DD260326B5 - Justierbare echelle-spektrometer-anordnung und verfahren zu dessen justage - Google Patents

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann in der optischen Spektroskopie und in der Ein- und Mehrelementanalyse durch Emission bzw. Absorption optischer Strahlung angewendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Echelle-Spektrometer haben gegenüber anderen Spektrometern den Vorteil einer höheren Auflösung bei gleicher Brennweite oder eines kleineren und kompakteren Aufbaus bei gleicher Auflösung. In Echelfe-Spektrometern wird i.A. ein Dispersionsprisma zur Trennung der Ordnungen verwendet, so daß in der Fokalebene ein zweidimensionales Spektrum entsteht. (DE-1909841). Dabei ist jedem Ort in der Fokalfläche eine Wellenlänge zugeordnet und umgekehrt. In den funktionalen Zusammenhang zwischen Ort und Wellenlänge gehen die Parameter der Bauelemente wie Gitterkonstante, Prismenwinkel und wellenlängenabhängige Brechzahl und die gegenseitigen Abstände und Winkel der Bauelemente sowie Luftdruck (Höhe des Aufstellungsortes über dem Meer) und Temperatur als Parameter ein. Durch gezielte Veränderung der Parameter kann in einem Echelle-Monochromator eine Wellenlängenabstimmung erfolgen, wobei dann meist nur ein Ausstrittsspalt in der Fokalebene vorhanden ist. Nach DE-1909841 wird dazu das Dispersionsprisma um seine Dachkante gedreht und das Echelle-Gitter um eine zur Furche annähernd parallele Achse sowie um eine darauf und auf der optischen Achse senkrecht stehende Achse gedreht.

Beim Polychromator tritt das Licht der verschiedenen Wellenlängen (Spektrallinien) durch verschiedene Austrittsspalte, die in der Fokalebene angeordnet sind, wobei die Bauelemente fest stehen bleiben. Günstigerweise wird die gegenseitige Lage der Austrittsspalte durch eine Maske fixiert und das durchtretende Licht von hinter der Maske angeordneten Lichtleitern aul die Empfänger geleitet (DD-WP 217626). Aus den Sollwerten für alle Parameter, die gleichzeitig die höchste Abbildungsqualität sichern (DD-WP 226962), ergeben sich die Sollwerte für die Orte der Spektrallinien, die dann in der Austrittsspaltenmaske realisiert werden. Deshalb muß bei der serienmäßigen Herstellung von Echelle-Spektrometern die Lage der Spektrallinien sehr genau reproduziert werden. Dazu müssen, weil die Spektrallinienorte von sehr vielen Parametern abhängen, für jeden der Parameter sehr enge Toleranzen gefordert werden. Dies erfordert einen hohen Aufwand bei der Herstellung der Bauelemente sowie bei der Justage ihrer Lage zueinander.

Aufgrund der Vielzahl der Aufstellungsparameter ist es aus Gründen der mechanischen Stabilität nicht zweckmäßig, fur alle Aufstellungsparameter Justiermoglichkeiten vorzusehen Die Bauelemente müssen einmalig bei der Aufstellung justiert werden und dann so befestigt werden, daß eine Lageveranderung durch Transport о a nicht mehr möglich ist Wird bei der unabdingbaren Kontrolle der Linienlagen eine zu große Abweichung der Spektralhnien von den Austrittsspalten festgestellt, muß die Gesamtheit der Aufstellungs- und Bauelementeparameter überprüft und ggf korrigiert werden, wobei eine Korrektur von Bauelementeparametern nur durch Austausch des Bauelements erfolgen kann Aus den genannten Gründen ist eine Serienproduktion von Echelle-Spektrometern mit Austrittsspaltenmaske mit sehr hohem Aufwand verbunden Weiterhin muß bei der Reparatur des Spektrometers (beim Bauelementetausch) die notwendige Justage des Bauelementes mit aufwendigen Justierhilfsmitteln wiederholt werden, bis die Spektrallmienorte mit den Austnttsspalten übereinstimmen Außerdem ist der Einsatz des Spektrometers auf einen engen Temperatur- und Druckbereich beschrankt

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Verringerung des Aufwandes bei der Herstellung, Justage und Reparatur von Echelle-Spektrometern sowie die Erweiterung des Einsatztemperatur- und -druckbereiches

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, den Einfluß von Feh lern samt I ich er Bauelementeparameter und der gegenseitigen Anordnung der Bauelemente, die infolge vergrößerter Toleranzen auftraten, auszugleichen, ohne die mechanische und thermische Stabilität und die Abbildungsqualitat merklich zu beeinträchtigen Die Losung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemaß mit einerjustierbaren Echelle-Spektrometer-Anordnung, die befestigt auf einer Grundplatte und im Strahlengang nacheinander eine Eintrittsspaltanordnung, einen Kollimatorspiegel, ein Dispersionsprisma, ein Echellegitter, einen Kameraspiegel und in einer Fokalflache einen Strahlungsaustritt vorsieht, indem zum Ausgleich sämtlicher Fertigungs- und Aufstellungsfehler ausschließlich Mittel zur Veränderung der Hohe der Eintrittsspaltanordnung über der Grundplatte und zur Drehung des Dispersionsprismas um eine erste zu seiner Dachkante annähernd parallele Achse sowie um eine zweite dazu senkrechte Achse vorhanden, und Echelle-Gitter und Kollimatorspiegel fest mit der Grundplatte verbunden sind Vorteilhafterweise liegt die zweite Achse, um die das Dispersionsprisma drehbar ist, innerhalb des Winkels, den die beiden Schenkel der dreieckigen Grundflache des Dispersionsprismas einschließen Als Justierlichtquelle ist vorteilhafterweise eine auf die Eintnttsspaltanordnung abgebildete Hohlkatodenlampe vorgesehen, und der Austrittsspaltenmaske sind Mittel zur Messung von Spektrallimen an mindestens 3 Spektrallinienorten nachgeordnet

Um das Spektrum mit dem als Austrittsspaltenmaske ausgebildeten Strahlungsaustritt in Übereinstimmung zu bringen sind Justiermoglichkeiten vorgesehen, die eine gegenseitige Verdrehung und Verschiebung von Austrittsspaltenmaske und Spektrum gestatten Die Verschiebung des gesamten Spektrums in der Fokalebene erfolgt durch Drehen des Kameraspiegels um zwei zueinander und zur optischen Achse senkrechte Achsen und die Verdrehung durch Drehen der Austrittsspaltenmaske um ihre Flachennormale

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Justierung einer Echelle-Spektrometer-Anordnung, bei der Strahlung nach Wellenlangen in Ordnungszeilen zerlegt, in einer Fokalflache abgebildet wird und ein außer Toleranz liegender Abstand zweier Spektrallimen auf einer langwelligen Ordnungszelle durch Andern der Hohe der Eintnttsspaltanordnung über der Grundplatte, ein außer Toleranz liegender Abstand einer dritten kurzwelligen Spektrallime zu den beiden ersten Linien durch Drehen des Dispersionsprismas um seine Dachkante und ein außer Toleranz hegender Winkel zwischen der Verbindungslinie der beiden langwelligen Linien und einer der Verbindungslinien zu der dritten kurzwelligen Linie durch Drehen des Dispersionspnsmas um eine zur Dachkante annähernd senkrechte Achse ausgeglichen wird

Berücksichtigt man die Wechselwirkung der einzelnen Justageschntte nicht, so kann es, falls größere Abweichungen auftraten, erforderlich sein, die Justage noch einmal zu wiederholen Bei Berücksichtigung der Wechselwirkung ist es möglich, aus den Ist-Koordinaten der 3 Linien die erforderliche Justage zu ermitteln und in einem Schritt durchzufuhren Bei Berücksichtigung der Ist Koordinaten von mehr als 3 Linien lassen sich auch mchtlineare Spektrenfehler bei Vorgabe bestimmter Toleranzen ausgleichen Die geringsten Wechselwirkungen ergeben sich, wenn die zweite Achse, um die das Dispersionsprisma drehbar ist, in der Ebene, die senkrecht auf der Dachkante steht, so gelegen ist, daß sich fur eine geeignet gewählte Wellenlange (in der Mitte einer langwelligen Ordnungszelle) durch die Prismendrehung keine Richtungsänderung ergibt Diese Achse sollte folglich innerhalb des Winkels hegen, den die beiden Schenkel der dreieckigen Grundflache des Dispersionsprismas einschließen

Die gegenseitige Lage der Spektrallimen, die fur eine bestimmte Kombination von Bauelemente- und Aufstellungsparametern unter bestimmten klimatischen Bedingungen ermittelt wurden, laßt sich nicht nur bei genauer Einhaltung dieser Parameter erreichen, sondern bei einer Vielzahl von Parameterkombinationen, wobei jedoch 3 Nebenbedingungen zu stellen sind, d h die Parameter müssen 3 Gleichungen erfüllen — oder 3 Parameter müssen als Funktion aller anderen frei wahlbaren Parameter festgelegt werden Bei Nichteinhaltung dieser Bedingungen treten in linearer Näherung Abweichungen in der Hauptdispersion, der Querdispersion und eine Parallelogrammverzerrung auf Die 3 Nebenbedingungen können erfüllt werden, indem 3 geeignete Parameter gezielt verändert werden, wobei jeder einzeln meßbare Veränderungen im Spektrum hervorruft (lineare Verzerrungen) Die Veränderung der Parameter gegenüber den Sollwerten ist jedoch so gering, daß sich noch keine meßbare Verschlechterung der Abbildungsqualitat ergibt und die nichtlinearen Restfehler im Toleranzbereich liegen Die Justierstellen wurden so gewählt, daß die gewünschte Spektrenkorrektur eine maximale Winkelanderung am Bauelement erfordert, so daß die mechanische und thermische Stabilität nur unwesentlich beeinflußt wird

In die Echelle-Spektrometer-Anordnung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren justiert wird, können Bauelemente mit wesentlich vergrößerten Toleranzen eingesetzt werden, die erheblich billiger sind. Die Aufstellungstoleranzen der Einzelelemente können vergrößert werden, so daß die Forderungen an die Genauigkeit der Aufstellungsjustage wesentlich reduziertwerden können und Montagezeit eingespart wird. Damit wird der Herstellungsaufwand wesentlich reduziert. Nach einem Bauelementetausch im Reparaturfalle auftretende Abweichungen im Spektrum werden ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beseitigt. Dazu werden keine zusätzlichen Hilfsmittel benötigt. Der Einsatztemperatur- und -druckbereich kann wesentlich erweitert werden, da (klimabedingte) Spektrenfehler am Aufstellungsort relativ einfach korrigiert werden können. Die auch beim herkömmlichen Spektrometer erforderliche Kontrolle der Spektrallinienorte wird jetzt gleichzeitig dazu benutzt, die Verstellung an den 3 Justierstellen zu ermitteln sowie die Spaltmaske in der Fokalebene auszurichten. Die Verstellung an den Justierelementen kompensiert mögliche Fehler im Spektrum, ohne die Ursachen zu*" beseitigen, aber auch ohne die Abbildungsqualität meßbar zu verschlechtern.

Wird die erfindungsgemäße Anordnung als Monochromator (z.B. nach DE 3516183A1) verwendet, so hat das den Vorteil daß zur Kalibrierung der Wellenlänge nur eine Referenzwellenlänge benötigt wird.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: — in perspektivischer Darstellung die optische Anordnung des Echelle-Spektrometers Fig.2: — teilweise im Schnitt die Spalthöhenverstellung an der Eintrittsspaltanordnung Fig.3: — die Draufsicht auf die Mittel zur Drehung des Dispersionsprismas Fig.4: — den Schnitt A-A durch Fig.3

Fig. 5: — die Verstellmittel zur Drehung der Austrittsspaltenmaske

In Fig. 1 ist einer Lichtquelle 1, die während des Justiervorgangeseine Hohlkathodenlampe ist, im Strahlengang eine Lichteintrittsöffnung, die aus zwei zueinander senkrecht stehenden Spalten 2,3 besteht, nachgeordnet. Ein Kameraspiegel 4 und ein Kollimatorspiegel 5, beide als sphärische Konkavspiegel ausgebildet, sind eng benachbart und mit ihren Scheitelpunkten gleichweit vom Mittelpunkt eines Echelle-Gitters 6 entfernt. Der Kameraspiegel 5 ist um zwei Achsen a, a', die senkrecht zur optischen Achse verlaufen, drehbar gelagert. Die Bewegung kann mit Hilfe von Schrittmotoren, die rechnergesteuert angetrieben werden, und jeweils einer Spindel über Hebelarme definiert erfolgen. Zur Ordnungstrennung ist dem Echelle-Gitter ein Dispersionsprisma 7 in doppeltem Strahlendurchgang vorgeordnet. In der Fokalebene des optischen Systems ist eine Austrittsspaltenmaske 8 angeordnet. Nicht dargestellt sind die Mittel zum Nachweis der aus der Austrittsspaltenmaske 8 austretenden Lichtstrahlung.

Die beiden Eintrittsspalten 2 und 3 werden durch die Lichtquelle 1 beleuchtet. Das durch die Eintrittsspaltanordnung fallende Licht wird vom Kollimatorspiegel 5 parallelisiert und durchsetzt das Dispersionsprisma 7, das eine unterschiedliche Ablenkung der verschiedenen Wellenlängen bewirkt. Das Echelle-Gitter 6 erzeugt eine wellenlängenabhängige Zerlegung in der zu der ersteren Ablenkung senkrechten Richtung. Der Kameraspiegel fokussiert die in unterschiedlichen Richtungen laufenden Wellenlängen auf die in der Austrittsspaltenmaske 8 vorgesehenen Austrittsspalte.

Die Mittel zur Spalthöhenverstellung bestehen aus einem mit der Grundplatte 9 fest verbundenem Befestigungsfuß 10, in dem ein Träger 11 für den Eintrittsspalt 2 geführt ist, und einer Schraube 12. Nach erfolgter Justage wird der Träger 11 mit einer Backe 13 geklemmt.

Das Dispersionsprisma 7 ist auf einer Trägerplatte 14 befestigt, die über ein Federgelenk 15 mit einer Zwischenplatte 16 verbunden ist. Eine Schraube 17 wird mit einer Zugfeder 18 auf die Zwischenplatte 16 gepreßt. Während ein in der Grundplatte 9 befestigter Stift 19, um den die Zwischenplatte drehbar ist, eine zur Dachkante 20 des Prismas 7 annähernd parallele Drehachse bildet, realisiert das Federgelenk 15 eine zur Dachkante senkrechte Drehachse. Eine in einer Führung 21 der Zwischenplatte 16 wirkende Exzenterschraube 22 ist die Grundplatte 9 eingeschraubt. Durch Verstellen der Schraube erfolgt über das Federgelenk 15 die Drehung des Prismas 7 um die zur Dachkante 20 senkrechte Achse. Die Exzenterschraube 22 dreht die Zwischenplatte 16 um den Stift 19 und damit das Prisma 7 um die zur Dachkante annähernd parallele Achse. Nach erfolgter Justage wird die Zwischenplatte 16 mit einer Schraube 31 auf der Grundplatte 9 fixiert.

Die Austrittsspalten maske 8 ist an einem Halterahmen befestigt und dieser über eine Trägerplatte 24 und ein Federgelenk 25 und eine Zwischenplatte 26 auf der Grundplatte 9. Mit einer Schraube 27, die durch eine Zugfeder 28 gegen die Zwischenplatte 26 gedrückt wird, erfolgt die Drehung der Austrittsspaltenmaske 8 um ihre Flächennormale 23. An die Austrittsspaltenmaske 8 schließt sich ein sogenannter Faserblock 29 an, der eine zu den in der Austrittsspaltenmaske 8 vorhandenen Austrittsspalten 30 korrespondierende Anzahl von Lichtleitern (nicht dargestellt) enthält, die zur Weiterleitung des Lichtes der Spektrallinien zu den Nachweismitteln dienen.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   1. Justierbare Echelle-Spektrometer-Anordnung, die befestigt auf einer Grundplatte und im Strahlengang nacheinander eine Eintrittsspaltanordnung, einen Kollimatorspiegel, ein Dispersionsprisma, ein Echellegitter, einen Kameraspiegel und in einer Fokalfläche einen Strahlungsaustritt vorsieht, gekennzeichnet dadurch, daß zum Ausgleich sämtlicher Fertigungsund Aufstellungsfehler ausschließlich Mittel zur Veränderung der Höhe der Eintrittsspaltanordnung über der Grundplatte und zur Drehung des Dispersionsprismas um eine erste zu seiner Dachkante annähernd parallele Achse sowie um eine zweite dazu senkrechte Achse vorhanden, und Echelle-Gitter und Kollimatorspiegel fest mit der Grundplatte verbunden sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die zweite Achse, um die das Dispersionsprisma drehbar ist, innerhalb des Winkels liegt, den die beiden Schenkel der dreieckigen Grundfläche des Dispersionsprismas einschließen.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Kameraspiegel um zwei zueinander und zur optischen Achse senkrecht stehende Achsen drehbar ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlungsaustritt als Austrittsspaltenmaske ausgebildet ist, die mehrere Austrittsspalten enthält, deren gegenseitige Lage fixiert ist, und daß die Austrittsspaltenmaske um ihre Flächennormale drehbar ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Justierlichtquelle eine auf die Eintrittsspaltanordnung abgebildete Hohlkatodenlampe vorgesehen ist, und der Austrittsspaltenmaske Mittel zur Messung von Spektrallinien an mindestens 3 Spektrallinienorten nachgeordnet sind.
6. 6. Verfahren zur Justage einer Echelle-Spektrometer-Anordnung, bei der Strahlung nach Wellenlängen in Ordnungszeilen zerlegt, in einer Fokalfläche abgebildet wird, gekennzeichnet dadurch, daß ein außer Toleranz liegender Abstand zweier Spektrallinien auf einer langwelligen Ordnungszeile durch Ändern der Höhe der Eintrittsspaltanordnung über der Grundplatte, ein außer Toleranz liegender Abstand einer dritten kurzwelligen Spektrallinie zu den beiden ersten Linien durch Drehen des Dispersionsprismas um seine Dachkante und ein außerToleranz liegender Winkel zwischen der Verbindungslinie der beiden langwelligen Linien und einer der Verbindungslinien zu der dritten kurzwelligen Linie durch Drehen des Dispersionsprismas um eine zur Dachkante annähernd senkrechte Achse ausgeglichen wird.