Was ist die Aberration, und warum müssen wir sie korrigieren?

Eine optische Aberration ist eine Abweichung der Leistung eines optischen Systems von den Vorhersagen der paraxialen Optik. Bei der Existenz einer optischen Aberration konvergiert das Licht von einem Punkt eines Objekts nach der Übertragung durch das System nicht in einen einzelnen Punkt (oder divergiert nicht von). Optische Aberrationen lassen sich in zwei Klassen einteilen: monochromatisch und chromatisch.

Chromatische Aberration ist eine Art von Verzerrung, bei der die Linse nicht alle Farben auf denselben Konvergenzpunkt fokussiert, bedingt durch die Dispersion der Linse (unterschiedlicher Brechungsindex der Linse bei verschiedenen Lichtwellenlängen).

Monochromatische Aberrationen werden durch die Geometrie der Linse verursacht und treten sowohl beim Reflektieren von Licht als auch beim Bruch des Lichts auf. Monochromatische Aberrationen umfassen sphärische Aberrationen, Koma, Astigmatismus sowie Feldkrümmung und Bildverzerrung.

Kugelförmig geformte Linsen und Spiegel teilen dieses Problem. Parallele Lichtstrahlen, die durch den zentralen Bereich ziehen, konzentrieren sich weiter entfernt als jene, die durch die Ränder fließen. Das Ergebnis sind viele Fokuspunkte, was ein verschwommenes Bild erzeugt.

Einige Aberrationen beeinflussen die Bilder aufgrund von abseits liegenden Strahlen. Das Bild eines Flecks sieht aus wie mehrere Zylinder, die nicht zentriert sind, wie ein Bild eines "Kometen", woher sein Name stammt.

Ein optisches System mit Astigmatismus ist eines, bei dem Strahlen, die sich in zwei senkrechten Ebenen ausbreiten, unterschiedliche Brennpunkte haben.

Die Feldkrümmung ist die Aberration, die ein ebenes Objekt im Bild gekrümmt erscheinen lässt.

Verzerrung ist die am leichtesten erkennbare Aberration, da sie das Bild als Ganzes verformt. Sie entsteht durch die ungleichmäßige Vergrößerung des peripheren Teils einer Linse (oder eines Spiegels) im Vergleich zu ihrem zentralen Teil. Bei der "Fassverzerrung" nimmt die Bildvergrößerung mit der Entfernung zur optischen Achse ab. Bei der "Nadelkissenverzerrung" nimmt die Bildvergrößerung mit dem Abstand zur optischen Achse zu.

Aberration führt zu einer Unschärfe des Bildes, das durch ein bildbildendes optisches System erzeugt wird. Hersteller optischer Instrumente müssen optische Systeme korrigieren, um Aberrationen auszugleichen.

Um die Anzahl der Reflexionen auf die Optik zu begrenzen, werden konkave Gitter oft als Einzelelement in VUV-Spektrometern verwendet.

A. Rowland zeigte, dass das dispersierte Spektrum eines beleuchteten Punktes, der auf einem Kreis liegt, auf diesen Kreis fokussiert ist, sofern die folgende Anordnung respektiert wird (siehe Abbildung). Viele VUV-Monochromatoren verwenden dieses Design.

Leider leiden die Gitter unter den Aberrationen konkaver Spiegel und anderer aufgrund ihrer Beugungsfähigkeiten. Die Arbeit unter den Bedingungen in Rowland begrenzt definitiv die Bildqualität der Instrumente. Die größte Ausnahme hier ist Astigmatismus. Diese Aberration kann mit einem Monochromator toleriert werden, da nur horizontale Fokussierung erforderlich ist, um die Wellenlängen des Spektrums zu trennen.

Im normalen Einfall (null Ordnung, λ ₃) ist die Aberration minimal und das Bild gerade. Aber näher sind die Bilder vom Gitter, ihre Bilder sind gedehnter und gekrümmter. Diese Dehnung kann stark sein, abhängig von der Position des Bildes am Rowland-Kreis und damit von der beobachteten Wellenlänge. Dies führt sowohl zu Signalverlust als auch zu Verlust der Auflösung, insbesondere im Spektrographenmodus, wenn CCD-Detektoren verwendet werden.

S: Punktquelle (oder Schlitz des Instruments)
λ ₃: Nullordnungsposition
λ ₁, λ ₂: Dispersierte Wellenlängenpositionen λ ₁ > λ ₂
i: Einfallswinkel
r: Reflektanzwinkel

Die spektroskopischen Bilder können durch die Verwendung toroidaler Gitter verbessert werden. Ein toroidales Gitter ist eine Form eines elliptischen Paraboloids mit unterschiedlichen vertikalen und horizontalen Brennweiten. Es reduziert das Dehnen und die Krümmung von Astigmatismus.

Ein weiterer wichtiger Fortschritt ist die Entwicklung von Variable Line Spacing (VLS)-Gittern.

Ein VLS-Gitter ist eines, dessen Rillen, wenn sie auf die Tangentialebene projiziert werden, eine Reihe gerader paralleler Linien bilden, deren Abstand von Rille zu Rille variiert. Die Variation des Rillenabstands über der Oberfläche des Gitters bewegt die tangentielle Fokalkurve, während die Rillen gerade und parallel gehalten werden, sodass die sagittale Fokalkurve fixiert bleibt. Es korrigiert die kugelförmigen Aberrationen, die mit herkömmlichen kugelförmigen Gittern verbunden sind. Die VLS-Technik kann auch auf toroidalem Gitter für eine optimale Korrektur angewendet werden.

Im VUV werden zwei grundlegende Arten von Spektrographen und Monochromatoren verwendet: Normaleinschlagsinstrumente mit besserem Design für 100–400 nm, und Bohreinfallsinstrumente für 2–100 nm.

Die Optimierung der Bildkorrektur von Gittern kann für eine bessere Bildqualität auf der optischen Achse des Instruments (Monochromator-Layout) oder auf einer Brennebene (Spektrographen-Layout) berechnet werden. Im letzten Fall vergrößert die Optimierung die Brennebene, das Gitter des Spektrographen arbeitet in fester Position und die Auswahl des Wellenlängenbereichs erfolgt durch das Verschieben des Detektors in der Brennebene des Instruments. Die Korrektur ist in beiden Fällen ausgezeichnet.

Die Realisierung einer echten VUV-Monographie muss ohne toroidales Gitter erfolgen. Die Plane Grating Spectrograph (PGS)-Konfiguration ist eine der besten Optionen. Das PGS-Layout arbeitet mit einem Toroidspiegel und einem ebenen Gitter, das in einem Grazing-Winkel arbeitet. Es hat außerdem den Vorteil, dass es günstiger ist, da sie ein Flugzeugdesign haben.

HORIBA bietet eine Reihe von VUV-Spektrometern und Monochromatoren an:

• VHR-Serienmonographie in CZ-Konfiguration für FUV–IR-Bereich im Vakuumbereich
• UVL-Serien-Monochromator oder Monographien: ein einzelner, aberrationskorrigiertes kugelförmiges oder toroidales Gitter mit mittlerem Einschlagwinkel, geeignet für die Spektralreichsanalyse von 50–600 nm.
• TGM-Serien-Monochromatoren: ein einzelnes toroidales Gitter mit Grazing-Einfälle, gekoppelt mit einem Einkanaldetektor, geeignet für die Analyse des spektralen Bereichs von 10–300 nm.
• TGS-Serienspektrographen: ein einzelnes festes toroidales Gitter mit Grazing-Einfälle, gekoppelt mit einem Array-Detektor, > 40 mm Austritts-Flachfeld.
• PGM-PGS-Monographie: ein rotiertes ebenes Gitter mit Streifeneinfälligkeit und einem festen toroidalen Spiegel, der bis zu weicher Röntgenstrahlung arbeiten kann.

Das Design von VUV-Instrumenten leidet unter den Einschränkungen optischer VUV-Materialien. Die Übertragung durch Massenmaterialien ist auf λ < 105 nm begrenzt, die Kurzwellenübertragung ist auf LiF oder λ < 115 nm für MgF ₂ begrenzt. Reflektierende Konfiguration wird in einem VUV-optischen Layout verwendet. Allerdings nimmt auch die Reflexion von Metalloberflächen bei kurzen Wellenlängen ab. Mehrere Beschichtungsmaterialien werden eingeführt, um die Reflexivität zu erhöhen, wie Al, Os, Pt, Au, Rh und Ir. Oberhalb von 120 nm ist der Hauptbreitbandreflektor für VUV-Wellenlängen Al mit MgF-2-Beschichtung, das^​ unter bestimmten Bedingungen eine normale Einschlagsreflexion von bis zu 90 % aufweist. Os, Pt, Au und Ir haben eine Reflexion von etwa 60 % von 5 bis 200 nm in der Beweidungskonfiguration.

Ein Master-Gitter ist eine Originaleinheit, die als einzigartiges Stück aufgenommen wurde. Ein Master-Gitter kann als "Mutter" von mehreren Kopien, sogenannten Repliken, verwendet werden.

Meistens werden VUV-Monochromatoren bevorzugt, wenn sie mit Master-Gittern ausgestattet sind. Leider sind solche Gitter jedoch extrem teuer und haben eine lange Lieferzeit.