DE3322639A1

DE3322639A1 - Konkavgitterspektrometer

Info

Publication number: DE3322639A1
Application number: DE19833322639
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Fuchu Harada; Toshiaki Tokyo Kita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-06-25
Filing date: 1983-06-23
Publication date: 1984-01-05
Also published as: JPS58225321A; DE3322639C2; US4568187A

Description

Hitachi, Ltd. 23. Juni 1983

6, Kanda Surugadai 4-chome A 4705 Al

Chiyoda-ku, Tokyo,
Japan

Beschreibung

1

Konkavgitterspektrometer 15

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konkavgitterspektrometer, welches das zu messende Licht in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge streut und fokussiert, und insbesondere ein Konkavgitterspektrometer, welches das Spektralbild frei von Astigmatismus liefert und zur Verwendung in einem Polychromator bzw. Vielfarbmesser geeignet ist, der einen Halbleiterfotodetektor verwendet.

Unter den verschiedenen Spektrometertypen, welche in PoIychromatoren verwendet worden sind, ist das üblichste Spektrometer ein Konkavgitterspektrometer, welches ein sehr einfaches optisches System aufweist und keine unabhängige Fokussiereinrichtung wie z.B. einen sphärischen Spiegel benötigt. Das vom Spektrometer in Abhängigkeit von der Wellenlänge gestreute und fokussierte Spektralbild wird durch einen Fotodetektor nachgewiesen, der aus einer Trockeneiatte, einer Vielzahl von Fotomultipliern oder Solarzellen bestehen kann, die an den jeweiligen Fokussierungspositionen des Spektrums angeordnet sind. Neuerdings sind Fotodetektoranordnungen praktiziert worden, in welchen eine Vielzahl von kleinen Halbleiterfotosensoren wie z.B. ladungsgekoppelte

- Tt-

. S-

Einrichtungen (CCD) und Fotodioden in einem konstanten Abstand angeordnet sind. Diese Fotodetektoranordnung wird gebildet durch Eingliedern von einigen hundert oder mehr⁴ der oben erwähnten Halbleiterfotosensoren auf einer Linie, was eine einfache Handhabbarkeit und die Messung der Lichtintensität für viele Wellenlängen in einer sehr kurzen Zeit ermöglicht. Demzufolge kann durch Kombination einer Fotodetektoranordnung mit dem oben erwähnten Konkavgitter ein PoIychromator geschaffen werden, der eine Hochgeschwindigkeitsmessung mit einfachem Aufbau ermöglicht.

Die zur Zeit verfügbaren Fotodetektoranordnungen sind jedoch solche, bei welchen die Fotosensoren in einem ebenen Bereich angeordnet sind. Um die Fotodetektoranordnung zu

¹^ verwenden, muß daher das Spektrometer ein optisches System aufweisen, das ein spektrales ~;Bild auf der gleichen Ebene fokussiert. Wie in Fig.1 gezeigt ist, erzeugt das konventionelle Konkavgitter 1, bei welchem konstant beabstandete, gerade Rillen bzw. Furchen (auf einer Rohlingebene) auf ei-

^O ner konkaven sphärischen Oberfläche gebildet sind (vgl. z.B. Handbuch der Physik, von G.W. Stroke, Bd.XXIX, 1967, Seiten 472-486) eine spektrale Bildoberflache, mit einem Rowland-Kreis 2 mit einem Durchmesser gleich dem Radius der sphärischen Oberfläche und normal zur Zeichnung. Die oben erwähnte Bedingung ist nicht erfüllt. In Fig.1 ist außerdem ein Eintrittsschlitz 3, ein Strahl 4 eines zu messenden Probenlichtes, die Normale 5 der Beugungsgitteroberfläche/ ein Strahl 6 des gestreuten monochromatischen Lichts und der Mittelpunkt A der Krümmung der sphärischen Ober-

fläche gezeigt.

Um dieses Problem zu bewältigen, ist ein Konkavgitter mit einer solchen horizontalen Brennlinie verwendet worden,

welche Lemniskate genannt wird, wobei Furchen durch eine 35

holographische; Mcl'hocle unter Vcrwendunq von Lasen nt' τ fnrerr/ in unterschiedlich boabstandeter, gekrümmter Konfiguration gebildet worden sind. Die relativ linearen Abschnitte der horizontalen Brennlinie sind benutzt worden, um eine unge-

fähr ebene Bildfläche zu erzeugen (vgl. Hewlett-Packard Journal, von G.W. Hopkins & A. Schwartz, Febr.1980, Seite 17) Diese Methode erfüllt die Bedingung der ebenen Fokussierung. Sie weist jedoch das Problem des verbleibenden Astigmatismus in dem Spektralbild auf.

Astigmatismus verursacht praktisch kein Problem, wenn der fotoempfindliche Bereich des Detektors in Höhenrichtung des Spektralbildes ausreichend dimensioniert ist, wie dies bei Trockenplatten oder Fotovervielfachern der Fall ist.

Die Fotodetektoranordnung hat jedoch keine ausreichende Höhe in jedem Fotosensor, was ein überlaufen des Lichtes aufgrund des Astigmatismus ergibt. Hierdurch wird eine erhebliche Lichtmenge verloren. Wenn die räumliche Verteilung der Lichtintensität in Höhenrichtung des Eingangsschlitzes gemessen wird durch Verwendung einer zweidimensionalen Fotodetektoranordnung, welche gebildet wird durch Anordnung von Fotosensoren auch in Höhenrichtung, verursacht der Astigmatismus Interferenz. Eine genaue Messung kann nicht erwartet

werden .

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die oben erwähnten Probleme des Standes des Technik zu lösen und ein Konkavgitterspektrometer zu schaffen, welches ein Spektralbild auf einer Ebene fokussiert, wobei Astigmatismus in einem weiten Wellenlängenbereich eliminiert wird. Um dies zu erreichen, besteht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung charakteristischerweise in einer Anordnung des Konkavgitterspektrometers mit unterschiedlich beabstandeten und/oder

gekrümmten Rillen, die auf einer konkaven sphärischen Oberfläche gebildet sind, bei welcher nach Bestätigung, daß eine Bedingung existiert zur Erzielung angenäherter Koinzidenz der horizontalen Brennlinie mit der vertikalen Brennlinie,

welche durch den Mittelpunkt der Kugel verläuft (Astigmatis-35

mus verschwindet auf der vertikalen Brennlinie), durch Einstellung des Einfallwinkels auf einen bestimmten Wert, der Eintrittsschlitz in eine Position auf der vertikalen,durch den Mittelpunkt der Kugel verlaufenden Brennkurve plaziert

wird und mit einem Einfallswinkel, der durch die obige Bedingung bestimmt wird, wobei das Bild auf der vertikalen, durch den Mittelpunkt der Kugel verlaufenden Brennkurve fokussiert wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.1 eine beispielhafte schematische Darstellung eines Gitterspektrometers gemäß Stand der Technik,

Fig.2 eine beispielhafte schematische Darstellung, welche das Verfahren zur Herstellung des konkaven Gitters mit verändertem Abstand und gekrümmten Rillen zeigt, welches gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Fig.3 eine schematische Darstellung, welche die horizontale und vertikale Brennlinie eines konkaven Gitters mit verschiedenem Abstand und gekrümmten Rillen zeigt,

Fig.4 eine graphische Darstellung, welche die Veränderungen der Summe der Quadrate der Differenz zwischen der horizontalen und vertikalen Brennlänge zeigt,

Fig.5 eine graphische Darstellung des Fehlers der horizontalen Brennlänge, welcher durch die lineare Annäherung verursacht wird, und

Fig.6 eine Draufsicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im nachfolgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In Fig.2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines konkaven Gitters mit verschieden beabstandeten und gekrümmten Rillen gezeigt, welches durch die vorliegenden Erfinder und andere in der US-PS 4 012 843 vorgeschlagen worden ist. Das Diamantwerkzeug 7 bewegt sich rückwärts und vorwärts innerhalb einer Ebene, welche eine Gerade einschließt, die um einen Winkel θ im Verhältnis zur Normalen 4 des Rohlings 8 am Mittelpunkt 0 abgeschrägt ist und senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der sphärische Rohling 8 wird mit einem verschiedenen Abstand in der durch den Pfeil gezeigten Richtung bewegt. Verschieden bzw. ungleich beabstandete, gerade Rillen 9 mit einer Neigung Θ , wenn von der Vorderseite des Zeichnungsblattes beobachtet, werden gebildet. Die Rillen sind elliptisch mit einer bestimmten Abplattung, bestimmt durch θ und die Krümmung der sphärischen Oberfläche, wenn sie längs der Normalen 4 projiziert werden.

Das konkave Gitter mit mechanisch geformten Rillen, welche, wie oben beschrieben, gebildet worden sind, weist horizontale und vertikale Brennlinien auf, welche jeweils durch die nachfolgenden Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt werden.

R ^{2 r} H ^R

1 ,cos²o( _ cos ft » 1 ,cos² ρ _ cos ft>

2 * r ^D '9 ^T"» 1 r> ' '

^ (sinOi

₊
30 ^R

1 .1 cos OC ι 1 , 1 cos ρ

1 .1 cos OC ι 1 2⁽r" " ~R ^} 2

2^%r R ^{2 r}'v ^R 35

· tang =

· tang =0 (2)

3372639

wobei, wie in Fig.6 gezeigt, CX der Einfallswinkel des Lichtes, ß> der Beugungswinkel des Lichtes mit der Wellenlänge λ. , r der Abstand OS zwischen dem Eintrittsschlitz und dem konkaven Gitter, r' die horizontale Brennweite oh, r¹ die vertikale Brennweite OV, R der Krümmungsradius OA der sphärischen Oberfläche des Gitters, Θ der Neigungswinkel der auf der sphärischen Oberfläche des Gitters gebildeten Rillen ist, wie oben in Verbindung mit Fig.2 erwähnt, und k eine Konstante ist, welche den Abstand der Rillen bestimmt. In diesem Zusammenhang wird ebenfalls Bezug auf die oben erwähnte US-PS genommen.

Ein Beispiel der horizontalen Brennlinie, welche sich aus Gleichung (1) ergibt, ist die Linie 10 in Fig.3 und ein Beispiel der vertikalen Brennlinie, welche sich aus Gleichung (2) ergibt, ist die Linie 11 in Fig.3. In Fig.3 ist außerdem das konkave Gitter 12 und der Mittelpunkt A der Krümmung der sphärischen Oberfläche gezeigt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist die horizontale Brennlinie 10 eine Kurve, während die vertikale Brennlinie 11 eine Gerade ist, Bei dem gezeigten Beispiel fallen sie nicht miteinander zusammen, ausgenommen an den speziellen Punkten A und B.

In allgemeinen Spektrometern ist der Brennpunkt in horizontaler Richtung wichtiger als der Brennpunkt in vertikaler Richtung, um die ausreichende Auflösung zu erzielen. Beim Aufbau eines Spektrometers werden daher Fotosensoren auf der horizontalen Brennlinie angeordnet, wodurch sich Astigmatismus im Spektralbild ergibt. Wenn die fotoempfindliehe Fläche eben ist wie im Falle der Fotodetektoranordnung, stellt sich die Frage, an welcher Position auf der horizontalen Brennlinie die Fotosensoren angeordnet werden sollten, zusätzlich zu dem obigen Problem. Die vorliegenden Erfinder prüften die Möglichkeit der Verwendung der vertikalen Brennlinic als Annäherung der horizontalen Brcnnlinie_r wodurch gleichzeitig das Problem des Astigmatismus gelöst werden kann.

In Fig.4 ist das Ergebnis der Berechnung für die Summe der Quadrate der Differenz der vertikalen und horizontalen Brennweite. (r¹ - r¹ ) für jede Wellenlänge Q = Σ (^r' ~ ^r'tr)² 9^e~

Vn V JtI

zeigt, wobei der Einfallswinkel O^ und die oben erwähnte Konstante k als Parameter verwendet werden. Die Spezifizierungen sind z.B. wie folgt: Anzahl der Rillen 300 Rillen/ mm, Krümmungsradius 50 mm, Θ = 8° und Wellenlängenbereich 250 bis 750 nm. Es muß nicht unbedingt erwähnt werden, daß um so bessere Eigenschaften erzielt werden, je kleiner der Wert Q ist. Wie aus Fig.4 hervorgeht, hat die Summe Q der Quadrate für jeden Einfallswinkel einen Minimalwert, wobei der Wert von Q sich in Abhängigkeit vom Einfallswinkel (X ändert, und ihre Einhüllende hat ebenfalls einen Minimalwert. Genauere Berechnungen für (X und k um den Minimalwert

von Q, gezeigt in der Figur, ergibt, daß der Minimalwert von Q genauer bei (X = -5,6° und k =0,23 38 liegt. Der Wert von (r¹ -r' ) für jede Wellenlänge, d.h. die horizontale

V xi

Brennabweichung ist durch die ausgezogene Linie (a) in Fig.5 gezeigt. Das durch (a) gezeigte Ergebnis ist nicht

sehr unterschiedlich von der Brennabweichung, welche durch Annäherung der horizontalen Brennlinie durch eine Gerade erhalten wird durch eine solche Auswahl der Konstanten k des veränderlichen Abstandes, daß die horizontale Brennlinie innerhalb des verwendeten Wellenlängenbereichs so Ii-25

near wie möglich ist (gezeigt durch die gestrichelte Linie

(b) in Fig.5). In einem anderen Beispiel wurde bestätigt, daß sicherlich eine Bedingung existiert, welche erlaubt, daß die horizontale Brennkurve durch eine lineare vertikale Brennlinie durch Auswahl eines geeigneten Einfallswinkels angenähert wird.

In Fig.6 ist ein Diagramm gezeigt, in welchem eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert wird.

_oc Die Figur stellt eine Draufsicht des Polychromators dar,

welcher aus dem erfindungsgemäßen konkaven Gitterspektrometer mit einer Fotodetektoranordnung (z.B. CCD-Anordnung, Fotodiodenanordnung, usw.) zum Messen des Wellenlängenbereiches von z.B. 250 bis 750 nm besteht.

Die Spezifikationen des konkaven Gitters und der optischen Einrichtungen sind folgende:

Anzahl der Rillen (durchschnittlich): 350 Rillen/nm Krümmungsradius: 50 mm
Einfallswinkel <?( : -5,6°
k: 0,2448
B: 8°

r: 50,94 mm
10

Ein Eintrittsschlitz 3 und eine Fotodetektoranordnung 13 sind auf einer Linie angeordnet, welche durch den Krümmungsmittelpunkt A des sphärischen konkaven Gitters 12, verläuft, d.h. auf der Linie 11, welche die angenäherte horizontale Brennlinie und zur gleichen Zeit die vertikale Brennlinie, wie vorher beschrieben, ist. Das zu messende Licht 4 fällt durch den Eintrittsschlitz 3 auf das konkave Gitter 12. Das in Abhängigkeit von der Wellenlänge durch das Gitter gestreute Licht 6 wird auf einem bestimmten Fotosensor in der Fotodetektoranordnung 13 fokussiert, welche auf der Brennoberfläche angeordnet ist, um ein Spektralbild frei von Astigmatismus zu bilden.

Gemäß der Ausführungsform der Fig.6 erscheint in dem Spek- · tralbild kein Astigmatismus, wodurch die wirksame Messung des Lichtes ermöglicht wird. Es ist außerdem möglich, die Verteilung der Spektralintensität räumlich genau zu messen, indem eine Vielzahl von Löchern in der vertikalen Richtung des Schlitzes anstelle eines Eintrittsschlitzes angeordnet

werden und durch Verwendung eines zweidimensionalen Fotosensors wie z.B. einer zweidimensionalen Fotodetektoranordnung. In einem solchen Spektrometer können z.B. gleichzeitig Gasspektren nachgewiesen werden.

Obwohl die Ausführungsform hauptsächlich für Spektrometer beschrieben worden ist, bei welchen ein konkaves Gitter mit unterschied liebem Abstand und gekrümmten Ri Hon vorwendot wird, welche durch mechanisches Teilen geformt worden

Kind, was durch die vorLiogonden Erfinder und andere vorgeschlagen worden ist, ist die erfindungsgemäße Anordnung auch anwendbar auf konkave Gitter mit unterschiedlichem Abstand und gerade'n Rillen und auf konkave Gitter mit kon stand beabstandeten gekrümmten Rillen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie oben beschrie ben, ein Konkavgitterspektrometer geschaffen, welches ein Spektralbild frei von Astigmatismus auf einer ebenen BiId fläche fokussiert. Durch Kombination mit einer Fotodetektoranordnung kann ein einfach aufgebauter Hochleistungspolychromator erzielt werden.

Claims

Patentansprüche

1.yKonkavgitterspektrometer mit einem Konkavgitter zur Streuung eines zu messenden Lichtes in einem Wellenlängenbereich gemäß der Wellenlänge und zur Schaffung eines Spektralbildes, g ekenn zeichnet durch

ein Konkavgitter (12) mit verschiedenem Abstand und/oder gekrümmten Rillen, welche auf einer konkaven sphärischen Oberfläche gebildet sind, welches eine horizontale, eine vertikale Brennlinie kreuzende Brennlinie erzeugen kann, und

einen Eintrittsschlitz (3), der in einer solchen Position auf einer vertikalen Brennlinie (11), welche durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Oberfläche verläuft, angeordnet ist, daß die Summe der Quadrate der Differenz zwischen der horizontalen und vertikalen Brennweite bei jeder Wellenlänge in dem Wellenlängenbereich einen Minimalwert annimmt, wobei das zu messende Licht, welches durch den Eintrittsschlitz auf das Gitter fällt, hierdurch entsprechend der Wellenlänge gestreut und ein Bild durch das Konkavgitter auf der vertikalen Brennlinie, welche durch den Krümmungsmittolpunkt vorläuft, fokussiert wird.

2. Konkavgitterspektrometer gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Lichtnachweiseinrichtung (13), welche an der Bildfokussierungsposition angeordnet ist.

3. Konkavgitterspektrometer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsschlitz eine Viel zahl von ausgerichteten Löchern aufweist.

4. Konkavgitterspektrometer gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtnachweiseinrichtung eine Fotodiodenanordnung aufweist.

5. Konkavgitterspektrometer mit einem Konkavgitter zur Streuung eines zu messenden Lichtes in einem Wellenlängen-

bereich gemäß der Wellenlänge und zur Schaffung eines Spektralbildes, gekennzeichnet durch

ein Konkavgitter (12) mit verschiedenem Abstand und/oder gekrümmten Rillen (9), die auf einer konkaven sphärischen Oberfläche gebildet sind, welches eine horizontale, eine vertikale Brennlinie kreuzende Brennlinie erzeugen kann,

einen Eintrittsschlitz (3), der in einer solchen Position ^° auf einer vertikalen Brennlinie, durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Oberfläche verläuft, angeordnet ist, daß die Summe der Quadrate der Differenz zwischen der horizontalen und vertikalen Brennweite bei jeder Wellenlänge in dem Wellenlängenbereich einen Mi-

nimalwert annimmt und

eine Einrichtung zur Bildung eines Bildes auf der vertikalen, durch den Krümmungsmittelpunkt verlaufenden Brennlinie (11),

wobei ein zu messendes Licht, welches durch den Eintritts schlitz fällt, durch das Konkavgitter gemäß der Wellenlänge gestreut und ein Bild durch das Konkavgitter auf

- 3 der vertikalen Brennlinie fokussiert wird.

6. Konkavgitterspektrometer gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Formung des Bildes einen Lichtdetektor aufweist.

7. Konkavgitterspektrometer gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsschlitz eine Viel zahl von ausgerichteten Löchern aufweist.

8. Konkavgitterspektrometer gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor eine Fotodiodenanordnung aufweist.

!5

9. Konkavgitterspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Konkavgitter einen verschiedenen Abstand und gekrümmte· Rillen, die auf einer konkaven sphärischen Oberfläche gebildet sind, aufweist