光谱仪设备制造技术

本发明专利技术公开了一种光谱仪设备。光谱仪设备(10)包括：用于在主色散方向上对光线进行光谱分解的第一色散元件(31)；用于在横向色散方向上对光线进行光谱分解的第二色散元件(21)，横向色散方向与主色散方向成角度，从而能够产生二维光谱；准直光学器件(17)，其将光线准直地引导到第一和/或第二色散元件(31、21)；相机光学器件(34)，其将光谱成像到图像平面(41)内；用于在图像平面(41)内探测二维光谱的二维探测器(39)；以及布置在相机光学器件(34)和探测器(39)之间的旋转对称的折射元件(35)的轴外截段。本发明专利技术还公开了包括这样的光谱仪设备(10)的光学组件。

Spectrometer equipment

The invention discloses a spectrometer device. The spectrometer device (10) includes: a first dispersion element (31) for spectral decomposition of light in the main dispersion direction; a second dispersion element (21) for spectral decomposition of light in the transverse dispersion direction, wherein the transverse dispersion direction is at an angle with the main dispersion direction, so as to generate a two-dimensional spectrum; a collimating optical element (17), which guides the light to the first and / or the second Two dispersion elements (31, 21); camera optics (34), which image the spectrum into the image plane (41); a two-dimensional detector (39) for detecting the two-dimensional spectrum in the image plane (41); and an off-axis section of a rotationally symmetric refractive element (35) arranged between the camera optics (34) and the detector (39). The invention also discloses an optical component including such a spectrometer device (10).

【技术实现步骤摘要】
光谱仪设备
本专利技术涉及光谱仪设备和包括光谱仪设备的光学组件。
技术介绍
针对这种光谱仪设备的示例是具有内部阶次分离(Ordnungstrennung)的中阶梯光谱仪。本专利技术所基于的问题在下文中根据中阶梯光谱仪来解释。这种光谱仪设备例如从DE102009059280A1中公知。在中阶梯光谱仪中使用具有阶梯状横截面的光栅。通过以相应的闪耀角照亮阶梯状结构的短面产生了衍射图样，衍射图样集中了高阶次的，例如第五十直至第一百阶次的衍射强度。由此，在紧凑的设备中可以实现高的光谱分辨率。根据入射波长，阶次可能重叠。在具有内部阶次分离的中阶梯光谱仪中，因此阶次又横向于中阶梯光栅的色散方向被色散，以将出现的不同阶次分离。因此获得可以被平面探测器检测的二维光谱。具有内部阶次分离的中阶梯光谱仪与具有外部阶次分离的中阶梯光谱仪的区别在于，在后者情况中仅来自小的光谱范围内的光线进入到光谱仪内。在具有内部阶次分离的中阶梯光谱仪中，光谱以二维结构的形式产生在探测器平面内。此结构由基本上相互平行地布置的光谱区段组成。对于确定的波长范围，各衍射阶次的自由的光谱范围合成地产生了无缝隙的光谱。使用具有多个探测器元件的平面探测器允许以高的光谱分辨率同时检测大的波长范围。在光谱仪设备中，在图像面内产生的光谱的品质通过不同的成像误差限制，特别地通过散光、慧差或球面失真限制。如果一定波长的光线在源点成像时不在唯一的像素内集中在探测器上，而是分布在图像平面中的更大的面积上，则这在像素在色散方向上扩展时损害光谱仪的光谱分辨能力，和/或在像素横向于色散方向扩展时导致更差的信噪比。在中阶梯光谱仪的特定情况中，即其中多个衍射阶次依次地被成像，导致像素横向于主色散方向扩展的成像误差可能导致相邻的衍射阶次之间的信号互扰。
技术实现思路
本专利技术的任务是：通过很大程度降低如散光、慧差或球面失真的光学图像误差来改进光学光谱仪的图像品质。此任务通过如下光谱仪设备解决，该光谱仪设备包括：用于在主色散方向上对光线进行光谱分解的第一色散元件；用于在横向色散方向上对光线进行光谱分解的第二色散元件，横向色散方向与主色散方向成角度，从而可以生成二维光谱；将光线准直地引导到第一和/或第二色散元件的准直光学器件；将光谱成像到图像平面内的相机光学器件；用于在图像平面内探测二维光谱的二维探测器；以及布置在相机光学器件和探测器之间的旋转对称的折射元件的轴外截段。在光谱仪设备中，使光源的入射光线色散，也就是，使入射光线通过至少第一和/或第二色散元件依赖于波长地在不同的空间方向上偏转。通过借助于相机光学器件对分离的光线束进行成像在图像平面内产生了光源的光谱的图像，该图像被具有充分的空间分辨率的探测器记录。通过将旋转对称的折射元件的轴外截段插入位于相机光学器件和探测器之间的会聚光路内，实现了在整个图像场上的上述成像误差的显着降低。折射元件布置在相机光学器件和探测器之间是特别有效的，因为各个光束已经相对强烈地几何分离，并且因此对于各个波长实现“独特”的调整。折射元件可以相应地更好地与光束的各个校正要求相匹配。这由于低的相对的光束重叠(见下文)是可行的。如果将相应的折射元件在平行光路中插入，则这将对所有波长具有类似的效果，并且校正将相应地对于所有波长具有类似的影响。折射元件作为光学校正元件布置在探测器之前允许了非常紧凑的结构形式，因为在光束簇的直径的位置处所有的探测到的波长已明显变窄。各个光束在相机光学器件后方基本上平行于折射元件走向。通过将折射元件构造为汇聚透镜，并且特别是在构造为双凸透镜的实施例中，各个光束在探测器上被推得更靠近在一起。由此，探测器上的光谱变得更小一些，或换言之测量范围变宽。然而，每个光束内的各个光线限定地朝向探测器上的各个点。每个光束内的光线通过相机光学器件聚焦到探测器上或聚焦到图像平面上。一个波长的许多光线会聚，并且因此通过折射元件在各个点上更好地相遇。换言之，各个波长的点图像变得更小，或者点扩散函数(PSF)变得更窄。相对的光束重叠是百分比参数，并且可以针对两个波长明确地计算。在光谱仪设备中的光路中的确定的位置处的相对的光束重叠是在此位置处的所选的单色光束的光束横截面积与也由第二单色光束张成的光束横截面积的部分面积之间的倒数算术比。折射元件布置在如下部位处，即相对的光束重叠在此处比在准直光学器件上更小。相对的光束重叠仅在相机光学器件和探测器之间以及在中间成像的区域中的会聚和发散光路中满足此条件。然而，相对的光束重叠在平行光路中，例如在色散元件前方的射线走向中不满足此条件。折射元件构造为棱镜。术语“旋转对称的折射元件的轴外截段”也包括旋转对称的折射元件的在其轴线之外的部分透射部。在一个实施方式中，折射元件被构造为双凸透镜。在一个实施方式中，透镜被构造为球面透镜。透镜的轴线被限定为如下直线，该直线在穿透点处与两个光学面形成直角。此旋转对称的元件的轴外截段是中心不被轴线穿透的体积截段。该元件是旋转对称体的截段，但其本身不是旋转对称的。为了再进一步提高折射元件的性能，在一个实施方式中使用非球面透镜。针对折射光学元件，可能会出现菲涅耳反射。由此产生不希望的多次反射(伪光)。在一个实施方式中，折射元件因此包括宽带镜面化部。在其中可以改变检测到的波长范围的测量系统的情况中，为了降低色差，使用低色散材料作为折射元件的材料，在一个实施方式中例如使用氟化钙(CaF2)。在一个实施方式中，通过使用光线计算程序来确定折射元件的最优形式(弯曲半径、轴外距离、透镜厚度、透镜材料、定向、相对于相机光学器件的位置、相对于探测器的位置、透镜旋转)。通过制定合适的目标函数(评价函数)和随后根据目标函数将优化算法应用于光学器件设计，可以找到使整个图像面积上的像素尺寸最小化的参数。通过制定合适的评价函数并且随后优化所释放的参数，也可以实现同时改进另外的装置特征。如已提及，折射元件在探测器前方的位置是有利的，因为各个波长的光束的分离已经明显进步(相对的光束重叠很低)，并且因此可以更具体地对各个光束产生影响。即使在球面透镜的情况下相对小的自由参数组也允许有效地解决不同波长的各种校正要求。在一个实施方式中，准直光学器件和/或相机光学器件包括凹面镜，特别是抛物面镜或球面镜。在一个实施方式中，第一色散元件构造为中阶梯光栅。在一个实施方式中，第一色散元件由垂直于探测器的图像平面布置的反射镜代替，并且其中，二维探测器由一维探测器代替。由此得到棱镜光谱仪。在一个实施方式中，第二色散元件构造为棱镜。在一个实施方式中，棱镜在后侧镜面化。在一个实施方式中，棱镜以能转动的方式受支承。由此可以调节待检查的波长范围。在一个实施方式中，光谱仪设备形成利特罗光谱仪(Littrow-Spektrometer)。因此，准直器也同时形成相机反射镜，其将图像成像到探测器上。在一个实施方式中，探测器被构造为CCD阵列或CMOS探测器。此任务进一步通过用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光谱仪设备(10)，所述光谱仪设备包括：/n-用于在主色散方向上对光线进行光谱分解的第一色散元件(31)，/n-用于在横向色散方向上对光线进行光谱分解的第二色散元件(21)，所述横向色散方向与所述主色散方向成角度，从而能产生二维光谱，/n-准直光学器件(17)，所述准直光学器件将光线准直地引导到所述第一色散元件和/或所述第二色散元件(31、21)，/n-相机光学器件(34)，所述相机光学器件将光谱成像到图像平面(41)内，/n-用于在所述图像平面(41)内探测所述二维光谱的二维探测器(39)，和/n-布置在相机光学器件(34)与探测器(39)之间的旋转对称的折射元件(35)的轴外截段。/n

【技术特征摘要】
20180604 DE 102018113235.21.光谱仪设备(10)，所述光谱仪设备包括：
-用于在主色散方向上对光线进行光谱分解的第一色散元件(31)，
-用于在横向色散方向上对光线进行光谱分解的第二色散元件(21)，所述横向色散方向与所述主色散方向成角度，从而能产生二维光谱，
-准直光学器件(17)，所述准直光学器件将光线准直地引导到所述第一色散元件和/或所述第二色散元件(31、21)，
-相机光学器件(34)，所述相机光学器件将光谱成像到图像平面(41)内，
-用于在所述图像平面(41)内探测所述二维光谱的二维探测器(39)，和
-布置在相机光学器件(34)与探测器(39)之间的旋转对称的折射元件(35)的轴外截段。


2.根据权利要求1所述的光谱仪设备(10)，其中，所述折射元件(35)构造为双凸透镜。


3.根据权利要求1或2所述的光谱仪设备(10)，其中，所述折射元件(35)构造为球面透镜。


4.根据前述权利要求中至少一项所述的光谱仪设备(10)，其中，至少一个透镜面构造为非球面的。


5.根据前述权利要求中至少一项所述的光谱仪设备(10)，其中，所述折射元件(35)包括镜面化部。


6.根据前述权...

【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