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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung, insbesondere für die
optische Spektroskopie, mit Mitteln zur spektralen Aufspaltung einfallenden
Lichts und einem optischen Detektor zur spektral aufgelösten Detektion
eines Spektralbereichs des aufgespalteten Lichts sowie ein Verfahren
zum Ermitteln eines Temperaturwerts eines optischen Detektors zur
spektral aufgelösten Detektion eines Spektralbereichs einfallenden
Lichts.
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Die
Empfindlichkeit eines optoelektronischen Lichtdetektors, beispielsweise
eines CCD- oder CMOS-Sensors, hängt insbesondere von der
Temperatur des Detektors ab. Diese Temperaturabhängigkeit
der Detektorempfindlichkeit beeinträchtigt die Messgenauigkeit
von Spektrometern, insbesondere nahe ihrer oberen Grenzwellenlänge
(am langwelligen Ende ihres Anwendungsbereiches).
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Zur
Kompensation von Temperaturschwankungen ist es bekannt, mittels
eines thermischen Temperaturfühlers die Detektortemperatur
zu erfassen. In
DE
10 2005 003 441 A1 wird darüber hinaus beschrieben,
dass zum genaueren Ermitteln des Einflusses der Umgebungstemperatur
auf den Detektor ein zweiter Temperaturfühler eingesetzt
werden kann. Anhand der ermittelten Detektortemperatur ist es möglich,
eine Temperiereinheit des Detektors, beispielsweise eine Heizung
oder Kühlung, so zu steuern, dass die Detektortemperatur
konstant bleibt. Dadurch kann die Genauigkeit der Messung der auf
den Detektor einfallenden Lichtleistung verbessert werden. Ein Temperaturfühler
hat jedoch den Nachteil, dass die Temperatur des Detektors nur mit
begrenzter Genauigkeit erfasst werden kann, da der Fühler nicht
auf dem oder im Inneren des Detektors angeordnet werden kann, sondern
stets in einem endlichen Abstand von dem Detektor angeordnet sein muss.
Dementsprechend ist auch die Genauigkeit der Kompensation von Temperaturschwankungen begrenzt.
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Für
Spektrometer werden Detektoren mit verschiedenen Materialien verwendet,
die für unterschiedliche Wellenlängenbereiche
einsetzbar sind. Insbesondere die obere Grenzwellenlänge
ist eine Materialeigenschaft, die beim Entwurf von Spektrometern beachtet
werden muss. Materialien mit höherer oberer Grenzwellenlänge
haben im allgemeinen die Vorteile eines größeren
nutzbaren Spektralbereichs und einer geringen Temperaturabhängigkeit der
Empfindlichkeit bei gegebener Wellenlänge. Sie sind jedoch
kostenaufwendiger und haben den Nachteil eines stärkeren
Rauschens, das nur durch Kühlung reduziert werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
genannten Art zu verbessern, so dass die Detektortemperatur, insbesondere
zum Zweck der Kompensation von Temperaturschwankungen, mit hoher
Genauigkeit unter geringem Aufwand ermittelt werden kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung, welche die in
Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren,
welches die in Anspruch 12 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß ist
neben Mitteln zur spektralen Aufspaltung einfallenden Lichts und
einem optischen Detektor zur spektral aufgelösten Detektion eines
Spektralbereichs des aufgespalteten Lichts ein zweiter optischer
Detektor zur Detektion eines Teilbereichs dieses Spektralbereichs
als Referenzdetektor vorgesehen, wobei eine Empfindlichkeit des
Referenzdetektors im wesentlichen temperaturunabhängig
oder zumindest signifikant weniger temperaturabhängig als
eine entsprechende Empfindlichkeit des ersten Detektors ist. Mittels
des ersten optischen Detektors wird ein Detektionssignal für
einen Teilbereich des zu detektierenden Spektralbereichs und mittels des
zweiten optischen Detektors ein (nahezu) temperaturunabhängiges
Referenzsignal für denselben Teilbereich des Spektralbereichs
ermittelt.
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Die
auf den Referenzdetektor fallende Lichtleistung steht in einem nahezu
konstanten Verhältnis zu der Lichtleistung, die der erste
Detektor in dem für die Referenz verwendeten Teilbereich
des Spektrums erfasst. Das Verhältnis der Signale beider
Detektoren ist aufgrund der weitgehenden Temperaturunabhängigkeit
der Empfindlichkeit des Referenzdetektors ein hochgenaues Maß für
die relative Temperatur des ersten Detektors. Zum Ermitteln des
Verhältnisses ist eine über den Teil-Spektralbereich
integrierte Lichtleistung ausreichend, so dass der Referenzdetektor
nicht spektral beziehungsweise räumlich auflösend
zu sein braucht. Er kann daher im Vergleich zu dem ersten Detektor
in deutlich geringerer Größe und mit deutlich
einfacherem Aufbau ausgeführt sein. Aufgrund der zumindest
näherungsweisen Temperaturunabhängigkeit der Empfindlichkeit
des Referenzdetektors ist eine Kühlung des Referenzdetektors
für die erfindungsgemäße Verwendung nicht erforderlich.
Ein thermischer Temperaturfühler ist ebenfalls nicht erforderlich,
weder für den ersten Detektor noch für den Referenzdetektor.
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Zweckmäßigerweise
weist der Referenzdetektor eine höhere obere Grenzwellenlänge
auf als der erste Detektor. Dadurch wird eine geringere Temperaturabhängigkeit
der Empfindlichkeit des Referenzdetektors erreicht.
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Besonders
bevorzugt sind Ausgestaltungen, in denen als erster Detektor (Hauptdetektor)
ein Siliziumdetektor (Si-Detektor) und als Referenzdetektor ein
Indium-Gallium-Arsenid-Halbleiterdetektor (InGaAs-Detektor) verwendet
wird.
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Vorteilhafterweise
sind der gesamte zu detektierende Spektralbereich mittels des ersten
Detektors und der Teilbereich des Spektralbereichs mittels des Referenzdetektors
simultan detektierbar. Durch die Gleichzeitigkeit kann eine höchstmögliche
Genauigkeit des Temperaturwerts erreicht werden. Die simultane Detektion
des gesamten und des Teil-Spektralbereichs gelingt auf unterschiedlichen Wegen.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Referenzdetektor
derart angeordnet, dass durch ihn spektral aufgelöstes
Licht detektierbar ist, das von dem ersten Detektor reflektiert
wird. Auf diese Weise kann auf einen Strahlteiler und einen Bandpassfilter
verzichtet werden. Zudem ist die effektive Empfindlichkeit der Anordnung
hoch, da der Referenzdetektor nur vom ersten Detektor nicht detektierbares
Licht empfängt. Die vom ersten Detektor detektierbare Lichtleistung
bleibt trotz der Referenzmessung unverändert.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfassen die
Mittel zur spektralen Aufspaltung ein abbildendes Gitter, wobei
der Referenzdetektor derart angeordnet ist, dass durch ihn Licht
einer anderen Beugungsordnung des Gitters detektierbar ist als durch
den ersten Detektor. Auf diese Weise kann auf einen Strahlteiler
verzichtet werden. Auf einen Bandpassfilter kann verzichtet werden,
wenn der Referenzdetektor nicht in der nullten Ordnung angeordnet
ist. Jedoch kann durch die Platzierung des Referenzdetektors in
der Richtung der nullten Beugungsordnung das Spektrometer kompakt
gestaltet werden, was insbesondere für die Anordnung in
einem Messkopfgehäuse vorteilhaft ist. In diesem Fall ist
ein Bandpassfilter für den zu detektierenden Teilbereich zweckmäßig.
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In
einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist ein Strahlteiler
vorgesehen, mittels dessen ein erster Bruchteil des einfallenden
Lichts auf den ersten Detektor und ein zweiter Bruchteil auf den
Referenzdetektor leitbar ist, wobei der Referenzdetektor mit einem
Bandpassfilter für den zu detektierenden Teilbereich versehen
ist. Typischerweise wird der Strahlteiler vor einem Eintrittsspalt
eines Spektrometers angeordnet. Diese Anordnung kann mit geringem
Aufwand erstellt werden, da die Platzierung des Referenzsensors
im einfallenden Licht relativ grob erfolgen kann.
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Zweckmäßigerweise
ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche anhand eines Detektionssignals des
Referenzdetektors und anhand mindestens eines mit dem Teilbereich
korrespondierenden Detektionssignals des ersten Detektors einen
relativen Temperaturwert für den ersten Detektor ermittelt.
Diese Steuereinheit kann beispielsweise zusammen mit den Detektoren
innerhalb eines Messkopfgehäuses angeordnet sein. Die Steuereinheit
kann den ermittelten Temperaturwert insbesondere für eine
spätere Verarbeitung über eine Schnittstelle ausgeben.
Beispielsweise können sowohl die Detektionssignale des
ersten Detektors als auch des Referenzdetektors unmittelbar an einen übergeordneten
Steuerrechner weitergegeben werden, der Temperaturschwankungen der
Detektionssignale später anhand der Referenzsignale korrigiert.
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Vorzugsweise
korrigiert die Steuereinheit anhand des Temperaturwerts und anhand
einer Empfindlichkeitsfunktion des ersten Detektors direkt Detektionssignale
des ersten Detektors. Dadurch gelingt die Kompensation einer Temperaturabhängigkeit einer
Empfindlichkeit eines spektral auflösenden optischen Detektors
mit hoher Genauigkeit unter geringem Aufwand. Zweckmäßigerweise
wird der Temperaturwert als Quotient aus dem Referenzsignal und
dem Detektionssignal ermittelt. Die Korrektur der von dem ersten
Detektor ausgegebenen Detektionssignale um temperaturbedingte Schwankungen
kann beispielsweise mit geringem Aufwand rein rechnerisch durchgeführt
werden. Dadurch wird eine kostenaufwendige Temperiereinheit nicht
benötigt. Von der Steuereinheit werden vorzugsweise die
korrigierten Detektionssignale anstelle der unkorrigierten Detektionssignale
ausgegeben, beispielsweise an einen übergeordneten Steuerrechner
oder auf ein Speichermedium. Auf diese Weise ist die Korrektur für den
Steuerrechner oder eine andere Form der Weiterverarbeitung transparent.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann dadurch auch
mit bestehenden Steuerrechnern verwendet werden, ohne dass diese angepasst
werden müssen.
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Möglich
sind auch Ausgestaltungen, in denen die Steuereinheit in Abhängigkeit
des Temperaturwerts eine Temperiereinheit für den ersten
Detektor steuert. Auch diese Ausgestaltungen ermöglichen die
Kompensation einer Temperaturabhängigkeit einer Empfindlichkeit
eines spektral auflösenden optischen Detektors mit hoher
Genauigkeit.
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Vorteilhafterweise
wird eine Empfindlichkeitsfunktion des ersten Detektors während
eines Aufwärmvorgangs oder nach einem Aufwärmvorgang
gemessen, um Einflüsse von Schwankungen aufgrund von Fertigungstoleranzen
zu vermeiden. Alternativ kann eine vom Detektorhersteller vorgegebene
Empfindlichkeitsfunktion verwendet werden.
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Die
Erfindung umfasst auch ein Spektrometer mit einer Lichtquelle und
einer der zuvor beschriebenen Anordnungen. Darüber hinaus
kann das Spektrometer als Messkopf in einem abgeschlossenen Gehäuse
verkapselt sein, der zur Ausgabe von korrigierten oder unkorrigierten
Detektionssignalen über eine Schnittstelle an ein elektronisches
Bussystem anschließbar ist. Daneben umfasst die Erfindung auch
ein Computerprogramm und eine Steuereinheit, die zur Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet
sind.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
erstes optisches Spektrometer mit optischem Referenzdetektor,
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2 ein
zweites optisches Spektrometer mit optischem Referenzdetektor,
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3 ein
drittes optisches Spektrometer mit optischem Referenzdetektor und
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4 ein
viertes optisches Spektrometer mit optischem Referenzdetektor.
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In
allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche
Bezugszeichen.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Anordnung am Beispiel eines
optischen Spektrometers 10. Die Erfindung kann stattdessen
auch mit jeder anderen Spektrometeranordnung realisiert werden,
insbesondere mit nach dem Stand der Technik bekannten Spektrometeranordnungen.
Der Einfachheit halber ist weder eine Lichtquelle, noch ein Gehäuse
noch eine zu untersuchende Probe abgebildet.
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Das
Spektrometer 10 besteht in der Reihenfolge des Lichtweges
aus einem Eintrittsspalt 1, einem abbildendem Gitter 2 und
einem ersten Detektor 3, der zur Detektion unterschiedlicher
spektraler Subspektralbereiche zeilen- oder matrixförmig
angeordnete Detektorelemente 3.1, 3.2, ... (Pixel)
aufweist. Zusätzlich kann der erste Detektor 3 mit
einer Temperiereinheit 4, nämlich einer Heizung
oder einer Kühlung oder beidem versehen sein. Beispielsweise
handelt es sich im einfachsten Fall um einen Heizwiderstand in der
Nähe des ersten Detektors 3. Eine Steuer- und
Auswerteeinheit 5 ist mit dem ersten Detektor 3 und
der Temperiereinheit 4 verbunden. Die Steuer- und Auswerteeinheit 5 erfasst
ein jeweiliges Detektionssignal Di für
jedes Detektorelement 3.i und steuert die Temperiereinheit 4.
Der Einfachheit halber zeigt die Abbildung stellvertretend für
die Gesamtheit der Detektionssignale Di nur
eine einzelne Verbindung. Der mit dem Spektrometer 10 zu
erfassende Spektralbereich ist beispielsweise 600 nm bis 1080 nm.
Als erster Detektor 3 wird dementsprechend ein Si-Detektor
verwendet, dessen obere Grenzwellenlänge von beispielsweise λmax = 1100 nm gerade ausreicht, um den geforderten
Spektralbereich zu erfassen. Das abbildende Gitter 2 spaltet
zu diesem Zweck das durch den Eintrittsspalt 1 einfallende
Licht L spektral auf und bildet den Eintrittsgalt 1 auf
den ersten Detektor 3 ab, der so angeordnet ist, dass er ausschließlich
spektral aufgespaltetes Licht S der +1. Beugungsordnung des Gitters 2 in
einem Spektralbereich λmin ... λmax erfasst. Jedes seiner Detektorelemente
nimmt eine optische Lichtleistung in einem jeweiligen Subspektralbereich
auf und gibt sie in Form eines jeweiligen elektrischen Detektionssignals
Di an die Steuer- und Auswerteeinheit 5 aus.
Insoweit ist der Aufbau des Spektrometers 10 aus dem Stand
der Technik bekannt.
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Über
den bekannten Stand der Technik hinaus enthält das Spektrometer 10 einen
einzelnen InGaAs-Detektor als Referenzdetektor 6 mit einer
höheren oberen Grenzwellenlänge als der des ersten Detektors 3 aus
Silizium. Die obere Grenzwellenlänge beträgt beispielsweise
1700 nm. Der Referenzdetektor 6 empfängt spektral
aufgespaltetes, von der Oberfläche des ersten Detektors 3 reflektiertes
Licht S. Es wird folglich ein Anteil des einfallenden Lichts L genutzt,
der von dem ersten Detektor 3 prinzipiell nicht detektiert
werden kann. Aufgrund seiner Oberflächengröße
und Platzierung erfasst der Referenzdetektor 6 Licht von
beispielsweise 1040 nm bis 1060 nm, also einen Teilbereich in der
Nähe des langwelligen Endes λmax des
Spektralbereiches des ersten Detektors 3. Da der Referenzdetektor 6 nur
ein einzelnes Detektorelement aufweist, integriert er die Lichtleistung über
diesen Teil-Spektralbereich. Der Referenzdetektor 6 gibt
die aufgenommene Lichtleistung in Form eines Detektionssignals R
als temperaturunabhängige Referenz an die Steuer- und Auswerteeinheit 5 aus.
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Die
Empfindlichkeit des zweiten Detektors 6 hat bei einer Wellenlänge
von 1050 nm wegen der höheren Grenzwellenlänge
eine signifikant geringere Temperaturabhängigkeit als die
des Si-Detektors 3, so dass die Temperaturabhängigkeit
des Referenzdetektors 6 vernachlässigt werden
kann. Die im Referenzdetektor 6 detektierte Lichtleistung
steht dann in einem konstanten Verhältnis zu der Lichtleistung, die
der erste Detektor 3 in demselben Teilbereich des gesamten
detektierten Spektralbereichs λmin ... λmax erfasst. Das Verhältnis dieser
Lichtleistungen der beiden Detektoren 3 und 6 ist
somit ein relatives Maß für die Temperatur des
ersten Detektors 3. Dieser Temperaturwert kann von der
Steuer- und Auswerteeinheit 5 zur Steuerung der Temperiereinheit 4,
insbesondere zur Regelung der Heizung oder Kühlung des ersten
Detektors 3, oder zur rechnerischen Korrektur der Detektionssignale
Di des ersten Detektors 3 verwendet
werden. Die Steuer- und Auswerteeinheit 5 summiert zu diesem
Zweck zunächst diejenigen Detektionssignale Di der
einzelnen Detektorelemente 3.i des ersten Detektors 3,
die den Wellenlängen von 1040 nm bis 1060 nm, das heißt,
dem Teilbereich, den der einzelne InGaAs-Detektor 6 erfasst,
entsprechen. Dann bildet sie das Verhältnis dieser Summe ΣDi zum Detektionssignal R des InGaAs-Referenzdetektors 6,
um einen Temperaturwert Trel = R/ΣDi für den ersten Detektor 3 zu
ermitteln. Wenn die Grenzen der von den relevanten Detektorelementen 3.i aufgenommenen
Subspektralbereiche nicht genau mit den Grenzen des von dem Referenzdetektor 6 aufgenommenen
Teilbereichs des gesamten zu detektierenden Spektralbereichs λmin ... λmax übereinstimmen,
werden bei der Summierung der Detektionssignale Di entsprechende
Wichtungsfaktoren gi verwendet (ΣgiDi), so dass sich
der relative Temperaturwert berechnet als Trel =
R/(ΣgiDi).
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Soll
die Temperatur des Si-Detektors 3 konstant gehalten werden,
muss die Heizleistung verringert beziehungsweise die Kühlleistung
erhöht werden, wenn dieses Verhältnis einen vorgegebenen Sollwert
für den relativen Temperaturwert Trel überschreitet
und umgekehrt. Dies kann innerhalb eines an sich bekannten Regelkreises
erfolgen.
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Die
alternative rechnerische Korrektur der Detektionssignale Di erfolgt mit einer vom Detektorhersteller
bekanntgegebenen oder in einer Klimakammer ermittelten wellenlängen-
und temperaturabhängigen Empfindlichkeitsfunktion. Alternativ
kann es wegen unvermeidbarer Fertigungstoleranzen vorteilhaft sein,
die Empfindlichkeitskurve für ein konkretes Spektrometer 10 unmittelbar
nach dem Einschalten des Spektrometers 10 und der damit
verbundenen Eigenerwärmung zu vermessen. Zusätzlich kann,
wenn vorhanden, eine Heizung eingeschaltet werden, um die wellenlängen-
und temperaturabhängige Empfindlichkeitsfunktion zu vermessen.
Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, eine vorhandene Heizung
während des normalen Messbetriebes des Spektrometers 10 ausgeschaltet
zu lassen und nur die rechnerische Empfindlichkeitskompensation
zu verwenden, da eine höhere Detektortemperatur auch zu
einem höheren Detektorrauschen führt.
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In 2 ist
eine alternative Anordnung des Referenzdetektors 6 dargestellt.
Er ist beispielsweise so angeordnet, dass er spektral aufgespaltetes
Licht S der –1. (minus ersten) Beugungsordnung in einem Teil-Spektralbereich
von beispielsweise 1040 nm bis 1060 nm erfasst. Der Referenzdetektor 6 ist
somit in der Richtung einer anderen Beugungsordnung des Gitters 2 angeordnet
als der erste Detektor 3. Alle übrigen Komponenten
des Spektrometers 10 entsprechen in Anordnung und Funktion
dem Spektrometer 10 gemäß 1.
In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) kann
der Referenzsensor 6 statt in der Richtung der –1.
Beugungsordnung in der Richtung einer betragsmäßig
höheren Beugungsordnung, beispielsweise der +2. oder der –2.
Beugungsordnung, angeordnet sein.
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3 zeigt
eine weitere alternative Anordnung des Referenzdetektors 6 in
der nullten Beugungsordnung des abbildenden Gitters 2.
Auch in diesem Fall ist der Referenzdetektor 6 in der Richtung
einer anderen Beugungsordnung des Gitters 2 angeordnet
als der erste Detektor 3. Vor dem Referenzdetektor 6 ist
ein Bandpassfilter 7 angeordnet, da der auf den Detektor 6 fallende
Lichtanteil L' in der nullten Beugungsordnung nicht spektral aufgespaltet ist.
Durch den Bandpassfilter 7 erfasst der Referenzdetektor 6 nur
einen Teil-Spektralbereich von beispielsweise 1040 nm bis 1060 nm.
Alle übrigen Komponenten des Spektrometers 10 entsprechen
in Anordnung und Funktion dem Spektrometer 10 gemäß 1.
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In 4 ist
eine weitere alternative Anordnung des Referenzdetektors 6 dargestellt.
Er ist vor dem Eintrittsspalt 1 hinter einem Strahlteiler 8 angeordnet,
so dass ein nicht spektral aufgespalteter Anteil L' des einfallenden
Lichts L in Richtung des Detektors 6 ausgekoppelt wird.
Ein Bandpassfilter 7 ist erforderlich, damit von dem einfallenden
Lichtanteil L' nur ein Teilbereich von beispielsweise 1040 nm bis 1060
nm des von dem ersten Detektor 3 erfassten Spektralbereichs λmin ... λmax erfasst
wird. Alle übrigen Komponenten des Spektrometers 10 entsprechen
in Anordnung und Funktion dem Spektrometer 10 gemäß 1.
Bei einem Spektrometer 10 mit einem Lichtleitereingang
(nicht abgebildet) kann als Strahlteiler ein Y-verzweigter Lichtleiter
verwendet werden.
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- 1
- Eintrittsspalt
- 2
- Abbildendes
Beugungsgitter
- 3
- Erster
Detektor
- 3.1
- Detektionselemente
- 4
- Temperiereinheit
- 5
- Steuer-
und Auswerteeinheit
- 6
- Referenzdetektor
- 7
- Bandpassfilter
- 8
- Strahlteiler
- 10
- Spektrometer
- L
- Einfallendes
Licht
- L'
- Anteil
des einfallenden Lichts (nicht spektral aufgespaltet)
- S
- Spektral
aufgespaltetes Licht
- D
- Detektionssignal
- R
- Referenzsignal
- λmin
- Untere
Grenzwellenlänge des ersten Detektors
- λmax
- Obere
Grenzwellenlänge des ersten Detektors
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005003441
A1 [0003]