-
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.