DE19814660C1 - Gitterspektrometer und Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht - Google Patents
Gitterspektrometer und Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem LichtInfo
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gitterspektrometer und ein Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht vorzuschlagen, bei dem in Wellenlängenbereichen oberhalb und unterhalb der Blaze-Wellenlänge die Intensität von gebeugtem und reflektiertem Licht höher ist als bei Gitterspektrometern, deren Blaze-Wellenlänge der Mitte des interessierenden Wellenlängenbereichs entspricht. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gitterspektrometer und ein Verfahren, bei dem aus dem weißen Licht ein detektierbarer Spektralbereich von lambda¶1¶ nm bis lambda¶2¶ nm ausgewählt wird, wobei lambda¶2¶ [(n + 1)/n] lambda¶1¶ und wo n die spektrale Ordnung darstellt, das Licht des ausgewählten Spektralbereichs auf ein Blaze-Gitter geleitet wird, dessen Blaze-Wellenlänge ungefähr lambda¶2¶ entspricht, wobei der Spektralbereich reflektiert und in mindestens zwei spektralen Ordnungen gebeugt wird, das reflektierte und gebeugte Licht auf einen linearen Zeilendetektor geworfen wird, dessen geometrische Anordnung so gewählt ist, daß eine erste und eine zweite spektrale Ordnung des Spektralbereichs unmittelbar nebeneinander detektiert werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Gitterspektrometer gemäß dem ersten
Patentanspruch und ein Verfahren zur Messung spektraler Inten
sitäten von weißem Licht gemäß dem zweiten Patentanspruch.
C. Müller und J. Mohr beschreiben in INTERDISCIPLINARY SCIENCE
REVIEWS, 1993, Vol. 18, No. 3, Seiten 273 bis 275 ein durch das
sogenannte LIGA-Verfahren hergestelltes Mikrospektrometer mit
einem Blaze-Gitter. Die Funktionsweise des Blaze-Gitters wird
anhand von Zeichnungen und der Blaze-Gleichung erläutert. Das
Blaze-Gitter besteht aus einer konkaven, treppenstufenförmigen
Anordnung von einzelnen Gitterstufen, deren Apexwinkel, Gitter
stufenkonstante und Höhe entsprechend der Blaze-Gleichung aus
gewählt werden. Trägt man die Intensität des am Blaze-Gitter
gebeugten und reflektierten Lichts gegen die Wellenlänge auf,
ergibt sich für die erste und für weitere Ordnungen ein Maximum
bei der Blaze-Wellenlänge und ein je nach der betrachteten
spektralen Ordnung mehr oder weniger ausgeprägter Abfall der
Intensitäten von Licht höherer oder niedrigerer Wellenlänge.
Aus einem Diagramm geht hervor, daß bei einer Blaze-Wellenlänge
von 740 nm die Intensität in der ersten Ordnung unterhalb von
500 nm nahezu Null wird; bei einer Wellenlänge von 1100 nm ist
die Intensität auf mehr als die Hälfte abgefallen. Die Veröf
fentlichung lehrt, daß das Blaze-Gitter in der Weise gestaltet
wird, daß die Blaze-Wellenlänge in der Mitte des interessieren
den Wellenlängenbereichs liegt. Bei der gewählten Anordnung er
hält man jedoch nur die erste spektrale Ordnung und es muß ein
Intensitätsabfall bei höheren und niedrigeren Wellenlängen in
Kauf genommen werden.
Eine ausführlichere Darstellung dieses Sachverhalts findet sich
bei C. Müller und J. Mohr: Miniaturisiertes Spektrometersystem
in der LIGA-Technik, Wissenschaftliche Berichte des Forschungs
zentrums Karlsruhe GmbH, FZKA 5609 (1995) 10-12.
Aus der EP 0 502 866 B1 ist ein Zweistrahl-Spektrometer be
kannt, bei dem das Licht einer Lichtquelle mit einem Strahltei
ler in einen Meß- und einen Referenzstrahl zerlegt wird. Der
Meßstrahl gelangt über einen Eintrittspalt auf ein konkaves
Gitter und wird von diesem in ein Spektrum der Ordnung +1 und
ein Spektrum der Ordnung -1 zerlegt. In analoger Weise wird der
Referenzstrahl zerlegt. Die Spektren des Meß- und des Referenz
strahls werden aneinander anschließend auf ein Detektorarray
geworfen. Diese Anordnung enthält kein Blaze-Gitter.
Aus J. F. James, R. S. Sternberg: The Design of Optical
Spectrometers (1969) Chapman and Hall Ltd, Kapitel 5.5, geht im
Zusammenhang mit dem Problem überlappender Ordnungen hervor,
daß aus weißem Licht ein Spektralbereich von λ1 bis λ2 selek
tiert werden kann, wobei λ2 ≦ [(n ± 1)/n] λ1 ist, n die spektrale
Ordnung angibt und das (+)-Zeichen für positive n und das (-)-
Zeichen für negative n gilt.
Aus der EP 98 423 B1 geht hervor, daß Spektren verschiedener
Ordnungen auf einem Detektorarray abgebildet werden können. Da
bei werden die Spektren der verschiedenen Ordnungen jedoch
nicht voneinander getrennt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gitterspektrometer und ein
Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht
vorzuschlagen, bei dem in Wellenlängenbereichen oberhalb und
unterhalb der Blaze-Wellenlänge die Intensität von gebeugtem
und reflektiertem Licht höher ist als dies bei dem Gitterspek
trometer und dem Verfahren nach C. Müller und J. Mohr der Fall
ist; das heißt, die Intensität soll bei Wellenlängen, die sich
von der Blaze-Wellenlänge unterschieden, weniger stark abfallen
als beim Stand der Technik.
Die Aufgabe wird durch das im ersten Patentanspruch beschrie
bene Gitterspektrometer und durch das im zweiten Patentanspruch
umrissene Verfahren gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind be
vorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens angegeben.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren und beim erfindungsgemäßen
Gitterspektrometer wird aus weißem Licht ein detektierbarer
Spektralbereich von λ1 nm bis λ2 nm ausgewählt, wobei λ2 ≦
[(n ± 1)/n] λ1 ist und n eine erste und (n ± 1) eine zweite spek
trale Ordnung angeben; n kann somit ganzzahlige positive oder
negative Werte annehmen. Für positive Ordnungen ist das Plus
zeichen zu berücksichtigen, für negative Ordnungen das Minus
zeichen. Die beiden Ordnungen sind einander benachbart. Vor
zugsweise werden die erste und die zweite Ordnung eingesetzt.
In diesem Fall ergibt sich λ2 ≦ 2 λ1.
Bevorzugt wird ein Spektralbereich im IR-Bereich, besonders
bevorzugt im Bereich zwischen ca. 1000 nm und 2000 nm ausge
wählt. Dieser Spektralbereich ist zur Analyse einer Vielzahl
von chemischen Verbindungen besonders geeignet.
Die Auswahl des detektierbaren Spektralbereichs kann durch ent
sprechende optische Filter, z. B. durch Lang- oder Kurzpaßfil
ter, erfolgen. Mit dem gleichen Erfolg kann ein Zeilendetektor
eingesetzt werden, der nur bis zu der oberen oder der unteren
Wellenlängengrenze des detektierbaren Spektralbereichs empfind
lich ist. In diesem Fall werden entweder die obere oder die un
tere Grenze oder gegebenenfalls auch beide Grenzen des ausge
wählten Spektralbereichs durch den Zeilendetektor definiert.
Beispielsweise ist ein InGaAs-Detektor nur für Wellenlängen un
terhalb von ca. 1800 nm empfindlich. Alternativ können direkt
auf den Zeilendetektor eine oder mehrere Schichten, die als op
tische Filter wirken, aufgebracht werden. Geeignete Filter
schichten sind beispielsweise Silicium- oder Indiumarsenid-
Schichten.
Für die Lösung der gestellten Aufgabe ist von besonderer Bedeu
tung, daß ein solches Blaze-Gitter eingesetzt wird, bei dem die
Blaze-Wellenlänge nicht im mittleren Bereich des ausgewählten
detektierbaren Spektralbereichs liegt, sondern an seinem oberen
Ende.
Das Licht des ausgewählten Spektralbereichs wird von dem ent
sprechend der Blaze Gleichung gestalteten Blaze-Gitter gebeugt
und reflektiert, wobei zumindest zwei spektrale Ordnungen auf
treten. Mit einem Zeilendetektor werden zumindest eine erste
und eine zweite Ordnung detektiert, wobei die Spektren der er
sten und der zweiten Ordnung einander benachbart sind. Die
Länge des Zeilendetektors soll daher mindestens so bemessen
sein, daß seine Ränder definiert sind durch die Lage der Wel
lenlänge λx, wobei der erste Rand der Lage der Wellenlänge λx
der ersten Ordnung und der zweite Rand Lage der Wellenlänge λx
der zweiten Ordnung entspricht, wenn λx die Wellenlänge der
ersten und der zweiten Ordnung definiert, bei der die
Intensität gleich ist.
Als Zeilendetektor können lineare Anordnungen von lichtempfind
lichen Einzelelementen (Pixel) eingesetzt werden, bei denen so
wohl der Abstand als auch die Breite gleich oder unterschied
lich sein können. Der Zeilendetektor ist vorzugsweise so ausge
legt, daß die Einzelelemente an die unterschiedliche Dispersion
der jeweiligen Ordnung angepaßt ist, so daß eine gleichmäßige
Auflösung erreicht wird.
Erfindungsgemäß werden daher diejenigen Spektralbereiche sowohl
der ersten als auch der zweiten Ordnung genutzt, bei denen die
Intensitäten hoch sind. Vergleicht man die Intensitäten inner
halb einer vorgegebenen Bandbreite von Wellenlängen gemäß der
Erfindung und gemäß dem Stand der Technik miteinander, so sind
erfindungsgemäß die Intensitäten insbesondere an den Rändern
der vorgegebenen Bandbreite deutlich höher. Mit dem erfindungs
gemäßen Gitterspektrometer und dem erfindungsgemäßen Verfahren
können daher Wellenlängen, die sich von der Blaze-Wellenlänge
unterscheiden, mit höherer Intensität detektiert werden. Dies
ist insbesondere beim Einsatz des Gitterspektrometers und des
Verfahrens zur Analyse von chemischen Verbindungen ein wesent
licher Vorteil.
Das erfindungsgemäße Gitterspektrometer kann in gleicher Weise
wie das von C. Müller und J. Mohr beschriebene mit Hilfe des
sogenannten LIGA-Verfahrens (Röntgentiefenlithographie und
nachfolgende galvanische Abformung) hergestellt werden. Es läßt
sich daher in gleicher Weise miniaturisieren.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei
spiels und zwei Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der für das Ausfüh
rungsbeispiel eingesetzten Anordnung;
Fig. 2 zeigt die mit dem Zeilendetektor der Anordnung regi
strierten Intensitäten in Zählraten pro Nanowatt [nW] einge
strahlte optische Leistung und Millisekunden [ms] Integrations
zeit des Detektors in Abhängigkeit der Pixelnummer des Zeilen
detektors.
Fig. 1 stellt schematisch die für das Ausführungsbeispiel ein
gesetzte Anordnung dar. Es handelt sich um eine Anordnung, die
es erlaubt, den Spektralbereich von 1000 nm bis 1800 nm zu ana
lysieren, wobei die maximale Empfindlichkeit des Gesamtsystems
in der Nähe der langwelligen Grenze bei 1700 nm liegt.
Das zu analysierende weiße Licht 1 wird über ein Langpaßfilter
2 mit einer Kante bei 1000 nm begrenzt. Der Einsatz eines Kurz
paßfilters zur Begrenzung des Spektralbereichs am langwelligen
Ende entfällt, da der eingesetzte Zeilendetektor 5 mit 150 Pi
xeln aus InGaAs diese Begrenzung aufgrund seiner spektralen
Empfindlichkeit, die bei 1800 nm endet, übernimmt.
Das gefilterte Spektralsignal 3 trifft auf ein konkaves Blaze-
Gitter 4, das den Spektralbereich gemäß der Blaze-Gitterglei
chung beugt, reflektiert und fokussiert. Das Gitter ist auf
1750 nm in erster Ordnung geblazed und hat hier seine größte
Effizienz. Die Gesamtempfindlichkeit der Anordnung ist aufgrund
der Zeilenempfindlichkeit bei 1700 nm maximal. Der Zeilendetek
tor 5 wird nun so angeordnet, daß der Fokuspunkt der Wellen
länge 1250 nm in erster Ordnung 6 an seinem einen Ende (genau:
Pixel 13) und der Fokuspunkt der Wellenlänge 1250 nm zweiter
Ordnung 7 an seinem anderen Ende (genau: Pixel 137) liegt. Dies
führt dazu, daß der Fokuspunkt der längsten zu analysierenden
Wellenlänge (1800 nm) in erster Ordnung (Pixel 67) und der kür
zesten Wellenlänge (1000 nm) in zweiter Ordnung (Pixel 88) im
Mittelbereich des Zeilendetektors zu liegen kommen, ohne daß
sich die spektralen Teilbereiche 1000 nm bis 1250 nm und 1250
nm bis 1800 nm örtlich überlappen; sie können somit fehlerfrei
ausgelesen werden.
Die Detektorsignale beider Teilbereiche lassen sich in einer
nachfolgenden Meßwertverarbeitung zusammensetzen, wodurch es
möglich wird, den Bereich 1000 nm bis 1800 nm ohne Unterbre
chung zu analysieren.
Die Anordnung bietet den Vorteil, daß der Bereich 1000 nm bis
1250 nm mit einer im Vergleich zum Bereich 1250 nm bis 1800 nm
verbesserten spektralen Auflösung detektiert wird, da in zwei
ter Ordnung gearbeitet wird.
Claims (6)
1. Gitterspektrometer zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht mit
- a) mindestens einer Vorrichtung (2, 5), die aus dem weißen Licht einen zu detektierenden Spektralbereich von λ1 bis λ2 selektiert, wobei λ2 ≦ [(n ± 1)/n] λ1, n die spektrale Ordnung angibt und das (+)-Zeichen für positive n und das (-)- Zeichen für negative n gilt,
- b) zusätzlich einem Blaze-Gitter (4), dessen Blaze-Wellenlänge bei λ2 liegt, und das den selektierten, zu detektierenden Spektralbereich beugt und auf einen Zeilendetektor (5) reflektiert, wobei
- c) der Zeilendetektor (5) derart angeordnet ist, daß er sich mindestens zwischen dem Ort einer in n-ter spektraler Ordnung gebeugten Wellenlänge λx und dem Ort der in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Wellenlänge λx erstreckt, wobei λx dadurch bestimmt ist, daß die in n-ter spektraler Ordnung gebeugten und die in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Intensitäten von λx gleich sind.
2. Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht wobei
- a) aus dem weißen Licht ein zu detektierender Spektralbereich von λ1 bis λ2 selektiert, wobei λ2 ≦ [(n ± 1)/n] λ1, n die spektrale Ordnung angibt und das (+)-Zeichen für positive n und das (-)-Zeichen für negative n gilt,
- b) das Licht des selktierten, zu detektierenden Spektralbereichs mit einem Blaze-Gitter (4), dessen Blaze-Wellenlänge bei λ2 liegt, gebeugt und auf einen Zeilendetektor (5) reflektiert wird, wobei
- c) der Zeilendetektor (5) derart angeordnet wird, daß er sich mindestens zwischen dem Ort einer in n-ter spektraler Ordnung gebeugten Wellenlänge λx und dem Ort der in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Wellenlänge λx erstreckt, wobei λx dadurch bestimmt ist, daß die in n-ter spektraler Ordnung gebeugten und die in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Intensitäten von λx gleich sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2 mit einem detektierbaren Spek
tralbereich im Infrarot-Bereich.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der detektierbare
Spektralbereich ausgewählt wird, indem ein Zeilendetektor
eingesetzt wird, der ein entsprechendes Kantenfilter dar
stellt.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der detektierbare
Spektralbereich ausgewählt wird, indem zwischen dem Blaze-
Gitter und dem Zeilendetektor ein Kantenfilter angeordnet
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Pi
xelgeometrie des Zeilendetektors entsprechend der unter
schiedlichen spektralen Auflösung der Ordnungen gewählt
wird.
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