DE3888925T2 - Detektor für ein Spektrometer. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft den Nachweis von Strahlung in optischen Spektrometern, und insbesondere betrifft sie einen Festkörpermatrix-(array)-Detektor, der bei einem optischen Spektrometer des Typs nützlich ist, das eine zweidimensionale Anzeige von Spektrallinien erzeugt.
• Verschiedene Arten von optischen Spektrometern sind für solche Zwecke wie Atomemissionspektroskopie, Atomabsorptionsspektroskopie und Astronomie gebräuchlich. Ein vollständiges System umfaßt im allgemeinen eine Strahlungsquelle, ein Spektrometer zum Trennen und Nachweisen einzelner Spektralanteile und eine Datenstation zum Verarbeiten der Information aus dem Spektrometer. Die Strahlungsquelle kann z.B. ein System zum Injizieren einer Testprobe in ein induktiv gekoppeltes Plasma sein, wo die atomaren Spezien in der Probe angeregt werden, um eine charakteristische atomare Emission abzustrahlen. Weiter wird beispielsweise eine Probe in einem Graphitofen verdampft, wobei die gasförmige Probe bestimmte Frequenzen der einfallenden Strahlung absorbiert, um atomare Absorptionslinien zu schaffen. Auf ähnliche Weise schaffen astronomische Quellen atomare Emissions- und Absorptionslinien.
• Spektrometer basieren auf der Dispersion von Strahlung durch Beugungsgitter, Prismen und Kombinationen der beiden. Allgemein lösen elektronische Nachweisvorrichtungen fotografischen Film für exakte und zeitgenaue Messungen der Emissions- oder Absorptionslinien ab. Eine Hauptaufgabe der Entwicklung von Spektrometern liegt in der Verbesserung der Nachweisvorrichtungen, um die Empfindlichkeit, den dynamischen Bereich, das Signal/ Rausch-Verhältnis und die Geschwindigkeit der quantitativen Messung der Atomspezien in einer Testprobe oder anderen Quellen zu erhöhen.
• Spektrometer sind häufig auf eine verfügbare Detektortechnologie ausgelegt entworfen. Es gibt im wesentlichen zwei Klassen von Spektrometern. Eine betrifft eine sequentielle Messung unter Verwendung eines Monochromators, bei dem ein Gitter oder Prisma gedreht wird. Der Winkel wird angepaßt, um den unterschiedlichen Emissions- (oder Absorptions-) Linien der Elemente zu entsprechen. Ein einziger Detektor wird verwendet und ein Meßverfahren beinhaltet eine relativ schnelle Drehung des Gitters bei Messungen an einer festen Stelle, die den für die atomaren Emissionslinien geeigneten Gitterwinkeln entspricht.
• Spektrometer der anderen Klasse sind Direktlesevorrichtungen, bei denen ein volles Spektrum über eine Art eines Detektorsystems dargestellt wird, welches einzeln fokussierte Spektrallinien nachweisen kann. Gemäß der derzeitigen Technologie wird die beste Empfindlichkeit durch Schaffen eines Schlitzes für jede von mehreren zu messenden Emissionslinien erzielt, wobei eine Photovervielfacherröhre auf der gegenüberliegenden Seite eines jeden Schlitzes angeordnet ist, um so jede Linie nachzuweisen. In der Praxis ist die Zahl der Schlitze mit solchen Röhren durch die Größe und Kosten der Photovervielfacherröhren begrenzt, so daß ein unterschiedlicher Schlitzaufbau für unterschiedliche Probenarten verwendet werden muß, wobei eine gewisse Vorkenntnis der Probenzusammensetzung zur Wahl der Schlitzanordnung vorhanden sein muß.
• Da im allgemeinen Hintergrundstrahlung vorhanden ist, muß es ein Verfahren zum Messen des Hintergrunds geben, um die Emissionsdaten zu korrigieren. Die Hintergrundmessung wird gegenwärtig vor und/oder nach dem Detektieren der Emission durchgeführt. Bei einem sequentiellen System kann der Hintergrund für Monochromatorgitterwinkel gemessen werden, die jenen der atomaren Emissionslinien nahekommen. Bei Direktlesevorrichtungen wird der Hintergrund im allgemeinen durch Verschieben der Position des Eingangsschlitzes und Ausführen aufeinanderfolgender Messungen gemessen.
• Eine der empfindlichsten Arten von gegenwärtig in Verwendung befindlichen Spektrometern ist ein Echelle-Spektrometer, welches eine Anzeige von Spektrallinien in zwei Dimensionen schafft. Dieses Spektrometer und sein Prinzip sind in "The Production of Diffraction Grating: II. The Design of Echelle Gratings and Spectrographs" von G.R. Harrison, J. Opt. Soc. Am. Band 39, Seite 522 (1949) beschrieben. Einzelheiten eines solchen Systems sind in einer Veröffentlichung von D.G. York, E.B. Jenkins, p. Zucchino, J.L. Lowrance, D. Long und A. Songaila "Echelle Spectroscopy with a Charge-Coupled Device (CCD)", SPIE Band 290, Solid State Imagers for Astronomy, Seite 202 (1981), enthalten. Kurz zusammengefaßt, es wird durch einen Eingangsschlitz hindurchtretendes Licht kollimiert und auf ein Echelle-Gitter gerichtet, das eine niedrige Dichte an geformten Rillen aufweist, um ein Beugungsmuster hoher Ordnung zu erzeugen. Der gebeugte Strahl wird auf ein zweites, dazu gekreuztes Gitter mit einer höheren Dichte von Rillen oder ein Gitter gelenkt, welches die Ordnungen in ein zweidimensionales Muster trennt. Dieses Muster wird auf eine zweidimensionale Nachweisoberfläche fokussiert, die zum Detektieren der einzelnen Spektrallinien ausgelegt ist.
• Es gibt zwei Arten von praktikablen elektronischen Photodetektoren. Photovervielfacherröhren sind ziemlich empfindlich, sind jedoch relativ groß und können deshalb nicht zum Nachweisen einer Anzahl von aneinander angrenzenden Linien zusammengefügt werden. Zudem ist eine größere Anzahl von Photovervielfacherröhren ziemlich teuer
• Die andere Art von Photodetektoren sind Festkörper, die auf den Prinzipien der Ladungserzeugung bei Einfall von Strahlung auf eine Oberfläche, z.B. eines Siliziumstücks, beruhen. Um eine Auflösung der Spektrallinien (oder allgemeiner eine Bildauflösung) zu erhalten, wird eine solche Oberfläche auf einem Halbleiterchip in Bildpunktbereiche unterteilt. Die Ansammlung und das Bearbeiten von Signalen der Bildpunkte wird durch die Übertragung der Ladungen in dem Chip aus den Bildpunkten durchgeführt. Diese Technologie ist ausführlich z.B. in dem Buch "Charge Transfer Devices" von C.B. Sequin und M.F. Tompsett, Academic Press (1975), erläutert. Von besonderem Interesse sind die Seiten 11-14, 19-42 und 142-146, wo ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD) und ihre Anwendung beim Bildnachweis beschrieben werden.
• Eine verwandte Technik für solche Detektoren ist die Technologie der Ladungsinjektionsvorrichtung (CID). Diese ist in dem Artikel "Review of Charge Injection Device (CID) Technology" von A.B. Grafinger und G.J. Michon, SPIE Band 244, Mosaic Focal Plane Methodologies, Seite 26 (1980), beschrieben.
• Bildsensor-CCD's und CID's wurden hauptsächlich für Videokameras entwickelt, die eine volle Flächenabdeckung der Bildebene zum Gegenstand haben. Diese wurden in Spektrometer und andere optische Systeme für astronomische Zwecke eingebaut und haben sich als ziemlich nützlich erwiesen. Die Verwendung der letzteren bei der Echelle-Spektroskopie ist in der vorher erwähnten Veröffentlichung von York et al. vorgestellt, wobei eine CCD mit 512 × 320 Bildpunkten beschrieben wird. Ein in der Veröffentlichung dargestelltes Problem betrifft das hohe Ausleserauschen einer solchen Vorrichtung. Die Videoart von Flächendetektoren hat Begrenzungen in der Empfindlichkeit gezeigt, die mit dem Rauschen verbunden sind, das durch die hohe Multiplizität von Signalen aus der vollen Bildpunktmatrix auf der Oberfläche und auch durch die hohe Dichte von in Festkörpern tunnelnden (channeling) Ladungen und Signalen in der Vorrichtung verursacht wird.
• Weitere Probleme in herkömmlichen CCD's und CID's umfassen eine schwache Empfindlichkeit für Ultraviolettstrahlung aufgrund der Absorption durch die Leiterkanäle, z.B. Polysilizium, die den Ladungstransfer ausüben; ein hohes Rauschen aufgrund der relativ hohen Werte der Kapazitäten, die den Leiterkanälen von samtlichen Bildpunkten zugeordnet sind; eine hohe Datenrate für das Auslesen, die ein hohes Rauschen bewirkt; lange Auslesezeiten für eine große Anzahl von Bildpunkten; einen begrenzten dynamischen Bereich für die möglichen unterschiedlichen Lichtintensitäten aufgrund von Ladungssättigung an einem Bildpunkt und eines resultierenden Ausbreitens der Ladung in angrenzende Bildpunkte; und eine Schwierigkeit beim Erhalten von wahlfreiem Zugriff auf eine große Anzahl von Bildpunkten.
• Deshalb ist es eine hauptsächliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Festkörpermatrixdetektor zu schaffen, der in einem optischen Spektrometer des Typs nutzbar ist, das eine zweidimensionale Anzeige von Spektrallinien erzeugt.
• Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen neuen Halbleiterdetektor für zweidimensionale Spektren zu schaffen, der ein reduziertes Rauschen, eine verbesserte Empfindlichkeit, einen verbesserten dynamischen Bereich, eine verringerte Auslesedatenrate und einen wahlfreien Zugriff auf die auszulesenden Bildpunkte hat.
• Eine weitere Aufgabe ist es, einen Detektor mit hoher Empfindlichkeit für eine zweidimensionale Spektralanzeige mit vernünftigen Kosten zu schaffen.
• Die vorhergehenden und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden erfindungsgemäß durch einen Festkörperdetektor mit einer neuen Anordnung der Bildelemente gelöst. Der Detektor umfaßt einen Festkörperchip mit einer vorderen Oberfläche, auf der eine zweidimensionale Matrix von photoempfindlichen Bildelementen vorgesehen ist zur Aufnahme einer den ausgewählten Spektrallinien zugeordneten Strahlung und in der Nähe angesiedelter Hintergrundstrahlung. Die Bildelemente sind in einer Vielzahl von Untermatrixen angeordnet, wobei jede Untermatrix wenigstens eines der Bildelemente enthält. Die Untermatrixen sind an einer Abbildungsposition auf der vorderen Oberfläche für wenigstens eine der ausgewählten Spektrallinien angeordnet. Eine Auslesevorrichtung ist funktionell mit den Bildelementen verbunden, um den Intensitäten der ausgewählten Spektrallinien entsprechende Auslesesignale zu erzeugen. Die Auslesevorrichtung umfaßt eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen, die auf dem Chip neben den Untermatrixen ausgebildet sind. Vorzugsweise bedecken die Bildelemente weniger als 1 % der vorderen Oberfläche des Chips, und die elektronischen Bauteile umfassen eine Vielzahl von Sätzen von elektronischen Bauteilen, wobei jeder Satz einer entsprechenden Untermatrix in der Nähe der Bildelemente der entsprechenden Untermatrix und isoliert von den Bildelementen der anderen Untermatrizen angeordnet ist.
• In einer vorzugsweisen Ausführungsform sind die Detektoren der vorliegenden Erfindung einem optischen Spektrometer zugeordnet, das ein gekreuztes Dispersionssystem enthält. Ein solches System umfaßt ein erstes, Strahlung empfangendes reflektierendes Gitter, das ein Spektrum erzeugt. Ein zweites reflektierendes Gitter ist so angeordnet, daß ein erster Teil des Spektrums durch das zweite reflektierende Gitter in ein erstes Spektralmuster gebeugt wird, welches auf den Festkörpermatrixdetektor gerichtet ist, und ein zweiter Teil des Spektrums ungestört durch das zweite reflektierende Gitter hindurchgelassen wird. Ein dispergierendes Element empfängt den zweiten Teil, um ein zweites spektrales Muster zu erzeugen, und ein zweiter Festkörpermatrixdetektor empfängt das zweite spektrale Muster.
• Es werden nun kurz die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
• Fig.1 eine schematische Darstellung eines spektrographischen Systems, das einen Querschnitt eines Detektoren beinhaltenden optischen Spektrometers enthält;
• Fig.2 eine schematische Ansicht der vorderen Oberfläche eines Detektors, die die erfindungsgemäßen Untermatrixen von Bildelementen zeigt;
• Fig.3 ist eine Detailansicht einer Ausführungsform einer Untermatrix und der zugeordneten elektronischen Bauelemente.
• Ein spektrographisches System, das erfindungsgemäße Detektoren beinhalten kann, ist schematisch in der Fig. 1 gezeigt. Im wesentlichen gibt es drei Bauteile; nämlich eine Strahlungsquelle 10, ein optisches Spektrometer 12 und eine Datenstation 14.
• Die Strahlungsquelle 10 erzeugt infrarote, sichtbare und/oder ultraviolette Strahlung, die im allgemeinen für die Atomelemente charakteristisch ist. Die Quelle kann z.B. ein induktiv gekoppeltes Plasma sein, in das eine Probe eines Testmaterials injiziert wird, oder sie kann ein Graphitofen oder ähnliches sein, der zum Schaffen der Emissionslinien oder Absorptionslinien von Atomelementen betrieben wird. Alternativ dazu kann die Quelle auch extraterrestisch sein, wobei Licht durch ein astronomisches Teleskop gesammelt wird.
• Der Zweck der nachfolgenden Komponenten, nämlich des optischen Systems 12 und der Datenstation 14, besteht darin, eine quantitative Messung der der Quelle 10 zugeordneten Atomelemente zu schaffen. Ein optisches System 12, das beispielhaft in der Fig. 1 dargestellt ist, kann von einer herkömmlichen oder einer gewünschten Art sein, um eine zweidimensionale Anzeige von Spektrallinien zu schaffen. Insbesondere wird ein Echelle-System mit gekreuzter Dispersion zum Einbau in der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Wie gezeigt, kann es auch wünschenswert sein, daß das System das Licht in zwei Komponenten aufteilt, von denen eine im allgemeinen den sichtbaren Bereich und die andere einen ultravioletten Bereich abdeckt.
• In bezug auf die Fig. 1 tritt das Licht durch einen Eingangsschlitz 16 und Strahlen 17 werden durch einen konkaven Kollimator 18 auf ein reflektierendes Echelle-Gitter 20 reflektiert.
• Dieses Gitter hat eine relativ geringe Dichte von geformten Rillen 21 und einen hohen Blaze-Winkel und ist von der bekannten oder der gewünschten Art, wie es für ein Echelle-System in dem vorher erwähnten Artikel von Harrison beschrieben ist. Das Gitter 20 weist beispielsweise 790 Rillen pro Zentimeter auf und hat einen Blaze-Winkel von 63º und erzeugt Spektren hoher Ordnung. "Spektren hoher Ordnung" bedeutet, wenigstens zwei Ordnungen werden erzeugt, und daß diese höher als erster Ordnung sind. Vorzugsweise werden Ordnungen von 30 bis 120 verwendet. Dieses Spektrum wird auf ein reflektierendes, gekreuztes Gitter 22 gerichtet, das eine unter einem rechten Winkel zu dem ersten Gitter 20 ausgerichtete Dispersion aufweist. Wie ebenfalls bei Harrison beschrieben ist, weist das Gitter 22 eine höhere Dichte von Rillen (nicht gezeigt) auf, beispielsweise 3.750 Rillen pro Zentimeter. Das Gitter 22 wird bei niedriger Ordnung mit relativ geringer Dispersionskraft verwendet und seine Querausrichtung trennt die Ordnungen des ersten Gitters 20 in ein zweidimensionales Spektralmuster. "Niedrige Ordnung" bedeutet weniger als oder gleich ungefähr fünfte Ordnung und betrifft typischerweise die erste Ordnung.
• Die von dem Gitter 22 in ein Spektralmuster reflektieren Beugungsstrahlen 23 treten durch einen Schmitt-Korrektor 24 zu einem konkaven sphärischen Reflektor 26, von wo sie mittels eines flachen Spiegels 28 und einer Feldkorrekturlinse 30 auf einen ersten Detektor 34 fokussiert werden. Das zweidimensionale spektrale Echelle-Muster ist in diesem Teil des Instruments als dasjenige fur den ultravioletten Bereich gewählt.
• Andere herkömmliche oder gewünschte Systeme können verwendet werden. Beispielsweise kann der herkömmliche Schmitt-Korrektor 24 durch asphärische Formen des Gitters 22 ersetzt werden, wie es in der am 19.11.1987 eingereichten Patentanmeldung mit der Reihen-Nummer 123025 beschrieben ist.
• In dem vorliegenden Beispiel hat das gekreuzte Gitter 22 eine zentrale Öffnung 36, durch die ungefähr 20 % der Strahlung hindurchtritt. Ein dispergierendes Element, vorzugsweise ein Prisma 38, das in bezug auf das Echelle-Gitter 20 in gekreuzter Lage angeordnet ist, nimmt diesen Teil der Strahlung auf und schafft ein zweidimensionales Echelle-Spektrum für den sichtbaren Bereich.
• Dieses Spektrum wird durch eine achromatische Linse 40 auf einen zweiten Detektor 42 projiziert und fokussiert. Somit ergeben sich Vorteile aus der besonderen Art der Optik und der Detektoren für die getrennten ultravioletten und sichtbaren Bereiche.
• Die Wellenlängen der atomaren Emissionslinien sind invariant, so daß ihre relativen Lagen für identische Echelle-Spektrometer die gleichen sind. Die Detektoren 34, 42 sind jeweils aufgedruckten Schaltkreisplatinen (PC boards) 35, 43 angebracht. Diese Detektoren sind für die einfallende Strahlung empfindlich und erzeugen Signale, welche durch Schaltkreise auf den gedruckten Schaltkreisplatinen weiter verarbeitet werden und dann an die Datenstation 14 jeweils über Leitungen 44, 46 weitergeleitet werden. Diese Station umfaßt eine Datenverarbeitungseinheit und schafft eine geeignete Darstellung der Information in grafischer oder numerischer Form, in Form einer Anzeige und/oder eines Ausdrucks. Die Datenstation (oder die gedruckte Schaltkreisplatine) kann auch Zeitgebersteuersignale jeweils über die Leitungen 48, 50 für die Detektoren bereitstellen, wie es unten beschrieben ist.
• Wie durch die Fig. 2 angedeutet ist, enthält erfindungsgemäß jeder Detektor 34, 42 in einem Festkörperchip 51 eine integrierte Schaltung, die Bildpunktgruppen oder Untermatrizen 52 aufweist, die eine lediglich einen kleinen Bereich des Spektrum, das über die vordere Oberfläche des Detektors fokussiert sein kann, empfangende Empfindlichkeit aufweisen. Im allgemeinen muß weniger als 1 %, beispielsweise 0,1 %, der Oberfläche des Detektors empfindlich sein. Die gewählten empfindlichen Bereiche entsprechen den Brennpunkten jener ausgewählten Spektrallinien, die für die Messung des Vorhandenseins und der Menge von Atomelementen, die in der Emissionquelle vorhanden sein können, vorzugsweise eines jeden und aller solchen Elemente, ausreichend sind. Zusätzlich ist ein weiterer Bereich des Detektors so aufgebaut, daß er Strahlung von in der Nähe der gewünschten Spektrallinien liegenden Wellenlängen empfängt, um eine Messung der Hintergrundstrahlung zu schaffen.
• Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Matrix von Positionen auf einem erfindungsgemäßen Detektorchip, die Strahlung empfangen können. Der Chip weist günstigerweise eine Größe von ungefähr 15 mm mal 15 mm auf. Die besondere, gezeigte Matrix ist für 120 Spektrallinien, die 45 Atomelementen entsprechen, ausgewählt und deckt den ultravioletten Bereich ab. Im allgemeinen liegt die erwartete Eignung für ultraviolette Wellenlängen in einem Bereich von ungefähr 190 nm bis 400 nm und für den sichtbaren Bereich in einem Bereich von 400 nm bis 800 nm. Ein ähnlicher Chip ist für den sichtbaren Bereich vorgesehen. In einer vorzugsweisen Ausführungsform sind die Matrizen für beide Bereiche auf einem Chip angeordnet, so daß Chips gleicher Bauart für jeden der beiden getrennten Bereiche des Spektrometers verwendet werden können, wobei nur der ultraviolette Bereich als Detektor 34 benutzt wird, und nur der sichtbare Bereich als Detektor 42 benutzt wird.
• Jede Untermatrix 52 kann aus lediglich einem Bildelement bestehen, wird jedoch vorzugsweise eine Vielzahl von Bildelementen, wie 12 bis 20 Bildelemente oder beispielsweise 16 Bildelemente, aufweisen. Drei der einzelnen Bildelemente einer solchen Untermatrix sind als 54, 54', 54n bezeichnet, wie in der Fig. 2 gezeigt ist. Jedes Bildelement ist ein länglicher Flecken, beispielsweise ein Rechteck, das ein Höhe/Breite- Verhältnis von ungefähr vier zu eins aufweist, und das beispielsweise eine Größe von 25 mal 100 Mikrometer hat. Jedes Bildelement kann darauf einfallende Strahlung empfangen, um ein Weiterverarbeitungssignal proportional zur Intensität der Strahlung zu erzeugen. Wie gezeigt, sind die Bildelemente parallel zueinander ausgerichtet, um parallele Strahlungsstreifen zu empfangen. Die Trennung der Bildelemente ist so gering wie möglich, beispielsweise bis zu 5 Mikrometer.
• Im allgemeinen ist jede Untermatrix so angeordnet und dimensioniert, daß ein Bildelement oder zwei oder drei aufeinander folgende Bildelemente die Strahlung einer entsprechenden zu analysierenden atomaren Emissionsspektrallinie empfangen. Die anderen Bildelemente in der gleichen Untermatrix dienen zwei Zwecken. Wie oben erwähnt wurde, besteht einer darin, gleichzeitig die Hintergrundstrahlung in der Nähe der Spektrallinie festzustellen, um eine Kontrolle des Hintergrunds zu ermöglichen. Der zweite Zweck besteht darin, einen Bereich von verfügbaren Bildpunktpositionen für die Spektrallinie zu schaffen, so daß eine genaue Vorbestimmung der mittels der Optik fokussierten Linienposition nicht notwendig ist.
• Die Bildpunkte sind photoempfindliche Flecken, die auf der Oberfläche eines Festkörperchips ausgebildet sind. Im allgemeinen ist das Chipmaterial ein Halbleiter, beispielsweise Silizium. Der Detektor ist wünschenswerterweise aus einem Vorrichtungstyp abgeleitet, der im allgemeinen als Ladungstransfervorrichtung kategorisiert ist, beispielsweise einer Ladungsinjektionsvorrichtung (CID) oder vorzugsweise einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD).
• Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform in Form eines Grundrißplans auf einem Teilbereich eines Chips 51, und insbesondere eine erfindungsgemäße Untermatrix 52 dreier Bildpunkte 54, 54', 54n und einiger zugeordneter elektronischer Komponenten, die auf dem Chip neben den Untermatrizen ausgebildet sind, um die Signale eines jeden Bildelements zu sammeln. Der grundlegende Chip ist auf herkömmliche Weise aus geeignet dotiertem Siliziummaterial gebildet.
• Die photoempfindlichen Bildpunktbereiche bestehen jeweils aus Silizium, das zur Erhöhung der Absorption von Photonen mit den interessierenden Wellenlängen beispielsweise mit Siliziumnitrid, Silizimdioxid oder beidem beschichtet ist. Die angrenzenden Bereiche sind mit einer undurchsichtigen Maske abgedeckt, um unerwunschtes Licht abzuschirmen und weisen, wie für die herkömmliche CCD-Technologie üblich, verschiedene Leiter, Halbleiter und Isolatormaterialien auf, die zur Übertragung und zum Auslesen der photoelektrischen Ladungen vorgesehen sind. In der Ausführungsform der Fig. 3 ist für jeden Bildpunkt, wie z.B. Bildpunkt 54, eine leitfähige Metallschicht 56, beispielsweise Polysilizium oder Aluminium, vorgesehen, die als ein kapazitives Element wirkt, das darunter ein Speicherregister bildet, um die in dem belichteten zentralen Bereich erzeugten Ladungen zu fangen, die durch Diffusion weiterwandern oder durch Streufelder angezogen werden. Diese leitfähige Schicht überlappend, jedoch durch eine isolierende Schicht davon getrennt, ist eine weitere Leiterschicht 58 vorgesehen, die der Schicht 56 in der üblichen CCD-Eimerkettenschaltungsanordnung zugeordnet ist. Ein dritter Leiter 59 wird dann auf ähnliche Weise angeordnet, so daß bei der üblichen Abfolge der CCD-Spannungseinprägung auf die drei Leiter die photoelektrische Ladung vollständig von unterhalb des ersten Leiters zu dem dritten Leiter bewegt werden kann. Zusätzliche Leiter und geeignet dotierte Bereiche zum Bilden von Gates (nicht gezeigt) zwischen den Schichten 56, 58, 59 können verwendet werden. Die Bildpunkte 54' ... 54n haben auf ähnliche Weise Kettenleiterbereiche 56', 58', 59' bis 56n, 58n, 59n.
• Der Satz aus drei Leitern 59, 59' ... 59n aus jedem der aufeinanderfolgenden Bildpunkte in der Untermatrix ist seinerseits in einer CCD-Eimerkettenanordnung in der senkrechten Richtung mittels der herkömmlichen überlappenden, jedoch isolierten CCD-Leiter und Gates (nicht gezeigt) verdrahtet, die gemeinsam ein Ausleseregister 61 aufbauen.
• Schließlich wird der letzte dritte Leiter 59n, beispielsweise der sechzehnte, mit einem angrenzenden Pufferverstärker 72 verbunden, der auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist und der das photoelektrische Ladungssignal zu einem gemeinsamen Pfad 74 hin mit einer solchen Verstärkung verstärkte daß das Signal in ausreichendem Maße die Signale von elektrischen Rauschquellen übersteigt. Die Fig. 3 zeigt auch einen Puffertransistor 76 von einer der anderen Untermatrizen (nicht gezeigt), die mit dem gemeinsamen Pfad verbunden ist.
• Über leitfähige Zuleitungen (gemeinschaftlich als 46 bezeichnet) sind die verschiedenen leitfähigen Schichten und Transistoren mit einer Quelle für in der zeitlichen Abfolge gesteuerte Spannungspulse in einer Steuerschaltung 60 verbunden. Eine solche Schaltung wird durch eine digitale Logik erstellt, beispielsweise durch weitere Gates und Schieberegister, und ist auf dem Chip ausgebildet. Vorzugsweise steuern externe Taktsignale und andere externe Signale von dem Computer 14 über die Leitung 48 (oder 50) der gedruckten Schaltkreisplatine 35 (oder 43) und eine Leitung 61 die Zeitsteuerung und die beliebige Zugriffsauswahl auf Untermatrizen zum Auslesen auf herkömmliche Weise. Die Steuersignale wählen auch aus, welcher der Pufferverstärker aktiv sein Signal in einen Pufferendverstärker 78 mit hoher Verstärkung treibt, der das Signal zum Auslesen von dem Chip über die Leitung 79 zu der gedruckten Schaltkreisplatine 35 und folglich über die Leitung 44 zu dem Computer 14 aufbereitet. Somit umfassen die Vorrichtungen zum Auslesen der Ladungen von den Bildelementen gemeinsam die leitfähigen Bereiche und Gates und geeignet dotierte und isolierende Schichten, die einen Satz von elektronischen Komponenten bilden, die jeder Untermatrix zugeordnet sind. Die Auslesesignale korrelieren mit den Intensitäten der ausgewählten Spektrallinien.
• Eine herkömmliche Zuordnung zu den Zeitgebesignalen schafft die Information zum Auslesen der Information über die Intensitäten der Spektrallinien. Die Datenverarbeitung wird auch die Messung der Hintergrundstrahlung von angrenzenden Bildpunkten und die Subtraktion von den Signalen der Spektrallinie einschließen. Ein genaues Aus lesen wird nach Kalibrierung mit einer bekannten Strahlungsquelle erhalten. Um das Rauschen weiter zu minimieren, sollte der Chip beispielsweise durch flüssigen Stickstoff oder einen thermoelektrischen Peltier-Kühler gekühlt werden.
• Eine zweite Ausführungsform für die Verwirklichung der photoempfindlichen Bildelemente besteht darin, einen Leiter in Form eines vergrabenen Kanals in dem Silizium über den gesamten Bereich der Bildelemente 54, 54' ... 54n und der angrenzenden elektronischen Komponenten zu verwenden. Wieder wird die Bildelementoberfläche zur optimalen Photoempfindlichkeit bei den interessierenden Wellenlängen beschichtet. Die Technologie mit vergrabenen Kanälen ist beispielsweise in dem vorher erwähnten Buch von Sequin et al. beschrieben. Dabei kann jede Untermatrix als ein lineares Feld ausgebildet werden, indem die einzelnen Photosensoren von dem Ausleseregister durch ein Übertragungsgate isoliert sind. In diesem Fall werden die Leiter 56 der Fig. 3, die jedes Bildelement 54 umgeben, weggelassen und die Ladungen werden direkt unter dem Leiter 58 gesammelt. Andere Aspekte der Anordnung und des Betriebs sind ähnlich zu der Ausführungsform der Fig. 3. Die Bildelemente können in dieser zweiten Ausführungsform näher zusammenliegen und die Photoempfindlichkeit ist erhöht.
• Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die elektronischen Bauteile, die auf dem Chip zum Sammeln der Signale von den Bildelementen aufgebaut sind, einschließlich der Speicherregister, der Einfangregister und der Puffertransistoren, Platz auf dem Chip neben den Untermatrizen der Bildelemente verwenden. Es ist zudem wichtig, daß jeder Satz von elektronischen Bauteilen, die direkt einer entsprechenden Untermatrix zugeordnet sind, eng angrenzend an die Bildelemente der Untermatrix vorgesehen sind und von den Bildelementen von benachbarten und sämtlichen anderen Untermatrizen isoliert sind, wodurch kapazitive Übersprecheffekte minimiert werden. Im allgemeinen sollten die zugeordneten elektronischen Bauteile innerhalb eines Abstands von ungefähr zwei Bildelementlängen von den Bildelementbereichen gelegen sein. Wesentliche Verbesserungen in der Empfindlichkeit werden dadurch durch Verringerung des Übersprechens und des Rauschpegels erzielt. Mit dem verbesserten Signal-zu-Rauschverhältnis und dynamischen Bereich nähert man sich dem Leistungsverhalten an, das Photovervielfacherröhren aufweisen, ohne daß wesentlich höhere Kosten einer großen Anzahl von Photovervielfacherröhren auftreten. Weiter werden die Hintergrundmessungen nicht sequentiell sondern gleichzeitig zum Liniennachweis durchgeführt, wodurch weiter an Geschwindigkeit und Genauigkeit gewonnen wird. Zudem werden die Komplexität und die Kosten der inneren Elektronik dadurch reduziert, daß der Detektor speziell für die interessierenden Spektralbereiche ausgelegt wird und daß die zentrale Legik auf dem Chip ausgebildet wird.
• Zusätzlich können die Untermatrizen zum Aus lesen beliebig adressiert wird, was die Geschwindigkeit und Flexibilität der Vorrichtung für bestimmte Anwendungen erhöht, ohne daß die Elektronik mit übermäßig hohen Datenraten belastet wird. Wahlfreier Zugriff wird beispielsweise durch ein 8-Bit-codiertes Signal von dem Computer 14 an die Steuerschaltung 60 auf dem Chip 51 über die gedruckte Schaltkreisplatine 35 ausgeführt. Das codierte Signal löst eine geeignete Folge von Spannungen an die elektronischen Bauteile auf der für die Auslesung adressierten Untermatrix aus. Die im Vergleich zu einem vollen Bedeckungsgebiet mit Bildelementen auf einem herkömmlichen Bildsensor relativ geringe Anzahl von Untermatrizen auf dem Chip macht einen solchen wahlfreien Zugriff praktikabel.
• Das hier beschriebene Spektrometersystem zum Schaffen von getrennten ultravioletten und sichtbaren Spektren erlaubt eine weitere Genauigkeit beim Erzeugen von Spektrallinien. Es ist besonders nützlich in Verbindung mit den Matrixdetektoren nach der vorliegenden Erfindung.
• Obwohl die Erfindung oben im einzelnen in bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sind verschiedene Änderungen und Abwandlungen, die in den Bereich der beiliegenden Ansprüche fallen, dem Fachmann offensichtlich. Die Erfindung sei deshalb nur durch die beiliegenden Ansprüche beschränkt.

Claims (14)

1. Ein Festkörpermatrixdetektor (34, 42) für ein optisches Spektrometer einer Art, das ein strahlungsempfangendes gekreuztes Dispersionssystem zum Erzeugen einer zweidimensionalen Anzeige von für wenigstens ein Atomelement charakteristischen Spektrallinien enthält, mit:

einem Festkörperchip (51) mit einer vorderen Oberfläche, auf der eine zweidimensionale Matrix von photoempfindlichen Bildpunkten (54, 54', 54n) vorgesehen ist, die die Strahlung der ausgewählten Spektrallinien und der benachbarten Hintergrundstrahlung aufnehmen; und

einer Auslesevorrichtung, die funktionell mit den Bildelementen verbunden ist zum Erzeugen eines Auslesesignals, das mit den Intensitäten der ausgewählten Spektrallinien in Korrelation steht,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Bildpunkte (54, 54', 54n) in einer Vielzahl von Untermatrizen (52) angeordnet sind, wobei jede Untermatrix (52) aus wenigstens einem der Bildpunkte (54) besteht und an einer Abbildungsstelle auf der vorderen Oberfläche von wenigstens einer der ausgewählten Spektrallinien angeordnet ist; und

daß die Auslesevorrichtung eine Vielzahl von elektronischen Bauteilen (60, 72, 76 78) enthält, die auf dem Chip (51) neben den Untermatrizen (52) ausgebildet sind.

2. Ein Detektor nach Anspruch 1, wobei jeder Bildpunkt (54) durch einen länglichen Flecken auf dem Chip (51) bestimmt ist, und jede Untermatrix (52) aus wenigstens zwei parallel zueinander ausgerichteten Bildpunkten (54) besteht.

3. Ein Detektor nach Anspruch 2, wobei jede Untermatrix (52) aus 10 bis 20 Bildpunkten (54) besteht.

4. Ein Detektor nach Anspruch 1, wobei die Bildpunkte (54) weniger als 1 % der vorderen Oberfläche des Chips (51) einnehmen.

5. Eine Detektor nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von elektronischen Bauteilen (60, 72, 76, 78) eine Vielzahl von Sätzen von elektronischen Bauteilen umfaßt, wobei jeder Satz einer entsprechenden Untermatrix (52) in der Nähe der Bildpunkte (54, 54', 54n) der entsprechenden Untermatrix (52) zugeordnet ist und von den Bildpunkten der anderen Untermatrizen isoliert ist.

6. Ein Detektor nach Anspruch 1 in der Form einer ladungsgekoppelten Vorrichtung.

7. Ein Detektor nach Anspruch 6, wobei für jede Untermatrix (52) als Folge der Spektrallinien und der Hintergrundstrahlung entsprechende Ladungen in jedem der Bildpunkte (54, 54', 54n) erzeugt werden, und die elektronischen Bauteile (56, 58) eine Vielzahl von derart angeordneten Speicherregistern umfassen, daß ein Speicherregister an jeden Bildpunkt (54) angrenzend angeordnet und diesem funktionell zugeordnet ist, zum Speichern der entsprechenden Ladungen, sowie ein in der Nähe der Speicherregister (56, 58) angeordnetes Ausleseregister (61) zum Empfangen der Ladung aus den Speicherregistern (56, 58), eine Verstärkervorrichtung (72) in der Nähe der Untermatrix (52), die funktionell mit dem Ausleseregister (61) zum Erzeugen der Auslesesignale aus den Ladungen verknüpft ist, und eine Zeitsignale empfangende Schiebevorrichtung (60) zum sequentiellen Schieben der Ladungen aus den Bildpunkten (54, 54', 54n) durch die Speicherregister (56, 58) und das Ausleseregister (61) zu der Verstärkervorrichtung.

8. Ein Detektor nach Anspruch 7, wobei die Verstärkervorrichtung (72) einen Puffertransistor umfaßt.

9. Die Verwendung eines Detektors nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem optischen Spektrometer, das ein gekreuztes Dispersionsystem (20, 22) umfaßt, das Strahlung empfängt zum Erzeugen einer zweidimensionalen Anzeige von für wenigstens ein Atomelement charakteristischen Spektrallinien.

10. Die Verwendung eines Detektors nach Anspruch 9, wobei das Spektrometer weiter eine Vorrichtung für eine wahlfreie Zugriffsadressierung der Untermatrizen umfaßt.

11. Die Verwendung eines Detektors nach Anspruch 9, wobei das gekreuzte Dispersionssystem ein erstes reflektierendes, Strahlung empfangendes Gitter (20) zum Erzeugen eines Spektrums und ein zweites derart angeordnetes reflektierendes Gitter (22) umfaßt, daß ein erster Teil des Spektrums durch das zweite reflektierende Gitter (22) in ein erstes, auf den Festkörpermatrixdetektor (34) gerichtetes spektrales Muster gebeugt wird und ein zweiter Teil des Spektrums ungestört durch das zweite reflektierende Gitter (22) hindurchgelassen wird, und weiter ein dispergierendes Element (38), das den zweiten Teil empfängt zum Erzeugen eines zweiten spektralen Musters, und ein zweiter Festkörpermatrixdetektor (42) vorgesehen sind, der das zweite spektrale Muster empfängt.

12. Die Verwendung eines Detektors nach Anspruch 11, wobei der Festkörpermatrixdetektor (34) und der zweite Festkörpermatrixdetektor (42) im wesentlichen die gleiche Konfiguration aufweisen.

13. Die Verwendung eines Detektors nach Anspruch 11, wobei das zweite reflektierende Gitter (22) das erste spektrale Muster im wesentlichen als ein Ultraviolettspektrum erzeugt und das dispergierende Element (38) im wesentlichen das zweite spektrale Muster als ein sichtbares Lichtspektrum erzeugt.

14. Die Verwendung eines Detektors nach Anspruch 11, wobei das zweite reflektierende Gitter (22) eine zentrale Öffnung aufweist, um dadurch den zweiten Teil des Spektrums hindurchzulassen.