DE19836758B9

DE19836758B9 - Abbildendes ATR-Spektrometer

Info

Publication number: DE19836758B9
Application number: DE19836758A
Authority: DE
Inventors: Raul Lexington Curbelo
Original assignee: Varian Australia Pty Ltd
Current assignee: Agilent Technologies Australia M Pty Ltd
Priority date: 1997-08-15
Filing date: 1998-08-13
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2018-08-14
Also published as: DE19836758A1; GB9817067D0; JP3076013B2; GB2329977A; GB2329977B; DE19836758B4; JPH11132941A; US6141100A

Abstract

Abbildendes Spektrometer für gedämpfte Totalreflexion (ATR), umfassend:
eine Strahlungsquelle (22);
ein Innenreflexionselement (IRE) (10) mit einer vorderen Fläche (14) und einer rückwärtigen Fläche (12), wobei die vordere Fläche (14) einen Kontaktbereich (20) umfaßt, um mit einer zu untersuchenden Probe (18) in Eingriff zu treten;
einen Detektor (32);
ein Mittel (26) zum Lenken und Konzentrieren einer Strahlung (24) von der Strahlungsquelle (22) durch die rückwärtige Fläche (12) des IRE (10) in Richtung des Kontaktbereiches (20), so daß ein Einfallswinkel des Eingangsstrahles an der vorderen Fläche (14) gleich oder größer als ein kritischer Winkel für das IRE (10) ist;
ein Mittel (28) zum Sammeln von reflektierter Strahlung (30) von dem Kontaktbereich (20) und zum Abbilden der reflektierten Strahlung auf dem Detektor; und
ein wellenlängenselektives Element (22), das gekoppelt ist, um Strahlung abzufangen, die zwischen der Strahlungsquelle (22) und dem Detektor (32) verläuft, um eine spektralselektive Modulation...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Spektroskopie mit abgeschwächter (innerer) Totalreflexion (ATR) wird weithin dazu verwendet, um ein Absorptionsspektrum von Proben zu sammeln, die für direkte Absorptionsmessungen zu undurchlässig sind. Eine Oberfläche eines ATR-Kristalls wird in Kontakt mit einer zu untersuchenden Probe gebracht. Ein einfallender Strahl einer Strahlung wird durch den ATR-Kristall gelenkt, so daß er innen an der Grenze zwischen dem ATR-Kristall und der zu untersuchenden Probe totalreflektiert wird. Ein gewisser Anteil der Energie der einfallenden Strahlung wird durch die zu untersuchende Probe durch eine Dämpfungskopplung absorbiert. Die Größe der Absorption ist repräsentativ für die molekulare Struktur und/oder die molekularen Arten, die in der zu untersuchenden Probe gefunden werden. Die reflektierte Strahlung umfaßt deshalb Information, aus der ein Absorptionsspektrum für die zu untersuchende Probe erhalten wird.
Die EP 0516481 A2 beschreibt einen ATR-Kristall mit einer konvex gekrümmten, kugelförmigen rückwärtigen Fläche und einer ebenfalls konvex gekrümmten, kugelförmigen vorderen Fläche. Dabei ist die vordere Fläche diejenige, welche mit einer zu untersuchenden Probe in Kontakt gebracht wird. Das Krümmungszentrum der rückwärtigen Fläche liegt in der vorderen Fläche, und der Krümmungsradius der vorderen Fläche ist größer als der Krümmungsradius der rückwärtigen Fläche.
Die JP 05010872 A offenbart ein ATR-Spektrometer mit einer ersten Infrarot-Lichtquelle und einem ersten Detektor zur Aufnahme des Spektrums des von der ersten Infrarot-Lichtquelle ausgestrahlten und an einer Grenzfläche zwischen einem ATR-Prisma und einer zu untersuchenden Probe reflektierten Lichts. Das Spektrometer weist außerdem eine zweite Infrarot-Lichtquelle und ein Bildaufnahmeelement auf, welches von der zweiten Infrarot-Lichtquelle ausgestrahltes und an der Grenzfläche zwischen dem ATR-Prisma und der zu untersuchenden Probe reflektiertes Licht empfängt und als Mikroskopaufnahme auf einem Monitor wiedergibt.
Ein Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US 5,347,364 bekannt.
Weitere Beispiele von Systemen zum Durchführen der ATR-Spektroskopie umfassen die US-Patente Nr. 3,393,603, 4,602,869 und 5,093,580.
Diese Systeme sind dadurch begrenzt, daß sie typischerweise einen Einzelelementdetektor verwenden und sind deshalb in der Lage, nur einen kleinen Bereich der zu untersuchenden Probe zu einem Zeitpunkt zu analysie ren. Demgemäß ist es für einige Typen der physikalischen Abtastung erforderlich, die räumliche Verteilung von molekularen Arten in der Probe beispielsweise dadurch zu zerlegen, daß die Probe auf einer XY-Stufe durch ein Sichtfeld bewegt wird, das durch die Sammel- und Detektionsoptik definiert ist, oder das ATR relativ zu der Probe bewegt wird.
Eine Abtastung der Probe auf diese Weise ist mit gewissen Nachteilen und Mängeln verbunden. Insbesondere die Anzahl der bewegenden Teile, die dazu erforderlich sind, die Abtastung auszuführen, begrenzt die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit solcher Systeme. Ferner erfordert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, daß durch die meisten FTIR-(Fouriertransformationsinfrarot)-Spektrometer erhältlich ist, daß verschiedene Messungen an jedem Punkt genommen und gemittelt werden. Die erforderliche erhebliche Mittelung macht solche Systeme selbst langsam.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8 dahin gehend zu verbessern, daß ein ortsaufgelöstes Absorptionsspektrum einer Probe in kürzerer Meßzeit und mit besserer räumlicher Auflösung aufgenommen werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung schafft ein abbildendes ATR-Spektrometer und ist gekennzeichnet durch eine höhere Geschwindigkeit und bessere räum liche Auflösung, als Systeme, die eine äquivalente Datenmenge unter Verwendung herkömmlicher nicht abbildender ATR-Techniken sammeln.

Gemäß eines Aspektes der Erfindung umfaßt die Vorrichtung eine Strahlungsquelle, die einen Eingangsstrahl an Strahlung schafft, einen ATR-Kristall, einen Fokalebenenfelddetektor, zumindest ein optisches Element, das den Eingangsstrahl durch den ATR-Kristall so lenkt und konzentriert, daß der Eingangsstrahl an einer vorderen Fläche des ATR-Kristalles innen totalreflektiert wird, und zumindest ein optisches Element, das die reflektierte Strahlung sammelt und dieselbe auf den Fokalebenenfelddetektor abbildet. Eine wellenlängenselektive Vorrichtung, wie beispielsweise ein Interferometer, ist in der optischen Kette angeordnet. Bei einer spezifischen Ausführungsform ist die wellenlängenselektive Vorrichtung zwischen der Quelle und dem ATR-Kristall angeordnet. Bei auf Interferometern basierenden Ausführungsformen ist das Ergebnis ein spektral vervielfachter Eingangsstrahl. Der ATR-Kristall ist ausreichend groß, so daß in Kombination mit einem zweidimensionalen Fokalebenenfelddetektor die vorliegende Erfindung ein räumlich zerlegtes Absorptionsspektrum von einem großen Bereich der Probe in einer kurzen Zeit relativ zu herkömmlichen Konstruktionen sammelt.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein abbildendes ATR-Mikro-Spektrometer vor, das einen ATR-Kristall, einen Fokalebenenfelddetektor, eine wellenlängenselektive Vorrichtung, ein Mikroskopobjektiv und eine abbildungsformende Optik umfaßt. Bei einer Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung umfaßt das Mikroskopobjektiv eine Reflexionsoptik zum Lenken eines Eingangsstrahles durch den ATR-Kristall in Richtung zu einer Probe und zum Sammeln der reflektierten Strahlung und Lenken derselben in Richtung der abbildenden Optik.

Die Beschaffenheit und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die verbleibenden Abschnitte der Beschreibung und die Zeichnungen verständlicher.

Zeichnungskurzbeschreibung

1 ist ein Systemdiagramm eines abbildenden ATR-Spektrometers gemäß einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 ist ein Diagramm eines abbildenden ATR-Mikrospektrometers gemäß einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

die 3A und 3B sind Drauf- und Seitenansichten eines Innenreflexionselementes (d.h. eines ATR-Kristalles) gemäß einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

4A ist eine Spektralabbildung einer Spule aus Epoxydharzfaser, die mit dem abbildenden ATR-Mikrospektrometer der vorliegenden Erfindung erhalten wurde; und

die 4B und 4C sind Spektralmessungen von zwei diskreten Punkten innerhalb der Abbildung von 4A.

Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen

1 ist ein Systemdiagramm eines abbildenden ATR-Spektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung. Die spezifischen Ausführungsformen basieren auf einem Fouriertransformationsspektrometer unter Verwendung eines Michelson-Interferometers als einem wellenlängenselektiven Element. Ausführungsformen, die auf einem dispersiven Spektrometer basieren, würden ein Gitter oder ein Prisma als das wellenlängenselektive Element verwenden. Die Zentralkomponente des abbildenden Spektrometers ist ein Innenreflexionselement (IRE) 10, das im Querschnitt gezeigt ist. Das IRE 10 weist eine rückwärtige Fläche 12 und eine vordere Fläche 14 auf, die mit einer Probe 18 an einem Kontaktbereich 20 in Kontakt steht. Die Details des IRE 10 sind unten vorgesehen.

Ein Interferometer 22 erzeugt einen spektral vervielfachten Eingangsstrahl 24 einer Breitbandinfrarotstrahlung. Das Interferometer 22 ist vorzugsweise von dem Typ, der einen Strahlteiler, zumindest einen feststehenden Spiegel und zumindest einen sich bewegenden Spiegel (z. B. ein Michelson-Interferometer) aufweist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde ein FTS-6000-Spektrometer verwendet, das bei Bio-Rad Laboratories, Inc., Hercules, Kalifornien erhältlich ist. Fachleute werden verstehen, daß andere Interferometertypen ohne Abweichung vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ersetzt werden können. Beispielsweise könnten Spektrometer verwendet werden, die akusto-optisch abgestimmte Filter, Fabry-Perot-Abtastinterferometer oder (wie oben angemerkt ist) Abtastgittervorrichtungen verwendet werden.

Eine Fokussieroptik 26 (die schematisch als eine Linse gezeigt ist) fokussiert einen Eingangsstrahl 24 durch die rückwärtige Fläche 12 des IRE 10 in Richtung des Kontaktbereiches 20, so daß der Einfallswinkel des Eingangsstrahles 24 gleich oder größer, als der kritische Winkel des IRE 10 ist (d.h. der Winkel, unter welchem Licht an der Vorderseite 14 des IRE 10 innen totalreflektiert wird). Bei dieser Konfiguration wird im wesentlichen die gesamte Energie des Eingangsstrahles 24 reflektiert, wenn der IRE 10 nicht in Kontakt mit einer Probe 18 steht. Wenn der IRE in Kontakt mit einer Probe 18 steht, wird jedoch ein gewisser Anteil der Infrarotenergie von dem Eingangsstrahl 24 in die Probe 18 durch eine Dämpfungskopplung absorbiert. Die Menge an Energie, die an jedem Ort des Kontaktbereiches 20 absorbiert wird, entspricht der Molekularstruktur und/oder den molekularen Arten, die in der Probe an diesem Ort gefunden werden. Somit umfaßt die reflektierte Strahlung Information, aus welcher ein räumlich zerlegtes Absorptionsspektrum einer Probe 18 erhalten werden kann.

Eine Sammel- und Abbildungsoptik 28 (die schematisch als eine Linse gezeigt ist) sammelt die reflektierte Strahlung 30 und bildet dieselbe auf einem zweidimensionalen Fokalebenenfelddetektor 32 ab. Der Fokalebenenfelddetektor 32 umfaßt ein zweidimensionales Detektorfeld zum Messen der Intensität von einfallender Strahlung an diskreten Orten. Daher schafft der Fokalebenenfelddetektor 32 eine Intensitätsinformation für die Strahlung, die von diskreten Punkten des Kontaktbereiches 20 reflektiert wird.

Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde ein 64 × 64 Pixel Quecksilber-Cadmium-Tellur-(MCT)-Detektorfeld, das in einem photovoltaischen Modus betrieben wurde, erfolgreich verwendet. Das be stimmte Fokalebenendetektorfeld, Modell J108, das von dem Santa Barbara Research Center of Goleta, Kalifornien hergestellt wurde, besitzt ein spektrales Ansprechen von 2,3 μm bis 10 μm und einen Pixelabstand von 61 μm von Zentrum zu Zentrum mit > 85 % Füllungsfaktor. Bei einer anderen Ausführungsform wurde ein 128 × 128 Pixel Indiumantimonid-(InSb)-Detektorfeld, das in einem photovoltaischen Modus betrieben wurde, erfolgreich verwendet. Das bestimmte Detektorfeld, Modell SYS128-01 von dem gleichen Händler, weist ein spektrales Ansprechen von 1,0 μm bis 5,5 μm und einen Pixelabstand von 50 μm von Zentrum zu Zentrum mit einem > 85 % Füllungsfaktor auf. Wenn der interessierende Spektralbereich auf Wellenlängen unter 1,5 μm begrenzt ist, kann ein Feld von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCDs) verwendet werden.

Fachleute werden erkennen, daß alternative Ausführungsformen eines Fokalebenenfelddetektors 32 gemäß der Wellenlänge der erwünschten Spektralinformation ersetzt werden können. Beispielsweise kann ein Fokalebenenfelddetektor 32 aus Platin-Silizid-Detektoren, Silizium-Detektoren, Iridium-Silizid-Detektoren oder Detektoren zusammengesetzt sein, die aus anderen Materialien gefertigt sind, welche erwünschte Charakteristiken bei der interessierenden Frequenz aufweisen.

Ähnlicherweise ist die optische Kette geeigneterweise auf den relevanten Abschnitt des Infrarotspektrums zugeschnitten. In den meisten Fällen wird die Optik eine Reflexionsoptik sein. Somit werden, obwohl die Fokussieroptik 26 und die Sammel- und Abbildungsoptik 28 schematisch als Einzelelementlinsen gezeigt sind, Fachleute erkennen, daß diese Einzelelementlinsen durch zusammengesetzte Linsen, zusammengesetzte Spiegel oder irgendwelchen Kombinationen von diesen ersetzt werden könnten, ohne daß vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.

Jeder Pixel in dem Fokalebenenfelddetektor 32 schafft ein Signal, das die zeitvariierende Intensität des Lichtes darstellt, das auf diesen Pixel einfällt. Wie gut bekannt ist, besitzt ein Michelson-Interferometer einen bewegenden Spiegel und einen feststehenden Spiegel, wobei das Eingangslicht so geteilt wird, daß ein Anteil den bewegenden Spiegel trifft und ein Anteil den feststehenden Spiegel trifft. Die Strahlanteile werden so wiedervereinigt, daß die optische Interferenz zwischen den beiden Strahlanteilen bewirkt, daß sich die Intensität jeder Frequenzkomponente des Infrarotstrahles als eine Funktion der optischen Frequenz der Komponente und der Spiegelstellung ändert. Der Detektorausgang stellt die Überlagerung dieser Komponenten dar und schafft, wenn er bei regelmäßigen Abstandsintervallen abgetastet wird, ein Interferogramm, dessen Fourier-Transformation das gewünschte Spektrum erzielt. Somit schafft jeder Pixel in dem Fokalebenenfelddetektor 32 ein Signal, das ein Interferogramm ergibt.

Ein Signalprozessor 34 gewinnt die Intensitätsinformation zurück, die durch den Fokalebenenfelddetektor 32 erhalten wird, und wandelt dieselbe in spektrale Abbildungsdaten um. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Signalprozessor 34 eine Signalaufbereitungselektronik, wie beispielsweise einen Analog/Digital-Wandler (nicht gezeigt) und einen Digitalcomputer (nicht gezeigt). Der Digitalcomputer berechnet die zweidimensionale Diskrete Fourier-Transformation (DFT) der Intensitätsinformation, um die gewünschten Spektralabbildungsdaten durch beispielsweise Berechnen der Schnellen Fourier-Transformation (FFT) der Interferogramme zu erhalten. Der Digitalcomputer umfaßt auch einen Speicher zum Speichern verschiedener Information, einschließlich, aber nicht darauf begrenzt, von Intensitätsinformation und Spektralabbildungsdaten. Die Spektralabbildungsdaten können dann von dem Speicher rückgewonnen werden und unter Verwendung bekannter spektroskopischer, chemometrischer und abbildungsverarbeitender Techniken weiterbehandelt werden. Das U.S. Patent Nr. 5,262,635 von Curbelo, dessen gesamte Offenbarung hierdurch durch Bezugnahme für alle Zwecke eingeschlossen ist, schafft zusätzliche Information an den Fourier-Transformationsspektrometern und einen gewissen Anteil der Signalaufbereitung und Signalverarbeitung, wie ausgeführt werden.

2 ist ein Systemdiagramm eines abbildenden ATR-Mikrospektrometers gemäß einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Elemente, die identisch zu denjenigen sind, die in 1 gezeigt sind, sind gleich bezeichnet. Das Interferometer 22 erzeugt den Eingangsstrahl 24 einer Strahlung. Eine Spiegeloptik 36 lenkt den Eingangsstrahl 24 in ein reflektierendes Mikroskopobjektiv 38. Das Mikroskopobjektiv 38 fokussiert den Eingangsstrahl 24 durch das IRE 10 an den Kontaktbereich 20 der Probe 18, so daß der Einfallswinkel des Eingangsstrahles 24 gleich oder größer als der kritische Winkel des IRE 10 ist. Verschiedene Abschnitte der Spiegeloberflächen in dem Mikroskopobjektiv 38 sammeln die reflektierte Strahlung 30 und lenken dieselbe in Richtung einer abbildungsformenden Optik 40. Die abbildungsformende Optik 40 bildet die reflektierte Strahlung 30 auf dem Fokalebenenfelddetektor 32 ab, wie oben beschrieben ist.

Das Mikroskopobjektiv 38 ist eine Reflexionsoptik eines Typs, der in der Technik gut bekannt ist, und weist einen konkaven Hauptspiegel 42 und einen konvexen Nebenspiegel 44 auf, von denen jeder eine Rotationssymmetrie um eine gemeinsame Achse besitzt. Eine Hälfte jedes Spiegels wird dazu verwendet, die eintretende Strahlung zu fokussieren, und die andere Hälfte von jedem wird dazu verwendet, Strahlung zu sammeln, nachdem diese mit der Probe in Wechselwirkung getreten ist. Insbesondere besitzt der Hauptspiegel 42 Abschnitte 42a und 42b, während der Nebenspiegel 44 Abschnitte 44a und 44b aufweist.

Die Strahlung (der Eingangsstrahl 24) wird von der Spiegeloptik 36 reflektiert und trifft auf Abschnitte 44a und 42a des Neben- bzw. Hauptspiegels auf, der den Eingangsstrahl 24 einer Strahlung in Richtung des Kontaktbereiches 20 durch das IRE 10 fokussiert, wie oben beschrieben ist. Die Abschnitte 42b und 44b des Haupt- und Nebenspiegels sammeln die Strahlung, die von der Probe reflektiert wurde, und lenken diese auf die abbildungsformende Optik 40.

Die abbildungsformende Optik 40 ist als eine Einzelelementlinse gezeigt. Fachleute werden jedoch erkennen, daß die abbildungsformende Optik 40 eine zusammengesetzte Linse, ein zusammengesetzter Spiegel oder eine beliebige Kombination davon sein kann. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die abbildungsformende Optik 40 eine Linse, die auch die Funktionen der Vergrößerungs- und Verzerrungskorrektur/-elimination ausführt. Linsen sind in verschiedenen infrarotdurchlässigen Materialien erhältlich, um den gesamten Wellenlängenbereich abzudecken, für den die gegenwärtigen Felddetektoren empfindlich sind. Typische Linsenmaterialien sind Zinkselenid, Silizium und Germanium.

Die 3A und 3B sind Unter- bzw. Seitenansichten einer spezifischen Ausführungsform des ATR-Kristalles (d.h. des IRE 10) gemäß der vorliegenden Erfindung. Das IRE 10 kann aus vielen Materialien hergestellt sein. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das IRE 10 beispielsweise aus Germanium gefertigt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das IRE 10 aus Silizium, Zinkselenid oder Diamant gefertigt sein.

Bei der spezifischen Ausführung besitzt das IRE 10 einen Durchmesser von 3,3528 mm (0,132 Zoll). Das IRE 10 umfaßt eine vordere Fläche 14 und eine rückwärtige Fläche 12, von denen jede eine kugelförmige Krümmung aufweist. Das Zentrum der Krümmung der rückwärtigen Fläche 12 liegt in der vorderen Fläche 14 (d.h. die Dicke des IRE 10 ist gleich dem Krümmungsradius der rückwärtigen Fläche 12). Diese Konfiguration minimiert die Brechung des Eingangsstrahles 24 und der reflektierten Strahlung 30 an der rückwärtigen Fläche 12, wodurch die Größe der optischen Aberration in dem System verringert wird.

Bei einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung beträgt die Tiefe des IRE 10 1,7272 mm (0,068 Zoll), der Krümmungsradius für die vordere Fläche 14 beträgt 3,5052 mm (0,138 Zoll) und der Krümmungsradius der rückwärtigen Fläche 12 beträgt 1,7272 mm (0,068 Zoll). Das Zentrum des Krümmungsradius der rückwärtigen Fläche 12 ist auf der vorderen Fläche 14 innerhalb einer Toleranz von 25,4 μm (0,001 Zoll) zentriert. Der Scheitelpunkt der vorderen Fläche 14 liegt innerhalb einer Toleranz von 25,4 μm (0,001 Zoll) in Radialrichtung und 50,8 μm (0,002 Zoll) in Axialrichtung des Zentrums des Radius der rückwärtigen Fläche. Die Oberflächenfigur ist besser als 1,27 μm (0,00005 Zoll) oder zwei Wellenlängen, wenn mit einer Helium-Neon-Laserreferenz gemessen wird.

4A ist eine Spektralabbildung einer Spule aus Epoxydharzfaser, die mit dem abbildenden ATR-Mikrospektrometer der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. Die 4B und 4C sind spektrale Messungen von zwei diskreten Punkten innerhalb der Abbildung von 4A. Das Quecksilber-Cadmium-Tellur-Feld wurde dazu verwendet, um diese Daten zu sammeln. Diese sind Einzelstrahldaten und sind nicht auf Hintergrunddaten normalisiert worden. 4A zeigt Spektralkonturlinien bei 950 cm^–1 über einen Bereich von annähernd 400 Mikrometer im Quadrat. Der unregelmäßige Bereich in dem oberen rechten Feld ist heller beleuchtet, als der umgebende Bereich und die Pixel dort sind gesättigt.

Die 4B und 4C sind die Einzelstrahlspektren von zwei Punkten in dem Feld von 4A. 4B zeigt das spektrale Ansprechen von dem Pixel in Reihe 26, Spalte 28. 4C zeigt das spektrale Ansprechen von dem Pixel in Reihe 32, Spalte 28. Die Probenbereiche, die auf diesen Pixeln abgebildet sind, sind um 60 Mikrometer getrennt. 4B zeigt mehr Absorptionsvermögen durch die Probe in dem 1200–1400 cm^–1-Band, als 4C.

Die räumliche Auflösung eines Einzelpixel-ATR ist gleich dem Kontaktbereich. Bei einem Mikroskop-ATR liegt sie typischerweise bei 100 μm. Bei dem abbildenden Mikro-ATR der Erfindung wird eine 10-μm-Auflösung mit dem MCT-Feld und eine 5-μm-Auflösung mit dem InSb-Feld erreicht.

Abschließend kann gesehen werden, daß das abbildende ATR-Spektrometer der vorliegenden Erfindung eine höhere Geschwindigkeit und eine bessere räumliche Auflösung als ein System schafft, das eine entsprechende Datenmenge unter Verwendung von herkömmlichen nicht abbildenden ATR-Systemen sammelt.

Während das oben Angeführte eine vollständige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist, ist durch Fachleute zu erkennen, daß verschiedene Alternativen, Modifikationen und Äquivalente verwendet werden können. Beispielsweise besitzt die oben beschriebene Konfiguration, wenn der Ausgang von dem Interferometer in das Mikroskop eingegeben wird, den Vorteil, daß die Erfindung mit irgendeinem Allzwecks-Spektrometer verwendet werden kann und kein spezielles Spektrometer erfordert. Jedoch würde die Erfindung auch funktionieren, wenn die unmodulierte Infrarotquelle die Probe beleuchten würde und das Interferometer (der Modulator) in dem Ausgangsweg angeordnet wäre. Deshalb ist die obige Beschreibung nicht begrenzend für den Schutzumfang der Erfindung, der durch die angefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Abbildendes Spektrometer für gedämpfte Totalreflexion (ATR), umfassend: eine Strahlungsquelle (22); ein Innenreflexionselement (IRE) (10) mit einer vorderen Fläche (14) und einer rückwärtigen Fläche (12), wobei die vordere Fläche (14) einen Kontaktbereich (20) umfaßt, um mit einer zu untersuchenden Probe (18) in Eingriff zu treten; einen Detektor (32); ein Mittel (26) zum Lenken und Konzentrieren einer Strahlung (24) von der Strahlungsquelle (22) durch die rückwärtige Fläche (12) des IRE (10) in Richtung des Kontaktbereiches (20), so daß ein Einfallswinkel des Eingangsstrahles an der vorderen Fläche (14) gleich oder größer als ein kritischer Winkel für das IRE (10) ist; ein Mittel (28) zum Sammeln von reflektierter Strahlung (30) von dem Kontaktbereich (20) und zum Abbilden der reflektierten Strahlung auf dem Detektor; und ein wellenlängenselektives Element (22), das gekoppelt ist, um Strahlung abzufangen, die zwischen der Strahlungsquelle (22) und dem Detektor (32) verläuft, um eine spektralselektive Modulation der durch das wellenlängenselektive Element abgefangenen Strahlung zu bewirken. dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (32) ein zweidimensionaler Fokalebenenfelddetektor zur Detektion einfallender Strahlung an diskreten Orten ist, mit dessen Hilfe aus der in der reflektierten Strahlung (30) enthaltenen Information über eine räumliche Verteilung reflektierter Energien ein räumlich zerlegtes Absorptionsspektrum der Probe (18) ermittelbar ist, und daß die rückwärtige Fläche des IRE (10) konvex ist und eine kugelförmige Krümmung aufweist, deren Krümmungszentrum auf der vorderen Fläche (14) des IRE (10) liegt, und die vordere Fläche (14) des IRE (10) konvex ist und eine kugelförmige Krümmung aufweist, deren Krümmungsradius wesentlich länger als ein Radius der rückwärtigen Fläche (12) ist.
Abbildendes ATR-Spektrometer nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Signalprozessor (34), der mit dem Fokalebenenfelddetektor (32) gekoppelt ist, um Information über die räumliche Verteilung von dem Fokalebenenfelddetektor (32) zu erhalten.
Abbildendes ATR-Spektrometer nach Anspruch 1, wobei: das Mittel (26) zum Lenken und Konzentrieren ein oder mehrere Linsenelemente umfaßt; und das Mittel (28) zum Sammeln der reflektierten Strahlung und zum Abbilden der reflektierten Strahlung ein oder mehrere Linsenelemente umfaßt.
Abbildendes ATR-Spektrometer nach Anspruch 1, wobei: das Mittel (26) zum Lenken und Konzentrieren ein oder mehrere Reflexionselemente umfaßt; und das Mittel (28) zum Sammeln der reflektierten Strahlung und zum Abbilden der reflektierten Strahlung ein oder mehrere Reflexionselemente umfaßt.
Abbildendes ATR-Spektrometer nach Anspruch 1, wobei das wellenlängenselektive Element (22) ein Interferometer ist, das zwischen der Strahlungsquelle (22) und dem IRE (10) angeordnet ist, um so einen spektral vervielfachten Eingangsstrahl einer Strahlung zu dem IRE (10) zu erzeugen.
Abbildendes ATR-Spektrometer nach Anspruch 5, wobei das Interferometer (22) von dem Typ ist, der einen Strahlteiler, zumindest einen feststehenden Spiegel und zumindest einen bewegbaren Spiegel aufweist.
Abbildendes ATR-Spektrometer nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (22) eine Breitband-Infrarotlicht-Quelle umfaßt.
Abbildendes Mikrospektrometer für abgeschwächte Totalreflexion (ATR), umfassend: eine Strahlungsquelle (22); ein Innenreflexionselement (IRE)(10) mit einer vorderen Fläche (14) und einer rückwärtigen Fläche (12), wobei die vordere Fläche (14) einen Kontaktbereich (20) umfaßt, der mit einer zu untersuchenden Probe (18) in Eingriff treten kann; einen Detektor (32); ein Mikroskopobjektiv (38), wobei das IRE (10) an einem Brennpunkt des Mikroskopobjektives (38) angeordnet ist; ein Mittel (36) zum Lenken des Eingangsstrahles einer Strahlung in das Mikroskopobjektiv (38); eine abbildungsformende Optik; wobei das Mikroskopobjektiv (38) positioniert und konfiguriert ist, um den Eingangsstrahl (24) einer Strahlung durch die rückwärtige Fläche (12) des IRE (10) in Richtung des Kontaktbereiches (20) zu fokussieren, die reflektierte Strahlung (30) zu sammeln und die reflektierte Strahlung (30) in Richtung der abbildungsformenden Optik (40) zu lenken; wobei die abbildungsformende Optik (40) die reflektierte Strahlung (30) auf dem Detektor (32) abbildet; und ein Interferometer, das gekoppelt ist, um Strahlung abzufangen, die zwischen der Strahlungsquelle (22) und dem Detektor (32) verläuft, um eine spektralselektive Modulation der durch das Interferometer abgefangenen Strahlung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (32) ein zweidimensionaler Fokalebenenfelddetektor zur Detektion einfallender Strahlung an diskreten Orten ist, mit dessen Hilfe aus der in der reflektierten Strahlung (30) enthaltenen Information über eine räumliche Verteilung reflektierter Energien ein räumlich zerlegtes Absorptionsspektrum der Probe (18) ermittelbar ist, und daß die rückwärtige Fläche des IRE (10) konvex ist und eine kugelförmige Krümmung aufweist, deren Krümmungszentrum auf der vorderen Fläche (14) des IRE (10) liegt, und die vordere Fläche (14) des IRE (10) konvex ist und eine kugelförmige Krümmung aufweist, deren Krümmungsradius wesentlich länger als ein Radius der rückwärtigen Fläche (12) ist.