-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Spektrometeranordnung enthaltend
- (a) eine Lichtquelle;
- (b) ein Echelle-Gitter;
- (c) ein Querdispersionselement mit einer Dispersionsrichtung quer zur Dispersionsrichtung des Echellegitters;
- (d) eine Abbildungsoptik zur Erzeugung eines zweidimensionalen Spektrums der Lichtquelle in einer Bildebene; und
- (e) einen Detektor mit einer Vielzahl von Bildelementen zur Aufnahme des in der Bildebene erzeugten Spektrums.
-
Bei einem Echelle-Spektrometer werden Gitter mit einem treppenartigen (Echelle (frz.) = Treppe) Querschnitt verwendet. Durch die stufenartige Struktur mit einem entsprechenden Blaze-Winkel wird ein Beugungsmuster erzeugt, welches die gebeugte Strahlung in hohen Ordnungen, z. B. in dreißigster bis einhundertster Ordnung konzentriert. Dadurch können hohe Werte für die Dispersion und das spektrale Auflösungsvermögen bei kompakter Anordnung erreicht werden. Die Ordnungen können sich – je nach einfallendem Wellenlängenbereich – überlagern. Die Ordnungen werden bei Echelle-Spektrometern mit interner Ordnungstrennung daher nochmals quer zur Dispersionsrichtung des Echelle-Gitters dispergiert, um die verschiedenen auftretenden Ordnungen in der Fokalfläche zu trennen. Man erhält so ein zweidimensionales Spektrum, das mit Flächendetektoren erfasst werden kann.
-
Bei Spektrometern mit interner Ordnungstrennung wird das Spektrum in Form einer zweidimensionalen Struktur auf dem Detektor erzeugt. Diese Struktur besteht im Wesentlichen aus parallel zueinander angeordneten, spektralen Abschnitten von jeweils der Größe eines freien Spektralbereichs des Echelle-Gitters. Die Verwendung eines Flächendetektors mit einer Vielzahl von Detektorelementen erlaubt die simultane Erfassung eines großen Wellenlängenbereichs mit hoher spektraler Auflösung.
-
Die Querdispersion wird gewöhnlich so groß gewählt, dass die Ordnungen überall vollständig getrennt sind. Um dies über den gesamten Spektralbereich zu gewährleisten, gibt es spektrale Bereiche, bei denen zwischen den einzelnen Ordnungen ein nicht genutzter Zwischenraum entsteht. So entstehen bei Verwendung eines Prismas zur Querdispersion im kurzwelligen Spektralbereich aufgrund des Dispersionsverlaufes größere Zwischenräume als im längerwelligen Spektralbereich. Bei Verwendung eines Beugungsgitters zur Querdispersion ist es umgekehrt.
-
Stand der Technik
-
DE 41 18 760 A1 offenbart einen Doppel-Echelle-Monochromator mit externer Ordnungstrennung. Das in den Monochromator eingestrahlte Licht wird über einen Konkavspiegel zu einem Prisma geleitet. Dort wird das Licht vordispergiert und im Wesentlichen in sich selbst in Richtung auf den Spiegel zurückgeleitet. Mit einem Zwischenspalt wird ein kleiner Spektralbereich ausgewählt, welcher in ein nachgeordnetes Echelle-Spektrometer eintritt. Über einen weiteren Konkavspiegel wird das Licht auf ein Echelle-Gitter geleitet. Die am Echelle-Gitter dispergierte Strahlung läuft ebenfalls im Wesentlichen in sich selbst zurück und wird mit einem geringen Winkel fast parallel zur einfallenden Strahlung auf einen Detektor reflektiert. Die Spiegel arbeiten bei der bekannten Anordnung in Autokollimation, d. h. der Kollimatorspiegel dient gleichzeitig als Kameraspiegel.
-
DE 40 21 159 A1 offenbart einen Echelle-Polychromator, bei dem Strahlung an einem Echelle-Gitter in einer Hauptdispersionsrichtung dispergiert wird und an einem davor angeordneten Prisma in einer Querdispersionsrichtung dispergiert wird. Dadurch entsteht in der Austrittsebene ein zweidimensionales Spektrum mit einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden Ordnungen. Zur Vermeidung von Ordnungsüberlappung müssen die Spalthöhe des Eintrittsspalts und damit der Lichtleitwert stark begrenzt werden.
-
Es sind Anordnungen bekannt, mit denen Strahlung mehrfach über ein Echelle-Gitter geleitet wird, um eine höhere Auflösung zu erreichen:
DE 199 61 908 C2 offenbart einen Echelle-Monochromator in Littrow-Anordnung ohne Ordnungstrennung. Die durch einen Eintrittsspalt in den Monochromator eintretende Strahlung wird über einen Kollimatorspiegel auf ein Echelle-Gitter gelenkt. Das Echelle-Gitter arbeitet in zwei Stellungen. In der ersten Stellung läuft die dispergierte Strahlung in Autokollimation zurück über den Spiegel zum Austrittsspalt. In der zweiten Stellung läuft die dispergierte Strahlung auf einen Planspiegel und wird von dort zurück auf das Echelle-Gitter reflektiert. Dort wird die Strahlung ein weiteres Mal dispergiert und läuft dann erst in Autokollimation über den Spiegel zurück zum Detektor.
-
DE 103 47 862 B4 offenbart ein Echelle-Spektrometer, bei dem die an einem Echelle-Gitter dispergierte Strahlung unter einem kleinen Winkel zurück in Richtung des Eintrittsspalts geleitet wird. Eine Planspiegelanordnung, welche um den Eintrittsspalt herum angeordnet ist, lenkt die dispergierte Strahlung erneut zum Echelle-Gitter, so dass die Strahlung ein weiteres Mal dispergiert wird.
-
Alle in der Praxis realisierten Anordnungen, denen die oben aufgeführten Veröffentlichungen zugrunde liegen, verwenden CCD-Detektoren, die sowohl im sichtbaren Spektralbereich (VIS) als auch im ultravioletten Spektralbereich (UV) eine möglichst hohe Empfindlichkeit aufweisen. Gerade der ultraviolette Spektralbereich bis zu Wellenlängen von etwa 190 nm ist für analytische Aufgabenstellungen in der Atomabsorptionsspektroskopie oder der Atomemissionsspektrometrie mit induktiv-gekoppelten, Glimmentladungs- und Laser-Plasmen von großer Bedeutung. Zur Erreichung einer guten Nachweisgrenze und Empfindlichkeit sind hoher Lichtleitwert, hohe spektrale Auflösung und hohe Quanteneffektivität des Detektors wichtig. Die Anzahl der Verwendungen für solche Detektoren und damit die Stückzahlen sind begrenzt. Geräte und Detektoren, insbesondere großflächige Detektoren mit diesen Eigenschaften sind daher teuer.
-
US 3,658,423 offenbart ein Echellespektrometer. Die Anordnung verwendet einen Filter in der ersten Fokalebene und eine Optik zur Abbildung auf einen Vidicon-Detector in einer zweiten Fokalebene. Die Druckschrift offenbart, dass der Dynamikbereich durch Einsatz eines Filters in der ersten Fokalebene angepasst werden kann. Ausführungen zu weiteren Eigenschaften des Detektors sind in der Druckschrift nicht offenbart.
-
US 6,583,874 B1 offenbart eine Vielzahl von Echelle-Spektrometeranordnungen mit Linsen und Spiegeln. Als Detektor ist ein Zeilendetektor mit einer Vielzahl von Detektorelementen offenbart. Ferner ist eine fluoreszierende Glasplatte im Fokus offenbart. Diese emittiert bei Bestrahlung mit UV-Licht grünes Licht. Dadurch wird erreicht, dass Linsen und Detektoren für sichtbares Licht verwendet werden können.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Spektrometeranordnung zu schaffen, welche im gesamten analytisch wichtigen Bereich zwischen 190 nm und 900 nm eine ausreichende Empfindlichkeit aufweist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
-
Das umgewandelte sichtbare Licht wird vorzugsweise durch ein Objektiv auf den Detektor abgebildet.
-
Der nur im sichtbaren Spektralbereich empfindliche Detektor ist insbesondere aus der Fotografie als Massenartikel erhältlich. Er ist daher besonders kostengünstig verfügbar. Die für die Analytik so wichtige UV Strahlung wird an dem Schirm in sichtbares Licht umgewandelt. Dabei ist die tatsächliche Wellenlänge der umgewandelten Strahlung unerheblich, solange sie im Empfindlichkeitsbereich des Detektors liegt. Die ursprüngliche Wellenlänge der auf den Schirm auftreffenden Strahlung ergibt sich aus der Position auf dem Schirm und auf dem Detektor.
-
Der Schirm kann mit einer Glasplatte verwirklicht werden, die spektrometerseitig mit einer fluoreszierenden Schicht versehen ist. UV-Strahlung, die auf diese fluoreszierende Schicht auftrifft, wird bei geeigneter Auswahl des fluoreszierenden Materials in sichtbares Licht umgewandelt. Dieses Licht kann vom Detektor detektiert werden. Ein Beispiel für fluoreszierendes Material ist unter dem Handelsnamen Coronen oder Lumogen erhältlich.
-
Der Schirm kann als Platte ausgebildet und eben sein oder einer gekrümmten Bildfläche folgen.
-
Vorzugsweise ist die Halbwertszeit der Fluoreszenz kurz. Dann werden Memory-Effekte vermieden. Ferner können nicht-statische Prozesse mit höherer Genauigkeit beobachtet werden. Die hohe Auslesegeschwindigkeit der Kamera lässt einerseits die Registrierung transienter Signale zu und andererseits können schwache Signale mit langer Belichtungszeit gemessen werden.
-
Erfindungsgemäß ist der Detektor in einer Kamera mit einem Objektiv vorgesehen, das die Bildebene in eine davon getrennte Detektorebene abbildet. Die Abbildung der Bildebene in die Detektorebene erfolgt vorzugsweise mit großem Öffnungsverhältnis bei gleichzeitig großem Bildfeld. Viele der in üblichen Kameras der Fotografie vorhandenen Komponenten können unverändert übernommen werden. Hierzu gehören neben dem Detektor auch Objektiv, Gehäuse, Steuerelektronik, Energieversorgung, Datenverarbeitungs- und Speichermittel. Diese Komponenten können bei kleinen Stückzahlen sehr teuer sein. Da die Fotografie weit verbreitet ist, sind diese Komponenten des Massenmarktes demgegenüber besonders günstig verfügbar. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das Objektiv ein korrigiertes Linsen-Objektiv ist, das über den betrachteten Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes nur geringe Abbildungsfehler aufweist.
-
Vorzugsweise ist die Platte auf der Rückseite mit einer Breitband-Entspiegelung versehen. Dadurch wird Falschlicht am Detektor vermieden.
-
Die Kamera weist Speichermittel auf, mit denen die ortsabhängigen Intensitätswerte in der Detektorebene als Bild oder als Film speicherbar sind. Für eine hohe Empfindlichkeit ist im allgemeinen eine hohe Auflösung erforderlich. Diese erfordert einen Detektor mit sehr vielen Bildelementen. Zum Speichern eines oder mehrerer Bilder im Rohformat ohne Kompression ist ein entsprechend großer Speicher erforderlich. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dient der ohnehin vorhandene Speicher der kommerziell verfügbaren Kamera als Zwischenspeicher. Die Rohdaten werden dann zur Auswertung an einen geeigneten Computer übertragen und dort mit einer Software ausgewertet.
-
Hierzu sind vorzugsweise Auswertemittel vorgesehen, mit welchen das aufgenommene Spektrum auswertbar ist. Ein Beispiel, wie derartige Echelle-Spektren automatisiert ausgewertet werden können, ist in der
WO 02/39077 A2 ausführlich beschrieben und braucht daher hier nicht weiter erläutert werden. Die Auswertemittel umfassen entsprechend einen Computer, Speichermittel, eine Auswertesoftware und Übertragungs- und Anzeigemittel zum Übertragen der Rohdaten und Anzeigen des Auswertungs-Ergebnisses. Der Computer kann auch über ein Netzwerk, beispielsweise das Internet, mit dem Speicher der Kamera verbunden sein.
-
Das Spektrenbild kann bei Verwendung einer Spiegelreflexkamera parallel zur elektronischen Auflesung des Detektors visuell beobachtet werden (Spektroskop-Modus).
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden möglichst wenige optische Komponenten zur Erzeugung des Spektrums verwendet. Dies kann erreicht werden, indem das Echellegitter in Littrow-Anordnung angeordnet ist, bei der das dispergierte Strahlenbündel im wesentlichen mit dem einfallenden Strahlenbündel zusammenfällt. Dann dient der Kollimator gleichzeitig als Kameraspiegel. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Querdispersionselement reflektierend ausgebildet ist, und derart angeordnet, dass die dispergierte Strahlung in Richtung auf das Echellegitter reflektiert wird. Die Abbildungsoptik ist vorteilhafterweise von einem gekrümmten Spiegel, insbesondere von einem Paraboloid, gebildet. Eine solche Anordnung arbeitet lediglich mit einem Spiegel, einem reflektierenden Querdispersionselement und dem Echellegitter. Die geringe Anzahl an Komponenten machen das Gerät leicht herstellbar und justierbar, verleiht ihm ein geringes Gewicht, wodurch der Transport vereinfacht wird und erfordert nur geringe Abmessungen auch bei hoher spektraler Auflösung. Zusammen mit der Verwendung einer besonders kostengünstig verfügbaren Kamera wird so eine sehr kompakte und wirtschaftliche Anordnung erreicht.
-
In einer bevorzugten kompakten Ausformung kann ein miniaturisierter Echelle-Spektrograph und ein Kameraobjektiv als gemeinsame Baugruppe in Form eines Spektrometer-Objektivs ausgeformt werden.
-
Die Beleuchtung des Spektrometer-Objektivs kann vorzugsweise über einen Hohlspiegel oder ein Lichtleiteroptik erfolgen.
-
Eine bevorzugte Verwendung der Spektrometeranordnung ist für die spektrometrische Analyse von Proben. Dabei kann die Lichtquelle ein probenhaltiges Emissions-Plasma sein. Alternativ ist die Lichtquelle ein kontinuierliches Spektrum und die spektrometrische Analyse wird mittels Atomabsorptionsspektrometrie durchgeführt. Es versteht sich, dass auch jedes andere spektrometrische Analyseverfahren geeignet ist. Die Xenon-Blitzlampe der Fotokamera kann nach Entfernung des Fensters in Kombination mit einer Lichtleiter-Optik als Hintergrundstrahler für Absorptionsmessungen im ultravioletten Spektralbereich dienen.
-
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine schematische Darstellung eines Echelle-Spektrometers mit einer Kamera für die Fotographie als Detektor
-
2 ist eine schematische Darstellung eines Echelle-Spektrums einer Lichtquelle mit kontinuierlichem Wellenlängenspektrum in der Bildebene.
-
3 ist eine schematische Darstellung eines Echelle-Spektrums einer Lichtquelle mit Linienspektrum in der Bildebene.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
1 zeigt eine Spektrometer-Anordnung, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. In einem Gehäuse 12 ist eine analytische Lichtquelle 14 vorgesehen. Die Lichtquelle 14 emittiert Strahlung 16 mit einem Öffnungswinkel. Die Strahlung 16 wird über einen elliptischen Spiegel 18 gelenkt. Der Spiegel 18 fokussiert die Strahlung 26 auf einen Eintrittsspalt 22. Hinter dem Eintrittsspalt 22 ist ein Planspiegel 24 angeordnet, der die divergente Strahlung auf einen Paraboloidspiegel 28 mit hoher Reflektivität im UV-Bereich umlenkt.
-
Der Paraboloidspiegel 28 bildet einen Kollimator, der die Strahlung 26 zu einem parallelen Bündel 30 kollimiert. Das parallele Bündel 30 trifft auf ein rückseitig verspiegeltes Prisma 32. An dem Prisma 32 wird die Strahlung in der Darstellungsebene in Querdispersionsrichtung dispergiert. Außerdem wird die Strahlung 36 in Richtung auf ein Echellegitter 34 reflektiert. Das Echelle-Gitter 34 ist derart ausgerichtet, dass die auftreffende Strahlung senkrecht zur Darstellungsebene in einer Hauptdispersionsrichtung dispergiert wird.
-
Das Echelle-Gitter ist in Littrow-Anordnung angeordnet. Das bedeutet, dass die Strahlung im Wesentlichen in sich selbst zurückläuft. Im vorliegenden Fall verläuft der optische Weg erneut über das Prisma 32, wo die Strahlung erneut in Querdispersionsrichtung dispergiert wird. Dadurch wird mit einem vergleichsweise geringen Prismenwinkel eine hohe Querdispersion erreicht. Anschließend wird das immer noch parallele Bündel mit dem Spiegel 28 in einer Bildebene 40 fokussiert. In der Bildebene 40 treffen die unterschiedlichen Wellenlängen der Strahlung an unterschiedlichen Orten auf, wie dies bei Echelle-Spektrometern mit interner Ordnungstrennung der Fall ist. Dort ist eine dünne, beschichtete Quarzplatte angeordnet. Die Quarzplatte ist spektrometerseitig mit einer Beschichtung versehen, welche ultraviolette Strahlung mit möglichst hoher Fluoreszenzeffektivität in sichtbares Licht umwandelt. Für sichtbares Licht ist die Quarzplatte transparent. Jeder mit ultravioletter Strahlung beleuchtete Punkt der Platte strahlt somit schmalbandig sichtbares Licht, beispielsweise grünes Licht, wieder in jede Richtung des dahinterliegenden Halbraums ab. Der sichtbare Anteil des Strahlungsspektrums wird von dem Fluoreszenzstoff nicht absorbiert und tritt ungehindert hindurch.
-
Die Oberfläche der Platte 40 wird mit einer herkömmlichen, digitalen Fotokamera 42 aufgenommen. Die Fotokamera hat ein korrigiertes Objektiv 44. Mit dem Objektiv wird die Bildebene 40 in eine Detektorebene 46 mit einem Detektor mit mehreren Millionen Bildelementen scharf abgebildet. Das Bild wird in Form von Intensitätswerten für jedes Bildelement als Rohdaten gespeichert. Wenn die Kamera eine Farbbildkamera ist, werden die Werte, beispielsweise RGB-Farbwerte, zu einem Wert zusammengefasst. Die Rohdaten werden in einem Speicher 48 der Kamera zwischengespeichert, bevor sie an eine Auswerteeinheit übertragen werden.
-
2 zeigt ein Beispiel für ein Echelle-Spektrum 50 mit einer kontinuierlichen Lichtquelle am Detektor. Man erkennt deutlich die Ordnungen 52 und die Zwischenräume 54. UV-Strahlung wurde dabei in sichtbares Licht umgewandelt und ist somit ebenfalls sichtbar.
-
3 zeigt ein Beispiel für ein Echelle-Spektrum 72 mit einem Linienstrahler als Lichtquelle. Die Linien 78 liegen auf den der Wellenlänge der Linien entsprechenden Positionen über den Detektor verteilt.
-
Die beschriebene Anordnung eignet sich besonders gut für kostengünstige, instrumentelle Analytik. Wenn die Lichtquelle 14 von einem Induktiv gekoppelten Plasma gebildet ist, kann dort eine Probe eingebracht werden und es können emissionsspektrometrische Messungen durchgeführt werden (ICP-OES). Alternativ kann auch eine Strahlungsquelle mit kontinuierlichem Wellenlängenspektrum, beispielsweise eine Xe-Kurzbogen-Hochdrucklampe eingesetzt werden. Die Lampe dient als Strahlungsquelle für Atomabsorptionsspektrometrie. Dann sitzt der Atomisierer an der von der Strahlungsquelle beleuchteten Stelle 14.
-
Zum Kalibrieren kann der Blitz der Kamera verwendet werden. Dieser liefert ein kontinuierliches Spektrum und ermöglicht so eine genaue Zuordnung der Wellenlängen zu ihren Positionen. Für Messungen, bei denen eine kontinuierliche UV/VIS-Strahlungsquelle gebraucht wird, kann die Xenon-Blitzlampe der Kamera nach Entfernung des Fensters verwendet werden. Hierfür bietet sich die Nutzung eines UV-durchlässigen Quartz-Lichtleiters an, um die Strahlung flexibel an den gewünschten Objektpunkt zu leiten.
-
Es versteht sich, dass sowohl das Spektrometer selber, als auch die für Analysezwecke verwendeten Komponenten in vielfacher Weise verändert werden können.
