CN108738335A - 具有二维光谱的光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种具有二维光谱的光谱仪装置(10)，包括：第一色散元件(31)，用于主色散方向上的辐射的光谱分解；成像光学器件(17)，用于在图像平面成像穿过入口缝(15)进入光谱仪装置(10)的辐射，以产生二维光谱；以及检测器阵列(39)，具有在图像平面中呈二维布置的多个检测器元件，其特征在于，反光镜、折射镜、透镜阵列或另外的光学元件被布置于光束路径中分散的单色光束彼此分离的位置；以及反光镜、折射镜、透镜阵列或其他光学元件具有自由曲面形式的表面，使得在图像平面中在不同波长的情况下入口缝的限定图像所占据的面积在二维光谱的选定光谱区内被优化。

Description

具有二维光谱的光谱仪

技术领域

本发明涉及一种具有二维光谱的光谱仪装置，包括：

(a)第一色散元件，用于主色散方向上的辐射的光谱分解，

(b)成像光学器件，用于在图像平面成像穿过入口缝进入光谱仪装置的辐射，以产生二维光谱，以及

(c)检测器阵列，具有在图像平面中二维布置的多个检测器元件。

这样的光谱仪装置的示例为具有内部级次间隔(order separation) 的阶梯光谱仪。另一个示例为长缝光谱仪装置。

在阶梯光谱仪(echelle spectrometer)的情况下，使用具有台阶式 (echelle在法语中为阶梯含义)截面的光栅。通过具有相应闪耀角的台阶状结构，产生集中了高级次——如第五十级次至第一百级次——衍射强度的衍射图案。通过这种方式，能够实现高光谱分辨率以及紧凑的布置。级次(order)能够根据输入波长来叠加。在采用内部级次间隔的阶梯光谱仪的情况下，这些级次又横向于阶梯光栅的色散方向分散，以间隔开不同出现的级次。通过这种方式，获得一种能够用检测器阵列记录的二维光谱。

采用内部级次间隔的阶梯光谱仪与采用外部级次间隔的阶梯光谱仪的区别在于，在采用外部级次间隔的阶梯光谱仪的情况下，只有来自小光谱区的辐射进入光谱仪。在采用内部级次间隔的光谱仪的情况下，在检测器平面中以二维结构的形式产生光谱。这种结构由基本上相互平行的光谱区段组成。各种衍射级次的自由光谱区共同提供某一波长范围的无间隙光谱。应用具有大量检测器元件的检测器阵列允许同时记录具有高光谱分辨率的大波长区。

通常选择足够大的交叉色散，使得级次在各处均完全间隔开。为在整个光谱区确保这一点，存在这样的光谱区，其中各个级次之间出现未使用的中间空间。因此，由于短波光谱区具有比长波光谱区更高级次色散的更大中间空间，因此短波光谱区中在应用棱镜的情况下出现交叉色散。

已知装置情况下的不利之处在于，当应记录具有高分辨率和充分集光率的较大光谱区时，检测器一般来说必然非常大。

在原子吸收光谱法和许多其他光谱检测方法的情况下，检测极限，除其他之外，取决于所应用的光谱仪的集光率和装置的灵敏度。在应用于分析的谐振谱线未被解析的情况下，较高的光谱分辨率引起较高的灵敏度。所述装置的光谱分辨率，除其他之外，取决于缝宽度、检测器元件在阶梯光栅的主色散方向上的尺寸和图像质量。因此，期望在同时具有高集光率的情况下获得高光谱分辨率。

对光源点的光谱份额进行成像始终伴随着某些成像误差。一般而言，成像误差根据赛德尔的像差理论来分类。在光谱学中，尤其要考虑成像误差、像散、彗差和球差。由于不同波长的光束的空间分离以及由此产生的不同路径，不同波长的光束在不同程度上受成像误差的影响。全面处理所有光束的成像误差仅在一定条件下可行。尤其受成像误差影响的是使用大孔径比和/或大入射光瞳和/或大像场的光谱仪。

在具有折射成像光学器件的光谱仪的情况下，除上述几何像差之外，还存在色差，尤其是纵向色差。

已知诸如色散和彗差的成像误差导致这样的事实：点状单色光源的图像在包括多个检测器元件的检测器平面区域上延伸。如果图像包括主色散方向上的多个检测器元件，则光谱分辨率相应减小。利用多个检测器元件的信号测量导致读出噪声增大，使得信噪比以及随之的分析测量的检测极限劣化。

背景技术

在DE 10 2009 059 280 A1和EP 2 516 975 B1中描述了名称为“MOSES”的公知阶梯光谱仪装置。该装置包括极少几个组件和高集光率。该装置设置有呈利特罗(Littrow)布置的采用内部级次间隔的阶梯光谱仪。在一个检测器上成像整个光谱。包括反射棱镜的各种色散布置被公开用于交叉色散。

在DE 100 11 462 C2中公开了一种采用像散补偿的阶梯光谱仪装置。该布置显示采用内部级次间隔的阶梯光谱仪，其具有两个不同取向的入口缝，这两个入口缝在分离平面中沿光学路径布置。通过这种方式，仅在图像平面中的一点实现了像散补偿。

术语“施密特板”或“施密特校正板”是旋转对称的屈光光学器件，它们用于校正球差、彗差和像散，尤其是不同类型的望远镜，诸如施密特望远镜或施密特卡塞格林望远镜。

在徐立、陈科新、何庆声、金国藩等人的《自由曲面反射镜在 Czerny-Turner光谱仪中抑制像散的设计》的公开文献中(Applied Optics，2009年5月20日，第48卷，第15期，第2871页)描述了校正Czerny-Turner光谱仪中的一维谱的像散。在这种情况下，将相对较大的相机反射镜的形状改为自由曲面。在第二步中，为了额外的彗差补偿，也将准直镜实施为自由曲面。在这种布置情况下的不利之处在于，不同波长的光束在这两个位置处强烈重叠。

CN 103 175 611 B公开了一种Czerny-Turner光谱仪，其中在检测器之前布置具有自由曲面的透镜元件。在色散方向上的表面曲率考虑到彗差校正。垂直于色散方向的表面曲率考虑到像散校正。通过计算确定自由形状表面的形状，其中在功能上确定成像误差、彗差和像散并由此算出校正函数。其他误差不予考虑。

WO 2013 106 307 A1公开了在旋转对称非球面校正板的辅助下矫正像散和彗差。

DE 695 182 44 T2公开了一种通过应用棱镜组合进行级次调谐的方法。

US 8 681 329 B2公开了一种应用预色散光学器件进行级次调谐的方法，以及

EP 0 744 599 B1公开了一种阶梯光谱仪，其具有阶梯光栅和用于产生交叉色散的第二光栅。第二光栅由多个区段组成，用于在不同的光谱区段，例如，UV和VIS产生色散。该公开文件揭示光栅能够以旋转对称和非球面的方式加以实施，即光栅表面并非平面，而能够是旋转对称的曲面，以便校正像差。光栅被布置成平行于具有重叠光束的光束路径。

EP 0 445 934 B1公开了呈利特罗布置的阶梯光谱仪，其具有用于产生交叉色散的棱镜。辐射经由双曲面次反射镜和旋转对称的非球面主反射镜反射到光栅上，然后反射回自身。反射镜被布置于光束路径中具有重叠光束的不同位置处。

EP 1 260 802 B1公开了具有一维谱的棱镜光谱仪。光谱仪的准直器装置和/或相机装置设置有非球面的曲面校正镜，用于校正轴向和离轴球差。其他成像误差不予考虑。该公开文件揭示具有不同非球面校正区域的各种其他光谱仪装置，这些非球面校正区域全部位于准直器与相机之间的平行光束路径中。

发明内容

本发明的目的是提供一种前述类型的阶梯光谱仪装置，其具有二维光谱并且改进检测。根据本发明，用以实现上述目的的特征包括：

(d)反光镜、折射镜、透镜阵列或另外的光学元件被布置于光束路径中分散的单色光束彼此分离的位置，以及

(e)所述反光镜、折射镜、透镜阵列或其他光学元件具有自由曲面形式的表面，因此使得图像平面中在不同波长的情况下入口缝的选定图像所占据的面积在二维光谱的选定光谱区上被优化。

当然，选定图像具有强度变化，使得该区域不具有清晰的边缘。在此情况下，概念“区域”应理解为高百分比(例如90％至99％)的撞击检测器的强度的区域。

在这种布置的情况下，相对光束重叠很小。相对光束重叠是一个百分比并且能够针对两个波长明确算出。在光束路径中某个位置处的相对光束重叠是选定单色光束在该位置处的光束横截面积与其同样被第二单色光束占据的面积部分之间的算术反比。自由曲面被布置在相对光束重叠小于相机反射镜上的位置。仅在相机反射镜与检测器之间以及中间图像区域内的会聚和发散光束路径中，相对光束重叠才满足这一条件。但譬如在阶梯光谱仪处的平行光路中，它就不会满足这一条件。

在光学器件中应用的反射镜、透镜等的表面通常具有旋转对称性或者是具有旋转对称性的表面区段，例如，球面、抛物面或椭球面。就此也包含旋转对称轴不经过该区域的表面。例如，圆柱面或超环面正是这种情况。此外还包含具有镜像对称性的高级次畸变表面或表面区段。自由曲面是其他表面，即其形状偏离旋转对称或镜像对称的表面或表面区段的形状的表面。

二维光谱尤其能够用某种装置来产生，该装置具有第二色散元件，用于利用与第一色散元件的主色散方向形成角度的交叉色散方向上的辐射的光谱分解而进行级次间隔，使得能够产生二维光谱。然而，已知还具有长缝光谱仪，它仅具一个色散元件。第二方向对应于延伸的缝高度。

发生自由曲面的优化，使得成像误差引起的图像平面中的不同波长的入口缝的选定图像的共焦成像的整体偏差在二维光谱的选定光谱区内最小化。通过这种方式，产生入口缝的小图像，这些图像易于检测。替选地或补充地，发生优化使得图像平面中的级次以期望的彼此间隔的形式布置。

优选地规定，主色散方向上的色散元件是阶梯光栅。在这种情况下，尤其能够规定，光谱仪是采用内部级次间隔的阶梯光谱仪。

基本上，本发明也涉及采用外部级次间隔的光谱仪，例如，采用外部级次间隔和高缝的阶梯光谱仪，其中像差在整个缝高度上受限于一个或多个自由曲面。另外，还可能提供不具有阶梯光栅的呈MOSES 布置的棱镜光谱仪，其具有极高的缝(长缝)和自由形状的反射镜。

本发明涉及具有2D光谱的光谱仪。在主色散方向上，辐射被第一色散元件进行光谱分解。方向被用于另一个光谱分解或者根据位置(场坐标)的划分。

除已知布置的情况以外，在本发明的情况下，考虑入口缝的大量图像的面积。替代入口缝的图像，在应用光束计算程序的情况下，也能够针对大量波长考虑单个点(即极其小的入口缝)的图像。不需要确定图像的区域形式和尺寸的成因，甚至不需要在功能上描述它们。相反，通过拟合自由曲面而在出口平面中优化结果。

采用这样的布置，一方面能够实现更高的分辨率。另一方面，能够影响检测器上级次的分布。尤其是，能够实现均匀或更均匀的分布。也可能以这样的方式配置自由曲面，即仅影响选定的波长范围，例如，检测器的边缘区域中的波长。

通过在光谱仪装置中适当地形成和定位一个或多个自由曲面，能够实现使成像误差显著减小。

尤其是，反射、折射或衍射表面能够被布置在光束路径中的某个位置，在该位置处，与同一个阶梯衍射级次相关联的至少两个单色光束完全间隔开和/或不属于同一个阶梯衍射级次的至少两个单色光束完全间隔开，并且反射、折射或衍射表面被实施为自由曲面，该自由曲面使得用于二维阶梯光谱的选定波长范围上彼此独立的各个单色光束的检测器上的共焦成像的偏差最小化。

为了描述和产生自由曲面，能够应用不同的方法。或者，使用封闭数学表达式。在这种情况下的示例是第一类切比雪夫多项式或泽尼克多项式。切比雪夫多项式更适于矩形表面。泽尼克多项式更适于圆形区域。利用数学表达式，也能够描述与基本形状(譬如平面、旋转抛物面或另一个旋转对称表面)的偏差。替选地，能够通过应用支持点网络来描述自由曲面。支持点支持对表面的分段数学描述。例如，这可能使用各种样条函数、双三次插值等进行。在某些数学描述的情况下，支持点不一定是表面的一部分(这尤其是涉及样条函数)。例如，支持点被表达为坐标或波长。表面描述的点网格应至少覆盖所有相关波长的光束经过的表面。

确定最佳形式，即自由曲面的参数，优选应用光束计算程序来进行。通常，首先制定适用的数学目标函数，也被称为评价函数。评价函数汇聚光学模型的不同个体目标。个体目标由数学操作数来表达，这与操作数应达到的目标值相关联。

评价函数□的可能公式为：

在这种情况下，□_i是第i个操作数的偏差，其实际大小v_i能够根据期望的目标变量t_i由光学模型导出：

然后，确定光学***的哪些参数可变。可变参数包括一个或多个自由曲面的参数。借助优化算法，寻找最佳满足光学模型目标的可变参数值，即目标函数的值尽可能接近值0。评价函数的值0意味着全面实现光学模型的所有定义的目标规格。例如，在图像平面中不同波长的情况下，所找到的参数能够使入口缝点的选定图像的共焦成像的整体偏差最小化。

在本发明的变形的情况下规定，自由曲面被优化以使得选定光谱区内的入口缝的选定图像的RMS函数(均方根函数)之和取最小值。该函数描述整个像场上的图像质量。在这种情况下，尤其能够设置利用加权考虑各个RMS值。替选地，可设置自由曲面被优化以使得在选定光谱区内入口缝的选定图像的波前误差之和取最小值。

在本发明的优选实施例的情况下规定，自由曲面被优化以使得入口缝的选定图像的面积之和，即共焦成像中的整体偏差，对于选定光谱区中的选定图像取最小值。通过优化不同的参数，能够使自由曲面被优化。根据像场中的位置，各个图像的共焦成像的偏差能够被给予不同的加权。尤其是，主色散方向和交叉色散方向上的扩散也能够针对各个图像被不同地加权。

在本发明的具体实施例中规定，自由曲面被优化，使得对于不同光谱仪配置的选定图像的共焦成像的整体偏差取最小值。这尤其涉及相继记录不同波长范围的光谱仪。此外，在这种情况下，对共焦成像的最小偏差的目标设置能够针对各个图像被不同地加权。

通过评估单色光束的离散虚拟光线与检测器平面的交叉点的散射，能够确定入口缝的图像的共焦成像的偏差。对于由散射引起的扩散的常用度量是均方根函数(RMS)。

替选地规定，自由曲面被优化已使得入口缝的选定图像的加权波前误差之总和在选定光谱区内取最小值。

另外，目标函数能够考虑级次间隔，以便通过优化自由曲面使整个像场上级次间隔的差异最小化。

在本发明的特别优选实施例的情况下，具有自由曲面的光学元件是在检测器之前的折叠式反射镜。这里，“在...之前”意指折叠式反射镜是光束路径中在检测器之前的最后一个光导光学元件。在此，各种波长的光束已尽可能地被分离。相对光束重叠小于在相机反射镜处。这允许波长相关的拟合。在从成像光学器件到检测器的路径上，光束的直径逐渐变小。通过这种方式，能够应用具有自由曲面的较小反射镜。各种波长的光束的重叠也同样减少。因此，笛卡尔坐标系的局部拟合，即表面的局部z坐标和曲率能够被用来优化单色光束的成像质量。反射镜校正不同光束的成像质量，另外，这与它们的波长无关。这对于能够记录不同的光谱区段的动态光谱仪***来说尤为重要。

优选地规定，成像光学器件具有利特罗布置。然后，仅需校正很小的成像误差。

在本发明的附加实施例中规定，准直器和/或相机的光学器件由透镜或透镜***实现。这里，具有自由曲面的光学元件为几何像差校正的补充，这也应用于使成像透镜所产生的色差最小化。

在本发明的附加实施例的情况下规定，第二色散元件是具有同样实施为自由曲面的表面的棱镜，并且自由曲面具有一形状，在这种形状的情况下，使成像误差引起的在图像平面中的不同波长的情况下入口缝的选定图像的共焦成像中的偏差在二维阶梯光谱的选定光谱区上被优化。然而，还选择借助特殊的光学元件(如附加的反射镜或透镜) 将一个或多个附加自由曲面置于光路中。实践表明，当多个自由曲面独立地影响光束时，可进一步改进像场上的图像质量。由于在应用多个自由曲面的情况下总共具有更多数目的表面参数，因此对于优化可用更高的自由度，以便特别有效地限制高级次的成像误差。

在本发明的特别优选实施例的情况下规定，至少一个自由曲面被实现成使得级次取图像平面中的选定位置并且优选在图像平面中具有均匀的间隔。例如，当常规布置中使用石英棱镜在交叉色散方向上使级次间隔开时，长波光谱区中的级次比短波光谱区中的级次更加接近在一起。为了清晰检测光谱，相邻级次之间需要一定的间隔。然而，在利用石英棱镜进行级次间隔的情况下，针对短波光谱区，间隔始终较大。通过这种方式，检测器区域的大部分仍仍未被使用。级次图像的相对移位能够防止这种影响：当通过对自由曲面进行适当成形来减小短波光谱区中的级次间隔时，能够使用更小的检测器。增大长波光谱区中的级次间隔使得入口缝在交叉色散方向上的缝高度更高，因此集光率更大。

自由形状的反射镜能够被实施为刚体。适于这一点的是衬底上的反射涂层或者抛光的金属镜。然而，也可能使用动态***和自适应光学器件来实现反射表面，以便适应于动态可变的成像条件。因此，在本发明的实施例的情况下规定，自由曲面由多个微镜构成，它们的位置能够借助相应的致动器来调节。

当现有光谱仪改装带有自由曲面时，导致了本发明的尤其有利的实施例。通过这种方式，无需额外的努力就能提高现有光谱仪的分辨率和性能。因此，本发明尤其还包括以自由曲面形式的表面改装光谱仪装置的光学部件，其中自由曲面使成像误差引起的在图像平面中不同波长的情况下入口缝的选定图像所占据的面积在二维阶梯光谱的选定光谱区内被优化。

所述的光谱仪装置能够具有190nm至860nm之间的连续光谱的辐射源，尤其是Xe高压短弧灯。它特别适用于原子吸收光谱(AAS)。

所述的光谱仪装置能够具有电感耦合等离子体(ICP)。它也适用于光发射光谱仪(ICP-OES)。

本发明的实施例为从属权利要求的主题。现将参照附图对实施例的示例予以详细阐述。

附图说明

图1是利特罗布置的采用内部级次间隔的阶梯光谱仪装置的示意图。

图2示意性示出检测器上阶梯光谱的各级次的位置。

图3是在现有技术装置的情况下出口平面中入口缝的不同波长的图像，这些图像在光谱图像相关的像场上均匀分布。

图4是在具有优化自由曲面的本发明装置的情况下类似于图3的入口缝的图像。

图5是在现有技术装置的情况下出口平面中入口缝的针对一个波长的放大图像。

图6是在具有优化自由曲面的本发明装置的情况下类似于图5的入口缝的放大图像。

图7是透镜光学器件呈利特罗布置的采用内部级次间隔的阶梯光谱仪装置的示意图。

图8是单透镜和消色差双合透镜的纵向色差δf随波长λ变化的函数关系。

图9是由图7的光谱仪结构在图像平面中产生的不同波长的点光源的图像。

图10是在整个像场内能够实现的图像质量改善。

具体实施方式

图1是尤其简单的光谱仪装置10的示意图。光谱仪装置10包括入口缝15、用作准直镜17的离轴抛物面、后镜像棱镜21和阶梯光栅 31。在光谱仪装置10的出口平面中设置有用于接收所产生光谱的检测器39。在检测器39的之前布置有转向镜35，其将分散的辐射朝检测器39的方向偏转。棱镜21的顶缘22在图中基本上垂直延伸。线条30 指示了阶梯光栅31的刻线。

光谱仪装置10除上述光学部件之外还包括其他部件，如壳体、底板、保持与调整装置、机械驱动器和用于控制光学部件并接收和评估检测器39上的信号的电气部件。简明起见，图中并未示出这些部件。

如由光束24所示，辐射从辐射源11通过入口缝15进入光谱仪装置10。这样的辐射源11例如是氙短弧、高压灯或氘辐射器，诸如用于原子吸收光谱。替选地，能够在入口缝上成像发射源的辐射，例如电感耦合等离子体源(ICP)。根据应用，也能够使用激光器、空心阴极灯、汞蒸气灯等作为辐射源11。最终，所述装置也适用于对辐射源的光谱研究。

辐射24在准直镜17上被校准成平行光束19。平行光束19以入射角α撞击棱镜21，并且如图所示，在此沿着交叉色散方向分散。交叉色散方向由棱镜21的位置限定。光束19在棱镜21中传播到镜像后侧23。在此，它被反射并通过棱镜21重新返回。在本实施例的示例中，基于3个不同的波长图示出光谱仪的操作。如光束25、27和29所示，它们在棱镜中沿三个不同方向预分散。在棱镜21上的入射角被选择成使得入射光束19与反射光束25、27和29良好地间隔开。仍然平行的反射光束25、27和29撞击阶梯光栅31。在此，它们沿主色散方向分散。主色散方向横向于交叉色散方向延伸。

阶梯光栅31被定位成使得辐射(仍然作为平行光束)以极小的角度偏移传播回棱镜21。在此，它重新沿交叉色散方向分散，再次被反射和分散。然后，仍然平行的光束32、34和36在离轴镜17处聚焦到具有检测器39的图像平面中，该离轴镜此时形成相机。

在检测器39的前方布置有转向镜35，其用于使聚焦的光束38、 40和42偏转。因此，属于不同波长的光束38、40和42在检测器39 之前就已分离。这一点由每个光束38、40和42在反射镜35上的撞击表面44示出。然后，偏转的光束落在检测器39的出口平面中。检测器具有以列50和行52布置的大量检测器元件54。

在出口平面中，由阶梯光栅30产生的级次(order)56垂直延伸。基于图2图示出阶梯光谱的典型结构。阶梯光栅产生n个级次56。通过棱镜21的交叉色散，这些级次横向于主色散方向间隔开。级次之间是级次间隔(order separation)58。在图2中，波长λ在级次内自顶向下上升，并且从左到右以序数n下降。这种行为由箭头66和68指示。相应地，较长的波长(例如，IR区域)位于光谱左边，并且较短的波长(例如，UV区域)位于光谱右边。在常用材料的情况下，棱镜色散与波长相关。相应地，长波区域70中的级次更加靠近在一起。级次间隔58朝向短波区域72逐渐增加。同时，阶梯光栅的自由光谱区(即级次的长度)在长波区域中更大。在图2中可以看出，不仅级次之间的检测器区域而且边缘区域中的检测器区域均未被使用。

所述的装置基本上是DE102009059280A1中的。其仅需极少的光学部件。这就能够以高成本效益产生光谱，具有较小的反射和透射损失以及较高的集光率和较小的设备尺寸。

在图3中示出在具有多个离散波长的点光源的图像平面中产生的图像。图像102是特定波长情况下的点光源的图像的示例。与检测器区域相比，点光源的图像被放大20倍。在这种情况下，使用平面转向镜。可以看出，某个波长的光束在不同区域所占据的面积不同。尤其是在主色散方向和交叉色散方向上的扩展不等。光斑100在这两个方向上都具有小扩展。相反，位于像场边缘的相等级次的光斑102占据相当大的面积。在这些形状的情况下，当然可能用多个检测器元件来记录和累加信号。然而，由于每个检测器元件54处的暗电流，这个信号也具有更大的偏移。由于每个检测器元件的读出噪声，总信号的信噪比还会减小。较高级次光斑104和106在交叉色散方向上具有极大的扩展。图5示出来自边缘区域的典型光斑108，尺寸约为80微米。

对于所描述的光谱仪，现在定义自由曲面，其在整个相关像场上使整体成像误差最小化。在转向镜35上形成第一自由曲面。在棱镜23 上形成第二自由曲面。

为制造适用的自由曲面，首先必须定义其形状。为此，需要优化算法的性能。在本实施例的示例中，选择上述光谱仪的光学模型，其在不具有自由曲面情况下的性质已经通过选择如上所述的抛物面准直镜和利特罗布置就图像质量做了优化。本发明的目的是通过替换现有反射镜表面进一步改善像场的选定部分的图像质量。反射镜表面可自由地数学描述。在本实施例的示例中，两个现有的平面反射镜表面被以反射自由曲面替换。当然，能够使用添加到光学器件中的附加自由曲面。

使用具有不带尖缘和突变的基本形状并且持续对应于成像误差的自由曲面。

在本实施例的示例中，借助波束计算程序进行优化。因此，不需要光源，而是能够选择光源，以便它具有计算所需的全部属性。在像场(image filed)内，定义代表总光谱的一组点图像。点图像(point image) 是入口缝平面中单个场点的不同光谱图像。然而，通过相同的方式，也能够使用多个点的图像。尤其是在小缝的情况下，一个场点便足够。在本实施例的示例中，使用密集点图像网络。这确实需要更大的计算能力来进行表面优化，但产生更好的计算方案质量。

在本实施例的示例中，转向镜35和棱镜后侧23的表面借助(第一类)切比雪夫多项式来描述，切比雪夫多项式由其参数定义。借助第一类切比雪夫多项式对表面描述的数学表达式变为：

z是相关的表面坐标(笛卡尔坐标系)，x和y是独立的局部坐标。 X和Y(与x和y相对照)是规范化坐标(对应于表面的大小)。为了优化表面形状，多项式次数N和M在两个维度上固定，并且释放各种参数，尤其是一些或全部多项式系数c_ij，甚至是例如基本球形的曲率c。

一维切比雪夫多项式具有以下形式：

T_n(k)＝cos(n cos^-1(k))，n＝0..∞，k∈[-1，1]

其中k是独立的局部坐标，n是多项式次数。

在实施例的示例的情况下，针对两个表面选择4×4的多项式次数。作为用于优化自由曲面的自由参数，选择所有系数c_ij和曲面的曲率c。此外，释放光学模型的其他参数，诸如检测器倾斜或检测器与自由形状的反射镜之间的分离。为了进行优化，使用足够多的图像点，以便对应于所使用的多项式次数。

参数被定义，这些参数在优化中允许变化。这也属于边界条件的定义。因此，不允许反射镜尺寸超过选定值，以免渐晕。另一个重要的边界条件是从不具有自由曲面的结构的光谱图像开始，保持检测器上的光谱几何形状。这样，入口缝的各图像在检测器上的目标位置用评价函数预先确定。然而，将保持这些位置的权重设置得很低，以允许某些光谱失真。不同于如摄影术的情况(关键词：失真)，这些在记录光谱图像时不存在问题。在优化中允许二维光谱结构的一定量的失真对于图像清晰度方面的解决方案的质量起到非常积极的作用。

此外，某些自由曲面参数能够被固定，例如，满足表面处的对称性要求。

除自由曲面的数学描述之外，图像平面中的图像也被数学描述。这些描述汇入评价函数值的计算中。评价函数包括数学表达的优化目标及其相对权重。评价函数值越小，光学装置就越满足目标。在本实施例的示例中，计算关注波长的共焦图像的整体偏差并使其最小化。在所示情况下，除其他之外，使单独关注的波长的共焦成像偏差最小化的目标彼此相等地被加权。然而，针对每个单独的图像，使共焦成像偏差最小化的目标在主色散方向上比在交叉色散方向上高10倍。此外，较之使像差最小化，用于获得从不具有自由曲面的装置中的光谱图像开始的光谱的几何图形的权重减小了10000倍。

结果如图4所示以及如图6详示。可以看出，光斑110明显小于图3和图5中所示的光斑。如图3所示，与检测器区域相比，点光源的图像在图4中放大了20倍。光线集中于数目明显更少的检测器元件上，使得暗电流和读出噪声更小。在第二步中，级次能够更加靠近在一起，这样就能使用更少的检测器。不同波长的入口缝图像窄且重叠较少。通过这种方式，光谱分辨率更高。总体而言，光谱更易于检测。

图7示意性示出另一个尤其适用的光谱仪装置200。该装置包括辐射源211、入口缝215、消色差双合透镜202，顶缘222在图片中基本上垂直延伸的纯透射棱镜204以及阶梯光栅231。在光谱仪装置200 的出口平面中设置有用于记录产生的光谱的检测器239。在检测器239 之前布置有转向镜235，其用于将分散的辐射向检测器239偏转。

从源211发出的辐射通过入口缝215导入实际的光谱仪中。辐射从缝传播到消色差双合透镜202，其校准辐射。辐射从透镜组合作为平行光束219传播到透射棱镜204，其如图所示在交叉色散方向上分散辐射。如三个不同波长的平行光束225、227和229所示，分散的辐射传播到阶梯光栅231，在此这三个光束也在主色散方向上分散。

辐射以极小的角度偏移回棱镜202。在此，辐射重新在交叉色散方向上分散。然后，仍然平行的光束232、234和236被双合透镜202 聚焦到具有检测器239的图像平面中，该双合透镜此时充当相机。

在检测器239之前布置有转向镜235，其用于使聚焦的光束238、 240和242偏转。因此，属于不同波长的光束238、240和242在检测器239之前就已经被相当好地间隔开，相对光束重叠很小。这一点由每个光束238、240和242在反射镜235上的撞击表面244示出。然后，偏转的光束在出口平面处撞击检测器239。

由阶梯光栅231和棱镜204在检测器239上产生的典型光谱再次对应于图2中所示的衍射级次结构。

所示的光谱仪装置200对应于利特罗布置。利特罗布置具有较少数目的光学部件，因此具有低辐射损失，并且能够构建得非常紧凑。具有透镜光学器件的利特罗光谱仪作为准直器或相机光学器件通常仅应用于波长范围极窄的光谱仪。其原因在于，透镜光学器件不可避免地引入波长相关的误差(色差)。在目前情况下，问题尤其在于纵向色差，即透镜或透镜***的焦距对波长的依赖性。

为减少纵向色差，能够使用消色差透镜组合。消色差双合透镜通常由例如火石玻璃制成的高折射凹透镜以及例如由冕玻璃制成的色散较少的凸透镜形成。这样的组合允许消除两个设计波长的聚焦误差和球差。图8示出单透镜302和消色差双合透镜304的纵向色差δf随波长λ变化的函数关系。对于单透镜，只能针对一个波长306消除聚焦误差δf，而在消色差双合透镜的情况下，能够针对两个波长308和310 消除聚焦误差δf。

图9示出由上述光谱仪结构在图像平面中产生的不同波长的点光源的图像。光谱仪在600nm至100nm波长之间的区域内产生光谱。用作准直器和相机的是设计波长为700nm和900nm的消色差双合透镜。在检测器之前用作转向镜35的是平面镜。这里，检测器被定位成使得在两个设计波长之间的中央像差(几何像差+色差)最小，在此如图像点312所示。朝向光谱的边缘，像差明显增大，点光源图像的占用面积更大。图像在主色散方向和交叉色散方向上都被放大。大多数情况下，由于消色差双合透镜出现的剩余纵向色差可以作为局部散焦来关注。表示这一点的是波长区域上端和下端的两个像点314和316。

为了额外校正整个像场上出现的像差，尤其是使色差最小化，能够将检测器39之前的转向镜35转换成自由曲面。数学表面描述、确定光学模型中的自由可变参数以及表面优化过程与第一实施例的示例中所描述的相同。

图10中示出在整个像场内能够如此实现的图像质量改善。可以看出，尤其是在波长区域的边缘上(图像点324和326)，点光源的图像在不具有自由曲面校正镜1的构造中比相等波长的相应图像点(图9： 314、316)小许多倍。如图9所示，与检测器区域相比，图10中的点光源的图像放大了20倍。光线集中于数目明显更少的检测器元件上，因此暗电流和读出噪声更小。在第二步中，级次能够更加靠近在一起，这样就能使用更少的检测器。不同波长的入口缝的图像较窄且重叠较少。通过这种方式，光谱分辨率更高。总体而言，光谱更易于检测。

Claims (18)

1.一种具有二维光谱的光谱仪装置(10)，包括：

(a)第一色散元件(31)，用于主色散方向上辐射的光谱分解，

(b)成像光学器件(17)，用于在图像平面成像穿过入口缝(15)进入所述光谱仪装置(10)的辐射，以产生二维光谱，以及

(c)检测器阵列(39)，具有在所述图像平面中二维布置的多个检测器元件，

其特征在于，

(d)反光镜、折射镜、透镜阵列或另外的光学元件被布置于光束路径中被分散的单色光束彼此分离的位置，以及

(e)所述反光镜、所述折射镜、所述透镜阵列或所述其他光学元件具有自由曲面形式的表面，因此使得所述图像平面中在不同波长的情况下所述入口缝的选定图像所占据的面积在所述二维光谱的选定光谱区上被优化。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于利用交叉色散方向上辐射的光谱分解进行级次间隔的第二色散元件(21)，所述交叉色散方向与所述第一色散元件(31)的主色散方向形成角度，使得能够产生二维光谱。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述自由曲面被实现成使得所述成像误差引起的所述图像平面中针对不同波长的所述入口缝的选定图像的共焦成像的整体偏差在所述二维光谱的选定光谱区内最小化。

4.根据前述权利要求2或3中任一项所述的装置，其特征在于，所述主色散方向上的色散元件是阶梯光栅。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光谱仪是采用内部级次间隔的阶梯光谱仪。

6.根据前述权利要求4或5中任一项所述的装置，其特征在于，反射、折射或衍射表面被布置在所述光束路径中使得与同一个阶梯衍射级次相关联的至少两个单色光束被完全间隔开和/或不属于同一个阶梯衍射级次的至少两个单色光束被完全间隔开的位置，并且所述反射、折射或衍射表面被实施为自由曲面，该自由曲面使得用于所述二维阶梯光谱的选定波长范围上彼此独立的各个单色光束的检测器上的共焦成像的偏差最小化。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所有部件被实现成使得在自由光谱区内相同主色散级次的至少两个波长的单色光束在所述自由曲面的部位完全间隔开，和/或所述入口缝中具有不同缝高度位置的两个点的单色光束在该表面的部位完全间隔开。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述自由曲面被优化成使得所述选定光谱区内所述入口缝的选定图像的RMS函数之和取最小值。

9.根据前述权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述自由曲面被优化成使得所述选定光谱区内的所述入口缝的选定图像的波前误差之和取最小值。

10.根据前述权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述自由曲面被优化成使得所述选定光谱区内的所述入口缝的选定图像的面积之和取最小值。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，具有所述自由曲面的光学元件是位于所述图像平面之前的折叠式反射镜。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，所述成像光学器件以利特罗布置方式布置。

13.根据前述权利要求2至12中任一项所述的装置(10)，其特征在于，所述第二色散元件是具有同样实施为自由曲面的表面的棱镜，并且所述自由曲面具有的形状使得由所述成像误差引起的所述图像平面中在不同波长的情况下所述入口缝的选定图像的共焦成像的偏差在所述二维阶梯光谱的选定光谱区内被优化。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个自由曲面被实现成使得所述级次取所述图像平面中选定的位置并且优选在所述图像平面中具有均匀的间隔。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，自由曲面由多个微镜或者由一些其他自适应光学元件形成，它们的形状和/或位置能够借助相应的致动器来调整。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述成像光学器件被实施为球面镜，并且准直光束路径中的光学元件的至少一个表面被实施为自由曲面，所述自由曲面被优化成使得所述入口缝的选定图像的共焦成像的整体偏差在相关的波长范围内被最小化。

17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述成像光学器件包括透镜或透镜***。

18.一种具有自由曲面形式表面的光学部件，用于改装根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪装置，其特征在于，所述自由曲面使成像误差引起的图像平面中的不同波长的情况下所述入口缝的选定图像所占据的面积在二维阶梯光谱的选定光谱区内被优化。