DE4223212C2 - Gitter-Polychromator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gittermonochromator, bei welchem ein Lichtbündel durch ein Gitter gebeugt und spektral zerlegt als Spektrum auf ein Detektorarray geleitet wird, wel­ ches das Spektrum über eine Oktave hinweg erfaßt, wobei sich das Spektrum in einer Zerlegungsrichtung von einem kurzwelligen Ende zu einem langwelligen Ende hin er­ streckt und im Strahlengang ein brechendes optisches Glied angeordnet ist, durch wel­ ches ein Versatz des Spektrums in der Zerlegungsrichtung erfolgt, wobei kurzwelliges Licht einen stärkeren Versatz erfährt als langwelliges Licht.

Bei Gitter-Polychromatoren, die ein Spektrum über eine Oktave hinweg erfassen, tritt das Problem auf, daß Detektorelemente nicht nur von dem Licht einer gewünschten Wellenlänge und Ordnung beaufschlagt werden, sondern auch von höheren Ordnungen entsprechend kürzerer Wellenlängen. An den Ort, wohin von einem Gitter in erster Ord­ nung z. B. Licht mit der Wellenlänge 800 nm gebeugt wird, wird von dem Gitter in zweiter Ordnung Licht von der Wellenlänge 400 nm gebeugt. Ein an diesem Ort angeordnetes Detektorelement eines Detektorarrays liefert dann keine eindeutig der Wellenlänge 800 nm zugeordnete spektrale Intensität.

Um dieses Problem zu umgehen, wurden bereits verschiedene Verfahren angewandt.

In der US-Patentschrift 3 309 957 wird ein Spektrograph dargestellt, bei dem die unter­ schiedlichen Wellenlängen durch selektive Filter getrennt und auf verschiedenen Posi­ tionen abgebildet werden.

Hier werden jedoch auch Spektren höherer Ordnung abgebil­ det.

Im US-Patent 3 922 089 wird ein Apparat dargestellt, bei dem ein dispergierendes Glied Licht in seine spektralen Anteile zerlegt. Diese Anteile werden durch ein Gitter gebeugt, das senkrecht zur ersten Zerlegungsrichtung wirkt, und die zu einer Wellenlänge gehö­ renden Beugungsordnungen werden in einer Reihe abgebildet. Damit die Abstände zwi­ schen den zu unterschiedlichen Wellenlängen gehörenden Reihen in der Abbildungs­ ebene gleichmäßig sind, wird als erstes dispergierendes Glied eine Kombination aus Gitter und Prisma eingesetzt, bei der das Prisma einen Versatz des durch das Gitter er­ zeugten Spektrums in Zerlegungsrichtung bewirkt und so die unterschiedlich starke Auf­ spaltung zwischen kurzwelligem und langwelligem Licht ausgleicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gitter-Polychromator der eingangs genannten Art den Einfluß höherer Ordnungen, insbesondere der zweiten Ordnung, des Gitters zu eliminieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß vor dem Detektorarray im Bereich der längeren Wellenlängen und im Abstand von dem vom unteren Ende des erfaßten Spektrums beaufschlagten Detektorelement des Detektorarrays ein Kantenfil­ ter angeordnet ist, welches nur Licht oberhalb einer Wellenlänge durchläßt, die der dop­ pelten Wellenlänge des unteren Endes des von dem Detektorarray erfaßten Spektrums entspricht.

Wenn man vor das Detektorarray ein Kantenfilter anordnet, welches kurzwelliges Licht unterhalb des unteren Endes des erfaßten Spektrums nicht durchläßt, also beispiels­ weise Licht unterhalb von 400 nm, dann würde auch das Licht von 400 nm von dem Filter nicht durchgelassen. Wenn man den Rand des Filters räumlich gegenüber dem Detektorarray verschiebt, so daß das der Wellenlänge 400 nm zugeordnete Detektore­ lement von dem Filter nicht abgedeckt ist, dann wäre dieses Detektorelement ohne be­ sondere Maßnahmen wiederum von Licht zweiter Ordnung mit der Wellenlänge 200 nm beaufschlagt. Aus diesem Grund sieht die Erfindung ein brechendes Glied im Strahlen­ gang vor. Dieses brechende Glied bewirkt eine zusätzliche Verschiebung des Spek­ trums in der Ebene des Detektorarrays. Dabei erfahren aber die kurzen Wellenlängen eine stärkere zusätzliche Verschiebung als die langen Wellenlängen. Die Wellenlängen des Spektrums zweiter Ordnung werden dadurch relativ zu dem Detektorarray in der Zerlegungsrichtung in einen Bereich verschoben, in welchem das Filter angeordnet ist. Es kann Vorsorge getroffen werden, daß die im Bereich der freiliegenden Detektorele­ mente in zweiter und höherer Ordnung auftretenden Wellenlängen vernachlässigbare Intensität haben, die Efficiency des Gitters abfällt oder die Detektorelemente nicht auf diese Wellenlängen ansprechen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung eines Gitter- Polychromators, mit einem Konkavgitter, bei welcher das brechende optische Glied von einem Prisma gebildet ist.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführung eines Gitter- Polychromators, bei welcher ein Plangitter mit zwei torischen Spiegeln verwendet wird und das brechende optische Glied ein vor dem Gitter angeordneter, planparalleler Körper ist.

Fig. 3 zeigt die Transmissionskurve eines bei den Anordnungen von Fig. 1 und 2 verwendbaren Filters.

Fig. 4 veranschaulicht die Abhängigkeit des Brechungsindex des brechenden optischen Gliedes von der Wellenlänge.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Eintrittsspalt des Polychromators bezeichnet. Durch den Eintrittsspalt 10 tritt ein Lichtbündel 12. Das divergente Lichtbündel 12 wird durch ein Konkavgitter 14 auf einen Konkavspiegel 16 gelenkt. Die Gitterfurchen des Konkavgitters 14 verlaufen senkrecht zur Papierebene von Fig. 1. Das Konkavgitter 14 erzeugt wellenlängenabhängig gebeugte Strahlenbündel, die von dem Konkavspiegel in einer Ebene 18 fokussiert werden.

In dem Strahlengang ist zwischen dem Konkavgitter 14 und dem Konkavspiegel 16 ein brechendes optisches Glied in Form eines Prismas 20 angeordnet.

Das Prisma 20 und das Konkavgitter 14 zusammen zerlegen das Lichtbündel 10 in Strahlenbündel mit verschiedenen Wellenlängen. In Fig. 1 sind in erster Ordnung gebeugte Strahlenbündel 22 mit einer Wellenlänge von 230 nm, 24 mit einer Wellenlänge von 250 nm, 26 mit einer Wellenlänge von 300 nm, 28 mit einer Wellenlänge von 400 nm, 30 mit einer Wellenlänge von 610 nm und 32 mit einer Wellenlänge von 800 nm dargestellt. In der Ebene 18 ist ein Detektorarray 34 angeordnet. Das Detektorarray 34 besteht aus einer Reihe von Detektorelementen. Jedes dieser Detektorelemente erfaßt einen engen Spektralbereich des in der Ebene 18 erzeugten Spektrums. Der von dem Detektorarray 34 insgesamt erfaßte Spektralbereich umfaßt zwei Oktaven von 200 nm bis 800 nm.

Wenn man sich einmal die Anordnung ohne das Prisma 20 vorstellt, dann würde an dem Ort, wo das Strahlenbündel mit der Wellenlänge 800 nm in der ersten Ordnung fokussiert ist, auch ein Strahlenbündel mit der Wellenlänge 400 nm in der zweiten Ordnung fokussiert. Entsprechend würde an dem Ort, wo ein Strahlenbündel mit der Wellenlänge 400 nm in erster Ordnung fokussiert wird, auch ein Strahlenbündel mit der Wellenlänge 200 nm fokussiert. Da die Detektorelemente, die üblicherweise von Photodioden gebildet sind, im Kurzwelligen bis zu etwa 190 nm empfindlich sind, würden sich keine eindeutigen, nur einer Wellenlänge entsprechenden Signale an den Detektorelementen ergeben.

Bei der beschriebenen Anordnung ist vor dem Detektorarray 34 ein Kantenfilter 36 angeordnet. Das Kantenfilter 36 hat eine Charakteristik, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Das Kantenfilter 36 läßt alles Licht oberhalb 400 nm durch. Licht mit einer Wellenlänge von 400 nm wird nicht mehr durchgelassen. Das Kantenfilter 36 ist etwas gegen das "kurzwellige" Ende des Diodenarrays in Zerlegungsrichtung, d. h. zum "Langwelligen" hin, räumlich versetzt. Das Detektorelement 38 für das Strahlenbündel 28 mit 400 nm ist von dem Kantenfilter 36 nicht abgedeckt. Es kann also einerseits kein Licht mit der Wellenlänge 400 nm in zweiter Ordnung auf das Detektorelement 40 für 800 nm fallen. Andererseits erfaßt das Detektorelement 42 das in erster Ordnung gebeugte Strahlenbündel 28 mit 400 nm. Das Detektorelement 42 ist nicht von dem Filter abgedeckt.

Durch das Prisma 20 sind die Punkte, in denen die Strahlenbündel 22, 24, 26, 28, 30 und 32 fokussiert sind, etwas in Zerlegungsrichtung, d. h. nach unten in Fig. 1 verschoben. Aus der Kurve von Fig. 4 ist ersichtlich, daß der Brechungsindex und damit die Verschiebung der Fokuspunkte für kurzwelliges Licht wesentlich höher ist als für langwelliges Licht. Das Spektrum wird daher an seinem kurzwelligen Ende gegenüber dem mit dem Konkavgitter 14 allein erzeugten Spektrum in Zerlegungsrichtung "zusammengedrückt". Das führt dazu, daß das Strahlenbündel, das einer Wellenlänge von 200 nm im der zweiten Ordnung entspricht, nicht mit dem Fokuspunkt des "400 nm"-Strahlenbündels 28 zusammenfällt sondern gegenüber diesem in der Zerlegungsrichtung versetzt ist. Das macht es möglich, die zweite Ordnung des Lichts von 200 nm durch das Kantenfilter 36 zu eliminieren. In Fig. 1 ist das Strahlenbündel 44 dargestellt, das in zweiter Ordnung Licht von 210 nm entspricht. Dieses Licht ist deutlich im Bereich des Kantenfilters 36 fokussiert, fällt also nicht auf das unter dem Kantenfilter 36 angeordnete Detektorelement.

Das nicht abgedeckte Detektorelement 42 für die Wellenlänge 400 nm und die diesem benachbarten, ebenfalls nicht abgedeckten Detektorelemente liegen an Orten, wo andere Wellenlängen, z. B. von 170 nm, in zweiter Ordnung erscheinen würden. Es kann aber dafür gesorgt werden, daß in diesem Bereich die Empfindlichkeit des Detektorelements und die Efficiency des Konkavgitters 14 vernachlässigbar sind.

Die beschriebene Anordnung gestattet es, mit einem einzigen Kantenfilter einen Bereich von einer Oktave oder mehr bei einem Polychromator zu überdecken. Das beschriebene Prinzip ist offensichtlich nicht auf die angegebenen Wellenlängen beschränkt.

Eine andere Ausführung eines Gitter-Polychromators ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dem Gitter-Polychromator von Fig. 2 tritt ein Lichtbündel 50 durch einen Eintrittsspalt 52. Das divergente Lichtbündel 50 fällt auf einen torischen Spiegel 54. Der Spiegel 54 erzeugt ein paralleles Strahlenbündel 56. Das parallele Strahlenbündel 56 tritt durch einen planparallelen brechenden Körper 58 aus Quarz. Der Körper 58 hat eine Vorderfläche 60 und eine dazu parallele Rückfläche 62. Die Rückfläche 52 grenzt an ein Plangitter 64 an. Die Gitterfurchen des Plangitters 64 verlaufen wieder senkrecht zur Papierebene von Fig. 2. Die parallelen Strahlenbündel gehen durch den Körper 58 hindurch. Dabei werden die Strahlenbündel etwas seitlich versetzt. Der Versatz hängt dabei wieder von dem Brechungsindex ab. Dieser ist gemäß Fig. 4 wellenlängenabhängig. Von dem Plangitter 64 werden Strahlenbündel wellenlängenabhängig gebeugt. Die von dem Plangitter 64 zurückgeworfenen, gebeugten Strahlenbündel sind wieder für jede Wellenlänge parallele Strahlenbündel. Die Richtung der zurückgeworfenen, parallelen Strahlenbündel hängt von der Wellenlänge ab. Bei Durchtritt der parallelen Strahlenbündel durch den planparallelen Körper 58 aus Quarz erfahren die Strahlenbündel durch die Brechung wieder einen seitlichen Versatz. Dieser seitliche Versatz ist wieder vom Brechungsindex und damit von der Wellenlänge abhängig.

Die von dem Plangitter 64 gebeugten parallelen Strahlenbündel fallen auf einen weiteren torischen Spiegel 66. Durch den torischen Spiegel 66 werden die verschiedenen parallelen Strahlenbündel in einer Ebene 68 fokussiert. In Fig. 2 sind das in erster Ordnung gebeugte Strahlenbündel 70 mit einer Wellenlänge von 200 nm, das in erster Ordnung gebeugte Strahlenbündel 72 mit 400 nm und das in erster Ordnung gebeugte Strahlenbündel 74 mit 800 nm dargestellt. Weiterhin ist ein Strahlenbündel 76 dargestellt, das von dem Plangitter in zweiter Ordnung gebeugt ist und Licht mit der Wellenlänge 200 nm enthält. Dieses Strahlenbündel 76 ist in einem Punkt 78 fokussiert, der gegen den Punkt 80, in dem das Strahlenbündel 72 fokussiert ist, etwas in Zerlegungsrichtung, d. h. zu den längeren Wellenlängen hin, verschoben.

In der Ebene 68 ist wieder ein Detektorarray 82 angeordnet. Das Detektorarray erfaßt das Spektrum wieder von 200 nm bis 800 nm über zwei volle Oktaven. Vor dem Detektorarray 82 ist ein Kantenfilter 84 angeordnet. Das Kantenfilter 84 überdeckt jedoch nicht den Bereich bis 400 nm. Der Rand des Kantenfilters 84 ist so angeordnet, daß der versetzte Fokuspunkt 78 des Strahlenbündels 76 auf dem Kantenfilter 84 liegt, während der Fokuspunkt 80 des Strahlenbündels 80 neben dem Kantenfilter 84 liegt und das Strahlenbündel unmittelbar auf das entsprechende Detektorelement fällt.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist die gleiche wie bei der Ausführung nach Fig. 1. Während bei der Ausführung von Fig. 1 eine wellenlängenabhängige Ablenkung des Strahlenbündels durch ein Prisma 20 erfolgt, erfolgt bei der Ausführung nach Fig. 2 ein wellenlängenabhängiger seitlicher Versatz der Strahlenbündel durch den planparallelen Körper 58.

Das Kantenfilter kann ein Schott-Filter Nr. 614 sein.

Claims (3)

1. Gitter-Polychromator, bei welchem ein Lichtbündel (12; 50) durch ein Gitter (14; 64) gebeugt und spektral zerlegt als Spektrum auf ein Detektorarray (34, 82) ge­ leitet wird, welches das Spektrum über eine Oktave hinweg erfaßt, wobei sich das Spektrum in einer Zerlegungsrichtung von einem kurzwelligen Ende zu einem langwelligen Ende hin erstreckt, und im Strahlengang ein brechendes optisches Glied (20; 58) angeordnet ist, durch welches ein Versatz des Spektrums in der Zerlegungsrichtung erfolgt, wobei kurzwelliges Licht einen stärkeren Versatz er­ fährt als langwelliges Licht, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Detektorarray (34; 82) im Bereich der längeren Wellenlängen und im Abstand von dem vom unteren Ende des erfaßten Spektrums beaufschlagten Detektorelement (42) des Detektorarrays (34; 82) ein Kantenfilter (36; 84) ange­ ordnet ist, welches nur Licht oberhalb einer Wellenlänge durchläßt, die der dop­ pelten Wellenlänge des unteren Endes des von dem Detektorarray (34; 82) erfaß­ ten Spektrums entspricht.

2. Gitter-Polychromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das brechende optische Glied ein Prisma (20) ist.

3. Gitter-Polychromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das brechende optische Glied ein vor dem Gitter (64) angeordneter planparalleler Körper (58) ist.