DD251837B5 - Polychromator f}r CCD-Zeilenabbildung - Google Patents

Description

daß für den langen Spektralbereich der Polychromator folgende Parameter aufweist: Gitter 1

Gitter 2	R =	I	nm	= -3,95 grd
R = 180,635 mm	Ic =		nm
lc = 178,965 mm	Id =
ID = 180,027 mm	r :
γ = 11,5 grd	δ =
δ = -6,19 grd
Linien = 200 L/mm	= 180,26 mm
α = —5grd	= 177,624 mm
LA = 180 mm	= 177,084 mm
LB = 180,147 mm	= 11,5 grd
ε = Ogrd	= 6,196 grd
λ-Bereich Gitter 1: 190...370	Linien = 199,7 L/mm
Gitter 2: 370...550	а -
Gitterdurchmesser 50 nm

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Artwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann zur Erzeugung eines bestimmten Spektralbereiches zur Abbildung auf eine Empfängerzeile in der Emissions- und Absorptionsspektrometrie sowie in Verbindung mit anderen fotometrischen Mehrkanaldetektoren eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß abbildende holografische Gitter für ein ebenes Spektrenfeld korrigiert werden können. In Journ. Opt. Soc. Am. 61 (1971) 1001 werden die Herstellungsbedingungen solcher Gitter beschrieben. Im Handbook of Diffraction Gratings Ruled & Holographic, 1973 werden korrigierte konkave Gitter für die Verwendung in Spektrographen und fürZeilen-, Matrix-und andere Mehrkanalempfänger eingesetzt.

In der DE-OS 1948961 werden für Spektrographen geeignete abbildende Gitter angegeben, wobei der Begriff Spektrograph nicht ein vollständig geebnetes Bildfeld einbezieht.

Die bisher beschriebenen Gitter sind den Besonderheiten von Zeilen nicht angepaßt, abgesehen vom quasi ebenen Bildfeld. In DE-PS 2656119 werden ein Korrektionsverfahren und die Herstellungsfiguration für bildfeldgeebnete abbildende Gitter beschrieben. Die Gitter weisen drei Wellenlängen mit verschwindender meridionaler Defokussierung innerhalb des spektralen Korrektionsbereiches auf, zwischen denen der Astigmatismus an einem weiteren Punkt verschwindet, Koma I ist lineare Funktion der Wellenlänge, und die Dispersion des Spektrums wird annähernd linearisiert. Korrektionsfreiheitsgrade sind insbesondere der Einfallswinkel, der Ablenkwinkel und der Neigungswinkel des Spektrums.

In Optik 64 (1983) 185-189 wird ein Korrektionsverfahren für Dioden-Zeilen-Polychromatoren angegeben, das auf zwei stigmatischsn Punkten im Korrektionsbereich beruht und eine Minimierung von Koma I und Il durch Veränderung des Abbildungsmaßstabes anstrebt. Der Neigungswinkel ist ebenfalls Korrektionsfreiheitsgrad, doch wird entsprechend den Anv;=nclungs3rfordernissen auch der Neigungswinkel Null zugelassen.

Die besonderen Korrektionserfordernisse der abbildenden Gitter für Zeilenpolychromatoren beruhen auf der Geometrie der strahlungsempfindlichen Elemente bzw. der Gesamtfläche. Die Breite der Elemente ist typisch 0,013 bis 0,03 mm, die Höhe 0,3 bis 1 mm. Die Dimensionierung des Eintrittsspaltes wird unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes diesen Abmessungen angepaßt, wobei die Breite des Eintrittsspaltes auch mehrere Elementbreiten betragen kann. Aus den vergleichsweise geringen Eintrittsspaltflächen resultiert auch der bei hohem Öffnungsverhältnis des abbildenden Gitters prinzipiell geringe Lichtleitwert des Polychromaten.

Auf Grund der kleinen Elementhöhe führen die Abbildungsfehler in sagittaler Richtung, insbesondere der Astigmatismus, zu Strahlungsverlusten und Verminderung der fotometrischen Meßgenauigkeit, besonders dann, wenn die Strahlungsverluste in Abhängigkeit von der Wellenlänge oszillieren.

Abbildungsfehler in meridionaler Richtung vermindern in üblicher Weise die erreichbare spektrale Auflösung und bei zu engen Spaltbreiten und unsymmetrischen Korrektionsprofilen die fotometrische Richtigkeit. Ein besonderes Problem liegt bei der Absorptionsspektroskopie vor, wenn die Ausläufer des Korrektionsprofils die maximal meßbare Extinktion vermindern können.

Problematisch ist auch der Neigungswinkel der Spektrenebene gegenüber der mittleren optischen Achse im spektralen Anwendungsgebiet.

Mit wachsendem Neigungswinkel steigen die Reflexionsverluste an der Zeilenoberfläche, die sich besonders im UV mit entsprechend verminderter Ausstrahlungsstärke auswirken. Dadurch entsteht u.U. mehr Falschlicht im Spektrometer, eine Verschlechterung des Signal/Rauschverhältnisses und in der Absorptionsspektrometrie schlechtere Grenzen für die maximale und minimale Extinktion. Ein großer Neigungswinkel bringt außerdem eine komplizierende Vergrößerung der linearen Dispersion auf der Zeile, wenn ein größerer Spektralbereich innerhalb der Zeilenlänge untergebracht werden soll.

Die spektrale Empfindlichkeitscharakteristik der Zeile weist eine besonders geringe Empfindlichkeit im UV auf, die ca. 0,2 bis 0,1 gegenüber dem Maximum im langwelligen VIS beträgt. Daraus ergeben sich Meßprobleme. Der Effekt wird noch verstärkt durch Streulicht aus dem langwelligen VIS im kurzwelligen UV.

Die Blazecharakteristik ist geeignet, die Signalhöhe im kurzwelligen zu verbessern, kann aber diesen Empfindlichkeitsverlust nicht vollständig kompensieren.

Bei einem nichtlinearen Dispersionsverlauf wird außerdem der Auswerte-Rechenaufwand erhöht. Zu große Ablenkwinkel am Gitter bewirken ein ungünstiges Effektivitätsverhalten des Gitters, was zu einer Einschränkung des optimalen Effektivitätsbereiches sowie einer kleineren maximalen Effektivität mit erheblichen Polarisationsschwankungen führt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein bildfeldgeebnetes, abbildendes, holografisches Gitter zu entwickeln, das den Eigenschaften der Zeile angepaßt ist und die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein holografisches Gitter anzugeben, das die durch die Zeilengeometrie geforderten Werte an Auflösung, Astigmatismus und Beugungseffektivität erfüllt, in Verbindung mit der Empfängerzeile verbesserte fotometrische Richtigkeit aufweist sowie in absorptionsspektrometrischen Anwendungen einen vergrößerten Extinktionsbereich zuläßt. Desweiteren soll das Gitter den Bedingungen der gleichzeitigen Messung von Spektralbereichen mit starker Empfindlichkeitsänderung angepaßt sein sowie das optische Signal-Untergrundverhältnis verbessert werden. Diese Aufgabe löst ein Polychromator für CCD-Zeilenabbildung erfindungsgemäß dadurch, daß im Falle des kurzen Spektralbereiches der Verlauf des Astigmatismus so korrigiert wird, daß er im Zusammenwirken mit der Beugungseffektivität des Gitters und der Empfindlichkeit der Empfängerzeile so verläuft, daß der Energieverlauf im Spektralbereich annähernd linear gestaltet wird, so daß der Astigmatismus im kurzwelligen UV ein Minimum hat und dann stetig zunimmt. Die korrektionsbedingte Halbwertsbreite für die Eintrittsspaltbreite gegen Null und Δλ gegen Null ist im wesentlichen gleich einer Elementbreite der Zeile und besitzt im kurzwelligen UV ihr Minimum.

Der Abstand zwischen Eintrittsspalt und Spektrum wird minimal gestaltet zwecks Koma- und Astigmatismussenkung und der Neigungswinkel der Empfängerzeile gleich oder nahe Null Grad eingestellt, falls der Beugungswinkel am Gitter für alle Wellenlängen ungleich Null Grad ist und ungleich Null Grad ist, falls der Beugungswinkel Null Grad im Spektrum auftritt mit dem Ziel, daß von der Empfängerzeile auf das Gitter reflektierte Strahlung weder als 0. noch als 1. Ordnung auf die lichtempfindlichen Teile der Elementzeile trifft

Für den ersten Fall ist ein Gitter mit folgenden Parametern günstig:

R =	180,26 mm	а	= -5grd
Lc =	175,786 mm	La	= 182 mm
L0 =	183,49 mm	Lb	= 178 mm
У =	11,5grd	ε	= 3,11 grd
δ =	-6,19grd	λ	= 190...370 mm
Linien	= 200 L/mm	Gitterdurchmesser =

Für den Fall des langen Spektralbereiches, d. h. wenn die soeben beschriebene Lösung nicht mehr anwendbar ist, wird zur Lösung der Aufgabe ein Polychromator mit aberrationskorrigiertem, holografisch erzeugtem Konkavgitter verwendet, das aus einem Paar von Konkavgittern besteht, die untereinander austauschbar sind. Das für den UV-Bereich vorgesehene Gitter ist ein im Stehwellenverfahren hergestelltes, abbildendes Hologitter und das für den VIS-Bereich vorgesehene ein symmetrisch abbildendes Gitter. Damit wird eine optimale Anpassung der Beugungseffektivität an die Zeilenempfindlichkeit erreicht. Der Gittereinfallswinkel ist für beide Gitter so einzurichten, daß ein minimaler Ablenkwinkel bzw. Abstand zwischen Eintrittsspalt und Empfängerzeile entsteht. Durch diese Aufspaltung des Spektralbereiches und die gleichzeitige Minimierung des Gitterablenkwinkels läßt sich die Abbildung unter zusätzlicher geeigneter Optimierung der übrigen Gitterparameter.wie R, L_c, Lq, y, δ. La, L_b mit dem Ziel der Bildfeldebnung, Koma- und Astigmatismussenkung bezüglich der Zeilengeometrie und -empfindlichkeit günstig gestalten.

Das zu verwendende UV-Gitter besitzt das Effektivitätsmaximum bei 220 nm und das Maximum der spektralen Auflösung sowie Minimum des Astigmatismus bei 190 nm.

Die Linearität der Dispersion wird auf Grund der kürzeren Teilspektrenlängen bei gleichzeitiger Wahl der beiden Gitterstrichzahlen im Verhältnis gi/g₂ = 1,0025 verbessert.

Um den Falschlichtanteil zu senken, ist die Empfängerzeile so auszurichten, daß auf das Gitter zurückreflektiertes Licht nicht über die 0. oder 1. Beugungsordnung auf die lichtempfindlichen Teile der Empfängerzeile zurückgelangen kann.

Dazu ist die Empfängerzeile im Winkel von annähernd Null Grad zum Hauptstrahl der mittleren gebeugten Wellenlänge zu stellen, falls der Beugungswinkel für alle Wellenlängen # Null Grad ist. Tritt der Beugungswinkel Null Grad im Spektrum auf, muß die Zeile so gekippt werden, daß vom Gitter zurückreflektiertes Falschlicht nicht die lichtempfindlichen Teile der Zeile trifft.

Besonders günstig ist die erfindungsgemäße Lösung ausgestaltet, wenn die Gitter folgende Parameter aufweisen

Gitter 1 Gitter 2

R = 180,635 mm R = 180,26 mm

L_c = 178,965 mm L_c = 177,624 mm

L₀ = 180,027 mm L₀ = 177,804 mm

у - 11,5grd у = 11,5grd

δ = -6,19grd δ =6,196grd

Linien = 200 L/mm Linien = 199,7 L/mm

а - -5grd а = -3,95grd

L_A = 180 mm

L₈ = 180,147 mm

ε =0grd Wellenlängenbereich: Gitter 1 190... 370 mm

Gitter 2 370... 550 mm Gitterdurchmesser: 50 mm

Die Auflösung mit dieser Konfiguration ist sO,2nm, im UV < 0,12 nm, während der Astigmatismus 2 0,1 mm, im UV < 0,05 mm, ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1: zeigt die Herstellungskonfiguration für die Gitter Fig.2: die Anwendungskonfiguration.

Von den beiden kohärenten Punktlichtquellen D; c, die sich im Abstand I₀ bzw. l_c von Scheitelpunkt des Gitterträgers 2 befinden, gehen kohärente Kugelwellen aus und fallen im Winkel γ bzw. δ zur Gitternormalen auf die mit fotoempfindlichem Material beschichtete (nicht dargestellt) Oberfläche des Gitterträgers 2, dessen konkave Fläche den Radius R hat. In Fig. 2 befindet sich der Eintrittsspalt 1 in Abstand I_A vom Scheitelpunkt des Gitterträgers 2, durch den Licht unter dem Winkel α gegen die Flächennormale auf das Gitter trifft und nach Reflexion unter dem Winkel β auf die Empfängerzeile 3, die sich im Abstand Ib vom Scheitelpunkt befindet. Die Empfängerzeile 3 weicht um den Winkel ε vom rechten Winkel zur Einfallsrichtung ab. Eine mögliche Lösung unter Verwendung von austauschbaren Gittern weist folgende Parameter auf:

Gitter 1	182mm	Gitter 2
R :	178mm	R =
Lc	3,11 grd	Lc =
Ld	190-370 πm	L0 =
У :	370-550 η ιm	У '
δ	δ =
а	α =
= 180,26 mm	= 179,71 mm
= 175,786 mm	= 171,553mm
= 183,49 mm	= 171,0mm
= 11,5grd	= 11,5grd
= -6,19grd	= 6,2 grd
= -5grd	= -3,95 grd
Linien = 200 L/mm	Linien = 199,7 L/mm
La =
Lb =
ε =
Wellenlängenbereich: Gitter 1
Gitter 2

Claims (1)

1. Polychromator für CCD-Zeilenabbildung, der ein Spaltsystem aus Ein- und Austrittsspalt, einen Gitterträger mit konkavem Gitter sowie eine Empfängerzeile aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß der Astigmatismus korrigiert ist, daß er zusammen mit der Beleuchtungseffektivität des Gitters und der Empfindlichkeit der Empfängerzeile so verläuft, daß der Energieverlauf im Spektralbereich annähernd linear ist, daß der Astigmatismus im kurzwelligen UV ein Minimum aufweist und stetig zunimmt, daß die korrektionsbedingte Halbwertsbreite für die Eintrittsspaltbreite gegen Null geht und im wesentlichen gleich einer Elementbreite der Empfängerzeile ist und im kurzwelligen UV ein Minimum hat, daß der Abstand zwischen Eintrittsspalt und Spektrum minimal ist, daß der Neigungswinkel der Empfängerzeile gleich oder annähernd Null Grad ist, daß für den kurzen Spektralbereich der Polychromator folgende Parameter aufweist:

   R = 180,26mm -< = -5grd

   L_c = 175,786 mm L_A = 182 mm

   L_D = 183,49 mm L_B = 178 mm

   у = 11,5grd ε = 3,11 grd

   δ =-6,19grd λ = 190...370nm

   Linien = 200 L/mm Gitterdurchmesser = 50 mm _#