnungen;
5 eine axiale Ansicht (X-Y-Ebene) einer alternativen Anordnung eines bekannten modifizierten konzentrischen Spektrographen mit zwei Objekt- und Bildöffnungen;
6 eine Draufsicht von oben (X-Z-Ebene) der Abbildung aus 1 mit einem nicht einschränkenden Öffnungs-Stopp, und wobei der Pfad der inneren Reflexion dargestellt ist;
7 eine Draufsicht von oben (X-Z-Ebene) der Abbildung aus 6, wobei sich der Öffnungs-Stopp an der Position befindet, die innere Reflexionen verhindert;
8 eine Draufsicht von oben (X-Z-Ebene) der Abbildung aus 7 mit reduzierter numerischer Apertur;
9 eine axiale Ansicht (X-Y-Ebene) der Abbildung aus 7 mit reduzierter numerischer Apertur;
10 eine Draufsicht von oben (X-Z-Ebene) des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
11 eine Seitenansicht (Y-Z-Ebene) eines bevorzugten Ausführungsbeispiels;
12 eine axiale Ansicht (X-Y-Ebene) des bevorzugten Ausführungsbeispiels aus 11;
13 eine Draufsicht von oben (X-Z-Ebene) einer Implementierung des bevorzugten Ausführungsbeispiels; und
14 eine Querschnittsansicht der Abbildung aus 13 mit Einzelheiten des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
In Bezug auf die Abbildungen der 10 bis 14 ist ein konzentrisches Spektrometer mit einer optischen Konfiguration nach Dyson dargestellt, wobei interne Reflexionen in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung abgeschwächt werden. Die Abbildungen der 1 bis 9 zeigen dem Stand der Technik entsprechende Konstruktionen von Spektrometern.
Die Abbildungen der 1 und 2 zeigen ein modifiziertes konzentrisches Spektrometer 200 mit einer abgebildeten Objektöffnung 205 und einer Bildöffnung 211. Abgebildet sind eine plankonvexe Linse 215 mit einer planaren Oberfläche 216 und einer konvexen Oberfläche 217. Das Beugungsgitter 220 mit Ausbreitungsoberfläche 221 ist ein Stück entlang der optischen Achse 203 positioniert, so dass die konvexe Oberfläche 217 der Linse 215 konzentrisch bzw. nahezu konzentrisch ist. Die Objektöffnung 205 fällt mit der Objektebene 202 zusammen, durch die Licht in das Spektrometer 240 eintritt, woraufhin Licht von der Linse 215 gebrochen wird, um die Gitteroberfläche wesentlich zu füllen. Das Licht wird durch die Gitteroberfläche 221 gemäß einer bekannten Gittergleichung knλ = sinα + sinβ gebrochen, wobei k die Rillendichte des Gitters bezeichnet, wobei n für die Ordnung der Brechung steht, wobei λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts bezeichnet, wobei α für den Einfallswinkel steht, und wobei β den Brechungswinkel bezeichnet. Gebrochenes Licht breitet sich durch die Linse 215 in Richtung der Bildebene 201 aus, wobei ein spektrales Bild in der Bildapertur 211 gebildet wird, wobei die genannten Spektren 206 als eine räumliche Lichtausbreitung vs. Wellenlänge in der Abbildung aus 3 detektiert werden können. Wenn die Brechungsordnung Null entspricht, n = 0, entspricht der Einfallswinkel dem Ausbreitungswinkel, und es erfolgt eine Reflexion. Bei einer bestimmten Ausbreitung gibt es verschiedene Brechungsordnungen, positiv, negativ und Null. Das Bild der Objektöffnung 205 bei Nullordnung 210 ist im Verhältnis zu der optischen Achse 203 in Bezug auf die Brechungsordnung n = 1 dargestellt. Die Meridionalebene 225, welche die optische Achse 203 aufweist, ist senkrecht zu Gitterrillen der Gitteroberfläche 221 definiert und trennt die Objektöffnung 205 von der Bildöffnung 211. Die Objektöffnung 205 ist ein Stück 272 entfernt von der Meridionalebene 225 angeordnet, so dass ein Wiedereintreten von gebrochenem Licht durch die Bildöffnung 211 verhindert wird.
Ein modifiziertes konzentrisches Spektrometer 200 weist verschiedene unerwünschte Eigenschaften auf, welche die Reinheit der Spektren verschlechtern und den detektierbaren Bereich des Spektrometers durch Streulicht beschränken. Der Grund für diesen Leistungsabfall geht auf innere Reflexionen zwischen der konvexen Oberfläche 217 der Linse 215 und der Gitteroberfläche 221 zurück. Eine innere Reflexion, von der bekannt ist, dass sie zu Streulicht in der Bildöffnung 211 beiträgt, ist in der Abbildung aus 6 dargestellt, welche die Bildung von Reflexionen und deren Pfad darstellt. Zu analysierendes Licht tritt in das Spektrometer durch die Objektöffnung 205 ein und breitet sich entlang dem Strahlenweg 250 zu der planaren Oberfläche 216 der Linse 215 aus. Der Strahl verläuft entlang einem Pfad 251, 252 und trifft auf der Gitteroberfläche 221 auf. An der Gitteroberfläche 221 wird der Strahl durch den Winkel vs. Wellenlänge gebrochen. Bei einer bestimmten Wellenlänge fährt der Strahl 260 zu der Linsenoberfläche 217 fort, wo ein Teil des Lichts entlang dem Pfad 265 zurück reflektiert wird, und wobei das verbleibende Licht durch die Linse 215 als Strahlweg 268 in Richtung der Bildöffnung 211 übermittelt wird. Einige der reflektierten Strahlen 265 treffen ein zweites Mal auf dem Gitter auf und werden gemäß einer Brechung nullter Ordnung gemäß der Brechungsgleichung als Strahlen 266 reflektiert werden. Die Strahlen 266 nullter Ordnung des zweiten Einfalls auf der Brechungsgitteroberfläche 221 breiten sich durch die Linse 215 entlang dem Strahlenpfad 267 aus, so dass sie in der Bildöffnung 211 auftreffen und ein zweites Teilbild der primären Spektren 206 erzeugen. Das Teilspektrum steht räumlich nicht in Korrelation zu den primären Spektren 206 und es verhindert die Detektierung spezifischer Wellenlängen, für welche ein Spektrometer auf dem Gebiet der atomaren Absorptions-Spektroskopie nützlich ist. Gebrochene Strahlen 260 von der Gitteroberfläche 221 folgen einem X-Y-Pfad zu der konvexen Linsenoberfläche 217 und treffen in dem Bereich 250 auf der Linsenoberfläche 217 auf. Für einen bestimmten X-Y-Strahlenpfad ist eine Meridionalebene, eine Reflexionsebene 236, so definiert, dass sie die optische Achse 203 einschließt und senkrecht zu der X-Y-Linie der Ausbreitung aus 3 ist. Gleich gerichtete Reflexionen tragen zu unerwünschten teilweise spektralen Bildern bei, wenn die Ebene der Reflexion 236 bzw. die Reflexionsebene den Oberflächenbereich 250 der konvexen Linsenoberfläche 217 schneidet, wobei dies in der Abbildung aus 3 als der Bereich 251 identifiziert ist.
Ein modifiziertes konzentrisches Spektrometer gemäß dem Stand der Technik mit einer Konfiguration nach Dyson kann mehr als eine Objekt- und Bildöffnung aufweisen, wie dies in den Abbildungen der 4 und 5 dargestellt ist. Licht tritt in das Spektrometer durch die Objektöffnung 405(505) und 475(575) ein, wird durch die Linse 415(515) in Richtung der konkaven Gitteroberfläche 421(521) des Gitters 420(520) übermittelt. Die Bildöffnungen 411 und 481 sind auf der gleichen Seite der Meridionalebene 425 angeordnet, durch welche die primären Spektren 406 und 476 der Objektöffnung 405 und 475 abgebildet werden. Die Bildöffnungen 511 und 581 befinden sich auf verschiedenen Seiten der Meridionalebene 525, durch welche die primären Spektren 506 und 576 der Objektöffnung 505 und 575 abgebildet werden. Bilder nullter Ordnung der Objektöffnungen 405(505) und 475(575) sind relativ zu den optischen Achsen gemäß entsprechend 410(510) bzw. 480(580) dargestellt. Die Ausbreitungsachsen 435 und 445 für die Spektren 406 und 476 können zusammenfallend sein, um es möglich zu machen, dass beide Spektren auf einem einzigen Detektor einfallen. Die Ausbreitungsachse 535 des Spektrums 506 und die Ausbreitungsachse 545 des Spektrums 576 sind auf verschiedenen Seiten der Meridionalebene 525 angeordnet, um einen größeren Abstand zwischen den beiden Spektren vorzusehen, um einen zusätzlichen Raum unabhängig von der Detektierungseinrichtung vorzusehen. Unabhängig von der Anzahl der Objekt- oder Bildebenen oder der räumlichen Anordnung können innere Reflexionen auftreten, wenn die Oberflächenbereiche 450(550), 460(560) der Linse 415(515) durch Reflexionsebenen 436(536), 446(546) entsprechend geschnitten werden. Gleich gerichtete Reflexionen von der konvexen Linsenoberfläche in den Abschnitten 451(551) und 461(561) tragen zu der Bildung unerwünschter teilweise spektraler Bilder bei, welche die Leistung des Spektrometers verschlechtern. Ein weiterer Nachteil dem Stand der Technik entsprechender doppelter Anordnungen ist es, dass die Objektöffnungen 405(505) und 475(575) in einem anderen Abstand zu der optischen Achse 403 platziert werden als die Bildöffnungen 411(511) und 481(581). Die unsymmetrische Anordnung der Öffnungen um die optische Achse 403 verschlechtert die Bildqualität der Spektren 406(506) und 476(576).
Aperture-Stopps werden seit langem eingesetzt, um die Aberrationen zu regeln und die NA optischer Systeme zu beschränken. Ein Beispiel für einen Apertur-Stopp 290, der in einem modifizierten konzentrischen Spektrometer gemäß dem Stand der Technik zum Einsatz kommt, ist in den Abbildungen der 3 und 6 dargestellt. Der Apertur-Stopp 290 aus 6 beschränkt die NA des Spektrometers, verhindert jedoch nicht, dass innere Reflexionen auf dem Gitter 220 auftreffen, und was zu einem folgenden Güteabfall des primären Spektrums 206 aus 3 führt. Die Größe des Apertur-Stopps 390 aus 7, durch den Licht treten kann, kann in einem modifizierten konzentrischen Spektrometer verringert werden, um es zu verhindern, dass innere Reflexionen von der konvexen Oberfläche 317 der Linse 315 auf der Gitteroberfläche 321 des Gitters 320 auftreffen. Licht tritt in das modifizierte Spektrometer durch die Objektöffnung 305 der Objektebene 302 entlang dem Strahlpfad 350 ein. Der Strahlpfad 350 wird durch die planare Oberfläche 316 der Linse 315 entlang dem Strahlpfad 351 zu der konvexen Linsenoberfläche 317 übertragen. Das Licht von der Linse 315 gebrochen und trifft auf der konkaven Gitteroberfläche 321 auf, wo das genannte Licht in Richtung der Linsenoberfläche 317 gebrochen bzw. abgelenkt wird. Durch den Apertur-Stopp 390 wird verhindert, dass ein signifikanter Teil des nutzbaren Lichts 353, der zu der Bildung des primären Spektrums 306 in der Bildöffnung 311 beitragen würde, dies tut. Das Ergebnis Verdunklung erzeugt eine Situation, durch die die Verstärkung der Detektierungseinrichtung erhöht werden muss, um einen Rückgang der Intensität des Spektrums zu berücksichtigen. Verdunkelndes, eintretendes polychromatisches Licht in ein Spektrometer erhöht ebenfalls die Menge des Streulichts, das erzeugt wird, indem Licht von dem Apertur-Stopp 390 gestreut wird. Dies führt zu einem unerwünschten Rückgang des Kontrasts oder einem Anstieg des Signal-Rauschabstands, wodurch der Detektierungsbereich begrenzt wird, obwohl die Reflexion 365 durch den Apertur-Stopp 390 eliminiert wurde. Die reduzierte NA des Spektrometers ist in den Abbildungen der 8 und 9 am besten dargestellt. Das Gitter 320 wird durch den Apertur-Stopp 390 verdeckt, wobei Licht auf die Gitteroberfläche 321 in dem Apertur-Stopp 390 der Öffnung einfallen kann. Abgelenktes Licht trifft auf die Linsenoberfläche 317 in dem Bereich 350 auf, die alle auf der Seite der Reflexionsebene 336 liegen, die nicht zu inneren Reflexionen beiträgt, zu Lasten einer signifikanten Reduzierung des Lichtleitwerts im Verhältnis zu der gleichen Fläche 250 aus 3.
Die Probleme modifizierter konzentrischer Spektrometer (d. h. Streulicht durch interne Reflexionen, Streulicht durch Verdunkelung von eintretendem Licht, Streulicht durch Fehler der Gitteroberfläche hinter der freien Apertur, teilweise nicht korrelierte Spektren, verringerter Lichtleitwert) konnten gemäß der vorliegenden Erfindung in einem konzentrischen Spektrometer gelöst werden, das interne gleich gerichtete Reflexionen abschwächt. Licht tritt durch die Objektöffnung 105 der Objektebene 102 aus 10 und 11 in ein gleich gerichtetes, abschwächendes konzentrisches Spektrometer 100 ein. In der Objektöffnung 105 kann eine Mehrzahl von Eintrittsstrahlpfaden angeordnet sein, die jeweils verteilt sein können, so dass einzelne Spektren jedes polychromatischen Eintrittsstrahlpfads in der Bildöffnung 111 der Bildebene 101 gebildet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung müssen die Objektebene 102 und die Bildebene 101 nicht in einem zusammenfallenden Raum liegen und können von der planaren Oberfläche 116 der plankonvexen Linse 115 versetzt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ferner eine optische Konfiguration nach Dyson mit einer konvexen Oberfläche 117 der Linse 115 und eine konkave Oberfläche 121 des Beugungsgitters 120 entlang der optischen Achse 103 über ein Stück getrennt, das Aberrationen dritter Ordnung so gering wie möglich hält. Eine Lochmaske 190 wird dicht an der konkaven Oberfläche 121 des Gitters 120 oder darin eingeschlossen eingeführt. Die Lochmaske 190 beschränkt die NA des Spektrometers auf einen Wert, der größer ist als die NA der Eintrittsstrahlen. Die auf diese Weise vorgesehene Lochmaske 190 behindert die Ausbreitung von polychromatischen Streueintrittsstrahlen entsprechend in Richtung der Objekt- oder Bildebenen 101 und 102 durch Absorption. Zusätzlich verhindert die Lochmaske 190, dass die genannten polychromatischen Streueintrittsstrahlen auf der konkaven Gitteroberfläche 121 hinter der freie Apertur des Gitters 120 auftreffen, wo sich Oberflächenfehler und Kantenabschrägungen befinden, wodurch eine Ausbreitung oder Erzeugung von Streulicht verhindert wird. Ein weiterer Aspekt der Lochmaske 190 ist es, es zu verhindern, dass sich gleich gerichtete, reflektierte Strahlen 165 auftreffender Strahlen 160 auf der konvexen Oberfläche 117 entsprechend in Richtung der Objekt- und Bildebenen 101 und 102 ausbreiten. Die Objektöffnung 105 und die Bildöffnung 111 sind in einer radialen Entfernung 137 zu der optischen Achse 103 gemäß der Abbildung aus 2 platziert, entlang der die Bildqualität optimiert wird. Somit besteht der Wunsch zur Maximierung der Länge der Radien 137, welche die Bildöffnung 111 schneiden, um in der Bildöffnung 111 die höchste Bildqualität vorzusehen. Bei einem bestimmten Eintrittsstrahlpfad in der Objektöffnung 105 schneidet die Ausbreitungsachse 135 die Radien 137 hoher Bildqualität.
Symmetrisch fällt das Bild 110 nullter Ordnung der Objektöffnung 105 ferner an dem radialen Abstand 137 zu der optischen Achse 103 zusammen. Gemäß der vorliegenden Erfindung liegen das Bild 110 nullter Ordnung, die Objekt- und die Bildöffnung 105 und 111 somit alle im Wesentlichen in der gleichen radialen Entfernung 137 zu der optischen Achse 103. Ein einzigartiger Aspekt dieser Geometrie sieht eine Möglichkeit für die Reflexion polychromatischer Eintrittsstrahlen von der Objektöffnung 105 von der inneren konkaven Oberfläche 117 der Linse 115 vor und diese werden von der Bildöffnung 111 als reflektierte Strahlen 166 aus 10 weg geleitet. Das Ergebnis dieser Geometrie ist eine Reduzierung des auf die Bildöffnung 111 auftreffenden Streulichts. Der radiale Abstand von 137 und der Durchmesser der Linse 115 werden so ausgewählt, dass marginale Strahlen, die ihren Ursprung an der Objektöffnung 105 haben, nicht die optische Achse 103 schneiden, sondern sich durch die konvexe Oberfläche 117 ausbreiten. Dadurch wird ein Mindestdurchmesser für den radialen Abstand 137 auf im Wesentlichen der Hälfte des Durchmessers der Linse 115 vorgegeben. Ferner bestimmen die marginalen Strahlen die erforderliche freie Apertur des Gitters 120 und folglich den Innendurchmesser der Lochmaske 190. Die unvoreingenommene Auswahl der optischen Parameter durch einen Fachmann auf dem Gebiet muss somit so erfolgen, dass eine gewünschte spektrale und räumliche Ausbreitung von Licht sowie eine funktionsfähige numerische Apertur erreicht werden. Zu den optischen Parametern zählen unter anderem die Materialien, die Abmessungen und die Radien der optischen Komponenten sowie die Rillendichte des Gitters 120 sowie die räumliche Position der Komponenten im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung. Die auf diese Weise ausgewählten optischen Parameter sehen ein konzentrisches Spektrometer vor, das es verhindert, dass gleich gerichtet reflektierte Strahlen 165 das optische System eines gleich gerichteten, abschwächenden konzentrischen Spektrometers 100 ausbreitet, wie dies in den Abbildungen der 10 und 11 dargestellt ist.
Die Abbildungen der 13 und 14 zeigen eine Implementierung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die Außenansicht aus 13 zeigt in das Spektrometer 100 durch einen Lichtwellenleiter 118 einer integralen Faseroptikeinheit, die den Faserverbinder 158 und die Zugentlastung 159 aufweist, eintretendes Licht. Der Lichtwellenleiter 118 ist durch einen Epoxidharzklebstoff 119 an dem Faserverbinder 158 angebracht. Der Faserverbinder 158 wird durch einen Faserring 157 positioniert und wird unter Verwendung einer Schraube 192 durch eine Klammer 191 an der Verwendungsposition gehalten. Das Spektrometergehäuse 150 sieht eine Einrichtung zur Anbringung und Ausrichtung optischer Komponenten vor und hält die genannte Ausrichtung über einen umfassenden Betriebstemperaturbereich aufrecht. Messstangen 153 sind in das Gehäuse 150 geschraubt und an einem Ende durch Verriegelungsmuttern 154 gesichert. Das andere Ende der Messstangen 153 verläuft durch einen Flansch in dem Spektrometergehäuse 150, an dem Stellmuttern 155 angebracht sind. Schlitze 152 ermöglichen es, dass ein Ende des Spektrometergehäuses 150, vorzugsweise das Gitterende des Spektrometers, in drei Freiheitsgraden biegbar ist; eine Neigung um die X-Achse, ein Scheren um die Y-Achse und eine Übersetzung entlang der Z-Achse. Dies sieht eine Möglichkeit zur Positionierung des Gitters 120 im Verhältnis zu allen anderen festen Elementen des Ausführungsbeispiels vor, wobei eine X-Y-Positionierung und Fokussierung des spektralen Bilds 106 in der Bildöffnung 111 erreicht werden. Die Schlitze 152 weisen den zusätzlichen Nutzen als thermisches Erweiterungsverbindungsglied in dem Spektrometergehäuse 150 auf. Messstangen 153 mit einem ausreichend niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE, wie etwa Invar, erhalten die relative Position der Linse 115 zu der Gitteroberfläche 121 aufrecht, während es möglich ist, dass der Körper 150 die linearen Abmessungen im Temperaturverlauf an den Schlitzen 152 ändert. Durch entsprechende Auswahl der Befestigungspunkte der Messstangen 153 an dem Spektrometergehäuse 150 durch den Fachmann werden Fokusänderungen über einen umfassenden Betriebstemperaturbereich ausreichend eliminiert. Schlitze 151 in dem Spektrometergehäuse 150 werden in Verbindung mit dem Gittersicherungsring 193 aus 14 verwendet, um das Gitter 120 geregelt zu platzieren und um eine Rotationsausrichtung des genannten Gitters 120 zu ermöglichen, während der Kontakt mit dem Spektrometergehäuse 150 aufrechterhalten wird. Die Biegung 151 gewährleistet zudem, dass der Kontakt zwischen dem Gitter 120 und dem Körper 150 über den Betriebstemperaturbereich des Spektrometers erhalten bleibt. Ein Merkmal des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist es, dass alle Ausrichtungseinstellungen von einem Ende des Spektrometers zugänglich sind, was eine Ausrichtung des Spektrometers an Ort und Stelle ermöglicht. Die plankonvexe Linse 115 wird durch das Gehäuse 156 in dem Spektrometergehäuse 150 gehalten. Die Leiterplatte 195 positioniert den Detektor 112 im Verhältnis zu dem Faserring 157 und sieht eine Einrichtung für die Stromversorgung des Detektors 112 sowie zur Extraktion eines Signals von diesem vor. Die Objektöffnung 105 nimmt vorzugsweise die Form eines optischen Schlitzes an, der durch eine opake Metallabscheidung wie etwa von Nickel auf einem optisch transparenten Substrat wie etwa dem Glas SCHOTT GLASS TECHNOLOGIES B270 gebildet wird, an welches der Lichtwellenleiter 118 anstößt. Das Substrat 104 ist an einem Ende des Faserrings 157 angebracht, so dass die Ausrichtung des Faserverbinders 158 mit dem Lichtwellenleiter 118 zu dem optischen Schlitz 105 erhalten bleibt. Die Leiterplatte 195 mit angebrachtem Detektor 112 und der Faserring 157 mit dem Schlitz 105 werden durch den Sicherungsring 194 an der planaren Oberfläche der Linse 115 gehalten. Der optische Zement 107 mit einem Brechungsindex, der nahezu dem des Substrats 104, des Detektorfensters des Detektors 112 und der plankonvexen Linse 115 entspricht, bindet den Detektor 112 und das Substrat 104 an die Linse 115, wobei eine mechanische Stabilität ohne Verlust durch gleichmäßig gerichtete Oberflächenreflexionen an diesen optischen Grenzflächen vorgesehen wird. Verwendet werden können optischer Zement 107 wie zum Beispiel EPOXY TECHNOLOGIES EPO-TEK 301-2 oder andere mit den gewünschten optischen und physikalischen Eigenschaften. Oberflächenreflexionen zwischen dem Lichtwellenleiter 118 und dem Substrat 104 werden ebenfalls unter Verwendung des genannten gleichen optischen Zements eliminiert, der sich an der Position 108 befindet. Die Struktur der Ablenkeinrichtung 180 umfasst eine Reihe einzelner Ablenkeinrichtungen, wie etwa der Ablenkeinrichtung 181 bestehend aus oder mit einem Licht absorbierenden Material beschichtet, und wobei die Struktur als integralen Bestandteil die Lochmaske 190 aufweisen kann. Der Zwischenabstand zwischen einzelnen Ablenkeinrichtungen und der Apertur jeder Ablenkeinrichtung oder beiden können so angepasst werden, dass das Streulicht oder von der konvexen Linsenoberfläche 117 reflektiertes Licht, zuerst auf einer Ablenkeinrichtung wie etwa 181 auftrifft und danach auf der Ablenkeinrichtungswand 182. Eine auf diese Weise eingesetzte Struktur einer Ablenkeinrichtung sieht mindestens zwei Möglichkeiten für die Absorption von Streulicht vor, wobei das Absorptionsvermögen des Materials oder der absorbierenden Medien der Struktur 180 der Ablenkeinrichtung effektiv verdoppelt wird. Die Struktur der Ablenkeinrichtung 180 sitzt locker in dem Spektrometergehäuse 150 und wird durch einen elastischen Klebstoff wie etwa einen Silikonklebstoff 196 an der Verwendungsposition gehalten. Der Silikonklebstoff 196 ermöglicht eine Ablenkung der Struktur der Ablenkeinrichtung 180 innerhalb des Spektrometergehäuses 150, wenn Einstellungen in Bezug auf die Neigung und das Scheren des Gitters 120 über die Einstellmuttern 155 ohne Lösen von dem Gehäuse 150 vorgenommen werden. Die Struktur der Ablenkeinrichtung 180 verhindert es ferner, dass Umgebungslicht durch Schlitze 152 in dem Gehäuse 150 in das Spektrometergehäuse 150 eintritt, indem der durch die Schlitze 152 erzeugte Lichtpfad blockiert wird.
Für den Fachmann auf dem Gebiet ist es offensichtlich, dass die optische Achse durch die Einführung von Ebenenreflexionsoberflächen wie etwa von Faltspiegeln oder Prismen entlang dem optischen Pfad so verändert werden kann, dass eine gewünschte räumliche Ausrichtung der Komponenten erreicht wird. Unabhängig von dem Winkel oder der Anzahl der reflektierenden Oberflächen kann gezeigt werden, dass bei einer Darstellung der optischen Achse als eine gerade Linie, als ein optisches Tunneldiagramm, der Strahlpfad durch das Spektrometer im Verhältnis zu der optischen Achse unverändert bleibt und dem Umfang der vorliegenden Erfindung entspricht.
Ein konzentrisches Spektrometer, das interne gleich gerichtete Reflexionen abschwächt, wird somit realisiert, wobei spektrale Bilder hoher Qualität vorgesehen werden, die nicht durch ein optisches Phänomen beschränkt sind, das durch Lichtreflexion durch interne optische Oberflächen erzeugt wird. Die hierin offenbarten detaillierten Ausführungsbeispiele können auf verschiedene Art und Weise erreicht werden, ohne dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung oder dem von einem Fachmann auf dem Gebiet beabsichtigten Zweck abzuweichen, und wobei die vorliegende Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern ausschließlich durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Konzentrisches Spektrometer, das interne Spiegelreflexionen verringert, wobei das genannte Spektrometer eine Mehrzahl von optischen Elementen umfasst, mit einem Gitter (120) und einem Refraktionselement (115), wobei die genannten optischen Elemente eine optische Achse (103) definieren und nicht ebene optische Oberflächen mit Krümmungsmittelpunkten aufweisen, die im Wesentlichen gemeinsam auf der genannten optischen Achse liegen, wobei die genannten nicht ebenen optischen Oberflächen mindestens eine konvexe brechende Oberfläche (117) und mindestens eine Gitteroberfläche (121) aufweisen, die für eine Brechung nullter Ordnung aplanatisch ist, wobei die genannten optischen Elemente mindestens eine planare optische Oberfläche (116) aufweisen, die im Wesentlichen mit den Krümmungsmittelpunkten der genannten Mehrzahl von optischen Oberflächen zusammenfällt und im Wesentlichen senkrecht zu der genannten optischen Achse ist, wobei eine Objektöffnung (105) und eine Bildöffnung (111) im Wesentlichen in dem gleichen radialen Abstand zu der genannten optischen Achse angeordnet sind.
Spektrometer nach Anspruch 1, wobei das Spektrometer ferner eine Lochmaske (190) umfasst, die an der genannten Gitteroberfläche (121) positioniert ist.
Spektrometer nach Anspruch 2, wobei die genannte Lochmaske (190) dazu dient, die Ausbreitung von Licht über die freie Öffnung der genannten Gitteroberfläche (121) hinaus zu verhindern.
Spektrometer nach Anspruch 3, wobei die genannte Lochmaske so angeordnet ist, dass sie die Lichtausbreitung nicht behindert, was zur Bildung von Spektren an der genannten Bildöffnung (111) beitragen würde.
Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Spektrometer ferner eine Mehrzahl von Licht absorbierenden Platten (181) zwischen der genannten brechenden Oberfläche (117) und der genannten Gitteroberfläche (121) umfasst.
Spektrometer nach Anspruch 5, wobei die genannten Licht absorbierenden Platten (181) dazu dienen, Licht zu absorbieren, das nicht zu der Bildung von Spektren beiträgt, indem mindestens zweimal auf die genannten Platten aufgetroffen wird.
Spektrometer nach Anspruch 5, wobei die genannten Licht absorbierenden Platten (181) so angeordnet sind, dass sie Licht hinter der freien Öffnung der genannten Gitteroberfläche (121) absorbieren.
Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Spektrometer ferner mindestens eine planare, reflektierende optische Oberfläche umfasst, die in dem Strahlenweg in einem schiefen Winkel zu der genannten optischen Achse (103) positioniert ist.
Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der genannten planaren optischen Oberflächen im Wesentlichen mit der genannten Objektöffnung (105) oder der genannten Bildöffnung (111) zusammenfällt.
Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die genannte Objektöffnung (105) eine oder mehrere Öffnungen aufweist, durch welche polychromatisches Licht in das genannte Spektrometer eindringen kann.
Spektrometer nach Anspruch 9, wobei das Spektrometer ferner eine Lochmaske umfasst, um die Ausbreitung von gebrochenem Licht zu verhindern, das regelmäßig gerichtet von der genannten konvexen Oberfläche (117) der genannten plankonvexen Linse (215) reflektiert wird.
Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Spektrometer so angeordnet ist, dass Bilder der genannten Objektöffnung (105) innerhalb der genannten Bildöffnung (111) gebildet werden, die durch Wellenlänge räumlich entlang der Dispersionsachse zerstreut werden, im Wesentlichen senkrecht zu den Rillen der genannten Gitteroberfläche (121).
Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine genannte planare optische Oberfläche (116) und eine genannten nicht ebene optische Oberfläche (117) eine plankonvexe Linse (115) mit einem Brechungsindex bilden, der größer ist als der Brechungsindex des Mediums, das die konvexe Oberfläche der Linse und die genannte Gitteroberfläche (121) trennt.
Spektrometer nach Anspruch 13, wobei die genannte konvexe Linsenoberfläche (117) der genannten plankonvexen Linse (115) und die genannte Gitteroberfläche (121) entlang der genannten optischen Achse räumlich getrennt sind, um die Bildbildung des gebrochenen Objekts innerhalb der genannten Bildapertur (111) bei dem genannten radialen Abstand von der genannten optischen Achse (103) zu optimieren.
Spektrometer nach Anspruch 13 oder 14, wobei die genannte planare Oberfläche der genannten plankonvexen Linse entweder die genannte Objektöffnung (105) oder die genannte Bildöffnung (111) oder beide aufweist.
Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der genannte radiale Abstand derart gegeben ist, dass durch die genannte Gitteroberfläche (121) gebrochenes Licht regelmäßig gerichtet von der genannten brechenden Oberfläche (117) reflektiert werden kann, wodurch das Auftreffen auf der genannten Gitteroberfläche ausgeschlossen werden kann.
Spektrometer nach Anspruch 16, wobei der genannte radiale Abstand im Wesentlichen so angeordnet ist, dass er die genannte Objektöffnung (105) und die genannte Bildöffnung (111) mit einer Brechung nullter Ordnung aufweist.
Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die genannten nicht ebenen optischen Oberflächen im Wesentlichen sphärisch sind.