[发明专利]具有内部预色散的中阶梯光栅光谱仪装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有内部级次分离的中阶梯光栅光谱仪装置（Echelle-Spektrometeranordnung），其包含：

（a）用于对在主色散方向上的辐射进行谱线分解的中阶梯光栅，

（b）用于借助横向色散方向上的辐射的谱线分解进行级次分离的色散元件，该横向色散方向与中阶梯光栅的主色散方向形成角度，使得可产生具有多个被分离的级次的二维谱，

（c）用于将通过入射狭缝入射到光谱仪装置中的辐射成像到图像平面中的成像光学系统，以及

（d）在图像平面中具有二维布置的多个检测元件的面检测器，以及

（e）用于朝色散元件的横向色散的方向使辐射预色散的预色散装置。

在中阶梯光栅光谱仪中使用了具有阶梯状（Echelle（法语）=阶梯）的横截面的光栅。通过具有相对应的闪耀角的步状结构产生了衍射图案，该衍射图案将衍射强度集中到高的级次中，例如集中到第五十级到第一百级中。由此可以在紧凑布局的情况下实现高的光谱分辨率。这些级次可（按照入射的波长）叠加。这些级次在带有内部级次分离的中阶梯光栅光谱仪中因而再一次横向于中阶梯光栅的色散方向被色散，以便分离不同的出现的级次。这样获得了可以利用面检测器来检测的二维谱。

具有内部级次分离的中阶梯光栅光谱仪与具有外部级次分离的中阶梯光栅光谱仪的不同在于：在最后提到的光谱仪中，仅仅来自小的光谱范围的辐射入射到该光谱仪中。在具有内部级次分离的光谱仪中，光谱以二维结构的形式在检测器上被产生。该结构由自由光谱范围的大小的基本上彼此平行布置的光谱区段构成。具有多个检测元件的面检测器的使用允许同时以高分辨率检测大的波长范围。

横向色散通常大地被选择，使得级次到处完全被分离。为了在整个光谱范围上保证这种情况，有如下光谱范围：在所述光谱范围中，在各个级次之间形成不使用的中间空隙。这样，在将棱镜用于横向色散时，在短波光谱范围中由于较高色散而形成比在较长波的光谱范围中更大的中间空隙。

在公知的装置中的缺点是，当较大光谱范围要以高分辨率和足够的光吞吐量被检测时，检测器通常必须非常大。此外，如果辐射源以非常不同的光谱强度发射，则产生问题。这样，在光谱学中重要的从193nm到852nm的光谱范围尽管被一些辐射器完全覆盖，然而强度在350nm以上的范围中常常比在200nm处的短波光谱范围中高多个量级。通常，检测器并不具有足够的动态范围，使得光谱范围仅须在灵敏度被损失的情况下同时被检测或者彼此分离地必须在不同的光照时间（Belichtungszeit）的情况下被测量。

背景技术

由DD 292078公知一种利用在级次之间的中间空隙的装置。光谱仪被配备有用于使入射到光谱仪中的辐射预色散的装置。该装置被设置在实际的光谱仪装置外部。辐射通过棱镜以非常小的角度被预色散。此外，选择如下入射狭缝高度：所述入射狭缝高度与在短波光谱范围中的两个级次之间的中间空隙的最大宽度相对应。通过适当照明入射狭缝，短波辐射现在可以完全入射到光谱仪中。较长波的光谱范围的辐射由于预色散而仅仅部分地通过入射狭缝。由此在级次分离不是如此大的范围中，较小的入射狭缝高度是有效的。以这种方式，通过合计检测器的多个检测元件的强度，针对通常在强度弱化的短波光谱范围提高了信噪比。然而，射到每个单个检测元件上的辐射保持相同。每个单个检测元件的照明强度通过该装置实际上没有被改变。通过该装置，尽管完全利用了检测器面，但是为了检测整个光谱所需的检测器大小保持相同。通过不仅针对预色散而且针对横向色散使用棱镜，级次分离中的沿着光谱的差别均保持不改变。

此外还公知了一种通过目的在于通过在整个光谱范围上的更均匀的横向色散而更好地利用检测器表面的装置。更均匀的横向色散通过如下方式来实现：横向色散通过不同材料的两个反向棱镜来实现。色散接着由两种材料的色散之差来确定。必须使用大的棱镜角，以便实现足够大的差。在最终得到仅仅小的色散的同时出现了相对应高的透射损耗（Transmissionsverlust）。

DE 10 2004 028 001 A1描述了一种允许采用市场上可买到的较小的检测器的装置。该装置使用了具有附加的成像光学系统的另一中阶梯光栅光谱仪。两个光谱仪中的每个都在波长范围上被优化。辐射的测量接着通过划分波长范围并且在时间上分离地进行。通常强度较弱的、短波的波长范围在第一测量中被执行，而更加强的长波波长范围在第二测量中利用另一光谱仪来执行。两个光谱仪使用了如下相同的检测器：该相同的检测器在该装置中允许被构造得较小，因为不再必须由检测器检测完整的光谱。