DE4017317C2

DE4017317C2 - Anodnung zur Verbesserung der Auflösung eines Spektrometers

Info

Publication number: DE4017317C2
Application number: DE19904017317
Authority: DE
Inventors: Juergen Wulf
Original assignee: Bodenseewerk Perkin Elmer and Co GmbH
Current assignee: Berthold & Co Kg 75323 Bad Wildbad De GmbH
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: DE4017317A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbesserung der Auflösung eines Spektrome ters, bei dem durch dispergierende, 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 Reihende tektors. Jedes Detektorelement erfasst dabei einen bestimmten engen Wellenlängenbe reich des Spektrums. Es kann daher das gesamte Spektrum in einem ziemlich großen Be reich 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 endli chen Wellenlängenbereich und integriert den Intensitätsverlauf über diesen Wellenlängen bereich. Das Spektrometer liefert nicht einen kontinuierlichen Verlauf von Intensität über Wellenlänge sondern eine Folge von ggf. einer großen Anzahl von diskreten Werten. Diese Beschränkung der Auflösung kann dazu führen, dass dicht benachbarte Spektrallinien nicht mehr aufgelöst werden. Das gilt auch, wenn die Detektorelemente praktisch ohne Zwi schenräume unmittelbar aneinandergrenzen, was bei der Verwendung von z. B. Photodi oden 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 Einschränkungen zum Ziel. Außerdem wird mit weiterer Verkleinerung der Detektorelemente auch die von jedem einzelnen Detektorele ment erfasste Nutzenergie entsprechend verringert.

Des weiteren sind Spektrometer bekannt, bei denen die Auflösung dadurch verbessert wird, dass das Spektrum relativ zu den Detektorelementen eines Reihendetektors definiert ver lagert wird. Eine solche Vorrichtung wird beispielsweise in der EP-0320 530 A1 beschrie ben. Bei einer Vorrichtung dieser Art werden jedoch jeweils nur einzelne, ausgewählte Lini en des Spektrums auf den Detektorelementen scharf abgebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Spektrometer mit einem Reihendetek tor die Auflösung zu verbessern.

Dies wird dadurch gelöst, dass nacheinander jede einzelne Linie des Spektrums schart auf dem Detektor abgebildet wird und so eine optimale Zuordnung zwischen Signalintensität und Linie erreicht wird.

Insbesondere sollen auch dicht benachbarte Linien eines Spektrums noch aufgelöst wer den, ohne dass die einzelnen Detektorelemente unerwünscht klein gemacht zu werden brauchen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1.

Bei einem Reihendetektor in einem Spektrometer schließen sich die Detektorelemente dicht aneinander an. Es brauchen also keine Lücken oder Zwischenräume überbrückt zu wer den. Dafür gilt es, eine Funktion Intensität über Wellenlänge möglichst genau zu erfassen. Jedes Detektorelement liefert ein Integral der Intensität über der Wellenlänge mit bestimm ten Integrationsgrenzen. Durch die Relativverlagerung von Reihendetektor und Spektrum werden diese Integrationsgrenzen in definierter Weise verändert. Dadurch, dass nachein ander alle Linien scharf auf den Reihendetektor abgebildet werden, lässt sich eine optimale Zuordnung zwischen Intensität und Wellenlänge jeder Linie erreichen. Aus dem dabei an jedem Detektorelement erhaltenen Signalverlauf kann der Verlauf der Intensität als Funkti on der Wellenlänge rekonstruiert werden. Es ergibt sich so ein Spektrometer mit hoher Auflösung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehö rigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Spektrometers mit einem Reihende tektor, einem abbildenden Gitter und einem in Richtung der Bündelachse pe riodisch beweglichen Eintrittsspalt.

Fig. 2 zeigt in übertriebener Darstellung die Schärfefläche der Abbildung im Ver hältnis zur Ebene des Reihendetektors bei dem Spektrometer von Fig. 1 bei einer Ausgangsstellung des Eintrittsspaltes.

Fig. 3 zeigt in übertriebener Darstellung die Schärfefläche der Abbildung im Ver hältnis zur Ebene des Reihendetektors mit dem Spektrometer von Fig. 1 bei einer etwas verschobenen Stellung des Eintrittsspaltes.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 fällt ein Lichtbündel 66 von einem Eintrittsspalt 68 auf ein feststehendes Gitter 64. Das Gitter 64 stellt dispergierende Mittel dar und erzeugt gleichzei tig ein spektral zerlegtes Bild des Eintrittsspaltes 68 auf einem Reihendetektor 74.

Der Reihendetektor 74 besteht aus einer linearen Anordnung von Detektorelementen in Form von Photodioden. Die Detektorelemente schließen sich praktisch lückenlos aneinan der an. Die Detektorelemente haben aber natürlich endliche Abmessungen.

Jedes Detektorelement erfasst Strahlung aus einem endlichen Wellenlängenbereich. Das von dem einzelnen Detektorelement gelieferte Detektorsignal entspricht daher dem Integral der Intensitäten des Spektrums über den von der Breite des Detektorelements bestimmten Wellenlängenbereich.

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 des 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,
I_A der Abstand zwischen dem Eintrittsspalt und dem Gitter,
I_T die tangentiale Bildweite in der Zeichenebene von Fig. 1,
λ_o die Laserwellenlänge bei der Herstellung des holographischen Gitters und
H_T die holographische Konstante
ist, dann ergibt sich für die tangentiale Bildweite in der Zeichenebene von Fig. 1 die Bezie hung:

Die tangentiale Bildweite ist daher eine Funktion der Wellenlänge und des Abstandes I_A des Eintrittsspaltes 68 von dem Gitter 64:

I_T = f( , 1_A, ...)

Die tangentiale Bildweite ändert sich daher in dem von dem Reihendetektor erfassten Wel lenlängenbereich und damit über die Länge des Reihendetektors hinweg. Typischerweise hat die Funktion einen Verlauf, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. I ist dabei die Abweichung der Schärfefläche von der Ebene des Reihendetektors. Es erfolgt also eine scharfe Abbildung jeweils nur auf zwei oder drei Detektorelementen. Auch durch solche Unschärfen wird das Auflösungsvermögen des Spektrometers beeinträchtigt.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 wird der Eintrittsspalt 68 geringfügig longitudinal, d. h. in Richtung des Lichtbündels 66 bewegt, wie durch den Doppelpfeil 75 in Fig. 1 angedeutet ist. Dadurch werden die Punkte 76, 78, 80, in denen der Eintrittsspalt 68 tangential scharf auf dem Reihendetektor 74 abgebildet wird, längs des Reihendetektors 74 bzw. längs der Wellenlängenskala verschoben. Das ist in Fig. 3 dargestellt. Auch hierdurch ergibt sich eine Änderung der Detektorsignale der einzelnen Detektorelemente in Abhängigkeit von der Bewegung des Eintrittsspaltes 68.

Der Eintrittsspalt 68 wird periodisch longitudinal bewegt. Zu diesem Zweck liefert ein Signal generator 54 ein Verlagerungssignal an einen Ausgang 56. Dem Verlagerungssignal null entspricht eine Ruhestellung des Eintrittsspaltes 68. Die Auslenkung des Eintrittsspaltes 68 aus dieser Ruhestellung ist proportional zu dem Verlagerungssignal.

Mit 58 sind signalverarbeitende Mittel bezeichnet. Die signalverarbeitenden Mittel sind vor zugsweise von einem Digitalrechner gebildet. Auf die signalverarbeitenden Mittel 58 ist einmal über Leitung 60 das Verlagerungssignal aufgeschaltet. Zum anderen erhalten die signalverarbeitenden Mittel 58 die Signale von den Detektorelementen über Eingänge 62. Die signalverarbeitenden Mittel erhalten somit eine Folge von diskreten Detektorsignalen. Die Detektorsignale ändern sich aber in Abhängigkeit von den Verlagerungssignalen und der dazu proportionalen Auslenkung des Eintrittsspaltes 68 aus seiner Ruhestellung. Die signalverarbeitenden Mittel 58 berechnen daraus den stetigen Verlauf der Intensität des Spektrums als Funktion der Wellenlänge. Dieser Verlauf wird in geeigneter Weise an einem Ausgang 63 ausgegeben.

Dadurch wird die Auflösung des Spektrometers verbessert.

Claims

1. Anordnung zur Verbesserung der Auflösung eines Spektrometers, bei dem durch dis pergierende, optische Mittel ein Spektrum auf einem Reihendetektor mit einer Reihe von Detektorelementen erzeugt wird, mit

a) Mitteln zur definierten periodischen Verlagerung des Spektrums relativ zu den De tektorelementen des Reihendetektors,
b) Mitteln zur Erzeugung von Verlagerungssignalen nach Maßgabe der Verlagerung und
c) von den Detektorsignalen der Detektorelemente und den Verlagerungssignalen be aufschlagten Signalverarbeitungsmitteln zur Darstellung eines Spektrums hoher Auflösung aus den Abhängigkeiten der Detektorsignale von den Verlagerungssigna len,

dadurch gekennzeichnet, dass ein Eintrittsspalt, welcher über die dispergierenden Mittel in der Ebene des Reihendetektors abgebildet wird, in Richtung der Bündelachse periodisch bewegbar ist.