CN102656431A - 光谱仪布置 - Google Patents

Abstract

一种光谱仪布置（10），其包含有中阶梯光栅（18；46）以用于把入射到该光谱仪布置（10）中的射线在主散射方向上进行散射，以及散射布置（16；40）以用于把由入射到该光谱仪布置中的射线所生成的平行射束在横向散射方向上进行散射，其特征在于，该散射布置（16；40）构造为反射性的，并关于该中阶梯光栅（18；46）如此来布置，使得该平行射束被反射到该中阶梯光栅的方向上。该中阶梯光栅（18；46）可以优选地如此来布置，使得被分散的射线被反射返回到该散射布置（16；40）的方向上。

Description

光谱仪布置

技术领域

本发明涉及一种光谱仪布置，其包含有：

（a）中阶梯光栅，其用于把入射到该光谱仪布置中的射线在主散射方向上进行散射，以及

（b）散射布置，其用于把由入射到该光谱仪布置中的射线所生成的平行射束在横向散射方向上进行散射。

本发明另外还涉及用于对射线进行光谱分解的一种方法，其具有步骤：

（a）生成平行射束；

（b）在中阶梯光栅处把射线在主散射方向上进行分散；以及

（c）在散射布置处把平行射线在横向散射方向上进行分散。

在中阶梯光谱仪中，采用了具有阶梯状（Echelle（法语）=阶梯）横截面的光栅。通过具有相应炫耀角的这种阶梯状结构生成衍射图样，该衍射图样集中了高序数的、例如第三十至第一百序数的衍射射线。由此能够在紧凑的布置中实现针对散射和光谱分辨能力的高值。按照入射的波长范围，这些序数可能重叠。因此在具有内部序数分离的中阶梯光谱仪中，这些序数再次垂直于中阶梯光栅的散射方向地被分散，以在焦平面中对出现的不同序数进行分离。从而得到了二维光谱，该光谱可以利用平面探测器来检测。

具有内部序数分离的中阶梯光谱仪与具有外部序数分离的中阶梯光谱仪的差别在于，在后者中中阶梯光栅仅被施加来自窄波长范围的射线。

在具有内部序数分离的光谱仪中，在探测器上生成二维结构形式的光谱。该结构主要由相互平行布置的光谱片段组成，这些光谱片段分别具有中阶梯光栅的一个自由光谱范围的大小。使用具有许多探测器元件的平面探测器允许以高的光谱分辨率来同时检测大的波长范围（光谱图）。在把光谱仪用作单色仪（多色仪）时，通过把光栅和/或棱镜旋转到出射缝隙或出射平面范围中的行探测器上来检测来自所选择的波长范围的射线。

横向散射通常被选择得如此大，使得序数在各处都完全分离。为了在整个光谱范围上对此进行保证，存在如下的光谱范围，其中在各个序数之间产生未使用的间隙。从而在使用棱镜来横向散射时在短波光谱范围中由于散射变化曲线而产生了比在较长波光谱范围中更大的间隙。在使用衍射光栅来进行横向散射时则相反。

背景技术

DE 41 18 760 A1公开了具有外部序数分离的一种双中阶梯单色仪。入射到该单色仪中的光通过凹面镜被传导至棱镜。在棱镜处该光被预分散，并基本上自己返回到该凹面镜的方向上。利用中间缝隙来选择小的光谱范围，该光谱范围入射到后接的中阶梯光谱仪中。该光通过另一凹面镜被传导到中阶梯光栅。在该中阶梯光栅处分散的射线同样基本上自己返回，并以小的角度几乎与入射射线平行地反射到探测器上。在所公开的布置中这些凹面镜自动准直地运行，也即准直镜同时用作相机镜。

DE 40 21 159 A1公开了一种中阶梯多色仪，其中射线在中阶梯光栅处在主散射方向上被分散，并在布置于中阶梯光栅之前的棱镜处在横向散射方向上被分散。由此在出射平面中产生了具有许多并排序数的二维光谱。为了避免序数重叠，必须大大限制入射缝隙的缝隙高度，并从而大大限制光导率。

已知用于多次通过中阶梯光栅来传导射线以实现更高分辨率的布置。

DE 199 61 908 C2公开了按照利特罗布置的不具有序数分离的一种中阶梯单色仪。通过入射缝隙入射到该单色仪中的射线通过准直镜被偏转到中阶梯光栅上。该中阶梯光栅工作于两个位置。在第一位置中，分散的射线自动准直地通过该镜面返回到出射缝隙。在第二位置中，分散的射线到达平面镜，并从那里反射回到该中阶梯光栅。在那里该射线再次被分散，然后才自动准直地通过该镜面返回到探测器。

DE 103 47 862 B4公开了一种中阶梯光谱仪，其中在中阶梯光栅处被分散的射线以小的角度被传导返回到入射缝隙的方向上。围绕入射缝隙布置的平面镜布置把分散的射线重新偏转到中阶梯光栅，使得该射线再次被分散。

在已知的按照自动准直布置的中阶梯光谱仪中，射线或者多次通过中阶梯光栅被引导，以提高理论分辨能力和角度散射，或者采用自动准直的棱镜，以通过光路的与此相关的折叠来实现紧凑的布置。其缺点是，该光谱仪的光导率在具有内部序数分离的布置情况下大大受限于小的缝隙高度。在整个光谱范围中最小的序数分离在此确定了所允许的缝隙高度的最大值。与具有第一序数的衍射光栅的光谱仪相比，在光导率上产生的典型损失是10至50倍。

发明内容

本发明的任务是提供开头所述类型的在特别高光导率的同时具有高分辨率的一种紧凑光谱仪。根据本发明，该任务通过以下方式得到解决，即该散射布置构造为反射性的，并且该散射布置关于该中阶梯光栅如此来设置，使得平行射束被反射到中阶梯光栅的方向上。

该散射布置例如可以由具有棱镜的一种布置来形成，该棱镜把射线在横向散射方向上进行光谱分解。这种棱镜布置可以包含有背面镜面化的棱镜。但该棱镜布置也可以包含有透射棱镜，在该透射棱镜后面布置有平面镜、反射光栅或另一背面镜面化的棱镜。代替棱镜布置的，该散射布置可以包含有光栅布置或光栅与棱镜的组合，即所谓的Grism。

在这种布置中，射线传导穿过入射缝隙。发散的射线入射到例如以消色差透镜光学装置或凹面镜形式的准直光学装置。这种镜面可以是离轴抛物面、超环面或球形镜面。离轴抛物面是优选的。在该准直光学装置处生成平行的射束。该平行射束被传导到反射性散射布置上。在最简单的情况下，这种散射布置是背面镜面化的棱镜。该棱镜如此布置，使得反射的并且分散的射线并不自己返回，而是以一角度被偏转到中阶梯光栅的方向上。该中阶梯光栅如此来设置，使得它把射线在另一方向、即主散射方向上进行分散。该主散射方向尤其可以垂直于横向散射方向延伸。于是在出射平面中产生二维光谱。

如果该中阶梯光栅可围绕平行于光栅沟槽延伸的轴旋转地放置，那么所选择的波长或所选择的波长范围就可以被偏转到出射缝隙上或出射平面中的探测器上。该棱镜可以围绕平行于折射边缘延伸的轴旋转地放置。于是所选择的序数就可以被偏转到出射缝隙上或者出射平面中的探测器上。

在棱镜处的两次通过允许产生高的散射，并从而允许大的序数分离。这导致能够实现高的入射缝隙。因此在高分辨率以及仅少数光学部件的同时该布置具有比较高的光导率。

在一种特别有利的布置中，该中阶梯光栅如此来布置，使得被分散的射线被反射返回到散射布置的方向上。该布置于是自动准直地工作。自动准直布置应理解为如下一种布置，其中该准直光学装置同时承担了相机光学装置的功能，其方式是射线基本上自己被反射返回。从该中阶梯光栅返回的平行射束再一次穿过该散射布置。在那里重新在横向散射方向上被分散的射线返回至该自动准直光学装置。在那里该射线被聚焦到出射平面中。

该射线在该布置中在横向散射方向上多次被分散。相应地该中阶梯光栅的序数被特别远地相互拉开。由此本来强烈受限的缝隙高度可以选择得非常大。需要光学元件的最小值。所需的棱镜的材料体积在反射布置中和在两次通过的情况下相对于透射布置缩小了四分之三。这导致相当大的成本节省，尤其在昂贵的无条纹晶体材料情况下。

该散射布置除了用于散射之外还用于把入射的平行射束与反射的平行射束相分离。与在已知的自动准直布置情况下不同，射线在该散射布置处不是自己返回，而是首先到达中阶梯光栅。在一种特别有利的布置中产生了特别高的成像质量，因为棱镜在其主平面中偏转并分散。此外它仅需要少量的光学部件，具有相应小的透射和反射损失。通过围绕仅两个轴旋转，光谱可以在符合最佳成像条件的情况下被聚焦并定位于成像平面中。由此该布置能够容易地调整并在制造时是成本合理的。

应当理解，可以在该中阶梯光栅处进行直接返回至该散射布置的反射。替换的，该射线也可以间接地首先传输到镜面、然后重新经过该中阶梯光栅、然后才返回至该散射布置。

在本发明的扩展方案中，设置有另一中阶梯光栅，并且该散射布置可以从第一位置移动到第二位置，分别给这两个位置分配了一个中阶梯光栅，射线被反射到该中阶梯光栅的方向上。通过在该散射布置处的简单旋转，例如可以选择这两个中阶梯光栅中的一个。每个中阶梯光栅都可以关于其散射特性而与各自的应用情况相匹配。应当理解，也可以设置第三或其他的中阶梯光栅。于是该散射布置可以移动到第三或其他的位置。也可以替代这两个中阶梯光栅之一而设置平面镜。在相应地旋转并照射该平面镜时，在探测器上生成一维光谱。该一维光谱可以用作概览光谱，其中在旋转该散射布置之后在照射该中阶梯光栅时接着就以高分辨率成像二维光谱。在使用平面探测器的情况下，在此该二维光谱可同时被读出。该平面探测器的第二维在照射该平面镜的情况下可以被用于同时记录不同射线源的一维光谱，或用于对一个射线源进行位置分辨的光谱测量。如果射线从该散射装置直接被反射返回至该自动准直光学装置并被分散，那么在旋转该散射装置时也是这种情况。

如果该中阶梯光栅可旋转地布置，那么就可以在其背面设置另一中阶梯光栅。该另一中阶梯光栅可以具有不同的特性，例如具有不同的条纹数。代替旋转该棱镜或者附加于此，也可以将中阶梯光栅旋转例如180°的角度。然后使用所述另一中阶梯光栅。

在本发明的另一扩展方案中，该散射布置包含有在背面镜面化的棱镜，该棱镜与另一个在背面镜面化的棱镜一起安装在转台上，使得通过旋转该转台就可以选择这两个棱镜之一。通过这种方式可以通过旋转该转台来选择横向散射。从而可以采用由不同材料构成的棱镜，这些材料具有不同的散射波长相关性。也可以采用具有不同棱镜角度的棱镜。也可以把其他反射性构造的散射布置、如衍射光栅或Grism与棱镜组合地安装在该转台上。该旋转轴在此不仅用于选择各自的横向散射布置、中阶梯光栅或平面镜，而且还用于对该探测器上的光谱进行微调。

在本发明的另一扩展方案中，可以在光路中布置另一棱镜。这样的棱镜例如可以用于额外影响横向散射的光谱变化曲线。所述另一棱镜尤其可以布置在该散射布置与该中阶梯光栅之间。

在该散射布置处的射线可以从该主平面中偏转出小的角度。于是射线就从主平面中传导出来，使得出射平面中的探测器可以布置在入射缝隙上面或下面。在此两次通过的射线通过该散射装置而与直接反射的单次通过的射线在聚焦平面中相分离。于是该布置优选地用于抑制假光和散射光。

在该布置的一个特殊扩展方案中，在聚焦平面中具有位置分辨的平面探测器，例如CCD探测器。在这种情况下，该布置优选地是高分辨的光谱图。在第二扩展方案中，在聚焦平面中具有行探测器，或者还有单探测器，例如光电二极管或二次电子倍增器（光电倍增管）。在这种情况下该布置是光增强单色仪。按照入射缝隙宽度，可以在其他界限内调节设备相关的分辨能力。

在根据本发明的用于对开头所述类型的射线进行光谱分解的一种方法中，平行的射束通过该散射布置被反射到该中阶梯光栅的方向。在此被分散的射线可以从该中阶梯光栅被反射返回到该散射布置的方向上。

根据本发明的布置在本发明的一个优选扩展方案中在利用连续辐射器进行照射时提供了具有极高光导率的窄带高强度单色光源。采用由连续辐射器和光谱仪组成的这种布置实现了在不变换光源情况下在整个波长范围上的连续调谐性。

本发明的一个有利的扩展方案是把开头所述的布置用于VUV范围中的分析。这由于要抽真空的体积的尺寸小以及在少量反射和高透射的同时损失最小而是有利的。

为了抑制在利特罗棱镜处的寄生反射，可以使用参数-棱镜材料和偏转角度。这些参数可以如此选择，使得假光不到达该探测器。

本发明的扩展方案是从属权利要求的主题。下面参照所附示例来详细解释实施例。

附图说明

图1示出了具有中阶梯光栅和反射性棱镜的一种光谱仪布置，该反射性棱镜把平行射线反射到该中阶梯光栅的方向上。

图2示出了图1的光谱仪布置，其中可以采用附加的棱镜，其具有比反射性棱镜更小的棱镜角度。

图3示出了一种光谱仪布置，其中可以在两个中阶梯光栅和两个棱镜之间进行选择。

图4示出了图3的光谱仪布置，其中采用了第二棱镜。

图5示出了图3的光谱仪布置，其中采用了第二中阶梯光栅。

图6示出了图3的光谱仪布置，其中该棱镜在不使用中阶梯光栅的情况下处于自动准直位置。

图7示出了与图6类似的不采用中阶梯光栅的光谱仪布置，其中射线借助平面镜而重新通过该棱镜传导。

图8示出了与图3类似的具有棱镜和中阶梯光栅的光谱仪布置，其中在该棱镜与该中阶梯光栅之间的光路中布置了附加的透射棱镜。

图9a-b示出了在小入射缝隙的同时高光谱分辨率的情况下用于本发明的布置的在约500nm处小带宽的发射线的光谱强度分布。

图10a-b示出了在大入射缝隙的同时高光导率情况下的影响。

图11定性地示出了对于一个光源在用于相应于图1-5和8的光谱仪布置的平面探测器上同时测量的线状谱的强度分布。

图12定性地示出了在用于相应于图6或7的光谱仪布置的平面探测器上同时测量的线状谱的强度分布。

图13示出了对从五个不同光源发射的示例线状谱的同时测量的光谱强度分布。

具体实施方式

图1示出了特别简单的光谱仪布置的示意图，该光谱仪布置整体用10来表示。该光谱仪布置10包含有入射缝隙12、作为准直镜的离轴抛物面14、背面镜面化的棱镜16和中阶梯光栅18。在该光谱仪布置10的出射平面中设置有探测器20以记录所生成的光谱。该棱镜16的棱脊垂直于图面延伸。该中阶梯光栅18的光栅条纹在图面中延伸。

该光谱仪布置10除了上述的光学部件之外还包含有其他的部件，如机壳、底座、固定和调整工具、机械驱动装置和用于控制光学部件并用于记录和分析探测器20处的信号的电子部件，它们在此出于简化而未示出。

来自射线源的射线通过入射缝隙12入射到光谱仪布置10中，该射线通过其边缘射线22来表示。射线22在准直镜14处被准直为平行射束24。该平行射束24以入射角α入射到棱镜16上，并在那里在图面中在横向散射方向上被分散。该射束在棱镜16中传输至镜面化的背面26。在那里射束被反射并返回地重新穿过该棱镜。该入射角α如此来选择，使得入射的射束24与反射的射束28良好地分离。反射的平行射束28入射到中阶梯光栅18上。在那里该反射的平行射束在主散射方向上从图面中被分散出去。

中阶梯光栅18如此来定位，使得该射线继续作为平行的射束30偏移非常小角度地返回至棱镜16。在那里该射线重新在横向散射方向上被分散、反射，并再次被分散。继续平行的射束32接着在离轴镜14处被聚焦在具有探测器20的出射平面中，其中该离轴镜这次形成相机。

在该出射平面中由该中阶梯光栅所生成的序数垂直于图面延伸。通过在棱镜16处的横向散射，这些序数相互之间具有比较大的间距，使得在横向散射方向上的入射缝隙高度-在图1中其相应于在图面中的宽度-同样可以选择得比较大，而不会使序数重叠。通过这种方式可以实现特别高的光导率。图11示出了在用单光导纤维照射时在光谱仪的出射平面中一个线辐射器的如此生成的二维强度分布的一个例子。序数11、13等在图中垂直延伸。更多的序数并排排列。在这些序数之间的间距15相应于棱镜的散射变化曲线而一直增加到短波波长区域（图中右侧）。在每个序数内许多线被光谱分离。在图中在垂直方向上来进行这种分离。在线辐射器的情况下，如在多元素原子发射光谱仪中通常是这种情况，可以选择一种只要各个线不重叠就允许序数重叠的配置。

在出射平面中的每个位置x,y都相应于一个波长。图10示出了在波长上所绘制的通过合适的分析而生成的强度变化曲线。可以看出，相应于中阶梯光栅的高分辨率，这些线良好地相互分离。光谱线的高强度尤其受影响于该布置的高光导率。在图9中示出了对比。图9a示出了利用按照现有技术的中阶梯光谱仪布置生成的光谱线。在该线中为避免序数重叠，缝隙高度明显小于在图9b中所示的相同的光谱线的情况。在图9b中的光谱线相应于在使用本发明的布置时在单色仪/多色仪情况中在极其大的横向散射和大的入射缝隙开口情况下在两个维度中的强度分布。

该棱镜16安装在可围绕垂直于图面延伸的轴36旋转的台上。这在图1中示出。轴36由可控制的电动机来驱动。通过旋转棱镜16，序数可以在横向散射方向上移动。于是例如在单色仪运行中可以在一个探测行上来探测所选择的序数。

中阶梯光栅18可围绕平行于图面的轴38旋转地来放置。通过借助可控制的电动机来旋转该轴，可以把所选择的序数的所选择的波长移动到所选择的探测器元件上。

所述的布置仅需要非常少的光学部件。这实现了以小的反射和透射损失来生成光谱。该布置是成本合理且易于调整的。因为几乎所有部件都被平行的射束经过，所以成像缺陷非常小。这提高了该布置的分辨能力。除了部件上的小损失以及小的成像缺陷之外，通过多次被横向分散还提高了光导率。尤其在单色仪情况下这实现了在横向散射方向中大的缝隙高度。此外该布置是特别紧凑的，并在小尺寸的同时达到了高的分辨率。

图2示出了图1的实施例的另一扩展方案。该布置在原理上与前述的实施例构造相同。除了棱镜16之外在转台上还安装了另一棱镜40。棱镜40的棱脊平行于棱镜16的棱脊延伸。附加棱镜40的朝向棱镜16的背面42同样是镜面化的。棱镜40具有比棱镜16更小的棱镜角度44。如果现在需要使用更小的横向散射，那么具有棱镜16和40的棱镜布置可以在转台上围绕轴36旋转约180°的角度。然后棱镜40是有效的。例如如果在具有较短波长的范围中进行测量，在该范围中棱镜散射特别大，那么较小的横向散射是有意义的。然后序数不会相互拉开到超过探测器所允许的程度。代替不同的棱镜角度，也可以按照应用而采用由具有其它透射和折射特性的不同材料构成的棱镜。

图3至5示出了图1和2的实施例的另一扩展方案。与设置一个还是两个棱镜无关，可以设置另一中阶梯光栅46，其具有其它特性，例如其它条纹数或者其它炫耀角。在此也可以按照各自应用的期望效应的标准来进行中阶梯光栅的选择。通过简单地旋转棱镜来进行中阶梯光栅18或46的选择。在图3的图中示出了如下的布置，其中选择了具有大棱镜角度的棱镜和中阶梯光栅18。在图4的图中示出了如下的布置，其中选择了具有较小棱镜角度的棱镜和中阶梯光栅18。在图5的图中示出了如下的布置，其中选择了具有较小棱镜角度的棱镜和中阶梯光栅46。

图10示例地示出了变换中阶梯光栅的影响。该中阶梯光栅18具有比中阶梯光栅46更小的光栅常数。在本实施例中它特别好地适合于低于400nm的短波范围。中阶梯光栅18与具有比较大棱镜角度的棱镜一起被使用，如在图2中所示。氟化钙对于低于400nm的波长范围具有高透射。大的棱镜角度导致高的横向散射。因此图2的布置对于短波范围是最佳的，如在图10b中所示。在图10a中示意性示出的光谱通过如下配置生成，该配置具有在使用燧石玻璃的情况下具有较小棱镜角度的棱镜。该材料对于高于400nm的范围是特别适合的。这样一种配置在图4和5中示出。

图6和7示出了可能额外有意义的配置。棱镜16或46正好被如此调节，使得射线根本不入射到中阶梯光栅上。于是在探测器处仅仅生成小分辨率的线性概览光谱。按照所期望的散射，该射线可以直接被反射返回至入射缝隙（图6），或者反射返回到平面镜48的方向上（图7）。该射线在自动准直的平面镜48处被反射返回，并重新经过棱镜46。

利用图6和7的布置生成一维强度分布，如在图12中示例性所示。图12示出了来自不同射线源的五个光谱。所属的光谱在图13中示出。可以看出，具有二维强度分布的高分辨中阶梯光谱仪可以切换为具有一维散射的低分辨棱镜光谱仪，利用它可以获得关于辐射源的光谱强度分布的概览。在出射平面中使用平面探测器允许把未使用的维度用于不同的目的。从而不同光源的光谱强度分布可以优选地通过使用光导体而被比较，如在图12和13中所示。但也可以测量一个光源的位置分辨的光谱。最后探测器元件可以通过缝隙高度而被分级，由此达到特别高的光导率。

具有两个或更多中阶梯光栅和不同棱镜的布置的变化多样性对于专业人员是显然的，在此不必示出所有的变化方案。所有配置的一个重要特征是，这些配置仅仅通过围绕轴36来旋转棱镜台就能实现。不需要耗费的部件更换和平移移动。在任何情况下在高光导率和高分辨率以及小成本和安装尺寸的同时达到特别高的成像质量。但在特定的应用情况中也可以采用平行于轴36延伸的其他轴来旋转该散射布置的各个部件，并且是有意义的。

Claims (8)

1. 一种光谱仪布置（10），其包含有：

（a）中阶梯光栅（18；46），其用于把入射到该光谱仪布置（10）中的射线在主散射方向上进行散射，以及

（b）散射布置（16；40），其用于把由入射到该光谱仪布置中的射线所生成的平行射束在横向散射方向上进行散射，

其特征在于，

（c）该散射布置（16；40）构造为反射性的，以及

（d）该散射布置（16；40）关于中阶梯光栅（18；46）被布置为，使得该平行射束被反射到中阶梯光栅的方向上。

2. 根据权利要求1所述的光谱仪布置（10），其特征在于，中阶梯光栅（18；46）被布置为，使得被分散的射线被反射返回到所述散射布置（16；40）的方向上。

3. 根据前述权利要求之一所述的光谱仪布置（10），其特征在于，设置有另一中阶梯光栅（46），并且散射布置（16；40）能从第一位置移动到第二位置，给这两个位置分别分配了一个中阶梯光栅（18；46），射线被反射到该中阶梯光栅的方向上。

4. 根据前述权利要求之一所述的光谱仪布置（10），其特征在于，散射布置（16；40）包含有在背面被镜面化的棱镜（16），该棱镜与至少一个其它在背面被镜面化的棱镜（40）一起安装在转台上，使得通过旋转该转台就能选择棱镜之一。

5. 根据前述权利要求之一所述的光谱仪布置（10），其特征在于，在光路中设置有另一棱镜。

6. 根据前述权利要求之一所述的光谱仪布置（10），其特征在于，射线以小的角度从主平面中被偏转出去。

7. 一种用于对射线进行光谱分解的方法，其具有步骤：

（a）生成平行射束（24）；

（b）在中阶梯光栅（18；46）处把射线在主散射方向上进行分散；以及

（c）在散射布置（16；40）处把平行射线在横向散射方向上进行分散；

其特征在于，

（d）该平行射束（24）通过该散射布置（16；40）被反射到中阶梯光栅（18；46）的方向上。

8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，被分散的射线（28）由中阶梯光栅（18；46）反射返回到散射布置（16；40）的方向上。

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