DD210753A1 - ARRANGEMENT FOR SELECTION OF SPECTRUM CIRCUITS FROM A GENERAL SPECTRUM - Google Patents

Abstract

Die Erfindung wird angewendet zur Spektralanalyse ausgewaehlter Nachweisspektrallinien bzw. zur Darstellung ausgewaehlter Spektrenabschnitte aus einem grossen Spektralbereich bei relativ hohem spektralen Aufloesungsvermoegen und hohem Lichtleitwert des dispergierenden optischen Systems. Die Aufgabe der Erfindung, ein dispergierendes optisches System zu entwickeln, bei dem Ansteuerungselemente mit relativ geringer Schrittgenauigkeit verwendet werden koennen u. keine Begrenzungen an die Spalthoehe durch spektrale Ueberlagerungen auftreten, wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die Dispersionsebenen eines dispergierenden Elements und eines Echellegitters im wesentlichen parallel zueinander liegen, dass ein einem Vormonochromator und einem Echellesystem gemeinsamer Spalt zumindest annaehernd in der meridionalen Fokalebene des Vormonochromators angeordnet ist, und dass das dispergierende Element, der gemeinsame Spalt, ein Empfaengersystem, das Echellegitter und/oder mindestens ein Abbildungselement des Echellesystems in ihren Einstellfunktionen zur Wellenselektierung steuerbar miteinander gekoppelt sind.The invention is applied to the spectral analysis of selected detection spectral lines or to the representation of selected spectral sections from a large spectral range with a relatively high spectral resolution and high optical conductivity of the dispersing optical system. The object of the invention to develop a dispersive optical system can be used in the control elements with relatively low step accuracy u. no boundaries of the gap height due to spectral overlays occur, is achieved in accordance with the invention that the dispersion planes of a dispersing element and an Echelle grid are substantially parallel to each other, that a Vormonochromator and an Echellesystem common gap is at least approximately arranged in the meridional focal plane of the Vormonochromators and that the dispersing element, the common gap, a receiver system, the echelle grating and / or at least one imaging element of the echelle system are controllably coupled together in their shaft selection adjustment functions.

Description

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Anordnung zur Auswahl von Spektrenabschnitten aus einem GesamtSpektrumArrangement for selecting spectral segments from an overall spectrum

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Auswahl von * Spektrenabschnitten aus einem Gesamtspektrum. Sie wird angewendet zur Spektralanalyse ausgewählter Nachweisspektrallinien bzw. zur Darstellung ausgewählter Spektrenabschnitte aus einem großen Spektralbereich bei relativ hohem spektralen Auflösungsvermögen und hohem Lichtleitwert des dispergierenden optischen Systems.The invention relates to an arrangement for selecting * spectral sections from an overall spectrum. It is used for the spectral analysis of selected detection spectral lines or for representing selected spectral sections from a large spectral range with relatively high spectral resolution and high optical conductivity of the dispersing optical system.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bei der Anwendung bekannter Gittermonochromatoren mit Echelettegittern und hoher reziproker Lineardispersion müssen zwecks Wechsel der zu untersuchenden Spektrallinien oder Spektrenabschnitte oft große Gitterwinkelbei-eiche abgefahren werden. Dazu sind an die verwendeten Gitterantriebsmechanismen höchste Anforderungen in Bezug auf Positioniergenauigkeit und Lagereproduktion der Beugungsgitter zu stellen. Gemäß der Gitterformel sin<Vg + sin /% = m-^l^G^1,9 bestimmt die obere Grenzwellenlänge des abzutastenden Spektralbereiches die maximal verwendbare Gitterfurchenzahl pro Millimeter'(G) und damit das Auflösungsvermögen des Monοchromatο rs.PUr einen großen, abzutastendenC characteristic of the known technical solution When using known grating monochromators with echelette gratings and high reciprocal linear dispersion, it is often necessary to traverse large grating angles in order to change the spectral lines or spectral sections to be examined. For this purpose, the highest requirements with regard to positioning accuracy and bearing production of the diffraction gratings are to be placed on the grid drive mechanisms used. According to the lattice formula sin <Vg + sin /% = m- ^ l ^ G ^ 1.9, the upper limit wavelength of the spectral range to be scanned determines the maximum usable lattice number per millimeter '(G) and thus the resolution of the MonoC romat.PUr a large, be scanned

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Spektralbereich wird es unter Umständen notwendig, mit zwei oder mehreren Gittern bzw. Spektralordnungen zu arbeiten. PUr die Gitterechselmechanismen sind ebenfalls höchste Positioniergenauigkeit und Lagereproduktion erforderlich. Nachteilig ist der damit verbun-" dene Zeitaufwand bis zum Erreichen entfernter Wellenlängenpositionen· Andere bekannte technische Lösungen verwenden Monochromstoren mit einem Echellegitter und gekreuzte Dispersion. Dabei wird das Spektrum durch das Echellegitter in vielen Spektralordnungen erzeugt. Ein Querdispersionselement trennt die Ordnungen in einzelne Zeilen auf.Spectral range may be necessary to work with two or more grids or spectral orders. The lattice change mechanisms also require the highest level of positioning accuracy and warehouse production. A disadvantage is the associated expenditure of time until remote wavelength positions are reached Other known technical solutions use monochrome blinds with an echelle grating and crossed dispersion, whereby the spectrum is generated by the echelle grating in many spectral orders A cross-dispersion element separates the orders into individual lines.

Bei Anordnungen für gekreuzte Dispersion kann zur Darstellung eines großen Spektralbereiches infolge der Ordnungszeilentrennung nur eine geringe Eintrittsspalthöhe des optischen Systems gewählt werden, so daß der Lichtleitwert und damit die spektrale Strahlungsleistung des optischen Systems eingeschränkt ist.In arrangements for crossed dispersion, only a small entrance slit height of the optical system can be selected to represent a large spectral range due to the order line separation, so that the light conductance and thus the spectral radiant power of the optical system is limited.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und einzelne Spektrallinien oder Spektrenabschnitte eines großen Spektralbereiches mit hoher Auflösung, großem Lichtleitwert und reduziertem Streulichtanteil auf einen Empfänger abzubilden und den Wechsel zwischen einzelnen Spektrallinien oder Spektrenabschnitten in kurzer Zeit durchzuführen.The aim of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art and to image individual spectral lines or spectral sections of a large spectral range with high resolution, high light conductance and reduced scattered light component on a receiver and perform the change between individual spectral lines or spectral sections in a short time.

Darstellung des Wesens der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung, ein dispergierendes optisches System zu entwickeln, bei dem Ansteuerungselemente mit relativ geringer Schrittgenauigkeit verwendet werden können und keine Begrenzungen an die Spalthöhe durchView of the essence of the invention The object of the invention to develop a dispersive optical system can be used in the driving elements with a relatively small step accuracy and no limitations to the gap height by

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spektrale Überlagerungen auftreten, wird durch, eine . Anordnung zur Auswahl von Spektrenabschnitten aus einem Gesamtspektrum, bei der die Strahlung einer Strahlungsquelle über eine im Strahlengang befindliche Beleuchtungsoptik nacheinander auf ein dispergierendes Element eines Vormonoehromators, auf ein Echellegitter eines mit weiteren Abbildungselementen versehenen Echellesystems und auf ein Empfängersystem gelenkt wird, wobei der Vormonochromator und das Echellesystem durch einen gemeinsamen Spalt optisch miteinander verbunden sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dispersionsebenen des dispergierenden Elements und des Echellegitter im wesentlichen parallel zueinander liegen, daß der gemeinsame Spalt zumindest annähernd in der meridionalen Pokalebene des Vormonoehromators angeordnet ist, und daß das dispergierende Element, der gemeinsame Spalt, das Empfängersystem, das Echellegitter und/oder mindestens eines der Abbildungselemente in ihren Einstellfunktionen zur Weilenlängenselektierung steuerbar miteinander gekoppelt sind. Dem dispergierenden Element und dem gemeinsamen Spalt ist ein erstes gemeinsames, rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet· Dabei sind entweder das Echellegitter und die Abbildungselemente im Strahlengang fest und zumindest Teile des Empfängersystems entlang einer vom Echellegitter erzeugten Spektralordnung verschiebbar angeordnet, oder das Empfängersystem ist im Strahlengang fest angeordnet und das Echellegitter und mindestens eines der Abbildungselemente sind um zu den Furchen des Echellegitter im wesentlichen parallele Achsen drehbar gelagert· Den verschiebbaren und drehbaren Elementen sind jeweils ein weiteres rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet ·Spectral overlays occur through, one. Arrangement for the selection of spectral sections from a total spectrum, in which the radiation of a radiation source is directed in succession to a dispersing element of a pre-mono-chromator, to an echelle lattice of an echel system provided with further imaging elements, and to a receiver system via an illumination optical system located in the beam path, the pre-monochromator and the Echelle system are optically interconnected by a common gap, according to the invention solved in that the dispersion planes of the dispersing element and the Echellegitter are substantially parallel to each other, that the common gap is at least approximately disposed in the meridional Cup level of the Vormonoehromators, and that the dispersing element, the common gap, the receiver system, the echelle grating and / or at least one of the imaging elements are controllably coupled to one another in their setting functions for wavelength selection are. In this case, either the echelle lattice and the imaging elements are fixed in the beam path and at least parts of the receiver system along a spectral order generated by Echellegitter arranged displaceably, or the receiver system is fixedly arranged in the beam path and the echelle grating and at least one of the imaging elements are rotatably mounted about axes which are essentially parallel to the grooves of the echelle grating. The displaceable and rotatable elements are each assigned a further computer-controlled adjusting element.

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Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden· Einer Strahlungsquelle 1 sind entlang eines Strahlenganges 2 eine Beleuchtungsoptik 3 und ein Eintrittsspalt 4 eines als Czerny-Turner-Anordnung ausgebildeten Vormonochromators 5 nachgeordnet. Der V©monochromator besteht außerdem aus einem Eollimatorspiegel 6, einem rückfläehenverspiegelten Prisma 7, das um eine Achse parallel zu seiner brechenden Kante drehbar angeordnet ist und einem Kameraspiegel 8. Ein Spalt 9 mit veränderlicher Spaltbreite ist gleichzeitig als Austrittsspalt des Vormonochromators 5 und als Eintrittsspalt des Echellesystems 10 vorgesehen. Mit einem Schrittmotor verbundene Kurvenscheiben 12 und 13 besitzen jeweils am Prisma 7 und am Spalt 9 befestigte Hebel 14 und 15, die in der Zeichnung schematisch angedeutet sind. Das Echellesystem 10, ebenfalls als Czerny-Turner-Anordnung ausgebildet, besteht außer dem Spalt 9 aus einem Kollimatorspiegel 16 einem Echellegitter 17 und einem Kameraspiegel 18. Ein Austrittsspalt 19, der sich in der nicht dargestellten meridionalen Fokalebene des Echellesystems 10 befindet, und ein Umleiokelement 20 sind auf einer an Pührungsstangen 21 verschiebbaren Halterung 22 befestigt, die über eine Antriebsspindel mit einem Schrittmotor 24 gekoppelt ist. Die Schrittmotoren 11 und 24 werden über einen Mikrorechner 25, der über eine Dateneingabe 26 verfügt, angesteuert. Bin Strahlungsstromempfänger 27 ist dem Austrittsspalt 19 nachgeordnet.The invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. A radiation source 1 is followed by a lighting optical system 3 and an entrance slit 4 of a preceding monochromator 5 designed as a Czerny-Turner arrangement along a beam path 2. The monochromator also consists of an eollimulator mirror 6, a back mirrored prism 7 rotatably disposed about an axis parallel to its refractive edge, and a camera mirror 8. A gap 9 of variable gap width is simultaneously formed as the exit slit of the pre-monochromator 5 and as the entrance slit of the Echelle system 10 is provided. Cams 12 and 13 connected to a stepping motor each have levers 14 and 15 secured to the prism 7 and the gap 9, respectively, which are schematically indicated in the drawing. The Echellesystem 10, also designed as a Czerny-Turner arrangement, except the gap 9 consists of a collimator 16 a Echellegitter 17 and a camera mirror 18. An exit slit 19, which is located in the non-illustrated meridional focal plane of Echelle system 10, and a Umleiokelement 20 are mounted on a movable on Pahrungsstange 21 holder 22 which is coupled via a drive spindle with a stepper motor 24. The stepper motors 11 and 24 are controlled via a microcomputer 25, which has a data input 26. Bin radiation current receiver 27 is arranged downstream of the exit slit 19.

Die von der Strahlungsquelle. 1 ausgehende Strahlung tritt über die Beleuchtungsoptik 3 und den Eintrittsspalt 4 in den Vormonochromator 5 ein, wird durch das Prisma 7 spektral zerlegt, und Teile der Strahlung gelangen überThe of the radiation source. 1 outgoing radiation enters via the illumination optics 3 and the entrance slit 4 in the Vormonochromator 5, is spectrally decomposed by the prism 7, and parts of the radiation pass over

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den Spalt 9 in das Echellesystem 10. Durch das Echellegitter 17 findet eine nochmalige Zerlegung des Lichtes statt, ehe es über den Austrittsspalt 19 und das Umlenkelement 20 auf den Strahlungsstromempfänger gelenkt wird. Die durch den Schrittmotor angetriebenen Kurvenscheiben 12 und 13 verstellen mittels der Hebel 14 und 15 das Prisma 7 und den Spalt 9 so, daß durch Drehung des Prismas 7 das gesamte Spektrum über den Spalt 9 gefahren wird, und daß gleichzeitig durch dessen Spaltbreiteneinstellung die Spektralordnung ausgewählt wird, in der sich die gewünschte Spektrallinie bzw. der Spektralabschnitt befindet. Infolge der Beugung der durch den Spalt 9 hindurchgehenden Strahlung durch das Echellegitter 17 entsteht in der meridionalen Pokalebene des Echellesystems eine überlagerungsfreie Spektralordnung mit hoher reziproker . Lineardispersion.The gap 9 in the Echellesystem 10. Through Echellegitter 17 takes place a further decomposition of the light, before it is directed via the exit slit 19 and the deflecting element 20 to the radiation current receiver. The driven by the stepper motor cam 12 and 13 adjust by means of the levers 14 and 15, the prism 7 and the gap 9 so that by rotation of the prism 7, the entire spectrum is moved over the gap 9, and that at the same time selected by the gap width setting the spectral order is in which the desired spectral line or the spectral section is located. As a result of the diffraction of the radiation passing through the gap 9 through the echelle grating 17, a superimposed-free spectral order with a high reciprocal origin arises in the meridional cup level of the echelle system. Linear dispersion.

Um eine scharfe Seitenbegrenzung der abzubildenden SpektralOrdnungen zu erreichen, ist der Spalt 9 in der meriodionalen Fokalebene des Vormonochromators 5 angeordnet.In order to achieve a sharp lateral boundary of the spectral orders to be imaged, the gap 9 is arranged in the meriodional focal plane of the pre-monochromator 5.

Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt einen hohen . Lichtleitwert, da das Prisma 7 und das Echellegitter die Strahlung in der gleichen Ebene dispergieren,und deshalb die Spalthöhe der Spalte 4 und 9 in der Pokalebene des Echellesystems voll genutzt werden kann. Da sowohl Prismen als auch Echellegitter einen geraden Spalt als gekrümmte Linien abbilden, sind der Vormonochromator 5 und das Echellesystem 10 so zueinander aufgestellt, daß die durch Prisma und Echellegitter hervorgerufenen Spaltkrümmungen in ihrer Sichtung kompensiert werden.The arrangement according to the invention has a high. Conductance, since the prism 7 and the Echellegitter the radiation in the same plane to disperse, and therefore the gap height of column 4 and 9 can be fully utilized in the cup level of the echelle system. Since both prisms and echelle gratings image a straight gap as curved lines, the pre-monochromator 5 and the echelle system 10 are positioned relative to each other so that the gap curvatures caused by prism and echelle gratings are compensated in their sighting.

Zur Einstellung der erfindungsgemäßen Anordnung auf eine Wellenlänge Άχ wird erstens die zugehörige Spektralordnung m aus den im Mikrorechner 25 gespeichertenTo set the arrangement according to the invention to a wavelength Άχ , first of all , the associated spectral order m is stored in the microcomputer 25

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Daten ermittelt. Als zweiter Schritt wird über den Mikrorechner 25 der Vormonochromator 5 durch Prismendrehung und Spaltbreitenänderung so eingestellt, daß in der Pokalebene des Eehellesystems 10 die Spektralordnung m erscheint, in der der zu selektierende Wellenlängenabschnitt liegt. Drittens wird durch den Mikrorechner 25 eine Verschiebeposition ·?« ,- 2* für den Austrittsspalt 19 entlang der SpektralOrdnung m errechnet, wobei %m die Mittenwellenlänge der Spektralordnung m darstellt. In einem vierten Schritt wird die Position der Wellenlänge P* mit dem Austrittsspalt 19, gesteuert über den Mikrorechner 25 und angetrieben durch den Schrittmotor 24, angefahren. Durch die Aufteilung des Wellenlängenwechsels in Wechsel der Spektralordnungen und Verschiebung innerhalb einer kurzen Ordnungszeile gestattet die erfindungsgemäße Anordnung einen wesentlieh sehne11eren Wechsel zwischen Abschnitten mit großem Wellenlängenabstand als Monochromatoren mit Echelettegitter. Der Aufwand zur Positionierung der Elemente der erfindungsgemäßen Anordnung ist gegenüber einem Scanningmonochromator mit Echelettegitter niedriger₅ weil das Vormonochromatorprisma 7 und der Spalt 9 in wenigen wiederkehrenden Schritten entsprechend der verwendeten Ordnung m positioniert werden und' in der Pokalebene des Echellesystems nur eine durchgehende reproduzierbare Positionierung innerhalb einer großen OrdnungsZeilenlänge erfolgen muß«, Die Empfängerkombination aus Austrittsspalt und Strahlungsstromempfänger kann auch durch einen Bildempfänger, z.B. einen Zeilenempfänger, ersetzt werden, der bei nicht ausreichender Zeilenlänge in ähnlicher Weise wie der Austritts.spalt verschiebbar angeordnet werden kann.Data determined. As a second step, the pre-monochromator 5 is adjusted via the microcomputer 25 by prism rotation and gap width change so that the spectral order m appears in the cup level of the egg system 10, in which the wavelength section to be selected is located. Thirdly, micro-computer 25 calculates a displacement position ···, -2 * for exit slit 19 along the spectral order m, where %m represents the center wavelength of spectral order m. In a fourth step, the position of the wavelength P * is approached with the exit slit 19, controlled by the microcomputer 25 and driven by the stepping motor 24. By dividing the wavelength change in a change of the spectral orders and shift within a short order line, the arrangement according to the invention allows a substantially long change between sections with large wavelength spacing as monochromators with echelette grating. The effort for positioning the elements of the arrangement according to the invention is compared to a scanning monochromator with Echelettegitter lower ₅ because the Vormonochromatorprisma 7 and the gap 9 are positioned in a few recurring steps according to the order used m and 'in the cup level of Echelleystems only a continuous reproducible positioning within a The receiver combination of exit slit and radiation current receiver can also be replaced by an image receiver, for example a line receiver, which can be arranged displaceably if the line length is insufficient in a manner similar to the exit slit.

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Der Vormonochromator und das Echellesystem können auch als anderes optisches System, z.B. Littrow-System, ausgebildet sein. Anstatt des Prismas im Vormonochromator ist auch ein Echelettegitter verwendbar. In einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Έmpfangerkombination im Strahlengang fest angeordnet, während das Echellegitter oder der Kameraspiegel des Echellesystems parallel zum Furchenverlauf des Echellegitter drehbar und über einen mit den Daten des Rechners angesteuerten Schrittmotor zu verstellen sind.The pre-monochromator and echelle system may also be designed as another optical system, eg Littrow system. Instead of the prism in the Vormonochromator also an Echelettegitter is usable. In a further embodiment of the arrangement according to the invention, the receiver combination is fixedly arranged in the beam path, while the echelle grating or the camera mirror of the echelle system can be adjusted so as to be rotatable parallel to the groove profile of the echelle grating and via a stepping motor controlled by the data of the computer.

Dadurch läuft die gesamte ausgewählte Spektra!Ordnung über die Mitte der Fokalebene des Echellesystems ab·As a result, the entire selected spectral order passes over the center of the focal plane of the echelle system.

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Claims (3)

243726 2243726 2 ErfindungsanspruohErfindungsanspruoh 1. Anordnung zur Auswahl von Spektrenabschnitten aus einem Gesamtspektrum, bei der die Strahlung einer Strahlungsquelle über eine im Strahlengang befindliche Beleuchtungsoptik nacheinander auf ein dispergierendes Element eines Vormonochromators, auf ein Echellegitter eines mit weiteren Abbildungselementen versehenen Echellesystems und auf ein Empfängersystem gelenkt wird, wobei der Vormonochromator und das Echellesystem durch einen gemeinsamen Spalt optisch miteinander verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Dispersionsebenen des dispergierenden Elements und des Echellegitters im wesentlichen parallel zueinander liegen, daß der gemeinsame Spalt zumindest annähernd in der meridionalen Fokalebene des Vormonochromators angeordnet ist, und daß das dispergierende Element, der gemeinsame Spalt, das Empfängersystem, das Echellegitter und/ oder mindestens eines der Abbildungselemente in ihren Einstellfunktionen zur Wellenlängenselektierung steuerbar miteinander gekoppelt sind·1. Arrangement for selecting spectral sections from a total spectrum, in which the radiation of a radiation source is directed via an optical system located in the beam path successively on a dispersing element of a pre-monochromator, on a Echellegitter provided with further imaging elements Echellesystems and on a receiver system, wherein the Vormonochromator and the echelle system are optically interconnected by a common gap, characterized in that the dispersion planes of the dispersing element and the echelle lattice are substantially parallel to each other, that the common gap is at least approximately in the meridional focal plane of the pre-monochromator, and in that the dispersing element in that the common gap, the receiver system, the echelle grating and / or at least one of the imaging elements are controllably coupled together in their wavelength selection adjustment functions. 2. Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem dispergierenden Element und dem gemeinsamen Spalt ein erstes gemeinsames, rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet ist.2. Arrangement according to item 1, characterized in that the dispersing element and the common gap is associated with a first common, computer-controlled adjustment. 3· Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Echellegitter und die Abbildungselemente im Strahlengang fest und zumindest !Teile des Empfängersystems entlang einer vom Echellegitter erzeugten Spektralordnung verschiebbar angeordnet sind und daß der Empfängerkombination ein weiteres, rechnergesteuerstes Verstellelement zugeordnet ist·Arrangement according to items 1 and 2, characterized in that the echelle lattice and the imaging elements are fixedly arranged in the beam path and at least parts of the receiver system are displaceable along a spectral order generated by the echelle lattice and that the receiver combination is assigned a further, computer-controlled adjustment element. 40764076 243726 2243726 2 4. Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Empfängersystern im Strahlengang fest angeordnet und das Echellegitter und mindestens eines der Abbildungselemente um zu den Furchen des Echellegitters im wesentlichen parallele Achsen drehbar gelagert sind, und daß dem Echellegitter und/oder mindestens einem der Abbildungselemente ein weiteres, rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet ist.4. Arrangement according to item 1 and 2, characterized in that the Empfängerersystern fixedly disposed in the beam path and the Echellegitter and at least one of the imaging elements are rotatably mounted about the furrows of Echellegitters substantially parallel axes, and that the Echellegitter and / or at least one the imaging elements is associated with another, computer-controlled adjustment. 1 Seite Zelchnw»§efl1 page Zelchnw »§efl 40764076