DE4017317A1 - Anodnung zur verbesserung der aufloesung eines spektrometers - Google Patents
Anodnung zur verbesserung der aufloesung eines spektrometersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbesserung der
Auflösung eines Spektrometers, bei dem durch dispergieren
de, optische Mittel ein Spektrum auf einem Reihendetektor
mit einer Reihe von Detektorelementen erzeugt wird.
Es sind Spektrometer bekannt, bei denen ein Eintrittsspalt
über ein Dispersionsgitter und abbildende, optische
Mittel spektral zerlegt in der Ebene eines Reihendetektors
(Dioden-Arrays) als Spektrum abgebildet wird. Das Spektrum
erstreckt sich längs dieses Reihendetektors. Jedes
Detektorelement erfaßt dabei einen bestimmten engen
Wellenlängenbereich des Spektrums. Es kann daher das
gesamte Spektrum in einem ziemlich großen Bereich von
Wellenlängen gleichzeitig erfaßt werden. Das ist ein
Vorteil gegenüber einem Monochromator mit einem einzigen
Detektor, bei welchem jeweils nur ein einziger, enger
Wellenlängenbereich erfaßt wird und die verschiedenen
Wellenlängen eines Spektrums nacheinander abgetastet
werden müssen. Ein solches Spektrometer mit Reihendetektor
ist besonders dort von Vorteil, wo ein Spektrum schnell
erfaßt werden muß. Ein Beispiel für die Anwendung eines
solchen "Polychromators" ist ein Detektor für die
Flüssigkeits-Chromatographie.
Ein solcher Polychromator ist beispielsweise beschrieben
in der DE-C 35 44 512.
Das Auflösungsvermögen solcher Spektrometer ist begrenzt
durch die endliche Fläche der Detektorelemente. Jedes
Detektorelement erfaßt dadurch die Strahlung aus einem
endlichen Wellenlängenbereich und integriert den Intensi
tätsverlauf über diesen Wellenlängenbereich. Das Spektro
meter liefert nicht einen kontinuierlichen Verlauf von
Intensität über Wellenlänge sondern eine Folge von ggf.
einer großen Anzahl diskreter Werte. Diese Beschränkung
der Auflösung kann dazu führen, daß dicht benachbarte
Spektrallinien nicht mehr aufgelöst werden. Das gilt auch,
wenn die Detektorelemente praktisch ohne Zwischenräume
unmittelbar aneinandergrenzen, was bei der Verwendung von
z. B Photodioden möglich ist.
Es ist versucht worden, die Auflösung solcher Spektrometer
mit Reihendetektor dadurch zu verbessern, daß die
einzelnen Detektorelemente entsprechend klein ausgeführt
werden. Das ist recht aufwendig und führt nur mit Ein
schränkungen zum Ziel. Außerdem wird mit weiterer Ver
kleinerung der Detektorelemente auch die von jedem
einzelnen Detektorelement erfaßte Nutzenergie entsprechend
verringert.
Es sind ladungsgekoppelte Mosaikdetektoren bekannt, bei
denen zwischen den einzelnen Detektorelementen technisch
bedingt Zwischenräume gebildet sind. Solche zwei
dimensionalen Mosaikdetektoren werden insbesondere in
Fernsehkameras benutzt. Um bei solchen Fernsehkameras die
Bildauflösung zu verbessern, sind Bildversatzmittel
vorgesehen, durch welche das Bild periodisch relativ zu
dem Mosaikdetektor verschoben wird. Dadurch erfaßt der
Satz von ladungsgekoppelten Detektorelementen während
aufeinanderfolgender Integrationsperioden unterschiedliche
Bereiche des Bildes (1982 SID INTERNATIONAL SYMPOSIUM
DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, Society for SID Information
Display, 1. Ausgabe, Mai 1982, Seiten 288-289).
Die EP-A-1 31 387 und die EP-A-65 885 zeigen Anordnungen,
bei welchen Mosaikdetektoren zur Erhöhung der Auflösung
jeweils auf einem zu Schwingungen erregten Träger
angeordnet sind. Auch die JP-A-56 27 571 zeigt einen
Mosaikdetektor, der zur Lichteinfallsrichtung geneigt ist
und eine Bewegung zur Erhöhung der Auflösung ausführt.
Die EP-A-1 33 890 zeigt ein hochauflösendes, elektro
optisches Empfangssystem zur Erzeugung elektronischer
Bildinhalte für die digitale Bildverarbeitung. Auch dort
wird ein als ladungsgekoppelter Bauteil ausgebildeter
Mosaikdetektor vorgesehen. Um die Zwischenräume zwischen
den Detektorelementen zu überdecken, wird dort das
Gesichtsfeldbild periodisch längs einer geschlossenen Bahn
verlagert. Die so nacheinander erhaltenen Bild
informationen werden gespeichert. Daraus wird ein
hochaufgelöstes, elektronisches Bild für die digitale
Bildverarbeitung gewonnen.
In allen diesen Fällen geht es um die Aufnahme eines
Bildes. Es geht darum, Lücken zwischen Detektorelementen
zu überbrücken. Aus so gespeicherten Informationen wird
das Bild mit praktisch lückenlos aneinanderschließenden
Bildelementen zusammengesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Spektrometer mit einem Reihendetektor die Auflösung zu
verbessern.
Insbesondere sollen auch dicht benachbarte Linien eines
Spektrums noch aufgelöst werden, ohne daß die einzelnen
Detektorelemente unerwünscht klein gemacht zu werden
brauchen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch
- a) Mittel zur definierten periodischen Verlagerung des Spektrums relativ zu den Detektorelementen des Reihen detektors,
- b) Mittel zur Erzeugung von Verlagerungssignalen nach Maßgabe der Verlagerung und
- c) von den Detektorsignalen der Detektorelemente und den Verlagerungssignalen beaufschlagte Signalver arbeitungsmittel zur Darstellung eines Spektrums hoher Auflösung aus den Abhängigkeiten der Detektorsignale von den Verlagerungssignalen.
Im Gegensatz zu den zum Stand der Technik diskutierten
ladungsgekoppelten Mosaikdetektoren schließen sich bei
einem Reihendetektor in einem Spektrometer die Detektor
elemente dicht aneinander an. Es brauchen also keine
Lücken oder Zwischenräume überbrückt zu werden. Dafür gilt
es, eine Funktion Intensität über Wellenlänge möglichst
genau zu erfassen, nicht nur eine Bildstruktur. Jedes
Detektorelement liefert ein Integral der Intensität über
der Wellenlänge mit bestimmten Integrationsgrenzen. Durch
die Relativverlagerung von Reihendetektor und Spektrum
werden diese Integrationsgrenzen in definierter Weise
verändert. Aus dem dabei an jedem Detektorelement
erhaltenen Signalverlauf kann der Verlauf der Intensität
als Funktion der Wellenlänge rekonstruiert werden. Es
ergibt sich so ein Spektrometer mit hoher Auflösung.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend
unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher
erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung
mit einem in definierter Weise relativ zu einem
Spektrum beweglichen Reihendetektor.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung und zeigt den
Reihendetektor in zwei verschiedenen Stellungen
relativ zu dem ortsfesten Spektrum.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Spektro
meters mit einem Reihendetektor, einem Gitter und
einem quer zur Bündelachse periodisch beweglichen
Eintrittsspalt.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Spektro
meters mit einem Reihendetektor und einem
periodisch verschwenkbaren Gitter.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Spektro
meters mit einem Reihendetektor, einem abbildenden
Gitter und einem in Richtung der Bündelachse
periodisch beweglichen Eintrittsspalt.
Fig. 6 zeigt in übertriebener Darstellung die Schärfe
fläche der Abbildung im Verhältnis zur Ebene des
Reihendetektors bei dem Spektrometer von Fig. 5 bei
einer Ausgangsstellung des Eintrittsspaltes.
Fig. 7 zeigt in übertriebener Darstellung die Schärfe
fläche der Abbildung im Verhältnis zur Ebene des
Reihendetektors bei dem Spektrometer von Fig. 5 bei
einer etwas verschobenen Stellung des Eintritts
spaltes.
In Fig. 1 ist schematisch eine Anordnung dargestellt, bei
welcher ein Reihendetektor 10 relativ zu dem stationären
Spektrum 12 bewegt wird. Der Reihendetektor 10 besteht aus
einer linearen Anordnung von Detektorelementen 14 in Form
von Photodioden. Die Detektorelemente 14 schließen sich
praktisch lückenlos aneinander an. Die Detektorelemente
haben aber natürlich endliche Abmessungen. Das Spektrum 12
ist in Fig. 1 durch drei Wellenlängen 1, 2, 3
symbolisiert. Jedes Detektorelement 14 erfaßt Strahlung
aus einem endlichen Wellenlängenbereich. Das von dem
einzelnen Detektorelement gelieferte Detektorsignal ent
spricht daher dem Integral der Intensitäten des Spektrums
12 über den von der Breite des Detektorelements 14
bestimmten Wellenlängenbereich.
Der Reihendetektor 10 wird von einem Piezoelement 16
periodisch in seiner Längsrichtung, waagerecht in Fig. 1,
bewegt. Zu diesem Zweck liefert ein Signalgenerator 18 ein
Verlagerungssignal an einem Ausgang 20. Dem Verlagerungs
signal null entspricht eine Ruhestellung des Reihen
detektors 10. Die Auslenkung des Reihendetektors 10 aus
dieser Ruhestellung ist proportional zu dem Verlagerungs
signal.
Mit 22 sind signalverarbeitende Mittel bezeichnet. Die
signalverarbeitenden Mittel sind vorzugsweise von einem
Digitalrechner gebildet. Auf die signalverarbeitenden
Mittel 22 ist einmal über Leitung 24 das Verlagerungs
signal aufgeschaltet. Zum anderen erhalten die signal
verarbeitenden Mittel 22 die Signale von den Detektor
elementen 14 über Eingänge 26. Die signalverarbeitenden
Mittel erhalten somit eine Folge von diskreten Detektor
signalen. Die Detektorsignale ändern sich aber in
Abhängigkeit von den Verlagerungssignalen und der dazu
proportionalen Auslenkung des Reihendetektors 10 aus
seiner Ruhestellung. Die signalverarbeitenden Mittel 22
berechnen daraus den stetigen Verlauf der Intensität des
Spektrums 12 als Funktion der Wellenlänge. Dieser Verlauf
wird in geeigneter Weise an einem Ausgang 28 ausgegeben.
Es können dadurch auch eng benachbarte Linien eines
Spektrums 12 aufgelöst werden.
Fig. 2 veranschaulicht die Bewegung des Reihendetektors 10
relativ zu dem Spektrum 12. Oben in Fig. 2 ist der Reihen
detektor 10 in seiner Ruhelage dargestellt. Unten in Fig. 2
ist der Reihendetektor 10 in ausgelenktem Zustand
dargestellt. Die Amplitude der Auslenkung ist nicht größer
als die Breite des Reihendetektors 10.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 fällt ein Lichtbündel von
einem Eintrittsspalt 30 auf ein feststehendes Gitter 32.
Das Gitter 32 stellt dispergierende Mittel dar und erzeugt
gleichzeitig ein spektral zerlegtes Bild des Eintritts
spaltes 30 auf einem Reihendetektor 34. Wie durch den
Doppelpfeil 36 angedeutet ist, wird der Eintrittsspalt 30
periodisch quer zu der Bündelachse des Lichtbündels 38
bewegt.
Wenn
ϕ der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtbündel
38 und der Gitternormalen 40,
ψ der Winkel gegenüber der Gitternormalen 40 ist, unter welchem Licht von der Wellenlänge in m-ter Ordnung von dem Gitter zu dem Reihendetektor hin gebeugt wird,
g die Gitterkonstante und
m die Ordnung
ψ der Winkel gegenüber der Gitternormalen 40 ist, unter welchem Licht von der Wellenlänge in m-ter Ordnung von dem Gitter zu dem Reihendetektor hin gebeugt wird,
g die Gitterkonstante und
m die Ordnung
ist, dann ergibt sich aus der Gittergleichung:
Bei einer Verlagerung des Eintrittsspaltes um eine Strecke
Δ x, entsprechend einer Änderung des Einfallswinkels ϕ um
d ϕ ergibt sich für die Verlagerung d λ der Wellenlänge λ des
Spektrums relativ zu dem stillstehenden Reihendetektor 34:
Auch hier läßt sich aus den Verlagerungssignalen und den
Detektorsignalen ähnlich wie bei Fig. 1 der wahre Verlauf
der Intensität als Funktion der Wellenlänge berechnen.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 fällt ein Lichtbündel 42 von
einem Eintrittsspalt 44 auf ein Gitter 46. Das Lichtbündel
42 bildet mit der Gitternormalen 48 einen Winkel ϕ. Licht
einer bestimmten Wellenlänge λ wird von dem Gitter 46 zu
einem Lichtbündel 50 gebeugt. Das Lichtbündel 50 bildet
mit der Gitternormalen 48 einen Winkel ψ. Das Gitter 46
bildet den Eintrittsspalt 44 spektral zerlegt in der Ebene
eines Reihendetektors 52 ab. Das Gitter 46 wird periodisch
um eine Achse 54 verschwenkt. Die Winkelhalbierende
zwischen einfallendem Lichtbündel 42 und gebeugtem Licht
bündel 50 ist mit 55 bezeichnet und bildet mit der
Gitternormalen den Winkel α. Der gesamte Umlenkwinkel
zwischen einfallendem und gebeugtem Strahl wird mit ε
bezeichnet. In Ruhestellung des Piezoelements 56 sind für
jedes Pixel die Werte für ϕ, ψ bzw. ε, α bekannt bzw.
festgelegt.
Wenn
ε der konstante Umlenkwinkel zwischen einfallendem
und gebeugtem Lichtbündel 42 bzw. 50,
ϕ der Einfallswinkel des Lichtbündels 42, ψ der Beugungswinkel für eine Wellenlänge λ und
α der Gitterdrehwinkel ist, um den das Gitter aus der nullten Ordnung verdreht werden muß, um unter dem Winkel ψ die Wellenlänge λ zu erhalten,
ϕ der Einfallswinkel des Lichtbündels 42, ψ der Beugungswinkel für eine Wellenlänge λ und
α der Gitterdrehwinkel ist, um den das Gitter aus der nullten Ordnung verdreht werden muß, um unter dem Winkel ψ die Wellenlänge λ zu erhalten,
dann wird aus der Gittergleichung (1):
Ändert sich der Gitterdrehwinkel α infolge der
periodischen, kleinen Schwingbewegung des Gitters 46 um
einen kleinen Winkel d α, dann ändert sich die unter dem
Winkel ψ beobachtete Wellenlänge um einen Betrag
Statt der Wellenlänge λ wird unter dem Winkel ψ dann eine
Wellenlänge
beobachtet. Für andere Detektorelemente ergibt sich ein
anderes ε, anderes α und dementsprechend auch ein anderes
dλ.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, wird auch bei dieser
Ausführung die periodische Bewegung des Gitters 46 durch
ein Piezoelement 56 eingeleitet. Der Winkel dα kann leicht
aus dem Weg dx des Piezoelements 56 und dem Hebelarm
berechnet werden. Das Piezoelement 56 wird wieder von Ver
lagerungssignalen eines Signalgenerators 58 angesteuert.
Die Verlagerungssignale sind außerdem auf signalver
arbeitende Mittel 60 aufgeschaltet. Die signalver
arbeitenden Mittel 60 erhalten auch die Detektorsignale
von den Detektorelementen 62 des Reihendetektors 52. Aus
diesen Signalen und ihren Änderungen berechnen die signal
verarbeitenden Mittel wieder die Abhängigkeit der
Intensität des Spektrums von der Wellenlänge. Die
Abhängigkeit der Wellenlängenänderung d λ von α kann bei
dieser Rechnung berücksichtigt werden.
Bei der Ausführung nach Fig. 5 ist ein Gitter 64 fest
stehend angeordnet. Ein Lichtbündel 66 fällt durch einen
Eintrittsspalt 68 auf das Gitter 64. Das Lichtbündel 66
bildet mit der Gitternormalen 70 einen Einfallswinkel ϕ.
Licht mit der Wellenlänge λ wird von dem Gitter 64 in
einem Lichtbündel 72 im wesentlichen in der Ebene eines
Reihendetektors 74 fokussiert. Auf dem Reihendetektor 74
entsteht ein spektral zerlegtes Bild des Eintrittsspaltes
68.
Das Gitter 64 ist ein holographisches Konkavgitter. Wenn
R der Krümmungsradius des Gitters 64,
lA der Abstand zwischen dem Eintrittsspalt und dem Gitter,
lT die tangentiale Bildweite in der Zeichenebene von Fig. 5,
λo die Laserwellenlänge bei der Herstellung des holographischen Gitters und
HT die holographische Konstante
lA der Abstand zwischen dem Eintrittsspalt und dem Gitter,
lT die tangentiale Bildweite in der Zeichenebene von Fig. 5,
λo die Laserwellenlänge bei der Herstellung des holographischen Gitters und
HT die holographische Konstante
ist, dann ergibt sich für die tangentiale Bildweite in der
Zeichenebene von Fig. 5 die Beziehung:
Die tangentiale Bildweite ist daher eine Funktion der
Wellenlänge und des Abstandes lA des Eintrittsspaltes 68
von dem Gitter 64:
lT = f ( ,lA, . .) (7)
Die tangentiale Bildweite ändert sich daher in dem von dem
Reihendetektor erfaßten Wellenlängenbereich und damit über
die Länge des Reihendetektors hinweg. Typischerweise hat
die Funktion einen Verlauf, wie er in Fig. 6 dargestellt
ist. l ist dabei die Abweichung der Schärfefläche von
der Ebene des Reihendetektors. Es erfolgt also eine
scharfe Abbildung jeweils nur auf zwei oder drei Detektor
elementen. Auch durch solche Unschärfen wird das
Auflösungsvermögen des Spektrometers beeinträchtigt.
Bei der Ausführung nach Fig. 5 wird der Eintrittsspalt 68
geringfügig longitudinal, d. h. in Richtung des Licht
bündels 66 bewegt, wie durch den Doppelpfeil 75 in Fig. 5
angedeutet ist. Dadurch werden die Punkte 76, 78, 80, in
denen der Eintrittsspalt 68 tangential scharf auf dem
Reihendetektor 74 abgebildet wird, längs des Reihen
detektors 74 bzw. längs der Wellenlängenskala verschoben.
Das ist in Fig. 7 dargestellt. Auch hierdurch ergibt sich
eine Änderung der Detektorsignale der einzelnen Detektor
elemente in Abhängigkeit von der Bewegung des Eintritts
spaltes 68.
Claims (5)
1. Anordnung zur Verbesserung der Auflösung eines
Spektrometers, bei dem durch dispergierende, optische
Mittel ein Spektrum auf einem Reihendetektor mit einer
Reihe von Detektorelementen erzeugt wird,
gekennzeichnet durch
- a) Mittel zur definierten periodischen Verlagerung des Spektrums relativ zu den Detektorelementen des Reihendetektors,
- b) Mittel zur Erzeugung von Verlagerungssignalen nach Maßgabe der Verlagerung und
- c) von den Detektorsignalen der Detektorelemente und den Verlagerungssignalen beaufschlagte Signal verarbeitungsmittel zur Darstellung eines Spektrums hoher Auflösung aus den Abhängigkeiten der Detektorsignale von den Verlagerungssignalen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reihendetektor in seiner Längsrichtung periodisch
bewegbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Eintrittsspalt, welcher über die dispergierenden
Mittel in der Ebene des Reihendetektors abgebildet
wird, quer zur Bündelachse periodisch bewegbar ist,
derart, daß sich das Spektrum periodisch gegenüber dem
stillstehenden Reihendetektor in Längsrichtung des
Reihendetektors bewegt.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die dispergierenden Mittel derart periodisch bewegbar
sind, daß sich das Spektrum periodisch gegenüber dem
stillstehenden Reihendetektor in Längsrichtung des
Reihendetektors bewegt.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Eintrittsspalt, welcher über die dispergierenden
Mittel in der Ebene des Reihendetektors abgebildet
wird, in Richtung der Bündelachse periodisch bewegbar
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904017317 DE4017317C2 (de) | 1990-05-30 | 1990-05-30 | Anodnung zur Verbesserung der Auflösung eines Spektrometers |
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DE19904017317 DE4017317C2 (de) | 1990-05-30 | 1990-05-30 | Anodnung zur Verbesserung der Auflösung eines Spektrometers |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4017317A1 true DE4017317A1 (de) | 1991-12-05 |
DE4017317C2 DE4017317C2 (de) | 2000-02-17 |
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ID=6407435
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19904017317 Expired - Fee Related DE4017317C2 (de) | 1990-05-30 | 1990-05-30 | Anodnung zur Verbesserung der Auflösung eines Spektrometers |
Country Status (1)
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---|---|
DE (1) | DE4017317C2 (de) |
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