DE102011080278A1

DE102011080278A1 - Echelle spectrometer

Info

Publication number: DE102011080278A1
Application number: DE102011080278A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dobschal; Jochen Müller
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-07
Also published as: WO2013017458A1

Abstract

Es wird bereitgestellt ein Echelle-Spektrometer mit einem Detektor (3) und einem monolithischen transparenten Körper (2), der eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche auf einer Vorderseite (4) des Körpers (2) und ein reflektives Echellegitter (6) auf der Rückseite (5) des Körpers (2) aufweist, wobei ein über die Eintrittsfläche in den Körper (2) eintretendes Strahlenbündel (S) am Echellegitter (6) zur Austrittsfläche reflektiert und dabei in einer ersten Dispersionsrichtung (D1) spektral aufgespalten wird, durch die Austrittsfläche tritt und auf den Detektor (3) trifft, wobei der Körper (2) so ausgebildet ist, daß er für das über die Eintrittsfläche eintretende, am Echellegitter (6) reflektierte und über die Austrittsfläche austretende Strahlenbündel (S) eine dispergierende Wirkung derart bereitstellt, daß quer zur ersten Dispersionsrichtung (D1) eine Trennung der Beugungsordnungen des Echellegitters (6) erfolgt.There is provided an Echelle spectrometer comprising a detector (3) and a monolithic transparent body (2) having an entrance surface and an exit surface on a front side (4) of the body (2) and a reflective echelle mesh (6) on the back side ( 5) of the body (2), wherein a radiation beam (S) entering the body (2) via the entry surface is reflected at the echelle grating (6) to the exit surface and spectrally split in a first dispersion direction (D1) through the exit surface and impinges on the detector (3), wherein the body (2) is designed to provide a dispersing action for the beam (S) entering via the entrance surface and reflected by the echelle grating (6) and exiting the exit surface transverse to the first dispersion direction (D1) a separation of the diffraction orders of Echelle grid (6) takes place.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Echelle-Spektrometer. The present invention relates to an echelle spectrometer.

Echelle-Spektrometer werden in der Regel in Bereichen eingesetzt, in denen ein Spektrum mit einem großen Wellenlängenbereich hochaufgelöst auf einmal erfaßt werden soll. Besonders im Bereich der analytischen Chemie beim qualitativen und quantitativen Nachweis von Elementen besteht der Bedarf nach einer Ausweitung des auflösbaren Spektralbereiches bei gleichzeitiger Erhöhung des spektralen Auflösungsvermögens. Auch im Bereich der Astronomie bei der Aufnahme von Sternspektren mit hoher Auflösung werden Echelle-Spektrometer eingesetzt. Echelle spectrometers are usually used in areas where a spectrum with a large wavelength range is to be detected in high resolution at once. Particularly in the field of analytical chemistry in the qualitative and quantitative detection of elements, there is a need for an expansion of the resolvable spectral range while increasing the spectral resolution. Also in the field of astronomy in the recording of star spectra with high resolution Echelle spectrometers are used.

Bekannte Echelle-Spektrometer weisen ein Echellegitter zur Erzeugung eines Dispersionsspektrums und ein weiteres Gitter oder ein Dispersionsprisma auf, um die zum Teil aufeinanderfallenden Beugungsordnungen voneinander zu trennen. Daher weisen solche Echelle-Spektrometer eine Vielzahl von diskreten Optik- und Mechanikkomponenten auf, so daß ein hoher Montage- und Justieraufwand vorliegt und eine kostengünstige Fertigung der Echelle-Spektrometer nicht möglich ist. Known echelle spectrometers have an echelle grating for generating a dispersion spectrum and another grating or a dispersion prism in order to separate the partially successive diffraction orders from one another. Therefore, such echelle spectrometers have a variety of discrete optics and mechanical components, so that a high installation and adjustment effort is present and cost-effective production of Echelle spectrometer is not possible.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Echelle-Spektrometer zur Verfügung zu stellen, das kompakt ist, kostengünstig hergestellt werden kann und gute optische Leistungsparameter aufweist. Based on this, it is an object of the invention to provide an echelle spectrometer which is compact, can be manufactured inexpensively and has good optical performance parameters.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Echelle-Spektrometer mit einem Detektor und einem monolithischen transparenten Körper, der eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche auf der Vorderseite des Körpers und ein reflektives Echellegitter auf der Rückseite des Körpers aufweist, wobei ein über die Eintrittsfläche in den Körper eintretendes Strahlenbündel am Echellegitter zur Austrittsfläche reflektiert und dabei in einer ersten Dispersionsrichtung spektral aufgespalten wird, durch die Austrittsfläche tritt und auf den Detektor trifft, wobei der Körper so ausgebildet ist, daß er für das über die Eintrittsfläche eintretende, am Echellegitter reflektierte und über die Austrittsfläche austretende Strahlenbündel eine dispergierende Wirkung derart bereitstellt, daß quer zur ersten Dispersionsrichtung eine Trennung der Beugungsordnungen des Echellegitters erfolgt. The object is achieved by an echelle spectrometer with a detector and a monolithic transparent body, which has an entrance surface and an exit surface on the front side of the body and a reflective echelle mesh on the back side of the body, wherein a radiation beam entering the body via the entry surface is reflected at the echelle grating to the exit surface and thereby spectrally split in a first dispersion direction, passes through the exit surface and strikes the detector, wherein the body is designed so that it for the entering via the entrance surface, reflected on the echelle and exiting via the exit surface beam provides a dispersing effect such that transversely to the first dispersion direction, a separation of the diffraction orders of Echellegitters takes place.

Durch diesen monolithischen Aufbau wird die Anzahl der benötigten Optikelemente minimiert, was einerseits zu einer deutlichen Miniaturisierung führt und andererseits den Justier- und Montageaufwand deutlich reduziert. Ferner werden dabei sehr gute optische Leistungsparameter erzielt. Through this monolithic structure, the number of required optical elements is minimized, which on the one hand leads to a significant miniaturization and on the other hand significantly reduces the adjustment and assembly costs. Furthermore, very good optical performance parameters are achieved.

Die dispergierende Wirkung des transparenten Körpers quer zur ersten Dispersionsrichtung kann durch eine prismatische Ausbildung des transparenten Körpers und seiner wellenlängenabhängigen Brechzahl bereitgestellt werden. The dispersing effect of the transparent body transversely to the first dispersion direction can be provided by a prismatic formation of the transparent body and its wavelength-dependent refractive index.

Durch den monolithischen Aufbau des transparenten Körpers kann dieser durch Abformverfahren, wie z. B. Spritzgießen oder Spritzprägen, hergestellt werden. Dadurch ist eine kostengünstige und schnelle Herstellung möglich. Due to the monolithic structure of the transparent body this can by molding, such. As injection molding or injection-compression molding, are produced. As a result, a cost-effective and fast production is possible.

Insbesondere ist das Echellegitter als abbildendes Gitter ausgebildet. Dadurch wird eine weitere Reduzierung der Optikelemente erreicht. In particular, the echelle grating is designed as an imaging grating. This achieves a further reduction of the optical elements.

Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann der transparente Körper so ausgebildet sein, daß seiner prismatischen Wirkung keine einzige Dispersionsrichtung für alle Wellenlängen und Beugungsordnungen zugeordnet werden kann. Es kann jedoch jeder Beugungsordnung eine über die Wellenlänge gemittelte Dispersionsrichtung und somit eine mittlere Dispersionsrichtung als zweite Dispersionsrichtung zugeordnet werden. Es ist bevorzugt, daß die mittlere Dispersionsrichtung jeder Beugungsordnung mit der ersten Dispersionsrichtung jeweils einen Winkel von größer als 45° und insbesondere von größer als 60° einschließt. Insbesondere kann der Winkel für zumindest eine Beugungsordnung 90° betragen. In the spectrometer according to the invention, the transparent body may be formed so that its prismatic effect can not be assigned a single dispersion direction for all wavelengths and diffraction orders. However, each diffraction order may be assigned a dispersion direction averaged over the wavelength, and thus an average dispersion direction as a second dispersion direction. It is preferred that the average dispersion direction of each diffraction order with the first dispersion direction each include an angle greater than 45 ° and in particular greater than 60 °. In particular, the angle for at least one diffraction order can be 90 °.

Ferner können sich die mittleren Dispersionsrichtungen der Beugungsordnungen um z. B. maximal 10°–20° unterscheiden. Insbesondere liegt dieser Unterschied zwischen der mittleren Dispersionsrichtung der niedrigsten Beugungsordnung und der höchsten Beugungsordnung des Echellegitters vor. Unter der niedrigsten und höchsten Beugungsordnung wird die niedrigste Beugungsordnung, die verwendet wird, und die höchste Beugungsordnung, die verwendet wird, verstanden. Furthermore, the mean dispersion directions of the diffraction orders by z. B. a maximum of 10 ° -20 ° differ. In particular, this difference exists between the mean dispersion direction of the lowest diffraction order and the highest diffraction order of the echelle lattice. The lowest and highest orders of diffraction are understood to be the lowest order of diffraction used and the highest order of diffraction used.

Ferner kann das erfindungsgemäße Spektrometer so ausgelegt sein, daß die getrennten Beugungsordnungen des Echellegitters ein kontinuierliches Spektrum bilden. Insbesondere kann die kleinste Wellenlänge einer ersten Beugungsordnung des Echellegitters der größten Wellenlänge der nächst höheren Beugungsordnung des Echellegitters entsprechen. Somit liegt ein kontinuierliches Spektrum über alle Beugungsordnungen vor. Furthermore, the spectrometer according to the invention can be designed so that the separate diffraction orders of Echelle grid form a continuous spectrum. In particular, the smallest Wavelength of a first diffraction order of the echelle lattice of the largest wavelength of the next higher diffraction order of the echelle lattice correspond. Thus, there is a continuous spectrum over all diffraction orders.

Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann der Strahlengang des Strahlenbündels von der Eintrittsfläche über das Echellegitter bis zur Austrittsfläche genau einmal gefaltet sein. Diese Faltung wird durch die Reflexion an Echellegitter realisiert. Diese Ausgestaltung trägt zur kompakten Ausbildung des transparenten Körpers und somit des Spektrometers bei. In the spectrometer according to the invention, the beam path of the radiation beam can be folded exactly once from the entrance surface via the echelle grating to the exit surface. This folding is realized by the reflection of Echelle grid. This embodiment contributes to the compact design of the transparent body and thus of the spectrometer.

Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann die Rückseite zumindest im Bereich des Echellegitters sphärisch gekrümmt sein. Es ist auch möglich, daß die Rückseite zumindest im Bereich des Echellegitters als rotationssymmetrische Asphäre oder als nicht-rotationssymmetrische Asphäre, die auch als Freiformfläche bezeichnet werden kann, ausgebildet ist. In the spectrometer according to the invention, the back can be spherically curved, at least in the region of the echelle lattice. It is also possible that the back is formed, at least in the region of the echelle lattice, as a rotationally symmetric asphere or as a non-rotationally symmetric asphere, which may also be referred to as a free-form surface.

Auch die Vorderseite kann im Bereich der Austrittsfläche als Sphäre, als rotationssymmetrische Asphäre oder als nicht-rotationssymmetrische Asphäre ausgebildet sein. Also, the front side may be formed in the region of the exit surface as a sphere, as a rotationally symmetric asphere or as non-rotationally symmetric asphere.

Das Echellegitter ist bevorzugt als geblaztes Reflexionsgitter ausgebildet. Da das Gitter als Rückseitengitter verwendet wird, tritt eine Verschiebung des Blaze-Maximums um etwa den Faktor n (n = Brechzahl des transparenten Mediums und kann z. B. 1,5 betragen) zu höheren Wellenlängen auf, was in vielen Fällen der praktischen Anwendung entgegenkommt. Insbesondere kann dann für den transparenten Körper ein gewöhnliches Glas, wie z. B. BK7, verwendet werden. Es ist natürlich auch möglich, Quarz oder Flußspat für den transparenten Körper zu verwenden. Im allgemeinen kann der transparente Körper aus Kunststoff, Glas oder Quarz bestehen. The echelle grating is preferably designed as a blazed reflection grating. Since the grating is used as a back grating, a shift of the blaze maximum by about a factor of n (n = refractive index of the transparent medium and may be, for example, 1.5) occurs at higher wavelengths, which is in many cases of practical use accommodates. In particular, then for the transparent body, an ordinary glass, such. B. BK7, are used. Of course it is also possible to use quartz or fluorspar for the transparent body. In general, the transparent body can be made of plastic, glass or quartz.

Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer kann der Detektor einen flächigen Detektionsbereich aufweisen. Damit ist es möglich, die unterschiedlichen Beugungsbänder spektral aufgelöst gleichzeitig zu detektieren. In the spectrometer according to the invention, the detector may have a flat detection area. This makes it possible to simultaneously detect the different diffraction bands spectrally resolved.

Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer die Rückseite des transparenten Körpers zumindest im Bereich des Echellegitters so gekrümmt sein, daß bei Reflexion am Echellegitter eine Fokussierung des Strahlenbündels in horizontaler und vertikaler Ebene bewirkt wird. Die horizontale Ebene ist bevorzugt die Ebene, in der die erste Dispersionsrichtung liegt. Furthermore, in the spectrometer according to the invention, the rear side of the transparent body can be curved at least in the area of the echelle grating in such a way that upon reflection at the echelle grating, the beam is focused in the horizontal and vertical planes. The horizontal plane is preferably the plane in which the first dispersion direction lies.

Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer das Strahlenbündel bei Durchtritt durch die Austrittsfläche in horizontaler und vertikaler Ebene fokussiert werden. Insbesondere kann die Austrittsfläche zur Reduzierung des Astigmatismus und/oder der spektralen Bildfeldkrümmung genutzt werden. Dies ist besonders vorteilhaft möglich, da die Austrittsfläche bildfeldnah positioniert ist. Furthermore, in the spectrometer according to the invention, the beam can be focused in the horizontal and vertical plane when passing through the exit surface. In particular, the exit surface can be used to reduce the astigmatism and / or the spectral field curvature. This is particularly advantageous because the exit surface is positioned close to the image field.

Die Eintritts- und Austrittsfläche auf der Vorderseite des transparenten Körpers können voneinander beabstandet sein oder sich zumindest teilweise durchdringen. Insbesondere ist es möglich, daß die Eintritts- und Austrittsfläche Teil der selben Fläche, z. B. der selben Freiformfläche sind. Natürlich kann alternativ (insbesondere wenn die Eintritts- und Austrittsfläche voneinander beabstandet sind) die Eintrittsfläche eine von der Austrittsfläche unabhängige Flächenform aufweisen und separat optimiert sein, um möglichst gute optische Leistungsparameter des Spektrometers zu gewährleisten. Insbesondere kann die Eintrittsfläche als plane Fläche ausgebildet sein. The entrance and exit surfaces on the front of the transparent body may be spaced apart or at least partially penetrated. In particular, it is possible that the entrance and exit surface part of the same area, for. B. are the same freeform surface. Of course, alternatively (in particular if the entry and exit surfaces are spaced apart from each other), the entry surface may have a surface shape independent of the exit surface and be optimized separately in order to ensure the best possible optical performance parameters of the spectrometer. In particular, the entry surface may be formed as a flat surface.

Das erfindungsgemäße Spektrometer ist insbesondere für Wellenlängen aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich, also für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 380–780 nm, ausgelegt. Ferner kann das erfindungsgemäße Spektrometer zusätzlich oder alternativ für den UV-Bereich und/oder den IR-Bereich ausgelegt sein. So ist z. B. ein Wellenlängenbereich von 500–900 nm möglich. The spectrometer according to the invention is designed in particular for wavelengths from the visible wavelength range, ie for electromagnetic radiation having a wavelength in the range of 380-780 nm. Furthermore, the spectrometer according to the invention can additionally or alternatively be designed for the UV range and / or the IR range. So z. B. a wavelength range of 500-900 nm possible.

Das Spektrometer kann ein Gehäuse aufweisen, in dem der Detektor und der transparente Körper angeordnet sind. Der Eintrittsspalt kann an einer Wandung des Gehäuses ausgebildet sein. The spectrometer may comprise a housing in which the detector and the transparent body are arranged. The entrance slit can be formed on a wall of the housing.

Ferner kann der Eintrittsspalt beispielsweise durch das austrittsseitige Ende einer Lichtleitfaser realisiert sein. Furthermore, the entrance slit can be realized, for example, by the exit-side end of an optical fiber.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:

1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Echelle-Spektrometers; 1 a schematic perspective view of an embodiment of the Echelle spectrometer according to the invention;

2 eine perspektivische Darstellung des transparenten Körpers des erfindungsgemäßen Echelle-Spektrometers; 2 a perspective view of the transparent body of the Echelle spectrometer according to the invention;

3 eine Seitenansicht des transparenten Körpers von 2, und 3 a side view of the transparent body of 2 , and

4 eine schematische Darstellung der auf den Detektor treffenden Beugungsbänder des erfindungsgemäßen Echelle-Spektrometers. 4 a schematic representation of the incident on the detector diffraction bands of Echelle spectrometer according to the invention.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße Echelle-Spektrometer 1 einen monolithischen transparenten Körper 2 und einen Detektor 3. At the in 1 embodiment shown comprises the Echelle spectrometer according to the invention 1 a monolithic transparent body 2 and a detector 3 ,

Der Körper 2 umfaßt eine Vorderseite 4 und eine Rückseite 5, wobei die Vorderseite 4 asphärisch gekrümmt ist und in die Rückseite 5 eine sphärische Krümmung aufweist. Der konkave Krümmungsradius der Rückseite 5 beträgt 73,652 mm. The body 2 includes a front side 4 and a back 5 , where the front 4 aspherically curved and in the back 5 has a spherical curvature. The concave radius of curvature of the back 5 is 73.652 mm.

Auf der Rückseite 5 ist ein abbildendes Echellegitter 6 ausgebildet, das hier ein geblaztes Reflexionsgitter mit ca. 10 bis 100 Linien pro mm ist. Der Blaze-Winkel liegt im Bereich zwischen 50° und 80°. On the back side 5 is an imaging Echelle grid 6 formed, which is here a blazed reflection grating with about 10 to 100 lines per mm. The blaze angle is in the range between 50 ° and 80 °.

In 1 ist schematisch der Verlauf eines Strahlenbündels S, das von einem Eintrittsspalt 7 ausgeht, dargestellt. Das Strahlenbündel S tritt durch die Vorderseite 4 in den transparenten Körper ein und läuft bis zur Rückseite 5, wo es am Echellegitter 6 reflektiert wird und wiederum zur Vorderseite 4 läuft, aus diesem austritt und auf den Detektor 3 trifft. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 1 der Verlauf des Strahlenbündels S nach Eintritt durch die Vorderseite 4 bis zur Rückseite 5 nicht eingezeichnet. Der im transparenten Körper 2 eingezeichnete Strahlenverlauf entspricht dem Strahlenverlauf nach Reflexion an Echellegitter 6. In 1 schematically is the course of a beam S, that of an entrance slit 7 goes out, presented. The beam S passes through the front 4 enter the transparent body and run to the back 5 where it's at the Echelle grid 6 is reflected and turn to the front 4 runs out of this exit and onto the detector 3 meets. To simplify the illustration is in 1 the course of the beam S after entering through the front 4 to the back 5 not shown. The one in the transparent body 2 drawn beam path corresponds to the beam path after reflection on Echellegitter 6 ,

Das Echellegitter 6 ist so ausgebildet, daß bei Reflexion eine spektrale Aufspaltung in einer ersten Dispersionsrichtung D1 auftritt, die schematisch in 2 eingezeichnet ist, in der nur der transparente Körper 2 perspektivisch dargestellt ist. Die Gitterfurchen des Echellegitters 6 sind durch die gepunkteten Linien 8 angedeutet. Um nun die Beugungsordnungen des Echellegitters 6, die zumindest zum Teil aufeinander fallen, zu trennen, ist die Vorderseite 4 so gekrümmt und relativ zur sphärischen Rückseite 5 angeordnet, daß das durch den transparenten Körper 2 laufenden Strahlenbündel S mit einer dispergierenden Wirkung quer zur ersten Dispersionsrichtung D1 beaufschlagt wird. Dies wird durch die prismatische Ausbildung des transparenten Körpers 2 erreicht, die in 2 und insbesondere in der Seitenansicht des transparenten Körpers 2 in 3 zu erkennen ist. The echelle grid 6 is formed so that upon reflection, a spectral splitting in a first dispersion direction D1 occurs, which is schematically in 2 in which only the transparent body is located 2 is shown in perspective. The lattice furrows of the echelle lattice 6 are through the dotted lines 8th indicated. Now the diffraction orders of the echelle lattice 6 that separate, at least in part, from each other, is the front 4 so curved and relative to the spherical back 5 arranged that through the transparent body 2 current beam S is applied with a dispersing effect transverse to the first dispersion direction D1. This is due to the prismatic formation of the transparent body 2 achieved in 2 and in particular in the side view of the transparent body 2 in 3 can be seen.

Damit wird erreicht, daß die Spektren der einzelnen Beugungsordnungen voneinander getrennt auf den Detektor 3 treffen, wie schematisch in 4 für die siebte bis dreizehnte Beugungsordnung dargestellt ist, die in der beschriebenen Ausführungsform genutzt werden und sich jeweils von links nach rechts erstrecken. Dabei wird mit B₇ die siebte Beugungsordnung, mit B₈ die achte Beugungsordnung, ... und mit B₁₃ die dreizehnte Beugungsordnung bezeichnet. Da der Detektor 3 einen flächigen Detektionsbereich aufweist, kann er die in 4 gezeigten Spektren B₇–B₁₃ gleichzeitig detektieren. Der Detektor 3 kann daher auch als Flächendetektor bezeichnet werden. This ensures that the spectra of the individual diffraction orders are separated from one another on the detector 3 meet as schematically in 4 is shown for the seventh to thirteenth diffraction order, which are used in the described embodiment and each extending from left to right. B _{7 is} the seventh diffraction order, B _{8 is} the eighth diffraction order, ... and B _{13 is} the thirteenth order of diffraction. Because the detector 3 has a flat detection area, he can in 4 detected spectra B ₇ -B ₁₃ detect simultaneously. The detector 3 Therefore, it can also be called an area detector.

Durch die prismatische Ausbildung des transparenten Körpers 2 und insbesondere durch die Krümmung von Vorderseite 4 und Rückseite 5 kann der dispergierenden Wirkung zur Trennung der Beugungsordnungen des Echellegitters 6 keine eindeutige Dispersionsrichtung zugeordnet werden. Man kann jedoch jeder Beugungsordnung B₇–B₁₃ eine über die Wellenlängen jeder Beugungsordnung gemittelte Dispersionsrichtung zuordnen. Für die siebte Beugungsordnung B₇ ist die gemittelte Dispersionsrichtung D2 (die auch als zweite Dispersionsrichtung D2 bezeichnet werden kann) senkrecht zur ersten Dispersionsrichtung, wie z. B. in 2 schematisch dargestellt ist. By the prismatic formation of the transparent body 2 and in particular by the curvature of the front 4 and back 5 can the dispersing effect to separate the diffraction orders of Echellegitters 6 no unique dispersion direction can be assigned. However, one can assign to each diffraction order B ₇ -B ₁₃ a dispersion direction averaged over the wavelengths of each diffraction order. For the seventh diffraction order B ₇ , the averaged dispersion direction D2 (which may also be referred to as the second dispersion direction D2) is perpendicular to the first dispersion direction, such. In 2 is shown schematically.

Wie insbesondere der Darstellung in 4 zu entnehmen ist, sind die gemittelten Dispersionsrichtungen D2 der unterschiedlichen Beugungsordnungen voneinander verschieden. So kann sich die gemittelte Dispersionsrichtung der siebten Beugungsordnung von der gemittelten Dispersionsrichtung der dreizehnte Beugungsordnung um z. B. 10°–20° unterscheiden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 2 und 3 nur die gemittelte Dispersionsrichtung D2 der siebten Beugungsordnung eingezeichnet. As in particular the representation in 4 can be seen, the average dispersion directions D2 of the different diffraction orders are different from each other. Thus, the mean dispersion direction of the seventh diffraction order of the average dispersion direction of the thirteenth order of diffraction by z. B. 10 ° -20 ° differ. To simplify the illustration is in 2 and 3 only the average dispersion direction D2 of the seventh diffraction order is plotted.

Das erfindungsgemäße Echelle-Spektrometer 1 ist hier bevorzugt so ausgelegt, daß die genutzten Beugungsordnungen (hier siebte bis dreizehnte Beugungsordnung) ein kontinuierliches Spektrum darstellen. Das Spektrum kann z. B. von 500–900 nm laufen. The echelle spectrometer according to the invention 1 is here preferably designed so that the diffraction orders used (here seventh to thirteenth order of diffraction) represent a continuous spectrum. The spectrum can z. B. from 500-900 nm run.

Die Bandbreite jeder einzelnen Beugungsordnung B₇–B₁₃ entspricht in etwa der mittleren Wellenlänge λ_Mitte geteilt durch die Beugungsordnung n. Dies ist in 4 gut zu erkennen, da mit steigender Beugungsordnung die Breite (waagrechte Ausdehnung) der jeweiligen Beugungsordnung auf dem Detektor 3 abnimmt. Die Darstellung in 4 ist dabei so gewählt, daß die Wellenlänge von links nach rechts zunimmt und von unten nach oben abnimmt. Somit entspricht z. B. die Wellenlänge der siebten Beugungsordnung ganz links (Bezugszeichen 10) der Wellenlänge der achten Beugungsordnung ganz rechts (Bezugszeichen 11). The bandwidth of each individual diffraction order B ₇ -B ₁₃ corresponds approximately to the central wavelength λ _center divided by the diffraction order n. This is in 4 good to see because with increasing diffraction order, the width (horizontal extent) of the respective diffraction order on the detector 3 decreases. The representation in 4 is chosen so that the wavelength increases from left to right and decreases from bottom to top. Thus, z. B. the wavelength of the seventh diffraction order far left (reference numeral 10 ) of the wavelength of the eighth diffraction order on the right (reference numeral 11 ).

Durch die gekrümmte Ausbildung der Rückseite 5 weist das Echellegitter 6 neben der dispergierenden Funktion noch eine abbildende Funktion auf. Ferner ist die Vorderseite 4 so ausgelegt, daß mit ihr fehlerkorrigierende Funktionen verwirklicht werden. Insbesondere wird mittels der Vorderseite 4 der Astigmatismus sowie die spektrale Bildfeldkrümmung verringert. Due to the curved design of the back 5 has the Echelle grid 6 in addition to the dispersing function on an imaging function. Further, the front is 4 designed to realize error-correcting functions with it. In particular, by means of the front 4 the astigmatism and spectral field curvature are reduced.

Der transparente Körper 2 vereint somit vier optische Funktionen in sich: zwei dispergierende Funktionen (Echellegitter 6 und prismatische Ausbildung zwischen Vorder- und Rückseite 4, 5), eine abbildende Funktion (Echellegitter 6) und eine fehlerkorrigierende Funktion (Vorderseite 4). The transparent body 2 thus combines four optical functions: two dispersing functions (Echelle lattice 6 and prismatic training between front and back 4 . 5 ), an imaging function (echelle mesh 6 ) and an error-correcting function (front side 4 ).

Die Vorderseite 4 kann durch die nachfolgende Formel beschrieben werden:

mit j = [(m + n)² + m + 3n]/2 + 1 und

wobei die konische Konstante k = –9,5153·10^–1 beträgt sowie alle Parameter C_j, die in der nachfolgenden Tabelle nicht angegeben sind, den Wert Null aufweisen:

The front 4 can be described by the following formula:

with j = [(m + n) ² + m + 3n] / 2 + 1 and

where the conical constant k = -9.5153 · 10 ^-1 and all parameters C _j , which are not given in the following table, have the value zero:

In der obigen Tabelle ist für jeden Parameter C_j der Wert angegeben und welchem xy-Polynom er zugeordnet ist. So beträgt der Parameter C₁₂ 6,5461·10^–7 für das Polynom x³y. In the above table, the value is given for each parameter C _j and to which xy polynomial it is assigned. Thus, the parameter C _{12 is} 6.5461 × 10 ^-7 for the polynomial x ³ y.

Wenn der Scheitel der Rückseite 4 und somit des Echellegitters 6 im Koordinatenursprung liegt, liegt die Vorderseite 4 relativ zur Rückseite 5 in x-Richtung um +5,5622 mm, in y-Richtung um +3,5117 mm und in z-Richtung um –16,7275 mm versetzt, wobei Drehungen in dieser Reihenfolge um die x-Achse um –25,0104°, um die y-Achse um –16,0487° und um die z-Achse um –21,3584° durchgeführt sind. Der Wert für c ist gleich der Kehrwert von –15,8114 mm. If the apex of the back 4 and thus the echelle lattice 6 lies in the coordinate origin, lies the front 4 relative to the back 5 +5.5622 mm in the x direction, +3.5117 mm in the y direction and - 16.7275 mm in the z direction, with rotations in this order about the x axis by -25.0104 ° , around the -16.0487 ° y-axis and -21.3584 ° around the z-axis. The value of c is equal to the reciprocal of -15.8114 mm.

Claims

Echelle-Spektrometer mit einem Detektor (3) und einem monolithischen transparenten Körper (2), der eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche auf einer Vorderseite (4) des Körpers (2) und ein reflektives Echellegitter (6) auf der Rückseite (5) des Körpers (2) aufweist, wobei ein über die Eintrittsfläche in den Körper (2) eintretendes Strahlenbündel (S) am Echellegitter (6) zur Austrittsfläche reflektiert und dabei in einer ersten Dispersionsrichtung (D1) spektral aufgespalten wird, durch die Austrittsfläche tritt und auf den Detektor (3) trifft, wobei der Körper (2) so ausgebildet ist, daß er für das über die Eintrittsfläche eintretende, am Echellegitter (6) reflektierte und über die Austrittsfläche austretende Strahlenbündel (S) eine dispergierende Wirkung derart bereitstellt, daß quer zur ersten Dispersionsrichtung (D1) eine Trennung der Beugungsordnungen des Echellegitters (6) erfolgt. Echelle spectrometer with a detector ( 3 ) and a monolithic transparent body ( 2 ) having an entrance surface and an exit surface on a front side ( 4 ) of the body ( 2 ) and a reflective echelle grid ( 6 ) on the back side ( 5 ) of the body ( 2 ), wherein a via the entrance surface in the body ( 2 ) entering beam (S) at Echellegitter ( 6 ) is reflected to the exit surface and thereby spectrally split in a first dispersion direction (D1), passes through the exit surface and onto the detector ( 3 ), whereby the body ( 2 ) is designed so that it for the entering via the entrance surface, at Echellegitter ( 6 ) and exiting via the exit surface beam (S) provides a dispersing effect such that transversely to the first dispersion direction (D1) a separation of the diffraction orders of Echellegitters ( 6 ) he follows.

Spektrometer nach Anspruch 1, wobei das Echellegitter (6) als abbildendes Gitter ausgebildet ist. A spectrometer according to claim 1, wherein the echelle grating ( 6 ) is designed as an imaging grating.

Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die dispergierende Wirkung des transparenten Körpers (2) quer zur ersten Dispersionsrichtung durch eine prismatische Ausbildung des transparenten Körpers (2) bereitgestellt ist. A spectrometer according to claim 1 or 2, wherein the dispersing action of the transparent body ( 2 ) transverse to the first dispersion direction by a prismatic formation of the transparent body ( 2 ).

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die erste Dispersionsrichtung (D1) mit der mittleren Dispersionsrichtung (D2) jeder Beugungsordnung des Echellegitters (6) jeweils einen Winkel von größer als 45° oder einen Winkel von größer als 60° einschließen. A spectrometer according to any one of the preceding claims, wherein the first dispersion direction (D1) is aligned with the mean dispersion direction (D2) of each diffraction order of the echelle grating (Fig. 6 ) each include an angle greater than 45 ° or an angle greater than 60 °.

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die getrennten Beugungsordnungen des Echellegitters (6) ein kontinuierliches Spektrum bilden. A spectrometer as claimed in any one of the preceding claims, wherein the separate diffraction orders of the echelle grating ( 6 ) form a continuous spectrum.

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Strahlenbündel (S) genau einmal im transparenten Körper (2) am Echellegitter (6) reflektiert wird. Spectrometer according to one of the preceding claims, in which the beam (S) is located exactly once in the transparent body ( 2 ) on the Echelle grid ( 6 ) is reflected.

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Rückseite (5) zumindest im Bereich des Echellegitter sphärisch gekrümmt ist. Spectrometer according to one of the preceding claims, in which the rear side ( 5 ) is spherically curved at least in the region of the echelle lattice.

Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Rückseite (5) zumindest im Bereich des Echellegitters (6) asphärisch ausgebildet ist. Spectrometer according to one of Claims 1 to 6, in which the rear side ( 5 ) at least in the region of the echelle lattice ( 6 ) is formed aspherical.

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Vorderseite (4) asphärisch gekrümmt ist. Spectrometer according to one of the preceding claims, in which the front side ( 4 ) is curved aspherically.

Spektrometer nach Anspruch 9, bei dem die Vorderseite als nicht-rotationssymmetrische Asphäre ausgebildet ist. Spectrometer according to claim 9, wherein the front side is formed as a non-rotationally symmetric asphere.

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Echellegitter als geblaztes Reflexionsgitter ausgebildet ist. A spectrometer according to any one of the preceding claims, wherein the echelle grating is formed as a blazed reflection grating.

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Detektor (3) einen flächigen Detektionsbereich aufweist. Spectrometer according to one of the preceding claims, in which the detector ( 3 ) has a flat detection area.

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Rückseite (5) zumindest im Bereich des Echellegitters (6) so gekrümmt ist, daß bei Reflexion am Echellegitter (6) eine Fokussierung des Strahlenbündels (S) in horizontaler und vertikaler Ebene bewirkt wird. Spectrometer according to one of the preceding claims, in which the rear side ( 5 ) at least in the region of the echelle lattice ( 6 ) is curved in such a way that upon reflection at the echelle grating ( 6 ), a focusing of the beam (S) in the horizontal and vertical plane is effected.

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Strahlenbündel (S) bei Durchtritt durch die Austrittsfläche in horizontaler und vertikaler Ebene fokussiert wird. A spectrometer according to any one of the preceding claims, wherein the beam (S) is focused as it passes through the exit surface in the horizontal and vertical planes.

Spektrometer nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Austrittsfläche Astigmatismus und/oder spektrale Bildfeldkrümmung reduziert. A spectrometer according to any one of the preceding claims, wherein the exit surface reduces astigmatism and / or spectral field curvature.