DE19611218A1 - Spektrograph mit niedriger Blendenzahl - Google Patents
Spektrograph mit niedriger BlendenzahlInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf optische Spektrographen.
Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Spektrographen
mit niedrigen Blendenzahlen, wodurch sich ein verbessertes
Lichtsammlungsvermögen ergibt.
Ein Spektrograph ist ein Gerät zum Trennen elektromagneti
scher Strahlung sehr kurzer Wellenlängen (einschließlich des
sichtbaren Lichts) in ihre spektralen Komponenten. Optische
Spektrographen werden zur chemischen Analyse in der Indu
strie, der Medizin und der Wissenschaft verwendet.
Spektrographen enthalten dispersive Elemente, wie z. B. Pris
men und Beugungsgitter. Allgemein verwenden moderne Spektro
graphen Beugungsgitter, um Licht zu analysieren. Um effizi
ent zu arbeiten, enthalten Spektrographen ferner optische
Elemente, um Licht für das Prisma oder das Beugungsgitter zu
sammeln, und um Licht auf einen Detektor zu konzentrieren.
Ferner kann ein Spalt enthalten sein, um Licht mit uner
wünschten Wellenlängen von dem Detektor abzuhalten.
Eine allgemeine Form eines Spektrographen weist eine Kom
bination von Prismen oder ein planares Beugungsgitter mit
optischen Anordnungen zum Sammeln und Fokussieren von Licht
auf. Die optischen Anordnungen bilden das Licht in einen im
wesentlichen parallelen Strahl, um denselben auf ein disper
sives Element auftreffen zu lassen. Getrennte optische An
ordnungen werden verwendet, um Licht auf einen Spalt oder
einen Detektor nach einer Dispersion durch das Prisma oder
Gitter zu fokussieren. Derartige optische Anordnungen können
aus Spiegeln, Linsen oder einer Kombination von Spiegeln und
Linsen bestehen und können zusammen mit einem Eingangs- und
Ausgangs-Spalt als ein Monochromator oder mit einem beweg
baren oder Arraydetektor als ein Spektrograph verwendet wer
den. Wenn ein einzelner Spiegel oder eine einfache Linse mit
sphärischen Oberflächen zum Sammeln von Licht verwendet
wird, und ein ähnliches optisches Element zum Fokussieren
von Licht auf einen Spalt oder Detektor verwendet wird, be
trägt eine typische Blendenzahl f/3,5. Eine Blendenzahl oder
ein Fokalverhältnis (dargestellt durch f/#, wobei "#" ein
Verhältnis zeigt) ist das. Verhältnis des Abstandes zwischen
der Quelle und der Eintritts-Pupille (-Apertur) zu dem
Durchmesser der Eintrittspupille. Eine kleinere Blendenzahl
zeigt ein besseres Lichtsammlungsvermögen an.
Einige Spektrographen kombinieren die Funktionen der Licht
sammlung, Dispersion und Konzentration in einem konkaven
Beugungsgitter. Die Verwendung von Beugungsgittern bei der
artigen Spektralanalysen begann im achtzehnten Jahrhundert.
Die frühen Gitter waren aufgrund der Schwierigkeit des Li
nierens von konkaven Gittern planar. Derartige Gitter wurden
mit einem Paar von Teleskopen verwendet, wobei das eine zum
Parallelrichten von Licht und das andere zum Beobachten ge
dacht war (frühe Spektrographen benötigten eine visuelle An
passung von Spektren).
Konkave Beugungsgitter wurden nach der Erfindung von holo
graphisch-aufgezeichneten Beugungsgittern populär. Konkave
Beugungsgitter sind beispielsweise in den U.S.-Patenten
3,628,849, 3,930,728 und 5,052,766 beschrieben.
Obwohl konkave Gitter in der Lage sind, die kombinierte
Funktion des Sammelns, des Zerlegens und Konzentrierens von
Licht durchzuführen, weisen sie bestimmte Begrenzungen auf.
Der Raumwinkel des Lichts, in dem durch derartige Gitter ge
sammelt werden kann, ist relativ klein. Es ist schwierig,
Gitter mit einer kleineren Blendenzahl aufzuzeichnen. Bei
einem konkaven Gitter entspricht die Blendenzahl dem Ver
hältnis des Abstandes von der Quelle zu dem konkaven Gitter
geteilt durch den Durchmesser des Lichts, das auf das kon
kave Gitter auftrifft. Ein kleineres f/# zeigt ein größeres
Lichtsammlungsvermögen. Die meisten konkaven Gitter können
einen Lichtkegel mit einer Blendenzahl von etwa f/3 handha
ben. Selbst die "schnellsten" (d. h. mit den kleinsten Blen
denzahlen, um das beste Lichtsammlungsvermögen aufzuweisen)
Gitter weisen eine Blendenzahl von etwa f/2 auf.
Während der Herstellung von konkaven, holographischen Git
tern liefert die Auswahl der Strahlaufzeichnungsparameter
bestimmte Freiheitsgrade zum Korrigieren von Aberrationen
der Abbildung der Quelle an dem Detektor. Diese Freiheits
grade umfassen das Aufzeichnen einer Wellenlänge, die Po
sition von Aufzeichnungspunkten, eine asphärische Oberfläche
auf der Gitterlücke und Aberrationen, die in die Aufzeich
nungsstrahlen eingeführt worden sind. Die Verwendung von
asphärischen Linsen ist gegenüber der Verwendung von asphä
rischen konkaven Gittern vorteilhaft. Die konkave Gitter
oberfläche und ein aufgezeichnetes Hologramm fallen zu
sammen, was die Möglichkeit reduziert, die vorher erwähnten
Parameter zur Aberrationskorrektur zu verwenden. Da diese
Freiheitsgrade begrenzt sind, existieren resultierende Rest
aberrationen. Die Größe dieser Aberrationen erhöht sich mit
abnehmenden Blendenzahlen, was eine Begrenzung der minimalen
Blendenzahl zur Folge hat. Der weite Bereich des Einfalls
winkels für Licht auf ein konkaves Gitter mit einer niedri
gen Blendenzahl bewirkt eine Variation der Beugungseffi
zienz, was eine zusätzliche Begrenzung für die minimale
Blendenzahl bedeutet.
Viele spektroskopischen Messungen werden mit schwachen Sig
nalen durchgeführt. Um daher eine gute Analyse zu erreichen,
ist es wünschenswert, soviel Photonen als möglich zu sam
meln. In bestimmten spektralen Regionen und in allen spek
tralen Regionen für sehr schwache Signale wird die Messung
durch Rauschen begrenzt sein, das in dem Detektor erzeugt
wird. Aus diesen Gründen wird es bevorzugt, aus einem mög
lichst großen Raumwinkel Licht zu sammeln, und dieses Licht
auf einen möglichst kleinen Detektor zu übertragen. Da das
Produkt der Fläche einer Quelle und des Raumwinkels des ge
sammelten Lichtes innerhalb eines optischen Systems konstant
bleibt, muß nicht nur ein großer Raumwinkel von Licht gesam
melt, sondern auch auf den Detektor fokussiert werden, um
einen kleinen Detektor verwenden zu können. Zusätzlich müs
sen Aberrationen niedrig sein, damit sich eine hohe Abbil
dungsqualität an dem Detektor ergibt.
Das Lichtsammlungsvermögen von Spiegeln beträgt typischer
weise f/6,7, wie es beispielsweise in der Perkin-Elmer-ICP-OES-Spek
trograph-Eingabeoptik (siehe Barnard, Thomas, u. a.,
Anal. Chem. 65, 1225 (1993)) der Fall ist. Bei typischen
schnellen Spiegelsystemen (z. B. Jobin-Yvon H-10, Jarrell-Ashe
Model 82-410) beträgt die Blendenzahl etwa f/3,5. Lin
sen zur Lichtsammlung und Fokussierung sind im Vergleich zu
Spiegeln zu kleineren Blendenzahlen fähig. Die Datta-Samm
lungslinse (siehe Datta, Sunil, Indian Journal of Pure and
Applied Physics 22, 667 (1984)), die eine verkittete Zwei
element-Linse ist, weist eine Blendenzahl von f/3,65 auf.
Das größte Sammlungsvermögen bei gegenwärtigen kommerziellen
Ausrüstungen, das mit Mehrelement-Linsen in dem Kaiser-Op
tical-Systems-Holo-Spec-f/1.8-i-VPT-SYSTEM erreicht wird,
beträgt f/1,8. Einfache, Einzelelement-Sammlungs- und Kame
ra-Linsen werden von der Eastman Kodak Company beschrieben
(siehe U.S.-Patent Nr. 4,895,445, das an Granger erteilt
ist). Die Blendenzahlen in dem Patent von Granger, die aus
dem Maßstab der Zeichnungen bestimmt sind, scheinen relativ
groß zu sein.
Verbesserungen der optischen Anordnungen zum Sammeln von
Licht in einem Spektrometer können in der Literatur gefunden
werden. Das U.S.-Patent 5,011,284 (Tedesco u. a.) offenbart
die Verwendung einer asphärischen Linse zum Sammeln von
Raman-gestreutem Licht zur Beugung durch Transmissionsgitter
auf einem Prisma. Transmissionsgitter sind jedoch relativ
komplex. Darüberhinaus wird bei dem Gerät von Tedesco u. a.
immer noch ein relativ großer Lichtdetektor benötigt.
Eine hohe Abbildungsqualität erfordert das Beibehalten der
Spezifizität von Licht bei verschiedenen Wellenlängen und
ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis durch Konzentrieren von
Licht auf einen kleinen Detektor, da ein großer Detektor
mehr Rauschen zur Folge hat. Bekannte Spektrographen ver
wenden relativ komplexe optische Systeme und weisen doch
relativ große Blendenzahlen auf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Spektrographen mit relativ einfachen optischen Elementen und
einer kleinen Blendenzahl zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Spektrographen gemäß Anspruch
1 und durch einen Spektrographen gemäß Anspruch 12 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar
in, ein einfaches Verfahren zum Analysieren von Licht von
einer Lichtquelle zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Analysieren von
Licht von einer Lichtquelle gemäß Anspruch 13 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar
in, ein Verfahren zum Herstellen eines Spektrographen mit
relativ einfachen optischen Elementen und einer kleinen
Blendenzahl zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines
Spektrographen zum Analysieren von Licht von einer Licht
quelle gemäß Anspruch 17 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Spektrographen mit
einer Kollimationslinseneinheit, einem reflektiven Beugungs
gitter, einer Fokussierungslinseneinheit und einem Lichtde
tektor. Die Kollimationslinseneinheit weist mindestens ein
optisches Element mit mindestens einer asphärischen Oberflä
che zum Parallelrichten von Licht von einer Lichtquelle auf.
Diese Linseneinheit weist eine positive Brechkraft (eine po
sitive optische Leistung) und eine Blendenzahl von höchstens
1,7 auf. Das Beugungsgitter beugt das parallel gerichtete
Licht von der Kollimationslinseneinheit. Die zweite Linsen
einheit weist ferner mindestens ein optisches Element mit
mindestens einer asphärischen Oberfläche auf. Dieselbe fo
kussiert das gebeugte Licht auf den Lichtdetektor und weist
eine Brennweite auf, die eine Gesamtvergrößerung von 0,8 bis
2,0 schafft, wenn sie mit der Kollimationslinseneinheit und
dem Beugungsgitter kombiniert ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum
Analysieren von Licht von einer Lichtquelle. Das Verfahren
enthält die Schritte des Parallelrichtens von Licht von der
Lichtquelle auf ein Beugungsgitter, des Beugens des parallel
gerichteten Lichts von der ersten Linseneinheit mit dem Beu
gungsgitter, und des Fokussierens des gebeugten Lichts von
dem Beugungsgitter mit einer zweiten Linseneinheit auf einen
Lichtdetektor. Die erste Linseneinheit weist eine Blenden
zahl von höchstens 1,7 auf. Sowohl die erste Linseneinheit
als auch die zweite Linseneinheit weisen mindestens eine
Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche auf. Die
zweite Linseneinheit weist eine Brennweite auf, die eine
Gesamtverstärkung von 0,8 bis 2,0 schafft, wenn sie mit der
ersten Linseneinheit und dem Beugungsgitter kombiniert ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum
Herstellen eines Spektrographen zum Analysieren von Licht
von einer Lichtquelle. Das Verfahren umfaßt, nicht notwendi
gerweise in der folgenden Reihenfolge, die Schritte des Be
festigens einer Kollimationslinseneinheit, eines planaren
Beugungsgitters, einer Fokussierungslinseneinheit und eines
Lichtdetektors auf einem Träger. Die Kollimationslinsenein
heit weist eine Blendenzahl von 1,7 oder weniger auf und ist
in einer Position bezüglich der Lichtquelle befestigt, der
art, daß das Licht, das von der Lichtquelle emittiert worden
ist, in einen allgemein parallelen Strahl parallel gerichtet
wird. Diese Linseneinheit weist mindestens eine Linse mit
mindestens einer asphärischen Oberfläche auf. Das planare
Beugungsgitter ist in einer Position befestigt, um den pa
rallel gerichteten Lichtstrahl derart zu beugen, daß das
gebeugte Licht erster Ordnung einen spitzen Winkel mit dem
parallel gerichteten Strahl bildet. Die Fokussierungslin
seneinheit ist in einer Position befestigt, um das gebeugte
Licht erster Ordnung auf den Lichtdetektor zu fokussieren.
Der planare Lichtdetektor ist in einer Position befestigt,
derart, daß die Normale der Ebene des Lichtdetektors einen
spitzen Winkel mit der optischen Achse der Fokussierungs
linse bildet, um auf dem Lichtdetektor deutliche, kompakte
Abbildungen der Lichtquelle bei ausgewählten verschiedenen
Wellenlängen zu erhalten.
Der Spektrograph der vorliegenden Erfindung weist unter Ver
wendung einfacher optischer Elemente eine kleinere Blenden
zahl und ein besseres Lichtsammlungsvermögen als Spektrogra
phen gemäß dem Stand der Technik auf, wodurch eine Abbildung
mit höherer Qualität erzeugt wird. Diese Erhöhung des Licht
sammlungsvermögens wird durch die Verwendung eines einzigen
optischen Elements für die Kollimations- und die Kamera-Ein
heit möglich gemacht (d. h. die Fokussierungseinheit), obwohl
mehrfache Linsen in jeder Linseneinheit verwendet werden
können. Jede Linseneinheit weist mindestens eine asphärische
optische Oberfläche auf. Die asphärischen Oberflächen korri
gieren eine sphärische Aberration und weitere Aberrationen,
wie z. B. einen Astigmatismus und eine schiefe sphärische
Aberration. Die Verwendung von einzelnen Elementen verein
facht das Herstellungs- und das Ausrichtungsverfahren. All
gemein würde die Verwendung von einzelnen Linsen in einer
chromatischen Aberration resultieren. Bei Systemen gemäß dem
Stand der Technik (z. B. der Detektor in dem Holo-Spec-f/1,8-i-Spek
trograph mit Mehrelementlinsen, supra) wird die
Verbundkameralinse durch die Verwendung von Lasern mit ab
weichenden Dispersionen bezüglich der chromatischen Aberra
tion korrigiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die chromatische Ab
erration durch Neigen der Detektorebene kompensiert werden,
was die vorteilhafte Verwendung von Einzelelementlinsen ohne
den Bedarf nach komplexen und teueren optischen Anordnungen
möglich macht.
Die Verwendung von asphärischen Linsen (wobei jede minde
stens eine asphärische Oberfläche aufweist) zum Parallel
richten von Licht auf ein Beugungsgitter und zum Fokussieren
des gebeugten Lichts auf einen Detektor ermöglicht es, daß
die Abbildungen von unterschiedlichen Wellenlängen auf einen
kleinen Detektor fokussiert werden. Die Verwendung derarti
ger asphärischer Linsen zum Sammeln des gebeugten Lichts
ermöglicht die Verwendung von planaren Beugungsgittern. Die
erste asphärische Linse korrigiert die sphärische Aberra
tion, welche normalerweise aus der Verwendung einer sphäri
schen Linse zum Parallelrichten von Licht resultieren würde.
Die zweite asphärische Linse kompensiert Aberrationen, die
normalerweise eine sphärische Linse zur Folge hat, die Licht
sammelt, das von dem planaren Beugungsgitter in einem Winkel
gebeugt worden ist. Die zweite asphärische Linse ist von dem
Beugungsgitter durch einen Abstand getrennt, was zur Folge
hat, daß gebeugtes Licht mit einer anderen Wellenlängen weit
getrennte Abschnitte der zweiten Linse trifft. Diese weite
Trennung ermöglicht die Verwendung einer allgemeineren Form
einer asphärischen Oberfläche, um zusätzlich zur sphärischen
Aberration einen Astigmatismus und eine schiefe sphärische
Aberration zu korrigieren.
Diese Konfiguration ist vorteilhaft, da, wenn Licht als ein
paralleler Strahl auf ein planares Beugungsgitter mit paral
lelen Rillen fällt, keine Aberrationen existieren, die durch
das planare Gitter eingeführt worden sind. Der einzige Ef
fekt auf die Abbildung ist eine Vergrößerung, die dem inver
sen Verhältnis der Querschnitte des einfallenden und des ge
beugten Strahls entspricht. Linsen müssen keine Gitteraber
rationen korrigieren. Die Beugungseffizienz ist eine Funk
tion des Einfallswinkels von Licht. Planare Beugungsgitter
weisen im Gegensatz zu konkaven Beugungen einen breiten Be
reich von Einfallswinkeln auf und machen daher bei Spektro
graphen mit einer kleinen Blendenzahl keinen Kompromiß be
züglich der Beugungseffizienz notwendig.
Der Spektrograph der vorliegenden Erfindung kann zum Analy
sieren von Licht von schwachen Quellen, wie z. B. Fluores
zenz, Phosphoreszenz, Raman-Streuung oder -Emission, verwen
det werden. Derselbe sammelt über einen großen Raumwinkel
Licht, streut dieses Licht und fokussiert es auf einen De
tektor wieder aus einem großen Raumwinkel. Die kleine Blen
denzahl der zweiten Linseneinheit ermöglicht die Verwendung
von kleinen Detektoren, welche weniger Platz in Anspruch
nehmen und leichter herzustellen sind als große. Aufgrund
dieser Vorteile ist die vorliegende Erfindung besonders gut
anwendbar, wenn Licht aus einer schwachen Quelle bei Wellen
längen emittiert wird, welche durch verfügbare optische Ma
terialien transmittiert werden. Anwendungen werden bei
spielsweise bei dem Analysieren von Spektren in der analyti
schen Chemie, der klinischen Chemie, des Prozeßüberwachens
und der medizinischen Diagnostik gefunden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen näher erläutert. Bei diesen Figuren stellen gleiche
Bezugszeichen gleiche Merkmale der verschiedenen Ansichten
und Aufbauten dar, wobei die Figuren jedoch nicht maßstabs
getreu sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei
spiels des Spektrographen der vorliegenden Erfin
dung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei
spiels des Spektrographen gemäß der vorliegenden
Erfindung, der beim Analysieren von Raman-gestreu
ter Strahlung verwendet wird.
Fig. 3 Lichtfleckdiagramme für einen Spektrographen der
vorliegenden Erfindung für fünf verschiedene Wel
lenlängen, einschließlich der minimalen und maxi
malen Wellenlängen für die Spitze und Mitte des
Spaltes. Die Lichtfleckdiagramme für den unteren
Teil des Spaltes sind Spiegelbilder der entspre
chenden Lichtfleckdiagramme für den Oberteil des
Spaltes, wobei sie von rechts nach links gespiegelt
sind. Lichtfleckdiagramme sind Abbildungen eines
Punktes in dem Spalt auf dem Detektor, die durch
die Schnittpunkte eines regelmäßigen Gitters von
Strahlen durch die erste Linse auf dem Detektor
dargestellt sind.
Fig. 4 Abbildungen an dem Detektor für einen Spektrogra
phen der vorliegenden Erfindung für fünf Wellenlän
gen, und zwar bei einem Spalt mit 0,094 mm Breite
und 0,608 mm Höhe. Die Abbildungen werden durch das
Verfolgen von Strahlen von zufälligen Punkten in
dem Spalt zu zufälligen Punkten in der Begrenzungs
apertur an dem Beugungsgitter und dann auf den De
tektor erzeugt.
Fig. 5 zeigt Spektrallinien an dem Detektor für den Spek
trographen von Fig. 4 für fünf Wellenlängen, und
zwar bei einem Spalt mit einer Breite von 0,094 mm
und einer Höhe von 0,608 mm. Die Spektrallinien
sind durch das bei Fig. 4 beschriebene Strahlen
verfolgen erzeugt worden.
Fig. 6 zeigt Abbildungen an dem Detektor für einen Spek
trographen der vorliegenden Erfindung, und zwar bei
einem 0,122 mm breiten und 0,608 mm hohen Spalt für
fünf Wellenlängen, die gemäß der Beschreibung bei
Fig. 4 erzeugt worden sind.
Fig. 7 zeigt Spektrallinien an dem Detektor für den Spek
trographen von Fig. 6 für fünf Wellenlängen, und
zwar bei einem 0,122 mm breiten und 0,608 mm hohen
Spalt, die gemäß der Beschreibung bei Fig. 5 er
zeugt worden sind.
Ein Ausführungsbeispiel des Spektrographen der vorliegenden
Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Der Spektrograph 100 weist
eine Lichtquelle 101 auf. Diese Lichtquelle kann ein Spalt
oder eine lichtemittierende Probe sein (z. B. ein Fluores
zenz-, ein Phosphoreszenz- oder ein Raman-gestreutes Licht).
Das Licht von der Lichtquelle wird für die Mittenwellenlänge
(z. B. 670 nm) durch die Kollimationslinseneinheit 104 paral
lel gerichtet, welche eine Einzellinse oder eine Linsengrup
pe sein kann. Diese Linseneinheit weist mindestens eine
asphärische (nicht-kugelförmige) Oberfläche auf mindestens
einer der Linsen in derselben auf. Der Lichtstrahl von der
Kollimationslinseneinheit fällt auf ein planares (oder ebe
nes) Beugungsgitter 108. Bezüglich der Terminologie bezieht
sich der Ausdruck "planar" oder "eben", wenn er auf ein Beu
gungsgitter oder auf die Oberfläche eines Lichtdetektors be
zogen ist, auf die Gesamterscheinung des Beugungsgitters
oder des Detektors, wodurch mikroskopisch nicht planare
Strukturen der Rillen auf dem Gitter oder des Pixelarrays
des Detektors außer Acht gelassen werden. Auf dem Beugungs
gitter 108 wird Licht gemäß seiner Wellenlänge zerlegt (d. h.
gebeugt). Das gebeugte Licht fällte auf die Kameralinsen
einheit (oder Fokussierungslinseneinheit) 122. Die Fokussie
rungslinseneinheit fokussiert das Licht aller Wellenlängen
und bildet Abbildungen der Lichtquelle auf dem Detektor 126,
und zwar eine pro jeder Wellenlänge.
Als Veranschaulichung ist ein Ausführungsbeispiel eines
Spektrographen zum Analysieren von Raman-gestreutem Licht in
Fig. 2 gezeigt. Dieser Spektrograph 200 ist derart aufge
baut, daß er geeignet ist, um Licht mit Wellenlängen von et
wa 675 nm bis 855 nm zu erfassen. Es ist offensichtlich, daß
ein Fachmann beispielsweise durch Modifizieren der Beugungs
gitterkonfiguration und der asphärischen Oberflächen von
Linsen in der Lage sein wird, Spektrographen zu bauen, die
für eine Anwendung in einem anderen Wellenlängenbereich ge
eignet sind. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
ein Laserstrahl 202 von 670 nm von einem Laser 204 verwen
det, um eine analytische Probe 206 in einem Behälter (oder
einer analytischen Zelle) zu beleuchten, welcher in der
Zeichnung nicht gezeigt ist. Als Ergebnis emittiert die Pro
be Raman-Streulicht und wirkt als eine Lichtquelle.
Das Licht, das von der Lichtquelle (d. h. der Probe 206)
kommt, fällt auf eine Linse 208 mit einer positiven Brech
kraft. Diese Linse 208 weist eine asphärische Oberfläche
210, die auf der gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle
liegt und eine sphärische Oberfläche 212 auf, die auf der
Seite des eintreffenden Lichts angeordnet ist. Die Ober
fläche 210 ist ellipsoid, obwohl eine allgemeine asphärische
Oberfläche (d. h. nicht-ellipsoid, nicht-hyperboloid,
nicht-paraboloid) ebenfalls verwendet werden kann. Da eine allge
meine asphärische Oberfläche schwieriger herzustellen ist
und keinen zusätzlichen Vorteil bietet, bevor das Licht ge
beugt ist, wird dieselbe gegenüber einer ellipsoiden Ober
fläche nicht vorgezogen. Die Linse 208 richtet das Licht von
der Lichtquelle 206 parallel, derart, daß das parallel ge
richtete Licht ein im wesentlichen paralleler Strahl bei
einer Wellenlänge von 765 nm ist. Somit sammelt die Kolli
mationslinse Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird,
um einen Strahl zu bilden. Vorzugsweise weist die Linse 208
eine ellipsoide Oberfläche auf, die sich bezüglich der Linse
in der Richtung des parallel gerichteten Lichts befindet,
derart, daß ein großer Anteil der Linse zum Sammeln von
Licht und zum Parallelrichten von Licht auf eine symmetri
sche Art und Weise um die Mitte der Linse herum verwendet
werden kann.
Die Linse 208 besteht vorzugsweise aus Glas, obwohl weitere
geeignete Substanzen, die in der Technik bekannt sind, zum
Herstellen von Linsen verwendet werden können. Das bevor
zugte Verfahren zum Herstellen der asphärischen Oberfläche
212 ist Druckgießen. Die sphärische Oberfläche 212 kann
ebenfalls durch Gießen hergestellt werden, obwohl auch die
herkömmlichen Verfahren des Schleifens und Polierens verwen
det werden können. Wegen der begrenzten Dicke des optischen
Elements (d. h. der Linse) kann eine Verwendung einer Linse
mit zwei asphärischen Oberflächen eine zusätzliche Aberrati
onskorrektur schaffen. Derartige Linsen mit zwei asphäri
schen Oberflächen sind jedoch schwieriger herzustellen. Die
Linse 208 kann ferner, muß jedoch nicht, mit einer Antire
flexionsschicht mit einem V-Minimum bei der Anregungswel
lenlänge beschichtet sein, derart, daß das Raman-gestreute
Licht durch dieselbe transmittiert wird. Derartige asphäri
sche Linsen (d. h. Linsen, die jeweils mindestens eine asphä
rische Oberfläche aufweisen), können kommerziell erworben
werden (wie z. B. bei Optische Werke G. Rodenstock, München,
Bundesrepublik Deutschland).
Um unerwünschtes Licht (z. B. die Anregungswellenlänge) in
dem parallel gerichteten Strahl zu reduzieren, kann ein Ray
leigh-Sperrfilter 216 verwendet werden, um Licht mit der An
regungswellenlänge (d. h. bei diesem Ausführungsbeispiel 665
nm) zu reflektieren, und um Raman-gestreutes Licht zu über
tragen. Der parallel gerichtete Strahl weist im allgemeinen
ein scheibenförmiges Profil auf (der Strahl weist eine Achse
auf, die mit 218 bezeichnet ist). Vorzugsweise sind die Lin
se 208 und die Lichtquelle 206 derart konfiguriert, daß die
Blendenzahl (die Brennweite der Linse geteilt durch den
Durchmesser des Strahls) 1,7 oder kleiner ist, vorzugsweise
von etwa 1 bis etwa 1,7 und am liebsten wegen der Einfach
heit der Herstellung und Konfiguration zwischen 1,2 und 1,7.
Wenn eine Linsenauflösung (z. B. kleiner als 40 Auflösungs
elemente für ein 8,8 mm breiten Detektor) erforderlich ist,
kann eine Blendenzahl kleiner als 1 verwendet werden (z. B.
0,8 für 20 Auflösungselemente für einen 8,8 mm breiten De
tektor). Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel von Fig.
2 beträgt die Blendenzahl der Linse 208 f/1,2, was einer
Erhöhung des Lichtsammlungsvermögens um das 2,25fache im
Vergleich zu einem Gerät mit f/1,8 gemäß dem Stand der Tech
nik entspricht.
Das Licht von den Rändern des Spektrums wird näherungsweise
parallel gerichtet, dasselbe divergiert und konvergiert je
doch aufgrund einer unkompensierten Dispersion des Linsen
materials etwas. Das parallel gerichtete Licht wird gelei
tet, um auf ein planares Beugungsgittersystem 220 zu fallen.
Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel bedeckt das Git
tersystem ein lineares Feld von 8,8 mm mit 1200 Rillen pro
Millimeter. Bei Fig. 2 sind die Rillen auf der Oberfläche
222 positioniert und in einer Richtung in die Zeichnung hin
ein parallel. Ein Gitter fit einer Glanzwellenlänge in der
Nähe von 750 nm wird bevorzugt. Glanz bedeutet, daß das Git
ter ein Sägezahnprofil aufweist. Die Glanzwellenlänge ist
die Wellenlänge, bei der der Einfallswinkel gleich dem Beu
gungswinkel bezüglich der zu der großen Facette des Säge
zahnprofils normalen Oberfläche ist. Dieses Beugungsgitter
ist ein Quadratreflexionsgitter. Somit beugt es wirksam
Licht, das Wellenlängen um eine Mittenwellenlänge von 750 nm
aufweist. Der Entwurf und die Herstellung von planaren Beu
gungsgittern für Licht mit spezifischen Wellenlängen sind in
der Technik bekannt. Es ist offensichtlich, daß Gitter mit
Rillen anderen Profils (z. B. Quadratwellen, Sinuswellen,
etc.) ebenfalls verwendet werden können.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das planare Git
tersystem 220 derart angeordnet, daß sein gebeugtes Licht
erster Ordnung einen Winkel von etwa 40° zu dem parallel ge
richteten Strahl bildet. Diese Anordnung erlaubt es, daß die
Linsen und das Gittersystem des Spektrographen geeignet an
geordnet werden können, ohne sich gegenseitig zu stören. Es
ist offensichtlich, daß das planare Gittersystem positio
niert werden kann, um das parallel gerichtete Licht bei ei
nem anderen Winkel als 40° zu beugen, solang das gebeugte
Licht erster Ordnung durch ein Linsensystem geeignet auf ei
nen Detektor fokussiert werden kann.
Das gebeugte Licht erster Ordnung (welches durch die Gitter
oberfläche gebeugt wird und nicht durch das Beugungsgitter
system transmittiert wird) fällt auf die Kameralinse (oder
Fokussierungslinse) 224. Allgemein fällt die optische Achse
der Linse 224 mit der Mittellinie des Strahls des gebeugten
Lichts erster Ordnung für eine Wellenlänge zusammen, was in
gleichen Spektralbeträgen auf dem Detektor auf beiden Seiten
dieser Wellenlänge resultiert. Die Fokussierungslinse 224
fokussiert das Licht aller Wellenlängen, damit es durch ein
optionales planar-paralleles Fenster 226 durchläuft und Ab
bildungen der Lichtquelle, und zwar eine pro jeder Wellen
länge, auf einem Detektor 230 bildet. Das planar-parallele
Fenster 226 dient dazu, um den Detektor 230 zu schützen. Die
Fokussierungslinse 224 ist wie die Kollimationslinse 208 ei
ne asphärische Linse, da sie mindestens eine asphärische
Oberfläche aufweist. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbei
spiel weist die Fokussierungslinse 224 eine asphärische
Oberfläche 234 und eine sphärische Oberfläche 236 auf. Die
Fokussierungslinse 224 kann wie die Kollimationslinse 208
wunschgemäß mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet
werden. Wenn nur eine asphärische Oberfläche pro Linse ver
wendet wird, wird es bevorzugt, daß die asphärische Oberflä
che jeder Linse auf der zum Beugungsgitter hin gerichteten
Seite der Linse angeordnet ist. Die Brennweite dieser Fokus
sierungslinse 224 wird derart ausgewählt, daß, wenn dieselbe
mit der Kollimationslinse 208 kombiniert ist und das gebeug
te Licht erster Ordnung auf den Lichtdetektor 230 fokussiert
wird, die resultierenden Abbildungen (von unterschiedlichen
Wellenlängen) Vergrößerungen von etwa 0,8 bis etwa 2,0 (d. h.
daß Abbildungen vorhanden sind, die minimal um das 0,8fache
und maximal um das 2fache größer als die Lichtquelle sind)
in der Dimension aufweisen, die im wesentlichen sowohl zu
dem gebeugten Lichtstrahl als auch den Rillen des Beugungs
gitters senkrecht ist. Es wird der Fall betrachtet, bei dem
Abbildungen von interessierenden Wellenlängen von etwa 180 nm
bis 2500 nm erfaßt werden können. Das optische Material
für die Linsen kann abhängig von der Anwendung ausgewählt
werden.
Wenn der parallel gerichtete Lichtstrahl durch das planare
Beugungsgitter gebeugt wird, liegt das gebeugte Licht erster
Ordnung ebenfalls in der Form eines parallel gerichteten
Strahles vor. Der gebeugte Lichtstrahl erster Ordnung, der
das Beugungsgitter verläßt, weist jedoch einen kleineren
Querschnitt als der parallel gerichtete Strahl auf, der auf
das Gitter auftrifft. Da das planare Beugungsgitter bei die
sem Ausführungsbeispiel Licht in einer Richtung beugt, die
senkrecht zu den Rillen ist und der Einfalls- und Beugungs
winkel nicht gleich sind, weist der gebeugte Strahl einen
allgemein "zerquetschten", d. h. einen allgemein ellipti
schen, Querschnitt auf. Die asphärische Fokussierungslinse
224 weist vorzugsweise eine nicht-ellipsoide, nicht-hyper
boloide und nicht-paraboloide Oberfläche zur Aberrations
korrektur auf. Das Licht mit verschiedenen Wellenlängen in
einem interessierenden Spektrum wird um die Mitte der asphä
rischen Linse 224 asymmetrisch verteilt. Somit wird das ge
beugte Licht erster Ordnung auf eine asymmetrische Art und
Weise um die Mitte der asphärischen Linse durch eine derar
tige asphärische Linse auf einen Detektor fokussiert.
Bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verwendung ei
ner asphärischen Linse, da eine derartige asphärische,
nicht-ellipsoide, nicht-hyperboloide, nicht-paraboloide Lin
se eine Aberration korrigieren kann, einen breiteren Ein
fallswinkel, was im Vergleich zu einer anderen Linse zu ei
ner kleineren Blendenzahl führt. Wenn eine Linse mit sphä
rischen Oberflächen verwendet wird, um das gebeugte Licht
erster Ordnung auf den Detektor zu fokussieren, ist eine
große Blendenzahl notwendig, um Aberrationen auf einen an
nehmbaren Pegel zu reduzieren. Die große Blendenzahl bedeu
tet, daß eine vergrößerte Abbildung von dem Detektor empfan
gen wird, welcher groß genug sein muß, um diese Abbildung zu
erfassen. Unter Verwendung einer asphärischen Linse kann ei
ne sphärische Aberration korrigiert werden. Die Vergrößerung
wird reduziert und ein kleinerer Detektor kann zum Empfang
der Abbildung verwendet werden, wodurch das in dem Detektor
erzeugte Rauschen reduziert wird. Kleinere Detektoren sind
einfacher herzustellen, weniger sperrig und billiger.
Wenn die asphärische Linse von dem Beugungsgitter durch ei
nen Abstand getrennt ist, der ausreicht, um Licht verschie
dener Wellenlängen über die Linse zu verbreiten, können zu
sätzliche Aberrationen, wie z. B. ein Astigmatismus und eine
schiefe sphärische Aberration, korrigiert werden. Eine klei
ne Blendenzahl und ein kleiner Detektor können für einen er
weiterten Wellenlängenbereich verwendet werden. Wenn sich
die asphärische Linse zu nahe am Beugungsgitter befindet,
kann das Licht verschiedener Wellenlängen nicht angemessen
auf der Linse getrennt werden, um aufgrund des begrenzten
verfügbaren Platzes durch die asphärische Oberfläche der
Linse korrigiert zu werden. Wenn die asphärische Linse zu
weit von dem Beugungsgitter entfernt angeordnet ist, wird
die Linse natürlich groß und schwierig herzustellen. Vor
zugsweise ist der Abstand zwischen der Linsenoberfläche, die
zu dem Beugungsgitter hin gerichtet ist, und dem Gitter aus
reichend, um in einer Ausbreitung des Lichts der extremen
Wellenlängen um die Mittenwellenlänge auf eine Größe zu re
sultieren, die etwa das 1,5- bis 3fache, vorzugsweise je
doch das etwa 2fache der Größe des Lichtstrahls bei der
Mittenwellenlänge beträgt, wenn er das Gitter verläßt. In
anderen Worten ist, wenn die Vorrichtung zum Analysieren von
Spektren mit einer Mehrzahl von interessierenden Wellenlän
gen verwendet wird, das Beugungsgitter von der Fokussie
rungslinse durch einen Abstand getrennt, der ausreichend
ist, daß die Einhüllende des interessierenden Lichts (mit
der kürzesten und der längsten Wellenlänge) derart ausge
breitet wird, daß der Lichtstrahl in seiner schmalen Abmes
sung, wenn er auf die Fokussierungslinse trifft, eine Größe
aufweist, die etwa das 1,5- bis 3fache (vorzugsweise etwa
das 1,5- bis 2fache und am besten etwa das 2fache) der
schmalen Dimension des Lichtstrahls bei der Mittenwellen
länge beträgt, wenn derselbe das Gitter verläßt. In Fig. 1
und Fig. 2 befindet sich die schmale Abmessung in der Ebene
der Figur und die breitere Abmessung befindet sich senkrecht
zu der Ebene der Figur.
Der Detektor 230 ist ein CCD-Detektor (CCD = Charge Coupled
Device = Ladungs-gekoppeltes Bauelement), welcher ein Array
von Erfassungseinheiten oder Pixel aufweist, die in einer im
wesentlichen flachen (oder planaren) Konfiguration angeord
net sind. Derartige Detektoren sind in der Technik bekannt.
Die Empfangsoberfläche 240 des CCD-Detektors ist geneigt, um
einen kleinen, spitzen Winkel mit einer Ebene zu bilden, die
senkrecht zu der allgemeinen optischen Achse der Fokussie
rungslinse 224 ist, derart, daß das Licht verschiedener Wel
lenlängen auf die Oberfläche 240 fokussiert wird, um deutli
che, relativ kompakte Abbildungen auf derselben zu bilden.
In anderen Worten bildet die Normale des Detektors einen
Winkel mit der optischen Achse der Fokussierungslinse 224.
Dieses Neigen des Detektors 230 wird durchgeführt, um die
chromatische Aberration aufgrund des Wellenlängenunter
schieds des fokussierten Lichts zu korrigieren. Ein Fachmann
wird aufgrund der vorliegenden Offenbarung in der Lage sein,
den Neigungswinkel anzupassen, bis insgesamt befriedigend
deutliche, kompakte Abbildungen erhalten werden. Abhängig
von der Qualität der Abbildungen der einzelnen gewünschten
Wellenlängen kann der Neigungswinkel dementsprechend einge
stellt werden. Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel etwa
0° bis 2°, am besten jedoch etwa 1,5°.
Die Elemente des Spektrographen sind zueinander und mit der
Lichtquelle ausgerichtet, um die am meisten erwünschten Ab
bildungen auf dem Detektor zu erhalten. Vorzugsweise richtet
die Kollimationslinse 208 das gesammelte Licht nicht genau
parallel aus, dieselbe ist jedoch derart angeordnet, daß ihr
Profil in Verbindung mit dem Profil der Fokussierungslinse
224, welche Licht auf den Detektor fokussiert, eine verbes
serte Abbildung über das gesamte Detektorarray schafft. Die
Lichtkonzentration in der Mitte des Detektors wird etwas
verschlechtert, um eine verbesserte Konzentration des Lichts
an den Rändern des Detektorarrays zu erlauben. Bei der vor
liegenden Erfindung können durch Verwendung asphärischer
Linsen, eines planaren Beugungsgitters und eines etwas ge
neigten planaren Detektorarrays ausreichend räumlich ge
trennte, deutliche und kompakte Abbildungen auf dem Detektor
für eine Blendenzahl von f/1,0 bis f/1,7 und selbst bei ei
ner kleinen Blendenzahl von f/1,0 gebildet werden. Die Ab
bildungen einer Punktlichtquelle, gemessen entlang des De
tektors in der Ebene, die die Achsen der beiden Linsen ent
hält, beträgt etwa 0,05 mm für alle Wellenlängen. Als Ergeb
nis der Vergrößerung des Gitters und in kleinerem Umfang als
Ergebnis der typischen Ausbreitung von 0,05 mm aufgrund ei
ner Aberration einer Punktquelle variieren die Abbildungen
eines 0,094 mm breiten Spaltes an dem Detektor bezüglich der
vollen Breite bei der Hälfte des Maximums von 0,117 mm bei
0,675 µm bis 0,173 mm bei 0,855 µm Wellenlänge. Bei einem
8,8 mm breiten Detektor würde dies etwa 60 spektralen Auflö
sungselementen oder etwa dem 1,5fachen der Anzahl (d. h. 40)
entsprechen, die erforderlich ist, um von einer guten Auflö
sung zu sprechen. Spektralauflösung gibt eine Situation wie
der, bei der eine Linie einer gegebenen Wellenlänge deutlich
von einer Linie einer benachbarten Wellenlänge getrennt wer
den kann. Die Breite eines spektralen Auflösungselementes
ist typischerweise als die volle Breite bei der Hälfte des
Maximums der Spektrallinie einer einzelnen Wellenlänge defi
niert.
Die Elemente in dem Spektrograph, einschließlich der Licht
quelle (d. h. der Zelle, die die Probe in dem Fall enthält,
bei dem die Probe die Lichtquelle ist) oder des Spaltes, der
Kollimationslinseneinheit, des Beugungsgitters, der Fokus
sierungslinseneinheit und des Lichtdetektors, können auf
einem Träger befestigt werden. Die Abmessungen (einschließ
lich der linearen Abmessung) und das Konstruktionsmaterial
des Trägers können derart gewählt werden, daß der Träger
einen thermischen Ausbreitungs- (oder Kontraktions-Betrag
aufweist, der die Veränderungen von Brennweiten der Linse
mit der Temperatur kompensiert. Auf diese Art und Weise ist
der Spektrograph thermisch stabil, d. h. derselbe wird keinen
großen Betrag einer unerwünschten Änderung des Verhaltens
bei einer Temperaturänderung aufweisen. Der Temperaturbe
reich, bei dem dies durchgeführt werden kann, erstreckt sich
im allgemeinen von etwa 20°C bis etwa 50°C.
Die detaillierte Bestimmung der Kurven der Oberflächen auf
den Linsen einschließlich asphärischer Kurven, und der be
sten Neigung für das Detektorarray können mit einem Compu
ter-unterstützten Linsenentwurfsprogramm durchgeführt wer
den, welches die Summe der Quadrate von spezifizierten Ab
bildungsfehlern minimiert. Die Abbildungsfehler bestehen aus
transversalen Aberrationen von Strahlen an dem Detektorarray
in der Ebene, die die Achsen beider Linsen enthält. Eine
ausreichende Anzahl von Strahlen bei geeigneten Beabstandun
gen auf den Linsen muß bei diesem Verfahren verwendet wer
den, um die asphärischen Kurven zu bestimmen. Derartige
Strahlen werden für Wellenlängen verfolgt, welche an einigen
Stellen näherungsweise gleichmäßig beabstandete Abbildungen
auf dem Detektorarray schaffen.
Die Parameterauswahl bei diesem Beispiel ist auf spezifi
schen Anforderungen oder Wünschen und auf der Zweckmäßigkeit
begründet. Das folgende Beispiel soll der Veranschaulichung
dienen. Ein CCD-Detektor mit einer Länge von 9,728 mm wurde
verwendet. Aufgrund normaler Herstellungsvariationen wurde
eine lineare Dispersion von 8,8 mm für Wellenlängen von 675 nm
bis 855 nm gewählt, wobei mindestens 40 Auflösungsele
mente und eine Spaltgröße von bis zu 0,122 mm benötigt wer
den. Die Höhe des CCD-Detektors beträgt 0,608 mm und eine
maximale Flußsammlung ist erwünscht. Aufgrund von Raumanfor
derungen zum Anpassen und Befestigen von Linsen wird ein
Beugungsgitter gewählt, um die folgenden Bedingungen (1) und
(2) zu erfüllen:
35° < Θmitte < Θ (1)
17° < (Θmax-Θmin) < 21° (2)
17° < (Θmax-Θmin) < 21° (2)
wobei Θmitte der Abweichungswinkel des gebeugten Axial
strahls für die gestreute Mittenwellenlänge und Θmax und
Θmin Abweichungswinkel für die maximale und die minimale
Wellenlänge sind. (Θmax-Θmin) ist daher die Winkeldisper
sion (Winkelzerstreuung). Dies führt zu der Wahl eines Stan
dard-Beugungsgitters mit 1200 Rillen pro Millimeter, wobei
Θmitte = 40° und (Θmax-Θmin) = 19°.
Um das Computeroptimierungsverfahren, das vorher beschrieben
wurde, zu verwenden, ist - ein Startentwurf notwendig. Eine
exakte Lösung besteht für eine Kollimationslinse, welche ei
ne sphärische Aberration korrigiert, welche eine ebene Ober
fläche zum Fokus hin und eine konvexe, asphärische Oberflä
che zum parallelen Licht hin aufweist. Die asphärische Ober
fläche ist ein Ellipsoid einer Umdrehung mit einer Exzentri
zität:
e = 1/n (3)
und einer Kegelkonstanten
k = -e² = -1/n² (4)
wobei n der Brechungsindex (siehe unten) ist. Dies wird ver
wendet, um die anfängliche erste Linse, welche dann während
der Optimierung etwas modifiziert wird, zu spezifizieren.
(Kingslake, Rudolph "Lens Design Fundamentals", Academic
Press, 1978, S. 113, wobei die Offenbarung desselben bezüg
lich des asphärischen Linsenentwurfs hierin durch Bezugnahme
aufgenommen ist).
Der Startentwurf kann eine äquikonvexe Linse für die zweite
Linse verwenden. Zu Anfang werden die Brennweiten für beide
Linsen bei f = 25 mm gleich gewählt. Die Linsenradien werden
aus der folgenden Gleichung berechnet:
wobei r₁ und r₂ die Scheitelpunkt-Krümmungsradien der ersten
bzw. zweiten Oberfläche sind. Ein Radius ist positiv, wenn
der Mittelpunkt der Kugel auf der rechten Seite des Schei
telpunkts ist. Für die flache Oberfläche auf der ersten Lin
se werden Terme, die 1/r₁ aufweisen, auf Null gesetzt, wobei
t die Linsendicke und n der Brechungsindex für die Mitten
wellenlänge sind (Kingslake, supra, S. 54) und t gewählt
wird, um eine positive Randdicke zu ergeben.
An diesem Punkt des Entwurfs wird eine Computeroptimierung
gestartet (Kingslake, supra, Kapitel 16). Die Gitterneigung
wird gewählt, um Licht der Mittenwellenlänge durch die Mitte
der zweiten Linse zu richten, wobei die Brechungsgitterglei
chung verwendet wird (Richardson in Applied Optics and
Optical Engineering, R. Kingslake, Hrsg, Bd. 5, S. 21,
Academic Press, 1969):
mλ = d(sinα ± sinβ) (6)
wobei m eine ganze Zahl, d. h. die Brechungsordnung (m = 1
für die Erfindung), λ die Wellenlänge des Lichts in gleichen
Einheiten wie d, d der Abstand paralleler Rillen, α der
Einfallswinkel und β der Beugungswinkel sind. Das Pluszei
chen wird verwendet, wenn sich der einfallende und der ge
beugte Strahl auf der gleichen Seite der Normalen zu der
Gitteroberfläche befinden, während das Minuszeichen ver
wendet wird, wenn sich dieselben auf gegenüberliegenden Sei
ten befinden. Eine Gütefunktion, basierend auf dem Algorith
mus von Forbes zur Strahlauswahl (G.W. Forbes, J. Opt. Soc.
Am. (A), 5, 1943-1956 (1988), hierin durch Bezugnahme aufge
nommen) wird verwendet. Aufgrund der Verwendung einer asphä
rischen Oberfläche auf der zweiten Linse wird eine große An
zahl von radialen Abtastringen Nr = 8 benötigt. Das automa
tische Erzeugungsmerkmal für Gütefunktionen, das bei den
meisten optischen Entwurfsprogrammen verfügbar ist, kann
verwendet werden. Transversale Aberrationen in der Ebene,
die die Achsen beider Linsen enthält, werden beibehalten.
Transversale Aberrationen außerhalb dieser Ebene werden
nicht verwendet. Diese Auswahl resultiert in der kleinsten
Abbildungsausbreitung in der Ebene auf Kosten eines annehm
baren Lichtverlustes aus der schmalen Abmessung des CCD-De
tektors. Zur Gütefunktionserzeugung werden Wellenlängen von
0,675, 0,720, 0,765, 0,810 und 0,855 µm und Objektpunkte an
der Mitte der Quelle und um 3,04 mm außerhalb der Ebene, die
beide Linsenachsen enthält, verwendet. Zusätzliche Terme
müssen zu der Gütefunktion hinzugefügt werden. Die Abwei
chung der axialen Strahlen bei 0,675 und 0,855 µm von dem
gewünschten Ende des Spektrums bei ± 4,4 mm von dem axialen
Punkt auf dem Detektor müssen verwendet werden, um die ge
wünschte lineare Dispersion von 8,8 mm zu erhalten. Der Win
kel des Strahls bei 0,765 µm zu der Linsenachse und eine
normierte Apertur von 0,8 in dem Raum nach der ersten Linse
müssen auf Null gesteuert werden, um eine Parallelrichtung
des Lichts sicherzustellen. Dies sind die Minimalterme, die
in der Gütefunktion benötigt werden, um einen befriedigenden
Entwurf fertigzustellen. Die Gewichtungen, die diesen zu
sätzlichen Ausdrücken zugewiesen sind, können durch ein paar
Versuche und Bewertungen bestimmt werden, um das Entwurfs
verfahren zu leiten. Die Aberrationen werden für eine beste
Auflösung bei der Wellenlänge von 733 nm ausgeglichen.
Während der frühesten Entwurfsstufen treten folgende Variab
len auf: die Scheitelpunkt-Krümmungsradien für beide Linsen,
die Kegelkonstante der zweiten Oberfläche der ersten Linse,
die Neigung des Beugungsgitters um eine Achse, die zu beiden
Linsenachsen senkrecht ist und durch ihren Schnittpunkt ver
läuft, der Abstand des Detektors von der zweiten Linse und
die Neigung des Detektors um eine Achse, die zu der Ebene,
die beide Linsenachsen enthält, senkrecht ist und durch den
Schnittpunkt des Detektors und der zweiten Linsenachse ver
läuft.
Nach der anfänglichen Optimierung ergibt sich eine allge
meine asphärische Oberfläche, die zu der ersten Oberfläche
der zweiten Linse hinzugefügt wird und durch folgende Glei
chung gegeben ist:
wobei R der Scheitelpunkt-Krümmungsradius und r der radiale
Abstand von der Linsenachse sind. Die Parameter R und die
asphärischen Koeffizienten AD, AE, AF und AG werden nun wäh
rend der Optimierung zur Variation freigegeben. Als nächstes
werden die Abstände beider Linsen von dem Beugungsgitter zur
Variation freigegeben, wobei die Begrenzung besteht, daß
diese Abstände gleich sein sollen. Dies ist die abschließen
de Optimierung, wobei die beste Ausgewogenheit zwischen der
Brechkraft der zweiten Linse und dem Nutzen vom Ausbreiten
des Lichts unterschiedlicher Farben über die asphärische
Oberfläche der zweiten Linse gefunden wird. Eine Schlußein
stellung der Radien aller Linsenoberflächen, der Kegelkon
stante der zweiten Oberfläche der ersten Linse, der asphäri
schen Koeffizienten der ersten Oberfläche der zweiten Linse
und der Neigungen des Beugungsgitters und des Detektors tre
ten während dieser Schlußoptimierung auf. Obwohl während des
Entwurfs eine Variation anderer Parameter untersucht werden
kann, werden diese Parameter während der Schlußoptimierung
vorzugsweise festgehalten, um eine gewünschte Häusung des
Spektrographen und gewünschte Linsendicken, die zur Herstel
lung geeignet sind, zu erhalten.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel von Fig. 2 weist die op
tischen Elemente auf, wie sie in Tabelle 1 spezifiziert
sind. Dasselbe ist entworfen, um den Spektralbereich von
675 nm bis 855 nm mit einer Lichtsammlung von f/1,2 und ei
ner linearen Dispersion für das Spektrum auf dem Detektor
von 8,8 mm zu überdecken. Die Materialien der Linsen sind
optische Gläser von der Schott Glass Technologies, Inc. Die
optische Beschreibung verwendet die Konventionen und die
Terminologie des optischen Entwurfsprogramms OSLO 3 von
Sinclair Optics, Inc. (OSLO Series 2 und 3 Handbuch, erste
Ausgabe, Sinclair, Optics Inc., 1991, Kapitel 3, wobei sich
die Beschreibung auf den Entwurf von asphärischen Linsen be
zieht und die Konventionen von Tabelle 1 hierin durch Bezug
nahme aufgenommen sind). Die Positionierung des Fensters 226
ist beliebig, sie ist zwischen der Fokussierungslinse 224
und dem Detektor 230 vorgesehen. Die Linsen wurden von den
optischen Werken G. Rodenstock, München, BRD hergestellt.
Das Ausführungsbeispiel, das durch Tabelle 1 beschrieben
ist, ist nur als Beispiel der vorliegenden Erfindung gedacht
und soll nicht als Begrenzung interpretiert werden. Ein
Fachmann wird in der Lage sein, ähnliche Ausführungsbeispie
le herzustellen (S# = Surface number = Oberflächennummer).
In Tabelle 1 stellt "S#" die Oberflächennummern der Kompo
nenten (einschließlich der optischen Elemente, wie z. B. der
Linsen) in dem Spektrograph dar. "Radius" stellt den Schei
telpunkt-Krümmungsradius (in mm) des optischen Elements dar,
dem eine spezielle Oberflächennummer zugeordnet ist. Eine
negative Zahl zeigt an, daß der Mittelpunkt der Krümmung der
optischen Oberfläche auf der linken Seite ihres Scheitel
punkts ist, wobei das Licht von links nach rechts läuft.
"Dicke" stellt den Trennungsabstand (in mm) von der Oberflä
che, die durch ein spezifisches S# dargestellt ist, zu der
nächsten Oberfläche dar. Eine negative Zahl zeigt eine Rich
tungsänderung des Lichts in eine im allgemeinen entgegenge
setzte Richtung an. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird dies
durch das reflektive Beugungsgitter bewirkt. "Durchmesser"
stellt den Durchmesser der Komponente dar, der eine speziel
le Oberflächennummer zugeordnet ist. "Material" zeigt das
Konstruktionsmaterial eines optischen Elements. F2 ist ein
optisches Glas mit einem Brechungsindex von 1,62004 für eine
Wellenlänge von 587,6 nm und einer Abbe-Zahl von 36,37. BK7
ist ein optisches Glas mit einem Brechungsindex von 1.5168
für eine Wellenlänge von 587,6 nm und einer Abbe-Zahl von
64,17.
Bezugnehmend auf Tabelle 1 weist die Lichtquelle einen
Durchmesser von 0,608 mm auf und ist etwa 24 mm von der Kol
limationslinse, die S# = 2 aufweist, entfernt. Die Kollima
tionslinse weist eine asphärische Oberfläche auf der Seite
des Gitters auf, welche ein S# gleich 6 aufweist. Die asphä
rische Oberfläche der Kollimationslinse weist eine Kegelkon
stante von etwa -0,454 auf (was eine ellipsoide Oberfläche
anzeigt). Ein Aperturanschlag liegt zwischen der Kollima
tionslinse und dem Gitter und kontaktiert die Gitterober
fläche (da keine Dicke zwischen S# von 4 und S# von 6 exi
stiert). Eine Neigung von etwa 9,630 bei S# von 5 stellt
einen Koordinatensystemwechsel dar, was anzeigt, daß das
Gitter bezüglich des parallel gerichteten Strahls geneigt
ist. Die verwendete Konvention ist für alle optischen Ent
wurfsprogramme gleich und in OSLO supra, S. 3-27 beschrie
ben. Drehungen eines lokalen Koordinatensystems mit dem Ur
sprung an dem Scheitelpunkt einer gegebenen Oberfläche fin
den in der Ebene der Fig. 1 und 2 und um eine Achse statt,
die zu den Fig. 1 und 2 senkrecht ist. Der Drehsinn ist
durch eine Linke-Hand-Regel gegeben. Wenn der Daumen einer
linken Hand entlang der Achse in die Ebene der Figur hinein
zeigt, zeigen die gekrümmten Finger in eine positive Rich
tung. Die Neigung an der Oberfläche 7 orientiert die Koordi
naten der ursprünglichen Richtung neu. Die Neigung an der
Oberfläche 8 orientiert die Koordinaten bei 40° zu der ur
sprünglichen Richtung, derart, daß die asphärische Fokussie
rungslinse definiert werden kann. Die Nummer S# von 10 und
11 stellen die Oberflächen der asphärischen Fokussierungs
linse zum Fokussieren eines gebeugten Lichtes auf einen De
tektor dar (welcher durch ein S# von 14 dargestellt ist).
Die Oberfläche (S# von 10), die auf der Seite des Gitters
liegt, ist asphärisch mit asphärischen Koeffizienten AD, AE,
AF, AG, wie es in Tabelle 1 gezeigt ist. Die Oberflächen S#
von 12 und S# von 13 sind einem Fenster zugeordnet, das den
Detektor schützt. Der Detektor mit einer Oberfläche S# von
14 ist bezüglich der optischen Achse der Fokussierungslinse
derart geneigt, daß die Normale zu der Oberfläche S# von 6
etwa um 1,47° von der optischen Achse der Fokussierungslinse
abweicht. Das negative Vorzeichen der Neigung entspricht der
Konvention der Linke-Hand-Regel, wie sie für die Oberfläche
#5 beschrieben wurde.
Die Spektrographen der vorliegenden Erfindung werden gegen
über bekannten Geräten eine bessere Abbildungsqualität lie
fern. Es wird beispielsweise ein Gerät, wie z. B. das von
Tedesco u. a., betrachtet. Details einer optischen Beschrei
bung sind in dem U.S.-Patent Nr. 5,011,284 (Tedesco u. a.)
nicht vorgesehen, um eine Strahlenverfolgungsanalyse zu er
möglichen, die der für die Erfindung dargestellten ähnlich
ist. Aus Fig. 1 von Tedesco kann jedoch bestimmt werden, daß
die Vergrößerung etwa 10X beträgt. Die Flußsammlung bei
Tedesco ist als f/0,6 gegeben. Für eine Flußsammlung, die
mit der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung vergleich
bar ist, welche bei f/1,2 sammelt, könnte der Spalt oder die
Quelle bezüglich der Erfindung die halbe lineare Abmessung
aufweisen. Somit könnte mit der Vergrößerung 10X bei einem
Gerät wie dem von Tedesco und der halben Spaltgröße die End
abbildung in erster Näherung 5mal größer sein. Die Endab
bildung bei der Erfindung einschließlich sowohl der Ver
größerung als auch der Aberration ist um durchschnittlich
das 1,54fache größer als der Spalt. Die Nettodifferenz für
eine vergleichbare Flußsammlung beträgt (5/1.54) = 3,25, was
bedeutet, daß dies lineare Abmessung der Abbildung bei
Tedesco um das 3,25fache größer ist. Die Erhöhung der benö
tigten Detektorfläche beträgt 10,6 und das Rauschen, welches
gemäß der Quadratwurzel der Detektorfläche variiert, erhöht
sich um das 3,25fache.
Der Winkel, durch welchen Licht zerstreut wird, beträgt bei
Tedesco etwa 3,3°, wogegen derselbe bei der vorliegenden Er
findung 19° beträgt. Ohne Strahlenverfolgungs-Daten für
Tedesco aufgrund des Fehlens einer optischen Spezifikation
ist ein vollständiger Vergleich der Anzahl von Auflösungs
elementen nicht möglich. Wenn jedoch bei der vorliegenden
Erfindung 60 Auflösungselemente in die 19° passen, und
Tedesco etwa 3,30 verwendet und ein 3,25facher Größenunter
schied bezüglich der Erfindung vorhanden ist, würde die An
zahl von Auflösungselementen bei Tedesco bezüglich einer
äquivalenten Flußsammlung in der Erfindung 3,2 Auflösungs
elemente betragen, wie es durch die folgende Gleichung ge
geben ist:
60(3,3/19)·(1/3,25) = 3,2
Somit weist die vorliegende Erfindung bei einer vergleich
baren Flußsammlung einen deutlichen Vorteil bezüglich eines
niedrigeren Detektorrauschens und einer größeren Anzahl von
möglichen Auflösungselementen gegenüber Geräten gemäß dem
Stand der Technik, die zu dem Verhalten des Geräts von
Tedesco u. a. ahnlich sind, auf. Ferner kann ein Spektrograph
(wie z. B. das Gerät von Tedesco u. a.), der ein holographi
sches optisches Element verwendet, nur S-polarisiertes Licht
effizient beugen. Der Spektrograph der vorliegenden Erfin
dung, welcher ein Glanzbeugungsgitter verwendet, kann sowohl
S- als auch P-polarisiertes Licht effizient beugen. Dies be
deutet einen Vorteil von dem bis zu zweifachen des Wirkungs
grads für Anwendungen, bei denen die Quelle unpolarisiertes
Licht emittiert. Die Abbildungsqualität der Erfindung und
ihre Fähigkeit Licht verschiedener Wellenlängen zu trennen,
ist in den Fig. 3 bis 7 dargestellt.
Fig. 3 zeigt Lichtfleckdiagramme für 5 Wellenlängen von der
minimalen bis zu der maximalen Wellenlänge (für den oberen
Teil und den Mittelteil eines Spaltes) für einen Spektrogra
phen der vorliegenden Erfindung. Ein Lichtfleckdiagramm wird
durch Strahlenverfolgung von einem einzelnen Punkt auf der
Quelle unter Verwendung eines regelmäßigen Arrays von Ziel
punkten an der Begrenzungsapertur für übertragenes Licht (an
dem Beugungsgitter bei der Erfindung), und durch Fortsetzen
der Strahlen zu dem Detektor für eine gegebene Wellenlänge
erzeugt.
In Analogie zum Gebiet der Graphik ist das Lichtfleckdia
gramm ein Pinsel, der verwendet wird, um ein Abbild (die Ab
bildung) eines Subjekts (beispielsweise des Spaltes) wieder
zugeben. Das Wiedergeben ist durch die Pinselgröße begrenzt.
In Fig. 3 beträgt die vertikale Abmessung der Kerne des
Lichtfleckdiagramms etwa bei allen Wellenlängen 0,05 mm. Die
vertikale Abmessung ist in der Ebene, die die Achsen beider
Linsen in dem Spektrographen enthält, weshalb die Abmessung
von 0,05 mm bedeutet, daß die Abbildung des Spaltes oder der
Quelle, die durch die optische Anordnung des Spektrographen
gebildet worden ist, durch Aberrationen um etwa 0,05 mm ver
breitert worden ist.
Fig. 4 zeigt Spaltabbildungsdiagramme für fünf Wellenlängen
von der minimalen bis zu der maximalen Wellenlänge. Der
Spalt ist 0,094 mm breit und 0,608 mm hoch und stellt den
schmalsten Spalt dar, der bei dieser Anwendung erwartet
wird. Jedes Diagramm wird erzeugt, indem von beliebigen
Punkten in dem Spalt zu beliebigen Punkten auf der Begren
zungsapertur und auf dem Detektor Strahlen verfolgt werden.
Das Diagramm ist eine Visualisierung des Abbildes des Spal
tes auf dem Detektor. Der meiste Teil der Vergrößerung der
Abbildungsgröße existiert aufgrund der Vergrößerung des Git
ters, welche größer werdender Wellenlänge zunimmt, und nicht
aufgrund von Aberrationen der Linsen.
Fig. 5 zeigt Auflösungszeichnungen für fünf Wellenlängen von
der minimalen zu der maximalen Wellenlänge für einen Spalt,
der 0,094 mm breit und 0,608 mm hoch ist. Die Zeichnungen
werden erzeugt, indem entsprechende Spaltabbildungs-Diagram
me genommen werden und die Strahlen, welche in gleich kleine
Segmente des Detektors fallen, summiert werden. Die Auflö
sungszeichnungen stellen genau Spektrallinienbreiten dar,
die bei Messungen mit einem Spektrographen beobachtet wer
den. Bei dieser schmalsten Spaltgröße existieren über 60
Auflösungselemente in dem Spektrum.
Fig. 6 ist ein Spaltabbildungs-Diagramm, das dem von Fig. 4
ähnlich ist, für einen 0,122 mm breiten und 0,608 mm hohen
Spalt, das den breitesten Spalt, der in einer Anwendung der
vorliegenden Erfindung erwartet worden ist, darstellt.
Fig. 7 zeigt Auflösungszeichnungen, die denen von Fig. 5
ähnlich sind, für einen 0,122 mm breiten und 0,608 mm hohen
Spalt. Bei dieser breitesten Spaltgröße existieren über 46
Auflösungselemente. Dies überschreitet die Anforderung einer
Anwendung der Erfindung nach einem Minimum von 40 Auflö
sungselementen.
Die Fig. 3 bis 7 zeigen die vorteilhafte Anwendung der vor
liegenden Erfindung beim Erhalten von Abbildungen hoher Qua
lität. Im Vergleich dazu wird ein herkömmlicher Spektrograph
mit einem konkaven Beugungsgitter bei einer ähnlichen Anwen
dung (einer ähnlichen Spaltgröße, einer ähnlichen Detektor
größe, einem ähnlichen Wellenlängenbereich, etc.) mit 40
Auflösungselementen eine Blendenzahl von f/2,3 oder mehr
aufweisen.
Obwohl die veranschaulichenden Ausführungsbeispiele des
Spektrographen der vorliegenden Erfindung detailliert be
schrieben worden sind, ist es offensichtlich, daß die oben
beschriebenen Ausführungsbeispiele durch Fachleute modifi
ziert werden können, insbesondere bezüglich von Größen und
Formen und Kombinationen von verschiedenen beschriebenen
Merkmalen, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung ab
zuweichen. Das planare Reflexions-Beugungsgitter kann bei
spielsweise durch andere geeignete Beugungsgitter ersetzt
werden. Die Kollimationslinse und die Fokussierungslinsen
können Kombinationen von Linsengruppen sein. Darüberhinaus
ist die Anwendung des Spektrographen nicht auf eine Analyse
von Raman-gestreutem Licht begrenzt. Derselbe kann verwendet
werden, um Licht von einer beliebigen Lichtquelle zu analy
sieren, solange die optischen Elemente und der Detektor für
die geeigneten Wellenlängen ausgewählt werden.
Claims (19)
1. Spektrograph (100) zum Analysieren von Licht interes
sierender Wellenlängen mit folgenden Merkmalen:
- (a) einer ersten Linseneinheit (104) mit mindestens einer Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche zum Parallelrichten von Licht von einer Lichtquelle, wobei die erste Linseneinheit eine positive Brechkraft und eine Blendenzahl von höch stens 1,7 aufweist;
- (b) einem reflektiven Beugungsgitter (108) zum Beugen des parallel gerichteten Lichts von der ersten Linse;
- (c) einem Lichtdetektor (126); und
- (d) einer zweiten Linseneinheit (122) mit mindestens einer Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche zum Fokussieren des gebeugten Lichts auf den Lichtdetektor, wobei die zweite Linsenein heit eine Brennweite aufweist, die ausreichend ist, um für die Lichtquelle eine Gesamtvergröße rung auf dem Lichtdetektor von 0,8 bis 2,0 zu schaffen.
2. Spektrograph (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Blen
denzahl der ersten Linseneinheit zwischen 1.0 und 1,7
liegt.
3. Spektrograph (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das
gebeugte Licht in der Form eines Strahls ist und das
Beugungsgitter (108) von der zweiten Linseneinheit
durch einen Abstand getrennt ist, der ausreichend ist,
damit sich der gebeugte Lichtstrahl mit Licht verschie
dener Wellenlängen in seiner schmalen Dimension auf ei
ne Größe des 1,5- bis 3fachen der Größe des Licht
strahls ausbreitet, der das Gitter verläßt, wenn der
selbe auf die zweite Linseneinheit (122) auftrifft.
4. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche
1 bis 3, bei dem die erste Linseneinheit (208) aus ei
nem einzelnen optischen Element mit mindestens einer
asphärischen Oberfläche (210) besteht und das Licht ei
ner spezifischen Wellenlänge von der Lichtquelle zu ei
nem parallelen Strahl ausrichtet.
5. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche
1 bis 4, bei dem das Beugungsgitter (220) ein planares,
reflektives Beugungsgitter ist, das eine planare opti
sche Oberfläche aufweist, die aus geraden, parallelen
und gleichmäßig beabstandeten Rillen besteht.
6. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche
1 bis 5, bei dem die zweite Linseneinheit (224) aus ei
nem einzigen optischen Element mit mindestens einer
asphärischen Oberfläche besteht und das gebeugte Licht
verschiedener Wellenlängen fokussiert, um räumlich ge
trennte, deutliche, kompakte Abbildungen der Quelle auf
dem Lichtdetektor (230) zu bilden.
7. Spektrograph (200) gemäß Anspruch 6, bei dem die zweite
Linseneinheit (224) aus einem einzigen optischen Ele
ment mit mindestens einer asphärischen, nicht-ellipsoi
den, nicht-hyperboloiden, nicht-paraboloiden Oberfläche
besteht.
8. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche
1 bis 7, bei dem der Lichtdetektor ein planares Array
(240) aufweist, das bezüglich der optischen Achse der
zweiten Linseneinheit geneigt ist.
9. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche
1 bis 8, bei dem die Linsenelemente (208, 224) aus ei
nem Material aufgebaut sind, das die Veränderungen der
Brennweiten der Linsenelemente mit der Temperatur durch
die Veränderung der linearen Abmessungen der Träger
struktur kompensiert werden.
10. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche
1 bis 9, bei dem die erste Linseneinheit (208) ein op
tisches Element mit einer oder mehreren asphärischen
Oberflächen ist, die zweite Linseneinheit (224) ein op
tisches Element mit einer oder mehr asphärischen Ober
flächen ist, wobei die erste Linseneinheit Licht einer
spezifischen Wellenlänge von der Mitte der Lichtquelle
im wesentlichen parallel macht, damit dasselbe auf das
Beugungsgitter (220) auftrifft, wobei die zweite Lin
seneinheit das gebeugte Licht von dem Beugungsgitter in
räumlich getrennte, deutliche, kompakte Abbildungen der
Lichtquelle für Licht von verschiedenen Wellenlängen
auf den Detektor (230) fokussiert.
11. Spektrograph (200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche
1 bis 10, der ferner einen Laser (204) zum Beleuchten
einer Probe (206) aufweist, um Raman-gestreutes Licht
zu emittieren, wobei die Raman-streuende Probe die
Lichtquelle ist, die Licht emittiert, das durch die
erste Linseneinheit (208) parallel gerichtet werden
soll.
12. Spektrograph (200) zum Analysieren eines Spektrums, das
eine Mehrzahl von interessierenden Wellenlängen auf
weist, mit folgenden Merkmalen:
- (a) einer ersten Linseneinheit (208), die aus einer einzigen Linse mit mindestens einer ellipsoiden Oberfläche zum Parallelrichten von Licht von einer Lichtquelle zusammengesetzt ist, wobei die erste Linseneinheit eine positive Brechkraft und eine Blendenzahl von 1,0 bis 1,7 aufweist;
- (b) ein planares, reflektives Beugungsgitter (220) zum Beugen des parallel gerichteten Lichts von der er sten Linseneinheit;
- (c) einem Lichtdetektor (230); und
- (d) einer zweiten Linseneinheit (224), die aus einer einzigen Linse mit mindestens einer nicht-ellip soiden, nicht-paraboloiden, asphärischen Oberflä che zusammengesetzt ist, die dem Beugungsgitter gegenüberliegt, zum Fokussieren des gebeugten Lichts auf den Lichtdetektor, wobei die zweite Linseneinheit eine Brennweite aufweist, die aus reichend ist, um für Licht der interessierenden Wellenlängen eine Gesamtvergrößerung von 0,8 bis 2,0 auf dem Lichtdetektor zu schaffen, wobei das Beugungsgitter (220) von der zweiten Linseneinheit (224) durch einen Abstand getrennt ist, der aus reichend ist, daß ein Strahl des gebeugten Lichts verschiedener Wellenlängen in seiner schmalen Di mension zu dem 1,5- bis 3fachen der Größe des Lichtstrahls ausgebreitet wird, der das Gitter verläßt, wenn derselbe auf die zweite Linsenein heit auftrifft.
13. Verfahren zum Analysieren von Licht von einer Licht
quelle mit folgenden Schritten:
- (a) Parallelrichten von Licht von der Lichtquelle durch eine erste Linseneinheit (104) mit minde stens einem optischen Element mit mindestens einer asphärischen Oberfläche, wobei die erste Linsen einheit eine positive Brechkraft und eine Blenden zahl von höchstens 1,7 aufweist;
- (b) Beugen des parallel gerichteten Lichts von der er sten Linseneinheit (104) mit einem Beugungsgitter (108); und
- (c) Fokussieren des gebeugten Lichts von dem Beugungs gitter mit einer zweiten Linseneinheit (122) mit mindestens einem optischen Element mit mindestens einer asphärischen Oberfläche auf einen Lichtde tektor (126), wobei die zweite Linseneinheit eine Brennweite aufweist, die für die Lichtquelle eine Gesamtvergrößerung von 0,8 bis 2,0 schafft, wenn dieselbe mit der ersten Linseneinheit kombiniert ist.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die zweite Linsen
einheit (122) eine Mitte aufweist und das gebeugte
Licht um die Mitte auf eine unsymmetrische Art und Wei
se fokussiert.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, das ferner den
Schritt des Beleuchtens einer analytischen Probe (206)
mit einem Laserstrahl (202) umfaßt, um zu bewirken, daß
die Probe Raman-gestreutes Licht emittiert, wobei die
Raman-streuende Probe die Lichtquelle ist, die Licht
emittiert, das durch die erste Linseneinheit parallel
gerichtet werden soll.
16. Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 13 bis
15, das ferner den Schritt des Neigens eines planaren
Arrays (240) des Lichtdetektors (204) bezüglich der op
tischen Achse der zweiten Linseneinheit (224) aufweist.
17. Verfahren zum Herstellen eines Spektrographen (100) zum
Analysieren von Licht von einer Lichtquelle mit folgen
den Schritten:
- (a) Befestigen einer Kollimationslinse (104) mit einer Blendenzahl von 1,7 oder weniger in einer Position bezüglich der Lichtquelle auf einem Träger, der art, daß Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, in einen im wesentlichen parallelen Strahl ausgerichtet wird, wobei die Linseneinheit minde stens eine Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche aufweist;
- (b) Befestigen eines planaren Beugungsgitters (108) in einer Position auf dem Träger, um den parallel ge richteten Lichtstrahl zu beugen, derart, daß das gebeugte Licht erster Ordnung einen spitzen Winkel mit dem parallel gerichteten Strahl bildet;
- (c) Befestigen einer Fokussierungslinseneinheit (122) in einer Position auf dem Träger, um das gebeugte Licht erster Ordnung zu fokussieren, wobei die Fo kussierungslinseneinheit mindestens eine Linse mit mindestens einer asphärischen Oberfläche aufweist; und
- (d) Befestigen eines planaren Lichtdetektors (126) auf dem Träger, derart, daß die Normale der Ebene des Lichtdetektors einen spitzen Winkel mit der opti schen Achse der Fokussierungslinse bildet, um deutliche, kompakte Abbildungen der Lichtquelle in verschiedenen Wellenlängen auf dem Lichtdetektor zu erhalten, wobei die zweite Linseneinheit eine Brennweite aufweist, die für die Lichtquelle eine Gesamtvergrößerung auf dem Detektor von 0,8 bis 2,0 schafft.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Verfahren zum
Analysieren von Spektren mit einer Mehrzahl von inte
ressierenden Wellenlängen dient, und wobei das Beu
gungsgitter (108) von der zweiten Linseneinheit durch
einen Abstand getrennt ist, der ausreichend ist, daß
ein gebeugtes Licht verschiedener Wellenlängen in sei
ner schmalen Dimension auf das 1,5- bis 3fache der
Größe des Lichtstrahls, der das Gitter verläßt, ausge
breitet wird, wenn dasselbe auf die zweite Linsenein
heit trifft.
19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem die erste
Linseneinheit (104) aus einer einzigen Linse mit minde
stens einer ellipsoiden Oberfläche besteht und die
zweite Linseneinheit (122) aus einer einzelnen Linse
mit mindestens einer aphärischen, nicht-ellipsoiden,
nicht-hyperboloiden, nicht-paraboloiden Oberfläche be
steht.
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