DE69021786T2

DE69021786T2 - Optisches System zur Spektralanalyse.

Info

Publication number: DE69021786T2
Application number: DE69021786T
Authority: DE
Inventors: Andre Baranne; Francis Pilloud
Original assignee: Fisons Ltd
Current assignee: Fisons Ltd
Priority date: 1989-06-16
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2010-06-13
Also published as: DE69021786D1; US5285255A; ATE126883T1; EP0403228A1; JPH0326926A; EP0403228B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Vorrichtungen zur Verwendung in der Spektralanalyse von Licht, d.h. auf Vorrichtungen zur Verwendung in Spektrographen, Spektrometern oder Kolorimetern.
Die bei der Spektralanalyse von Licht verwendeten spektroskopischen Techniken können weitgehend in zwei Kategorien eingeteilt werden: die sequentielle Spektroskopie und die Simultanspektroskopie. Die erstere Technik beinhaltet das Auf zeichnen eines Spektrums in einer Wellenlänge-nach-Wellenlängen Art und Weise unter Verwendung eines Monochromators, um jede einzelne Wellenlänge, welche durch Drehen eines dispergierenden Elements in dein Monochromator ausgewählt wird, zu isolieren.
In der Simultanspektroskopie werden andererseits eine Anzahl verschiedener Wellenlängen gleichzeitig gemessen, typischerweise mittels eines statischen dispergierenden Elements und einem Feld von Detektoren.
Aufgrund der verschiedenen Betriebsmodi von sequentiellen- und Simultan-Systemen können diese verschiedene optische Eigenschaften aufweisen und eine für einen Verwendungszweck ausgebildete Einheit kann für den anderen ungeeignet sein.
Wir haben nun eine verbesserte Form einer optischen Einrichtung zur Verwendung in der Spektralanalyse von Licht erreicht, welche diesen Nachteil beseitigt oder wesentlich abschwächt, und welche bezüglich bekannten optischen Systemen weitere vorteilhafte Eigenschaften aufweist.
Aus der US-A-3,885,590 ist eine optische Vorrichtung zur Spektralanalyse einer Lichtquelle bekannt, wobei die Vorrichtung umfaßt: einen ersten Spektrographen des Czerny-Turner-Typs mit einem Eintrittsschlitz, ersten und zweiten nebeneinanderliegenden konkaven Spiegeln der gleichen Brennweite und einem ersten dispergierenden Element, welches in der gemeinsamen Fokalebene des ersten und zweiten Spiegels angeordnet ist, wobei der erste Spektrograph ein erstes vollständiges Zwischenspektrum liefert, welches ein spektral entlang einer ersten Dispersionsachse zerstreutes Bild des Eintrittsschlitzes umfaßt, und ein zweites dispergierendes Element, welches das vollständige Zwischenspektrum weiter zerstreut, wobei das zweite dispergierende Element in einem zweiten Spektrographen des Czerny-Turner-Typs enthalten ist und in der gemeinsamen Fokalebene von dritten und vierten nebeneinanderliegenden konkaven Spiegeln mit der gleichen Brennweite angeordnet ist, und wobei der dritte Spiegel ein klassischer Kollimator ist, welcher derart angeordnet ist, daß das vollständige Zwischenspektrum an seinem Objektbrennpunkt angeordnet ist, wodurch ein Bild des vollständigen Zwischenspektrums ins Unendliche abgebildet wird.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das zweite dispergierende Element das vollständige Zwischenspektrum entlang einer zweiten Dispersionsachse im wesentlichen orthogonal zur ersten Dispersionsachse weiter zerstreut.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung ist daher vorteilhaft, da sie leicht sowohl für simultane als auch sequentielle Messungen verwendbar ist. Zusätzlich werden Aberrationen aufgrund von z.B. Exzentrizitäten minimiert. Die Vorrichtung kann relativ kompakt und in einer derartigen Art und Weise hergestellt werden, daß alle Komponenten in einer oder zwei Ebenen angeordnet sind. Dies minimiert durch die thermische Expansion etc. eingeführte Fehler.
Das Zwischenspektrum ist ein zerstreutes Bild des Eintrittsschlitzes des Spektrographenaufbaus.
Der verwendete Spektrographenaufbau ist als Z-Aufbau bezeichnet und weist keine ungleichmäßigen Aberrationen auf (wie z.B. eine Verzerrung), vorausgesetzt, daß die Einfallswinkel auf die beiden Spiegel gleich sind.
Das erste dispergierende Element ist vorzugsweise ein Gitter, am meisten bevorzugt ein Stufengitter. Stufengitter sind bevorzugt, da sie eine größere Dispersion ergeben. Das Gitter wird bevorzugterweise in der konischen Dispersion verwendet.
Ein derartiger Z-Aufbau weist jedoch zwei problematische Aberrationen auf: eine sphärische Aberration, wenn die Öffnungen zu groß sind, und einen Astigmatismus, welcher mit dem Quadrat der Einfallswinkel auf die Spiegel zunimmt, mit der Folge, daß die Exzentrizität bei einem Minimum gehalten werden muß.
Es ist erforderlich, die Ordnungen orthogonal mittels eines zweiten dispergierenden Elements zu zerstreuen. Dieser Effekt wird klassischerweise durch ein Doppel-Durchgangsprisma erhalten, welches vor dem Stufengitter angeordnet ist. Dieses Prisma ist im allgemeinen jedoch wesentlich größer als das Gitter und die Dispersion im Roten ist viel kleiner als im Ultravioletten, was die Höhe des Schlitzes beschränkt (um ein Überlagern der Bilder verschiedener Ordnungen zu vermeiden) . Die Einfallswinkel auf die Spiegel sind groß, was den Astigmatismus vergrößert. Durch die Flächen-Beugung (einfallende Strahlen sind orthogonal zu den Gitterlinsen gebeugt) sind diese Winkel groß und begrenzen die Öffnungen, welche durch die Gefahren von parasitären Spektren bereits beschränkt sind (Cary's Regel). Durch die konische Beugung (einfallende und gebeugte Strahlen in der gleichen Ebene parallel zu den Gitterlinsen, welche Ebene die Lichtachse enthält) führen diese übergroßen Winkel zu einer Krümmung des Spektrums und Unterschieden in der Steigung, was für monochromatische Bilder des Schlitzes problematisch ist.
Diese Probleme sind durch die Erfindung durch Kombinieren zweier aufeinanderfolgender Czerny-Turner-Anordnungen (des gleichen Typs) derart gelöst, daß der klassische Kollimator der erste Spiegel des zweiten Czerny-Turner-Spektrographen ist. Der erste und der zweite Czerny-Turner-Spektrograph werden hier nachfolgend als erste und zweite Stufe bezeichnet.
Vorzugsweise umfaßt die erste Stufe ein zur konischen Dispersion verwendetes Stufengitter; die Littrow-Aufbau-Bedingungen können verwendet werden und die Exzentrizitätswinkel auf ein Minimum verringert werden. Dies führt zu einer besseren Lichtstärke und einer kleinen Verformung des Zwischenspektrums, in welchem alle Ordnungen überlagert sind.
In der zweiten Stufe zerstreut das zweite dispergierende Element, welches ein Rückreflexionsprisma oder ein klassisches Gitter sein kann, das Zwischenspektrum in der endlichen Sagittalebene, welche mit der Ebene der dispergierenden Elemente übereinstimmt. Wie bekannt ist, sind, wenn das Zwischen- und das Endbild einer sphärischer Aberration und einem Astigmatismus unterliegen, die Sagittalstrahlen effektiv in dieser Ebene enthalten. Es ist bevorzugt, daß das zweite dispergierende Element ein Rückreflexionsprisma ist, da dieses eine bessere Auflösung im ultravioletten Bereich des Spektrums ergibt.
Ein weiterer Vorteil der zweistufigen Anordnung ist, daß das Prisma, wenn es verwendet wird, auf seine minimalen Abmessungen verringert ist, welche von den Abmessungen des in der ersten Stufe verwendeten Stufengitters völlig unabhängig gemacht werden können. Ferner kann bei der zweistufigen Ausgestaltung die Größe des zweiten dispergierenden Elements gleich derjenigen des ersten gemacht werden. Dieses ist kleiner als gewöhnlich und führt zu geringeren Kosten. Wenn ein Prisma verwendet wird, kann dieses relativ dünn gemacht werden, was zu einer verringerten Absorption von Licht führt und somit zu einer verbesserten Lichtintensität.
Aus Gründen der mechanischen Kompaktheit ist es vorteilhaft, die zweite Stufe durch, z.B., ein Total-Reflexionsgitter in der Höhe des Zwischenspektrums über die erste Stufe zu "falten". Dies ermöglicht es, daß alle optischen Elemente der Vorrichtung in zwei parallelen Ebenen, nachfolgend "Seiten" bezeichnet, verteilt sind. Die erste Seite umfaßt dann vier sich entlang paralleler Achsen aneinander anschließende Spiegel; die zweite gegenüberliegende Seite umfaßt den Rest der optischen Elemente (Eintrittsschlitz, Stufengitter, Zwischenspektrum, Total-Reflexionsprisma, Rückreflexionsprisma und Endbild). Diese Anordnung weist beträchtliche Vorteile auf, insbesondere die Einfachheit des Aufbaus und die Verringerung von Fehlern aufgrund z.B. der thermischen Ausdehnung der Einheit.
Als eine Alternative zu dem Total-Reflexionsprisma kann ein Paar von ebenen Spiegeln verwendet werden, um die erste und die zweite Stufe zu "falten" (die beiden Spiegel wirken analog zu den beiden Innenflächen des Prismas, an welchen die Reflexion auftritt).
Aufgrund der Variationen der Intensitäten der verschiedenen Spektrallinien kann es vorteilhaft sein, eine Abdeckblende unmittelbar vor dem Total-Reflexionsprisma anzuordnen, um bestimmte Linien zu unterdrücken oder sogar vollständig zu beseitigen. Die Abdeckblende kann z.B. den Durchgang von mehr Licht im Ultravioletten ermöglichen, wo es nur wenig Licht gibt und wo die Dispersion aufgrund des Prismas groß ist, als im Roten, wo mehr Licht vorhanden ist und das Prisma nur eine geringe Dispersion verursacht. Es ist ferner möglich, jegliche ungewünschte Linien zu unterdrücken oder zu beseitigen, z.B. besonders starke Linien, welche sich mit anderen Messungen stören.
Es ist wünschenswert, das System derart aufzubauen, daß die sphärische Aberration und der Astigmatismus korrigiert werden. Dies kann nur bei drei Punkten durchgeführt werden: beim ersten Spiegel der ersten Stufe oder einem der dispergierenden Elemente, da an den anderen Spiegeln die Strahlen zerstreut werden.
Bei einem Spektrometer (mit einem einzigen Eintrittsschlitz) ist es die bevorzugte Lösung, die Aberrationen der ersten Stufe am ersten Spiegel und die Aberrationen der zweiten Stufe am zweiten dispergierenden Element zu korrigieren. Tatsächlich kann der erste Spiegel eine totale Korrektur für beide Stufen vorsehen. In diesem Falle ist der Spiegel ein astigmatisches Hyperboloid mit einer Symmetrieachse parallel zu den Achsen der anderen Spiegel, wobei der Koeffizient der hyperbolischen Verformung gleich dem negativen der Anzahl an Spiegeln in dem korrigierten System ist (d.h. -4, wenn 4 Spiegel mit dem gleichen Krümmungsradius vorhanden sind), wobei der Unterschied zwischen den Hauptkrümmungsradien des Hyperboloids von den Exzentrizitätswinkeln und deren Orientierung abhängt.
Es gibt daher eine Umkehrung der beiden Aberrationen auf der Höhe des Zwischenspektrums. Dies ist nicht problematisch, da das Sagittalbild dem Tangentialen vorangeht, wo eine geometrische Abdeckblende angeordnet werden kann, um die Höhe der Strahlen zu beschränken.
Ein signifikanter Vorteil der zweistufigen Vorrichtung ist die Möglichkeit des Verbesserns der Bildqualität durch differentielles Vignettieren in jedem Wellenlängenbereich. Es ist herausgefunden worden, daß in den Ordnungen eines Stufengitters die blauen Ordnungen linear kürzer sind als die roten Ordnungen. Die Bilder für blaue Wellenlängen sind daher näher an der Achse und von besserer Qualität als die äußersten Bilder der roten Ordnungen. Das Rot kann ohne einem Nachteil separat vignettiert werden, da in diesem Bereich mehr als genug Licht vorhanden ist. Dieser Effekt wird erhalten, indem dem zweiten Spiegel der ersten Stufe und dem ersten Spiegel der zweiten Stufe eine ovale Kontur gegeben wird. Folgend auf die Umkehrung der Pupillen auf der Höhe des Zwischenspektrums wird für die Endbilder nur der zentrale Teil der Pupille behalten. Dies ermöglicht die Verwendung eines Gitters mit einer größeren Anzahl an Linien als bei dem ersten Zerstreuer, und somit sind die Ordnungen leichter trennbar und ein Prisma mit kleinerem Winkel kann in der zweiten Stufe verwendet werden.
Die strikte Telezentrizität des End- und des Zwischenbilds macht die Vorrichtung weniger empfindlich auf die Ausdehnung oder das Zusammenziehen, wenn die optischen Elemente selbst für thermische Veränderungen unempfindlich sind. Diese Telezentrizität ermöglicht es, daß das Zwischenbild für die sequentielle Spektroskopie verwendet wird. Für diesen Zweck kann eine sequentielle Einheit auf der Höhe des Zwischenbilds eingeführt werden. Diese sequentielle Einheit ist ein kompakter Aufbau mit kleinen Abmessungen, welcher entlang des Zwischenspektrums verschoben werden kann. Er umfaßt praktischerweise ein rhomboidisches Prisma, um das Licht zu einer Czerny- Turner-Einheit abzulenken, in welcher der Zerstreuer ein Prisma ist. Das Prisma weist einen zu dem Schlitz parallelen Rand auf, so daß die zweite Zerstreuung in der gleichen Richtung stattfindet wie die Zerstreuung aufgrund des Gitters. Das Prisma kann gedreht werden, so daß Licht der gewählten Wellenlänge in einem Austrittsschlitz erscheint. Das rhomboidische Prisma, welches zum Ablenken des Lichts zur Czerny-Turner-Einheit verwendet wird, ist praktischerweise sehr dünn, so daß es vor der geometrischen Abdeckblende angeordnet werden kann, wenn diese verwendet wird. Das bedeutet, daß der Eintrittsschlitz zur sequentiellen Einheit von unbeschränkter Höhe ist.
Die durch den Eintrittsschlitz der sequentiellen Einheit ausgewählten Wellenlängen sind diskret verteilt, entsprechend dem Gesetz K = konstant. Sie sind daher sehr gut voneinander getrennt und die Brennweiten der Czerny-Turner-Spiegel können kurz sein und der Austrittsschlitz kann groß sein. Da ein einziger Detektor im allgemeinen nicht für einen gesamten interessanten Spektralbereich geeignet ist, ist es bevorzugt, einen Detektor für den blauen Wellenlängenbereich und einen weiteren für das rote Ende des Spektrums zu verwenden. In diesem Falle ist das Zerstreuungsprisma praktischerweise ein Aufbau von zwei vertauschbaren Prismen, wobei die Auswahl des geeigneten Detektors durch die Auswahl des entsprechenden Prismas getroffen wird.
Wenn eine sequentielle Einheit verwendet wird, dann können die Rest-Aberrationen des Systems in der ersten Stufe und der sequentiellen Einheit korrigiert werden, wobei Aberrationen der ersten Stufe am ersten Spiegel durch ein astigmatisches Hyperboloid korrigiert werden, dessen Verformungskoeffizient -2 ist, und Aberrationen der zweiten Stufe an dem Prisma durch eine Schmidt-Optik korrigiert werden.
Das sequentielle Aufzeichnen eines Bereichs von Wellenlängen erfordert zwei gekoppelte Bewegungen: eine lineare Verschiebung der sequentiellen Einheit und eine Drehung von deren Prisma.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß der Eintrittsschlitz der sequentiellen Einheit geradlinig und parallel zum Rand des Prismas sein muß. Daher ist es praktisch, dem allgemeinen Eintrittsschlitz der Vorrichtung eine geeignete Neigung zu geben, möglicherweise eine Krümmung, um den Effekt aufgrund des in konischer Dispersion verwendeten Stufengitters zu kompensieren.
Anstatt der, oder zusätzlich zu der, sequentiellen Einheit können eine oder mehrere feste Einheiten auf der Höhe des Zwischenspektrums vorgesehen sein, wobei jede feste Einheit für die Messung einer Spektrallinie vorgesehen ist. Die Verwendung einer derartigen festen Einheit ist besonders hilfreich, wenn eine interessierende Spektrallinie im Ultravioletten auftritt und daher die Absorption in den Komponenten (Prismen etc.) der letzteren Stufen der Vorrichtung problematisch sein kann. Ein Beispiel ist die Bestimmung von Stickstoff, z.B. in Stahl.
Die feste Einheit ist praktischerweise, mit der Ausnahme, daß sie festgelegt ist, von dem gleichen Aufbau wie die sequentielle Einheit, d.h. sie kann einen kleinen Spiegel oder ein Prisma umfassen, um das Licht in einen kompakten Czerny-Turner-Aufbau zu lenken, welcher mit einem geeignet positionierten Austrittsschlitz und einem Photomultiplier versehen ist.
In der astronomischen Optik kann eine Vorrichtung dieses Typs mit dem Unterschied verwendet werden, daß das durch die Brennweite des Teleskops gelieferte Bildfeld zu groß für den verwendeten Detektor ist und die Abmessung eines durch eine atmosphäre Turbulenz vergrößerten Sternenbildes größer ist als die Pixel des Detektors. Es ist daher erforderlich, die Vorrichtung mit einem Fokal-Reduzierstück zu kombinieren. Wenn das durch das Teleskop gelieferte Bild telezentrisch ist und der Objektiv-, der Zwischen- und der Bildraum der Vorrichtung monochromatisch homomorph sind, kann ein direkt innerhalb des Teleskops verwendetes Fokal-Reduzierstück am Zwischenfokus oder am Endfokus der Vorrichtung sein.
Da die Innenpupille eines astronomischen Fokal-Reduzierstücks im allgemeinen reell und verwendbar ist, kann ein zweiter Zerstreuer vorgesehen werden, wenn erforderlich. Die Tatsache, daß das gleiche Fokal-Reduzierstück entweder am direkten Brennpunkt des Teleskops oder am Austritt von jeder der Stufen verwendet werden kann, bedeutet, daß zu jeder Zeit eine minimale optische Vorrichtung in Betrieb ist.
Das Fokal-Reduzierstück kann katadioptrisch sein, in welchem Falle dann die Vorrichtung kompakter ausgebildet werden kann. Der Kollimator des Fokal-Reduzierstücks ist dann ein Spiegel, welcher identisch zu den Czerny-Turner-Spiegeln ist. Ein dioptrisches Objektiv von beliebiger Gestaltung kann dann in der zweiten Pupille angeordnet werden, um die erforderliche Fokalreduzierung vorzusehen.
Wenn der erste Zerstreuer ein Gitter ist, welches in der ersten Ordnung arbeitet, wird die Vorrichtung als solche verwendet; in dem Falle, in welchem der Zerstreuer ein Stufengitter ist, ist es am besten, einen zweiten Zerstreuer vor dem Objektiv anzuordnen.
Wie vorher wird eine Korrektur der sphärischen Aberration und des Astigmatismus gemäß der Anzahl an Spiegeln und der Exzentrizität vorgenommen. Ein bestimmter relevanter Fall in der astronomischen Optik ist die Verwendung von mehreren Eintrittsschlitzen (Mehrfachschlitz-Spektrographen). Die Korrektur der Aberrationen kann dann nur in der Pupillenhöhe durchgeführt werden, entweder durch Verformen der Gitteroberfläche oder durch Einführen einer Schmidt-Doppeldurchgangs-Astigmatismus-Scheibe vor dem Gitter. In einem astronomischen Spektrographen wird dies verwirklicht, da eine komplexe optische Vorrichtung dessen Anschaffungspreis nicht bedeutend beeinträchtigt.
Es ist klar, daß die Anzahl an Stufen nicht auf eine oder zwei eingeschränkt ist und daß verschiedene identische Systeme für ein sehr großes astronomisches Feld nebeneinander angeordnet werden können.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung ist bei jeder Anwendung, welche die Spektralanalyse von Licht enthält, zweckmäßig. Ein besonderer Typ eines Instruments, in welchem die Vorrichtung verwendet werden kann, ist ein optisches Emissionsspektrometer.
Die Erfindung wird nun detailliert mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Figur 1 das bekannte Czerny-Turner-Schema für die konische Beugung zeigt (oben-unten-Typ),
Figur 2 eine optische Vorrichtung zeigt, welche zwei aufeinanderfolgende Czerny-Turner-Einheiten umfaßt,
Figur 3 die gleiche Anordnung wie die Figur 2 zeigt, welche durch ein Total-Reflexionsprisma gefaltet ist, so daß die optischen Elemente in zwei parallele Ebenen aufgeteilt sind;
Figur 4 eine geometrische Abdeckblende zeigt, welche in der Ebene des Zwischen-Spektralbildes der Anordnung der Figur 3 angeordnet ist,
Figur 5 geometrische Blenden zeigt, welche auf Spiegeln 2 und 3 der Figur 3 angeordnet sind,
Figur 6 eine mobile sequentielle Einheit zeigt, welche hinter dem Zwischen-Spektralbild der Anordnung der Figur 3 angeordnet ist,
Figur 6' eine Vergrößerung eines Dispersionsprismas der sequentiellen Einheit der Figur 6 zeigt,
Figur 6" eine Vergrößerung eines rhomboidischen Eintrittsprismas zeigt, welches einen Teil der sequentiellen Einheit der Figur 6 bildet,
Figur 7 die Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem astronomischen Teleskop zeigt,
Figur 7' eine Zweistufen-Anordnung zur astronomischen Verwendung zeigt;
Figur 7" ein gefaltetes Mehrstufensystem zur astronomischen Verwendung zeigt;
Figur 8 eine Vorrichtung zeigt, welche mit einem katadioptrischen Reduzierstück verwendet wird, wobei das verwendete Gitter in der ersten Ordnung arbeitet; und
Figur 8' das Diagramm einer der Figur 8 entsprechenden Vorrichtung zeigt, wobei das verwendete Gitter ein Stufengitter ist.
Wenn man sich zunächst der Figur 1 zuwendet, umfaßt das bekannte Czerny-Turner-Schema für die konische Beugung einen Eintrittsschlitz (11), erste und zweite konkave Spiegel (12 bzw. 13) und ein dispergierendes Element (14), welches ein Gitter sein kann. Die Vorrichtung erzeugt ein Spektralbild (15)
In der vorliegenden Erfindung ist dieser Aufbau durch einen klassischen Kollimator ergänzt, welcher das Spektralbild (15) von der Czerny-Turner-Einheit durch Refokussieren des Bildes des dispergierenden Elements (14) an seinem Bildbrennpunkt ins Unendliche abbildet.
Die Figur 2 zeigt eine derartige Vorrichtung gemäß der Erfindung, in welcher der klassische Kollimator der erste Spiegel einer zweiten Czerny-Turner-Anordnung ist. Der Zerstreuer der ersten Czerny-Turner-Anordnung ist ein Stufengitter (26) und der Zerstreuer der zweiten Czerny-Turner-Anordnung ist ein Prisma (27), welches die Ordnungen orthogonal zerstreut; dieser Aufbau ermöglicht die Verringerung der Exzentrizitätswinkel und ermöglicht es, daß die Gitterabmessungen unabhängig von den Prismaabmessungen gemacht werden. In diesem Falle ist die Brennweite der zweiten Czerny-Turner-Anordnung größer als diejenige der ersten.
Die Figur 3 zeigt ein entsprechendes System, in welchem die beiden Czerny-Turner-Einheiten durch ein Total-Reflexionsprisma (33) gefaltet sind. Dies hat den Vorteil der mechanischen Kompaktheit, die vier Spiegel (1, 2, 3, 4) der beiden Czerny- Turner-Einheiten sind in der gleichen Ebene angeordnet und die verbleibenden Komponenten in einer gegenüberliegenden Ebene. Die verbleibenden Komponenten sind der Eintrittsschlitz (31), das Stufengitter (32), das Total-Reflexionsgitter (33) und das Prisma (34). In diesem Falle sind die Brennweiten der beiden Czerny-Turner-Einheiten sehr gleich.
Eine geometrische Abdeckblende (35) ist in der Ebene des Zwischenspektrums angeordnet und dient dazu, die Höhe des Spektrums bei bestimmten Wellenlängen einzuschränken. Eine typische Form der Abdeckblende (35) ist in Figur 4 deutlicher gezeigt. Die Linie F' gibt ein monochromatisches Bild des allgemeinen Eintrittsschlitzes der Vorrichtung wieder und zeigt, wie die Höhe des Bildes durch die geometrische Abdeckblende beschränkt ist.
In gleicher Weise sind die Formen der Spiegel (1, 2, 3, 4) und die Formen der geometrischen Blenden, welche auf den Spiegeln (1, 2, 3, 4) angeordnet sind, in Figur 5 gezeigt. Diese Blenden beschränken im Roten die von der Achse am weitesten entfernten monochromatischen Pupillen auf ihre zentralen Abschnitte. Die Pupille ist durch die Blende nicht entlang der Symmetrieachse beschränkt, ist dies jedoch an der Basis des vierten Spiegels (4); die gestrichelten Linien zeichnen diese monochromatischen Pupillen nach (am Rand des dritten Spiegels (3) ist es tatsächlich das Bild des zweiten Spiegels (2)).
Eine mobile sequentielle Einheit ist unmittelbar hinter dem Zwischenspektrum angeordnet, wie in Figur 6 gezeigt. Die sequentielle Einheit umfaßt eine weitere Czerny-Turner-Einheit, welche einen Eintrittsschlitz (F'), erste und zweite Spiegel (5 bzw. 6) und ein Prisma (P) als einen Zerstreuer umfaßt. Die zweite Zerstreuung aufgrund des Prismas (P) findet in der gleichen Richtung statt wie diejenigen aufgrund des Gitters der ersten Czerny-Turner-Einheit. Das Prisma (P) ist drehbar, so daß Licht der gewünschten Wellenlänge in Ausrichtung mit einem Austrittsschlitz gebracht werden kann und durch einen Photomultiplier (PM) erfaßt werden kann.
Wie in Figur 6' gezeigt, ist das Prisma (P) tatsächlich eine Anordnung von zwei Prismen, wobei eine Auswahl des geeigneteren Prismas für die bestimmte beobachtete Spektrallinie durch einfaches Drehen der Anordnung getroffen wird. Ferner werden zwei Photomultiplier (PM) verwendet, einer für den roten Bereich des Spektrums und der andere für den blauen.
Im Betrieb werden gleichzeitig spektroskopische Messungen mit der in Figur 3 gezeigten Apparatur durchgeführt. Licht für einige oder für alle Schlitze (d.h. Licht der interessierenden Wellenlängen) in einer Austrittsschlitzmaske (nicht gezeigt) wird in einer herkömmlichen Art und Weise in ein Feld von Photomultipliern (nicht gezeigt) geleitet, z.B. unter Verwendung von faseroptischen Elementen.
Für sequentielle Messungen wird das in Figur 6" gezeigte rhomboidische Prisma in eine Position vor der Abdeckblende (35) bewegt, um das interessierende Licht in die sequentielle Einheit abzulenken. Die bestimmte Wellenlänge von Interesse wird durch Drehen des Prismas (P) ausgewählt und die Intensität des Lichts wird durch den geeigneten Photomultiplier (PM) gemessen.
Die in einem astronomischen Teleskop (70), wie in Figur 7 gezeigt, verwendete Vorrichtung, umfaßt erste und zweite Spiegel (1 bzw. 2), ein primäres Gitter (R1), welches in einem konischen Beugungsmodus verwendet wird, und ein Fokal-Reduzierstück (RF). Das Bild von dem Teleskop (70) wird bei F fokussiert, was mit dem Eintrittsschlitz der Vorrichtung übereinstimmt, und wird bei F' refokussiert. In diesem Falle ist der klassische Kollimator der dioptrische Kollimator des Fokal- Reduzierstücks.
Die Figur 7' zeigt eine zweistufige Vorrichtung, umfassend 4 Spiegel (1-4), ein Gitter (R1) und ein Prisma (DS) als Zerstreuer in der zweiten Stufe, wobei das Endspektrum durch das Fokal-Reduzierstück (RF) empfangen wird.
Die Figur 7" zeigt ein dreistufiges System, in welchem konkave Spiegel (1-6) in der gleichen Ebene liegen. Die aufeinanderfolgenden Brennpunkte (F, F', F", F'") liegen in einer gegenüberliegenden parallelen Ebene, wo sie sich mit aufeinanderfolgenden Pupillen (P1, P2, P3) abwechseln.
Aus verschiedenen Gründen, z.B. der Verwendung eines Stufengitters, der Abtrennung der blauen und roten Bereiche, etc., kann es bezüglich des Brennpunkts (F) des Teleskops wünschenswert sein, daß dieser einen der verbleibenden Brennpunkte (F', F", F'") einnimmt. Dies kann durch die Verwendung von ebenen Spiegel erreicht werden. Wenigstens eine der Pupillen des Systems ist an ein Gitter angepaßt, welches in konischer Beugung verwendet wird.
Die Figur 8 zeigt ein System, in welchem der klassische Kollimator ein Spiegel (3) ist, welcher an seinem Bildbrennpunkt eine zweite Pupille abbildet. Ein klassisches Kammerobjektiv (81) ist in dieser zweiten Pupille angeordnet, wobei der Spiegel (3) und das Kammerobjektiv (81) zusammen als ein katadioptrisches Fokal-Reduzierstück wirken.
Die Figur 8' zeigt ein entsprechendes System mit dem Unterschied, daß der erste Zerstreuer ein Stufengitter (R') und das der zweite Zerstreuer (82) vor dem Kammerobjektiv (81) angeordnet ist. Der zweite Zerstreuer (82) ist ein zusammengesetzter Zerstreuer (Prisma + Gitter).

Claims

1. Optische Vorrichtung zur Spektralanalyse einer Lichtquelle, wobei die Vorrichtung umfaßt:

a) einen ersten Spektrographen des Czerny-Turner-Typs mit einem Eintrittsschlitz (11), ersten (12, 1) und zweiten (13, 2) nebeneinanderliegenden konkaven Spiegeln der gleichen Brennweite und einem ersten dispergierenden Element (26, 32), welches in der gemeinsamen Fokalebene des ersten (12) und zweiten Spiegels (13) angeordnet ist, wobei der erste Spektrograph ein erstes vollständiges Zwischenspektrum liefert, welches ein spektral entlang einer ersten Dispersionsachse zerstreutes Bild des Eintrittsschlitzes umfaßt; und

b) ein zweites dispergierendes Element (27, 34), welches das vollständige Zwischenspektrum weiter zerstreut;

c) wobei das zweite dispergierende Element (27) in einem zweiten Spektrographen des Czerny-Turner-Typs enthalten ist und in der gemeinsamen Fokalebene von dritten (3) und vierten (4) nebeneinanderliegenden konkaven Spiegeln mit der gleichen Brennweite angeordnet ist; und

d) wobei der dritte Spiegel (3) ein klassischer Kollimator ist, welcher derart angeordnet ist, daß das vollständige Zwischenspektrum an seinem Objektbrennpunkt angeordnet ist, wodurch ein Bild des vollständigen Zwischenspektrums ins Unendliche abgebildet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß:

e) das zweite dispergierende Element das vollständige Zwischenspektrum entlang einer zweiten Dispersionsachse im wesentlichen orthogonal zur ersten Dispersionsachse weiter zerstreut.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der zweite und der dritte Spiegel zusammenwirken, um an dem zweiten dispergierenden Element (27) ein Bild des ersten dispergierenden Elements (26) zu bilden.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin das erste dispergierende Element (26) ein in konischer Dispersion verwendetes Stufengitter umfaßt.

4. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das zweite dispergierende Element (27) ein Rückrefelexionsprisma ist.

5. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Reflexionsmittel (33) zwischen dem zweiten und dem dritten Spiegel vorgesehen ist, so daß jedes der in dem ersten und dem zweiten Spektrographen enthaltenen optischen Elemente in einer von zwei parallelen Ebenen angeordnet ist, wobei eine der Ebenen den ersten (1), zweiten (2), dritten (3) und vierten (4) Spiegel umfaßt und die andere der Ebenen das erste (32) und das zweite (34) dispergierende Element und das Reflexionsmittel umfaßt.

6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, worin das Reflexionsmittel ein Total-Reflexionsprisma (33) umfaßt, welches derart angeordnet ist, daß das vollständige Zwischenspektrum außerhalb desselben gebildet ist.

7. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Abdeckblende (35) in der Ebene des vollständigen Zwischenspektrums angeordnet ist, um bestimmte Linien des Spektrums zu unterdrücken oder zu beseitigen.

8. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der zweite (2) und/oder der dritte (3) Spiegel eine ovale Kontur aufweist, um die von der optischen Achse im Roten am weitesten entfernten Ordnungen selektiv zu vignettieren.

9. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der erste Spiegel (1) ein astigmatisches, hyperbolisches Profil aufweist mit einer Symmetrieachse parallel zur Achse des zweiten (2), des dritten (3) und des vierten (4) Spiegels und einen Koeffizienten der hyperbolischen Verformung von -4 aufweist, wobei der erste Spiegel (1) zum Korrigieren der sphärischen Aberration und des Astigmatismus des gesamten optischen Systems verwendet wird.

10. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine sequentielle Einheit vorgesehen ist, welche einen dritte Czerny-Turner-Spektrographen umfaßt, wobei der dritte Czerny-Turner-Spektrograph ein drehbares drittes dispergierendes Element (P) umfaßt, welches dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Teil des Zwischenspektrums entlang einer Achse parallel zur ersten Dispersionachse weiter zu zerstreuen, sowie ein Mittel zum Richten von Licht von dem Zwischenspektrum in die sequentielle Einheit, wenn dies erforderlich ist.

11. Optische Vorrichtung nach Anspruch 10, worin das Mittel zum Richten von Licht ein rhomboidisches Prisma umfaßt, welches benachbart dem Zwischenspektrum angeordnet ist, wenn der Betrieb der sequentiellen Einheit erforderlich ist.

12. Optisches Emissionsspektrometer umfassend eine optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.