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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer und insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich,
ein Abbildungsspektrometer.
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Stand der
Technik
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Ein
Spektrometer ist ein optisches System, das ein Objekt in einer Überlagerung
von chromatischen Bildern auf einer Bildebene, in welcher ein Detektor
angeordnet ist, konjugiert.
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Die
Bilder jeder Wellenlänge
werden durch eine Quantität,
die von der Wellenlänge
abhängt
und in Übereinstimmung
mit dem Gesetz der chromatischen Dispersion in eine Richtung übersetzt,
die als die spektrale Richtung bekannt ist.
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Das
Objekt im Spektrometer ist häufig
ein Bild, das von einem anderen optischen System kommt.
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Das
vom Spektrometer beobachtete Objekt ist im Allgemeinen durch eine
Rechteck-Feldblende begrenzt,
die als ein Spalt bekannt ist.
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Die
räumliche
Richtung und die Spektralrichtung sind durch Bezugnehmen auf die
Seiten des Spaltes oder dessen Bilder definiert. Die räumliche Richtung
ist im Allgemeinen diejenige der längeren Seite des Spalt-Rechtecks
und die Spektralrichtung ist die kürzere.
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Das
Bild wird in allen Arten von Spektrometern durch eine Überlagerung
von chromatisch dispergierten chromatischen Bildern des Spaltes
gebildet, das heißt,
Bildern, die in der Spektralrichtung durch eine Quantität übersetzt
sind, die von der Wellenlänge
der Strahlung abhängt.
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Die
Spektrometerklasse umfasst generische Spektrometer und abbildende
Spektrometer.
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Zwischen
einem generischen Spektrometer (nicht abbildend) und einem abbildenden
Spektrometer besteht ein substantieller Unterschied:
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Ein
nicht abbildendes Spektrometer löst chromatisch
die Strahlung auf, die von einem ausgedehnten Objekt kommt (normalerweise
durch eine Rechteckfeldblende, als Spalt bekannt, begrenzt) und
erzeugt eine Messung der Intensität jeder chromatischen Komponente,
die in dem Objekt vorhanden ist. Diese Messung wird in der räumlichen
Richtung integriert. Das heißt,
dass der Detektor der in der Brennebene des Spektrometers liegt,
nicht in der Lage ist, zwischen unterschiedlichen Punkten des Objektes
(Spaltes) in räumlicher
Richtung zu unterscheiden. Anders ausgedrückt, wenn ein elektrooptischer
Detektor verwendet wird, ist er im Allgemeinen ein lineares Array.
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In
einem abbildenden Spektrometer dagegen kann der Detektor auch in
der räumlichen
Richtung unterscheiden. Für
den Fall von elektrooptischen Sensoren werden diese rechteckige
Matrizen von Detektoren sein.
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Dementsprechend
muss die Qualität
der chromatischen Bilder des Spaltes so sein, dass es möglich ist,
Details des Objektes in der räumlichen Richtung
auflösen
zu können.
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Im
Wesentlichen ist die Klasse der generischen, nicht abbildenden Spektrometer
eine Unterklasse der abbildenden Spektrometer. Diese Erfindung kann
sowohl bei abbildenden Spektrometern als auch bei nicht abbildenden
Spektrometern angewandt werden.
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1 zeigt
eine generische Repräsentation eines
Spektrometers, in einer Konfiguration, die als Gaertner-Konfiguration
bekannt ist. Das Spektrometer ist aus drei wesentlichen Teilen zusammengesetzt:
Einem Kollimator C, einem chromatisch dispergierenden System oder
dispergierendem Element D und einem fokussierendem Objekt F. Am
Brennpunkt des Kollimators C ist ein Spalt S, der sich in Längsrichtung
in rechten Winkeln zur Ebene der Zeichnung erstreckt.
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Ein
geeignetes optisches Fokussiersystem, das nicht dargestellt ist,
und für
das Spektrometer als solches ein Fremdteil ist, erzeugt das Abbild
des zu analysierenden Objektes im Spalt S (für den Fall eines fernen Objektes
wird ein Teleskop verwendet, während
für nahe
Objekte ein optisches Übertragungssystem
(Relais), wie beispielsweise eine Mikroskoplinse verwendet wird).
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Der
Kollimator C projiziert das Bild des Spaltes S ins Unendliche, von
dem divergierenden Strahlenbündel
f1 der Strahlen, die von irgendeinem Punkt in dem Spalt kommen,
in ein Strahlenbündel
f2 zueinander parallelen Strahlen. Die Neigung dieses Strahlenbündels variiert
mit dem Objektpunkt, von welchem das Strahlenbündel in Richtung der Senkrechten
zur Zeichnung her kommt.
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Die
auf diese Art und Weise parallel gerichteten Strahlen gehen durch
das dispergierende System D und werden in Abhängigkeit von der Wellenlänge in unterschiedlichen
Winkeln gebeugt. Schlussendlich fokussiert das fokussierende Objektiv
F die Strahlen, die die gleiche Richtung haben an demselben Bildpunkt.
Daher werden Bilder des Spaltes mit unter schiedlichen "Farben" auf der Brennebene
P gebildet und deren Position variiert in der Richtung rechtwinklig
zu der Länge
des Spaltes.
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Die
Gaertner-Konfiguration ermöglicht
Spektrometer, deren Brennweiten des Kollimators C und des fokussierenden
Objektivs F nicht notwendiger Weise die gleichen sind. Es ist daher
möglich,
andere Vergrößerungen
als 1 × zu
erhalten.
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Ein
Beispiel für
ein Spektrometer dieser Art ist in der EP-A-0 316 802 beschrieben.
Ein weiteres Beispiel eines Spektrometers mit einem besonderen System
zur asphärischen
Korrektur ist in der EP-A-1 178 293 beschrieben.
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Das
dispergierende Element, das in der 1 ursprünglich mit
D bezeichnet ist, kann aus einer oder mehreren Komponenten in Form
von Prismen (Brechungsdispersionselement), Beugungsgittern (Beugungsdispersionselement)
oder Kombinationen derselben (Prismen und Gitter, als "grisms" bekannt) bestehen.
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Ein
allgemein unerwünschtes
Phänomen, das
als Spaltbildkrümmung,
oder "Spaltkrümmung" oder "Lächeln" (smile) bekannt ist, kann dann erscheinen,
wenn in einem abbildenden Spektrometer ein Brechungs- oder Prismendispersionselement verwendet
wird, oder an den gekrümmten
Oberflächen
Brechungsgitter realisiert sind. Dieses Phänomen ist in der 2 dargestellt,
die einige ideale Bildpunkte von P0 bis P8 zeigt, die durch einen
schwarzen Punkt markiert sind und die auf dem Umfang eines rechteckigen
Gitters zu finden sind, mit einer Höhe, die als räumliche
Richtung bezeichnet wird (in der 2 vertikal)
gleich der Länge
des Spaltes und in einer Länge
(der Horizontalrichtung) entsprechend der Verlängerung in der chromatischen
Dispersionsrichtung des chromatischen Dispersionsbandes. Diese Punkte
entsprechen:
- – Im Zentrum des Spaltes:
P4
am einen Ende des chromatischen Dispersionsbandes,
P5 am anderen
Ende des Bandes,
P0 am Mittelpunkt des chromatischen Bandes,
- – Am
oberen Ende des Spaltes:
P1 an einem Ende des chromatischen
Dispersionsbandes,
P2 am Mittelpunkt des chromatischen Bandes,
P3
am anderen Ende des Bandes,
- – am
unteren Ende des Spaltes:
P6 an einem Ende des chromatischen
Dispersionsbandes,
P7 am Mittelpunkt des chromatischen Bandes,
P8
am anderen Ende des Bandes.
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Die "wahren" Bilder des Spaltes
für die
drei unterschiedlichen Farben sind in dicken Linien gezogen. Die
Punkte P'1 bis P'8 repräsentieren
die realen Bilder, beeinflusst durch die Spektrometerverzerrung der
entsprechenden Punkte von P1 bis P8.
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Die
Spaltbildkrümmung
oder das "Lächeln" ist der horizontale
Abstand (d. h. entlang der Spektralrichtung) der realen Bildpunkte
zu den entsprechenden idealen Bildpunkten. Das "Lächeln" ist eine Funktion
der Höhe
h des jeweils in Betracht gezogenen Punktes am Spalt und der Wellenlänge λ. In Prismenspektrometern
hängt das "Lächeln" vom Keilwinkel der Dispersionsprismen
ab. Je kleiner die Keilwinkel sind, umso kleiner ist das eingeführte "Lächeln". Um das "Lächeln" unter Beibehaltung
der gleichen Dispersion zu reduzieren, ist es notwendig, die Anzahl
der Prismen zu erhöhen,
während
die Dispersionsenergie reduziert wird.
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Dieser
Fehler kann in diesen Geräten
auch als ein Fehler auftreten, der als räumlicher Koregistrationsfehler
bekannt ist, auftreten. Der räumliche Koregistrationsfehler
ist der Abstand eines "realen" Bildpunktes zu seinem
idealen Gegenstück,
gemessen in der räumlichen
Richtung anstatt der spektralen Richtung. In 5 ist dies
mit SCRE bezeichnet. Die Art des Fehlers rührt von einer chromatischen
Variation der Vergrößerung an
der Basis des Sichtfeldes her.
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So
wie das "Lächeln" und die räumlichen
Koregistrationsfehler wie vorstehend angegeben, ist es ebenfalls
notwendig, bei der Herstellung eines Spektrometers die axialen und
außeraxialen
geometrischen und chromatischen Aberrationen, die die Feldkrümmung einschließen, zu
berücksichtigen,
die auftreten, wenn das Bild anstatt in einer Ebene auf einer gekrümmten Fläche liegt
(einer sphärischen
Kappe in anfänglicher
Annäherung).
Da in einem abbildenden Spektrometer die sensitiven Elemente des
Detektors im allgemeinen auf einer Ebene liegen, ist diese Aberration
in hohem Maß unerwünscht und
muss innerhalb der Brenntiefe oder des Feldes des optischen Systems
enthalten sein, was linear von der Wellenlänge abhängt und quadratisch von der
relativen Apertur oder f-Zahl. Die Änderung der Größe des Bildes
eines Punktes infolge der Feldkrümmung hängt quadratisch
vom Abstand vom Mittelpunkt ab, das heißt, von der Höhe des Blickfeldes.
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Andererseits
ist die Korrektur der Aberrationen und insbesondere der Feldkrümmung für Systeme
mit kleinen f-Zahlen (die relative Apertur oder f-Zahl ist durch
die Beziehung A = Brennweite/verwendbarer Durchmesser gegeben),
d. h. solchen, die weiter offen sind, noch wichtiger. Mit niedrigen
f-Zahlen arbeiten zu können,
ist ein wichtiges Merkmal für ein
abbildendes Spektrometer mit hoher Leistung. Die größere Ausdehnung
des Blickfeldes ist ein weiteres sehr wichtiges Merkmal für ein abbildendes Spektrometer.
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Die
Korrektur der Feldkrümmung
zusammen mit den anderen Aberrationen ermöglicht es, eine bessere Auflösung des
optischen Systems zu erhalten und daher Detektoren mit kleineren
Pixeln zu verwenden. Dies führt
in der Folge zu Systemen mit kürzeren
Brennweiten und kompakteren Abmessungen. Selbstverständlich muss,
je kleiner die Pixel bei der gleichen Auflösung und radiometrischen Effizienz sind,
umso größer die Öffnung des
Spektrometers sein, was eine kleinere f-Zahl als Konsequenz hat.
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Die
US-A-4 497 540 offenbart ein Spektrometer, das einen Eingangsspalt
hat, an dessen stromab liegender Seite das Strahlenbündel kollimiert,
in einem Prismendispersionselement dispergiert und danach auf einen
Detektor fokussiert wird. Mit dem Prismendispersionselement ist
ein asphärischer
Spiegel kombiniert. In einer weiteren Ausführungsform, die in der US-A-4
497 540 offenbart ist, wird der kollimierte Strahl mittels eines
Strahlteilers in zwei separate Strahlenbündel so aufgeteilt, dass die Infrarotstrahlung
von der übrigen
Strahlung getrennt ist und zwei separaten Strahlenbündel erzeugt
sind. Entlang der zwei separaten Wege sind separate und unabhängige Prismendispersionselemente
und asphärische
Spiegel angeordnet, denen die zwei Strahlenbündel folgen, in welche das
Hauptstrahlenbündel durch
den Strahlteiler geteilt ist. Die dispergierten Strahlenbündel werden
auf zwei separate Detektoren fokussiert.
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Aufgabe und
kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spektrometer zu schaffen,
mit dem es möglich ist,
die vorstehend angegebenen Fehler zu verringern und die chromatische
Aberration zu verringern oder zu eliminieren. Ein weiterer Zweck
der vorliegenden Erfindung ist es, ein insbesondere kompaktes Spektrometer
zu schaffen.
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile, die für den Fachmann beim Lesen des
folgenden Textes klar ersichtlich sind, werden im Wesentlichen mit
einem Spektrometer gemäß Patentanspruch
1 erzielt.
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Charakteristischerweise
hat gemäß der vorliegenden
Erfindung der Kollimator einen konvergierenden, sphärischen
Spiegel, ein fokussierendes Element mit einem konvergierenden sphärischen Spiegel
und das erste asphärische
Korrekturelement mit einem ersten asphärischen Spiegel, das heißt, einer
reflektierenden Schmidt-Platte zum Eliminieren der asphärischen
und axialen Aberration. Weiterhin ist das Dispersionselement, das
in Transparenz arbeitet, das heißt, durch welches der Eingangsstrahl der
elektromagnetischen Strahlungen hindurchgeht, in dem optischen Weg
so angeordnet, dass es vom Strahl wenigstens zweimal durchquert
wird. Ausgezeichnete optische Qualitäten in Termen der Bandbreite
und Verminderung oder Elimination der geometrischen Aberrationen
werden mit einer Konfiguration dieser Bauart erzielt, wie dies im
Folgenden detaillierter erörtert
wird. Weiterhin ermöglicht
die Anordnung des Dispersionselementes, die einen doppelten Durchgang
zulässt,
die Verringerung der Anzahl von Dispersionselementen mit der gleichen
Dispersion. Dies führt
zu einer Verminderung der Anzahl von Vorrichtungskomponenten und
daher zu einer größeren Kompaktheit.
Die Konstruktion der Dispersionselemente ist einfacher, da Dispersionsprismen mit
kleinen Winkeln mit der gleichen Dispersion verwendet werden können als
sie mit traditionellen Systemen erzielt wird, in welchem der Strahl
nur einmal durch das Dispersionsprisma hindurchgeht.
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In
der Praxis kann die Anordnung so sein, dass der Strahl durch das
Dispersionselement ein erstes Mal an der stromauf liegenden Seite
des asphärischen
Spiegels und einmal an der stromab liegenden Seite des asphärischen
Spiegels hindurchgeht.
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Der
asphärische
Spiegel kann ein Teil des Kollimators sein oder kann ein Teil der
Fokussiereinrichtung sein. Gemäß der Erfindung
wird auch ein zweites asphärisches
Korrekturelement in Erwägung gezogen.
Dies kann aus einer dioptrischen Schmidt-Platte bestehen, das heißt, eine
durchlässig arbeitende
Platte, wobei der zu korrigierende Strahl durch die Platte selbst
hindurchgeht, anstatt dass er an dieser reflektiert wird. Ungeachtet
dessen ist gemäß einer
weiteren Verbesserung der vorliegenden Erfindung das zweite asphärische Korrekturelement ebenfalls
ein reflektierendes Element, das heißt, ein asphärischer
Spiegel, um qualitativ überragende
Ergebnisse zu erzielen. Dadurch wird es möglich, die Einführung von
nicht zu eliminierender chromatischer Aberration in die lichtbrechenden
Schmidt-Platten, welche durchlässig
arbeiten, zu verhindern.
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Weiterhin
sind gemäß der Erfindung
auch zwei Dispersionselemente vorgesehen. Der Strahl der Lichtstrahlung
kann durch jedes derselben zweimal hindurchgehen, vorteilhafter
Weise vor und nachdem der Strahl zum jeweiligen asphärischen Korrekturelement
weitergeleitet worden ist. Die Möglichkeit
der Verwendung von weiteren Dispersionselementen, durch die der
Strahl nur einmal hindurchgeht, wird nicht ausgeschlossen. Eine
weitere Möglichkeit
besteht in der Anwesenheit von zwei asphärischen Korrekturelementen,
wobei die diesen zugeordneten Dispersionselemente so angeordnet
sein können,
dass der Strahl der Lichtstrahlung durch eines nur einmal hindurchgeht
und durch das andere zweimal hindurchgeht.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung besteht das erste und/oder zweite asphärische Korrekturelement in
Form einer reflektierenden Oberfläche an einer Stirnfläche des
jeweiligen Dispersionselementes. Dadurch wird es möglich, weitere
Vorteile zu erzielen, wie sie im Folgenden anhand des spezifischen
Beispiels der Implementierung beschrieben sind.
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Das
oder jedes Dispersionselement kann aus einem einzelnen Prisma oder
zwei oder mehr Prismen bestehen. Diese können aneinander gekoppelt sein,
das heißt,
eine gemeinsame Stirnfläche
haben. Umgekehrt können
die zwei oder mehr Prismen, die das oder jedes Dispersionselement
bilden, aufeinander folgend entlang des Strahlengangs angeordnet
sein, ohne dass sie irgendwelche Stirnflächen gemeinsam haben.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
ist die Verwendung eines divergierenden sphärischen Spiegels (vorzugsweise
zugeordnet zum Kollimator) in Betracht gezogen, der die Feld- und
Spaltkrümmung
eliminiert, um auch die Feldkrümmung
zu eliminieren, ohne auf eine besondere Wahl der Brennweiten und
eine besondere Ausrichtung der Optiken, welche das System bilden,
beschränkt
zu sein. Vorzugsweise ist ein derartiger Spiegel direkt an der stromab
liegenden Seite des Eingangsspaltes zwischen diesem und dem konvergierenden
Spiegel des Kollimators angeordnet.
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In
der Praxis ist die Struktur des Kollimators, der das asphärische Korrekturelement
und den konvergierenden sphärischen
Spiegel hat, eine achsenversetzte Schmidt-Objektivstruktur (für den Fall,
bei dem ein divergierender Spiegel zum Konvergieren der Feldkrümmung verwendet
wird) oder ein achsenversetztes Schmidt-Cassegrain-Objektiv, das
ein Objektiv ist, bei dem die optische Achse nicht mit der geometrischen
Achse übereinstimmt.
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In
einer verbesserten Ausführungsform
dieser Erfindung kann das Spektrometer eine Aufteilung des Strahls
in zwei oder mehr Spektralkanäle
zeigen. Insbesondere ist es möglich,
einen Strahlteiler entlang des ersten optischen Strahlengangs ins
Auge zu fassen, an dessen stromab liegender Seite sich der erste
optische Strahlengang erstreckt, um den ersten De tektor zu erreichen,
um einen ersten spektralen Kanal zu erzeugen. Wiederum an der stromab
liegenden Seite des Strahlteilers entwickelt sich ein zweiter optischer
Strahlengang, bildet den zweiten spektralen Kanal, entlang welchem
wenigstens ein zweiter Detektor angeordnet ist. Es ist zu ersehen,
dass durch die Verwendung mehrerer dichroitischer Spiegel oder Strahlteiler
es gleichermaßen
möglich
ist, selbst mehr als zwei Spektralkanäle zu erzielen, und daher mehr
als zwei optische Strahlengänge
zu erzielen, die an jeweiligen Detektoren enden.
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Die
Unterteilung der Strahlengänge
in zwei (oder mehr) separate Spektralkanäle kann an verschiedenen Punkten
im ersten Strahlengang durchgeführt
werden, so dass die verschiedenen Strahlengänge eine größere oder kleinere Anzahl von
Komponenten gemeinsam haben. Die Wahl der einen oder anderen der
verschiedenen möglichen
Kombinationen hängt
beispielsweise von den Anforderungen bezüglich Kosten, Raum, Abmessungen
und reziproker Kompatibilität
zwischen Spektralbändern, die
durch das Spektrometer zu behandeln sind, ab. Beispielsweise ist
es möglich,
das Spektrometer in Betracht zu ziehen, welches entlang dem ersten Strahlengang
einen Strahlteiler hat, an dessen stromab liegender Seite sich der
erste Strahlengang erstreckt und sich ein zweiter Strahlengang entwickelt,
wobei wenigstens ein zweiter Detektor entlang des zweiten Strahlengangs
angeordnet ist. Alternativ ist es möglich, in Betracht zu ziehen,
dass der Strahlteiler an der stromab liegenden Seite der ersten Fokussiereinrichtung
liegt. Oder der Strahlteiler kann an der stromab liegenden Seite
des ersten Dispersionselementes und an der stromauf liegenden Seite der
ersten Fokussiereinrichtung angeordnet sein, während der zweite Strahlengang
eine zweite Fokussiereinrichtung und ein zweites Detektorelement
aufweist. Der erste und zweite Strahlengang können jeweils an der stromab
liegenden Seite des Strahlteilers ein weiteres Dispersionselement
aufweisen.
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In
einer anderen möglichen
Konfiguration ist der Strahlteiler an der stromauf liegenden Seite
des ersten Dispersionselementes angeordnet und der zweite Strahlengang
hat ein zweites Dispersionselement, eine zweite Fokussiereinrichtung
mit einem entsprechenden sphärischen
Spiegel und den zweiten Detektor. Der zweite Strahlengang kann ein
weiteres asphärisches
Korrekturelement aufweisen, das ein asphärischer Spiegel sein kann,
der zwi schen dem Strahlteiler und dem sphärischen Spiegel der zweiten
Fokussiereinrichtung und das weitere asphärische Korrekturelement können ihrerseits
ein achsversetztes Schmidt-Objektiv
sein.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften und Ausbildungen der Ausführungsform
dieser Erfindung sind in den anhängenden
Unteransprüchen
angegeben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen
besser verständlich,
die praktische, nicht begrenzende Formen der Ausführungsform
der Erfindung zeigen. Im Einzelnen zeigt:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Spektrometers mit der Gaertner-Konfiguration,
wie vorstehend beschrieben;
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2 eine
schematische Darstellung des Phänomens
der Spaltkrümmung
und des räumlichen Koregistrationsfehlers;
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3 bis 9 verschiedene
mögliche
Konfigurationen eines Spektrometers gemäß der Erfindung;
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10 eine
Ausführungsform,
die nicht in den Umfang der Patentansprüche fällt; und
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11 eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Formen der Ausführungsform der Erfindung
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3 zeigt
eine erste mögliche
Form der Ausführungsform
des Spektrometers gemäß dieser Erfindung,
im Allgemeinen als 2 bezeichnet. Dem Strahlengang des hereinkommenden
Strahls folgend, präsentiert
das Spektrometer einen Eingangsspalt 1, der sich rechtwinklig
zur Zeichenebene erstreckt. Die von der Eingangsoptik, welche keinen Teil
des Spektrometers bildet, und die nicht dargestellt ist, kommenden
Strahlen gehen durch diesen Spalt. Die Charakteristika dieser Optik
variieren auf der Basis der spezifischen Anwendung, für welche das
Spektrometer verwendet wird. Der Eingangsstrahl, welcher durch den
Spalt 1 hindurchgeht, trifft auf einen ersten divergierenden
sphärischen
Spiegel 3, der dazu dient, die Feldkrümmung und die Spaltkrümmung ("Lächeln") zu korrigieren. Der am Spiegel 3 reflektierte
Strahl, der mit F3 bezeichnet ist, trifft dann auf den konvergierenden
sphärischen
Spiegel 5, der den Spiegel eines Schmidt-Objektivs bildet, das
den Kollimator des Spektrometers bildet. Der kollimierte Strahl
f5, der am sphärischen
Spiegel 5 reflektiert worden ist, trifft dann auf einen
asphärischen Korrekturspiegel 7,
um die axiale und außeraxiale sphärische Aberration
zu korrigieren.
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Das
System, welches durch den divergierenden, sphärischen Spiegel 3,
den konvergierenden sphärischen
Spiegel 5 und den asphärischen
Korrekturspiegel 7 gebildet ist, die zusmamen den Kollimator
des Spektrometers 2 bilden, bildet ein Objektiv, das allgemein
als Schmidt-Cassegrain-Objektiv mit Spiegelkorrektur bekannt ist.
Die optische Achse dieses Systems ist die A-A-Achse. Es ist daher
ein achsentferntes Objektiv.
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Vor
dem Erreichen des asphärischen
Korrekturspiegels 7 geht der kollimierte Strahl F5 das
erste Mal durch den, oder das dispergierende Element, das ursprünglich mit 9 bezeichnet
ist und das bei diesem Beispiel der Ausführungsform ein Paar Prismen 11 und 13 aufweist,
zwischen welchen eine Aperturblende (nicht dargestellt) angeordnet
sein kann. Das Dispersionselement 9 ist zwischen dem Kollimatorspiegel 5 und
dem asphärischen
Korrekturspiegel 7 angeordnet. Jedes der zwei Prismen 11, 12 kann
aus zwei optischen Keilen aus Materialien, die nicht identisch sein
müssen,
bestehen. Diese Charakteristika sind jedoch für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung nicht bindend. Es ist möglich, ein Breitband spektrometer
zu schaffen, bei dem eine größere Anzahl
von Prismen oder ein einzelnes Prisma verwendet wird. Der dispergierte
Strahl F9', der
das Dispersionselement 9 verlässt, trifft auf den asphärischen Korrekturspiegel 7 und
wird durch diesen Spiegel reflektiert und geometrisch korrigiert,
geht noch einmal durch das Dispersionselement 9. Der Strahl
der elektromagnetischen Strahlung geht daher zweimal durch das letztgenannte:
Einmal vor und einmal nach der Korrektur durch den asphärischen
Korrekturspiegel 7.
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Der
Strahl F9'', der das Dispersionselement nach
dem zweiten Durchgang verlässt,
tritt dann in die Fokussiereinrichtung ein, die aus einem asphärischen
Korrekturspiegel 17 besteht, der den Strahl F17 in Richtung
auf einen konvergierenden sphärischen
Spiegel 19 reflektiert, von welchem aus der fokussierte
Strahl F19 einen Detektor 21 erreicht. Der asphärische Korrekturspiegel 17 und
der konvergierende sphärische
Spiegel 19 bilden ein Schmidt-Objektiv, in welchem der
Korrekturspiegel 17 die geometrischen Aberrationen mit
Ausnahme der Feldkrümmung
korrigiert. Letztere wird zweckmäßigerweise direkt
durch den divergierenden, sphärischen
Eingangsspiegel 3 korrigiert, dessen negative Energie so
gewählt
ist, dass die Feldkrümmung
der zwei Objektive (Kollimator und Fokussiereinrichtung) eliminiert
wird. Die optische Achse des fokussierenden Objektivs ist durch
B-B angezeigt. In
diesem Fall ist das optische System ebenfalls ein achsentferntes.
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Bevor
der Strahl F9'', der aus dem ersten Dispersionselement 9 austritt,
auf den asphärischen Korrekturspiegel 17 trifft,
geht er ein erstes Mal durch ein zweites Dispersionselement 18,
das wie das Dispersionselement 9 aus zwei Prismen 20, 22 besteht. Der
Strahl geht durch dieses Dispersionselement nochmals, nachdem er
an dem asphärischen
Korrekturspiegel 17 reflektiert worden ist. Daher wird
auch das zweite Dispersionselement 18, das der Fokussiereinrichtung
des Spektrometers zugeordnet ist, vom Strahl zweimal durchschritten.
Der Strahl der elektromagnetischen Strahlungen wird daher insgesamt
acht Dispersionen unterzogen, indem er durch vier Prismen zweimal
hindurchgeht.
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In
diesem Beispiel der Ausführungsform
und in weiteren, die weiter unten beschrieben werden, liegen die
Achsen der verschiedenen Strahlen in ein und derselben Ebene, aber
dies ist nicht unverzichtbar. Tatsächlich ist es ausgehend von
der Konfiguration gemäß 3 möglich, unzählige Varianten
der Anordnung der Komponenten des Systems zu erzielen, indem zwischen
dem sphärischen
Spiegel und dem Dispersionselement 9 immer dann, wenn der Strahl
F17 sich nicht mit anderen Strahlen schneidet und/oder zwischen
den sphärischen
Spiegel 19 und die Dispersionselementgruppe 18,
immer dann, wenn der Strahl F5 sich nicht mit anderen Strahlen schneidet,
ebene Ablenkspiegel in irgendeinem gewünschten Winkel einzusetzen.
Auf diese Art und Weise können
der Kollimator und/oder die Fokussiereinrichtung außerhalb
der Zeichenebene liegen. Es ist auch möglich, die Strahle dort abzulenken,
wo sie sich schneidert, wobei die Strahlen F3 und F5 gleichzeitig
mit einem ebenen Spiegel abgelenkt werden und/oder die Strahlen
F17 und F19 auf die gleiche Art und Weise abzulenken. Im Prinzip
ist es möglich,
an dem Punkt, wo die Strahlen F5 und F17 einander kreuzen, einen
ebenen, doppelseitigen Spiegel so einzusetzen, dass die Positionen
von Kollimator und Fokussiereinrichtung ausgewechselt werden.
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4 zeigt
eine unterschiedliche Konfiguration des Spektrometers gemäß der Erfindung.
Identische Bezugsziffern bezeichnen Teile, die mit denen der 3 identisch
sind oder diesen entsprechen. Der Unterschied liegt im Vergleich
zur Konfiguration gemäß 3 in
der Anwesenheit eines weiteren Dispersionselementes, bestehend aus
einem Prisma 24, das zwischen den Dispersionselementen 9 und 18 angeordnet
ist, durch welches der aus dem Dispersionselement 9 auftretende
Strahl F9'' nur einmal durchgeht.
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5 zeigt
eine weitere Variante der Ausführungsform
des Spektrometers gemäß 3.
Identische Bezugsziffern bezeichnen wiederum Teile, die mit denen
der 3 identisch sind oder diesen entsprechen. In diesem
Fall sind die zwei asphärischen Korrekturspiegel 7, 17 direkt
an den Rückseiten
der Prismen 13 und 22 der Dispersionselemente 9 bzw. 18 angeordnet,
anstatt an Elementen, die physikalisch von den Prismen getrennt
sind. Die übrigen Komponenten
des Systems bleiben im Wesentlichen unverändert. Vom optischen Standpunkt
aus betrachtet besteht der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform
in der Tatsache, dass vier Durchgänge durch die Prismen eliminiert
sind, was einen geringeren Verlust und eine größere Effizienz zum Ergebnis hat.
Vom mechanischen Standpunkt aus betrachtet erzielt diese Konfiguration
den weiteren Vorteil, dass die Anzahl der Komponenten der Vorrichtung
reduziert ist.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Spektrometers. Identische Bezugsziffern bezeichnen Teile, die mit
denen der vorhergehenden Beispiele der Ausführungsform identisch sind oder diesen
entsprechen. Der Strahl tritt durch einen Spalt 1 in das
Spektrometer ein und trifft auf einen divergierenden sphärischen
Spiegel 3 für
die Korrektur der Feldkrümmung
und der Spaltkrümmung.
Der Strahl F3, der vom Spiegel 3 reflektiert wird, trifft
auf einen konvergierenden sphärischen
Kollimatorspiegel 5, an dem ein parallel gerichteter Strahl
F5 auftrifft. Letzterer trifft auf einen ebenen Spiegel 6,
der den Strahl F5 auf das erste Dispersionselement 9, das
bei diesem Beispiel der Ausführungsform
aus einem einzelnen Prisma besteht, ablenkt. Der Strahl F9', der das Prisma
des Dispersionselementes 9 verlässt, trifft auf den asphärischen
Korrekturspiegel 7 und geht, durch diesen reflektiert,
durch dasselbe Prisma 9 ein zweites Mal hindurch.
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Der
Strahl F9'', der das Prisma
des Dispersionselementes 9 nach dem zweiten Durchgang verlässt, trifft
auf ein zweites Dispersionselement 18, das in diesem Fall
ebenfalls aus einem einzelnen Prisma besteht und wird durch einen
zweiten asphärischen
Korrekturspiegel 17 reflektiert. Letzterer reflektiert
den korrigierten Strahl wieder auf das Dispersionselement 18,
durch welches der Strahl in diesem Fall wiederum zweimal hindurchgeht,
bevor und nachdem die geometrische Korrektes durch den asphärischen
Korrekturspiegel 17 erfolgt ist. Der Strahl F17, der vom
asphärischen
Korrekturspiegel 17 reflektiert ist und am Dispersionselement 18 austritt, wird
durch einen ebenen Spiegel 26, der beim gezeigten Beispiel
bezogen auf die Zeichenebene geneigt ist, so reflektiert, dass der
reflektierte Strahl aus der Ebene selbst austritt. Diese dreidimensionale Wirkung
ist in der Zeichnung gemäß 6 in
einer ebenen Repräsentation
nicht sichtbar. Es ist jedoch zu realisieren, dass der Strahl, der
vom ebenen Spiegel 26 reflektiert wird, auf einen konvergierenden sphärischen
Fokussierspiegel 19 trifft, der in einer zu den übrigen,
in soweit beschriebenen optischen Komponenten unterschiedlichen
Ebene liegt.
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Der
fokussierte Strahl F19 tritt am konvergierenden Spiegel 19 der
Fokussiereinrichtung aus und trifft auf den Detektor 21.
In dem Fall, in welchem der ebene Spiegel 26 nicht rechtwinklig
zur Zeichenebene liegt, sind der sphärischen Spiegel 19 und
der Detektor 21 zu dieser Ebene geneigt.
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Eine ähnliche
Konfiguration wie die der 6 ist in
der 7 gezeigt, wobei identische Bezugsziffern Teile
bezeichnen, die mit denen der 6 identisch
sind oder diesen entsprechen. Diese Konfiguration ist jedoch notwendigerweise
aus der Zeichenebene abgelenkt, um eine Beeinträchtigung des Strahls F9" durch den Detektor 21 zu
verhindern.
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8 zeigt
eine ähnliche
Ausführungsform wie
in 7, die jedoch dadurch modifiziert ist, dass ein
Doppelstrahlengang und ein Doppeldetektor vorgesehen sind. Wiederum
bezeichnen identische Bezugsziffern Teile, die mit denen des Ausführungsbeispieles
der 6 und 7 identisch sind oder diesen
entsprechen. Bei diesem Beispiel trifft der Strahl F19, der durch
den konvergierenden, sphärischen Spiegel 19 der
Fokussiereinrichtung fokussiert austritt, auf einen dichroitischen
Spiegel 30 oder ein anderes Strahlteilerelement auf seinem
Strahlengang. Ein Teil F19' des
Strahls F19 geht durch das Element 30 und erreicht den
Detektor 21A, während
der andere Teil F19'' des Strahls F19
durch das Element 30 abgelenkt ist und einen zweiten Detektor 21B auf
einen zweiten Strahlengang erreicht. Die zwei Strahlen F19' und F19" entsprechen zwei
unterschiedlichen Spektralbändern.
Ihre Trennung macht es möglich, besondere
Detektoren für
zwei Bänder
zu verwenden.
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Eine ähnliche
Anordnung kann durch die Verwendung eines vollständig reflektierenden Spiegels
anstatt des dichroitischen Spiegels 30 getroffen werden.
In diesem Fall wird der Strahl F19 gänzlich auf den Detektor 21B reflektiert
und der Detektor 21A wird weggelassen.
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9 zeigt
eine Variante der Realisierung der Konfiguration gemäß 5.
Identische Bezugszeichen bezeichnen identische oder entsprechende Teile.
Verglichen mit dem Beispiel gemäß 5 ist
in der 9 ein dichroitischer Spiegel 30 oder
ein anderes Strahlteilerelement in Betracht gezogen und teilt den
Strahl F19 in zwei Teile F19' und
F19'', die zu einem ersten
Detektor 21A und einem zweiten Detektor 21B geschickt
werden.
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Die
Teilung des Strahls entlang von zwei (oder mehr) Detektionsgängen kann
auch an einem anderen Punkt als im Hauptstrahlengang durchgeführt werden.
In diesem Fall wird es eine größere Anzahl
von optischen Komponenten geben und diese müssen verdoppelt in beiden Strahlengängen angeordnet
sein.
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Insbesondere
ist die Möglichkeit
wichtig, einen oder mehrere dichroitische Teiler in die Sektionen
in praktisch parallele Strahlen zwischen den Dispersionsprismen
und den sphärischen
Spiegeln des Kollimators und/oder der Fokussierobjektive einzusetzen.
Das Einsetzen von dichroitischen Teilern in parallele Strahlen beseitigt
die Notwendigkeit, asphärische
Oberflächen
zum Korrigieren der Aberrationen zu verwenden, die durch eine schräge Platte
in die konvergierenden Strahlen eingeführt sind.
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Bei
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
wurde ein Spektrometer mit zwei asphärischen Korrekturspiegeln 7 und 17 und
zwei Dispersionselementen 9 und 18 beschrieben.
Dies ist nicht die einzige mögliche
Konfiguration des Spektrometers. Beispielsweise zeigt 10 eine
Ausführungsform,
bei der nur ein asphärischer
Korrekturspiegel verwendet wird. In diesem Fall tritt der Strahl
der elektromagnetischen Strahlung in das Gerät durch einen Spalt ein, der
immer noch mit 1 bezeichnet ist und wird durch einen sphärischen,
konvexen Spiegel 3 zur Korrektur der Spaltkrümmung reflektiert.
Der am Spiegel 3 austretende Strahl F3 wird durch einen ersten,
konvergierenden, sphärischen
Kollimatorspiegel 5 reflektiert. Der parallel gerichtete
Strahl F5 erreicht ein Dispersionselement 9, bestehend
aus zwei Prismen 11, 13. Nachdem Hindurchgehen
durch die zwei Prismen 11, 13 des Dispersionselementes 9 trifft
der Strahl, der mit F9' bezeichnet
ist, auf einen asphärischen
Korrekturspiegel 7 und wird durch diesen reflektiert. Der
geometrisch korrigierte Strahl, der vom asphärischen Spiegel 7 reflektiert
worden ist, geht noch einmal durch die Prismen 11 und 13 und wird
wiederum einer Dispersion unterzogen.
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Der
am Dispersionselement 9 nach dem zweiten Durchgang austretende
Strahl F9'' erreicht direkt
einen konvergierenden sphärischen
Fokussierspiegel 19, der den Strahl F19 auf den Detektor 21 fokussiert.
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Nach
dem Fixieren der Winkelposition des fokussierenden Objektivs mit
Bezug auf den Hauptstrahl, der aus dem Dispersionselement 9 austritt, können in
allen vorstehend be schriebenen Konfigurationen die Feldkrümmung und
die Spaltkrümmung oder
das "Lächeln" gleichzeitig unter
Verwendung eines einzigen divergierenden sphärischen Spiegels 3 korrigiert
werden, der mit Bezug auf die Ebene, in welcher der Eingangsspalt 1 liegt,
geeignet geneigt ist.
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Weiterhin
kann unter Berücksichtigung,
dass die Systeme, welche das fokussierende Objektiv und den Kollimator
bilden, die gleichen Aberrationen haben, diese durch geeignetes
Auswählen
der Konfiguration der Prismen, der Brennweite der Objektive und der
Winkelposition des fokussierenden Objektivs aufgehoben werden. Wenn
in diesem Fall keine Beschränkungen
geometrischer oder anderer Natur, die gegen die Wahl dieser speziellen
Anordnung gerichtet sind oder diese behindern, kann die Kompensation
der Feldkrümmung
und der Spaltkrümmung
selbst ohne den divergierenden sphärischen Spiegel 3 erzielt
werden.
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Es
ist möglich,
Konfigurationen zu machen, bei denen das Spektrometer mit einer
Vergrößerung größer als
Eins arbeitet, indem die Brennweiten von Kollimator und Fokussiereinrichtung
diversifiziert werden. In diesem Fall müssen keine besonderen Listen
befolgt werden und es gelten die gleichen Beobachtungen wie vorstehend
angegeben. In diesem Fall ist es auch möglich, sowohl die Feldkrümmung als
auch das "Lächeln" mit einem einzigen
divergierenden sphärischen
Spiegel 3 zu korrigieren, der nahe dem Eingangsspalt 1 angeordnet
ist.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen
verwenden nur reflektierende Elemente für die Korrektur der geometrischen
Aberrationen. Insbesondere werden sphärische Spiegel 7 und 17 sowohl
im Kollimator als auch in der Fokussiereinrichtung zum Korrigieren
der axialen und außeraxialen
sphärischen
Abberation verwendet. Die Verwendung dieser Komponenten macht es
möglich,
das Einleiten von chromatischen Abberationen zu verhindern und eine
Vorrichtung zu erhalten, die insbesondere bezüglich des Widerstands gegenüber Strahlung
und Ausdehnung des chromatischen Bandes von Vorteil ist.
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Ungeachtet
dessen weil dies teilweise ohne diesen doppelten Vorteil erfolgt,
ist es möglich,
Spektrometer zu machen, bei denen einer der asphärischen Spiegelkorrektoren
durch eine lichtbrechende Schmidt-Platte, d. h. im Durchlicht, ersetzt
ist.
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11 zeigt
eine weitere mögliche
Anordnung ähnlich
der in der 10 gezeigten. Identische Bezugsziffern
bezeichnen Teile, die mit denen der 10 identisch
sind oder diesen entsprechen. Der Eingangsspalt ist mit 1 bezeichnet,
und 3 ist der divergierende, sphärische Spiegel zum Korrigieren
der Feldkrümmung
und der Spaltkrümmung.
Die Bezugsziffer 5 bezeichnet den konvergierenden sphärischen
Spiegel des Kollimator-Objektivs, der den Strahl F3 aufnimmt, welcher
vom divergierenden Spiegel 3 reflektiert worden ist und
diesen als F5 reflektiert. Der Strahl F5, der vom Spiegel 5 reflektiert worden
ist, geht ein erstes Mal durch ein erstes Dispersionselement 9,
das durch zwei Prismen 11, 13 gebildet ist und
erreicht eine reflektierende Schmidt-Platte, d. h. einen asphärischen
Korrekturspiegel 7, der als reflektierende Oberfläche des
Prismas 13 realisiert ist. Der durch die Schmidt-Platte oder
den asphärischen
Korrekturspiegel korrigierte und reflektierte Strahl geht ein zweites
Mal durch das Dispersionselement 9, das durch die Prismen 11, 13 gebildet
ist und erreicht (Strahl F9'') einen ersten ebenen
Spiegel 14. Der von dem ersten, ebenen, beugenden Spiegel 14 reflektierte
Strahl F14 trifft auf einen zweiten ebenen, beugenden Spiegel 16,
der den Strahl (Strahl F16) auf ein zweites Dispersionselement 18 ablenkt,
das aus zwei Prismen 20, 22 besteht, die (in dem
dargestellten Beispiel) als ein Teil mit den entsprechenden Prismen 11, 13 des
Dispersionselementes 9 ausgebildet sind. An der Rückseite des
Prismas 22 ist ein zweiter asphärischer Korrekturspiegel ausgebildet,
das heißt,
eine zweite reflektierende Schmidt-Platte, die mit 17 bezeichnet
ist, die (in diesem Beispiel) als eine einzelne, reflektierende Platte
mit der Platte 7 realisiert ist.
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Der
Strahl F17, der durch den asphärischen Korrekturspiegel 17 korrigiert
und reflektiert ist, geht ein zweites Mal durch das Dispersionselement 18 und
erreicht einen konvergierenden sphärischen Spiegel 19,
der einen Teil des Fokussierobjektivs bildet. In dem dargestellten
Beispiel sind der konvergierende sphärische Spiegel 19 und
der konvergierende, sphärische
Spiegel 5 des Kollimators durch unterschiedliche Teile
des gleichen konkaven sphärischen Spiegels
gebildet. Der Strahl F19 wird vom Fokussierspiegel 19 fokussiert,
zum Detektor 21 geschickt.
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In
dem Beispiel gemäß 11 bestehen
die zwei Prismen 13 und 22 aus einem einzigen
Stück und
daraus folgend sind die zwei asphärischen Korrekturspiegel 7, 17 aus
einer einzigen Platte gebildet. Einfacher sind in einer Variante
dieser Ausführungsform
diese Prismen als zwei einzelne Teile gebildet und der asphärische Korrekturspiegel
wird an einem separaten Halter dieser Prismen gebildet, möglicherweise
in einem Teil oder in zwei Teilen (Spiegel 7 und Spiegel 17).
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In
den verschiedenen Konfigurationen bezeichnen A-A und B-B die optischen
Achsen des Kollimators und der Fokussiersysteme.
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Es
ist klar zu ersehen, dass die Zeichnung nur mögliche Formen der Ausführungsform
der Erfindung zeigt, deren Formen und Anordnungen jedoch variieren
können,
ohne dass das Rahmenwerk der Grundkonzeption der Erfindung verlassen
wird, die in den anhängenden
Patentansprüchen
definiert ist.