光谱仪装置、产生二维光谱的方法和光学部件组制造方法及图纸

本发明专利技术涉及光谱仪装置、产生二维光谱的方法和光学部件组。光谱仪装置包括：入射‑狭缝组，用于将辐射引入光谱仪装置中并用于限制光谱仪装置的光场；第一色散元件，用于将辐射在主色散方向上进行光谱分解；第二色散元件，用于将辐射在横向色散方向上进行光谱分解，使得能产生二维光谱，横向色散方向与主色散方向形成角度。光谱仪装置的特征在于，入射‑狭缝组包括狭缝轮，狭缝轮围绕旋转轴可旋转地安装，狭缝轮具有至少一个弯月形开口，开口的宽度根据角度而改变，开口的宽度在横向色散方向上延伸，入射‑狭缝组包括狭缝掩模，狭缝掩模具有开口，开口比弯月形开口的最大宽度长，且辐射通过狭缝轮的弯月形开口和狭缝掩模的开口辐射到光谱仪装置中。

Spectrometer Device, Method of Generating Two-Dimensional Spectrum and Optical Component Group

【技术实现步骤摘要】
光谱仪装置、产生二维光谱的方法和光学部件组
本专利技术涉及光谱仪装置、借助于此光谱仪装置产生二维光谱的方法和用于加装此光谱仪装置的光学部件组。
技术介绍
此光谱仪装置的示例是具有内部阶分离的中阶梯光栅光谱仪。下面，应当参照中阶梯光栅光谱仪来说明本专利技术针对的问题。例如，在DE102009059280A1中已知此光谱仪装置。在中阶梯光栅光谱仪中，使用具有阶梯状横截面的光栅。用合适闪耀角照射阶梯状结构的短面产生衍射图案，该衍射图案以高阶(例如，以五十阶至一百阶)集中衍射的强度。由此，可用紧凑布置实现高光谱分辨率。可根据入射波长叠加这些阶。在具有内部阶分离的中阶梯光栅光谱仪的情况下，这些阶因此再次横向于中阶梯光栅的色散方向色散，以便分离出现的各个阶。以这种方式，获得二维光谱，可使用区域检测器来检测该二维光谱。具有内部阶分离的中阶梯光栅光谱仪与具有外部阶分离的中阶梯光栅光谱仪的不同之处在于，在具有外部阶分离的中阶梯光栅光谱仪中，只有来自小光谱范围的辐射进入光谱仪。在具有内部阶分离的光谱仪中，光谱在检测器平面中按二维结构的形式产生。该结构由基本上相互平行布置的光谱部分组成。相应衍射阶的自由光谱范围一起产生特定波长范围的无缝隙光谱。因使用了具有多个检测器元件的区域检测器，允许以高光谱分辨率同时检测大波长范围。如以上提到的，在图像平面中具有内部阶分离的中阶梯光栅光谱仪产生二维衍射阶结构形式的光谱。两个相邻阶之间的距离取决于横向色散元件的色散特性。如果如此使用棱镜，则随着波长增加，这些阶的空间分离连续减小。如果使用光谱仪顺序获取不同的波长范围，则必须使狭缝高度适于所讨论的测量范围，以便一方面使光电导最大化，另一方面确保清晰的阶分离。为了能够使用光谱仪分辨辐射源的各个波长的强度分量，必须在空间上狭窄地限制待分析的光场。在某些情况下，在上游透镜的辅助下产生的图像足够小，使得场不需要受到限制(无缝光谱)。在其他情况下，使用光导，将辐射源的辐射引导到光谱仪。在这种情况下，光纤的出射表面可用作场限制器。然而，非常频繁地，将光源成像到视场光阑(入射狭缝)上。通常使用狭缝形膜片。在色散方向上，狭缝开口非常窄，以便实现最佳的光谱分辨率。在该方向上，这被称为狭缝宽度。横向于色散方向，往往会选择尽可能大的所谓的狭缝高度，以便提高光通量，从而改善信噪比。为了从所捕获的图像中导出清晰的光谱强度分布，需要在检测器上的衍射阶清晰的分离，这限制了狭缝高度。此外，两个相邻衍射阶之间的距离可通过所使用的波长范围而变化。根据所使用的横向色散元件，随着波长增加，阶分离增加(光栅作为横向色散器)或减小(棱镜作为横向色散器)。入射狭缝的高度通常是由检测到的最紧密间隔的阶的距离确定的。当使用区域检测器来检测中阶梯光栅光谱时，检测器区域的相当一部分因此保持未使用。当需要不同的膜片大小(相对于狭缝高度和/或狭缝宽度)时，不同的个体狭缝通常被枢转到光束路径。然而，US4,325,634中也已知一种可变狭缝。R.Vuilleumier和K.Kraiczek在文章“Variableentranceslitsystemforprecisionspectrophotometers”(MicroElectroMechanicalSystems，1995，MEMS'95，Proceedings.IEEE，DOI10.1109/MEMSYS.1995.472583)中同样提出了一种可变入射狭缝。通常，可通过一般地经由千分尺卡尺移动两个狭缝夹爪来调节狭缝宽度。例如从Newport(NewportMotorDrivenSlitAssembly，M5257)可商购的是可经由软件连续调节狭缝宽度的机动狭缝。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供允许在大波长范围上的高分辨率的光谱仪。另外，将使光电导最大化，同时要确保清晰的阶分离。通过一种光谱仪装置来实现该目的，所述光谱仪装置包括：入射-狭缝组，其用于将辐射引入所述光谱仪装置中并且用于限制所述光谱仪装置的光场；第一色散元件，其用于将所述辐射在主色散方向上进行光谱分解；以及第二色散元件，其用于将所述辐射在横向色散方向上进行光谱分解，使得能产生二维光谱，所述横向色散方向与所述主色散方向形成角度。所述光谱仪装置的特征在于，所述入射-狭缝组包括狭缝轮，其中，所述狭缝轮围绕旋转轴可旋转地安装，其中，所述狭缝轮具有至少一个弯月形开口，其中，所述开口的宽度根据所述角度而改变，其中，所述开口的宽度在所述横向色散方向上延伸，其中，所述入射-狭缝组包括狭缝掩模，其中，所述狭缝掩模具有开口，所述开口比所述弯月形开口的最大宽度长，并且其中，辐射通过所述狭缝轮的所述弯月形开口和所述狭缝掩模的所述开口辐射到所述光谱仪装置中。与许多可商购的可变狭缝相比，狭缝高度可非常快速地改变，因为利用可移动的狭缝夹爪，执行微米范围内的无减小移动(noreductionmovement)。具有非常小的像素大小的检测器的光谱仪系统尤其受益于精确的狭缝设置。因此，可根据波长高度精确地设置正确的狭缝高度，以便最大化光通量并且仍然确保清晰的阶分离。动态狭缝使得能够在热漂移和成像质量相关变化的情况下动态地适应环境。在可枢转的个体狭缝的情况下，可能出现以下问题：一旦新的狭缝枢转，光谱线的强度质心就改变。这可归因于有限的生产、组装和调节精度。当分析应用依赖于高度精确的波长标度时，这尤其成问题。在所提出的狭缝设计的情况下，至少在主色散方向上排除了在狭缝高度变化期间检测器上的线的位移，因为该位置是由固定狭缝掩模预先确定的。本申请范围内的术语“狭缝轮”是指具有大体圆形轮廓的盘形物体。在一个实施例中，“狭缝轮”被设计为圆形段(圆形中的扇形)，也就是说，圆形区域中的由圆弧和两个圆形半径限定边界的部分区域。在一个实施例中，从所述旋转轴到所述弯月形开口的所述中心轴的距离对于在旋转角度上是恒定的。在一个实施例中，开口的宽度在旋转角度上连续地改变。在一个实施例中，开口的宽度在旋转角度上算术地连续地增大。在一个实施例中，开口的宽度在旋转角度上线性地改变。在一个实施例中，开口的宽度在旋转角度上呈指数地改变。在一个实施例中，开口的宽度在旋转角度上从20μm改变到400μm。在一个实施例中，狭缝轮具有可变宽度的多个弯月形开口。在这种情况下，在多个开口中也可出现特定宽度。可供选择地，特定宽度可总共仅出现一次。然后，开口在旋转角度上连续地增大。在一个实施例中，狭缝轮借助于尤其是使用传动装置的电机进行旋转。在一个实施例中，狭缝掩模是矩形设计，并且具有在主色散方向上具有恒定宽度的开口。在一个实施例中，狭缝掩模的开口的宽度在10μm和100μm之间。在一个实施例中，狭缝掩模相对于狭缝轮可移动地布置。例如，这用于调节掩模；在操作期间，掩模是固定的。在具有区域检测器的光谱仪中，根据检测器的像素光栅，光谱线的图像尽可能精确地对准。当使用根据现有技术的具有个体狭缝的狭缝轮时，为此目的必须精细地调节狭缝轮的位置或检测器的对准。在所提出的解决方案中，可通过将固定狭缝掩模相对于狭缝轮进行移动来经由固定狭缝掩模进行对准。在一个实施例中，狭缝掩模具有弯月形开口，其中，开口的宽度根据角度而改变，该开口的宽度是在主色散方向上延伸的。在一个实施例中，狭缝掩模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光谱仪装置(10)，包括：‑入射‑狭缝组(13)，所述入射‑狭缝组(13)用于将辐射引入所述光谱仪装置(10)中并且用于限制所述光谱仪装置(10)的光场，‑第一色散元件(31)，所述第一色散元件(31)用于将所述辐射在主色散方向上进行光谱分解，‑第二色散元件(21)，所述第二色散元件(21)用于将所述辐射在横向色散方向上进行光谱分解，使得能产生二维光谱，所述横向色散方向与所述主色散方向形成角度，其特征在于，所述入射‑狭缝组(13)包括狭缝轮(14)，其中，所述狭缝轮(14)围绕旋转轴(15)可旋转地安装，其中，所述狭缝轮(14)具有至少一个弯月形开口(16)，其中，所述开口(16)的宽度(16.min‑16.max)根据所述角度而改变，其中，所述开口(16)的宽度在所述横向色散方向上延伸，其中，所述入射‑狭缝组(13)包括狭缝掩模(20)，其中，所述狭缝掩模(20)具有开口(22)，所述开口(22)比所述弯月形开口(16)的最大宽度(16.max)长，并且其中，辐射通过所述狭缝轮(14)的所述弯月形开口(16)和所述狭缝掩模(20)的所述开口(22)辐射到所述光谱仪装置(10)中。...

【技术特征摘要】
2017.12.20 DE 102017130772.91.一种光谱仪装置(10)，包括：-入射-狭缝组(13)，所述入射-狭缝组(13)用于将辐射引入所述光谱仪装置(10)中并且用于限制所述光谱仪装置(10)的光场，-第一色散元件(31)，所述第一色散元件(31)用于将所述辐射在主色散方向上进行光谱分解，-第二色散元件(21)，所述第二色散元件(21)用于将所述辐射在横向色散方向上进行光谱分解，使得能产生二维光谱，所述横向色散方向与所述主色散方向形成角度，其特征在于，所述入射-狭缝组(13)包括狭缝轮(14)，其中，所述狭缝轮(14)围绕旋转轴(15)可旋转地安装，其中，所述狭缝轮(14)具有至少一个弯月形开口(16)，其中，所述开口(16)的宽度(16.min-16.max)根据所述角度而改变，其中，所述开口(16)的宽度在所述横向色散方向上延伸，其中，所述入射-狭缝组(13)包括狭缝掩模(20)，其中，所述狭缝掩模(20)具有开口(22)，所述开口(22)比所述弯月形开口(16)的最大宽度(16.max)长，并且其中，辐射通过所述狭缝轮(14)的所述弯月形开口(16)和所述狭缝掩模(20)的所述开口(22)辐射到所述光谱仪装置(10)中。2.根据权利要求1所述的光谱仪装置(10)，其中，从所述旋转轴(15)到所述弯月形开口的所述中心轴(M)的距离在旋转角度上是恒定的。3.根据权利要求1或2所述的光谱仪装置(10)，其中，所述开口(16)的宽度在所述旋转角度上连续地改变。4.根据权利要求1至3中的至少一项所述的光谱仪装置(10)，其中，所述开口(16)的宽度在所述旋转角度上线性地改变。5.根据权利要求1至4中的至少一项所述的光谱仪装置(10)，其中，所述开口(16)的宽度在所述旋转角度上从20μm改变到400μm。6.根据权利要求1至5中的至少一项所述的光谱仪装置(10)，其中，所述狭缝轮(20)具有可变宽度的多个弯月形开口。7.根据权利要求1至6中的至少一项所述的光谱仪装置(10)，其中，所述狭缝掩模(20)是矩形的，并且具有在所述主色散方向上具有恒定宽度的开口。8.根据权利要求7所述的光谱仪装置(10)，其中，所述狭缝掩模(20)相对于所述狭缝轮(14)可移动地布置。9.根据权利要求1至6中的至少一项所述的光谱仪装置(10)，其中，所述狭缝掩模具有弯月形开口，其中，所述开口的宽度根据所述角度而改变，其中，所述开口的宽度处于所述主色散方向上。10.根据权利要求1至9中的一项所述的光谱仪装置(10)，其中，所述狭缝掩模的中心或所述狭缝掩模的弯月形开口的中心轴位于所述狭缝轮的弯月形开口的中心轴上。11.根据权利要求1至10中的至少一项所述的光谱仪装置(10)，所述光...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡·蒙克，米夏埃尔·奥克鲁斯，
申请(专利权)人：耶拿分析仪器股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE