DE10247742B4

DE10247742B4 - Hochauflösendes Spektrometer

Info

Publication number: DE10247742B4
Application number: DE2002147742
Authority: DE
Inventors: Andreas Wuttig; Rainer Riesenberg; Christian Schachtzabel; Stefan Winter
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV; Analytik Jena AG
Current assignee: Codion Optics De
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: EP1549921A1; WO2004036160A1; DE10247742A1

Abstract

Hochauflösendes Spektrometer mit einer aus einzelnen Spalten bestehenden Spaltanordnung, einem abbildenden, in Breitenrichtung der Spalte dispergierenden optischen Element und einer zweidimensionalen, aus Einzeldetektoren bestehenden Detektoranordnung, auf die die Spaltanordnung unter Aufspaltung nach Wellenlängen in Breitenrichtung abgebildet wird und die sich in der Abbildungsebene parallel zur Breiten- und Längsrichtung der Spalte erstreckt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
– zur gleichzeitigen Abtastung der spektralen Intensitätsverteilung an mehreren Wellenlängen sind die Spalte der Spaltanordnung im Spektrometerstrahlengang in Längsrichtung übereinander und in Breitenrichtung versetzt angeordnet;
– die durch die Spalte verursachten Spektrenbilder sind um nicht ganzzahlige Vielfache des Mittenabstandes zweier benachbarter Detektoren in Breitenrichtung gegeneinander versetzt;
– die in der Abbildungsebene befindlichen Detektoren tasten die von den Spalten erzeugten Subpixelinformationen gleichzeitig zur Weitergabe an eine Auswerteeinrichtung ab.

Description

Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Spektrometer gemäß der Gattung der Patentansprüche. Sie kommt insbesondere bei Array-Spektrometern zur Anwendung.
Bekanntlich ist die Auflösung von Arrayspektrometern durch die Anzahl der spektralen Messpunkte gegeben, die in der Regel gleich der Pixelzahl linearer Detektorarrays ist. Der Quotient aus spektralem Messbereich und spektraler Auflösung ist proportional der Zahl der benötigten spektralen Messpunkte bzw. der Anzahl der Pixel. Insbesondere im NIR- und im IR-Spektralbereich ist die Pixelzahl kommerzieller Arrays für die hochauflösende Spektroskopie viel zu klein. Das gilt z. B. auch für hochauflösende Raman-Spektrometer im UV-VIS Spektralbereich.
Bekannt ist es, vor allen Dingen für leistungsfähige Geräte der Raumfahrt, viele Detektorzeilen nebeneinander anzuordnen. Die resultierenden Geräte sind zu groß und kostenintensiv. Das dabei auftretende größere Öffnungsverhältnis bedingt eine Erhöhung der Abbildungsfehler und begrenzt somit die erreichbare spektrale Auflösung.
Weiterhin ist es bekannt, die Abbildung der Spektren des Eingangsspaltes mehrfach versetzt zueinander vorzunehmen, so dass virtuell auf dem Detektorarray Subpixel erzeugt und ausgewertet werden können. Um die Subpixel zu erzeugen, ist aber ein Bewegung, d. h. ein Scannen oder Schalten des oder der Eingangsspalte nötig, was u. a. das Spektrometer langsamer werden lässt und zusätzlich hochgenaue Stellmittel erfordert.
In der DE 694 06 888 T2 ist ein Spektrophotometer mit einem Schrägspalt beschrieben, der sich in seiner Längsrichtung über den aktiven Teil der Detektoranordnung erstreckt. Infolge der Schräglage des Spaltes kommt es zu Verschmierungseffekten bei der Spaltabbildung, die erhöhte Aufwendungen bei der Auswertung der Spaltspektren erfordern bzw. die Auswertung stark behindern.
Die DE 693 04 315 T2 offenbart eine regelbare optische Komponente, die es ermöglicht, einen jeweiligen Spalt durch einen mechanischen Verstellvorgang sehr genau bezüglich einer Mittenposition einzustellen. Dabei kann ein Austausch der Spalte, die unter anderem innerhalb eines Abstandes zweier benachbarter Fotodioden gleichmäßig quer versetzt sein können, auch durch Verschieben einer Spaltplatte in Richtung ihrer gemeinsamen Längsrichtung stattfinden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hohe Zahl von spektralen Messpunkten gleichzeitig mit einer sehr kompakten Anordnung zu erzeugen. Insbesondere ist eine Spektrometeranordnung auf der Basis eines Array-Spektrometers zu schaffen, die höchste spektrale Auflösung mit großem spektralen Messbereich verbindet, zugleich kompakt ist und allgemein bekannte Detektorarrays nutzen kann. Gleichzeitig soll es wie bei herkömmlichen Array-Spektrometern möglich sein, eine vollständige Messung in nur einem Messschritt, ohne die Bewegung von Spektrometerteilen auszuführen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Dabei kann die Spaltanordnung so gestaltet sein, dass mindestens zwei Spalte in ihrer Längsrichtung übereinander und in ihrer Breitenrichtung gegeneinander versetzt sind, so dass die auf der Detektoranordnung erzeugten Spektrenbilder ebenfalls in Breitenrichtung der Spalte um nicht ganzzahlige Vielfache (oder Bruchteile) des Mittenabstands zweier benachbarter Detektorelemente versetzt sind. Oder die Spaltanordnung umfasst einen Spalt, der sich in Längsrichtung vorzugsweise über das gesamte wirksame Detektorarray erstreckt; in Breitenrichtung sind die durch den Spalt erzeugten Spektrenbilder infolge einer Verdrehung von Spaltanordnung und Detektoranordnung gegeneinander bezüglich einer Normallage ebenfalls um nicht ganzzahlige Vielfache des Mittenabstandes zweier in Spektrenrichtung benachbarter Detektorelemente versetzt. Die Verdrehung kann durch eine Verdrehung (Schrägstellung) des Spaltes bzw. seines Bildes oder der Detektoranordnung oder beider geschehen. Durch diese Gestaltung der Spaltanordnung und der Detektoranordnung ist es möglich, die an der Spaltanordnung vorliegende spektrale Intensitätsverteilung an mehr Wellenlängen gleichzeitig abzutasten, als dies bei Nichtverschiebung oder Verschiebung um ein ganzzahliges Vielfaches des Mittenabstandes zweier benachbarter Detektoren der Fall wäre. Infolge der Erfindung entstehen bei der Abbildung der Spaltanordnung und Dispersion des Lichtes unterschiedliche Messpunkte innerhalb des Spektrums, die Subpixelinformationen enthalten. Das zweidimensionale Detektorarray gewährleistet die gleichzeitige Abgabe der von den Spalten erzeugten Subpixelinformationen. Die Spaltlänge bzw. -höhe soll mindestens gleich der Pixelhöhe sein; günstig ist es im Allgemeinen, wenn sie ein Mehrfaches der Pixelhöhe beträgt. Die dispergierende optische Anordnung kann als Konkavgitter, Cerney-Turner-Anordnung (ebenes Gitter mit zwei abbildenden Elementen), Prisma oder Fresneloptik gestaltet sein. Die Detektoranordnung kann eine CCD (Charge Coupled Device), eine Photodiodenmatrix oder eine Matrix aus Thermodetektoren o. ä. sein. Zur Vermeidung von Verzerrungen bzw. zur Beseitigung des Einflusses von Abbildungsfehlern bei der Abbildung der Spaltanordnung in die Detektorebene ist vorteilhaft die Detektoranordnung (das Detektorarray) um eine Achse neigbar bzw. fest einstellbar, die parallel zur Breitenrichtung des Detektorarrays gerichtet ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, die zwei Ausführungsbeispiele enthält. Es zeigen:
1 eine prinzipielle Anordnung zur Erzeugung und Auswertung eines Spektums unter Verwendung der Erfindung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mit mehreren, in Längsrichtung angeordneten Spalten,
3a und b den durch das erste Ausführungsbeispiel erreichten Intensitäts- und Auflösungsgewinn,
4 ein zweites nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit Schrägspalt,
5a und b den durch das zweite nicht erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel erreichten Intensitäts- und Auflösungsgewinn.
Eine in 1 schematisch dargestellte Anordnung weist eine primäre oder sekundäre Lichtquelle 10 auf, die Licht 11 aussendet, dessen spektrale Verteilung untersucht werden soll. Das Licht 11 tritt durch eine Spaltanordnung (Spaltarray) 12 in ein Spektrometer 13 ein, wird durch ein Gitter 14 dispergiert und die Spaltanordnung 12 dispergiert auf ein Detektorarray 15 abgebildet, das um eine Achse X-X fest einstellbar angeordnet ist, die parallel zum Detektorarray 15 und rechtwinklig zum Spalt 12 bzw. seinem Bild in der Arrayebene angeordnet ist. Dementsprechend werden vom Detektorarray 15 Messsignale 16 an eine Kameraelektronik 17 abgegeben, die ihrerseits Bilddaten 18 an eine Auswerteeinrichtung (PC) 19 gibt. In umgekehrter Richtung kommen Steuerinformationen von der Auswerteeinrichtung 19 bis zur Kameraelektronik 17 bzw. Detektoranordnung 15. Die Auswerteeinrichtung 19 wertet die Informationen und Daten aus, bringt sie als hochaufgelöstes Spektrum 20 zur Anzeige und speichert sie gegebenenfalls.
In den folgenden 2 und 4 sind die Umklappungen der in den 1 bzw. 3 rechtwinklig zur Zeichenebene angeordneten Spaltanordnungen 12 bzw. der Detektoranordnungen 15 in die Zeichenebenen entsprechend mit 12a bzw. 15a bezeichnet und wegen der Anschaulichkeit vergrößert gezeichnet.
In 2 sind die erfindungswesentlichen Teile des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Eine Spaltanordnung 12 bzw. 12a mit zehn in Längsrichtung übereinander liegenden Einzelspalten 121 lässt das Licht 11 einer nicht dargestellten Lichtquelle in Richtung eines Gitters 14 mit 200 Linien pro mm passieren. Die Einzelspalte 121 der Spaltanordnung 12 haben je eine Breite von 10 μm und eine Höhe von 175 μm. Der Abstand zweier benachbarter Spalte 121 in Längsrichtung beträgt 25 μm und ihr seitlicher Versatz 7 μm. Dabei entstehen entsprechend der Anzahl der Einzelspalte 121 zehn Lichtbündel 111, die auf das Gitter 14 auftreffen, das in einer rechtwinklig zur Zeichenebene der 2 gerichteten Abbildungsebene 21 übereinander zehn gegeneinander versetzte Spektren 211 erzeugt und somit die Einzelspalte 121 spektral zerlegt abbildet. Die Spaltbilder einer Wellenlänge in der Abbildungsebene sind mit 121' bezeichnet. In der Abbildungsebene 21 befindet sich ein Detektorarray (CCD) 15 mit Pixeln 151 einer Größe von 25 μm·25 μm und einer Auflösung von 1024·256 Pixeln. Zur elektronischen Erfassung des Spektrums in der Kameraelektronik 17 (1) werden nicht, wie sonst üblich, übereinander liegende Pixel des Detektorarrays 15 zu größeren Pixeln verschaltet, sondern die von den gegeneinander versetzten Spektren 211 betroffenen Pixelgruppen des Detektorarrays werden getrennt behandelt und durch einen speziellen Algorithmus in der Auswerteeinrichtung 19 zu einem Spektrum 20 höherer Auflösung kombiniert. Dabei wird auch der Abstand der sog. Stützstellen im Spektrum verringert, und zwar von 0,83 nm/Pixel in einem herkömmlichen Spektrometer auf 0,083 nm/Pixel im erfindungsgemäßen Spektrometer. Die betroffenen Pixelzeilen 151 jedes Einzelspaltes 121 sind hardwaremäßig verschaltet; somit ergibt sich ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, weil das üblicherweise dominierende Ausleserauschen nur einmal je vertikaler Pixelspalte und Einzelspalt auftritt.
Die Auflösung des erfindungsgemäßen Spektrometers 13 (1) wird anhand eines Quecksilber-Gasemissionsspektrums bestimmt. Dieses Spektrum enthält in dem vom Spektrometer überstrichenen Wellenlängenbereich mehrere sehr schmale Intensitätspeaks, deren natürliche Breite vernachlässigt werden kann. Bestimmt man in einem gemessenen Spektrum die scheinbare Breite eines solchen Peaks, so erhält man die Auflösung des Spektrometers. Einige dieser Peaks stehen so dicht zusammen, dass sie mit einem zum Stand der Technik gehörenden Spektrometer gleicher Größenordnung nicht auflösbar sind. Entsprechende Messungen an dem Quecksilberspektrum in der bekannten Konfiguration mit einem 25-μm-Spalt sind im Diagramm gemäß 3a dargestellt, bei dem die Intensität I über der Wellenlänge λ aufgetragen ist. Wie man erkennt, liegt die Mittenwellenlänge eines Peaks 22 bei etwa 312 nm. Eine Messung mit dem erfindungsgemäßen Spaltarray 121 ergibt das Spektrum der 3b. Eine Gruppe aus zwei Peaks 221, 222 bei 312 nm ist fast vollständig aufgelöst. Um zwei Peaks immer sicher trennen zu können, müssen diese im allgemeinen mindestens zwei Pixel, im Falle der herkömmlichen Anordnung also etwa 1,7 nm weit auseinanderliegen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wurden zwei Peaks mit einem Abstand von 0.6 nm fast vollständig getrennt. Man kann bei vorsichtiger Schätzung davon ausgehen, daß selbst bei einem Peak-Abstand von unter 0.45 nm noch eine eindeutige Trennung der Peaks zu beobachten wäre. Damit ergibt sich eine erreichte Auflösungserhöhung bzgl. der Trennschärfe bei Doppelpeaks 221, 222 von über 3,7.
In 4 sind eine nicht erfindungsgemäße Spaltanordnung 12 bzw. 12a, ein dispergierend abbildendes Element 14 und eine Abbildungsebene 21 gezeigt, die den Monochromator eines Spektrometers 13 (1) darstellen. Im Unterschied zu 2 weist die Spaltanordnung 12 einen Schrägspalt 122 auf, der mit Hilfe des Elements 14 in die Abbildungsebene 21 spektral zerlegt abgebildet wird. Der Schrägspalt 122 hat eine Breite von 10 μm, eine Höhe von etwa 80 Pixelzeilen und ist um ca. 2–3 Grad schräg gestellt bzw. sein Bild 122' ist gegenüber einer in der Abbildungsebene 21 befindlichen Detektoranordnung 15 bzw. 15a mit Pixeln 151 um den genannten Betrag parallelogrammartig verzerrt. Es wäre auch möglich einen vertikalen Spalt zu verwenden und die bspw. als Photodiodenmatrix gestaltete Detektoranordnung 15 in ihrer Ebene zu drehen. Analog zu 2 werden die Spektren 212 der einzelnen Pixelzeilen getrennt und zu einem Spektrum höherer Auflösung kombiniert. Abweichend von 2 fällt beim Schrägspalt der 4 für jedes Detektorpixel 151 ein Ausleserauschen an, weil alle Detektorzeilen einzeln ausgelesen werden müssen. Im übrigen gilt das zu 2 Gesagte zumindest sinngemäß.
In den Diagrammen der 5a und 5b wird analog zu den 3a und 3b der Auflösung eines bekannten Spektrometers die Auflösung des erfindungsgemäßen Spektrometers mit Schrägspalt gegenüber gestellt. Die Messungen werden wieder an Hand eines Quecksilber-Gasemissionsspektrums vorgenommen. In 5a ist das Spektrum eines 25-μm-Spaltes in einem bekannten Spektrometer, und zwar bei einer Wellenlänge von 435,5 nm dargestellt. Dort befindet sich entsprechend 5a in einem Bereich von ca. 1,1 nm ein Peak 23, der mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer als ein Peak 231 von 0,3 nm Breite identifiziert wird (5b). Die Auflösung des einzelnen Intensitätspeaks bei 435,5 nm wird durch die Verringerung der Halbwertsbreite von ca. 1,1 nm auf ca. 0,3 nm ebenfalls um den Faktor ~3,7 verbessert.
Jedes Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 4 ermöglicht die Messung und hohe Auflösung über das gesamte Gasemissionsspektrum wie es in den 3 und 5 auszugsweise benutzt worden ist.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

10: Lichtquelle
11: Licht
12: Spaltanordnung, Spaltarray
12a, 15a: Umklappungen
13: Spektrometer
14: Gitter
15: Detektoranordnung
16: Messsignale
17: Kameraelektronik
18: Bilddaten
19: Auswerteeinrichtung
20: hochaufgelöstes Spektrum
21: Abbildungsebene
22, 23: Peaks
111: Lichtbündel
121: Einzelspalte
122: Schrägspalt
121', 122': Spaltbilder
151: Pixel
201,202: Teilspektren
221, 222, 231: Peaks
X-X: Achse

Claims

Hochauflösendes Spektrometer mit einer aus einzelnen Spalten bestehenden Spaltanordnung, einem abbildenden, in Breitenrichtung der Spalte dispergierenden optischen Element und einer zweidimensionalen, aus Einzeldetektoren bestehenden Detektoranordnung, auf die die Spaltanordnung unter Aufspaltung nach Wellenlängen in Breitenrichtung abgebildet wird und die sich in der Abbildungsebene parallel zur Breiten- und Längsrichtung der Spalte erstreckt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: – zur gleichzeitigen Abtastung der spektralen Intensitätsverteilung an mehreren Wellenlängen sind die Spalte der Spaltanordnung im Spektrometerstrahlengang in Längsrichtung übereinander und in Breitenrichtung versetzt angeordnet; – die durch die Spalte verursachten Spektrenbilder sind um nicht ganzzahlige Vielfache des Mittenabstandes zweier benachbarter Detektoren in Breitenrichtung gegeneinander versetzt; – die in der Abbildungsebene befindlichen Detektoren tasten die von den Spalten erzeugten Subpixelinformationen gleichzeitig zur Weitergabe an eine Auswerteeinrichtung ab.
Hochauflösendes Spektrometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung um eine in Breitenrichtung der Detektoranordnung verlaufende Achse gegenüber der Abbildungsebene der Spaltanordnung neigbar bzw. fest einstellbar angeordnet ist.
Hochauflösendes Spektrometer gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung eine CCD ist.
Hochauflösendes Spektrometer gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung eine Photodiodenmatrix ist.
Hochauflösendes Spektrometer gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung eine Thermodetektorenmatrix ist.
Hochauflösendes Spektrometer gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung eine hexagonale Struktur aufweist.