DE102012007609A1 - Optical spectrometer e.g. polychromator has detectors whose optoelectronic detection elements are provided with different spectral detection regions - Google Patents

Optical spectrometer e.g. polychromator has detectors whose optoelectronic detection elements are provided with different spectral detection regions Download PDF

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Abstract

The optical spectrometer (10) has housing which is provided with entry gap (1) and dispersive element (2). A beam splitter (4) which is arranged between dispersive element and detector (3A) made of silicon for deflecting the portion of split-up light (S) with respect to detector (3B) made of indium gallium arsenide, germanium or lead sulfide. The optoelectronic detection elements (3A-1-3A-10) of detector (3A) are provided with spectral detection region which is different from spectral detection region of optoelectronic detection elements (3B-1-3B-9) of detector (3B).

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer (Polychromator) mit einem Gehäuse, das einen Eintrittsspalt aufweist, einem dispersiven Element und einem ortsauflösenden Detektor mit mehreren optoelektronischen Detektionselementen, wobei das dispersive Element Licht, das durch den Eintrittsspalt in das Gehäuse fällt, wellenlängenabhängig in Richtung unterschiedlicher Detektionselemente lenkt. In derartigen Spektrometern können darüber hinaus auf bekannte Weise weitere optische Elemente wie Linsen oder Spiegel angeordnet sein. Das dispersive Element selbst und/oder die weiteren optischen Elemente bilden den Eintrittsspalt auf dem Detektor ab. Aufgrund der spektralen Aufspaltung am dispersiven Element wird er wellenlängenabhängig an verschiedene Orte des Detektors abgebildet.The invention relates to an optical spectrometer (polychromator) having a housing, which has an entrance slit, a dispersive element and a spatially resolving detector with a plurality of optoelectronic detection elements, the dispersive element light, which falls through the entrance slit into the housing, depending on the wavelength in the direction of different detection elements directs. Moreover, in such spectrometers further optical elements such as lenses or mirrors can be arranged in a known manner. The dispersive element itself and / or the further optical elements form the entrance slit on the detector. Due to the spectral splitting at the dispersive element, it is imaged wavelength-dependent on different locations of the detector.

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.

Im Sinne der Erfindung ist ein optoelektronisches Detektionselement ein Bauteil, das mittels eines Halbleiter-Werkstoffs einfallende Photonen zu absorbieren und in elektrische Ladungsträger (Elektronen und Löcher) umzuwandeln vermag. Beispiele für optoelektronische Detektionselemente sind Photodioden, Phototransistoren und Photowiderstände.For the purposes of the invention, an optoelectronic detection element is a component that is capable of absorbing incident photons by means of a semiconductor material and converting them into electrical charge carriers (electrons and holes). Examples of optoelectronic detection elements are photodiodes, phototransistors and photoresistors.

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 DE 10010213 A1 offenbart.Depending on the design, optoelectronic semiconductor detectors have a spectrally limited detection sensitivity for light. In order to be able to measure samples spectrometrically in a wide spectral range, a plurality of spectrometers with spectrally different detection ranges are generally used, the detection ranges of the different spectrometers typically partially overlapping each other spectrally. Such a spectrometer system is, for example, in DE 10010213 A1 disclosed.

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 Grenzen (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 boundaries (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 zu detektierenden 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. In der Nähe ihrer oberen Grenzwellenlänge ist die Nachweisempfindlichkeit von Si-Detektoren gering und sie weisen hinsichtlich der von ihnen abgegebenen Signalamplitude eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Der kostenaufwendigere InGaAs-Detektor in dem zweiten Spektrometer für den langwelligeren Teil des Spektrums hat vorteilhafterweise zumindest in diesem Spektralbereich eine weniger stark temperaturabhängige Nachweisempfindlichkeit, weist jedoch ein höheres Rauschen auf.For example, for a total spectral range to be detected 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. Near their upper cut-off wavelength, the detection sensitivity of Si detectors is low and they have a strong temperature dependency on the signal amplitude they emit. The more expensive InGaAs detector in the second spectrometer for the longer wavelength part of the spectrum advantageously has a less temperature dependent detection sensitivity, at least in this spectral range, but has higher noise.

Der Einsatz von zwei oder mehr Spektrometern hat 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.The use of two or more spectrometers in addition to the required large space nor the disadvantage that the optical paths are different from the sample to the respective detectors and that the spectrometer usually have a different optical structure, so that in the measured spectrum, a 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 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 a higher measurement accuracy.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Spektrometer, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a spectrometer which has the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß sind im Spektrometer ein zweiter Detektor mit mehreren optoelektronischen Detektionselementen und ein zwischen dem dispersiven Element und dem ersten Detektor angeordneter Strahlteiler, der einen Teil des aufgespalteten Lichts zu dem zweiten Detektor ablenkt, angeordnet, wobei die Detektionselemente des ersten Detektors (durch eine andere Zusammensetzung) einen anderen spektralen Detektionsbereich aufweisen als die Detektionselemente des zweiten Detektors. According to the invention, in the spectrometer a second detector having a plurality of optoelectronic detection elements and a beam splitter arranged between the dispersive element and the first detector which deflects a portion of the split light to the second detector are arranged, the detection elements of the first detector (by a different composition) have a different spectral detection range than the detection elements of the second detector.

Zwischen dem Eintrittsspalt und den Detektoren kann mindestens eine Kollimationsoptik angeordnet sein, damit verschiedene Wellenlängen und Beugungsordnungen im spektral aufgespaltete Licht parallel auf den Strahlteiler treffen. Eine Kollimationsoptik kann zwischen dem Eintrittsspalt und dem dispersiven Element und/oder jeweils zwischen dem Strahlteiler und den Detektoren angeordnet sein. Vorteilhaft ist es, wenn die Kollimationsoptik farbfehlerkorrigiert ist. Alternativ zu einer separaten Kollimationsoptik kann das dispersive Element selbst als Kollimator ausgebildet sein, beispielsweise im Falle eines abbildenden Gitters. Das Spektrometer funktioniert jedoch auch ohne Kollimationsoptik vorteilhaft. Insbesondere ist ein spektraler Übergangsbereich, in dem der Strahlteiler (wegen wellenlängenabhängiger Einfallswinkel) nicht scharf trennt, vorteilhaft für eine Temperaturschwankungskompensation.At least one collimating optical system can be arranged between the entrance slit and the detectors, so that different wavelengths and diffraction orders in the spectrally split light strike the beam splitter in parallel. A collimating optics may be arranged between the entrance slit and the dispersive element and / or in each case between the beam splitter and the detectors. It is advantageous if the collimation optics is color-corrected. As an alternative to a separate collimating optics, the dispersive element itself may be designed as a collimator, for example in the case of an imaging grating. However, the spectrometer works well without collimating optics. In particular, a spectral transition region in which the beam splitter does not sharply (due to wavelength-dependent angle of incidence) is advantageous for a temperature fluctuation compensation.

Das erfindungsgemäße Spektrometer mit Strahlteiler und zwei (oder mehr) Zeilen- oder Matrixdetektoren, die durch voneinander verschiedene Typen von optoelektronischen Detektionselementen unterschiedliche spektrale Detektionsbereiche aufweisen und bis zum Strahlteiler entlang desselben Strahlengangs beleuchtet werden, kann als vorteilhaftes Weitbereichsspektrometer angesehen werden. Es ist nicht mehr notwendig, das Probenlicht auf zwei verschiedene Spektrometer und damit auf weitgehend unterschiedliche Strahlengänge aufzuteilen. Ein zweites Spektrometer entfällt. Da der Strahlteiler erst hinter dem dispersiven Element angeordnet ist und damit die Teilung erst direkt vor den Detektoren (einschließlich einer eventuellen jeweiligen Kameraoptik vor jedem Detektor) stattfindet, ist die Zahl der zu justierenden Freiheitsgrade im Vergleich zu separaten Spektrometern mit separaten dispersiven Elementen deutlich reduziert. Das ermöglicht eine höhere Messgenauigkeit. Insbesondere ist die Diskontinuität zwischen den Teilen eines aus den Messwerten beider (oder noch mehr) Detektoren zusammengesetzten Spektrums geringer.The spectrometer according to the invention with a beam splitter and two (or more) line or matrix detectors, which have different spectral detection ranges due to different types of optoelectronic detection elements and are illuminated as far as the beam splitter along the same beam path, can be regarded as an advantageous wide-range spectrometer. It is no longer necessary to divide the sample light on two different spectrometers and thus on widely different beam paths. A second spectrometer is omitted. Since the beam splitter is arranged only behind the dispersive element and therefore the division takes place only directly in front of the detectors (including any respective camera optics in front of each detector), the number of degrees of freedom to be adjusted in comparison to separate spectrometers with separate dispersive elements is significantly reduced. This enables a higher measuring accuracy. In particular, the discontinuity between the parts of a spectrum composed of the readings of both (or even more) detectors is smaller.

Vorzugsweise ist der erste Detektor zur Detektion eines kürzerwelligen spektralen Detektionsbereiches, beispielsweise im wesentlichen für VIS-Licht, und die zweite zur Detektion eines längerwelligen spektralen Detektionsbereiches, beispielsweise im wesentlichen für IR-Licht, ausgebildet, oder umgekehrt. Bei dem als kürzerwellig bezeichneten Detektionsbereich ist die untere Grenzwellenlänge geringer als die untere Grenzwellenlänge des als längerwellig bezeichneten Detektionsbereiches und die obere Grenzwellenlänge des als kürzerwellig bezeichneten Detektionsbereiches ist geringer als die obere Grenzwellenlänge des als längerwellig bezeichneten Detektionsbereiches.Preferably, the first detector for detecting a shorter-wavelength spectral detection range, for example, substantially for VIS light, and the second for detecting a longer-wavelength spectral detection range, for example substantially for IR light formed, or vice versa. In the case of the detection range termed shorter-wavelength, the lower limit wavelength is less than the lower limit wavelength of the detection range designated as longer-wavelength, and the upper limit wavelength of the detection range designated as shorter-wavelength is less than the upper limit wavelength of the detection range designated as longer-wavelength.

Die beiden spektralen Detektionsbereiche brauchen nicht disjunkt (obere Grenzwellenlänge des als kürzerwellig bezeichneten Detektionsbereiches etwa gleich der unteren Grenzwellenlänge des als längerwellig bezeichneten Detektionsbereiches) zu sein, sondern können einander vorteilhafterweise auch überlappen (obere Grenzwellenlänge des als kürzerwellig bezeichneten Detektionsbereiches größer als die untere Grenzwellenlänge des als längerwellig bezeichneten Detektionsbereiches). Es sind auch Ausführungsformen mit mehr als zwei Detektoren möglich. Mindestens zwei davon müssen erfindungsgemäß voneinander verschiedene spektrale Detektionsbereiche aufweisen.The two spectral detection areas do not need to be disjoint (upper limit wavelength of the detection area designated as shorter wavelength approximately equal to the lower limit wavelength of the detection area designated as longer wavelength), but may also advantageously overlap one another (upper limit wavelength of the detection area designated as shorter wavelength greater than the lower limit wavelength of FIG longer wavelength designated detection area). Embodiments with more than two detectors are also possible. At least two of them must according to the invention have different spectral detection ranges from one another.

Zweckmäßigerweise sind die optoelektronischen Wandler des einen Detektors (im wesentlichen) eine Halbleiterschicht aus Silizium und die optoelektronischen Wandler des anderen Detektors (im wesentlichen) eine Halbleiterschicht aus mindestens einem der Werkstoffe Indium-Gallium-Arsenid, Germanium und Bleisulfid.Expediently, the optoelectronic transducers of one detector (essentially) are a semiconductor layer of silicon and the optoelectronic transducers of the other detector (essentially) a semiconductor layer of at least one of the materials indium gallium arsenide, germanium and lead sulfide.

Besonders vorteilhaft ist das Spektrometer, wenn der Strahlteiler das aufgespaltete Licht zumindest in einem Teilbereich seiner Fläche (oder über seine gesamte Fläche) wellenselektiv teilt – also zumindest abschnittsweise ein Farbteiler ist. Eine vollflächige Wellenselektivität ermöglicht eine hohe Nachweiseffizienz des Spektrometers, da auf diese Weise so wenig Probenlicht wie möglich verlorengeht. Eine teilflächige Wellenlängenselektivität ermöglicht eine quasi-simultane Detektion der betreffenden (in dem wellenlängenselektiven Abschnitt auf den Strahlteiler treffenden) Spektralbereiche. So können aufgrund der Filterwirkung des ersten optoelektronischen Wandlers auf Licht im kürzerwelligen Detektionsbereich unterschiedliche Wellenlängenbereiche in unterschiedlichen Beugungsordnungen mit demselben Detektionselement aufgenommen werden.The spectrometer is particularly advantageous if the beam splitter selectively splits the split light at least in a subarea of its surface (or over its entire surface) - ie at least in sections it is a color splitter. Full-surface wave selectivity enables a high detection efficiency of the spectrometer, since as little sample light as possible is lost in this way. Partial wavelength selectivity enables quasi-simultaneous detection of the respective spectral regions (which strike the beam splitter in the wavelength-selective section). Thus, due to the filtering effect of the first optoelectronic transducer on light in the shorter-wavelength detection range, different wavelength ranges in different diffraction orders can be recorded with the same detection element.

Es gibt dabei verschiedene Möglichkeiten für die Art der Teilung (spektraler Langpass, Kurzpass, Bandpass) und die spektrale Lage der Teilungskante(n). Zweckmäßigerweise erfolgt die Anordnung der Detektoren so, dass ihre spektralen Detektionsbereiche (näherungsweise) mit dem jeweiligen aus dem Strahlteiler austretenden spektralen Teil übereinstimmt, wobei die – ansonsten unerwünschte – endliche Breite der spektralen Kantenzone vorteilhaft zur Temperaturkompensation genutzt werden kann. Beispielsweise kann im Falle einer Ausbildung als Kurzpass die Kantenzone im Überlappungsbereich der spektralen Detektionsbereiche der beiden Detektoren liegen, bei einem Si- und einem InGaAs-Detektor beispielsweise zwischen 950 nm und 1100 nm. Die kürzeren Wellenlängen passieren den Strahlteiler dann in Richtung des Si-Detektors, während die höheren Wellenlängen zum InGaAs-Detektor abgelenkt werden. Die Wellenlängen im Überlappungsbereich der spektralen Detektionsbereiche treten in beide Richtungen aus dem Strahlteiler aus. Dabei kann das Spektrometer durch die Anordnung und Breite der beiden Detektoren längs der Dispersionsrichtung und/oder durch zusätzliche Filter so ausgebildet sein, dass Licht aus dem Überlappungsbereich nur in genau einen der beiden Detektoren hineingelangt. Zur obenerwähnten Temperaturkompensation ist es aber gerade vorteilhaft, wenn Licht aus dem Überlappungsbereich in beide Detektoren gelangt.There are various possibilities for the type of division (spectral long-pass, shortpass, bandpass) and the spectral position of the dividing edge (s). Advantageously, the arrangement of the detectors is such that their spectral detection ranges (approximately) with the respective from the beam splitter coincident emerging spectral part, wherein the - otherwise undesirable - finite width of the spectral edge zone can be advantageously used for temperature compensation. For example, in the case of a training as a short pass, the edge zone in the overlap region of the spectral detection ranges of the two detectors, with an Si and an InGaAs detector, for example, between 950 nm and 1100 nm. The shorter wavelengths then pass through the beam splitter in the direction of the Si detector while the higher wavelengths are deflected to the InGaAs detector. The wavelengths in the overlap region of the spectral detection areas exit the beam splitter in both directions. In this case, the spectrometer can be formed by the arrangement and width of the two detectors along the dispersion direction and / or by additional filters so that light from the overlap area only gets into exactly one of the two detectors. For the above-mentioned temperature compensation, however, it is just advantageous if light passes from the overlap area in both detectors.

Vorzugsweise kann der zweite Detektor daher so angeordnet sein, dass mindestens eines seiner Detektionselemente bezüglich des Strahlteilers symmetrisch zu einem Detektionselement des ersten Detektors angeordnet ist. Im Sinne der Erfindung werden zwei symmetrisch zum Strahlteiler angeordnete Detektionselemente als Paar korrespondierender Detektionselemente (korrespondierendes Paar) bezeichnet. Mit anderen Worten: Der zweite Detektor kann vorzugsweise derart angeordnet sein, dass eine virtuelle Orthogonalprojektion eines aus einer Ebenenspiegelung an dem Strahlteiler resultierenden virtuellen Spiegelbilds des zweiten Detektors in eine durch den ersten Detektor verlaufende (insbesondere durch ihn definierte) Ebene in dieser Ebene mit dem ersten Detektor überlappt. Diese Überlappung kann insbesondere so sein, dass ein Detektionselement des projizierten Detektor-Spiegelbilds mit einem Detektionselement des ersten Detektors überlappt, insbesondere (kongruent) zusammenfällt, und/oder so, dass mehrere oder alle Detektionselemente des in die Ebene projizierten Spiegelbilds mit einem jeweiligen Detektionselement des ersten Detektors überlappen, insbesondere (kongruent) zusammenfallen. Jeweils ein Detektionselement des ersten Detektors und das (im projizierten Spiegelbild) überlappende Detektionselement des zweiten Detektors bilden dann ein miteinander korrespondierendes Paar im Sinne der Erfindung. Insbesondere kann der zweite Detektor derart angeordnet sein, dass das Spektrometer mehrere korrespondierende Paare aufweist. Ein Detektionselement ohne korrespondierendes Element auf dem anderen Detektor wird als ungepaart bezeichnet.The second detector may therefore be arranged such that at least one of its detection elements is arranged symmetrically with respect to the beam splitter to a detection element of the first detector. For the purposes of the invention, two detection elements arranged symmetrically with respect to the beam splitter are referred to as a pair of corresponding detection elements (corresponding pair). In other words, the second detector can preferably be arranged in such a way that a virtual orthogonal projection of a virtual mirror image of the second detector resulting from a plane reflection at the beam splitter into a plane extending through the first detector (in particular defined by it) in this plane with the first Detector overlaps. This overlapping may in particular be such that a detection element of the projected detector mirror image overlaps with a detection element of the first detector, in particular (congruently) coincides, and / or such that several or all detection elements of the mirror image projected into the plane are coupled to a respective detection element of the overlap first detector, in particular (congruent) coincide. In each case a detection element of the first detector and the (in the projected mirror image) overlapping detection element of the second detector then form a mutually corresponding pair in the context of the invention. In particular, the second detector can be arranged such that the spectrometer has a plurality of corresponding pairs. A detection element without a corresponding element on the other detector is said to be unpaired.

Bei Ausführungsformen mit mehreren Paaren korrespondierender Detektionselemente können die Paare beispielsweise eine echte Untermenge aller Detektionselemente darstellen. Es gibt dann mindestens einen Wellenlängenbereich, der nur in genau einem Detektor optoelektronisch gewandelt wird, nämlich in einem ungepaarten Detektionselement. Alternativ können alle Detektionselemente Mitglied eines jeweiligen Paares sein. Dann gibt es keine ungepaarten Detektionselemente.For example, in embodiments having multiple pairs of corresponding detection elements, the pairs may represent a true subset of all detection elements. There is then at least one wavelength range which is converted opto-electronically only in exactly one detector, namely in an unpaired detection element. Alternatively, all detection elements may be members of a respective pair. Then there are no unpaired detection elements.

Das Paar (beziehungsweise die Paare) aus den miteinander korrespondierenden Detektionselementen ermöglicht eine quasi-simultane Detektion des aufgespalteten Lichts mit zwei verschiedenen spektralen Detektionsbereichen. Diese kann auf mehrere Weisen genutzt werden:
Eine spektrale Überlappung der spektralen Detektionsbereiche der Detektoren erlaubt die Kompensation temperaturabhängiger Schwankungen der elektrischen Signale der Detektionselemente mit hoher Genauigkeit, wenn eine (spektrale) Empfindlichkeit der Detektionselemente des einen Detektors im wesentlichen temperaturunabhängig oder zumindest (signifikant) weniger temperaturabhängig als eine entsprechende (spektrale) Empfindlichkeit der Detektionselemente des anderen Detektors ist. Zur Temperaturkompensation genügt im Prinzip ein einzelnes Paar korrespondierender Detektionselemente. Aus den elektrischen Signalen der beiden Detektionselemente kann mit hoher Genauigkeit eine Relation zwischen den inneren Temperaturen der beiden Detektoren ermittelt werden, anhand derer die Kompensation durchgeführt werden kann. In Verbindung mit dem näherungsweise einheitlichen Strahlengang ermöglicht das eine besonders hohe Messgenauigkeit.
The pair (or pairs) of the mutually corresponding detection elements enables a quasi-simultaneous detection of the split light with two different spectral detection ranges. This can be used in several ways:
A spectral overlap of the spectral detection ranges of the detectors allows the compensation of temperature-dependent fluctuations of the electrical signals of the detection elements with high accuracy, if a (spectral) sensitivity of the detection elements of a detector substantially temperature-independent or at least (significantly) less temperature-dependent than a corresponding (spectral) sensitivity the detection elements of the other detector is. For temperature compensation, in principle, a single pair of corresponding detection elements is sufficient. From the electrical signals of the two detection elements can be determined with high accuracy, a relation between the internal temperatures of the two detectors, by means of which the compensation can be performed. In conjunction with the approximately uniform beam path, this allows a particularly high measuring accuracy.

Bei zwei oder mehr Strahlteilern mit unterschiedlicher Wellenlängenselektivität, also drei oder mehr Detektoren mit unterschiedlichen spektralen Detektionsbereichen, 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. Ein Spektrometer mit n Strahlteilern weist dann n + 1 Detektoren auf. Es können dann zwischen zwei und n + 1 Detektionselemente miteinander korrespondieren. Sie werden dann als Tripel, Quadrupel, allgemein als n-Tupel bezeichnet.In two or more beam splitters with different wavelength selectivity, so three or more detectors with different spectral detection ranges, 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. A spectrometer with n beam splitters then has n + 1 detectors. It can then correspond to each other between two and n + 1 detection elements. They are then referred to as triple, quadruples, commonly called n-tuples.

Das dispersive Element kann beispielsweise ein Prisma oder ein Gitter, insbesondere ein abbildendes Gitter, beispielsweise ein holographisches Gitter sein. Im Falle eines Gitters entstehen im aufgespalteten Licht unterschiedliche Beugungsordnungen. The dispersive element can be for example a prism or a grating, in particular an imaging grating, for example a holographic grating. In the case of a grating, different diffraction orders occur in the split light.

Vorteilhafterweise bedeckt hierbei ein Langpassfilter einen echten Teilbereich des Detektors mit dem kürzerwelligen Detektionsbereich bis einschließlich zu seinem langwelligen Ende durchgängig. Es kann aber stattdessen auch vor dem zweiten oder vor jedem Detektor ein separater Langpassfilter angeordnet sein. Dadurch wird vermieden, dass unerwünschte höhere Beugungsordnungen in den betreffenden Detektor 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 Detektionselement treffen.Advantageously, in this case, a long-pass filter covers a real portion of the detector with the shorter-wavelength detection range up to and including its long-wave end. Instead, it is also possible for a separate long-pass filter to be arranged before the second or in front of each detector. This avoids that unwanted higher diffraction orders reach the detector in question 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 hit the same detection element.

Ein Langpassfilter kann (unmittelbar) an dem betreffenden Detektor aufgebracht sein. Alternativ kann er auf einem separaten Träger, beispielsweise aus Glas, angeordnet sein. Der Träger kann zweckmäßigerweise unmittelbar an dem Detektor angeordnet sein. Der 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. Alternativ kann der Langpassfilter (unmittelbar) an oder in dem Strahlteiler angeordnet, in den Strahlteiler integriert oder zwischen dem Strahlteiler und dem betreffenden Detektor angeordnet sein.A long-pass filter can be applied (directly) to the relevant detector. Alternatively, it may be arranged on a separate support, for example made of glass. The carrier may conveniently be arranged directly on the detector. The carrier may be tuned 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. Alternatively, the long-pass filter can be arranged (directly) on or in the beam splitter, integrated in the beam splitter, or arranged between the beam splitter and the relevant detector.

Detektionselemente, die ein korrespondierendes Paar bilden, werden im Sinne der Erfindung als wellenlängenselektiv korrespondierend bezeichnet, wenn ein oder mehrere spektrale Filter vor mindestens einem dieser Detektionselement angeordnet sind oder der Strahlteiler zumindest in einem Abschnitt, durch den das Paar korrespondiert, wellenlängenselektiv teilt. Ist das Paar so angeordnet, dass es einer Wellenlänge entspricht, die in der spektralen Kantenzone des Filters/Strahlteilers liegt, dann gelangt Licht dieser Wellenlänge zu beiden Detektoren, also zu beiden Detektionselementen dieses Paares.Detection elements that form a corresponding pair are referred to as wavelength-selective corresponding in the context of the invention, if one or more spectral filters are arranged in front of at least one of these detection element or the beam splitter at least in a section through which the pair corresponds wavelength-selectively divides. If the pair is arranged so that it corresponds to a wavelength which lies in the spectral edge zone of the filter / beam splitter, then light of this wavelength reaches both detectors, ie both detection elements of this pair.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen mit einer Wellenlängensensitivität des Strahlteilers zumindest in einem Abschnitt seiner Fläche, durch den ein Paar von Detektionselementen wellenlängenselektiv miteinander korrespondiert, insbesondere mit einer Auswerteeinheit, die ein elektrisches Signal eines Detektionselementes des einen Detektors als rohes Signal für die absorbierte Energie in einem ersten Wellenlängenbereich verarbeitet und ein elektrisches Signal eines damit korrespondierenden Detektionselementes des anderen Detektors 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 (ganzzahliger) zu detektierender Beugungsordnungen ist. Der Faktor k ist also eine rationale Zahl. Auf diese Weise können unterschiedliche Beugungsordnungen unterschiedlicher Wellenlängen mit dem betreffenden Paar wellenlängenselektiv korrespondierender Detektionselemente quasi-simultan detektiert werden, so dass das spektrale Auflösungsvermögen des Spektrometers vergrößert werden kann. Ist der Strahlteiler ein spektraler Neutralteiler, so ist für eine solche Ausführungsform ein Langpassfilter vor dem Detektor mit dem längerwelligen Detektionsbereich zweckmäßig.Particularly preferred are embodiments with a wavelength sensitivity of the beam splitter at least in a portion of its surface through which a pair of detection elements corresponding wavelength selective with each other, in particular with an evaluation unit, an electrical signal of a detection element of the one detector as a raw signal for the absorbed energy in a first A wavelength range processed and an electrical signal of a corresponding detection element of the other detector as a raw signal for the absorbed energy in a second wavelength range whose lower limit wavelength is k times the lower limit wavelength of the first wavelength range and whose upper limit wavelength k times the upper limit wavelength of the first wavelength range, k being a quotient of two (integer) diffraction orders to be detected. The factor k is therefore a rational number. In this way, different diffraction orders of different wavelengths with the relevant pair of wavelength-selective corresponding detection elements can be detected quasi-simultaneously, so that the spectral resolution of the spectrometer can be increased. If the beam splitter is a spectral neutral splitter, then a long-pass filter in front of the detector with the longer-wavelength detection region is expedient for such an embodiment.

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. Die spektrale Breite der über den Strahlteiler optisch vereinigten Detektoren kann so doppelt genutzt werden, wodurch sich das spektrale Auflösungsvermögen des Spektrometers zumindest in den wellenlängenselektiven Abschnitten verdoppelt. Alternativ zur ersten und zweiten Beugungsordnung können beispielsweise die zweite und die dritte Beugungsordnung unterschiedlicher Wellenlängen mit einem Paar wellenlängenselektiv korrespondierender Detektionselemente simultan detektiert werden (k = 3:2).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. The spectral width of the optically combined detectors via the beam splitter can thus be used twice, which doubles the spectral resolution of the spectrometer, at least in the wavelength-selective sections. 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 a pair of wavelength-selective corresponding detection elements (k = 3: 2).

Vorzugsweise teilt der Strahlteiler das aufgespaltete Licht im Bereich aller korrespondierenden Paare (auf für alle Paare identische Weise) wellenlängenselektiv. Dadurch ist der Abschnitt, in dem das spektrale Auflösungsvermögen vergrößert ist, maximal. Das Spektrometer kann dann minimale Baugröße aufweisen.Preferably, the beam splitter splits the split light wavelength selective in the region of all corresponding pairs (in a manner identical for all pairs). Thereby, the portion where the spectral resolution is increased is maximum. The spectrometer can then have minimal size.

Bevorzugt werden Ausführungsformen mit einer Auswerteeinheit, die anhand mindestens eines elektrischen Signals eines Detektionselements des ersten Detektors und mindestens eines elektrischen Signals eines damit wellenlängenselektiv korrespondierenden Detektionselements des zweiten Detektors einen Wert einer Temperatur der betreffenden Detektionselemente ermittelt. Unter der Annahme, dass beide Detektoren (näherungsweise) dieselbe Temperatur aufweisen oder dass der Detektor mit dem längerwelligen Detektionsbereich eine vernachlässigbare Temperaturabhängigkeit seiner Nachweisempfindlichkeit und der der Detektor mit dem kürzerwelligen Detektionsbereich eine einheitliche Temperatur (über alle seine Detektionselemente hinweg) aufweisen, kann so 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 with an evaluation unit that are based on at least one electrical signal of a detection element of the first detector and at least one electrical signal are preferred a detection element of the second detector which corresponds to this wavelength-selectively determines a value of a temperature of the relevant detection elements. Assuming that both detectors have (approximately) the same temperature or that the detector with the longer-wavelength detection range has a negligible temperature dependence of its detection sensitivity and that the detector with the shorter-wavelength detection range has a uniform temperature (over all its detection elements), it can be separated Temperature sensors are omitted. 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.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, in denen die Detektoren, insbesondere die Detektionselemente der Detektoren, wärmeleitend miteinander verbunden sind. Dadurch sind ihre Temperaturen zumindest näherungsweise identisch.Embodiments in which the detectors, in particular the detection elements of the detectors, are connected to one another in a heat-conducting manner are advantageous. As a result, their temperatures are at least approximately identical.

Vorzugsweise umfasst das Spektrometer (mindestens) zwei Paare jeweils wellenlängenselektiv korrespondierender Detektionselemente, deren Detektionselemente so angeordnet sind, dass von einer Wellenlänge des einfallenden Lichts eine Beugungsordnung in ein Detektionselement des einen Paares gelangt und eine andere Beugungsordnung derselben Wellenlänge in ein Detektionselement des anderen Paares gelangt. Dadurch kann unter der Annahme einer (näherungsweise) identischen Temperatur der Detektoren eine innere Temperatur der Detektoren ohne separate Temperatursensoren auch in Anordnungen ermittelt werden, in denen zwei verschiedene Beugungsordnungen auf dieselben Detektionselemente gebeugt werden.Preferably, the spectrometer comprises (at least) two pairs of respective wavelength-selective corresponding detection elements whose detection elements are arranged so that a diffraction order of a wavelength of the incident light in a detection element of the one pair passes and another diffraction order of the same wavelength in a detection element of the other pair. As a result, assuming an (approximately) identical temperature of the detectors, an internal temperature of the detectors without separate temperature sensors can also be determined in arrangements in which two different diffraction orders are diffracted to the same detection elements.

Besonders bevorzugt werden Ausführungsformen, in denen eine Auswerteeinheit anhand von vier elektrischen Signalen von zwei Paaren jeweils wellenlängenselektiv korrespondierender Detektionselemente einen Wert einer Temperatur des Detektors ermittelt, wobei räumliche Anordnung der Paare zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen oder zwei verschiedenen Beugungsordnungen desselben Wellenlängenbereichs entspricht. Dadurch kann unter der Annahme (näherungsweise) identischer Temperaturen der Detektoren eine innere Temperatur der Detektoren 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 on the basis of four electrical signals of two pairs of wavelength-selective corresponding detection elements are preferred. Spatial arrangement of the pairs corresponds to two different wavelength ranges or two different diffraction orders of the same wavelength range. As a result, assuming (approximately) identical temperatures of the detectors, an internal temperature of the detectors without separate temperature sensors can also be determined in arrangements in which two different diffraction orders are diffracted to the same detection elements.

Zweckmäßigerweise kann die Auswerteeinheit den Wert der Temperatur des Detektors durch Lösen des Gleichungssystems

Figure 00110001
für M Beugungsordnungen (m = 1, ...M), M Detektoren (i = A, B, ...) und M Detektionselemente (p = 1, ...M) ermitteln, wobei Ui,p die Werte der betreffenden elektrischen Signale und Di,m,p die betreffenden spektralen Empfindlichkeiten sind.Conveniently, the evaluation unit, the value of the temperature of the detector by solving the equation system
Figure 00110001
for M diffraction orders (m = 1, ... M), M detectors (i = A, B, ...) and M detect detection elements (p = 1, ... M), where U i, p are the values of relevant electrical signals and D i, m, p are the relevant spectral sensitivities.

Vorteilhafterweise kann die Auswerteeinheit anhand des ermittelten Werts der Temperatur ein elektrisches Signal eines anderen Detektionselementes (insbesondere eines ungepaarten Detektionselementes) des Detektors mit der größeren Temperaturabhängigkeit seiner spektralen Empfindlichkeit – typischerweise der Detektor mit dem kürzerwelligen spektralen Detektionsbereich, gemäß einer (vorgegebenen) 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 an unpaired detection element) of the detector with the greater temperature dependence of its spectral sensitivity-typically the detector with the shorter-wavelength spectral detection range, according to a (predetermined) 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.

Zweckmäßigerweise kann im einfallenden Licht (vor dem dispersiven Element, insbesondere vor dem Eintrittsspalt) ein Langpassfilter angeordnet sein, der Wellenlängen unterhalb des kürzerwelligen (bei mehr als zwei Detektoren: 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.Appropriately, in the incident light (in front of the dispersive element, in particular in front of the entrance slit), a long-pass filter may be arranged which blocks wavelengths below the shorter-wavelength (for more than two detectors: shortest wavelength) spectral detection range. This avoids that unwanted higher orders of diffraction and undesired short-wave light enter the detector and there falsify the measurement of the desired wavelengths.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 ein Weitbereichsspektrometer mit einem korrespondierenden Paar von Detektionselementen, 1 a wide-range spectrometer with a corresponding pair of detection elements,

2 ein Weitbereichsspektrometer mit ausschließlich korrespondierend gepaarten Detektionselementen, 2 a wide-range spectrometer with only correspondingly paired detection elements,

3 eine Zuordnung von Wellenlängen zu Detektorpixeln und 3 an assignment of wavelengths to detector pixels and

4 ein Weitbereichsspektrometer mit einem Strahlteiler und zwei Detektoren mit ausschließlich ungepaarten Detektionselementen. 4 a wide-range spectrometer with a beam splitter and two detectors with exclusively unpaired detection elements.

In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen. Zur Vereinfachung sind nur die Mittenstrahlen der (wellenlängenabhängigen) Strahlengänge eingezeichnet.In all drawings, like parts bear like reference numerals. For simplicity, only the center rays of the (wavelength-dependent) beam paths are shown.

1 stellt ein optisches Mehrkanal-Spektrometer 10 mit einem spektralen Detektionsbereich von λmin = 310 nm (untere Grenzwellenlänge) bis λmax = 1680 nm (obere Grenzwellenlänge) dar, wobei ausschließlich die erste Beugungsordnung (m = 1) des einfallenden Lichts L detektiert wird. Das Spektrometer 10 umfasst zu diesem Zweck einen Eintrittsspalt 1, ein abbildendes Beugungsgitter 2, zwei Detektoren 3A und 3B, eine Kollimationsoptik 11, einen Strahlteiler 4, eine Steuer- und Auswerteeinheit 5 und beispielsweise zwei Temperatursensoren 6, die in Kontakt mit dem Detektor 3A stehen und in alternativen Ausführungsformen entfallen können. Vor dem Eintrittsspalt 1 ist ein optischer Langpassfilter 7 angeordnet. Vor einer Teilfläche des Detektors 3A ist ein optischer Langpassfilter 8 angeordnet. Die Detektoren 3A und 3B sind in um den Strahlteiler 4 symmetrischen Ebenen angeordnet. Umschlossen wird das Spektrometer 10 von einem Gehäuse 9. Nicht abgebildet sind an sich bekannte Anschlüsse zur Energieversorgung sowie eine externe Schnittstelle zur Steuer- und Auswerteeinheit 5. Die Schnittstelle kann beispielsweise zur Übertragung der Messwerte oder zur Steuerung oder Programmierung der Steuer- und Auswerteeinheit 5 dienen. 1 represents a multichannel optical spectrometer 10 with a spectral detection range of λ min = 310 nm (lower limit wavelength) to λ max = 1680 nm (upper limit wavelength), wherein only the first diffraction order (m = 1) of the incident light L is detected. The spectrometer 10 includes for this purpose an entrance slit 1 , an imaging diffraction grating 2 , two detectors 3A and 3B , a collimation optics 11 , a beam splitter 4 , a control and evaluation unit 5 and for example two temperature sensors 6 in contact with the detector 3A stand and can be omitted in alternative embodiments. In front of the entrance slit 1 is an optical long-pass filter 7 arranged. In front of a partial area of the detector 3A is an optical long-pass filter 8th arranged. The detectors 3A and 3B are in around the beam splitter 4 arranged symmetrical planes. The spectrometer is enclosed 10 from a housing 9 , Not shown are known connections to the power supply and an external interface to the control and evaluation 5 , The interface can be used, for example, to transmit the measured values or to control or program the control and evaluation unit 5 serve.

Der erste Detektor 3A ist beispielsweise ein Silizium-Detektor zur optoelektronischen Wandlung gebeugten Lichts S im Wellenlängenbereich von 310 nm bis 1100 nm. Er weist der Übersichtlichkeit der Zeichnung halber beispielhaft nur zehn gleichbreite, voneinander getrennte Detektionselemente 3A.1...3A.10 auf, die als Pixel bezeichnet werden können. Der zweite Detektor 3B ist beispielsweise ein Indium-Gallium-Arsenid-Detektor zur optoelektronischen Wandlung gebeugten Lichts S im Wellenlängenbereich von 950 nm bis 1680 nm. Er weist der Übersichtlichkeit der Zeichnung halber beispielhaft nur neun gleichbreite, voneinander getrennte Detektionselemente 3B.1...3B.9 auf, die als Pixel bezeichnet werden können. Jedes der Detektionselemente 3A.1...3A.10 umfasst auf bekannte Weise eine p-dotierte Si-Schicht und eine n-dotierte Si-Schicht und weist damit einen eigenen p-n-Übergang auf. Jedes der Detektionselemente 3B.1...3B.9 besteht auf bekannte Weise aus einer p-dotierten InGaAs-Schicht und einer n-dotierten InGaAs-Schicht und weist damit einen eigenen p-n-Übergang auf.The first detector 3A is, for example, a silicon detector for the optoelectronic conversion of diffracted light S in the wavelength range of 310 nm to 1100 nm. For the sake of clarity of the drawing, it only has ten equally wide, mutually separate detection elements 3A.1 ... 3A.10 on, which can be referred to as pixels. The second detector 3B is for example an indium gallium arsenide detector for optoelectronic conversion of diffracted light S in the wavelength range of 950 nm to 1680 nm. He has the sake of clarity of the drawing, for example, only nine equal width, separate detection elements 3B.1 ... 3B.9 on, which can be referred to as pixels. Each of the detection elements 3A.1 ... 3A.10 comprises in a known manner a p-doped Si layer and an n-doped Si layer and thus has its own pn junction. Each of the detection elements 3B.1 ... 3B.9 consists in a known manner of a p-doped InGaAs layer and an n-doped InGaAs layer and thus has its own pn junction.

Der zweite Detektor 3B ist so angeordnet, dass das Detektionselement 3B.1 durch den Strahlteiler 4 mit dem Detektionselement 3A.10 korrespondiert, da bei einer Ebenenspiegelung am Strahlteiler 4 das virtuelle Spiegelbild des einen Detektionselements kongruent mit dem anderen Detektionselement ist. Da der Strahlteiler 4, beispielsweise in Form einer vollflächigen dichroitischen Kurzpass-Schicht mit einer spektralen Teilungskante bei 1025 nm in einer Kantenzone von 950 nm bis 1100 nm, das aufgespaltete Licht S wellenlängenselektiv teilt, gelangt gebeugtes Licht im Wellenlängenbereich von 950 nm bis 1100 nm zu gleichen Teilen in beide Detektionselemente 3A.10 und 3B.1. Die Detektion im überlappenden Wellenlängenbereich (950 nm bis 1100 nm) erfolgt also sowohl mit dem InGaAs-Detektor 3A als auch mit dem Si-Detektor 3B. Letzterer weist zwar ein geringeres Rauschen auf, besitzt aber im Gegenzug eine höhere Temperaturabhängigkeit als der InGaAs-Detektor A.The second detector 3B is arranged so that the detection element 3B.1 through the beam splitter 4 with the detection element 3A.10 corresponds, as in a plane mirror at the beam splitter 4 the virtual mirror image of the one detection element is congruent with the other detection element. Because the beam splitter 4 For example, in the form of a full-area dichroic short-pass film having a spectral splitting edge at 1025 nm in an edge region of 950 nm to 1100 nm which selectively splits split light S, diffracted light in the wavelength region of 950 nm to 1100 nm is equally divided into both detection elements 3A.10 and 3B.1 , The detection in the overlapping wavelength range (950 nm to 1100 nm) thus takes place both with the InGaAs detector 3A as well as with the Si detector 3B , Although the latter has a lower noise, it in turn has a higher temperature dependence than the InGaAs detector A.

Der Langpassfilter 7 sperrt Licht L einer Wellenlänge von beispielsweise bis zu 300 nm und lässt Licht L einer Wellenlänge ab beispielsweise 310 nm nahezu vollständig zum Eintrittsspalt 1 passieren. Der Langpassfilter 8 lässt in dem am Gitter 2 gebeugten Licht S unterhalb einer Wellenlänge von beispielsweise 550 nm maximal beispielsweise 1% Transmission zum Detektor 3A zu und weist oberhalb von beispielweise 590 nm mindestens beispielsweise 90% Durchlässigkeit auf.The longpass filter 7 blocks light L of a wavelength of, for example, up to 300 nm and allows light L of a wavelength from, for example, 310 nm almost completely to the entrance slit 1 happen. The longpass filter 8th lets in the grid 2 diffracted light S below a wavelength of, for example, 550 nm maximum, for example, 1% transmission to the detector 3A to and above, for example, 590 nm at least for example, 90% transmittance.

Einen Überblick über das Schicksal der unterschiedlichen Wellenlängen λ des einfallenden Lichts L gibt die folgende Tabelle: λ Schicksal ≤ 300 nm Vorab durch Langpassfilter 7 entfernt. 310 bis 590 nm Absorption im Si-Detektor 3A ohne vorherige Filterung; Beugungsordnungen m ≥ 2 vorab durch Langpassfilter 7 entfernt. 590 bis 600 nm Absorption im Si-Detektor 3A mit oder ohne Langpassfilter 8 (Position der Filterkante); Beugungsordnungen m ≥ 2 vorab durch Langpassfilter 7 entfernt. 600 bis 950 nm Absorption im Si-Detektor 3A mit Langpassfilter 8; Beugungsordnungen m ≥ 2 vorab durch Langpassfilter 8 entfernt. 950 bis 1100 nm Absorption im Si-Detektor 3A mit Langpassfilter 8 (Beugungsordnungen m ≥ 2 vorab durch Langpassfilter 8 entfernt) und im InGaAs-Detektor 3B (mit Langpassfilter 8; Beugungsordnungen m ≥ 2 vorab durch Strahlteiler 4 entfernt). 1100 bis 1680 nm Absorption im InGaAs-Detektor 3B; Beugungsordnungen m ≥ 2 vorab durch Strahlteiler 4 entfernt. An overview of the fate of the different wavelengths λ of the incident light L is given in the following table: λ fate ≤ 300 nm First through long pass filter 7 away. 310 to 590 nm Absorption in the Si detector 3A without prior filtering; Diffraction orders m ≥ 2 in advance by long-pass filter 7 away. 590 to 600 nm Absorption in the Si detector 3A with or without long pass filter 8th (Position of the filter edge); Diffraction orders m ≥ 2 in advance by long-pass filter 7 away. 600 to 950 nm Absorption in the Si detector 3A with longpass filter 8th ; Diffraction orders m ≥ 2 in advance by long-pass filter 8th away. 950 to 1100 nm Absorption in the Si detector 3A with longpass filter 8th (Diffraction orders m ≥ 2 in advance by long-pass filter 8th removed) and in the InGaAs detector 3B (with longpass filter 8th ; Diffraction orders m ≥ 2 in advance by beam splitters 4 away). 1100 to 1680 nm Absorption in the InGaAs detector 3B ; Diffraction orders m ≥ 2 in advance by beam splitters 4 away.

Die elektrischen Signale der Detektionselemente 3i.p (p = 1...10), die der Steuer- und Auswerteeinheit 5 bei Detektion von Licht der Energie W zugeführt werden, seien Ui,p = Di,p(T)·W(λp), wobei im vorliegenden Beispiel: p = 1...10 für i = A und p = 1...9 für i = B.The electrical signals of the detection elements 3i.p (p = 1 ... 10), that of the control and evaluation unit 5 be supplied to the energy W upon detection of light, are U i, p = D i, p (T) x W (λ p ), where in the present example: p = 1 ... 10 for i = A and p = 1 ... 9 for i = B.

Dabei ist Di,p(T) die spektrale Empfindlichkeit der optoelektronischen Wandler 3i.p in den jeweiligen auf sie gebeugten Wellenlängenbereichen λp in Abhängigkeit der Temperatur des betreffenden optoelektronischen Wandlers 3i.p. Sie muss vor Verwendung des Spektrometers 10 bei mehreren (mindestens zwei) Temperaturen Tk im vorgesehenen Betriebstemperaturbereich mit monochromatischem Licht bekannter Leistung in einem sogenannten Kalibrierdurchgang ermittelt werden. Die 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.In this case, D i, p (T) is the spectral sensitivity of the optoelectronic transducers 3i.p in the respective diffracted wavelength ranges λ p as a function of the temperature of the relevant optoelectronic transducer 3i.p , It must be before using the spectrometer 10 be determined at a plurality of (at least two) temperatures T k in the intended operating temperature range with monochromatic light of known power in a so-called calibration passage. The 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.

Für die zwei wellenlängenselektiv korrespondierenden Detektionselemente 3A.10 und 3B.1 ist die eingestrahlte Lichtenergie W identisch, so dass für das Verhältnis der Signale Ui,p bei einer aktuellen Temperatur TD der beiden optoelektronischen Wandler gilt:

Figure 00150001
For the two wavelength-selective corresponding detection elements 3A.10 and 3B.1 the irradiated light energy W is identical, so that for the ratio of the signals U i, p at a current temperature T D of the two optoelectronic converters:
Figure 00150001

Aus diesem Verhältnis der aktuellen Signalwerte UA,10/UB,1 kann anhand der spektralen Empfindlichkeitsfunktionen DA,10(T), DB,1(T) ein aktueller Temperaturwert TD für das Detektorelement 3A.10 ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise aus den spektralen Empfindlichkeitsfunktionen Di,10(T) die Quotientenfunktion q10(T) gebildet werden:

Figure 00150002
From this ratio of the current signal values U A, 10 / U B, 1 , an actual temperature value T D for the detector element can be determined on the basis of the spectral sensitivity functions D A, 10 (T), D B, 1 (T) 3A.10 be determined. For this purpose, for example , the quotient function q 10 (T) can be formed from the spectral sensitivity functions D i, 10 (T):
Figure 00150002

Die geringere Temperaturabhängigkeit der spektralen Empfindlichkeit des Detektorelements DB,1(T) wird im überlappenden Wellenlängenbereich (950 bis 1050 nm) vernachlässigt.The lower temperature dependence of the spectral sensitivity of the detector element D B, 1 (T) is neglected in the overlapping wavelength range (950 to 1050 nm).

Mittels der aus der Quotientenfunktion q10(T) zu bestimmenden Umkehrfunktion q10 –1 kann dann der aktuelle Temperaturwert TD berechnet werden:

Figure 00160001
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:
Figure 00160001

Anhand des aktuellen Temperaturwerts TD und der vorab ermittelten spektralen Empfindlichkeitsfunktionen Di,p(T) können temperaturabhängige Schwankungen der elektrischen Signale Ui,p aller Detektionselemente 3i.p kompensiert werden. Zur Ermittlung der tatsächlichen momentanen Lichtleistung im Wellenlängenbereich λ ≤ 1100 nm werden von der Steuer- und Auswerteeinheit 5 wegen des geringeren Rauschens beispielsweise ausschließlich die Signale UA,p der Si-Wandler 3A.1...3A.10 herangezogen und gemäß der jeweiligen spektralen Empfindlichkeitsfunktionen DA,p(T) temperaturabhängig normiert und über eine Schnittstelle ausgegeben:

Figure 00160002
On the basis of the current temperature value T D and the previously determined spectral sensitivity functions D i, p (T), temperature-dependent fluctuations of the electrical signals U i, p of all the detection elements 3i.p be compensated. To determine the actual momentary light power in the wavelength range λ ≤ 1100 nm are from the control and evaluation 5 because of the lower noise, for example, only the signals U A, p of the Si converter 3A.1 ... 3A.10 used and standardized according to the respective spectral sensitivity functions D A, p (T) temperature-dependent and output via an interface:
Figure 00160002

Die Temperaturermittlung über das Verhältnis der elektrischen Signale Ui,p im überlappenden Wellenlängenbereich hat gegenüber einer Temperaturmessung mit einem herkömmlichen, außen auf den Detektor 3A aufgebrachten separaten Temperatursensor 6.1 den Vorteil, dass nicht die Oberflächentemperatur des Detektorsubstrats, sondern vielmehr die Temperatur T des eigentlichen Detektionselementes 3A.10 ermittelt wird und so Einflüsse durch Temperaturgradienten (ungleichmäßige Erwärmung beispielsweise aufgrund von Wärmeleitung) minimiert sind. Der Temperatureinfluss auf die spektrale Empfindlichkeit des InGaAs-Detektors am langwelligen Ende λmax kann zusätzlich entweder mit einem externen Temperatursensor 6.2 möglichst nahe an der detektierenden Halbleiterschicht oder durch die oben ermittelte aktuelle Detektortemperatur TD (die allerdings exakt nur in der Mitte des Detektionselements 3A.10 herrscht) kompensiert werden. Welche einzelne Kompensationsmöglichkeit oder eine Kombination aus beiden am besten wirkt, hängt von den thermischen Verhältnissen im Spektrometer 10 ab, insbesondere davon, wo die geringsten Temperaturgradienten bestehen. Der Fachmann ist in der Lage, in Kenntnis der thermischen Verhältnisse zu entscheiden, welche Art der Kompensation jeweils die genaueste Messung bewirkt.The temperature determination on the ratio of the electrical signals U i, p in the overlapping wavelength range has compared to a temperature measurement with a conventional, on the outside of the detector 3A applied separate temperature sensor 6.1 the advantage that not the surface temperature of the detector substrate, but rather the temperature T of the actual detection element 3A.10 is determined and thus influences by temperature gradients (non-uniform heating, for example, due to heat conduction) are minimized. The temperature influence on the spectral sensitivity of the InGaAs detector at the long-wave end λ max can additionally be determined either with an external temperature sensor 6.2 as close as possible to the detecting semiconductor layer or by the above-determined current detector temperature T D (which, however, exactly only in the middle of the detection element 3A.10 prevails) are compensated. Which single compensation option or a combination of both works best depends on the thermal conditions in the spectrometer 10 especially where the lowest temperature gradients exist. The person skilled in the art is able to decide, with regard to the thermal conditions, which type of compensation causes the most accurate measurement in each case.

In realen Ausführungsformen (nicht abgebildet) weist der Detektor 3 beispielsweise insgesamt 256 (p = 1...256) Detektionselemente auf. Auch andere Anzahlen sind möglich. Die obigen Betrachtungen gelten entsprechend. Im überlappenden Wellenlängenbereich der Detektoren 3A und 3B liegen dann mehrere Detektionselemente (Pixel), von denen pro Detektor mindestens eines von einem gemeinsamen Wellenlängenbereich beleuchtet wird und im Bereich der überlappenden Detektionsbereiche der unterschiedlichen Detektortypen liegt.In real embodiments (not shown), the detector has 3 for example, a total of 256 (p = 1 ... 256) detection elements. Other numbers are possible. The above considerations apply accordingly. In the overlapping wavelength range of the detectors 3A and 3B There are then several detection elements (pixels), of which at least one of a common wavelength range is illuminated per detector and lies in the region of the overlapping detection ranges of the different detector types.

Allgemein gilt für das Verhältnis der elektrischen Signale UA,p und UB,p der einem gemeinsamen Wellenlängenbereich zugeordneten (mit anderen Worten: korrespondierenden) Detektionselemente-Paare 3A.p und 3B.p':

Figure 00170001
Generally applies to the ratio of the electrical signals U A, P and U B, p of a common wavelength range associated (in other words: corresponding) detection element pairs 3A.p and 3B.p ' :
Figure 00170001

Weist der überlappende Spektralbereich der Detektoren 3A und 3B mehrere Paare korrespondierender Detektionselemente auf, kann für mehrere davon, insbesondere für jedes davon, ein eigener Temperaturwert TD ermittelt werden. Um den Einfluss von Rauschen des InGaAs-Wandlers auf den aus den unterschiedlichen optoelektronischen Wandlern ermittelten Temperaturwert TD zu vermindern, kann ein zusammengefasster Temperaturwert TD aus den Signalen mehrerer korrespondierender Paare im überlappenden Spektralbereich ermittelt werden. So kann eine Glättung der ermittelten Temperatur erfolgen, beispielsweise durch gleitende Mittelwertbildung mit einer vorgegebenen Zeitkonstante. Dies kann beispielsweise in der Steuer- und Auswerteeinheit 5 geschehen.Indicates the overlapping spectral range of the detectors 3A and 3B Several pairs of corresponding detection elements, for several of them, in particular for each of them, a separate temperature value T D can be determined. In order to reduce the influence of noise of the InGaAs converter on the temperature value T D determined from the different optoelectronic converters, a combined temperature value T D can be determined from the signals of a plurality of corresponding pairs in the overlapping spectral range. Thus, a smoothing of the determined temperature can be carried out, for example by moving averaging with a predetermined time constant. This can be done, for example, in the control and evaluation unit 5 happen.

2 zeigt ein optisches Mehrkanal-Spektrometer 10 mit einem spektralen Detektionsbereich von λmin = 400 nm bis λmax = 1680 nm, das ausschließlich die erste Beugungsordnung (m = 1) und die zweite Beugungsordnung (m = 2) des einfallenden Lichts L detektiert. Der Aufbau des Spektrometers 10 entspricht im wesentlichem dem in 1 gezeigten Gerät, jedoch ist das Beugungsgitter 2 hier ein Plangitter. Darüber hinaus weisen die Detektoren 3A und 3B beide jeweils achtzehn Detektionselemente 3A/B.1...3A/B.18 und sind bezüglich des Strahlteilers 4 symmetrisch angeordnet, so dass alle Detektionselemente wellenlängenselektiv korrespondierend gepaart sind. Zudem ist zwischen dem zwischen dem Eintrittsspalt 1 und dem Gitter 2, das hier als Plangitter ausgeführt ist, eine Kollimationsoptik 11, beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel, angeordnet, um eine maximale Trennschärfe des Strahlteilers 4 zu ermöglichen. Vor jedem Detektor 3A/B ist eine auf seinen spektralen Detektionsbereich angepasste Kameraoptik 12A/B, beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel, angeordnet. In einer anderen Ausführungsform (nicht abgebildet) können die Kollimationsoptik 11 und/oder die Kameraoptiken 12A, 12B entfallen. 2 shows a multi-channel optical spectrometer 10 with a spectral detection range of λ min = 400 nm to λ max = 1680 nm, which detects only the first diffraction order (m = 1) and the second diffraction order (m = 2) of the incident light L. The construction of the spectrometer 10 corresponds to essentially the in 1 shown device, however, is the diffraction grating 2 here a plangitter. In addition, the detectors have 3A and 3B both each eighteen detection elements 3A /B.1 ... 3A /B.18 and are relative to the beam splitter 4 arranged symmetrically, so that all detection elements are paired wavelength selective corresponding. In addition, between the between the entrance slit 1 and the grid 2 , which is designed here as Plangitter, a Kollimationsoptik 11 , For example, a lens or a mirror, arranged to a maximum selectivity of the beam splitter 4 to enable. In front of each detector 3A / B is a camera optics adapted to its spectral detection range 12A / B, for example a lens or a mirror. In another embodiment (not shown), the collimation optics 11 and / or the camera optics 12A . 12B omitted.

Die spektrale Kante des Kurzpass-Strahlteilers 4 liegt beispielsweise bei 820 nm, die Kantenzone liegt zwischen 800 nm und 840 nm. Es handelt sich beispielsweise um einen ersten Detektor 3A aus Silizium und einen zweiten Detektor 3B aus Indium-Gallium-Arsenid, deren elektrische Signale auf bekannte Weise der Steuer- und Auswerteeinheit 5 zugeführt werden.The spectral edge of the shortpass beam splitter 4 for example, is at 820 nm, the edge zone is between 800 nm and 840 nm. It is, for example, a first detector 3A made of silicon and a second detector 3B Indium gallium arsenide whose electrical signals in a known manner the control and evaluation 5 be supplied.

Über einer Teilfläche des ersten Detektors 3A ab einer Wellenlänge von beispielsweise m·λ = (1165 ± 5) nm befindet sich ein Langpassfilter 8, der von gebeugtem Licht S bis zu einer Wellenlänge von beispielsweise λ = 560 nm maximal beispielsweise 1% und ab einer Wellenlänge von beispielsweise λ = 580 nm mindestens beispielweise 90% passieren lässt. Der Langpassfilter 8 ist unmittelbar auf der genannten Teilfläche des Detektors 3A aufgebracht. In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) kann er auf einem separaten Träger, beispielsweise aus Glas, angeordnet sein.Over a partial area of the first detector 3A from a wavelength of for example m · λ = (1165 ± 5) nm, there is a long-pass filter 8th which allows at least for example 1% of diffracted light S up to a wavelength of, for example, λ = 560 nm and at least for example 90% at a wavelength of, for example, λ = 580 nm. The longpass filter 8th is directly on the said subarea of the detector 3A applied. In alternative embodiments (not shown), it may be arranged on a separate support, for example made of glass.

Vor dem Eintrittsspalt 1 ist ein Langpassfilter 7 angeordnet, der Wellenlängen bis beispielsweise λ = 390 nm im wesentlichen sperrt und Wellenlängen ab beispielsweise λ = 400 nm nahezu vollständig passieren lässt. Wellenlängen mit λ ≤ 390 nm brauchen daher nachfolgend nicht beachtet zu werden.In front of the entrance slit 1 is a longpass filter 7 arranged, the wavelengths to, for example, λ = 390 nm substantially blocks and wavelengths, for example, λ = 400 nm almost completely pass. Wavelengths with λ ≤ 390 nm therefore need not be considered below.

Kurzwelliges Licht S der zweiten Beugungsordnung (m = 2) mit Wellenlängen zwischen λ = 400 nm und λ = 800 nm, also m·λ = 800 nm bis m·λ = 1600 nm, wird vom Strahlteiler 4 vorwiegend zum ersten Zeilen-Detektor 3A geleitet, der daraus auf bekannte Weise elektrische Signale UA,p erzeugt, und damit vom zweiten Zeilen-Detektor 3B ferngehalten. Langwelliges Licht der ersten Beugungsordnung (m = 1) mit Wellenlängen zwischen λ = 840 nm und λ = 1680 nm wird vom Strahlteiler 4 nahezu vollständig zum zweiten Zeilen-Detektor 3B abgelenkt, der daraus auf bekannte Weise elektrische Signale UB,p erzeugt. Im Überlappungsbereich von 800 nm bis 840 nm gelangt Licht aus der ersten Beugungsordnung zu beiden Detektoren 3A und 3B und wird dort optoelektronisch gewandelt.Short-wave light S of the second order of diffraction (m = 2) with wavelengths between λ = 400 nm and λ = 800 nm, ie m · λ = 800 nm to m · λ = 1600 nm, is emitted from the beam splitter 4 mainly to the first line detector 3A passed, which generates in a known manner electrical signals U A, P , and thus from the second line detector 3B kept away. Long-wave light of the first diffraction order (m = 1) with wavelengths between λ = 840 nm and λ = 1680 nm is emitted from the beam splitter 4 almost completely to the second line detector 3B deflected, which generates in a known manner electrical signals U B, p . In the overlap range from 800 nm to 840 nm, light from the first diffraction order reaches both detectors 3A and 3B and is converted there optoelectronically.

Mit dem prinzipiellen optischen Aufbau gemäß der in 2 skizzierten Ausführungsform können drei verschiedene Betriebsweisen realisiert werden:

  • 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.
With the basic optical structure according to the in 2 sketched embodiment, three different modes of operation can be realized:
  • 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 10 durch die Langpassfilter 7 und 8 unterdrückt: Beugungsordnung m = 1 m = 2 m = 3 Detektion (Absorption) Vorwiegend in InGaAs-Detektor 3B vorwiegend in Si-Detektor 3A keine ohne Filter 800...1680 nm 400...580 nm bis 390 nm wegen Langpassfilter 7 Filterkante, Filter 8 vorhanden oder nicht 580...585 nm Langpassfilter 8 Sperrung bis 560 nm, Durchlass ab 580 nm 585...840 nm 390...560 nm wegen Langpassfilter 8 The higher diffraction orders (m ≥ 3) are in the spectrometer 10 through the longpass filter 7 and 8th suppressed: diffraction order m = 1 m = 2 m = 3 Detection (absorption) Mainly in InGaAs detector 3B mainly in Si detector 3A none without filter 800 ... 1680 nm 400 ... 580 nm up to 390 nm because of longpass filters 7 Filter edge, filter 8th present or not 580 ... 585 nm Long-pass filter 8th Blocking up to 560 nm, passage from 580 nm 585 ... 840 nm 390 ... 560 nm due to long-pass filter 8th

Die erste Beugungsordnung des Spektralbandes von 800 nm bis 840 nm wird dabei simultan mit der zweiten Beugungsordnung des Spektralbandes von 400 nm bis 420 nm anteilig auf beide Detektoren 3A und 3B geleitet.The first diffraction order of the spectral band of 800 nm to 840 nm is thereby proportional to the second diffraction order of the spectral band from 400 nm to 420 nm on both detectors 3A and 3B directed.

Die Auswerteeinheit 5 verarbeitet beispielsweise das elektrische Signal UA,1 des Detektionselementes 3A.1 als rohes Signal für die absorbierte Energie in dem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 424,4 nm und das elektrische Signal UB,1 des korrespondierenden Detektionselementes 3.1 als rohes Signal für die absorbierte Energie in dem Wellenlängenbereich 800 nm bis 848,8 nm. Für die anderen korrespondierenden Detektionselemente-Paare gilt entsprechendes, soweit kürzere Wellenlängen nicht durch den Langpassfilter 8 unterdrückt werden. Durch die derartige doppelte Nutzung der Detektionsebene des Spektrometers 10 ist das spektrale Auflösungsvermögen näherungsweise doppelt so groß wie das der in 1 dargestellten Ausführungsform. The evaluation unit 5 processes, for example, the electrical signal U A, 1 of the detection element 3A.1 as a raw signal for the absorbed energy in the wavelength range of 400 nm to 424.4 nm and the electrical signal U B, 1 of the corresponding detection element 3.1 as a raw signal for the absorbed energy in the wavelength range 800 nm to 848.8 nm. For the other corresponding detection element pairs corresponding, so far shorter wavelengths not by the long-pass filter applies 8th be suppressed. Due to the double use of the detection plane of the spectrometer 10 the spectral resolution is approximately twice as large as that in 1 illustrated embodiment.

Die in den Beugungsordnungen m1 = 1 und m2 = 2 bei einer über die Detektoren 3A und 3B hinweg einheitlichen Temperatur TD absorbierte Lichtenergie W(λp/mj) kann anhand der aufgenommenen Detektorsignale Ui,p (i = A, B) aus folgendem Gleichungssystem ermittelt werden:

Figure 00200001
The in the diffraction orders m 1 = 1 and m 2 = 2 at one over the detectors 3A and 3B uniform temperature T D absorbed light energy W (λ p / m j ) can be determined on the basis of the recorded detector signals U i, p (i = A, B) from the following system of equations:
Figure 00200001

Dabei ist Di,j,p(T) die spektrale Empfindlichkeit der optoelektronischen Wandler 3i.p bei der ihnen zugeordneten Wellenlänge λp/mj. in Abhängigkeit der Temperatur des betreffenden optoelektronischen Wandlers 3i.p. Sie muss vor Verwendung des Spektrometers 10 bei mehreren (mindestens zwei) Temperaturen Tk im vorgesehenen Betriebstemperaturbereich mit monochromatischem Licht bekannter Leistung in einem sogenannten Kalibrierdurchgang ermittelt werden:

Figure 00200002
D i, j, p (T) is the spectral sensitivity of the optoelectronic transducers 3i.p at their associated wavelength λ p / m j . depending on the temperature of the relevant optoelectronic transducer 3i.p , It must be before using the spectrometer 10 be determined at a plurality of (at least two) temperatures T k in the intended operating temperature range with monochromatic light of known power in a so-called calibration cycle:
Figure 00200002

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 3i.p gemessenen Signale Ui,p kann wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch Normierung mit der spektralen Empfindlichkeit Di,j,p(TD,p) der Detektionselemente 3i.p anhand deren aktueller Temperatur TD,p kompensiert werden. Konkret gelingt das auf zweierlei Weise:
Wenn, wie in 2 der Fall, mindestens ein erster separater Temperatursensor 6.1, vorzugsweise noch ein zweiter separater Temperatursensor 6.2, am Detektor 3A existiert, können die eine oder die mehreren damit gemessenen Temperaturen T1 (und gegebenenfalls T2) als aktuelle Detektortemperatur TD,p verwendet werden, um die Temperaturabhängigkeit der spektralen Empfindlichkeit Di,j,p(T) der optoelektronischen Wandler 3i.p zu kompensieren. Wenn zwei separate Temperatursensoren 6.1 und 6.2 an den Enden des Detektors 3A angeordnet sind, kann die Temperatur TD,p des jeweiligen Detektionselementes 3.p beispielsweise anhand dessen Entfernung zu den Temperatursensoren 6 durch Interpolation zwischen den gemessenen Temperaturen T1 und T2 berechnet werden.
The temperature dependence of the detection elements 3i.p measured signals U i, p , as in the embodiment according to 1 by normalization with the spectral sensitivity D i, j, p (T D, p ) of the detection elements 3i.p based on their current temperature T D, p are compensated. Specifically, this succeeds in two ways:
If, as in 2 the case, at least a first separate temperature sensor 6.1 , preferably a second separate temperature sensor 6.2 , at the detector 3A the one or more temperatures T 1 (and optionally T 2 ) measured therewith may be used as the current detector temperature T D, p to determine the temperature dependence of the spectral sensitivity D i, j, p (T) of the optoelectronic transducers 3i.p to compensate. If two separate temperature sensors 6.1 and 6.2 at the ends of the detector 3A are arranged, the temperature T D, p of the respective detection element 3.P for example, by its distance to the temperature sensors 6 be calculated by interpolation between the measured temperatures T 1 and T 2 .

Auch ohne separate Temperatursensoren 6 kann – unter der Annahme oder der tatsächlichen Voraussetzung, dass entlang der Detektoren 3A und 3B kein Temperaturgradient, sondern eine für alle optoelektronischen Wandler 3i.p gleiche Temperatur TD vorliegt – diese Temperatur TD beispielsweise aus vier Detektorsignalen Ui,p bei zwei verschiedenen Wellenlängen λa und λb ermittelt werden. Wenn beispielsweise λb = k·λa gewählt wird, wobei k = m2:m1 der Quotient der beiden zu detektierenden Beugungsordnungen ist, hier beispielsweise m1 = 1, m2 = 2 und damit k = 2:1 = 2, kann zu diesem Zweck folgendes Gleichungssystem mit den vier unbekannten W(λa/k), W(λa), W(k·λa) und TD gelöst werden:

Figure 00220001
Even without separate temperature sensors 6 can - assuming or the actual requirement that along the detectors 3A and 3B no temperature gradient, but one for all optoelectronic converters 3i.p same temperature T D is present - this temperature T D, for example, four detector signals U i, p are determined at two different wavelengths λ a and λ b . If, for example, λ b = k · λ a is selected, where k = m 2 : m 1 is the quotient of the two diffraction orders to be detected, here, for example, m 1 = 1, m 2 = 2 and thus k = 2: 1 = 2, For this purpose, the following equation system with the four unknown W (λ a / k), W (λ a ), W (k * λ a ) and T D can be solved:
Figure 00220001

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 3i.p weitgehend sicherzustellen, können die Detektoren 3A und 3B vorteilhafterweise von der Umgebung thermisch isoliert werden. Es ist alternativ auch möglich, nur den (temperaturempfindlicheren) Detektor 3A zu temperieren, beispielsweise zu kühlen, und nur die Signale des (temperaturunempfindlicheren) Detektors 3B zu korrigieren.To achieve a uniform temperature distribution across all optoelectronic converters 3i.p To a large extent, the detectors can 3A and 3B advantageously be thermally isolated from the environment. It is alternatively possible, only the (temperature-sensitive) detector 3A to temper, for example, to cool, and only the signals of the (temperature insensitive) detector 3B to correct.

Aus der so ermittelten mittleren Temperatur des Detektors und den Messwerten der externen Temperatursensoren kann bei Vorhandensein eines Temperaturgradienten entlang des Detektors die Temperatur jedes einzelnen Detektorelements bestimmt werden und zur Korrektur dessen spektraler Empfindlichkeit herangezogen werden.From the thus determined average temperature of the detector and the measured values of the external temperature sensors, in the presence of a temperature gradient along the detector, the temperature of each individual detector element can be determined and used to correct its spectral sensitivity.

Aus der erfindungsgemäß ermittelten mittleren Temperatur TD der Detektoren 3A und 3B und den Messwerten T1, T2 der externen Temperatursensoren 6.1, 6.2 kann bei Vorliegen eines Temperaturgradienten entlang des Detektors 3A die Temperatur TD,p jedes einzelnen Detektorelements bestimmt werden und zur Korrektur dessen spektraler Empfindlichkeiten Di,j,p(T) herangezogen werden.From the inventively determined average temperature T D of the detectors 3A and 3B and the measured values T 1 , T 2 of the external temperature sensors 6.1 . 6.2 may be in the presence of a temperature gradient along the detector 3A the temperature T D, p of each individual detector element are determined and used to correct its spectral sensitivities D i, j, p (T).

In realen Ausführungsformen (nicht abgebildet) weisen die Detektoren 3A und 3B beispielsweise jeweils insgesamt 256 Detektionselemente auf. Auch andere Anzahlen sind möglich, ebenso andere spektrale Detektionsbereiche. Die obigen Betrachtungen gelten entsprechend.In real embodiments (not shown), the detectors 3A and 3B for example, in each case a total of 256 detection elements. Other numbers are possible as well as other spectral detection ranges. The above considerations apply accordingly.

Sofern das Spektrometer 10 Detektionselemente 3i.p mit drei oder mehr unterschiedlichen spektralen Detektionsbereichen aufweisen und eine entsprechende Anzahl von Signalen Ui,p(i = A, B, C, ...) abgeben, kann das obige Gleichungssystem auf eine entsprechende Anzahl M ≥ 3 von simultan messbaren Beugungsordnungen erweitert werden. Allgemein kann das Gleichungssystem folgendermaßen formuliert werden:

Figure 00230001
Unless the spectrometer 10 detection elements 3i.p having three or more different spectral detection ranges and output a corresponding number of signals U i, p (i = A, B, C, ...), the above equation system can be extended to a corresponding number M ≥ 3 of simultaneously measurable diffraction orders , In general, the equation system can be formulated as follows:
Figure 00230001

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 3 ist die aus der Beugung von Wellenlängen λ des einfallenden Lichts L am Gitter 2 resultierende Strahlrichtung auf die Zeilen-Detektoren 3A und 3B mit jeweils 256 Detektionselementen 3i.p grafisch dargestellt. Die Wirkungen des Strahlteilers 4 und des Langpassfilters 8 ist dabei nicht berücksichtigt.In 3 is the result of the diffraction of wavelengths λ of the incident light L at the grating 2 resulting beam direction on the line detectors 3A and 3B with 256 detection elements each 3i.p shown graphically. The effects of the beam splitter 4 and the long-pass filter 8th is not taken into account.

4 zeigt ein Spektrometer 10, das weitgehend der in 1 gezeigten Ausführung entspricht, jedoch ausschließlich ungepaarte Detektionselemente aufweist. Eine Temperaturkompensation der spektralen Empfindlichkeit(en) ist daher nur mittels der äußeren Sensoren 6 möglich. Dennoch ist das Spektrometer 10 deutlich kompakter als ein Aufbau mit zwei separaten Spektrometern nach dem Stand der Technik. 4 shows a spectrometer 10 , which is largely the in 1 shown embodiment, but only has unpaired detection elements. Temperature compensation of the spectral sensitivity (s) is therefore only by means of the external sensors 6 possible. Nevertheless, the spectrometer is 10 much more compact than a design with two separate spectrometers according to the prior art.

Es ist in allen Ausführungsformen möglich, die Steuer- und Auswerteeinheit 5 außerhalb des Spektrometers 10 anzuordnen, beispielsweise in einem anderen architektonischen Raum. It is possible in all embodiments, the control and evaluation 5 outside the spectrometer 10 to arrange, for example, in another architectural space.

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 5 oder in räumlichem Abstand vom Spektrometer 10 in einer externen Auswerteeinheit (nicht abgebildet) durchgeführt werden. Zu diesem Zweck können die rohen (unkompensierten) Signalwerte Ui,p gespeichert und/oder über eine Schnittstelle ausgegeben werden.In all embodiments of the invention, the calculations for determining the temperature value T D can be made immediately after the measurement of the electrical signals U i, p or with a time interval thereof. In both cases, they can be used in the internal control and evaluation unit 5 or at a distance from the spectrometer 10 in an external evaluation unit (not shown). For this purpose, the raw (uncompensated) signal values U i, p can be stored and / or output via an interface.

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 5 oder in räumlichem Abstand vom Spektrometer 10 in einer externen Auswerteeinheit (nicht abgebildet) durchgeführt werden. Zu diesem Zweck können die rohen (unkompensierten) Signalwerte Ui,p und/oder bereits ermittelte Temperaturwerte TD gespeichert und/oder über eine Schnittstelle ausgegeben werden. Dadurch kann die zu speichernde und/oder übertragende Datenmenge minimiert werden.In all embodiments of the invention, the compensation of temperature fluctuations can take place immediately after the measurement of the electrical signals U i, p or in temporal distance thereof. In both cases, they can be used in the internal control and evaluation unit 5 or at a distance from the spectrometer 10 in an external evaluation unit (not shown). For this purpose, the raw (uncompensated) signal values U i, p and / or already determined temperature values T D can be stored and / or output via an interface. As a result, the amount of data to be stored and / or transmitted can be minimized.

In allen Ausführungsführungsformen können die Detektoren 3A, 3B eine zweidimensionale Verteilung von Detektionselementen 3A/B.pxy aufweisen, vorzugsweise in Form rechtwinklig zu einander angeordneter Zeilen und Spalten. In solchen Ausführungsformen kann ein einzelnes Paar von Detektionselementen 3A.pxy, 3B.pxy' korrespondierend angeordnet sein, während alle anderen Detektionselemente ungepaart sind. Alternativ können mehrere korrespondierende Paare vorgesehen sein, während alle anderen Detektionselemente ungepaart sind. Alternativ können alle Detektionselemente in korrespondierenden Paaren angeordnet sein. Beispielsweise können die Detektoren 3A beziehungsweise 3B jeweils 256 × 256 Detektionselemente 3A/B.pxy umfassen, die bezüglich des Strahlteilers 4 virtuelle Spiegelbilder voneinander sind.In all embodiments, the detectors 3A . 3B a two-dimensional distribution of detection elements 3A / Bp xy , preferably in the form of perpendicular to each other arranged rows and columns. In such embodiments, a single pair of detection elements 3A.pxy . 3B.pxy ' be arranged correspondingly, while all other detection elements are unpaired. Alternatively, a plurality of corresponding pairs may be provided, while all other detection elements are unpaired. Alternatively, all detection elements may be arranged in corresponding pairs. For example, the detectors 3A respectively 3B 256 × 256 detection elements each 3A / Bp xy with respect to the beam splitter 4 are virtual mirror images of each other.

In 4 ist schematisch ein einfaches Weitbereichsspektrometer 10 dargestellt, das ausschließlich ungepaarte Detektionselemente 3A.1...9 und 3B.1...9 aufweist und im übrigen der Ausführungsform gemäß 1 entspricht. Zur Temperaturkompensation sind hier die Fühler 6.1 und 6.2 notwendig. Der Strahlteiler 4 kann in einer alternativen Ausführungsform beispielsweise ein spektraler Neutralteiler sein.In 4 is schematically a simple wide-range spectrometer 10 shown, the only unpaired detection elements 3A.1 ... 9 and 3B.1 ... 9 and the rest of the embodiment according to 1 equivalent. For temperature compensation here are the probes 6.1 and 6.2 necessary. The beam splitter 4 may be, for example, a spectral neutral divider in an alternative embodiment.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Eintrittsspaltentrance slit
22
Beugungsgitterdiffraction grating
3A/B3A / B
Detektordetector
3i.p3i.p
Detektionselement (i = A, B)p = 1...18)Detection element (i = A, B) p = 1 ... 18)
44
Strahlteilerbeamsplitter
55
Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
66
Temperatursensortemperature sensor
77
LangpassfilterLong-pass filter
88th
LangpassfilterLong-pass filter
99
Gehäusecasing
1010
Spektrometerspectrometer
1111
Kollimationsoptikcollimating optics
12A/B12A / B
Kameraoptikcamera optics
LL
Einfallendes LichtIncident light
SS
Aufgespaltetes LichtSplit 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

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10010213 A1 [0004] DE 10010213 A1 [0004]

Claims (13)

Optisches Spektrometer (10) mit einem Gehäuse (9), das einen Eintrittsspalt (1) aufweist, einem dispersiven Element (2) und einem Detektor (3A) mit mehreren optoelektronischen Detektionselementen (3A.p), wobei das dispersive Element (2) Licht (L), das durch den Eintrittsspalt (1) in das Gehäuse (9) fällt, wellenlängenabhängig in Richtung unterschiedlicher Detektionselemente (3A.p) des Detektors (3A) aufspaltet, gekennzeichnet durch einen zweiten Detektor (3B) mit mehreren optoelektronischen Detektionselementen (3B.p) und einen zwischen dem dispersiven Element (2) und dem ersten Detektor (3A) angeordneten Strahlteiler (4), der einen Teil des aufgespalteten Lichts (S) zu dem zweiten Detektor (3B) ablenkt, wobei die Detektionselemente (3A.p) des ersten Detektors (3A) einen anderen spektralen Detektionsbereich aufweisen als die Detektionselemente (3B.p) des zweiten Detektors (3B).Optical spectrometer ( 10 ) with a housing ( 9 ), which has an entrance slit ( 1 ), a dispersive element ( 2 ) and a detector ( 3A ) with a plurality of optoelectronic detection elements ( 3A.p ), wherein the dispersive element ( 2 ) Light (L) passing through the entrance slit ( 1 ) in the housing ( 9 ), depending on the wavelength in the direction of different detection elements ( 3A.p ) of the detector ( 3A ), characterized by a second detector ( 3B ) with a plurality of optoelectronic detection elements ( 3B.p ) and one between the dispersive element ( 2 ) and the first detector ( 3A ) arranged beam splitter ( 4 ), a part of the split light (S) to the second detector ( 3B ), the detection elements ( 3A.p ) of the first detector ( 3A ) have a different spectral detection range than the detection elements ( 3B.p ) of the second detector ( 3B ). Spektrometer (10) nach Anspruch 1, wobei der Strahlteiler (4) das aufgespaltete Licht (S) zumindest in einem Teilbereich seiner Fläche wellenlängenselektiv teilt.Spectrometer ( 10 ) according to claim 1, wherein the beam splitter ( 4 ) divides the split light (S) at least in a partial region of its surface wavelength-selectively. Spektrometer (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein korrespondierendes Paar aus einem der Detektionselemente (3A.p) des ersten Detektors (3A) und einem Detektionselement (3B.p') des zweiten Detektors (3B) bezüglich der Fläche des Strahlteilers (4) symmetrisch angeordnet ist, insbesondere derart, dass diese Detektionselemente (3A.p, 3B.p') durch einen wellenlängenselektiv teilenden Teilbereich des Strahlteilers (4) miteinander wellenlängenselektiv korrespondieren.Spectrometer ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein at least one corresponding pair of one of the detection elements ( 3A.p ) of the first detector ( 3A ) and a detection element ( 3B.p ' ) of the second detector ( 3B ) with respect to the surface of the beam splitter ( 4 ) is arranged symmetrically, in particular such that these detection elements ( 3A.p . 3B.p ' ) by a wavelength-selective dividing portion of the beam splitter ( 4 ) correspond to one another wavelength-selectively. Spektrometer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein spektraler Langpassfilter (8) vor einem echten Teilbereich mindestens eines der beiden Detektoren (3A, 3B) bis einschließlich dessen langwelligen Endes durchgängig angeordnet ist, insbesondere vor demjenigen Detektor (3A) mit dem kürzerwelligen Detektionsbereich.Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein a spectral long-pass filter ( 8th ) in front of a real subregion of at least one of the two detectors ( 3A . 3B ) is continuously arranged up to and including its long-wave end, in particular in front of the detector ( 3A ) with the shorter wavelength detection range. Spektrometer (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Langpassfilter – an oder in dem Strahlteiler (4) oder – zwischen dem Strahlteiler (4) und dem betreffenden Detektor (3A/B) oder – an dem betreffenden Detektor (3A/B) angeordnet ist.Spectrometer ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the long-pass filter - on or in the beam splitter ( 4 ) or - between the beam splitter ( 4 ) and the relevant detector ( 3A / B) or - at the relevant detector ( 3A / B) is arranged. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine Auswerteeinheit (5) ein elektrisches Signal eines Detektionselementes (3A.p) des einen Detektors (3A) als rohes Signal für die absorbierte Energie in einem ersten Wellenlängenbereich verarbeitet und ein elektrisches Signal eines mit diesem Detektionselement (3A.p) durch den Strahlteiler (4) wellenlängenselektiv korrespondierenden Detektionselementes (3B.p') des zweiten Detektors (3B) 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.Spectrometer ( 10 ) according to one of claims 2 to 5, wherein an evaluation unit ( 5 ) an electrical signal of a detection element ( 3A.p ) of the one detector ( 3A ) is processed as a raw signal for the absorbed energy in a first wavelength range and an electrical signal of a with this detection element ( 3A.p ) through the beam splitter ( 4 ) wavelength-selective corresponding detection element ( 3B.p ' ) of the second detector ( 3B ) as a raw signal for the absorbed energy in a second wavelength range whose lower limit wavelength is k times the lower limit wavelength of the first wavelength range and whose upper cut-off wavelength is k times the upper cut-off wavelength of the first wavelength range, where k is a quotient of two is to be detected diffraction orders. Spektrometer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Empfindlichkeit eines der Detektoren (3B) im wesentlichen temperaturunabhängig oder zumindest weniger temperaturabhängig als eine entsprechende Empfindlichkeit des anderen Detektors (3A) ist und/oder wobei der eine Detektor (3A) eine Silizium-Detektor und der andere Detektor (3B) ein Indium-Gallium-Arsenid-, Germanium- oder Bleisulfid-Detektor ist.Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein a sensitivity of one of the detectors ( 3B ) is substantially temperature-independent or at least less temperature-dependent than a corresponding sensitivity of the other detector ( 3A ) and / or wherein the one detector ( 3A ) one silicon detector and the other detector ( 3B ) is an indium gallium arsenide, germanium or lead sulfide detector. Spektrometer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spektralen Detektionsbereiche der beiden Detektoren (3A, 3B) einander spektral überlappen.Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the spectral detection ranges of the two detectors ( 3A . 3B ) overlap each other spectrally. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei eine Auswerteeinheit (5) anhand mindestens eines elektrischen Signals (UA,p) eines Detektionselements (3A.p) des ersten Detektors (3A) und anhand mindestens eines elektrischen Signals (UB,p) eines damit wellenlängenselektiv korrespondierenden Detektionselements (3B.p') des zweiten Detektors (3B) einen Wert (TD) einer Temperatur der betreffenden Detektionselemente (3A.p, 3B.p') ermittelt.Spectrometer ( 10 ) according to one of claims 3 to 8, wherein an evaluation unit ( 5 ) based on at least one electrical signal (U A, P ) of a detection element ( 3A.p ) of the first detector ( 3A ) and based on at least one electrical signal (U B, P ) of a wavelength-selective corresponding detection element ( 3B.p ' ) of the second detector ( 3B ) a value (T D ) of a temperature of the respective detection elements ( 3A.p . 3B.p ' ). Spektrometer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Auswerteeinheit (5) anhand von vier elektrischen Signalen (Ui,p) von zwei Paaren jeweils wellenlängenselektiv korrespondierender Detektionselemente (3A.p, 3B.p') einen Wert (TD) einer Temperatur der beiden Detektoren (3A, 3B) ermittelt, wobei Orte der Paare zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen oder zwei verschiedenen Beugungsordnungen desselben Wellenlängenbereichs entsprechen. Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein an evaluation unit ( 5 ) based on four electrical signals (U i, p ) of two pairs of wavelength-selectively corresponding detection elements ( 3A.p . 3B.p ' ) a value (T D ) of a temperature of the two detectors ( 3A . 3B ), where locations of the pairs correspond to two different wavelength ranges or two different diffraction orders of the same wavelength range. Spektrometer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (5) den Wert (TD) der Temperatur durch Lösen des Gleichungssystems für die elektrischen Signale (Ui,p) und spektralen Empfindlichkeiten (Di,m,p)
Figure 00280001
für M Beugungsordnungen (m = 1, ...M), M optoelektronischen Wandler (i = A, B, ...) und M Detektionselemente (p = 1, ...M) ermittelt.
Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, in particular according to the preceding claim, wherein the evaluation unit ( 5 ) the value (T D ) of the temperature by solving the equation system for the electrical signals (U i, p ) and spectral sensitivities (D i, m, p )
Figure 00280001
for M diffraction orders (m = 1, ... M), M optoelectronic transducer (i = A, B, ...) and M detection elements (p = 1, ... M) determined.
Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Auswerteeinheit anhand des ermittelten Werts (TD) der Temperatur ein elektrisches Signal eines anderen Detektionselementes, insbesondere eines ungepaarten Detektionselementes zur Detektion des kürzerwelligen spektralen Detektionsbereiches, gemäß einer temperaturabhängigen spektralen Empfindlichkeit normiert.Spectrometer ( 10 ) according to one of claims 9 to 11, wherein the evaluation based on the determined value (T D ) of the temperature normalized an electrical signal of another detection element, in particular an unpaired detection element for detecting the shorter-wavelength spectral detection range, according to a temperature-dependent spectral sensitivity. Spektrometer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im einfallenden Licht (L) ein Langpassfilter (7) angeordnet ist, der Wellenlängen unterhalb des kürzerwelligen spektralen Detektionsbereiches sperrt.Spectrometer ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein in the incident light (L) a long-pass filter ( 7 ), which blocks wavelengths below the shorter wavelength spectral detection range.
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