[发明专利]具有二维光谱的光谱仪

说明书

一种具有二维光谱的光谱仪装置(10)，包括：第一色散元件(31)，用于主色散方向上的辐射的光谱分解；成像光学器件(17)，用于在图像平面成像穿过入口缝(15)进入光谱仪装置(10)的辐射，以产生二维光谱；以及检测器阵列(39)，具有在图像平面中呈二维布置的多个检测器元件，其特征在于，反光镜、折射镜、透镜阵列或另外的光学元件被布置于光束路径中分散的单色光束彼此分离的位置；以及反光镜、折射镜、透镜阵列或其他光学元件具有自由曲面形式的表面，使得在图像平面中在不同波长的情况下入口缝的限定图像所占据的面积在二维光谱的选定光谱区内被优化。

技术领域

本发明涉及一种具有二维光谱的光谱仪装置，包括：

(a)第一色散元件，用于主色散方向上的辐射的光谱分解，

(b)成像光学器件，用于在图像平面成像穿过入口缝进入光谱仪装置的辐射，以产生二维光谱，以及

(c)检测器阵列，具有在图像平面中二维布置的多个检测器元件。

这样的光谱仪装置的示例为具有内部级次间隔(order separation)的阶梯光谱仪。另一个示例为长缝光谱仪装置。

在阶梯光谱仪(echelle spectrometer)的情况下，使用具有台阶式(echelle在法语中为阶梯含义)截面的光栅。通过具有相应闪耀角的台阶状结构，产生集中了高级次——如第五十级次至第一百级次——衍射强度的衍射图案。通过这种方式，能够实现高光谱分辨率以及紧凑的布置。级次(order)能够根据输入波长来叠加。在采用内部级次间隔的阶梯光谱仪的情况下，这些级次又横向于阶梯光栅的色散方向分散，以间隔开不同出现的级次。通过这种方式，获得一种能够用检测器阵列记录的二维光谱。

采用内部级次间隔的阶梯光谱仪与采用外部级次间隔的阶梯光谱仪的区别在于，在采用外部级次间隔的阶梯光谱仪的情况下，只有来自小光谱区的辐射进入光谱仪。在采用内部级次间隔的光谱仪的情况下，在检测器平面中以二维结构的形式产生光谱。这种结构由基本上相互平行的光谱区段组成。各种衍射级次的自由光谱区共同提供某一波长范围的无间隙光谱。应用具有大量检测器元件的检测器阵列允许同时记录具有高光谱分辨率的大波长区。

通常选择足够大的交叉色散，使得级次在各处均完全间隔开。为在整个光谱区确保这一点，存在这样的光谱区，其中各个级次之间出现未使用的中间空间。因此，由于短波光谱区具有比长波光谱区更高级次色散的更大中间空间，因此短波光谱区中在应用棱镜的情况下出现交叉色散。

已知装置情况下的不利之处在于，当应记录具有高分辨率和充分集光率的较大光谱区时，检测器一般来说必然非常大。

在原子吸收光谱法和许多其他光谱检测方法的情况下，检测极限，除其他之外，取决于所应用的光谱仪的集光率和装置的灵敏度。在应用于分析的谐振谱线未被解析的情况下，较高的光谱分辨率引起较高的灵敏度。所述装置的光谱分辨率，除其他之外，取决于缝宽度、检测器元件在阶梯光栅的主色散方向上的尺寸和图像质量。因此，期望在同时具有高集光率的情况下获得高光谱分辨率。

对光源点的光谱份额进行成像始终伴随着某些成像误差。一般而言，成像误差根据赛德尔的像差理论来分类。在光谱学中，尤其要考虑成像误差、像散、彗差和球差。由于不同波长的光束的空间分离以及由此产生的不同路径，不同波长的光束在不同程度上受成像误差的影响。全面处理所有光束的成像误差仅在一定条件下可行。尤其受成像误差影响的是使用大孔径比和/或大入射光瞳和/或大像场的光谱仪。

在具有折射成像光学器件的光谱仪的情况下，除上述几何像差之外，还存在色差，尤其是纵向色差。

已知诸如色散和彗差的成像误差导致这样的事实：点状单色光源的图像在包括多个检测器元件的检测器平面区域上延伸。如果图像包括主色散方向上的多个检测器元件，则光谱分辨率相应减小。利用多个检测器元件的信号测量导致读出噪声增大，使得信噪比以及随之的分析测量的检测极限劣化。

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