DE102012007609A1 - Optical spectrometer e.g. polychromator has detectors whose optoelectronic detection elements are provided with different spectral detection regions - Google Patents
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Abstract
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
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
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 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 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:
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.
Der erste Detektor
Der zweite Detektor
Der Langpassfilter
Einen Überblick über das Schicksal der unterschiedlichen Wellenlängen λ des einfallenden Lichts L gibt die folgende Tabelle:
Die elektrischen Signale der Detektionselemente
Dabei ist Di,p(T) die spektrale Empfindlichkeit der optoelektronischen Wandler
Für die zwei wellenlängenselektiv korrespondierenden Detektionselemente
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
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: 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:
Anhand des aktuellen Temperaturwerts TD und der vorab ermittelten spektralen Empfindlichkeitsfunktionen Di,p(T) können temperaturabhängige Schwankungen der elektrischen Signale Ui,p aller Detektionselemente
Die Temperaturermittlung über das Verhältnis der elektrischen Signale Ui,p im überlappenden Wellenlängenbereich hat gegenüber einer Temperaturmessung mit einem herkömmlichen, außen auf den Detektor
In realen Ausführungsformen (nicht abgebildet) weist der Detektor
Allgemein gilt für das Verhältnis der elektrischen Signale UA,p und UB,p der einem gemeinsamen Wellenlängenbereich zugeordneten (mit anderen Worten: korrespondierenden) Detektionselemente-Paare
Weist der überlappende Spektralbereich der Detektoren
Die spektrale Kante des Kurzpass-Strahlteilers
Über einer Teilfläche des ersten Detektors
Vor dem Eintrittsspalt
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
Mit dem prinzipiellen optischen Aufbau gemäß der in
- 1. Herkömmliche
polychromatische Messung von 400 nm bis 840 nm mit Si-Detektor und Langpassfilter. - 2. Herkömmliche
polychromatische Messung von 800 nm bis 1680 nm mit InGaAs-Detektor. - 3. Erfindungsgemäße
polychromatische Weitbereichsmessung von 400 nm bis 1680 nm.
- 1. Conventional polychromatic measurement from 400 nm to 840 nm with Si detector and long pass filter.
- 2. Conventional polychromatic measurement from 800 nm to 1680 nm with InGaAs detector.
- 3. Polychromatic long-range measurement according to the invention from 400 nm to 1680 nm.
Die höheren Beugungsordnungen (m ≥ 3) werden im Spektrometer
Die erste Beugungsordnung des Spektralbandes von 800 nm bis 840 nm wird dabei simultan mit der zweiten Beugungsordnung des Spektralbandes von 400 nm bis 420 nm anteilig auf beide Detektoren
Die Auswerteeinheit
Die in den Beugungsordnungen m1 = 1 und m2 = 2 bei einer über die Detektoren
Dabei ist Di,j,p(T) die spektrale Empfindlichkeit der optoelektronischen Wandler
Die spektrale Empfindlichkeit bei beliebigen dazwischenliegenden Temperaturen kann beispielsweise durch lineare Interpolation auf bekannte Weise berechnet werden. Alternativ kann mittels einer mathematischen Ausgleichsrechnung (engl. „fitting”) auf bekannte Weise eine parametrisierte Modellfunktion an die gemessenen Temperaturwerte Tk angepasst werden, beispielsweise durch Ermittlung der kleinsten Abweichungsquadrate.The spectral sensitivity at any intervening temperatures can be calculated, for example, by linear interpolation in a known manner. Alternatively, a parameterized model function can be adapted to the measured temperature values T k by means of a mathematical compensation calculation in a known manner, for example by determining the smallest deviation squares.
Die Temperaturabhängigkeit der von den Detektionselementen
Wenn, wie in
If, as in
Auch ohne separate Temperatursensoren
Zu diesem Zweck kann das Gleichungssystem zunächst vereinfacht werden. Die Ermittlung von TD kann dann beispielsweise mittels der Umkehrfunktionen Di,j,p –1(T) erfolgen. Alternativ können beispielsweise Nachschlagetabellen (engl. „look-up tables”; LUT) zur Ermittlung von TD verwendet werden.For this purpose, the system of equations can be simplified at first. The determination of T D can then take place, for example, by means of the inverse functions D i, j, p -1 (T). Alternatively, for example, look-up tables (LUT) may be used to determine T D.
Um eine einheitliche Temperaturverteilung über alle optoelektronischen Wandler
Aus der 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
In realen Ausführungsformen (nicht abgebildet) weisen die Detektoren
Sofern das Spektrometer
Zur Temperaturermittlung müssen im Fall von M = 3 dann drei verschiedene Wellenlängen an drei verschiedenen Detektionselementen verwendet werden.For temperature determination, in the case of M = 3, three different wavelengths must be used on three different detection elements.
In
Es ist in allen Ausführungsformen möglich, die Steuer- und Auswerteeinheit
In allen Ausführungsformen der Erfindung können die Berechnungen zur Ermittlung des Temperaturwerts TD sofort nach der der Messung der elektrischen Signale Ui,p oder mit zeitlichem Abstand davon vorgenommen werden. In beiden Fällen können sie in der internen Steuer- und Auswerteeinheit
In allen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kompensation von Temperaturschwankungen sofort nach der der Messung der elektrischen Signale Ui,p oder in zeitlichem Abstand davon erfolgen. In beiden Fällen können sie in der internen Steuer- und Auswerteeinheit
In allen Ausführungsführungsformen können die Detektoren
In
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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---|---|
DE (1) | DE102012007609A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014211240A1 (en) | 2014-06-12 | 2015-12-17 | Carl Zeiss Microscopy Gmbh | Spectrometric measuring instrument and method for coupling spectrometric measuring instruments |
DE102015107942A1 (en) * | 2015-05-20 | 2016-11-24 | Sick Ag | Spectrometer and gas analyzer |
WO2022233363A1 (en) * | 2021-05-06 | 2022-11-10 | 4D Photonics GmbH | Device for the spectrally resolved detection of optical radiation |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10010213A1 (en) | 2000-03-02 | 2001-09-06 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Optical reflection and transmission measurement device for quality monitoring in a continuous process, has signal conditioning unit integrated in measuring head to process output signals of spectrometer |
DE10227111A1 (en) * | 2002-06-17 | 2003-12-24 | Leica Microsystems | Spectral microscope and method for data acquisition with a spectral microscope |
DE102004026373A1 (en) * | 2004-05-29 | 2005-12-22 | Eads Astrium Gmbh | Method and device for detecting optical spectra |
DE102008054056A1 (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-06 | Carl Zeiss Microimaging Gmbh | Spectrometric arrangement and method for determining a temperature value for a detector of a spectrometer |
-
2012
- 2012-04-05 DE DE201210007609 patent/DE102012007609A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10010213A1 (en) | 2000-03-02 | 2001-09-06 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Optical reflection and transmission measurement device for quality monitoring in a continuous process, has signal conditioning unit integrated in measuring head to process output signals of spectrometer |
DE10227111A1 (en) * | 2002-06-17 | 2003-12-24 | Leica Microsystems | Spectral microscope and method for data acquisition with a spectral microscope |
DE102004026373A1 (en) * | 2004-05-29 | 2005-12-22 | Eads Astrium Gmbh | Method and device for detecting optical spectra |
DE102008054056A1 (en) * | 2008-10-31 | 2010-05-06 | Carl Zeiss Microimaging Gmbh | Spectrometric arrangement and method for determining a temperature value for a detector of a spectrometer |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014211240A1 (en) | 2014-06-12 | 2015-12-17 | Carl Zeiss Microscopy Gmbh | Spectrometric measuring instrument and method for coupling spectrometric measuring instruments |
DE102015107942A1 (en) * | 2015-05-20 | 2016-11-24 | Sick Ag | Spectrometer and gas analyzer |
US9658154B2 (en) | 2015-05-20 | 2017-05-23 | Sick Ag | Spectrometer and gas analyzer |
WO2022233363A1 (en) * | 2021-05-06 | 2022-11-10 | 4D Photonics GmbH | Device for the spectrally resolved detection of optical radiation |
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