AT506814A4 - Detektor zur ermittlung eines absorptionsspektrums - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Absorptionsspektrums eines Mediums, wobei das Medium mit Licht einer Lichtquelle durchstrahlt wird und die Intensität des transmit-tierten Lichts nach dem Durchgang durch das Medium sowie ohne Durchgang durch das Medium mit einem Detektor mit mehreren in verschiedenen Spektralbereichen empfindlichen lichtempfindlichen Elementen gemessen wird, und aus den Verhältnissen der in allen Spektralbereichen gemessenen Lichtintensitäten die Absorptionswerte in allen Spektralbereichen und daraus das Absorptionsspektrum ermittelt wird.

Ebenso betrifft die Erfindung einen Detektor zur Ermittlung des Absorptionsspektrums eines Mediums, welches mit Licht einer Lichtquelle durchstrahlt wird, mit mehreren in verschiedenen Spektralbereichen empfindlichen lichtempfindlichen Elementen zur Messung der Intensität des transmittierten Lichts nach dem Durchgang durch das Medium sowie ohne Durchgang durch das Medium.

Das gegenständliche Verfahren und der gegenständliche Detektor sind hauptsächlich auf die Ermittlung des Absorptionsspektrums eines flüssigen Mediums gerichtet. Nichtsdestotrotz können nach dem gegenständlichen Verfahren und mit Hilfe des gegenständlichen Detektors auch gasförmige oder feste Medien vermessen und deren Absorptionsspektren ermittelt werden.

Bei der Lichtquelle handelt es sich üblicherweise um eine breitbandige Lichtquelle oder mehrere schmalbandige Lichtquellen in verschiedenen Frequenzbereichen.

Die Spektrometrie nützt die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Molekülen des zu untersuchenden Mediums aus, um dieses zu charakterisieren. Bei flüssigen Medien wird die Spektrometrie insbesondere dazu ausgenutzt, Konzentrationen von im Lösungsmittel gelösten oder suspensierten Stoffen zu bestimmen. Bei der Messung des Absorptionsspektrums flüssiger Medien wird derzeit oft die sogenannte UV/VIS Spektroskopie eingesetzt, bei der elektromagnetische Wellen im ultravioletten (UV) und sichtbaren Licht (VIS für „visible”) verwendet werden. Aber auch andere Wellenlängenbereiche werden eingesetzt. Oft ist das z.B.

der nahe Infrarotbereich (NIR) oder auch der ultraviolette (UV) Bereich ohne den sichtbaren Bereich. Die Moleküle des zu untersuchenden Mediums werden von den elektromagnetischen Wellen des Lichts bestrahlt. Jedes Atom und jedes Molekül besitzt bestimmte diskrete Energieniveaus, die von dem Atom bzw. Molekül in verschiedenen Anregungszuständen eingenommen werden können. Den Unterschieden zwischen diesen Niveaus entsprechen

Anregungsenergien. Trifft ein Photon auf das Atom bzw. Molekül, das eine solche Energie zur Verfügung stellen kann, kann das Photon absorbiert werden und das Atom bzw. Molekül geht in einen angeregten Zustand über. Auf diese Weise absorbieren Stoffe die Photonen von ganz bestimmten Energien. Durch die Interaktion der Atome bzw. Moleküle des zu untersuchenden Mediums untereinander werden die Anregungsenergien „verschmiert" und zu größeren Wellenlängen verschoben und ein breiteres Spektrum an Photonenenergien kann zur Anregung führen und somit absorbiert werden.

Welche Photonenenergie wie stark absorbiert wird, ist charakteristisch für jedes Molekül und stellt somit so etwas wie einen Fingerabdruck des Moleküls dar, über den es identifiziert werden kann.

Im einfachsten Fall besteht ein Spektrometer aus einer Lichtquelle, der Messstrecke, in welcher sich das zu untersuchende Medium befindet, und einem Detektor zur Aufnahme des durch das Medium hindurchstrahlenden Lichts. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Einstrahlspektrometer.

Beim sogenannten Zweistrahlspektrometer wird das Licht der Lichtquelle in zwei Strahlen aufgeteilt. Ein Strahl passiert die Messstrecke mit dem zu untersuchenden Medium, ein anderer Lichtstrahl passiert die Referenzstrecke, ohne das zu untersuchende Medium zu durchdringen. Danach werden die Lichtstrahlen zum Detektor geleitet. Die Intensitäten der zwei Lichtstrahlen werden im Detektor verglichen und aus dem Vergleich ein Rückschluss über das zu untersuchende Medium bzw. die Konzentrationen darin gelöster Stoffe getroffen. Die Referenzmessung muss nicht immer durchgeführt werden, sondern kann auch einmalig oder ab und zu vorgenommen werden. Die Referenzmessung immer durchzuführen macht die Messung jedoch stabiler, da mögliche Schwankungen, beispielsweise der Lichtquelle oder der Elektronik, ausgeglichen 3 werden.

Zur Ermittlung des Absorptionsspektrums wird das transmittierte Licht ohne Durchtritt durch das Medium und nach dem Durchtritt durch das zu untersuchende Medium üblicherweise in verschiedene Spektralbereiche aufgespaltet und auf verschiedene lichtempfindliche Elemente z.B. eines sogenannten Detektor-Arrays geleitet, wo die Lichtintensitäten in Abhängigkeit der Spektralbereiche gemessen werden. Zur Aufspaltung des Lichts in verschiedene Spektralbereiche dienen sogenannte dispersive Elemente, welche beispielsweise durch entsprechend ausgebildete Gitter, Prismen oder Filter realisiert werden können.

Neben derartigen simultan messenden Spektrometern kommen auch seriell messende Spektrometer mit einem einzelnen lichtempfindlichen Element zur Anwendung. Dabei wird aus dem gesamten Spektrum ein bestimmter Spektralbereich herausgeschnitten, der dann, mit Hilfe des lichtempfindlichen Elements, integral vermessen werden kann. Durch schrittweise Veränderung des Spektralbereichs können sequentiell die Lichtintensitäten in allen Spektralbereichen gemessen und daraus das ganze Absorptionsspektrum zusammengesetzt werden. Die Veränderung des Spektralbereichs kann durch entsprechende Verdrehung von dispersiven Elementen und einer Blende am Ausgang des optischen Systems zueinander erzielt werden. Alternativ dazu können auch unterschiedliche Filter, die von Messschritt zu Messschritt verändert werden, eingesetzt werden. Nachteilig beim seriell messenden Spektrometer ist, dass dieses aufgrund der beweglichen Komponenten komplex aufgebaut ist und somit auch nicht leicht miniaturisiert werden kann. Abgesehen von den beweglichen Teilen auch die resultierende längere Messdauer sowie die Probleme mit der Positioniergenauigkeit der beweglichen Elemente nachteilig.

Aber auch die bei den oben genannten simultan messenden Spektrometern eingesetzten dispersiven Elemente erhöhen die Baugröße des Detektors bzw. gesamten Spektrometers, wodurch eine Miniaturisierung nur beschränkt möglich ist.

Die DD 283 691 A5 beschreibt beispielsweise einen Detektor für ein Spektrometer der gegenständlichen Art, bei dem mehrere lichtempfindliche Elemente vorgesehen sind, welche jeweils in bestimmten Spektralbereichen ihre Empfindlichkeit aufweisen.

Nachteilig bei bekannten Spektrometern ist weiters, dass die effektive Dynamik des Detektors für verschiedene Spektralbereiche unterschiedlich ist. Bei Messungen im Ultraviolett-Bereich ist typischerweise im Bereich unter 250 nm Wellenlänge sehr wenig Energie im Spektrum vorhanden, welche mit abnehmender Wellenlänge weiter abnimmt. In diesem Bereich absorbieren viele Substanzen stark. Außerdem emittieren Lichtquellen, die im ultravioletten und sichtbaren Bereich eingesetzt werden, in diesem Spektralbereich wenig Licht und der Detektorwirkungsgrad ist in diesem Spektralbereich meist geringer als in anderen. Mit dem Detektorwirkungsgrad ist hier der gemeinsame Wirkungsgrad des dispersiven Elements oder der dispersiven Elemente des lichtempfindlichen Elements und aller weiteren nötigen Detektorbestandteile für die einzelnen Spektralbereiche gemeint. Es handelt sich also beim Detektorwirkungsgrad um das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elements und der Energie des einfallenden Lichts im zu diesem lichtempfindlichen Element gehörigen Spektralbereich. Bei einem Filterspektrometer wäre der Detektorwirkungsgrad der kombinierte spektrale Wirkungsgrad der verschiedenen optischen Bauteile sowie im Speziellen der zu den einzelnen Spektralbereichen gehörigen Filter und der lichtempfindlichen Elemente. Gerade dieser Wellenlängenbereich (unter 250 nm) ist jedoch für die Messung bestimmter im Medium gelöster Stoffe relevant und somit für die Messung des Absorptionsspektrums wesentlich.

Aus den lichtempfindlichen Elementen der einzelnen Spektralbereiche werden Werte bzw. Signale ausgelesen. Diese können z.B. die Counts eines Analog-Digitalwandlers sein. Unter der Dynamik des lichtempfindlichen Elements ist das Verhältnis zwischen maximalem und minimalem Wert, der ausgelesen werden kann, zu verstehen. Damit haben die einzelnen lichtempfindlichen Elemente grundsätzlich die gleiche Dynamik, da jedes der lichtempfindlichen Elemente den gleichen maximalen Wert liefert, wenn es voll belichtet wird. Durch die oben erwähnten Effekte ist bedingt, dass die lichtempfindlichen Elemente bestimmter Spektralbereiche (z.B. UV-Bereich unter 250 nm) fast immer deutlich kleinere Wer- te ausgeben als lichtempfindliche Elemente anderer Spektralbereiche. Somit kann bei gleicher Belichtungszeit für alle lichtempfindlichen Elemente der theoretische Maximalwert bei den lichtempfindlichen Elemente bestimmter Spektralbereiche (z.B. Ultraviolett-Bereich unter 250 nm) nicht erreicht werden, ohne die lichtempfindlichen Elemente anderer Spektralbereiche zu übersteuern bzw. überzubelichten. Das schränkt die tatsächlich erreichbare Dynamik bei den lichtempfindlichen Elementen bestimmter Spektralbereiche (z.B. Ultraviolett-Bereich unter 250 nm) ein. Bei dieser tatsächlich erreichbaren Dynamik handelt es sich um die sogenannte „effektive Dynamik".

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines oben genannten Verfahrens, durch das das Absorptionsspektrum eines Mediums auch in Bereichen mit üblicherweise niedriger effektiver Dynamik ausreichend genau ermittelt werden kann. Unter effektiver Dynamik ist dabei das Verhältnis zwischen größtem und kleinstem ermittelbaren Lichtintensitätswert in einem bestimmten Spektralbereich zu verstehen. Der verfahrenstechnische Aufwand soll möglichst gering und das Verfahren somit kostengünstig sein.

Ebenso besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines oben genannten Detektors zur Ermittlung des Absorptionsspektrums eines Mediums, mit dem auch Spektralbereiche mit üblicherweise geringer effektiver Dynamik ausreichend genau erfasst werden können. Der Detektor soll möglichst einfach und kostengünstig und zusätzlich möglichst klein herstellbar sein. Nachteile bekannter Verfahren bzw. Einrichtungen sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein oben genanntes Verfahren, bei dem die Fläche der lichtempfindlichen Elemente bestimmter Spektralbereiche auf die typischen Intensitäten des transmittierten Lichts in diesen Spektralbereichen abgestimmt wird. Durch diese Abstimmung der Fläche der lichtempfindlichen Elemente bestimmter Spektralbereiche auf die typischen Intensitäten des transmittierten Lichts in diesen Spektralbereichen, kann eine einfache Kompensation des üblicherweise ungleichmäßigen Verlaufs des Spektrums erzielt werden. Die

Abstimmung bzw. Anpassung der Fläche der einzelnen lichtempfindlichen Elemente kann besonders einfach durch Anordnung einer gewünschten Anzahl gleich großer lichtempfindlicher Elemente nebeneinander erfolgen. Erfindungsgemäß wird also die Empfindlichkeit des Detektors für verschiedene Spektralbereiche an die Charakteristik des zu vermessenden Spektrums angepasst, indem die aktive Fläche der Summe der einzelnen lichtempfindlichen Elemente entsprechend angepasst wird. Das Spektrum des transmit-tierten Lichts ist vorwiegend durch das Absorptionsspektrum des Mediums, aber auch durch das Spektrum der Lichtquelle bestimmt.

Vorzugsweise wird die Fläche der lichtempfindlichen Elemente bestimmter Spektralbereiche zusätzlich auf den Wirkungsgrad der lichtempfindlichen Elemente in diesen Spektralbereichen abgestimmt. Dadurch können die Unterschiede der Wirkungsgrade der lichtempfindlichen Elemente in den verschiedenen Spektralbereichen berücksichtigt werden.

Insbesondere wird die Fläche der lichtempfindlichen Elemente jener Spektralbereiche mit kleineren Intensitäten des transmit-tierten Lichts größer als die Fläche der lichtempfindlichen Elemente jener Spektralbereiche mit größeren Intensitäten des transmittierten Lichts ausgebildet werden. Die lichtempfindlichen Elemente der Spektralbereiche, in welchen weniger Lichtintensität erwartet wird, werden somit größer ausgebildet als die lichtempfindlichen Elemente jener Spektralbereiche, in denen höhere Lichtintensitäten erwartet werden.

Zusätzlich ist es von Vorteil^wenn die Fläche der lichtempfindlichen Elemente an den Wirkungsgrad der lichtempfindlichen Elemente angepasst wird, indem die Fläche der lichtempfindlichen Elemente mit niedrigem Wirkungsgrad gegenüber der Fläche der lichtempfindlichen Elemente mit hohem Wirkungsgrad vergrößert wird. Üblicherweise ist die Gesamtfläche des Detektors limitiert, weshalb die Fläche der lichtempfindlichen Elemente mit niedrigerem Wirkungsgrad auf Kosten der Flächen der lichtempfindlichen Elemente mit hohem Wirkungsgrad vergrößert wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fläche der lichtempfindlichen Elemente umgekehrt proportio- 7 nal zum Produkt des Integrals der Intensität des transmittierten Lichts und dem Wirkungsgrad des lichtempfindlichen Elements im jeweiligen Spektralbereich gewählt wird. Durch dieses Verhältnis kann eine optimale Kompensation der unregelmäßigen Verteilung eines üblichen Spektrums des transmittierten Lichts und dem Wirkungsgrad des lichtempfindlichen Elements erfolgen. Das Spektrum des transmittierten Lichts ergibt sich aus der Abschwächung der Lichtenergie in den einzelnen Spektralbereichen nach dem Durchtritt durch das Medium und dem ursprünglichen Lichtspektrum ohne Durchtritt durch das Medium. Nach dem Beer-Lambert'sehen Gesetz ist die Lichtintensität für eine bestimmte Wellenlänge durch den folgenden Zusammenhang bestimmt: wobei I0 die Lichtintensität der Lichtquelle, d die Dicke des vom Licht durchquerten Mediums und A der Absorptionswert ist. Die Fläche unter dem Spektrum der Intensität Ii des transmittierten Lichts innerhalb eines bestimmten Spektralbereichs Δλι entspricht der Energie des transmittierten Lichts in diesem Spektralbereich Δλί . Mit Δλι ist hier und im Weiteren der Spektralbereich gemeint, der vom i-ten lichtempfindlichen Element gemessen wird, also z.B. der Bereich von 240 nm bis 260 nm. Idealerweise wird nunmehr die Fläche Si der lichtempfindlichen Elemente bestimmter Spektralbereiche Δλι umgekehrt proportional zu dieser Energie in dem genannten Spektralbereich Δλ± gewählt.

Beim gegenständlichen Verfahren sind mehrere lichtempfindliche Elemente für verschiedene Spektralbereiche vorgesehen. Diese lichtempfindlichen Elemente können durch ihren Aufbau für bestimmte Spektralbereiche empfindlich sein, oder gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung auch entsprechende Filter mit einer Durchlässigkeit in den jeweiligen Spektralbereichen aufweisen, die den lichtempfindlichen Elementen entsprechend vorgeordnet sind. Je nach Aufbau der lichtempfindlichen Elemente, beispielsweise in Form von Fotodioden, Fotomultipliern oder ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen (CCD - Charge-Coupled Devices), können die Filter auch direkt auf dem Substrat der Elemente aufgebracht, beispielsweise aufgedampft werden und in diesen integriert sein. Sind an den Stellen von bestimmten 8 lichtempfindlichen Elementen bestimmte Bereiche des Spektrums stärker ausgeprägt, so ist es vorteilhaft die Filter so über den lichtempfindlichen Elementen anzuordnen, dass jeweils jener Wellenlängenbereich empfangen wird, der an der jeweiligen Stelle stärker ausgeprägt ist. Für die Messung von Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten, insbesondere Wasser im Umweltbereich wird die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich um 220 nm, vorzugsweise zwei bis vier mal so groß gewählt wie die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich von etwa 300 bis 400 nm. Diese Zusammenhänge werden je nach Anwendung entsprechend gewählt.

In diesem Fall kann auch die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich um 250 nm beispielsweise ein bis dreimal so groß gewählt werden, wie die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich von etwa 300 bis 400 nm. Durch diese Maßnahme wird der bei der Vermessung von Wasserinhaltsstoffen typischerweise starken Absorption des Mediums, der geringen Lichtenergie der Lichtquelle und dem geringen Wirkungsgrad der lichtempfindlichen Elemente im Bereich der Wellenlängen um 250 nm bzw. darunter Rechnung getragen.

Weiters ist es bei vielen Anwendungen von Vorteil wenn die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich über 430 nm, also im sichtbaren Bereich halb bis gleich groß gewählt wird wie die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich von etwa 300 bis 400 nm.

Wenn das Licht der Lichtquelle ohne das Medium zu durchstrahlen einem lichtempfindlichen Referenzelement zugeführt wird, können Veränderungen der Lichtquelle, beispielsweise durch Alterung oder Änderungen der Messbedingungen, wie z.B. Temperatur oder dgl. berücksichtigt werden.

Dabei ist es von Vorteil, wenn das Licht der Lichtquelle ohne das Medium zu durchstrahlen einem lichtempfindlichen Referenzelement des Detektors zugeführt wird. Dadurch ist eine Kompensation der Leistungsschwankungen der Lichtquelle möglich, indem das Licht von der Lichtquelle, ohne das zu vermessende Medium zu 9 durchqueren, dem Referenzelement zugeführt wird. Wenn das Referenzelement auf einem gemeinsamen Träger mit den übrigen lichtempfindlichen Elementen angeordnet ist, können durch Verarbeitung der vom Referenzelement und von den übrigen lichtempfindlichen Elementen herrührenden Signale viele Störfaktoren, wie unterschiedliche Elektronik, unterschiedliches Timing, unterschiedliche Temperaturschwankungen der Elektronik, unterschiedliche Software-Algorithmen zur Auslesung, elektromagnetische Störungen etc., vermieden oder deren Einfluss auf die Messergebnisse minimiert werden.

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch einen oben genannten Detektor, bei dem die Fläche der lichtempfindlichen Elemente bestimmter Spektralbereiche in Abhängigkeit der typischen Intensitäten des transmittierten Lichts in diesen Spektralbereichen abgestimmt ist. Dadurch können Schwankungen im Absorptionsspektrum kompensiert und zufriedenstellende Messungen auch in Bereichen üblicherweise niedrigerer effektiver Dynamik ermöglicht werden.

Vorteilhafterweise ist die Fläche der lichtempfindlichen Elemente bestimmter Spektralbereiche zusätzlich auf den Wirkungsgrad der lichtempfindlichen Elemente in diesen Spektralbereichen abgestimmt .

Dabei wird insbesondere die Fläche der lichtempfindlichen Elemente jener Spektralbereiche mit kleineren Intensitäten des transmittierten Lichts größer, als die Fläche der lichtempfindlichen Elemente jener Spektralbereiche mit größeren Intensitäten des transmittierten Lichts ausgebildet. Unter dem transmittierten Licht ist das auf den Detektor auftreffende Licht zu verstehen.

Zusätzlich ist es von Vorteil wenn die Fläche der lichtempfindlichen Elemente an den Wirkungsgrad der lichtempfindlichen Elemente angepasst ist, indem die Fläche der lichtempfindlichen Elemente mit niedrigem Wirkungsgrad gegenüber der Fläche der lichtempfindlichen Elemente mit hohem Wirkungsgrad vergrößert ist.

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Wie bereits oben erwähnt ist es von Vorteil, wenn die Fläche der lichtempfindlichen Elemente jedes Spektralbereichs umgekehrt proportional zum Produkt des Integrals der Intensität des trans-mittierten Lichts und dem Wirkungsgrad des lichtempfindlichen Elements im jeweiligen Spektralbereich ist. Auf diese Weise kann eine optimale Berücksichtigung der unregelmäßigen Dynamik im gesamten Spektralbereich erfolgen.

Um eine größere Fläche der lichtempfindlichen Elemente jener Spektralbereiche mit kleineren Intensitäten des transmittierten Lichts zu erzielen, können auch mehrere lichtempfindliche Elemente gleicher Fläche dieser Spektralbereiche im Detektor angeordnet werden.

Zur Erzielung der spektralen Differenzierung der Lichtstrahlen können vor den jeweiligen lichtempfindlichen Elementen Filter mit einer Durchlässigkeit in den zu den lichtempfindlichen Elementen gehörigen Spektralbereichen angeordnet sein. Wie bereits oben erwähnt können diese Filter auch in den lichtempfindlichen Elementen integriert sein.

Die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich um 220 nm ist beispielsweise zwei bis vier mal so groß ausgebildet wie die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich von etwa 300 bis 400 nm.

Es ist auch von Vorteil, wenn die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich um 250 nm ein bis dreimal so groß ist, wie die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich von etwa 300 bis 400 nm. Dadurch wird, wie bereits oben erwähnt, der typischerweise hohen Absorption des Mediums, der geringen Lichtenergie der Lichtquelle und dem geringen Wirkungsgrad der lichtempfindlichen Elemente im Bereich um 250 nm und darunter Rechnung getragen.

Weiters ist es von Vorteil wenn die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich über 430 nm halb bis gleich groß ist wie die Fläche der lichtempfindlichen Elemente im Spektralbereich von etwa 300 bis 400 nm.

Um eine Kompensation von Leistungsschwankungen der Lichtquelle und anderen Instabilitäten des Systems zu erzielen, ist vorzugsweise zumindest ein lichtempfindliches Referenzelement zur direkten Messung von Licht der Lichtquelle ohne Durchstrahlung des Mediums vorgesehen. Für bestimmte Anwendungen kann es von Vorteil sein, dass alle lichtempfindlichen Elemente und allenfalls alle lichtempfindlichen Referenzelemente in Form einer zweidimensionalen Matrix oder entlang einer Linie angeordnet sind. Für eine einfache Herstellung und einen hohen Grad an Miniaturisierung ist es weiters von Vorteil, dass alle lichtempfindlichen Elemente und allenfalls alle lichtempfindlichen Referenzelemente auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Insbesondere können alle lichtempfindlichen Elemente und allenfalls Referenzelemente in Chip-Technologie auf einem Wafer hergestellt werden. Dabei können gleich beim Herstellungsschritt die entsprechenden Verhältnisse der Flächen der lichtempfindlichen Elemente in allen Spektralbereichen berücksichtigt werden. Ein derartiger Detektor ist unter der Voraussetzung entsprechend hoher Stückzahlen relativ kostengünstig herstellbar und liefert auch in Bereichen mit üblicherweise geringer effektiver Dynamik hervorragende Messwerte.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass das zumindest eine lichtempfindliche Referenzelement seitlich am Träger angeordnet ist. Durch diese seitliche Anordnung des Referenzelements wird eine optische Trennung des Referenzelements von den übrigen lichtempfindlichen Elementen erzielt, so dass der direkte Lichtstrahl unter Verwendung entsprechender optischer Elemente vom Licht, welches durch das Medium durchtritt, getrennt werden kann.

Ebenso ist es möglich, dass das zumindest eine lichtempfindliche Referenzelement von den übrigen lichtempfindlichen Elementen durch ein optisches Trennelement, beispielsweise eine entsprechende Trennwand, separiert wird.

Weiters kann vor dem zumindest einen lichtempfindlichen Referen-

zelement ein Lichtleiter zur Führung des Lichts der Lichtquelle angeordnet sein.

Die lichtempfindlichen Elemente können, wie bereits oben erwähnt, beispielsweise durch Fotodioden oder ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente (CCD - Charge-Coupled Devices) gebildet sein.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen, welche Prinzipskizzen und Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, näher erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild eines Zweistrahl-Spek-trometers;

Fig. 2 ein typisches Absorptionsspektrum eines flüssigen Mediums ;

Fig. 3a bis 3c verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Detektors; und

Fig. 4a bis 4c verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für die zusätzliche Referenzmessung zur Kompensation von Leistungsschwankungen der Lichtquelle.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines typischen Zweistrahl-Spektrometers umfassend eine Lichtquelle 1 zur Aussendung von Licht im gewünschten Spektralbereich, beispielsweise im ultravioletten und sichtbaren Wellenlängenbereich. Das Licht der Lichtquelle 1 wird einerseits durch das zu messende Medium 2 entlang einer Messstrecke 3 und in das Licht entlang einer Referenzstrecke 4 aufgespaltet. Die Lichtstrahlen werden zusammengeführt, an einem dispersiven Element 5, wie z.B. einem Gitter oder Prisma in verschiedene Spektralbereiche aufgespaltet und einem Detektor 6 zugeführt. Der Detektor 6 besteht aus einem Ar-ray lichtempfindlicher Elemente 7, welche jeweils das räumlich aufgespaltete Licht in den verschiedenen Spektralbereichen Δλί erfassen. Aus den gemessenen Intensitäten Ii des transmittierten ·· ·· ···· ·· ···· * · · « · · · · • · · · *·· · · ··· • · · · · c>·· « *..· » · f · · ·· ·· ··# ·· ···

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Lichts der einzelnen lichtempfindlichen Elemente 7 können die Absorptionswerte AL in allen Spektralbereichen Δλι und daraus das Absorptionsspektrum A= f(λ), welches für das Medium 2 charakteristisch ist, ermittelt werden. Insbesondere bei der Untersuchung flüssiger Medien wird vorzugsweise Licht im ultravioletten, sichtbaren und nahen Infrarot im Spektralbereich verwendet.

Fig. 2 zeigt ein typisches Absorptionsspektrum A= f(λ) eines flüssigen Mediums 2, beispielsweise von Wasser, welches im Wellenlängenbereich von 200 bis 250 nm besonders hohe Absorptionswerte A aufweist. In diesem Bereich ist somit die effektive Dynamik, d.h das Verhältnis zwischen größtem und kleinstem messbaren Wert besonders gering. Ziel der gegenständlichen Erfindung ist es, die effektive Dynamik auch in Spektralbereichen Δλ* mit hohen Absorptionswerten Ai zu erhöhen. Weiters sind in Fig. 2 die Flächenverhältnisse Si zu S0 der verschiedenen lichtempfindlichen Elemente 7 in verschiedenen Spektralbereichen Δλι gemäß der vorliegenden Erfindung eingetragen, worauf unten noch näher eingegangen werden wird.

Fig. 3a zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Detektors 6, der aus acht verschiedenen lichtempfindlichen Elementen 7 besteht. Erfindungsgemäß ist die Fläche Si der lichtempfindlichen Elemente 7 auf die Intensitäten Ii des transmittierten Lichts im jeweiligen Spektralbereich Δλι des jeweiligen lichtempfindlichen Elements 7 abgestimmt. Beispielsweise ist die Fläche S des lichtempfindlichen Elements 7 im Spektralbereich Δλ um 220 nm zwei bis vier mal so groß ausgebildet wie die Fläche A der lichtempfindlichen Elemente 7 im Spektralbereich Δλι von etwa 300 bis 400 nm. Die Fläche S des lichtempfindlichen Elements 7 im Spektralbereich Δλι bei 250 nm ist beispielsweise drei mal so groß wie die Fläche SA der lichtempfindlichen Elemente 7, die für Spektralbereiche oberhalb 500 nm ausgelegt sind. Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 mit den Dreieck-Symbolen veranschaulicht, welche das Verhältnis der Flächen S^ der lichtempfindlichen Elemente 7 zu einer Referenzfläche S0 in Abhängigkeit der Wellenlänge λ zeigen. Durch diese unterschiedliche Wahl der Größe der Fläche Si der einzelnen lichtempfindlichen Elemente 7 im jeweiligen Spektralbereich Δλι, wird eine Anpassung der Empfindlichkeit des Detektors 6 für verschiedene Spektralbereiche Δλι an die Charakteristik des Spektrums der Intensität Ii des transmittierten Lichts erzielt.

Fig. 3b zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die einzelnen lichtempfindlichen Elemente 7 des Detektors 6 gleich groß ausgebildet sind und die Anpassung der Flächen Si durch entsprechende Anzahl lichtempfindlicher Elemente 7 in den jeweiligen Spektralbereichen Αλ* erreicht wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3c sind sämtliche lichtempfindliche Elemente 7 des Detektors 6 entlang einer Linie angeordnet, was für bestimmte Anwendungen von Vorteil sein kann.

Fig. 4a zeigt eine weitere Ausführungsform eines Detektors 6, bei dem ein lichtempfindliches Referenzelement 8 zur Kompensation von Schwankungen des Lichts der Lichtquelle 1 vorgesehen ist. Beim dargestellten Beispiel sind sämtliche lichtempfindliche Elemente 7 und das lichtempfindliche Referenzelement 8 auf einem gemeinsamen Träger 9 angeordnet. Vor den lichtempfindlichen Elementen 7 können entsprechende Filter 10 angeordnet sein, die im jeweiligen Spektralbereich Αλί die Lichtstrahlen durchlassen.

Auch vor dem lichtempfindlichen Referenzelement 8, welches im dargestellten Beispiel seitlich am Träger 9 angeordnet ist, kann ein entsprechender Filter 11 vorgesehen sein. Die direkt von der Lichtquelle 1 herrührenden Lichtstrahlen werden vom lichtempfindlichen Referenzelement 8 aufgenommen, während die lichtempfindlichen Elemente 7 in den unterschiedlichen Spektralbereichen Αλί das über das zu messende Medium 2 und entsprechende Spiegel 12 oder dgl. geleitete Licht erfassen, woraus das Absorptionsspektrum A= f(λ) ermittelbar ist.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4b sind die lichtempfindlichen Elemente 7 und das lichtempfindliche Referenzelement 8 nebeneinander am Träger 9 angeordnet und durch ein Trennelement 13 von einander getrennt. Auf diese Weise kann das direkte Licht der Lichtquelle 1, allenfalls über entsprechende Spiegel 12 oder dgl., zum lichtempfindlichen Referenzelement 8 und das durch das Medium 2 gehende Licht zu den entsprechenden lichtempfindlichen Elementen 7 gelangen. * * • · · • · t» · • · • ···

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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4c ist das lichtempfindliche Referenzelement 8 mit einem Lichtleiter 14 verbunden, so dass das von der Lichtquelle 1 herrührende Licht direkt vom lichtempfindlichen Referenzelement 8 erfasst werden kann.

Abschließend sei noch erwähnt, dass prinzipiell eine Verbesserung der effektiven Dynamik auch durch Auswahl der Lichtquelle 1 bzw. deren Spektrum vorgenommen werden kann. Das Spektrum der Lichtquelle 1 beeinflusst ebenfalls das Spektrum des transmit-tierten Lichts, allerdings im geringeren Ausmaß als das Absorptionsspektrum des zu messenden Mediums 2. Durch geschickte Wahl der dispersiven Elemente und/oder der lichtempfindlichen Elemente kann der Wirkungsgrad der lichtempfindlichen Elemente in den einzelnen Spektralbereichen verändert und damit die effektive Dynamik verbessert werden.

Claims (29)

1. ·· ··· * · · • · ··· **♦ « ·· ·· ···· » · · · · • · · · ··· 16 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Ermittlung des Absorptionsspektrums eines Mediums (2), wobei das Medium (2) mit Licht einer Lichtquelle (1) durchstrahlt wird und die Intensität des transmittierten Lichts nach dem Durchgang durch das Medium (2) sowie ohne Durchgang durch das Medium (2) mit einem Detektor (6) mit mehreren in verschiedenen Spektralbereichen (ΔλΑ) empfindlichen lichtempfindlichen Elementen (7) gemessen wird, und aus den Verhältnissen der in allen Spektralbereichen (Δλί) gemessenen Lichtintensitäten (Ii) die Absorptionswerte (Ai) in allen Spektralbereichen (Δλί) und daraus das Absorptionsspektrum ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) bestimmter Spektralbereiche (Δλί) auf die typischen Intensitäten (Ij) des transmittierten Lichts in diesen Spektralbereichen (Δλ3) abgestimmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) bestimmter Spektralbereiche (AXj) zusätzlich auf den Wirkungsgrad (η) der lichtempfindlichen Elemente (7) in diesen Spektralbereichen (AXj) abgestimmt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) jener Spektralbereiche (AXj) mit kleineren Intensitäten (IJ des transmittierten Lichts größer als die Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) jener Spektralbereiche (AXk) mit größeren Intensitäten (IJ des transmittierten Lichts ausgebildet werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) an den Wirkungsgrad (η) der lichtempfindlichen Elemente (7) angepasst wird, indem die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) mit niedrigem Wirkungsgrad (η) gegenüber der Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) mit hohem Wirkungsgrad (η) vergrößert wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Si) der lichtempfindlichen Elemente (7) umgekehrt propor- 4 ·♦ ···· • · · • · ··· ·· · • · · • · ··· - +* · • · ·· ··· ··· ·· • · ···· - 17 -tional zum Produkt des Integrals der Intensität (Ii) des trans-mittierten Lichts und dem Wirkungsgrad (η) des lichtempfindlichen Elements (7) im jeweiligen Spektralbereich (Δλ±) gewählt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor den lichtempfindlichen Elementen (7) Filter (10) mit einer Durchlässigkeit in den jeweiligen Spektralbereichen (Δλι) der lichtempfindlichen Elemente (7) angeordnet werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Si) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλι) um 220 nm zwei bis vier mal so groß gewählt wird, wie die Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλι) von etwa 300 bis 400 nm.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (S±) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλι) um 250 nm ein bis drei mal so groß gewählt wird, wie die Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλ±) von etwa 300 bis 400 nm.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Si) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλι) über 430 nm halb bis gleich groß gewählt wird, wie die Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλι) von etwa 300 bis 400 nm.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle (1) ohne das Medium (2) zu durchstrahlen einem lichtempfindlichen Referenzelement (8) zugeführt wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquelle (1) ohne das Medium (2) zu durchstrahlen einem lichtempfindlichen Referenzelement (8) des Detektors (6) zugeführt wird.
12. 12. Detektor (6) zur Ermittlung des Absorptionsspektrums eines Mediums (2), welches mit Licht einer Lichtquelle (1) durch- strahlt wird, mit mehreren in verschiedenen Spektralbereichen (Δλ±) empfindlichen lichtempfindlichen Elementen (7) zur Messung der Intensität des transmittierten Lichts nach dem Durchgang durch das Medium (2) sowie ohne Durchgang durch das Medium (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) bestimmter Spektralbereiche (Δλ-j) in Abhängigkeit der typischen Intensitäten (IJ des transmittierten Lichts in diesen Spektralbereichen (Δλ-j) abgestimmt ist.
13. 13. Detektor (6) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) bestimmter Spektralbereiche (Δλ^) zusätzlich auf den Wirkungsgrad (η) der lichtempfindlichen Elemente (7) in diesen Spektralbereichen (Δλί) abgestimmt ist.
14. 14. Detektor (6) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) jener Spektralbereiche (ΔλΑ) mit kleineren Intensitäten (I±) des transmittierten Lichts größer als die Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) jener Spektralbereiche (Δλκ) mit größeren Intensitäten (Ik) des transmittierten Lichts ausgebildet ist.
15. 15. Detektor (6) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) an den Wirkungsgrad der lichtempfindlichen Elemente (7) angepasst ist, indem die Fläche (Sj) der lichtempfindlichen Elemente (7) mit niedrigem Wirkungsgrad (η) gegenüber der Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) mit hohem Wirkungsgrad (η) vergrößert ist.
16. 16. Detektor (6) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (S±) der lichtempfindlichen Elemente (7) umgekehrt proportional zum Produkt des Integrals der Intensität (IJ des transmittierten Lichts und dem Wirkungsgrad (η) des lichtempfindlichen Elements (7) im jeweiligen Spektralbereich (Δλ*) ist.
17. 17. Detektor (6) nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere lichtempfindliche Elemente (7) gleicher Fläche (Sj) jener Spektralbereiche (AXj) mit kleineren Intensitäten (li) des transmittierten Lichts vorgesehen sind. ·· Μ ···· ·· ···. ·· ····· ·#· «· • · · · ··· · · ··· · • · · » · ·.· « ( *+*· · ♦ ♦· ·· ··· ·· #·· ΦΦ00 - 19 -
18. 18. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor den lichtempfindlichen Elementen (7) Filter (10) mit einer Durchlässigkeit in den zu den lichtempfindlichen Elementen (7) gehörigen Spektralbereichen (Δλί) angeordnet sind.
19. 19. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Sj.) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλί) um 220 nm zwei bis vier mal so groß ist, wie die Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλ*) von etwa 300 bis 400 nm.
20. 20. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Si) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλί) um 250 nm ein bis drei mal so groß ist, wie die Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλί) von etwa 300 bis 400 nm.
21. 21. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (Si) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλί) über 430 nm halb bis gleich groß ist, wie die Fläche (Sk) der lichtempfindlichen Elemente (7) im Spektralbereich (Δλί) von etwa 300 bis 400 nm.
22. 22. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein lichtempfindliches Referenzelement (8) zur direkten Messung von Licht der Lichtquelle (1) ohne Durchstrahlung des Mediums (2) vorgesehen ist.
23. 23. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass alle lichtempfindlichen Elemente (7) und allenfalls alle lichtempfindlichen Referenzelemente (8) in Form einer zweidimensionalen Matrix oder entlang einer Linie angeordnet sind.
24. 24. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass alle lichtempfindlichen Elemente (7) und allenfalls alle lichtempfindlichen Referenzelemente (8) auf einem gemeinsamen Träger (9) angeordnet sind. % * ·· ·· ··#· ·* »· • · • · • · • · • ··· • · · * » ·*· • • • • * • ' * · « • • • • · • • · • ·· ·· ··· 20 ·· ··« • · · 1
25. 25. Detektor (6) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine lichtempfindliche Referenzelement (8) seitlich am Träger (9) angeordnet ist.
26. 26. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem zumindest einen lichtempfindlichen Referenzelement (8) und den lichtempfindlichen Elementen (7) ein optisches Trennelement (13) angeordnet ist.
27. 27. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem zumindest einen lichtempfindlichen Referenzelement (8) ein Lichtleiter (14) zur Führung des Lichts der Lichtquelle (1) vorgesehen ist.
28. 28. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 12 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Elemente (7) und Referenzelemente (8) durch Fotodioden gebildet sind.
29. 29. Detektor (6) nach einem der Ansprüche 12 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindlichen Elemente (7) und Referenzelemente (8) durch ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente (CCD - Charge-Coupled Devices) gebildet sind.