DE102010047061A1 - Optical spectrometer has several optoelectronic detection elements arranged in detector in series along incident direction of diffracted light, which have optoelectronic transducers to detect different spectral detection ranges - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer mit einem Gehäuse, das einen Eintrittsspalt aufweist, einem Beugungsgitter und einem ortsauflösenden Detektor mit mehreren optoelektronischen Detektionselementen, wobei das Beugungsgitter Licht, dass durch den Eintrittsspalt in das Gehäuse fällt, wellenlängenabhängig in Richtung unterschiedlicher Detektorelemente beugt. In derartigen Spektrometern können darüber hinaus auf bekannte Weise weitere optische Elemente wie Linsen oder Spiegel angeordnet sein.The invention relates to an optical spectrometer with a housing, which has an entrance slit, a diffraction grating and a spatially resolving detector with a plurality of optoelectronic detection elements, wherein the diffraction grating diffracts light, which falls through the entrance slit in the housing, depending on wavelength in the direction of different detector elements. Moreover, in such spectrometers further optical elements such as lenses or mirrors can be arranged in a known manner.
Im Sinne der Erfindung ist Licht jede mit optischen Mitteln manipulierbare elektromagnetische Strahlung und schließt insbesondere ultraviolette (UV) und infrarote (IR) Strahlung ein.For the purposes of the invention, light is any electromagnetic radiation that can be manipulated by optical means and, in particular, includes ultraviolet (UV) and infrared (IR) radiation.
Optoelektronische Halbleiterdetektoren weisen je nach Bauart eine spektral eingeschränkte Nachweisempfindlichkeit für Licht auf. Um Proben spektrometrisch in einem breiten, (engl. „wide”) Spektralbereich vermessen zu können, werden in der Regel mehrere Spektrometer mit spektral unterschiedlichen Detektionsbereichen eingesetzt, wobei die Detektionsbereiche der verschiedenen Spektrometer einander typischerweise spektral teilweise überlappen. Ein solches Spektrometersystem ist beispielsweise in
Unterschiedliche spektrale Detektionsbereiche liegen vor, wenn die Halbleiterdetektoren der beiden Spektrometer eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeitskurve aufweisen, wenn also die unteren Grenzwellenlängen der Spektrometer nicht identisch sind oder die oberen Grenzwellenlängen der Spektrometer nicht identisch sind. Die Grenzwellenlängen des Detektionsbereiches eines Spektrometers beschreiben den spektralen Detektionsbereich seines Detektors, der beispielsweise dadurch definiert ist, dass der Detektor in dem betreffenden Wellenlängenbereich mindestens 10% seiner maximalen spektralen Empfindlichkeit aufweist. Unabhängig von dieser Spezifikation kann ein Detektor aber auch in bestimmten Anwendungsfällen in einem breiteren Spektralbereich verwendet werden, wenn die dann eingeschränkte Empfindlichkeit genügt.Different spectral detection ranges are present when the semiconductor detectors of the two spectrometers have a different spectral sensitivity curve, that is to say when the lower limit wavelengths of the spectrometers are not identical or the upper limit wavelengths of the spectrometers are not identical. The cut-off wavelengths of the detection range of a spectrometer describe the spectral detection range of its detector, which is defined for example in that the detector has at least 10% of its maximum spectral sensitivity in the relevant wavelength range. Regardless of this specification, a detector can also be used in certain applications in a broader spectral range, if the then limited sensitivity is sufficient.
Beispielsweise wird für einen gesamten Spektralbereich von 400 nm bis 1680 nm ein erstes Spektrometer mit einem Silizium-Detektor (Si), der einen Detektionsbereich von 400 nm bis 1100 nm aufweist, und ein zweites Spektrometer mit einem Indium-Gallium-Arsenid-Detektor (InGaAs), der einen Detektionsbereich von 950 nm bis 1680 nm aufweist, eingesetzt, weil Si-Detektoren nur bis maximal 1100 nm eine brauchbare Nachweisempfindlichkeit aufweisen. In der Nähe der oberen Grenzwellenlänge ist die Nachweisempfindlichkeit von Si-Detektoren gering und sie weisen hinsichtlich der von ihnen abgegebenen Signalamplitude eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Für den langwelligeren Teil des Spektrums wird in der Regel in dem zweiten Spektrometer ein gegenüber dem Si-Detektor kostenaufwendigerer InGaAs-Detektor eingesetzt, dessen Nachweisempfindlichkeit vorteilhafterweise weniger temperaturabhängig ist, jedoch ein höheres Rauschen aufweist.For example, for a total spectral range from 400 nm to 1680 nm, a first spectrometer with a silicon detector (Si) having a detection range of 400 nm to 1100 nm, and a second spectrometer with an indium gallium arsenide detector (InGaAs ), which has a detection range of 950 nm to 1680 nm, used because Si detectors only up to a maximum of 1100 nm have a useful detection sensitivity. Near the upper cutoff wavelength, the detection sensitivity of Si detectors is low and they have a strong temperature dependence with respect to the signal amplitude they emit. For the longer wavelength portion of the spectrum, a more expensive InGaAs detector than the Si detector is typically used in the second spectrometer, whose detection sensitivity is advantageously less temperature dependent but has higher noise.
Der Einsatz von zwei oder mehr Spektrometern hat jedoch neben dem erforderlichen großen Bauraum noch den Nachteil, dass die optischen Wege von der Probe zu den jeweiligen Detektoren unterschiedlich sind und dass die Spektrometer in der Regel einen unterschiedlichen optischen Aufbau aufweisen, so dass im gemessenen Spektrum eine Diskontinuität in Form eines Sprungs entsteht. Bei empfindlichen Anwendungen führt dies zu Messfehlern.However, the use of two or more spectrometers in addition to the required large space still has the disadvantage that the optical paths from the sample to the respective detectors are different and that the spectrometer usually have a different optical structure, so that in the measured spectrum Discontinuity in the form of a jump arises. For sensitive applications, this leads to measurement errors.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer der eingangs genannten Art zu verbessern, um bei empfindlichen Anwendungen eine höhere Messgenauigkeit zu ermöglichen.The invention is therefore based on the object to improve a spectrometer of the type mentioned in order to allow for sensitive applications higher measurement accuracy.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Spektrometer, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Betriebsverfahren, welches die in Anspruch 12 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a spectrometer having the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eines der Detektionselemente zwei (oder mehr) optoelektronische Wandler aufweist, die zur simultanen Detektion zweier (beziehungsweise entsprechend vieler) unterschiedlicher spektraler Detektionsbereiche eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, separate elektrische Signale abgeben und längs einer Einfallsrichtung des gebeugten Lichts auf den Detektor hintereinander angeordnet sind.According to the invention, at least one of the detection elements has two (or more) optoelectronic transducers which have a different composition for the simultaneous detection of two (or correspondingly many) different spectral detection regions, emit separate electrical signals and along an incident direction of the diffracted light onto the detector arranged one behind the other.
Im Sinne der Erfindung ist ein optoelektronischer Wandler ein Bauteil, das mittels eines Halbleiter-Werkstoffs einfallende Photonen zu absorbieren und in elektrische Ladungsträger (Elektronen und Löcher) umzuwandeln vermag. Beispiele für optoelektronische Wandler sind Photodioden, Phototransistoren und Photowiderstände.In the context of the invention, an optoelectronic transducer is a component that absorbs incident photons by means of a semiconductor material and into electrical charge carriers (electrons and holes). able to transform. Examples of optoelectronic transducers are photodiodes, phototransistors and photoresistors.
Im Sinne der Erfindung bedeutet die simultane Detektion unterschiedlicher spektraler Detektionsbereiche in verschiedenen optoelektronischen Wandlern, dass ein erster spektraler Anteil des gebeugten, auf den Detektor fallenden Lichts zumindest anteilig in dem ersten optoelektronischen Wandler absorbiert wird, während ein zweiter spektraler Anteil des gebeugten, auf den Detektor fallenden Lichts den ersten optoelektronischen Wandler (im wesentlichen) unvermindert durchdringt und zumindest anteilig in dem zweiten optoelektronischen Wandler absorbiert wird. Die optoelektronische Umwandlung findet also aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit nicht gleichzeitig in mehreren optoelektronischen Wandlern statt. Vielmehr bedeutet simultan hier, dass Photonen, die die Detektoroberfläche gleichzeitig erreichen (also zur selben Wellenfront gehören), aber unterschiedliche Energien aufweisen (entsprechend unterschiedlichen spektralen Detektionsbereichen), unabhängig voneinander in separaten optoelektronischen Wandlern detektierbar sind.For the purposes of the invention, the simultaneous detection of different spectral detection ranges in different optoelectronic transducers means that a first spectral portion of the diffracted light incident on the detector is at least partially absorbed in the first optoelectronic transducer, while a second spectral portion of the diffracted, on the detector falling light penetrates the first opto-electronic transducer (substantially) undiminished and at least partially absorbed in the second opto-electronic converter. The optoelectronic conversion thus does not take place simultaneously in several optoelectronic converters due to the finite speed of light. Rather, simultaneous here means that photons that reach the detector surface simultaneously (ie, belong to the same wavefront), but have different energies (corresponding to different spectral detection ranges) are independently detectable in separate optoelectronic transducers.
Das mindestens eine Detektionselement mit mehreren hintereinander angeordneten optoelektronischen Wandlern kann als „Sandwich”-Element bezeichnet werden. Die lichtempfindlichen Bereiche der Wandler sind vorzugsweise kongruent und versatzfrei angeordnet. Sie müssen aber nicht zwingend kongruent sein und können auch gegeneinander versetzt angeordnet sein. Sie können unmittelbar aufeinander angeordnet sein. Alternativ kann mindestens eine andere Schicht (Isolator oder Halbleiter) zwischen ihnen angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können die Wandler durch einen Spalt, beispielsweise einen Luftspalt, voneinander beabstandet sein. Allgemein ist die mechanische Anordnung und Befestigung der optoelektronischen Wandler zueinander beliebig, solange sie nur beide in dem Strahlengang des betreffenden Detektionselementes hintereinander angeordnet sind. Zweckmäßig ist jedoch ein minimaler Abstand zwischen den Wandlern.The at least one detection element with a plurality of optoelectronic transducers arranged one behind the other can be referred to as a "sandwich" element. The photosensitive regions of the transducers are preferably arranged congruent and without offset. But they do not necessarily have to be congruent and can also be staggered. They can be arranged directly one above the other. Alternatively, at least one other layer (insulator or semiconductor) may be disposed between them. Additionally or alternatively, the transducers may be spaced apart by a gap, for example an air gap. In general, the mechanical arrangement and attachment of the optoelectronic transducers to one another is arbitrary, as long as they are both arranged one behind the other in the beam path of the relevant detection element. It is expedient, however, a minimum distance between the transducers.
Das erfindungsgemäße Spektrometer mit mehrschichtiger Bauweise zumindest eines Detektionselementes kann als Weitbereichsspektrometer mit zwei (oder mehr) Zeilen- oder Matrixdetektoren, die durch voneinander verschiedene Typen von optoelektronischen Wandlern unterschiedliche spektrale Detektionsbereiche aufweisen, in spektral sequentieller Anordnung angesehen werden, die über denselben Strahlengang beleuchtet werden, wobei die beiden Detektorzeilen beziehungsweise Detektormatrizen einander zumindest teilweise überlappen. Die Anordnung dieser Detektoren in demselben Spektrometer in demselben Beleuchtungsstrahlengang ermöglicht eine hohe Detektionsgenauigkeit, da das Licht nicht auf zwei verschiedene Spektrometer und damit Strahlwege aufgeteilt zu werden braucht.The spectrometer according to the invention with a multi-layered construction of at least one detection element can be viewed in spectrally sequential arrangement as a wide-range spectrometer with two (or more) line or matrix detectors, which have different spectral detection areas due to mutually different types of optoelectronic transducers, which are illuminated via the same beam path. wherein the two detector rows or detector arrays at least partially overlap each other. The arrangement of these detectors in the same spectrometer in the same illumination beam path allows a high detection accuracy, since the light does not need to be divided into two different spectrometers and thus beam paths.
Vorzugsweise ist der erste, dem Beugungsgitter zugewandte optoelektronische Wandler zur Detektion eines kürzerwelligen spektralen Detektionsbereiches und der zweite, vom Beugungsgitter abgewandte optoelektronische Wandler zur Detektion eines längerwelligen spektralen Detektionsbereiches, der den kürzerwelligen Detektionsbereich spektral überlappt, ausgebildet, da das einfallende Licht so zuerst auf den ersten optoelektronischen Wandler trifft, dessen Halbleiterschicht(en) Licht im kürzerwelligen Detektionsbereich außerhalb des Überlappungsbereichs (im wesentlichen) absorbiert, Licht im Überlappungsbereich teilweise absorbiert und Licht im längerwelligen Detektionsbereich außerhalb des Überlappungsbereichs nahezu absorptionsfrei passieren lässt, so dass es zusammen mit dem nicht absorbierten Anteil des Überlappungsbereichs in dem zweiten optoelektronischen Wandler mit hoher Effizienz detektiert werden kann. Durch diese Reihenfolge der optoelektronischen Wandler wirkt der erste optoelektronische Wandler als spektraler Filter für den kürzerwelligen Detektionsbereich mit Ausnahme des Überlappungsbereichs, was eine kompakte Bauweise ermöglicht. Bei dem als kürzerwellig bezeichneten Detektionsbereich ist die obere Grenzwellenlänge kleiner als die obere Grenzwellenlänge des als längerwellig bezeichneten Detektionsbereiches. Die obere Grenzwellenlänge des als kürzerwellig bezeichneten Detektionsbereiches liegt im als längerwellig bezeichneten Detektionsbereich – die beiden Detektionsbereiche überlappen einander. Die Untergrenze des kürzerwelligen Detektionsbereiches ist also kleiner als die Untergrenze des längerwelligen Detektionsbereiches, welche ihrerseits kleiner ist als die Obergrenze des kürzerwelligen Detektionsbereiches, welche kleiner ist als die Obergrenze des längerwelligen Detektionsbereiches.Preferably, the first, the diffraction grating facing opto-electronic transducer for detecting a shorter-wavelength spectral detection range and the second, remote from the diffraction grating optoelectronic transducer for detecting a longer wavelength spectral detection range, which spectrally overlaps the shorter wavelength detection range is formed, since the incident light so first on the first An optoelectronic transducer whose semiconductor layer (s) absorbs light in the shorter wavelength detection region outside the overlap region (partially) absorbs light in the overlap region partially and allows light in the longer wavelength detection region outside the overlap region to pass almost without absorption, so that it together with the unabsorbed portion of the Overlap region can be detected in the second optoelectronic transducer with high efficiency. As a result of this sequence of the optoelectronic transducers, the first optoelectronic transducer acts as a spectral filter for the shorter-wavelength detection region, with the exception of the overlap region, which allows a compact design. In the case of the detection area designated as shorter-wave, the upper limit wavelength is smaller than the upper limit wavelength of the detection area designated as longer-wavelength. The upper limit wavelength of the detection area designated as shorter-wave lies in the detection area designated as longer-wavelength - the two detection areas overlap one another. The lower limit of the shorter-wavelength detection range is thus smaller than the lower limit of the longer-wavelength detection range, which in turn is smaller than the upper limit of the shorter-wavelength detection range, which is smaller than the upper limit of the longer-wavelength detection range.
Die spektrale Überlappung des kürzerwelligen Detektionsbereiches und des längerwelligen Detektionsbereiches erlaubt die Kompensation temperaturabhängiger Schwankungen der elektrischen Signale mit hoher Genauigkeit, wenn eine (spektrale) Empfindlichkeit eines der optoelektronischen Wandler im wesentlichen temperaturunabhängig oder zumindest (signifikant) weniger temperaturabhängig als eine entsprechende (spektrale) Empfindlichkeit des anderen optoelektronischen Wandlers ist. Aus den elektrischen Signalen des Sandwich-Elements kann dadurch mit hoher Genauigkeit die innere Temperatur des Sandwich-Elements ermittelt werden, anhand derer die Kompensation durchgeführt werden kann. In Verbindung mit dem einheitlichen Strahlengang ermöglicht das eine besonders hohe Messgenauigkeit.The spectral overlap of the shorter-wavelength detection range and the longer-wavelength detection range allows the compensation of temperature-dependent fluctuations of the electrical signals with high accuracy, if a (spectral) sensitivity of the optoelectronic transducer substantially temperature-independent or at least (significantly) less temperature-dependent than a corresponding (spectral) sensitivity of another opto-electronic transducer. From the electrical signals of the sandwich element can be determined with high accuracy, the internal temperature of the sandwich element, by means of which the compensation can be performed. In conjunction with the uniform beam path, this enables particularly high measuring accuracy.
Es sind auch Ausführungsformen mit mehr als zwei optoelektronischen Wandlern pro Sandwich-Element möglich. Mindestens zwei davon müssen erfindungsgemäß voneinander verschiedene spektrale Detektionsbereiche aufweisen. Embodiments with more than two optoelectronic transducers per sandwich element are also possible. At least two of them must according to the invention have different spectral detection ranges from one another.
Bei Ausführungsformen mit mehreren Sandwich-Elementen können die Sandwich-Elemente beispielsweise eine echte Untermenge aller Detektorelemente darstellen. Alternativ können alle Detektorelemente mehrschichtig ausgebildet sein.For example, in embodiments having multiple sandwich elements, the sandwich elements may represent a true subset of all detector elements. Alternatively, all the detector elements may be formed in multiple layers.
Eine Kombination unterschiedlicher Halbleiterschichten ist beispielsweise von InGaAs-Detektoren mit Ausleseverstärkern auf Si-Basis bekannt. Hier dient der Si-Vorverstärker als Träger für InGaAs-Photodioden. Beide Halbleiterstücke sind mittels Kugelgittern (engl. „ball grids”) miteinander verbunden, die Beleuchtung erfolgt von der InGaAs-Seite aus. Erfindungsgemäß kann die Si-Schicht zur Detektion von Licht ausgebildet werden, das kürzerwellig ist als das im InGaAs detektierbare Licht. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der Si-Vorverstärker des InGaAs-Detektors um einen Si-Detektor ergänzt werden, dessen lichtempfindliche Fläche genau unter der lichtempfindlichen Fläche der InGaAs-Photodioden liegt. Das Silizium wird zu diesem Zweck beispielsweise von der von dem InGaAs abgewandten Seite, also der dem Licht zugewandten Seite aus geätzt, um Lichtverluste zu vermeiden und die Charakteristik der spektralen Empfindlichkeit abzustimmen. Im Sinne der Erfindung ist der Si-Detektor der erste optoelektronische Wandler und der InGaAs-Detektor der zweite optoelektronische Wandler.A combination of different semiconductor layers is known, for example, from InGaAs detectors with Si-based readout amplifiers. Here, the Si preamplifier serves as a carrier for InGaAs photodiodes. Both semiconductors are connected to each other by means of ball grids ("ball grids"), with illumination from the InGaAs side. According to the invention, the Si layer can be formed to detect light shorter than the wavelength detectable in the InGaAs. For this purpose, for example, the Si preamplifier of the InGaAs detector can be supplemented by a Si detector whose photosensitive surface lies just below the photosensitive surface of the InGaAs photodiodes. For this purpose, the silicon is etched for this purpose, for example, from the side facing away from the InGaAs, that is to say from the side facing the light, in order to avoid light losses and to tune the characteristic of the spectral sensitivity. For the purposes of the invention, the Si detector is the first optoelectronic transducer and the InGaAs detector is the second optoelectronic transducer.
Daneben ist eine InGaAs-Detektormatrix bekannt, die direkt auf einem mit Auslese- und Verstärkungselektronik versehenem Si-Träger aufgebracht ist (
Vorzugsweise weisen mehrere, insbesondere alle, Detektionselemente jeweils zwei verschiedene optoelektronische Wandler zur simultanen Detektion zweier unterschiedlicher spektralen Detektionsbereiche auf. So können aufgrund der Filterwirkung des ersten optoelektronischen Wandlers auf Licht im kürzerwelligen Detektionsbereich unterschiedliche Wellenlängenbereiche mit demselben Detektionselement aufgenommen werden.Preferably, several, in particular all, detection elements each have two different optoelectronic transducers for the simultaneous detection of two different spectral detection ranges. Thus, due to the filtering effect of the first optoelectronic transducer on light in the shorter-wavelength detection range, different wavelength ranges can be recorded with the same detection element.
Vorteilhafterweise bedeckt hierbei ein Langpassfilter einen echten Teilbereich des Detektors bis einschließlich zu seinem langwelligen Ende durchgängig. Dadurch wird vermieden, dass unerwünschte höhere Beugungsordnungen in den Detektor gelangen und dort detektiert werden. Der Langpassfilter kann unmittelbar auf dem Detektor aufgebracht sein. Alternativ kann er auf einem separaten Träger, beispielsweise aus Glas, angeordnet sein, der zweckmäßigerweise unmittelbar auf dem Detektor angeordnet ist. Der separate Träger kann in seiner Dicke so abgestimmt sein, dass die Fokallinien der jeweiligen Wellenlängenbereiche den unterschiedlichen Entfernungen der einzelnen Detektoren von dem Beugungsgitter angepasst werden. Dadurch kann eine größere Messgenauigkeit erreicht werden.Advantageously, a long-pass filter covers a real portion of the detector up to and including its long-wave end. This avoids that unwanted higher diffraction orders reach the detector and are detected there. The longpass filter can be applied directly to the detector. Alternatively, it can be arranged on a separate support, for example made of glass, which is expediently arranged directly on the detector. The separate carrier may be matched in its thickness so that the focal lines of the respective wavelength ranges are adapted to the different distances of the individual detectors from the diffraction grating. As a result, a greater accuracy of measurement can be achieved.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen eine Auswerteeinheit ein erstes elektrisches Signal eines Detektionselementes als rohes Signal für die absorbierte Energie in einem ersten Wellenlängenbereich verarbeitet und ein zweites elektrisches Signal desselben Detektionselementes als rohes Signal für die absorbierte Energie in einem zweiten Wellenlängenbereich, dessen untere Grenzwellenlänge ein k-faches der unteren Grenzwellenlänge des ersten Wellenlängenbereichs ist und dessen obere Grenzwellenlänge ein k-faches der oberen Grenzwellenlänge des ersten Wellenlängenbereichs ist, verarbeitet, wobei k ein Quotient zweier zu detektierender Beugungsordnungen ist. Beispielsweise ist k = 2:1, dann entspricht die untere Grenze des zweiten Wellenlängenbereichs dem Doppelten der unteren Grenze des ersten Wellenlängenbereichs und die obere Grenze des zweiten Wellenlängenbereichs dem Doppelten der oberen Grenze des ersten Wellenlängenbereichs. So können die erste und die zweite Beugungsordnung unterschiedlicher Wellenlängen mit denselben Detektionselementen simultan detektiert werden. Die spektrale Breite des gesamten Detektors kann so doppelt genutzt werden, wodurch sich das spektrale Auflösungsvermögen des Spektrometers verdoppelt. Alternativ zur ersten und zweiten Beugungsordnung können beispielsweise die zweite und die dritte Beugungsordnung unterschiedlicher Wellenlängen mit denselben Detektionselementen simultan detektiert werden (k = 3:2). Bei einem drei- oder mehrschichtigen Aufbau des Sandwich-Elementes, also drei oder mehr hintereinander angeordneten optoelektronischen Wandlern, können drei oder entsprechend mehr verschiedene Beugungsordnungen entsprechend drei oder mehr Wellenlängenbereichen mit denselben Detektionselementen simultan detektiert werden, wobei die oberen und unteren Grenzen der zweiten, dritten und gegebenenfalls höheren Wellenlängenbereiche bei jedem Detektionselement entsprechend viele unterschiedliche Vielfache der oberen beziehungsweise unteren Grenze des ersten Wellenlängenbereichs betragen.Embodiments in which an evaluation unit processes a first electrical signal of a detection element as a raw signal for the absorbed energy in a first wavelength range and a second electrical signal of the same detection element as a raw signal for the absorbed energy in a second wavelength range, the lower limit wavelength thereof, are particularly preferred k-times the lower limit wavelength of the first wavelength range and whose upper limit wavelength is k times the upper limit wavelength of the first wavelength range, where k is a quotient of two diffraction orders to be detected. For example, k = 2: 1, then the lower limit of the second wavelength range is twice the lower limit of the first wavelength range and the upper limit of the second wavelength range is twice the upper limit of the first wavelength range. Thus, the first and the second diffraction order of different wavelengths can be detected simultaneously with the same detection elements. The spectral width of the entire detector can thus be used twice, which doubles the spectral resolution of the spectrometer. As an alternative to the first and second diffraction order, for example, the second and the third diffraction order of different wavelengths can be detected simultaneously with the same detection elements (k = 3: 2). In a three- or multi-layer structure of the sandwich element, so three or more successively arranged optoelectronic transducers, three or more different diffraction orders corresponding to three or more wavelength ranges can be detected simultaneously with the same detection elements, the upper and lower limits of the second, third and optionally higher wavelength ranges in each detection element corresponding to many different multiples of the upper and lower limits of the first wavelength range.
Vorzugsweise weisen ein erstes Detektionselement, in dessen Richtung das Beugungsgitter eine Beugungsordnung einer Wellenlänge des einfallenden Lichts beugt, und ein zweites Detektionselement, in dessen Richtung das Beugungsgitter eine andere Beugungsordnung derselben Wellenlänge des einfallenden Lichts beugt, beide jeweils zwei optoelektronische Wandler zur simultanen Detektion zweier unterschiedlicher spektraler Detektionsbereiche auf. Dadurch kann eine innere Temperatur des Detektors ohne separate Temperatursensoren auch in Anordnungen ermittelt werden, in denen zwei verschiedene Beugungsordnungen auf dieselben Detektionselemente gebeugt werden.Preferably, a first detection element, in whose direction the diffraction grating diffracts a diffraction order of a wavelength of the incident light, and a second detection element, in the direction of which the diffraction grating diffracts another diffraction order of the same wavelength of the incident light, both each have two optoelectronic transducers for the simultaneous detection of two different ones Spectral detection areas on. As a result, an internal temperature of the detector without separate temperature sensors can also be determined in arrangements in which two different diffraction orders are diffracted to the same detection elements.
In Ausführungsformen, in denen nur eine echte Teilmenge der Detektionselemente in Sandwich-Bauweise ausgeführt ist oder nur einer von mehreren optoelektronischen Wandlern zur Detektion genutzt wird, weist vorteilhafterweise von den Detektionselementen, die nicht zwei optoelektronische Wandler zur simultanen Detektion zweier unterschiedlicher spektraler Detektionsbereiche aufweisen, eine erste echte Teilmenge einen optoelektronischen Wandler zur Detektion des ersten spektralen Detektionsbereiches und eine zweite echte Teilmenge einen optoelektronischen Wandler zur Detektion des zweiten spektralen Detektionsbereiches auf, wobei diese beiden Teilmengen disjunkt sind. Im dazwischenliegenden Detektionsbereich sind dann vorzugsweise ein oder zwei der Sandwich-Elemente angeordnet, insbesondere zur Ermöglichung einer Temperaturschwankungskompensation. Dadurch braucht nur ein Teil des Detektors mit einem temperaturunempfindlicheren, aber teureren optoelektronischen Wandler ausgerüstet zu werden.In embodiments in which only a true subset of the detection elements is designed in a sandwich construction or only one of a plurality of optoelectronic transducers is used for detection, advantageously one of the detection elements which do not have two optoelectronic transducers for the simultaneous detection of two different spectral detection areas first true subset of an optoelectronic transducer for detecting the first spectral detection range and a second real subset of an optoelectronic transducer for detecting the second spectral detection range, wherein these two subsets are disjoint. In the intermediate detection region, one or two of the sandwich elements are then preferably arranged, in particular for enabling a temperature fluctuation compensation. As a result, only a part of the detector needs to be equipped with a temperature-insensitive but more expensive opto-electronic converter.
Vorzugsweise ist dabei vor einer echten Untermenge derjenigen Detektionselemente, die einen optoelektronischen Wandler für den kürzerwelligen spektralen Detektionsbereich aufweisen, ein spektraler Langpassfilter angeordnet. Dadurch wird vermieden, dass unerwünschte höhere Beugungsordnungen in die betreffenden Detektionselemente gelangen und dort detektiert werden. Der Langpassfilter für den kürzerwelligen Wellenlängenbereich ist erforderlich, wenn das Verhältnis von längster zu detektierenden Wellenlänge zu kürzester zu detektierender Wellenlänge größer als 2:1 ist, da sonst für den Wellenlängenbereich ab dem doppelten der kürzesten zu detektierenden Wellenlänge keine eindeutige Wellenlängenzuordnung des detektierten Lichts mehr möglich wäre. Ohne Langpassfilter würde Licht der ersten und der zweiten Beugungsordnung (halbe Wellenlänge) auf dasselbe Detektorelement treffen.In this case, a spectral long-pass filter is preferably arranged in front of a true subset of those detection elements which have an optoelectronic transducer for the shorter-wavelength spectral detection range. This avoids that unwanted higher diffraction orders reach the relevant detection elements and are detected there. The long-pass filter for the shorter wavelength range is required if the ratio of the longest wavelength to the shortest wavelength to be detected is greater than 2: 1, otherwise for the wavelength range from twice the shortest wavelength to be detected no clear wavelength allocation of the detected light longer possible would. Without a long-pass filter, light of the first and second orders of diffraction (half wavelength) would strike the same detector element.
Zweckmäßigerweise ist der erste optoelektronische Wandler (im wesentlichen) eine Halbleiterschicht aus Silizium und der zweite optoelektronische Wandler (im wesentlichen) eine Halbleiterschicht aus mindestens einem der Werkstoffe Indium-Gallium-Arsenid, Germanium und Bleisulfid.Expediently, the first optoelectronic transducer is (essentially) a semiconductor layer of silicon and the second optoelectronic transducer (essentially) a semiconductor layer of at least one of the materials indium gallium arsenide, germanium and lead sulfide.
Vorteilhafterweise kann der erste optoelektronische Wandler eine Halbleiterschicht sein, die von einer dem Beugungsgitter zugewandten Seite geätzt ist. Das ermöglicht mit geringem Aufwand eine kompakte Bauweise.Advantageously, the first optoelectronic transducer may be a semiconductor layer etched from a side facing the diffraction grating. This allows a compact design with little effort.
Bevorzugt werden Ausführungsformen, in denen eine Auswerteeinheit anhand mindestens eines elektrischen Signals des ersten optoelektronischen Wandlers und mindestens eines elektrischen Signals des zweiten optoelektronischen Wandlers einen Wert einer Temperatur des betreffenden Detektionselementes ermittelt. Dadurch kann auf separate Temperatursensoren verzichtet werden. Der erfindungsgemäße Wert der Temperatur kann beispielsweise in der Einheit °C oder K ermittelt werden, er kann aber alternativ auch gemäß einer beliebigen eineindeutigen Funktion von der Temperatur abhängen.Embodiments in which an evaluation unit determines a value of a temperature of the relevant detection element based on at least one electrical signal of the first optoelectronic transducer and at least one electrical signal of the second optoelectronic transducer are preferred. This eliminates the need for separate temperature sensors. The temperature value according to the invention can be determined, for example, in the unit ° C or K, but alternatively it can also depend on the temperature according to any one-to-one function.
Besonders bevorzugt werden Ausführungsformen, in denen eine Auswerteeinheit anhand von vier elektrischen Signalen zweier mehrschichtiger Detektionselemente (mit jeweils zwei optoelektronischen Wandlern) einen Wert einer Temperatur des Detektors ermittelt, wobei die zwei Detektionselemente zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen oder zwei verschiedenen Beugungsordnungen desselben Wellenlängenbereichs entsprechen. Dadurch kann eine innere Temperatur des Detektors ohne separate Temperatursensoren auch in Anordnungen ermittelt werden, in denen zwei verschiedene Beugungsordnungen auf dieselben Detektionselemente gebeugt werden.Embodiments in which an evaluation unit determines a value of a temperature of the detector based on four electrical signals of two multilayer detection elements (with two optoelectronic transducers) are particularly preferred, the two detection elements corresponding to two different wavelength ranges or two different diffraction orders of the same wavelength range. As a result, an internal temperature of the detector without separate temperature sensors can also be determined in arrangements in which two different diffraction orders are diffracted to the same detection elements.
Zweckmäßigerweise ermittelt die Auswerteeinheit den Wert der Temperatur des Detektors durch Lösen des Gleichungssystems für M Beugungsordnungen, M optoelektronische Wandler (i = A, B, ...) und M Detektionselemente (p = 1, ... M).Expediently, the evaluation unit determines the value of the temperature of the detector by solving the equation system for M diffraction orders, M optoelectronic transducers (i = A, B, ...) and M detection elements (p = 1, ... M).
Vorteilhafterweise kann die Auswerteeinheit anhand des ermittelten Werts der Temperatur ein elektrisches Signal eines anderen Detektionselementes, insbesondere eines Detektionselementes mit nur einem (genutzten) optoelektronischen Wandler zur Detektion des kürzerwelligen spektralen Detektionsbereiches, gemäß einer temperaturabhängigen spektralen Empfindlichkeit normieren. Durch diese Kompensation der temperaturabhängigen Schwankungen der spektralen Empfindlichkeit der Detektionselemente wird, wie bereits oben beschrieben, die Messgenauigkeit verbessert.Advantageously, the evaluation unit can use the determined value of the temperature to normalize an electrical signal of another detection element, in particular of a detection element with only one (used) optoelectronic transducer for detecting the shorter-wavelength spectral detection range, according to a temperature-dependent spectral sensitivity. As a result of this compensation of the temperature-dependent fluctuations in the spectral sensitivity of the detection elements, as already described above, the measurement accuracy is improved.
Besonders kompakt sind Ausführungsformen, in denen eine Halbleiterschicht eines optoelektronischen Wandlers einen elektronischen Vorverstärker für eine Halbleiterschicht des anderen optoelektronischen Wandlers aufweist.Embodiments in which a semiconductor layer of an optoelectronic transducer has an electronic preamplifier for a semiconductor layer of the other optoelectronic transducer are particularly compact.
Zeckmäßigerweise ist im einfallenden Licht ein Langpassfilter angeordnet, der Wellenlängen unterhalb des kürzestwelligen spektralen Detektionsbereiches sperrt. Dadurch wird vermieden, dass unerwünschte höhere Beugungsordnungen und unerwünscht kurzwelliges Licht in den Detektor gelangen und dort die Messung der gewünschten Wellenlängen verfälschen, Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.Zeckmäßigerweise a long-pass filter is arranged in the incident light, the wavelengths below the shortest wavelength spectral detection range blocks. This avoids that unwanted higher orders of diffraction and undesired short-wave light get into the detector and there falsify the measurement of the desired wavelengths, the invention will be explained in more detail with reference to embodiments.
In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:
In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.In all drawings, like parts bear like reference numerals.
Der Detektor
Das Detektionselement
Der Träger
Der Langpassfilter
Einen Überblick über das Schicksal der unterschiedlichen Wellenlängen λ des einfallenden Lichts L gibt die folgende Tabelle:
Die elektrischen Signale der Detektionselemente
Dabei ist Di,p(T) die spektrale Empfindlichkeit der optoelektronischen Wandler
Für die zwei optoelektronischen Wandler
Aus diesem Verhältnis der aktuellen Signalwerte UA,10/UB,10 kann anhand der spektralen Empfindlichkeitsfunktionen Di,10(T) ein aktueller Temperaturwert TD für das Detektorelement
Mittels der aus der Quotientenfunktion q10(T) zu bestimmenden Umkehrfunktion q10 –1 kann dann der aktuelle Temperaturwert TD berechnet werden: By means of the inverse function q 10 -1 to be determined from the quotient function q 10 (T), the current temperature value T D can then be calculated:
Alternativ können aus den spektralen Empfindlichkeitsfunktionen Di,p(T) Umkehrfunktionen Di,p –1 ermittelt werden und daraus anhand des Verhältnisses der Signalwerte UA,10 und UB,10 der aktuelle Temperaturwert TD ermittelt werden.Alternatively, reversal functions D i, p -1 can be determined from the spectral sensitivity functions D i, p (T) and the current temperature value T D can be determined on the basis of the ratio of the signal values U A, 10 and U B, 10 .
Anhand des aktuellen Temperaturwerts TD und der vorab ermittelten spektralen Empfindlichkeitsfunktionen Di,p(T) können temperaturabhängige Schwankungen der elektrischen Signale Ui,p aller Detektionselemente
Die Temperaturermittlung über das Verhältnis der elektrischen Signale Ui,p im überlappenden Wellenlängenbereich hat gegenüber einer Temperaturmessung mit einem herkömmlichen, außen auf den Detektor
In realen Ausführungsformen (nicht abgebildet) weist der Detektor
Allgemein gilt für das Verhältnis der elektrischen Signale UA,p und UB,p der optoelektronischen Wandler
Weist der Detektor
Beispielhaft sind die ersten optoelektronischen Wandler
Über einer Teilfläche des Detektors
Kurzwelliges Licht S der zweiten Beugungsordnung (m = 2) mit Wellenlängen zwischen λ = 400 nm und λ = 840 nm, also m·λ = 800 nm bis m·λ = 1680 nm, wird vorwiegend im ersten Zeilen-Detektor A absorbiert, der daraus auf bekannte Weise elektrische Signale UA,p erzeugt, und damit vom zweiten Zeilen-Detektor B ferngehalten. Langwelliges Licht der ersten Beugungsordnung (m = 1) mit Wellenlängen zwischen λ = 800 nm und λ = 1680 nm wird vom ersten Zeilen-Detektor A nicht oder nur wenig absorbiert und damit nahezu vollständig zum zweiten Zeilen-Detektor B durchgelassen, der daraus auf bekannte Weise elektrische Signale UB,p erzeugt.Short-wave light S of the second order of diffraction (m = 2) with wavelengths between λ = 400 nm and λ = 840 nm, ie m · λ = 800 nm to m · λ = 1680 nm, is absorbed predominantly in the first line detector A, which from this in a known manner electrical signals U A, P generated, and thus kept away from the second line detector B. Long-wave light of the first diffraction order (m = 1) with wavelengths between λ = 800 nm and λ = 1680 nm is not or only slightly absorbed by the first line detector A and thus almost completely transmitted to the second line detector B, the resulting known Way electrical signals U B, p generated.
Mit dem prinzipiellen optischen Aufbau gemäß der in
- 1. Herkömmliche
polychromatische Messung von 400 nm bis 840 nm mit Si-Detektor und Langpassfilter. - 2. Herkömmliche
polychromatische Messung von 800 nm bis 1680 nm mit InGaAs-Detektor. - 3. Erfindungsgemäße
polychromatische Weitbereichsmessung von 400 nm bis 1680 nm.
- 1. Conventional polychromatic measurement from 400 nm to 840 nm with Si detector and long pass filter.
- 2. Conventional polychromatic measurement from 800 nm to 1680 nm with InGaAs detector.
- 3. Polychromatic long-range measurement according to the invention from 400 nm to 1680 nm.
Die höheren Beugungsordnungen (m ≥ 3) werden im Spektrometer
Die erste Beugungsordnung des Spektralbandes von 800 nm bis 1680 nm wird also simultan zur zweiten Beugungsordnung des Spektralbandes von 400 nm bis 840 nm auf den Detektor
Die in den Beugungsordnungen m1 = 1 und m2 = 2 bei einer über den Detektor
Dabei ist Di,j,p(T) die spektrale Empfindlichkeit der optoelektronischen Wandler
Die spektrale Empfindlichkeit bei beliebigen dazwischenliegenden Temperaturen kann beispielsweise durch lineare Interpolation auf bekannte Weise berechnet werden. Alternativ kann mittels einer mathematischen Ausgleichsrechnung (engl. „fitting”) auf bekannte Weise eine parametrisierte Modellfunktion an die gemessenen Temperaturwerte Tk angepasst werden, beispielsweise durch Ermittlung der kleinsten Abweichungsquadrate.The spectral sensitivity at any intervening temperatures can be calculated, for example, by linear interpolation in a known manner. Alternatively, a parameterized model function can be adapted to the measured temperature values T k by means of a mathematical compensation calculation in a known manner, for example by determining the smallest deviation squares.
Die Temperaturabhängigkeit der von den Detektionselementen
Wenn, wie in
If, as in
Auch ohne separate Temperatursensoren
Zu diesem Zweck kann das Gleichungssystem zunächst vereinfacht werden. Die Ermittlung von TD kann dann beispielsweise mittels der Umkehrfunktionen Di,j,p –1(T) erfolgen. Alternativ können beispielsweise Nachschlagetabellen (engl. „look-up tables”; LUT) zur Ermittlung von TD verwendet werden.For this purpose, the system of equations can be simplified at first. The determination of T D can then take place, for example, by means of the inverse functions D i, j, p -1 (T). Alternatively, for example, look-up tables (LUT) may be used to determine T D.
Um eine einheitliche Temperaturverteilung über alle optoelektronischen Wandler
Aus der erfindungsgemäß ermittelten mittleren Temperatur TD des Detektors
In realen Ausführungsformen (nicht abgebildet) weist der Detektor
Sofern die Detektionselemente
Zur Temperaturermittlung müssen im Fall von M = 3 dann drei verschiedene Wellenlängen an drei verschiedenen Detektionselementen verwendet werden.For temperature determination, in the case of M = 3, three different wavelengths must be used on three different detection elements.
In
Es ist in allen Ausführungsformen möglich, die Steuer- und Auswerteeinheit
In allen Ausführungsformen der Erfindung können die Berechnungen zur Ermittlung des Temperaturwerts TD sofort nach der der Messung der elektrischen Signale Ui,p oder mit zeitlichem Abstand davon vorgenommen werden. In beiden Fällen können sie in der internen Steuer- und Auswerteeinheit
In allen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kompensation von Temperaturschwankungen sofort nach der der Messung der elektrischen Signale Ui,p oder in zeitlichem Abstand davon erfolgen. In beiden Fällen können sie in der internen Steuer- und Auswerteeinheit
In allen Ausführungsführungsformen kann der Detektor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Eintrittsspaltentrance slit
- 22
- Beugungsgitterdiffraction grating
- 33
- Detektordetector
- 3.p3.P
- Detektionselement (p = 1 ... 18)Detection element (p = 1 ... 18)
- 3.p.i 3.pi
- Optoelektronischer Wandler (i = A, B)Optoelectronic converter (i = A, B)
- 44
- Trägercarrier
- 55
- Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
- 66
- Temperatursensortemperature sensor
- 77
- LangpassfilterLong-pass filter
- 88th
- LangpassfilterLong-pass filter
- 99
- Gehäusecasing
- 1010
- Spektrometerspectrometer
- LL
- Einfallendes LichtIncident light
- SS
- Gebeugtes LichtBent light
- T1,2 T 1,2
- Temperatursignaletemperature signals
- Ui,p U i, p
- Photoelektrische SignalePhotoelectric signals
- λmin λ min
- Untere GrenzwellenlängeLower limit wavelength
- λmax λ max
- Obere GrenzwellenlängeUpper limit wavelength
- AA
- Zeilen-DetektorSlice detector
- BB
- Zeilen-DetektorSlice detector
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10010213 A1 [0003] DE 10010213 A1 [0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Abhay M. Joshi et al.: „Monolithic InGaAs-on-silicon Short Wave Infrared Detector Arrays” in Imaging and Spectroscopy SPIE Vol. 2999, 211–224, 1997 [0020] Abhay M. Joshi et al .: "Monolithic InGaAs-on-silicon Short Wave Infrared Detector Arrays" in Imaging and Spectroscopy SPIE Vol. 2999, 211-224, 1997 [0020]
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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