[发明专利]具有二维光谱的光谱仪

权利要求书

1.一种具有二维光谱的光谱仪装置（10），包括：

（a）第一色散元件（31），用于主色散方向上辐射的光谱分解，其中所述主色散方向上的色散元件是阶梯光栅，

（b）成像光学器件（17），用于在图像平面成像穿过入口缝（15）进入所述光谱仪装置（10）的辐射，以产生二维光谱，

（c）检测器阵列（39），具有在所述图像平面中二维布置的多个检测器元件，以及

（d）第二色散元件（21），用于利用交叉色散方向上辐射的光谱分解进行级次间隔，所述交叉色散方向与所述第一色散元件（31）的主色散方向形成角度，使得能够产生二维光谱，

其特征在于，

（e）包括反光镜、折射镜、透镜阵列的光学部件被布置于光束路径中被分散的单色光束彼此分离的位置，以及

（f）包括所述反光镜、所述折射镜、所述透镜阵列的所述光学部件具有自由曲面形式的表面，因此使得由成像误差引起的所述图像平面中在不同波长的情况下所述入口缝的选定图像所占据的面积在所述二维光谱的选定光谱区上被优化，并且

其中自由曲面被布置在光束路径中的一位置处，所选定的单色光束在所述位置处的光束横截面积与其同样被第二单色光束占据的面积部分之间的算术反比小于在相机反射镜处，其中仍然平行的光束在所述相机反射镜处聚焦到具有检测器的图像平面中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自由曲面被实现成使得成像误差引起的所述图像平面中针对不同波长的所述入口缝的选定图像的共焦成像的整体偏差在所述二维光谱的选定光谱区内最小化。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光谱仪是采用内部级次间隔的阶梯光谱仪。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，反射、折射或衍射表面被布置在所述光束路径中使得与同一个阶梯衍射级次相关联的至少两个单色光束被完全间隔开和/或不属于同一个阶梯衍射级次的至少两个单色光束被完全间隔开的位置，并且所述反射、折射或衍射表面被实施为自由曲面，该自由曲面使得用于二维阶梯光谱的选定波长范围上彼此独立的各个单色光束的检测器上的共焦成像的偏差最小化。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所有部件被实现成使得在自由光谱区内相同主色散级次的至少两个波长的单色光束在所述自由曲面的部位完全间隔开，和/或所述入口缝中具有不同缝高度位置的两个点的单色光束在该表面的部位完全间隔开。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自由曲面被优化成使得所述选定光谱区内所述入口缝的选定图像的RMS函数之和取最小值。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自由曲面被优化成使得所述选定光谱区内的所述入口缝的选定图像的波前误差之和取最小值。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自由曲面被优化成使得所述选定光谱区内的所述入口缝的选定图像的面积之和取最小值。

9.根据权利要求1所述的装置（10），其特征在于，具有所述自由曲面的光学元件是位于所述图像平面之前的折叠式反射镜。

10.根据权利要求1所述的装置（10），其特征在于，所述成像光学器件以利特罗布置方式布置。

11.根据权利要求1所述的装置（10），其特征在于，所述第二色散元件是具有同样实施为自由曲面的表面的棱镜，并且所述自由曲面具有的形状使得由所述成像误差引起的所述图像平面中在不同波长的情况下所述入口缝的选定图像的共焦成像的偏差在二维阶梯光谱的选定光谱区内被优化。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个自由曲面被实现成使得所述级次取所述图像平面中选定的位置并且在所述图像平面中具有均匀的间隔。