EP1561089A1 - Hochempfindliche spektrometeranordnung mit eintrittsspaltarray und detektorarray - Google Patents

Hochempfindliche spektrometeranordnung mit eintrittsspaltarray und detektorarray

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Publication number
EP1561089A1
EP1561089A1 EP03785504A EP03785504A EP1561089A1 EP 1561089 A1 EP1561089 A1 EP 1561089A1 EP 03785504 A EP03785504 A EP 03785504A EP 03785504 A EP03785504 A EP 03785504A EP 1561089 A1 EP1561089 A1 EP 1561089A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
array
slit
highly sensitive
gap
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03785504A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Wuttig
Rainer Riesenberg
Christian Schachtzabel
Eckard Kopatzki
Jürgen Popp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CS CLEAN SYSTEMS AG
Templatec-Softwareentwicklung Christian Schachtzab
Institut fur Photonische Technologien EV
Original Assignee
CS CLEAN SYSTEMS AG
Templatec-Softwareent Wicklung Christian Schacht Zabel Gbr
Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CS CLEAN SYSTEMS AG, Templatec-Softwareent Wicklung Christian Schacht Zabel Gbr, Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV filed Critical CS CLEAN SYSTEMS AG
Publication of EP1561089A1 publication Critical patent/EP1561089A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2846—Investigating the spectrum using modulation grid; Grid spectrometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/04—Slit arrangements slit adjustment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector

Definitions

  • the invention relates to a highly sensitive spectrometer arrangement according to the preamble of the claims.
  • Spectrometers with multi-slit arrangements are known, for example, from DE 198 13 558 C2, DE 198 15 079 AI, DE 198 15 080 Cl.
  • the basic goal of the known multi-slit arrangements is the measurement of one spectrum with increased resolution or several spectra with normal resolution.
  • a high-resolution spectrum is obtained by combining several normal-resolution spectra images from the different columns
  • the object of the present invention is now to determine the parameters of a spectrum which are characteristic of a specific application, such as e.g. the strength or intensity of one or more basic spectra present in this spectrum or e.g. also determine the width or position of a contained spectral line with high accuracy.
  • the light to be examined When measuring spectra using spectrometers equipped with a grating or a similar dispersion element, the light to be examined must first pass through a gap at the entrance of the spectrometer. The narrower this gap, the better, apart from diffraction or imaging-limited conditions, the better the resolution and thus the more detailed the measured spectrum. On the other hand, in a large number of applications it is not possible to couple any amount of the actually available light into the gap, since the second principle of thermodynamics prohibits concentration in a diffuse form of light beyond a certain level. This means that the amount of light that can be used is limited by the available slit area multiplied by the aperture ratio of the spectrometer.
  • the gap and the detector elements can be made as long as possible and, for example, a beam former based on optical fibers can be used, which illuminates the entire gap.
  • a beam former based on optical fibers can be used, which illuminates the entire gap.
  • this procedure is limited on the one hand by the imaging errors increasing with increasing slit length and on the other hand by the available detector length.
  • the beam shaping optics is a not to be neglected cost factor and also an additional optical element, which due to possible fluorescence effects in the fibers, strong damping effects in certain wavelength ranges and last but not least the minimum diameter of the fibers, which should correspond to the slit width, is not for suitable for all applications.
  • a grating spectrometer with a single slit can measure any spectrum it is offered, regardless of the application, according to its resolution data in this respect a universal spectral sensor.
  • the information contained in the spectrum can be extracted objectively or subjectively from the measured spectral data of the spectrometer using an evaluation unit.
  • it is often not necessary to be able to measure any spectra since only individual parameters, such as the position or width of a spectral line or certain basic spectra in a possibly varying composition, have to be determined anyway.
  • the application of the invention results in only a single, scalar value, which is extracted by the evaluation device from the intensity distribution applied to the detector array.
  • the use of the slit array enables a higher light throughput, a higher resolution and thus a higher accuracy than a single slit.
  • the spectra images caused by the columns of the slit array generally overlap almost completely and give rise to a corresponding sum signal in the detector array.
  • the use of at least one fixed slit pattern does not require switching during the measurement. Instead, a pattern is selected which particularly well fulfills the task, for example the distinction between two different signals.
  • a suitable slit pattern identically designed individual slits are arranged in a fixed grid in the slit array level, with certain grid spaces remaining free depending on the task, that is to say no slit is preserved.
  • these positions can also be referred to as closed columns and those with columns accordingly as open columns.
  • a pattern that maximizes the square deviation can now be determined, for example, by a full search across all possible column arrays - ie all possible combinations of open and closed columns. It is also possible to determine a suitable pattern by means of a heuristic, incomplete search if the number of different possible patterns becomes too large, since it is not necessary for the invention to use exactly the best pattern.
  • a further increase in performance of the spectra arrangement according to the invention is possible if a shift in the slit positions relative to the associated raster positions is permitted when searching for a suitable pattern.
  • the pattern can be optimized in the same way for a maximum minimum distance of the images of the signals to be differentiated. If, on the other hand, a certain property of a individual signals, for example their half-width or center position are determined as precisely as possible, the first derivative of the spectra image is to be maximized according to the parameter of the property to be determined to the maximum square-mean deviation from the zero line. The sum of the squares of the deviations of two signals with different parameters is thus maximized again, these signals differing only infinitesimally.
  • the criteria for the production of optimal samples may have to be modified somewhat, but the procedure remains the same. It is also possible to dynamically adapt the pattern to a changing task.
  • the spectra image created on the detector array corresponds in a first approximation to the spectra image of an infinitely narrow single slit, folded with the transmission function caused by the slit array, that is to say the slit pattern.
  • some Fourier components of the spectrum generated by the slit array are greatly weakened or even canceled, while others are exaggerated.
  • the latter components are optimally those in which the different signals to be detected differ most.
  • the increase in the number of slits compared to the grating spectrometer with a single slit serves to increase the light throughput.
  • Maximum sensitivity is achieved if all available light is concentrated on as few gaps as possible, provided that the slit pattern is optimized in the above sense.
  • a fiber-optic beam former can ensure that only open gaps in the slit array are actually illuminated, so that ideally all the available light is used. If fiber-optic beam shaping is not used, make sure that the open gaps are illuminated with the highest possible intensity; because there is no point in expanding the available light in order to be able to illuminate an even larger number of gaps.
  • gaps of different widths cause a loss of different high-frequency signal components responsible for the resolution
  • a combination of different gap widths can ensure that none of these signal components is suppressed or lost, so that in principle the same result as when using significantly narrower, equally wide gaps can be achieved.
  • narrow gaps lead to increased diffraction losses.
  • FIG. 2 shows an individual slit and the slit arrays according to the invention corresponding to it
  • FIG. 3 summation diagrams for the intensity as a function of the number of slits
  • FIG. 5 shows a slit array according to the invention with a slit pattern
  • FIG. 6 shows the gain achieved with the slit array according to FIG. 5
  • FIG. 7 shows a gap array according to the invention with two gap patterns
  • FIG. 8 shows the gain achieved with the gap array according to FIG. 7
  • FIG. 9 shows a gap array with gaps of different widths.
  • a spectrometer arrangement 10 shown in FIG. 1 has a primary or secondary light source 11, the light 12 of which is to be examined spectrally.
  • the light 10 enters a monochromator 14 through a slit array 13, which essentially has a dispersing element 15 and generates a spectral image of the slit array 13 on a detector array 16.
  • the detector array 16 outputs measurement signals 17 to camera electronics 18, which in turn outputs image data 19 to an evaluation device 20.
  • the camera electronics 18 and the detector array 16 receive control information from this evaluation device.
  • the evaluation device 20 evaluates the data and information obtained and displays the extracted parameters, stores them or forwards them to a monitoring device (not shown).
  • the gaps in the gap array 13 can be combined in one or more gap patterns arranged one above the other and parallel to one another; they can have the same or different widths.
  • the slits can be arranged in a grid with the same or changing grid constant.
  • the grid constants of two gap patterns arranged on a gap array can also be different. Basically, as many spectra are generated overlapping on the detector array 16 as there are gaps in each slit pattern of a slit array 13 are.
  • the gap array 13 can be replaced in accordance with the respective measurement task.
  • FIG. 2 shows a series of uniform gap arrangements 131 to 135. These are gaps which each have dimensions of 15 ⁇ m in width and up to 2 mm in length.
  • a single slit which is used for comparison with a conventional spectrometer, and slit arrays with 2, 4, 10 and 48 columns are shown in detail. In the array with 48 columns, the outer columns are adapted to the circular illumination of the spectrometer input and are therefore somewhat shorter than the inner column.
  • the sum signals shown in FIG. 3 were measured on a dye spectrum (Congo red). The wavelength specification only refers to the measurement with the single slit.
  • the sensitivity when determining the intensity of the broad background signal could be about four or ten times and the sensitivity when determining the amplitude of the narrow peak at about 650 nm could be about two- or three times higher than the measurement with a single slit.
  • FIG. 4 shows three diagrams a, b and c, in which the intensity I is plotted over a path x in the plane of the detector array.
  • a contains the intensity distribution generated by a single slit
  • b shows intensity distributions with a slit pattern m which has three single slits, the intensity distributions 22, 23, 24 being shown offset from one another.
  • the sum spectrum 25 can be seen in c, as actually results from the spectral imaging of the three individual columns in the plane of the detector array.
  • the gap array 13 according to FIG. 5 has a gap pattern 26 with 32 grid positions, 19 of which are occupied by gaps.
  • the slit array maximizes the spectrometer throughput, but at the same time does not suppress any signal component, so that it is also possible to reconstruct the spectral image of a spectrometer with a single slit from the measurement data of the multislit spectrometer.
  • the associated diagram in FIG. 6 shows the gain in sensitivity over the spatial frequency, ie for each individual Fourier component of any spectrum to be measured. It can be seen that the gain for all Fourier components is greater than one. The minimum of the gain is a factor of 1.18, the maximum is 19 for the direct component of the measured signal (spatial frequency 0), corresponding to the number of open columns in the split pattern. An average profit of 3.62 is achieved.
  • the width of a Gaussian spectral line it is possible to precisely determine the width of a Gaussian spectral line, the approximate width of which is known.
  • Such a width determination is usually carried out by adapting a synthetic Gauss line to the measured spectrum. If a multi-slit arrangement were used, a Gauss line of variable width multiplied according to the slit pattern would have to be adjusted accordingly.
  • the first derivative of the Gaussian line based on the width parameter for the mean or most likely line width is used as the quadratic difference signal.
  • the resulting gap array is then particularly well suited for determining line widths around this underlying mean width value, but can also bring a noticeable gain even with widely differing widths.
  • the number of columns used depends on the bundling ability of the light to be measured.
  • the gap patterns are given below as sequences of zeros and ones, with a zero for a closed gap and a one stands for an open gap.
  • a profit is given for each slit array or slit pattern. This specifies the factor by which the detector noise in the case of the multi-slit arrangement can be higher than that with a single slit in order to be able to determine the sought parameter with the same accuracy.
  • the gain in accuracy with regard to the parameter generally depends non-linearly on the noise and is therefore not so easy to specify. For example, it is possible that a line width can still be determined to 10% for a certain detector noise, but that the line width can no longer be determined for a noise that is five times as high.
  • a slit pattern for the optimization of the measurement of the line width of an approximately 2 pixel wide Gauss line has the following appearance with a pattern width of 128 columns:
  • Pattern width 32 columns in the following distribution: 101010101010100101010101010101 Profit: 5.08047 (16 open positions)
  • the above-optimized gap patterns consist of a series of groups of open columns with an approximately proportional number of individual columns to the line width.
  • the gap groups are separated by gaps of approximately the same extent as that of the gap groups.
  • a slit pattern is sought which brings maximum advantage for any line width in a certain area in the spectral imaging and evaluation.
  • the slit pattern is optimized so that the minimum of the profit, that is, the profit with the worst-working line width, becomes maximum. It results With this procedure, exactly the gap pattern that would be optimal for a line width determination with the smallest possible line width. For example, if the possible line widths were between 0.5 and four pixels and the width of the slit pattern was 32, the optimal slit pattern for a medium line width of 0.5 pixels wide would be 101010101010100101010101010101 and the profit would be at least 5,08047 for all line widths.
  • FIG. 9 is an example of how narrow slits can be replaced by a combination of wider slits with different slit widths and thus minimizing diffraction losses.
  • a two-dimensional gap array with gaps of single and double gap width is shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine hochempfindliche Spektrometeranordnung bei der ein aus parallelen Einzelspalten bestehendes Spaltarray mit Hilfe einer in Breitenrichtung der Spalte dispergierenden optischen Einheit unter Aufspaltung in Wellenlängen auf ein entsprechendes Detektorarray abgebildet wird, dessen Signale einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Unter Verwendung fester Spaltmuster sind charakteristische Parameter mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dies ist dadurch möglich, dass das Spaltarray wenigstens ein festes, applikationsbezogenes Muster mit mindestens zwei in Dispersionsrichtung um bestimmte Beträge versetzten Spalten aufweist, deren Spektrenbilder sich auf dem Detektorarray zu einem Summenspektrum überlappen, aus welchem die Auswerteeinrichtung direkt die für die Applikation zu bestimmenden Parameter extrahiert.

Description

HOCHEMPFINDLICHE SPEKTROMETERANORDNUNG MIT EINTRITTSSPALTARRAY UND DETEKTORARRAY
Beschreibung
5 Die Erfindung betrifft eine hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß der Gattung der Patentansprüche.
Bekannt sind Spektrometer mit Mehrspaltanordnungen bspw. aus den DE 198 13 558 C2, DE 198 15 079 AI, DE 198 15 080 Cl.
10 Das grundsätzliche Ziel der bekannten Mehrspaltanordungen ist die Messung eines Spektrums mit erhöhter Auflösung oder mehrerer Spektren mit normaler Auflösung. Im ersten Fall wird ein hochaufgelöstes Spektrum durch Kombination mehrerer normal aufgelöster Spektrenbilder, welche von den unterschiedlichen Spalten
15 stammen, erzeugt, im zweiten Fall wird unterschiedlichen Spalten Licht unterschiedlicher spektraler Verteilung angeboten und das Spektrum jedes Einzelspaltes unabhängig von den anderen Einzelspalten bestimmt. Den beiden Möglichkeiten sind zwei Dinge gemein: Erstens ist zur Durchführung aller Messungen entweder ein Schalten notwendig,
20 oder die Spektrenbilder der Einzelspalte dürfen sich gegenseitig nicht überlappen, da in beiden Fällen zunächst das von jedem Einzelspalt verursachte Spektrenbild bestimmt werden muss. Zweitens erhält man am Ende des Messvorganges ein Spektrum oder mehrere Spektren, die vollständig aufgelöst sind. Mit anderen Worten: Es ergeben sich
25 Vektoren von Intensitäts werten, von denen jeder einzelne zu einer festen Wellenlänge bzw. zu einem kleinen, zusammenhängenden Spektralintervall gehört.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die für eine 30 bestimmte Applikation charakteristischen Parameter eines Spektrums, wie z.B. die Stärke bzw. Intensität eines oder mehrerer in diesem Spektrum vorliegender Grundspektren oder z.B. auch die Breite oder Lage einer enthaltenen Spektrallinie, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
35 Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Lösung erfahrt durch die Merkmale der Unteransprüche Verbesserungen, die zumindest teilweise applikationsbezogen sind. Dabei liegen der Erfindung folgende Betrachtungen zu Grunde:
Bei der Messung von Spektren mittels Spektrometern, die mit einem Gitter oder einem ähnlichen Dispersionselement ausgestattet sind, muß das zu untersuchende Licht zunächst einen Spalt am Eingang des Spektrometers passieren. Je schmaler dieser Spalt ist, desto besser wird, abgesehen von beugungs- oder abbildungsbegrenzten Bedingungen, die Auflösung und damit der Detailgehalt des gemessenen Spektrums. Andererseits ist es bei einer Vielzahl von Anwendungen nicht möglich, beliebig viel des eigentlich zur Verfügung stehenden Lichtes in den Spalt einzukuppeln, da der zweite Hauptsatz der Thermodynamik eine Konzentration in diffuser Form vorliegenden Lichtes über ein bestimmtes Maß hinaus verbietet. Dies bedeutet, daß die verwertbare Lichtmenge durch die zur Verfügung stehende Spaltfläche multipliziert mit dem Öffnungsverhältnis des Spektrometers begrenzt ist. Um die Spaltfläche zu erhöhen, kann man den Spalt sowie die Detektorelemente möglichst lang gestalten, und z.B. einen auf Lichtfasern basierenden Strahlformer verwenden, der den gesamten Spalt ausleuchtet. Dieser Vorgehensweise sind jedoch Grenzen einerseits durch die mit wachsender Spaltlänge zunehmenden Abbildungsfehler und andererseits durch die verfügbare Detektorlänge gesetzt. Weiterhin ist auch die Strahlformungsoptik ein nicht zu vernachlässigender Kostenfaktor und außerdem ein zusätzliches optisches Element, welches sich bspw. auf Grund möglicher Fluoreszenzeffekte in den Fasern, starker Dämpfungseffekte in bestimmten Wellenlängenbereichen und nicht zuletzt des Mindestdurchmessers der Fasern, welcher der Spaltbreite entsprechen sollte, nicht für alle Applikationen eignet. Eine andere Vorgehensweise zur Vergrößerung des Lichteinfalls in das Spektrometer ist die Verbreiterung des Eintrittsspaltes; diese führt aber zwingend zu einer Verringerung der Auflösung und damit evtl. zu einem Verlust wichtiger Information. Ein Gitterspektrometer mit einem einzelnen Spalt kann entsprechend seiner Auflösungsdaten ein beliebiges, ihm angebotenes Spektrum unabhängig von der Applikation messen und ist insofern ein universeller Spektralsensor. Die im Spektrum enthaltene Information kann aus den gemessenen Spektraldaten des Spektrometers an Hand einer Auswerteeinheit objektiv oder subjektiv extrahiert werden. Oft ist es jedoch nicht notwendig, beliebige Spektren messen zu können, da ohnehin nur einzelne Parameter, wie die Lage oder Breite einer Spektrallinie oder bestimmte Grundspektren in eventuell variierender Zusammensetzung zu bestimmen sind. Ein wichtiges Beispiel hierzu ist die Überwachung (Monitoring) eines Raumes auf das Vorhandensein von Schadgasen, z.B. Kohlenmonoxid, Chlor und Ähnlichem. Für solche speziellen Aufgaben ist es nicht zwingend notwendig, zunächst ein universell verwendbares Spektrum zu bestimmen, um dann in einem unabhängigen Schritt die gewünschten Parameter zu ermitteln. Diesen Umstand nutzt die Erfindung aus, um den Lichtdurchsatz eines Gitterspektrometers ggf. zu Lasten unwichtiger Signalkomponenten des angebotenen Spektrums zu optimieren, ohne dabei wichtige Signalkomponenten zu unterdrücken. Allgemeiner ausgedrückt, werden wichtige Komponenten des Spektrums durch einen erreichten höheren Lichtdurchsatz verstärkt und dafür unwichtige geschwächt oder sogar ausgelöscht, wodurch im Allgemeinen auch keine Bestimmung eines Einzelspaltspektrams an Hand der gemessenen Daten mehr möglich ist. Für die jeweilige Applikation entsteht jedoch ein unter Umständen beträchtlicher Gewinn. Durch die Anwendung der Erfindung ergibt sich im einfachsten Fall nur ein einzelner, skalarer Wert, der aus der am Detektorarray anliegenden Intensitätsverteilung durch die Auswerteeinrichtung extrahiert wird. Die Verwendung des Spaltarrays ermöglicht einen höheren Lichtdurchsatz, eine höhere Auflösung und damit eine höhere Genauigkeit als ein Einzelspalt. Die von den Spalten des Spaltarrays verursachten Spektrenbilder überlagern sich im Allgemeinen fast vollständig und lassen im Detektorarray ein entsprechendes Summensignal entstehen. Die Verwendung mindestens eines festen Spaltmusters benötigt keine Umschaltung während der Messung. Stattdessen wird ein Muster vorgewählt, welches die gestellte Aufgabe, z.B. die Unterscheidung zweier verschiedener Signale, besonders gut erfüllt. Dies ist genau dann der Fall, wenn die aus beiden Signalen resultierenden Spektrenbilder am Detektorarray sich im Sinne der gemittelten quadratischen Abweichung an den einzelnen Detektorelementen maximal unterscheiden, die Summe der Quadrate der pixelweisen Signaldifferenzen also maximal wird. Als Nebenbedingung muss dabei noch angenommen werden, dass beide Signale dieselbe Energie besitzen, d.h. dass die aufsummierten Signalwerte der einzelnen Detektorpixel für alle möglichen Spektren denselben Wert ergeben. Andernfalls ist es möglich, die beiden Signale nur anhand ihrer Intensität sehr gut zu unterscheiden, das optimale Spaltmuster ist folglich eine maximale Öffnung. Da die Intensität in der Regel nicht bekannt ist oder sogar bestimmt werden soll, ist eine Unterscheidung verschiedener Signale anhand der Intensität aber in der Praxis nicht möglich, und es müssen andere Komponenten als die Gleichanteile der Signale herangezogen werden. In der Grundversion eines dafür geeigneten Spaltmusters sind gleich gestaltete Einzelspalte in einem festen Raster in der Spaltarrayebene angeordnet, wobei je nach Aufgabe bestimmte Rasterplätze frei bleiben, also keinen Spalt erhalten. Alternativ kann man diese Positionen auch als geschlossene Spalte und die mit Spalten besetzten entsprechend als offene Spalte bezeichnen. Ein Muster, welches die quadratische Abweichung maximiert, kann nun z.B. durch eine vollständige Suche über alle möglichen Spaltarrays - d.h. alle möglichen Kombinationen geöffneter und geschlossener Spalte - bestimmt werden. Auch ist es möglich, ein geeignetes Muster durch eine heuristische, unvollständige Suche zu bestimmen, wenn die Anzahl verschiedener möglicher Muster zu groß wird, da es für die Erfindung nicht notwendig ist, genau das beste Muster zu verwenden. Eine weitere Leistungssteigerung der erfindungsgemäßen Spektrenanordnung ist möglich, wenn bei der Suche nach einem geeigneten Muster eine Verschiebung der Spaltpositionen gegenüber den zugehörigen Rasterpositionen zugelassen wird. Diesbezügliche Untersuchungen haben ergeben, dass auf diese Weise sowohl optimale Muster gefunden werden können, als auch Muster die sich vom optimalen Muster nur durch eine sehr kleine Verringerung des Gewinns an Genauigkeit unterscheiden. Sind mehr als zwei Signale zu unterscheiden, so kann das Muster auf dieselbe Art und Weise auf einen maximalen Mindestabstand der Bilder der zu unterscheidenden Signale hin optimiert werden. Soll hingegen eine bestimmte Eigenschaft eines einzelnen Signales, z.B. dessen Halbwertsbreite oder Mittenposition möglichst genau bestimmt werden, so ist die erste Ableitung des Spektrenbildes nach dem Parameter der zu bestimmenden Eigenschaft auf maximale quadratisch gemittelte Abweichung von der Nulllinie zu maximieren. Es wird also wieder die Summe der Abweichungsquadrate zweier Signale mit unterschiedlichen Parametern maximiert, wobei sich diese Signale nur infinitesimal unterscheiden.
Für die Bestimmung nichtlinearer Parameter müssen die Kriterien für die Herstellung optimaler Muster evtl. etwas abgewandelt werden, die Vorgehensweise bleibt jedoch dieselbe. Auch ist es möglich, die Muster an eine sich verändernde Aufgabenstellung dynamisch anzupassen. Das am Detektorarray entstehenden Spektrenbild entspricht in erster Näherung dem Spektrenbild eines unendlich schmalen Einzelspaltes, gefaltet mit der durch das Spaltarray verursachten Transmissionsfunktion, also dem Spaltmuster. Musterabhängig werden einige Fourier-Komponenten des durch das Spaltarray erzeugten Spektrums stark geschwächt oder sogar ausgelöscht, während andere überhöht werden. Letztere Komponenten sind im Optimalfall diejenigen, in welchen sich auch die unterschiedlichen zu detektierenden Signale am meisten unterscheiden. Durch den Verlust einiger Signalkomponenten ist in der Regel keine Berechnung des ursprünglich am Spektrometereingang (Spaltarray) vorliegenden Spektrums mehr möglich, oder aber sie ist durch die starke Unterdrückung einiger Komponenten wesentlich ungenauer, als bei Messung mit nur einem Spalt. Als Ausnahme gibt es jedoch auch Muster aus mehreren Spalten, bei welchen eine solche Rückrechnung zumindest ohne Verluste gegenüber einer Einzelspaltmessung möglich ist. Eine Rückrechnung auf das anliegende Spektrum mit Gewinn gegenüber einer Einzelspaltmessung ist jedoch leicht möglich, wenn gleichzeitig oder nacheinander mit mindestens zwei verschiedenen Mustern gemessen wird; denn dann ist es möglich, für jedes Muster andere Fourier-Komponenten des Spektrums zu unterdrücken, insgesamt aber für jede Fourier-Komponente einen Gewinn zu erzielen. Dies gilt auch unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die vorhandene Signalenergie zeitlich oder räumlich auf die verschiedenen Muster aufgeteilt werden muss. Wie bereits angesprochen, dient die Erhöhung der Spaltanzahl gegenüber dem Gitterspektrometer mit einem Einzelspalt der Erhöhung des Lichtdurchsatzes. Ein. Maximum an Empfindlichkeit wird erreicht, wenn das gesamte zur Verfügung stehende Licht auf so wenige Spalte wie möglich konzentriert wird, wobei vorausgesetzt wird, dass das Spaltmuster im obigen Sinne optimiert ist. Durch einen faseroptischen Strahlformer kann erreicht werden, dass im Spaltarray nur offene Spalte auch tatsächlich ausgeleuchtet sind, so dass im Idealfall das gesamte zur Verfügung stehende Licht verwendet wird. Bei einem Verzicht auf eine faseroptische Strahlformung ist darauf zu achten, dass die offenen Spalte mit höchstmöglicher Intensität ausgeleuchtet sind; denn es macht keinen Sinn, das verfügbare Licht zunächst aufzuweiten, um dann eine noch größere Spaltanzahl ausleuchten zu können. Als Erweiterung der Anordnungen mit gleich breiten Spalten können Anordnungen genannt werden, welche innerhalb eines Spaltarrays unterschiedliche Spaltbreiten aufweisen und/oder deren Spalte darüber hinaus in ungleichen Abständen voneinander angeordnet sind. Durch derartige Anordnungen ist es z.B. möglich, die Spaltbreiten selbst wesentlich größer auszulegen, als dies für die zu erreichende Auflösung normalerweise zulässig wäre. Da unterschiedlich breite Spalte einen Verlust unterschiedlicher für die Auflösung verantwortlicher hochfrequenter Signalanteile bewirken, kann durch eine Kombination unterschiedlicher Spaltbreiten erreicht werden, dass keine dieser Signalkomponenten unterdrückt wird oder verloren geht, so daß im Prinzip das gleiche Resultat wie unter Verwendung wesentlich schmalerer, gleich breiter Spalte erzielt werden kann. Hinzu kommt jetzt allerdings die Tatsache, daß schmale Spalte zu erhöhten Beugungsverlusten führen. Indem man die schmalen Spalte durch Kombinationen breiterer Spalte mit unterschiedlicher Breite ersetzt, kann man nun die Beugungsverluste minimieren, und erreicht eine unter Umständen mehrfach höhere Sensitivität als unter Verwendung schmalerer Spalte.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Spektrometeranordnung ,
Fig. 2 einen Einzelspalt und die ihm entsprechenden erfindungsgemäßen Spaltarrays, Fig. 3 Summendiagramme für die Intensität in Abhängigkeit von der Anzahl der Spalte, Fig. 4 Diagramme zur Verdeutlichung der Überlagerung der
Spektralbilder von drei Spalten, Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Spaltarray mit einem Spaltmuster, Fig. 6 den mit dem Spaltarray nach Fig. 5 erreichten Gewinn,
Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Spaltarray mit zwei Spaltmustern, Fig. 8 den mit dem Spaltarray nach Fig. 7 erreichten Gewinn und Fig. 9 ein Spaltarray mit Spalten von unterschiedlicher Breite.
Eine in Fig. 1 dargestellte Spektrometeranordnung 10 weist eine primäre oder sekundäre Lichtquelle 11 auf, deren Licht 12 spektral untersucht werden soll. Das Licht 10 tritt durch ein Spaltarray 13 in einen Monochromator 14 ein, der im wesentlichen ein dispergierendes Element 15 aufweist und auf einem Detektorarray 16 ein spektrales Bild des Spaltarrays 13 erzeugt. Das Detektorarray 16 gibt entsprechend dem spektralen Bild Messsignale 17 an eine Kameraelektronik 18, die ihrerseits Bilddaten 19 an eine Auswerteeinrichtung 20 abgibt. Von dieser Auswerteeinrichtung erhalten in umgekehrter Richtung die Kameraelektronik 18 und das Detektorarray 16 Steuerinformationen. Die Auswerteeinrichtung 20 wertet die erhaltenen Daten und Informationen aus und bringt die extrahierten Parameter zur Anzeige bzw. speichert sie bzw. leitet sie an eine nicht dargestellte Überwachungseinrichtung weiter. Die Spalte im Spaltarray 13 können in einem oder mehreren übereinander und parallel zueinander angeordneten Spaltmustern zusammengefasst sein; sie können gleiche oder unterschiedliche Breiten haben. In einem Spaltmuster können die Spalte in einem Raster mit gleicher oder sich ändernder Rasterkonstante angeordnet sein. Auch können die Rasterkonstanten zweier auf einem Spaltarray angeordneter Spaltmuster unterschiedlich sein. Grundsätzlich werden auf dem Detektorarray 16 so viele Spektren sich überlappend erzeugt wie Spalte in jedem Spaltmuster eines Spaltarrays 13 vorhanden sind. Das Spaltarray 13 ist entsprechend der jeweiligen Messaufgabe auswechselbar.
Mit der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung werden bspw. in einem am Spaltarray 13 anliegenden Spektrum S die Breiten wl5 w2 und das Höhenverhältnis der Peaks pl5 ρ2 von der Auswertweeinrichtung 20 als Ergebnis 21 Wj. = 1,8 geliefert.
Fig. 2 zeigt eine Reihe von gleichmäßigen Spaltanordnungen 131 bis 135. Es handelt sich dabei um Spalte welche jeweils Abmessungen von 15 μm Breite und bis zu 2 mm Länge aufweisen. Im einzelnen dargestellt sind ein Einzelspalt, welcher zum Vergleich mit einem herkömmlichen Spektrometer dient, sowie Spaltarrays mit 2, 4, 10 und 48 Spalten. Bei dem Array mit 48 Spalten sind die äußeren Spalte der kreisförmigen Ausleuchtung des Spektrometereingangs angepasst und dadurch etwas kürzer als die inneren Spalte. Unter Verwendung der Spaltarrays mit 4 bzw. 10 Spalten und des Einzelspaltes wurden an einem Farbstoffspektrum (Kongorot) die in Fig. 3 gezeigten Summensignale gemessen. Die Wellenlängenangabe bezieht sich dabei nur auf die Messung mit dem Einzelspalt. Durch die Verwendung der Spaltarrays mit vier bzw. 10 Spalten konnte die Empfindlichkeit bei der Bestimmung der Intensität des breiten Untergrundsignales etwa auf das vier- bzw. zehnfache und die Empfindlichkeit bei der Bestimmung der Amplitude des schmalen Peaks bei etwa 650 nm etwa auf das zwei- bzw. dreifache gegenüber der Messung mit Einzelspalt gesteigert werden.
In Fig. 4 sind drei Diagramme a, b und c dargestellt, in denen die Intensität I über einem Weg x in der Ebene des Detektorarrays aufgetragen ist. a beinhaltet die durch einen Einzelspalt erzeugte Intensitätsverteilung, b zeigt Intensitätsverteilungen mit einem Spaltmuster m, das drei Einzelspalte aufweist, wobei die Intensitätsverteilungen 22, 23, 24 gegeneinander versetzt dargestellt sind. In c ist das Summenspektrum 25 erkennbar, wie es sich bei der spektralen Abbildung der drei Einzelspalte in der Ebene des Detektorarrays tatsächlich ergibt. Das Spaltarray 13 gemäß Fig. 5 weist ein Spaltmuster 26 mit 32 Rasterplätzen auf, von denen 19 durch Spalte besetzt sind. Das Spaltarray mit dem Muster 10101110110001001011011110001111 (1 = Spalt, 0 = kein Spalt) dient zur universellen Detektion mit erhöhtem Durchsatz. Das Spaltarray maximiert den Spektrometerdurchsatz, unterdrückt aber gleichzeitig keine Signalkomponente, so dass es auch möglich ist, das Spektrenbild eines Spektrometers mit Einzelspalt mit Gewinn aus den Messdaten des Mehrspaltspektrometers zu rekonstruieren. Das zugehörige Diagramm der Fig. 6 zeigt den Gewinn an Empfindlichkeit über der Ortsfrequenz, d. h. für jede einzelne Fourier-Komponente eines beliebigen zu messenden Spektrums. Es ist erkennbar, dass der Gewinn für alle Fourier-Komponenten größer als Eins ist. Das Minimum des Gewinns liegt bei einem Faktor von 1,18, das Maximum bei 19 für den Gleichanteil des gemessenen Signals (Ortsfrequenz 0), entsprechend der Anzahl der geöffneten Spalte des Spaltmusters. Im Durchschnitt wird ein Gewinn von 3,62 erreicht.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, die Breite einer gaussförmigen Spektrallinie, deren ungefähre Breite bekannt ist, genau zu bestimmen. Eine solche Breitenbestimmung erfolgt in der Regel durch Anpassen einer synthetischen Gausslinie an das gemessene Spektrum. Bei Verwendung einer Mehrspaltanordnung wäre demzufolge eine entsprechend dem Spaltmuster vervielfachte Gausslinie mit variabler Breite anzupassen. Zur Bestimmung des optimalen Spaltarrays wird die erste Ableitung der Gausslinie nach dem Breitenparameter bei der mittleren oder wahrscheinlichsten Linienbreite als quadratisch zu maximierendes Differenzsignal zugrundegelegt. Das entstehende Spaltarray ist dann besonders gut zur Bestimmung von Linienbreiten um diesen zugrundegelegten mittleren Breitenwert geeignet, kann aber durchaus auch noch bei stark abweichenden Breiten einen merklichen Gewinn bringen. Die Anzahl der verwendeten Spalte hängt, wie bereits betont, von der Bündelbarkeit des zu messenden Lichtes ab. Die Spaltmuster werden im Folgenden als Sequenzen aus Nullen und Einsen angegeben, wobei eine Null für einen geschlossenen Spalt und eine Eins für einen geöffneten Spalt steht. Zu jedem Spaltarray bzw. Spaltmuster ist ein Gewinn angegeben. Dieser gibt hier den Faktor an, um den das Detektorrauschen im Falle der Mehrspaltanordnung gegenüber der mit einzelnem Spalt höher sein kann, um den gesuchten Parameter mit gleicher Genauigkeit bestimmen zu können. Der Genauigkeitsgewinn bzgl. des Parameters hängt in der Regel nichtlinear vom Rauschen ab und ist daher nicht so einfach angebbar. So ist es zum Beispiel möglich, daß eine Linienbreite für ein bestimmtes Detektorrauschen noch auf 10% bestimmbar ist, für ein fünfmal so hohes Rauschen jedoch überhaupt keine Bestimmung der Linienbreite mehr möglich ist.
Ein Spaltmuster für die Optimierung der Messung der Linienbreite einer etwa 2 Pixel breiten Gausslinie hat bei einer Musterbreite von 128 Spalten folgendes Aussehen:
1111000011111000011111000011111000001111000011111000011111
0000111110000111110000111110000111100000111100001111100001
111100001111
Gewinn: 13.7311 (70 offene Positionen)
Optimierung für eine 0.5 Pixel breite Gausslinie: Musterbreite: 32 Spalte in folgender Verteilung: 10101010101010100101010101010101 Gewinn: 5.08047 (16 offene Positionen) Die vorstehend optimierten Spaltmuster bestehen aus einer Reihe von Gruppen geöffneter Spalte mit einer zur Linienbreite ungefähr proportionalen Anzahl von Einzelspalten. Die Spaltgruppen sind durch Lücken von etwa der selben Ausdehnung wie der der Spaltgruppen getrennt.
Überstreicht die mögliche Linienbreite einen größeren Bereich, so wird ein Spaltmuster gesucht, welches für beliebige Linienbreiten in einem bestimmten Bereich bei der spektralen Abbildung und Auswertung einen maximalen Vorteil bringt. Das Spaltmuster wird dabei so optimiert, daß das Minimum des Gewinns, also der Gewinn bei der am schlechtesten funktionierenden Linienbreite, maximal wird. Es ergibt sich bei dieser Vorgehensweise jeweils exakt das Spaltmuster, welches optimal für eine Linienbreitenbestimmung bei der kleinsten möglichen Linienbreite wäre. Lägen die möglichen Linienbreiten z.B. im Bereich zwischen 0.5 und vier Pixeln und die Breite des Spaltmusters wäre 32, so wäre das für eine mittlere Linienbreite von 0.5 Pixeln Breite optimale Spaltmuster 10101010101010100101010101010101 zu wählen und der Gewinn wäre für alle Linienbreiten mindestens 5.08047.
Auch mit zweidimensionalen Spaltarrays (Arrays mit zwei Spaltmustern) ist eine universelle Detektion mit erhöhtem Durchsatz möglich. In Fig. 7 ist beispielhaft ein aus zwei eindimensionalen
Einzelmustern bestehendes zweidimensionales Spaltmuster gezeigt. Die
Sequenzen der beiden Muster sind
10011110110001101001110101011011 bzw. 11100101010001010011111001001111. Unter der Annahme, daß das zur Verfügung stehende Licht nun auf die beiden Einzelmuster aufgeteilt werden muss, pro Muster also nur noch die halbe Intensität erzielt wird, ergibt sich immer noch ein Gewinn, welcher im Minimum einen Wert von 1.39, im Maximum einen Wert von 18.51 und im Durchschnitt einen Wert von 3.60 erreicht (Fig. 8).
Fig. 9 ist ein Beispiel dafür, dass man schmale Spalte durch eine Kombination breiterer Spalte mit unterschiedlicher Spaltbreite ersetzen und so Beugungsverluste minimieren kann. Dargestellt ist ein zweidimensionales Spaltarray mit Spalten von einfacher und doppelter Spaltbreite.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Bezusszeichenliste
10 Spektrometeranordnung
11 Lichtquelle
12 Licht
13 Spaltarray
14 Monochromator
15 Dispergierendes Element
16 Detektorarray
17 Messsignale
18 Kameraelektronik
19 Bilddaten
20 Auswerteeinrichtung
21 Ergebnis
22, 23, 24 Intensitätsverteilungen
25 Summenspektrum
26 Spaltmuster
131 bis 135 Spaltanordnungen
S Spektrum

Claims

Patentansprüche
1. Hochempfindliche Spektrometeranordnung bei der ein aus parallelen Einzelspalten bestehendes Spaltarray mit Hilfe einer in Breitenrichtung der Spalte dispergierenden optischen Einheit unter
Aufspaltung in Wellenlängen auf ein entsprechendes Detektorarray abgebildet wird, dessen Signale einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltarray wenigstens ein festes, applikationsbezogenes Spaltmuster mit mindestens zwei in Dispersionsrichtung um bestimmte Beträge versetzten Spalten aufweist, deren Spektrenbilder sich auf dem Detektorarray zu einem Summenspektrum überlappen, aus welchem die Auswerteeinrichtung direkt die für die Applikation zu bestimmenden Parameter extrahiert.
2. Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte gleich breit und in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind.
3. Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände einzelner Paare von benachbartem Spalten zur Erreichung einer applikationsspezifischen
Empfindlichkeitssteigerung gleich einem Vielfachen eines
Rastermaßes oder eines minimalen Spaltabstandes sind.
4. Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strahlformungsoptik, welche einen maximalen Anteil des der Spaltbeleuchtung dienenden Lichtes auf die Spalte des Spaltarrays lenkt.
5. Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Spaltarray aus mindestens zwei rechtwinklig zur Dispersionsrichtung angeordneten, übereinanderliegenden, vorzugsweise unterschiedlichen Mustern besteht und dem Spaltarray ein entsprechendes Detektorarray zugeordnet ist, welches die durch die einzelnen Muster erzeugten Summensignale separat erfassen kann.
6. Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass solche Muster verwendet werden, die sowohl ein direktes Extrahieren der Parameter als auch eine eindeutige Berechnung der Spektren zulassen.
7. Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Spalte unterschiedliche Breiten aufweisen.
8. Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltarray auswechselbar ausgebildet und das Muster in Abhängigkeit von der jeweiligen
Aufgabenstellung wählbar ist.
9. Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 und 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte in ungleichen Abständen voneinander angeordnet sind.
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