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Dokumentenidentifikation DE69634317T2 05.01.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000744599
Titel Optisches Spektrometer zur Erfassung von Spektren in unterschiedlichen Bereichen
Anmelder The Perkin-Elmer Corp., Norwalk, Conn., US
Erfinder Barnard, Thomas W., Weston, US
Vertreter Bosch, Graf von Stosch, Jehle Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80639 München
DE-Aktenzeichen 69634317
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.05.1996
EP-Aktenzeichen 961072881
EP-Offenlegungsdatum 27.11.1996
EP date of grant 09.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.01.2006
IPC-Hauptklasse G01J 3/28(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse G01J 3/18(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf optische Spektrometer und insbesondere auf optische Spektrometer zur getrennten Erfassung unterschiedlicher Spektralbereiche mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Allgemeiner Stand der Technik

Optische Spektrometer sind Instrumente, die Lichtstrahlung zur Analyse in Spektralmuster dispergieren. Derartige Instrumente werden für verschiedene Anwendungen benutzt, z.B. um die Spektrallinien-Charakteristik atomarer Elemente in einer Probe zu erzeugen und zu charakterisieren. Für eine präzise quantitative Analyse oder Detektion von sehr kleinen Mengen von Elementen muss das Spektrometer einen hohen Präzisionsgrad aufweisen.

Eine Bauart eines Spektrometers, welches zur Analyse von anorganischen Proben verwendet wird, ist ein Atomemissionsspektrometer, welches eine plasmainduzierte (ICP = Induction Coupled Plasma) Quelle für Lichtstrahlung verwendet. Zerstäubtes Probenmaterial wird in das Plasma eingebracht, in welchem es in Atome aufgetrennt wird, welche in dem Plasma so angeregt werden, dass sie die Spektrallinien einschließende Strahlung emittieren. Ein Beispiel eines derartigen Plasmainduktionssystems wird in dem US-Patent Nr. 4,766,287 (Morrisroe et al.) beschrieben.

Ein Polychromator in einem Spektrometer dispergiert die Strahlung in ein Band oder in eine Vielzahl von Wellenlängen oder Spektrallinien, die detektiert werden. Ein Beispiel eines Präzisionspolychromators ist ein "echelle"-System mit hintereinander geschalteten, gekreuzten Dispersionsvorrichtungen, um eine zweidimensionale Spektralliniendarstellung zu erzeugen, wie in dem US-Patent Nr. 4,820,048 (Barnard) des vorliegenden Patentinhabers beschrieben wird. Die Spektrallinien werden auf einen Detektor fokussiert, welcher aus einer zweidimensionalen Festkörper-Ladungstransfer-Vorrichtung besteht, welche zu der Intensität der zugehörigen Linien proportionale Signale erzeugt.

Ein Computer verarbeitet die Signalinformation, korrigiert den Untergrund, führt eine Kalibrierung durch und zeigt die Ergebnisse in Form von Konzentrationen atomarer Elemente in der Probe an.

Wie in dem zuvor genannten US-Patent Nr. 4,820,048 erläutert, kann ein gekreuzter Dispergertyp eines Spektrometers darauf ausgelegt werden, in mehreren Spektralbereichen, insbesondere in Bereichen des sichtbaren und ultravioletten Lichtes, detektieren. Das erste Dispersionselement, ein Brechungsgitter, ist für beide Bereiche gebräuchlich. Für den ultravioletten Bereich reflektiert und dispergiert ein zweites Gitter, dessen Gitterlinien rechtwinklig zu denen des ersten Gitters verlaufen, die Strahlung weiter, welche auf einen ersten Detektor fokussiert wird. Für den sichtbaren Bereich weist das zweite Gitter ein zentrales Loch hierin auf und durch das Loch hindurchgehende Strahlung wird gesammelt, von einem Prisma kreuz-dispergiert und auf einen zweiten Detektor fokussiert. Beide Detektoren sind zweidimensionale Ausführungen und die Signale werden von dort zu der gemeinsamen Verarbeitungsvorrichtung geführt. Somit verursacht diese Spektrometerausführung, obwohl sie eine hohe Präzision für zwei Spektralbereiche aufweist, die Kosten, die Komplexität und die Sperrigkeit von zwei getrennten optischen Zügen mit Dispergern und Detektoren für die zweite der Kreuz-Dispersions-Vorrichtungen. Die zwei Bereiche müssen getrennt detektiert werden, weil sie sonst für eine geeignete Detektion durch einen einzelnen Detektor durch die Disperger räumlich zu weit gestreut werden.

Komponenten in optischen Systemen können Abberationen einbringen, welche die Abbildungen verzerren. Für den Fall des oben beschriebenen Spektrometers erzeugt ein sphärischer Spiegel, welcher die Strahlung von dem zweiten Gitter auf den Detektor fokussiert, inhärente geometrische Abberationen beim Fokussieren des Bildes des Eingangsschlitzes des Systems. Der vorherrschende Typ ist bekannt als sphärische Aberration, welche bewirkt, dass achsenferne Strahlen in eine leicht unterschiedliche Ebene fokussiert werden, als die Strahlen in der Nähe der Rotationsachse. Dies kann korrigiert werden, indem der sphärische Spiegel durch einen parabolischen Spiegel ersetzt wird. Jedoch sind derartige Spiegel teuer und im allgemeinen auf ein kleines Feld von Darstellungen begrenzt, was in "echelle"-Spektrometern ineffizient ist.

Ein weiteres Mittel zur Korrektur von sphärischer Aberration ist ein Schmidt-Element. In einer Form wird eine Ablenkungsplatte aus Glas oder Plastik mit einer Dicke, die mit dem Radius variiert, in den Strahl eingebracht. Ein weiterer Typ benützt einen zusätzlichen Reflektor mit einer Krümmung, welche die Korrektur liefert. In beiden Fällen bringt die Korrekturvorrichtung ein zusätzliches Element in das System, mit einhergehenden Strahlungsverlusten, Untergrundzuwächsen und zusätzlicher Sperrigkeit, Komplexität und Kosten. In einem dritten Fall, wie in dem zuvor genannten US-Patent 4,820,048 gezeigt, kann das zweite Gitter mit einer nicht-ebenen Oberfläche versehen sein, um die Funktion der Schmidt-Korrekturvorrichtung zu übernehmen. Ein derartiges Korrekturgitter wird in dem US-Patent Nr. 3,521,943 (Kelderman) beschrieben.

Das Dokument US-A-3523734 beschreibt ein optisches Spektrometer mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Ein Beugungsgitter-Spektrometer mit einer Strahlungsquelle emittiert Strahlung auf eine Gitterstruktur mit einer sphärischen Beugungsoberfläche. Die Beugungsoberfläche schließt ein zentrales Gitterelement und identische Seitengitterelemente ein. Das zentrale Element und die Seitenelemente unterscheiden sich in der Dichte der Nuten. Die Gitterelemente erzeugen erste und zweite Spektren, welche über Schlitze zu Photovervielfacher-Vorrichtungen geführt werden. Es ist auch möglich, zwei übereinanderliegende Spektren durch Masken oder ähnliches zu trennen.

Das Dokument US-A-3791737 beschreibt ein Spektrometer, gemäß welchem ein Beugungsgitter mit verschiedenen Bereichen benutzt wird, welche eine verschiedene Anzahl von Nuten aufweisen. Die entsprechenden Gitter sind übereinander angeordnet. Ferner sind die Gitter untereinander in Flucht in einer Richtung parallel zu den Nuten der Gitter angeordnet.

Das Dokument US-A-4191473 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der absoluten Wellenlänge einer Strahlungsquelle mit unbekannter Frequenz, wobei die Strahlung der unbekannten Lichtquelle direkt auf ein Gitter einfällt. Dieses Gitter weist einen Bereich mit Nuten und ein Hilfsgitter auf, welche wiederum übereinander angeordnet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, dass das Hilfsgitter drei Gitterteile einschließt. Jedoch werden die verschiedenen Gitter nur dazu verwendet, eine Linie zu erzeugen, da die Lichtquelle monochromatisch ist.

Das Dokument US-A-4729658 beschreibt ein Spektrometer mit einem Gitter mit einem breiten spektralen Umfang. Dieses Gitter wird Mosaikgitter genannt, welches eine Vielzahl von Gittersektionen aufweist, wobei gewisse Sektionen dieser Gittersektionen durch einzelne Gitter ersetzt wurden, welche andere Teile des Spektralbereichs abdecken. Das Licht ist nicht Teil eines Anfangsspektrums, sondern ist Licht von einem Ort, welcher betrachtet wird, wobei dieses Licht von einem Teleskop aufgefangen wird. Danach geht das Licht durch den zentralen Teil des Gittermosaiks hindurch, wird von einem Ausrichtspiegel reflektiert und ausgerichtet und dann von dem Gittermosaik gebeugt.

In Hinblick auf das Dokument US-A-352373 ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Spektrometer bereitzustellen, welches neue Mittel aufweist, um Spektren in verschiedenen Spektralbereichen zu erbringen und einen einzelnen optischen Zug aufweist, um diese Spektren zu detektieren.

Diese Aufgabe wird in einem optischen Spektrometer für eine getrennte Detektion von verschiedenen Spektralbereichen, wie in Anspruch 1 beschrieben, gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser optischen Spektrometer werden durch die Unteransprüche beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine schematische Zeichnung eines optischen spektrographischen Systems, welches einen Querschnitt eines optischen Spektrometers einschließt, welches die vorliegende Erfindung umfasst.

2 zeigt eine Darstellung der Oberfläche einer Ausführungsform für eine optische Gitterkomponente und einen zugehörigen Verschluss in dem System aus 1.

3 zeigt eine Darstellung der Oberfläche einer weiteren Ausführungsform für eine optische Gitterkomponente und einen zugehörigen Verschluss in dem System aus 1.

4 zeigt einen Querschnitt, der bei 4-4 in 2 gezogen wurde.

Ausführliche Beschreibung

Bezugnehmend auf 1 gibt es im Allgemeinen drei Sektionen eines optischen spektrographischen Systems 10 der Erfindung; nämlich eine Quelle der Lichtstrahlung 11, ein optisches Spektrometer 12 und eine Datenverarbeitungsstation 14. Die Strahlungsquelle erzeugt infrarote, sichtbare und/oder ultraviolette Strahlung. Die Quelle kann, z.B., ein induktiv gekoppeltes Plasma sein, in welches eine Probe von einem Testmaterial eingebracht wird, oder ein Graphitofen oder ähnliches sein. In jedem Fall arbeitet die Quelle, um Emissionslinien oder Absorptionslinien von atomaren Elementen bereitzustellen. Andere Lichtquellen können benutzt werden, z.B. kann das Licht über ein astronomisches Teleskop aufgefangen werden.

In der Spektrometersektion geht das Licht von der Quelle durch einen Eingangsschlitz 16 hindurch und Strahlen 17 werden von einem konkaven Ausrichtspiegel 18 auf ein reflektierendes "echelle" Dispersionsgitter 20 gespiegelt. Dieses flache Gitter hat eine relativ niedrige Dichte von sägezahnförmigen Nuten 21 mit einem hohen "blaze" Winkel und ist von dem bekannten oder gewünschten Typ. Das Gitter hat z.B. 790 Nuten pro Zentimeter, hat einen "blaze" bei 63° und erzeugt Spektren hoher Ordnung. Hierin bedeutet "Spektren hoher Ordnung", dass mindestens zwei Ordnungen erzeugt werden und dass diese höher sind als die erste Ordnung. Vorzugsweise werden die Ordnungen 30 bis 120 einschließlich verwendet. Obwohl ein reflektierendes Gitter vorgezogen wird, insbesondere, weil es ultraviolettes Licht durchlassen und dispergieren kann, können weitere Ausführungsformen andere Mittel für die erste Beugung verwenden, wie ein Durchlassgitter. In jedem Fall bewirkt dieses erste Dispersionsmittel Lichtstrahlung in der Form eines Anfangsspektrums 23.

Das Anfangsspektrum wird auf ein zweites "echelle" Gitter 22 geführt, welches Dispersionslinien aufweist, welche rechtwinklig zu jenen des ersten Gitters 20 orientiert sind, d.h. mit dem ersten Beugungsmittel gekreuzt sind. Allgemeiner bedeutet "gekreuztes" Mittel, dass die Richtung der zweiten Dispersion senkrecht auf jener der ersten Dispersion steht. Das zweite Gitter 22 ist vorzugsweise reflektierend, wie in dem vorliegenden Beispiel gezeigt, und wird bei niedriger Ordnung mit relativ geringer Dispergierleistung verwendet, und seine Kreuz-Orientierung trennt die Ordnungen von dem ersten Gitter 20 in ein zweidimensionales Spektralmuster. Hierin bedeutet "niedrige Ordnung" weniger oder gleich als ungefähr Ordnung 5 und ist typischerweise eine erste Ordnung.

Die Strahlung wird von dem Gitter 22 in einen weiter dispergierten Strahl 24 reflektiert. Von dort werden diese Strahlen zu einem konkaven sphärischen Reflektor 26 geführt, welcher den Strahl durch einen auf der Achse befindlichen flachen Spiegel 28 und einer Bildfeldebener-Linse 30 auf einen Detektor 34 fokussiert. Vorzugsweise befindet sich das Gitter 22 am Mittelpunkt der Krümmung 54 des Spiegels 26 auf seiner optischen Achse 56.

Der Detektor 34 ist empfindlich gegenüber der auftreffenden Strahlung und erzeugt Signale, welche auf einer Leitung 35 zu der Computerstation 14 geführt werden. Der Computer verarbeitet die Signalinformation, korrigiert den Untergrund, führt eine Kalibrierung durch und zeigt (in dem vorliegenden Beispiel) die Ergebnisse in Form von Konzentrationen atomarer Elemente in der Probe. Der Detektor ist vorzugsweise als eine zweidimensionale Anordnung kleiner Photodetektoren 32 ausgebildet, aber kann alternativ ein einzelner Photodetektor sein, der relativ zu den Gittern positionierbar ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Detektor von einer fixierten Festkörper-Ladungs-Transfer-Vorrichtung gebildet, welche Signale proportional zu der Intensität der zugehörigen Spektrallinien erzeugt, welche auf verschiedene Orte auftreffen. Vorteilhaft ist der Detektor eine Ladungs-Koppel-Einheit (CCD = Charge Coupled Device) von der Bauart, welche in dem zuvor genannten US-Patent Nr. 4,820,048 beschrieben wurde. Der Detektor hat darauf photosensitive Pixel, welche an Orten angeordnet sind, an denen die selektierten Spektrallinien fokussiert werden, wobei anliegende Pixel dazu verwendet werden, Untergrundstrahlung zu detektieren. Die Pixel sind ferner angeordnet, um Strahlung in verschiedenen Spektralbereichen zu detektieren, z.B. zwei Bereiche, welche den sichtbaren bzw. ultravioletten Bereich abdecken. Der Computer steuert die Vorrichtung über Leitung 36 an, um die Detektorsignale auszulesen.

Das zweite Gitter 22 (2) ist ein Mehrfach-Gitter in dem Sinne, dass seine Oberfläche in mehrere Abschnitte unterteilt ist. In dem vorliegenden Fall sind zwei Abschnitte durch eine Grenze 37 unterteilt. Der erste Abschnitt 38 hat eine Anordnung von ersten Nuten 40 zur Erzeugung des dispergierten Strahls 24 in einem ersten selektierten Spektralbereich. Der zweite Abschnitt 42 hat eine Anordnung von zweiten Nuten 44 zur Erzeugung des dispergierten Strahls in einem zweiten selektierten Spektralbereich, welcher sich von dem ersten Spektralbereich unterscheidet, aber die gleiche Strahlrichtung aufweist. Z.B. hat der erste Abschnitt 38 eine Nutendichte von 375 Nuten pro Millimeter und einen niedrigen "blaze" Winkel, wie z.B. 6° für den Spektralbereich von 167 bis 405 Nanometern (nm) Lichtwellenlänge, welcher den ultravioletten Bereich darstellt; und der zweite Abschnitt 42 weist 187,5 Nuten pro Zentimeter und einen ähnlichen, niedrigen "blaze" Winkel auf, wie z.B. 6° für den Bereich von 405 bis 766 Nanometern, welcher der sichtbare Bereich ist. Um ausreichend Strahlung zu liefern, kann der erste, ultraviolette Abschnitt wesentlich größer als der zweite, sichtbare Abschnitt sein, z.B. ungefähr 10 mal größer, so dass der zweite Abschnitt nur 10% der Gesamtfläche einnimmt.

Spektren von dem Mehrfach-Gitter 22 in selektierten Bereichen werden zu dem Detektor 34 geführt. Mit Hilfe des Computers 14 können die selektierten Spektrallinien aus beiden Bereich analysiert werden. Es ist jedoch möglich, dass der eine Bereich (insbesondere der sichtbare Bereich) den anderen (ultravioletten) Bereich stört.

Daher ist erfindungsgemäß eine bewegliche Blende 46 (in einer zu der Ebene von 1 senkrechten Ebene) zu dem Mehrfach-Gitter 22 benachbart angeordnet, mit dem Ziel, den ersten Abschnitt 38 oder den zweiten Abschnitt 42 der Beugungsoberfläche selektiv abzudecken oder aufzudecken. Eine derartige Blende kann so bewegt werden, dass entweder der erste oder der zweite Abschnitt abgedeckt wird. In der vorliegenden Ausführungsform jedoch ist es, da der ultraviolette Bereich normalerweise den sichtbaren nicht signifikant stört, nur notwendig, dass die Blende so positionierbar ist, dass sie den zweiten Abschnitt der Gitteroberfläche entweder abdeckt oder aufdeckt. Wenn die Blende geschlossen ist, um den zweiten Abschnitt abzudecken, wobei die Dispersion des sichtbaren Bereichs auf den Detektor verhindert wird, wird die ultraviolette Strahlung dispergiert und von dem ersten Abschnitt des Gitters zu dem Detektor geführt. Wenn die Blende offen ist (wie in 2 gezeigt), um den sichtbaren Bereich aufzudecken, werden beide Bereiche des Spektrums hindurchgelassen, jedoch sollten in der Regel die ultravioletten Linien die sichtbare Detektion an den Standorten der Pixel für sichtbares Licht auf dem Detektor nicht stören. Für die ultraviolette Strahlung verhindert die geschlossene Blende eine spektrale Überlagerung, welche von dem sichtbaren auftreten würde.

In der vorhergehenden Ausführungsform ist die Blende zum Aufdecken des zweiten Abschnittes angeordnet, um zusätzlich den ersten Abschnitt aufzudecken. In einer weiteren Ausführungsform (3) weist ein Gitter 22' eine Anordnung auf, worin der erste Abschnitt 38' wesentlich größer (z.B. 10 mal größer) als der zweite Abschnitt 42' ist, welcher durch die Grenze 37' abgegrenzt ist, wobei die Anordnung der Nuten 40', 44' unverändert ist. In einem solchen Fall hat die Blende 46' im wesentlichen die gleiche Fläche wie der zweite Abschnitt und zum Aufdecken des zweiten Abschnitts wird die Blende über den ersten Abschnitt bewegt. Da die Blende, verglichen mit dem zweiten Abschnitt, relativ klein (10%) ist, hat sie wenig Auswirkung auf das ultraviolette Spektrum. Diese Ausführungsform beseitigt den Bedarf an zusätzlichem Raum für die Blende in der zweiten Position.

Obwohl die obigen Ausführungsformen eine einfache Blendenanordnung liefern, um die zwei Bereiche von sichtbarem und ultraviolettem Licht unterzubringen, kann die Erfindung auf andere Spektralbereiche oder auf mehr als zwei Bereiche ausgeweitet werden. Die Abschnitte werden auf dem zweiten Gitter mit geeigneter Gitterdichte ausgebildet und abgegrenzt. Die Blende ist dafür ausgelegt, dispergierte Strahlung von einem beliebigen gewünschten Abschnitt oder Abschnitten des Gitters selektiv abzublocken oder durchzulassen. Es ist auch zu ersehen, dass andere Anordnungen der Oberflächenabschnitte verwendet werden können; z.B. kann der zweite Abschnitt einen zentralen scheibenförmigen Bereich auf der Oberfläche bilden, wobei eine Blendenscheibe seitlich bewegbar ist oder von dem Gitter weggeschwungen werden kann. Die Blende oder andere Abdeckeinrichtungen müssen nicht unmittelbar benachbart zu dem Gitter sein, sondern sollten nahe genug sein, um den Zweck, das Abdecken, zu erfüllen.

Falls es eine gewisse Störung in einem Spektrum von dem Aufdecken beider Abschnitte in einer Einstellung gibt, kann eine kleinere Ausdehnung des Spektrums, welches nicht gestört wird, zur Analyse ausgewählt werden. Falls dies nicht gewünscht ist, kann die Blende darauf ausgelegt werden, selektiv alles von jedem Abschnitt des Gitters abzudecken, während der andere aufgedeckt wird.

Die Blende kann zur Positionierung auf jede bekannte oder sonst gewünschte Weise bewegt 45 werden, z.B., wie gezeigt, mit einer Magnetspule 48 und einem Kurbelgestell 49. Weitere mögliche Positioniersysteme (nicht gezeigt) schließen einen Schrittmotor mit einem Schneckenantrieb oder einen Handhebel mit geeigneter Verbindung ein; oder die Blende kann eine geschlitzte Scheibe sein oder Teil einer Scheibe, die rotierbar an einem Schrittmotor befestigt ist. Es ist vorteilhaft, die Einstellung über eine Signalleitung 44 von dem Computer aus zu steuern, entweder automatisch oder durch Benutzereingabe. In einem derartigen Fall wird die Programmierung 43 in dem Computer 14 in üblicher Weise gegenüber dem der Hauptsteuerung des Spektrometers modifiziert, welches z.B. in "C" Programmierung in Software oder Firmware vorliegen kann.

Eine computerisierte Auswahl eines geeigneten Teils des Spektrums kann von dem Detektorsignal aus in einer Programmierung des Computers 14 bewirkt werden. Dies sollte mit der Positionierung der Blende synchronisiert werden, wobei die Positionierung der Spule 48 über die Leitung 44 gesteuert und/oder erfasst wird. Falls irgendeine spektrale Störung auftritt, z.B. die Überlagerung des ultravioletten Lichts, wenn beide Abschnitte des Gitters aufgedeckt sind, können nur bestimmte ungestörte Spektrallinien innerhalb des Bandes durch das Computerprogramm ausgewählt werden.

In einer weiteren Ausführungsform (4) ist das zweite Gitter auch darauf ausgelegt, für eine Korrektur der Aberrationen bei der Fokussierung des Spektralbildes in der Nähe des Detektors zu sorgen. Insbesondere ist der konkave Spiegel 26 in geeigneter Weise sphärisch ausgebildet, was jedoch sphärische Aberration einbringt. In einem solchen Fall ist das zweite Gitter 22 als ein Schmidt-Korrektor ausgebildet, wobei die Gitteroberfläche von einer Ebene abweichende Konturen aufweist, mit dem Ziel, zumindest im Wesentlichen die Aberration zu beseitigen. Eine derartige Korrektur wird in der Weise bereitgestellt, wie in dem zuvor genannten US-Patent Nr. 3,521,943 beschrieben.

Allgemein ist die Korrektur von der Ebene die gleiche, wie die Abweichung des sphärischen Spiegels von einer parabolischen Form. Bezugnehmend auf 3 ist eine geeignete Formel für die Abweichung D der Einhüllenden 50 der Gitteroberfläche von einer Ebene 58 von der Form D = KX4 + LX6 + MX8 + NX10 worin das Gitter ein Rotationszentrum auf der optischen Achse auf dem Mittelpunkt der Krümmung des Spiegels hat, X der radiale Abstand in Millimeter von der Achse zu einem Punkt ist, an welchem D berechnet wird, und K, L, M und N Konstanten sind. Die Konstanten können durch Reihennährung, Wiederholungen oder ähnlichem aus Grundgleichungen für die Abweichung des Spiegels von der parabolischen Form bestimmt und empirisch verfeinert werden. Für einen Spiegel mit einem Radius von 40 cm lauten geeignete Konstanten, welche die Abweichung D in Millimetern gegen X liefern: K = 1,675765 × 10–9 L = 1,413948 × 10–14 M = –8,364417 × 10–19 N = 9,628433 × 10–23

Weitere optische Komponenten, wie der erste Spiegel, können auch Aberrationen einbringen. In einem solchen Fall ist das zweite Beugungsgitter weiter so geformt, um im wesentlichen auch diese Aberrationen auszugleichen.

Die Gitter werden durch Anfertigen der Nuten anhand üblicher Techniken gebildet, z.B. in Form einer Aluminiumbeschichtung auf einem Glassubstrat, welches eben oder für die Schmidt-Korrektur geformt ist. Reproduzierverfahren können dann für das Reproduzieren verwendet werden. Nuten auf einer gekrümmten Oberfläche können in der bekannten oder gewünschten Weise durch Holographie gebildet werden, oder vorzugsweise, indem das Gitter mit parallelen Linien in der üblichen Weise versehen wird.

Während die Erfindung oben ausführlich unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Änderungen und Modifikationen, welche in den Schutzumfang der angefügten Ansprüche fallen, für den Fachmann deutlich. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch die angefügten Ansprüche begrenzt wird.


Anspruch[de]
  1. Optisches Spektrometer (12) zur getrennten Erfassung unterschiedlicher Spektralbereiche, mit

    einem Mehrfach-Dispersionsgitter (22, 22'), das Lichtstrahlung aufnehmen kann, um einen spektral gestreuten Strahl zu erzeugen, und

    Erfassungseinrichtungen (30, 32, 34), die den Strahl zu dessen Spektralermittlung aufnehmen können,

    wobei das Mehrfach-Dispersionsgitter (22, 22') eine Gitter-Oberfläche (50) aufweist, die einen ersten Oberflächenabschnitt (38, 38') und einen zweiten Oberflächenabschnitt (42, 42') aufweist, wobei der erste Abschnitt (38, 38') eine erste Nutkonfiguration (40, 40') zur Erzeugung des dispergierten Strahls (24) in einem ersten Spektralbereich aufweist, und der zweite Abschnitt (42, 42') eine von der ersten Nutkonfiguration (40, 40') unterschiedliche zweite Nutkonfiguration (44, 44') zur Erzeugung des gestreuten Strahls (24) in einem von dem ersten Spektralbereich unterschiedlichen zweiten Spektralbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass

    das Spektrometer des weiteren eine Anfangsdispersionseinrichtung (20) aufweist, die Quellstrahlung aufnehmen kann, um Lichtstrahlung in Form eines Anfangsspektrums (23) zu erzeugen, wobei das Mehrfach-Gitter (22, 22') mit der Anfangsdispersionseinrichtung (20) gekreuzt wird, um den dispergierten Strahl zu erzeugen, und dass die Erfassungseinrichtungen (30, 32, 34) ein zweidimensionales Feld von Photodetektoren (32) aufweisen, die jeden Spektralbereich, der von dem Mehrfach-Dispersionsgitter (22, 22') gestreut wird, aufnehmen können, und wobei das Spektrometer (12) des weiteren bewegbare Auswähleinrichtungen (46, 46', 48, 49) zum selektiven Blockieren des ersten Oberflächenabschnitts (38, 38') oder des zweiten Oberflächenabschnitts (42, 42') des Mehrfach-Gitters (22, 22') aufweist, um den ersten Spektralbereich oder den zweiten Spektralbereich zur Erfassung auszuwählen, wobei die Position der bewegbaren Auswähleinrichtungen (46, 46', 48, 49) durch ein Datenverarbeitungssystem (14) in Abhängigkeit von von den Erfassungseinrichtungen (30, 32, 34) bereitgestellten Signalen gesteuert wird.
  2. Spektrometer nach Anspruch 1, wobei die Anfangsdispersionseinrichtung (20) ein Anfangs-Reflektions-Dispersionsgitter aufweist, und das Mehrfach-Dispersionsgitter (22, 22') reflektiv ist.
  3. Spektrometer nach Anspruch 1, das des weiteren Fokussiereinrichtungen (26, 28) zum Fokussieren des gestreuten Strahls auf die Erfassungseinrichtungen (30, 32, 34) aufweist, wobei die Fokussiereinrichtungen eine inhärente Aberration in die Fokussierung einbringen und die Gitter-Oberfläche (50) eine Kontur aufweist, durch die die Aberration im wesentlichen kompensiert wird.
  4. Spektrometer nach Anspruch 1, wobei die erste Nutkonfiguration (40, 40') derart ist, dass der erste Spektralbereich im wesentlichen ultraviolett ist, und die zweite Nutkonfiguration (42, 42') derart ist, dass der zweite Spektralbereich im wesentlichen sichtbar ist.
  5. Spektrometer nach Anspruch 1, das des weiteren Fokussiereinrichtungen (26, 28) zum Fokussieren des gestreuten Strahls (24) auf die Erfassungseinrichtungen (30, 32, 34) aufweist, wobei die Fokussiereinrichtungen in die Fokussierung des gestreuten Strahls eine inhärente Aberration einbringen und die Gitter-Oberfläche (50) eine Kontur aufweist, durch die die Aberration im wesentlichen kompensiert wird.
  6. Spektrometer nach Anspruch 1, wobei zur Belichtung des zweiten Abschnitts die Blende (46, 46') so positioniert ist, dass sie zusätzlich den ersten Abschnitt belichtet.
  7. Spektrometer nach Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt (38, 38') wesentlich größer ist als der zweite Abschnitt (42, 42'), die Blende (46, 46') im wesentlichen den gleichen Bereich aufweist wie der zweite Abschnitt (42, 42'), und die Blende zur Belichtung des zweiten Abschnitts über dem ersten Abschnitt positioniert wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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