DE3326868A1

DE3326868A1 - Anordnung zur auswahl von spektrenabschnitten aus einem gesamtspektrum

Info

Publication number: DE3326868A1
Application number: DE19833326868
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Phys. DDR 6902 Jena Mohr
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1982-10-01
Filing date: 1983-07-26
Publication date: 1984-04-05
Also published as: DD210753A1

Description

Anordnung zur Auswahl von Spektrenabschnitten aus
einem Gesamtspektrum Die Erfindung betrifft-eine Anordnung zur Auswahl von Spektrenabschnitten aus einem Gesamtspektrum. Sie@wird angewendet zur Spektralanalyse ausgewählter Nachweisspektrallinien bzw. zur Darstellung ausgewählter Spektrenabschnitte aus einem großen Spektralbereich bei relativ hohem spektralen Iiuflösungsvermögen und hohem Lichtleitwert des dispergierenden optischen Systems.
Bei der Anwendung bekannter Gittermonochromatoren mit Echelettegittern und hoher reziproker Lineardispersion müssen zwecks Wechsel der zu untersuchenden Spektrallinien oder Spektrenabschnitte oft große Gitterwinkelbereiche abgefahren werden. Dazu sind an die verwendeten Gitterantriebsmechanismen hö chst e Anforderungen in Bezug auf Positionniergenauigkeit und Lagerreproduktion der Beugungsgitter zu stellen. Gemäß der Gitterformel sinαg + sin ßh = m . #. # 1, 9 bestimmt die obere Grenzwellenlänge des abzutastenden Spektralbereiches die maximal venrendbare Gitterfurchenzahl pro Millimeter (G) und damit das Auflösungsvermögen des Monochromators. li'ür einen goßen, abzutastenden Spektralbereich wird es unter Umständen notwendig, mit zwei oder mehreren Gittern bzw. Spektralordnungen zu arbeiten. zur die Gitterwechselmechanismen sind ebenfalls höchste Positioniergenauigkeit und Lagereproduktion eriorderlich. Nachteilig ist der damit verbundenke Zeitaufwand bis zum Erreichen entfernter Wellenlängenpositionen. andere bekannte technische Lösungen verwenden Monochromatoren mit einem Echellegitter und gekreuzte Dispersion. Dabei wird das Spektrum durch das Echellegitter in vielen Spektralordnungen erzeugt.
Sin Querdispersionselement trennt die Ordnungen in einzelne Zeilen auf.
Bei Anordnung für gekreuzte Dispersion kann zur Darstellung eines großen Spektralbereiches infolge der Ordnungszeilentrennung nur eine geringe Bintrittsspalthöhe des optischen Systems gewählt werden, so daß der Lichtleitwert und damit die spektrale Strahlungsleistung des optischen Systems eingeschränkt ist.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und einzelne Spektrall@nien oder Spektrenabschnitte eines großen Spektralbereiches mit hoher Auflösung, großem Lichtleitwert und reduziertem Streulichtanteil auf einen Empfänger abzubilden und den wechsel zwischen einzelnen Spektrallinien oder Spektrenabschnitten in kurzer Zeit durchzuführen.
Die Aufgabe der @rfindung, ein dispergierendes optisches System zu entwickeln, bei dem Ansteuerungselemente mit relativ geringer Schrittgenauigkeit verwendet werden können und keine Begrenzung an die Spalthöhe durch spektrale Überlagerungen auftreten, wird durch eine Anordnung zur auswahl von Spektrenabschnitten aus einem Gesamt spektrum, bei der die Strahlung einer Strahlungsquelle über eine im Stahlengang befindliche Beleuchtungsoptik nacheinander auf ein dispergierendes Element eines Vormonochromators, auf ein Schellegitter eines mit weiteren Abbildungselementen versehenen Echellesystems und auf ein Empfängersystem gelenkt wird, wobei der Vormonochromator und das Echellesystem durch einen gemeinsamen Spalt optisch miteinander verbunden sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dispersionsebenen des dispergierenden Elements und des Echellegitters im wesentlichen parallel zueinander liegen, daß der gemeinsame spalt zumindest annähernd in der meridionalen Fokalehene des Vormonochromators angeordnet ists und daß das dispergierende Element, der gemeinsame Spalt, das Empfängersystem, das Echellegitter und/oder mindestens eines der abbildungselemente in ihren Sinstelliunk-tionen zur Wellenlängenselektierung steuerbar miteinander gekoppelt sind.
Dem dispergierenden Element und dem gemeinsamen Spalt ist ein erstes gemeinsames, rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet. Dabei sind entweder das Echellegitter und die Abbildungselemente im Strahlengang fest und zumindest Teile des Empfängersystems entlang einer vom Echellegitter erzeugten opektralordnung verschiebbar angeordnet, oder das Lmpfängersystem ist im Strahlengang fest angeordnet und das Echellegitter und mindestens eines der Abbildungselemente sind um zu den Furchen des Echellegitters im wesentlichen parallele Achsen drehbar gelagert.
Den verschiebbaren und drehbaren Elementen sind jeweils ein weiteres rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden.
Einer Strahlungsquelle 1 sind entlang eines Strahlenganges 2 eine @eleuchtungsoptik 3 und ein Eintrittsspalt 4 eines als Czerny-Turner-Anordnung ausgebildeten Vormonochromators 5 nachgeordnet. Der Vormonochromator 5 besteht außerdem aus einem Kollimatorspiegel 6, einem rückflächenverspiegelten Prisma 7, das um eine Achse parallel zu seiner brechenden Kante drehbar angeordnet ist und einem Kameraspiegel 8. Bin Spalt 9 mit veränderlicher Spaltbreite ist gleichzeitig als Austrittsspalt des Vormonochromators 5 und als Eintrittsspalt des Echellesystems 10 vorgesehen. Mit einem Schrittmotor 11 verbundene Kurvenscheiben 12 und 13 besitzen jeweils am Prisma 7 und am Spalt 9 befestigte Hebel 14 und 15, die in der Zeichnung schematisch angedeutet sind.
Das Echellesystem 10, ebenfalls als Czerny-Turner-Anordnung ausgebildet, besteht außer dem Spalt 9 aus einen Kollimatorspiegel 16 einem Echellegitter 17 und einem Kameraspiegel 18. Ein Austrittsspalt 19, der sich in der nicht dargestellten meridionalen Fokalebene des Echellesystems 10 befindet, und ein Umlenkelement 20 sind auf einer an Führungsstangen 21 verschiebbaren Halterung 22 befestigt, die über eine Antriebsspindel 23 mit einem Schrittmotor 24 gekoppelt ist. Die Schrittmotoren 11 und 24 werden über einen Mikrorechner 25, der über eine Dateneingabe 26 verfügt, angesteuert.
Sin Strahlungsstromempfänger 27 ist dem Austrittsspalt 19 nachgeordnet.
Die von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlung tritt über die Beleuchtungsoptik 3 und den Eintrittsspalt 4 in den Vormonochromator 5 ein, wird durch das Prisma 7 spektral zerle0, und Teile der Strahlung gelangen über den Spalt 9 in das Echellesystem 10. Durch üaS Schellegitter 17 findet eine nochmalige Zerlegung des Lichte; statt, ehe es aber den Austrittsspalt 19 und das Umlenkelement 20 auf den Strahlungsstromempfänger gelenkt wird. Die durch den Schrittmotor angetriebenen Kurvenscheiben 12 und 13 verstellen mittels der Tiebel 14 und 15 das Prisma 7 und den Spalt 9 so, daß durch Drehung des Prismas 7 das gesamte Spektrum iber den Spalt 9 gefahren wird, und daß gleichzeitig durch dessen Spaltbreiteneinstellung die Spektralordnung ausgewählt wird, in der sich die gewünschte Spektrallinie bzw. der Spektralabschnitt befindet.
Infolge der Beugung der durch den Spalt 9 hindurchgehenden Strahlung durch das Echellegitter 17 entsteht in der meridionalen Fokalebene des Echellesystcms eine überlagerungsfreie Spektralordnung mit hoher reziproker Lineardispersion.
Um eine scharfe Seitenbegrenzung der abzubildenden Spektralordnungen zu erreichen, ist der Spalt 9 in der meriodionalen fokalebene des Vormonochromators 5 angeordnet.
Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt einen hohen Lichtleitwert, da das Prisma 7 und das Echellegitter 17 die Strahlung in der gleichen Ebene dispergieren, und deshalb die .palthöhe der Spalte 4 und 9 in der Fokalebene des Echellesystems voll genutzt werden kann.
Da sowohl Prismen als auch Echcllegitter einen geraden Spalt als gekrümmte Linien abbilden, sind der Vormonochromator 5 und das Echellesystem 10 so zueinander aufgestellt, daß die durch Prisma und Echellegitter hervorgerufenen Spaltkrümmungen in ihrer Richtung kompensiert werden.
Zur Einstellung der erfindungsgemäßen Anordnung auf eine Wellenlänge ## wird erstens die zugehörige Spektralordnung m aus den im Mikrorechner 25 gespeichericn Daten ermitt@@@. Als zweitcr Schritt wird über den Mikrorechner 2@ @@r Vormonochromator 5 durch Prismendrehung und Spaltbreitenänd erung so eingestellt, daß din der Fokalebene des Echellesystems 10 die Spektralordnung m erscheint, in der der zu selektierende @ellenlängenabschnitt liegt. Drittens wird durch den Mikrorechner 25 eine Verschiebeposition für den Austrittsspalt 19 entlang der Spektralordnung m errechnet, wobei ## die Mittenwellenlänge der Spektralordnung m darstellt. In einem vierten Schritt wird die Position der Wellenlänge ## mit dem Austrittsspalt 19, gesteuert über den Mikrorechner 25 und angetrieben durch den Schrittmotor 24, angefahren.
Durch die Aufteilung des Wellenlängenwechsels in Wechsel der Spektralordnungen und Verschiebung innerhalb einer kurzen Ordnungszeile gestattet die er-indungemäße Anordnung einen wesentlich schnelleren Wechsel zwischen Abschnitten mit großem Wellenlängenabstand als Monochromatoren mit Echellegitter.
Der Aufwand zur Positionierung der Elemente der erfindungsgemäßen Anordnung ist gegenüber einem Scanningmonochromator mit Echellegitter niedriger, weil das Vormonochromatorprisma 7 und der Spalt 9 in wenigen wiederkehrenden Schritten entsprechend der verwendeten Ordnung n positioniert werden und in der Fokalebene des Echellesystems nur eine durchgehende reproduzierbare Positionierung innerhalb einer großen Ordnungszeilenlänge erfolgen muß.
Die Empfängerkombination aus Austrittsspalt und Strahlungsstromempfänger kann auch durch einen Bildempfänger, z.B. einen Zeilenempfänger, ersetzt werden, der bei nicht ausreichender Zeilenlänge in ähnlicher Weise ;ie der Austrittsspalt verschiebbar angeordnet werden kann.
Der Vormonochromator und das Echellesystem können auch als anderes optisches system, z.B. Littrow-System, ausgebildet sein. Anstatt des Prismas im Vormonoehromator ist auch ein Echelettegitter verwendbar.
In einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Empfängerkombination im Strahlengang fest angeordnet, während das Echellegitter oder der Ka,eraspiegel des Eehellesystems parallel zum Furchenverlauf des Chellegitters drehbar und über einen mit den Daten des Rechners ?ngesteuerten Schrittmotor zu verstellen sind.
Dadurch läuft die gesamte ausgewählte Spektralordnung über die Mitte der Fokalebene des Echellesystems ab. Leer seite

Claims

Patentanspruch 1. Anordnung zur Auswahl von Spektrenabschnitten aus einem Gesamtspektrum bei der die strahlung einer Strahlungsquelle über eine im Strahlengang befindliche Beleuchtungsoptik nacheinander auf ein dispergierendes Element eines Vormonochromators, auf ein 3chellegitter eines mit weiteren Abbildungselementen versehenen Echellesystems und auf ein zmpfängersystem gelenkt wird, wobei der Vormonochromator und das Echellesystem durch einen gemeinsamen Spalt optisch miteinander verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Dispersionsebenen des dispergierenden Elements und des Echellegitters im wesentlichen parallel zueinander liegen, daß der gemeinsame Spalt zumindest annähernd in der meridionalen Fokalebene des Vormonochromators angeordnet ist und daß das dispergierende Element der gemeinsame Spalt, das Empfängersystem, das Echellegitter und/ oder mindestens eines der Abbildungselemente in ihren Einstellfunktionen zur Wellenlängenselektierung steuerbar miteinander gekoppelt sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem dispergierenden Element und dem gemeinsamen Spalt ein erstes gemeinsames, rechnergesteuertes Verstellelement zugeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Echellegitter und die Abbildungselemente im Strahlengang fest und zumindest Teile des Empfängersystems entlang einer vom Echellegitter erzeugten Spektralordnung verschiebbar angeordnet sind und daß der Empfängerkombination ein weiteres, rechnergesteuerstes Verstellelement zugeordnet ist.

#. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzecinet dadurch, daß das Empfängersystem im Strahlengang fest angeordnet und das Echellegitter und mindestens eines der Abbildungselemente um zu den Furchen des Echellegitters im wesentlichen parallele Achsen drehbar gelagert sind, und daß dem Echellegitter und/oder mindestens einem der Abbildungselemente ein weiteres, rechnergesteuertes Verstellelement zugeoidnet ist.