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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer mit einer Anordnung zur spektralen Aufspaltung von in das Spektrometer eintretender elektromagnetischer Strahlung und einem Detektor, der sich zur Detektion der aufgespaltenen elektromagnetischen Strahlung im Strahlengang der aufgespaltenen elektromagnetischen Strahlung befindet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Analysevorrichtung mit einem solchen Spektrometer.
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Spektrometer werden zum Beispiel in Gasanalysatoren eingesetzt, um die Konzentration bzw. Anwesenheit verschiedener Gase innerhalb einer optischen Messstrecke festzustellen. Dazu wird Licht durch eine optische Messstrecke geschickt, in der die Messgase oder Messgaskomponenten nachgewiesen und/oder ihre Konzentration festgestellt werden soll. Der Begriff "Licht" wird in dem vorliegenden Text allgemein für elektromagnetische Strahlung benutzt und umfasst neben dem sichtbaren Wellenlängenbereich gegebenenfalls auch den infraroten und/oder den ultravioletten Wellenlängenbereich.
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In einem solchen Gasanalysator durchstrahlt das Messlicht in an sich bekannter Weise die optische Messstrecke und wird dabei von den jeweils vorhandenen Gaskomponenten wellenlängenabhängig absorbiert. Das Licht fällt nach dieser wellenlängenabhängigen Absorption z.B. auf einen Eintrittsspalt eines Spektrometers und von diesem zum Beispiel auf ein Beugungsgitter des Spektrometers, an dem es wellenlängenabhängig unterschiedlich stark gebeugt wird. Das so wellenlängenabhängig gebeugte Licht wird auf einen Detektor abgebildet, wobei die Lage des Auftreffpunkts von der Wellenlänge abhängig ist. Es ergibt sich insofern in an sich bekannter Weise ein Spektrum, aus dem abgelesen werden kann, welche Wellenlängen mehr oder weniger absorbiert worden sind, um so auf die Anwesenheit und/oder Konzentration einzelner Gaskomponenten zurückschließen zu können. Der Begriff "Gas" wird hier auch für die einzelnen Gaskomponenten verwendet, die gegebenenfalls gemeinsam in der optischen Messstrecke vorhanden sind.
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Derartige Spektrometer können nicht nur in Gasanalysatoren, sondern allgemein in Analysevorrichtungen eingesetzt werden, bei denen gasförmige, flüssige und/oder feste Substanzen oder Substanzgemische unter Berücksichtigung ihrer Absorptionseigenschaften analysiert werden können.
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Als Detektoren werden zum Beispiel Detektorzeilen eingesetzt, bei denen auf einem Bauelement mehrere Fotodioden in Richtung der spektralen Aufspaltung durch das Beugungsgitter nebeneinander angeordnet sind. Alternativ können als Detektorzeilen auch langgestreckte PSD-Elemente (von Englisch "position sensitive devices") eingesetzt werden.
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Die Detektorzeile muss so gewählt werden, dass zum einen der interessierende spektrale Bereich Δλ auf der gesamten Zeile abgebildet wird und zum anderen die Auflösung des Spektrums δλ hoch genug ist, um auch feine spektrale Strukturen mit ausreichender Genauigkeit auswerten zu können.
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Oftmals befinden sich in einem auszuwertenden spektralen Bereich sowohl fein als auch grob aufgelöste spektrale Strukturen. Wenn dieser zu analysierende spektrale Bereich Δλ groß ist und zugleich eine ausreichende Auflösung der feinen spektralen Strukturen δλ erforderlich ist, muss eine Detektorzeile mit einer hohen Anzahl von lichtempfindlichen Elementen verwendet werden. Da sich der Bereich, in dem die Spektrallinien optimal scharf abgebildet werden, in der Regel auf einer Sphäre befindet, besteht bei der Verwendung einer sehr langen, zumeist ebenen Detektorzeile zudem das Problem, dass nicht der gesamte spektrale Bereich Δλ mit der erforderlichen Schärfe detektiert werden kann. Eine Lösung dieses Problems durch Verwendung einer gebogenen, an die Sphäre angepassten Detektorzeile ist bereits aus technologischen Gründen problematisch. Die Verwendung eines holographischen Flat-Field-Gitters, welches einen begrenzten Teil des spektralen Bereiches scharf auf eine Ebene abbildet, ist kostspielig und auch nicht über einen weiten Spektralbereich möglich.
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Daher stellen übliche Spektrometer zumeist einen Kompromiss zwischen dem zu erfassenden spektralen Bereich Δλ und der erreichbaren spektralen Auflösung δλ dar.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Spektrometer und eine Analysevorrichtung anzugeben, die auf kostengünstige Weise einen großen spektralen Bereich Δλ erfassen können und zugleich eine hohe spektrale Auflösung δλ aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Analysevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Spektrometer umfasst mehrere dispersive optische Elemente, die derart angeordnet sind, dass elektromagnetische Strahlung, die in das Spektrometer eintritt, auf die dispersiven optischen Elemente fällt, um dort spektral aufgespaltet zu werden. Die dispersiven optischen Elemente unterscheiden sich voneinander hinsichtlich ihrer räumlichen Lage und/oder ihren spektralen Aufspaltungsvermögen. Die dispersiven optischen Elemente sind derart angeordnet, dass sich die von den jeweiligen dispersiven optischen Elementen durch die Aufspaltung der elektromagnetischen Strahlung erzeugten Spektren in die gleiche Richtung erstrecken und quer zu dieser Richtung zueinander benachbart sind. Ein räumlich zweidimensional auflösender Detektor befindet sich zur Detektion zumindest von jeweiligen Teilabschnitten der Spektren im Strahlengang der aufgespaltenen elektromagnetischen Strahlung.
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Die elektromagnetische Strahlung kann auf unterschiedliche Art und Weise in das Spektrometer eingekoppelt werden. Bevorzugt ist eine Eintrittsapertur vorgesehen, besonders bevorzugt ein Eintrittsspalt, der die Einkopplung der zu analysierenden elektromagnetischen Strahlung ermöglicht. Ein solcher Eintrittsspalt ist einfach und dennoch präzise zu realisieren.
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Alternativ kann auch eine Fasereinkopplung mithilfe eines optischen Lichtleiters erfolgen, der die zu analysierende elektromagnetische Strahlung in das Spektrometer einkoppelt. Andere Ausgestaltungen können z.B. einen breitbandigen Laser (z.B. einen Weißlicht-Laser) als Lichtquelle benutzen, der einen räumlich begrenzten bzw. kollimierten Strahl zur Verfügung stellt und (z.B. nach dem Durchtritt durch die optische Messstrecke) in das Spektrometer eintritt.
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Die dispersiven optischen Elemente können aus einer Gruppe ausgewählt sein, welche zum Beispiel Dispersionsprismen und optische Gitter, insbesondere Transmissionsgitter und Reflexionsgitter, umfasst. In der Regel sind alle dispersiven optischen Elemente gleichartige Elemente dieser Gruppe, wobei jedoch nicht ausgeschlossen ist, auch unterschiedliche Elemente dieser Gruppe auszuwählen.
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Das spektrale Aufspaltungsvermögen der dispersiven optischen Elemente kann beispielsweise durch das Verhältnis zwischen dem Abstand von zwei Spektrallinien bestimmter Wellenlänge in einer Abbildung des Spektrums und dem Abstand zwischen dieser Abbildung und dem dispersiven optischen Element charakterisiert werden. Das spektrale Aufspaltungsvermögen wird zum Beispiel bei einem optischen Gitter oder Beugungsgitter durch dessen Gitterkonstante und bei einem Dispersionsprisma durch dessen Brechungsindex bestimmt.
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Bei dem räumlich zweidimensional auflösenden Detektor (2D-Detektor) handelt es sich in an sich bekannter Weise zum Beispiel um ein zweidimensionales Detektorarray (z.B. in CMOS-, MOS- oder CCD-Technologie) mit einer Vielzahl von in mehreren Reihen und mehreren Spalten angeordneten lichtempfindlichen Elementen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Detektor vollständig oder teilweise mit einer Szintillatorbeschichtung, insbesondere einer UV-empfindlichen Szintillatorbeschichtung, versehen sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer ist es möglich, durch geeignete Auswahl der dispersiven optischen Elemente bezüglich ihres spektralen Aufspaltungsvermögens und/oder durch deren geeignete räumliche Positionierung und/oder Ausrichtung gleichzeitig mehrere ausgewählte Teilabschnitte des Spektralbereichs der zu analysierenden elektromagnetischen Strahlung, aber auch den gesamten spektralen Bereich, mittels des räumlich zweidimensional auflösenden Detektors zu detektieren und ein entsprechendes Bild elektronisch zu erzeugen, das nachfolgend mit Hilfe einer an sich bekannten Auswerteeinheit gegebenenfalls nachbearbeitet und anschließend ausgewertet werden kann. Es können somit nicht nur die Wellenlängenbereiche, sondern auch die spektrale Auflösung δλ in weiten Grenzen ausgewählt werden.
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Der Detektor wird relativ zu den dispersiven optischen Elementen vorzugsweise derart ausgerichtet, dass sich die Richtung der spektralen Aufspaltung der Spektren parallel zu den Zeilen oder den Spalten des Detektors erstreckt.
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Beispielsweise kann auf einem Teilbereich des Detektors ein Spektrum, welches den gesamten Spektralbereich der zu analysierenden elektromagnetischen Strahlung umfasst, mit einer relativ geringen Auflösung detektiert werden, während andere Teilbereiche des Detektors mehrere unterschiedliche Teilabschnitte oder Ausschnitte aus dem Gesamtspektrum mit einer relativ hohen Auflösung aufzeichnen. Die Teilabschnitte können, müssen aber nicht, durch unmittelbar aneinander angrenzende Wellenlängenbereiche gebildet sein. Auch die Detektion sich teilweise überlappender Teilabschnitte oder Wellenlängenbereiche ist möglich. Wellenlängenbereiche, die keine für eine Analyse relevanten spektralen Strukturen aufweisen, können durch Nichterfassung ausgeblendet bzw. verworfen werden.
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Die Aufspaltung der zu analysierenden elektromagnetischen Strahlung mit Hilfe von mehreren dispersiven optischen Elementen und die anschließende Detektion mittels eines kostengünstigen 2D-Detektors gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine effiziente Optimierung der spektralen Auflösung des Spektrometers, ohne dass hierdurch der zu erfassende spektrale Bereich Δλ unnötig eingeschränkt wird und umgekehrt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die dispersiven optischen Elemente zusätzlich abbildende Eigenschaften auf. Um eine scharfe Abbildung der Spektren auf den Detektor zu gewährleisten, weisen Spektrometer in an sich bekannter Weise im Strahlengang zwischen dem oder den dispersiven optischen Elementen zusätzlich abbildende Elemente auf. Durch die Verwendung von dispersiven optischen Elementen mit abbildenden Eigenschaften können diese abbildenden Elemente entfallen, oder es kann zumindest deren Anzahl reduziert werden. Die zusätzlich oder auch alternativ zu den dispersiven optischen Elementen mit abbildenden Eigenschaften verwendeten abbildenden Elemente können beispielsweise Linsen oder Hohlspiegel, insbesondere auch Zylinderlinsen oder einfach gekrümmte Hohlspiegel umfassen.
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In dem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die dispersiven optischen Elemente als abbildende Reflexionsgitter ausgebildet sind, wobei sich insbesondere zumindest ein Teil der dispersiven optischen Elemente zusätzlich auch hinsichtlich der Brennweite voneinander unterscheidet. Abbildende Reflexionsgitter vereinen die Funktion eines optischen Gitters und eines Hohlspiegels, wobei das abbildende Reflexionsgitter sowohl sphärisch gekrümmt als auch einfach gekrümmt sein kann. Wenn dispersive optische Elemente mit unterschiedlichen Brennweiten verwendet werden, kann ein jeweiliges dispersives optisches Element für einen bestimmten Spektralbereich sowohl hinsichtlich der spektralen Auflösung δλ als auch hinsichtlich der scharfen Abbildung dieses Spektralbereichs auf dem Detektor optimiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die dispersiven optischen Elemente als ein einstückiges Dispersivelement ausgebildet, welches mehrere Teilbereiche aufweist, die sich hinsichtlich ihrer räumlichen Ausrichtung und/oder ihres spektralen Aufspaltungsvermögen voneinander unterscheiden und somit die genannten dispersiven optischen Elemente bilden. Ein Beispiel für ein solches Dispersivelement ist ein Beugungsgitter, beispielsweise in Form einer Folie, das mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Gitterkonstanten aufweist. Ein solches einstückiges Dispersivelement stellt eine besonders kostengünstige Lösung dar.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der dispersiven optischen Elemente hinsichtlich seiner räumlichen Lage derart verstellbar angeordnet ist, dass zumindest der Wellenlängenbereich des auf den Detektor fallenden Teilabschnitts des durch das verstellbar angeordnete dispersive optische Element erzeugten Spektrums veränderbar ist. Durch ein Verstellen der räumlichen Lage, beispielsweise durch ein Verkippen des oder der dispersiven optischen Elemente kann eine Anpassung des Spektrometers an die zu untersuchenden Substanzen oder Substanzgemisch erfolgen, indem ein jeweils interessierender Wellenlängenbereich individuell ausgewählt werden kann.
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Desweiteren kann die Verstellbarkeit auch zu Justierzwecken genutzt werden. Wenn nicht nur die Ausrichtung, sondern auch die räumliche Lage, insbesondere der Abstand zu dem Detektor, verstellt werden kann, ist es nicht nur möglich, den zu detektierenden Wellenlängenbereich zu verschieben, sondern auch dessen Größe zu verändern. Die Verstellung kann manuell oder motorisch erfolgen. Insbesondere kann eine Steuereinheit vorgesehen werden, die eine automatische Justierung, beispielsweise unter Verwendung von geeigneten Eichsubstanzen, vornimmt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens einem der dispersiven optischen Elemente ein jeweiliges Ablenkelement zugeordnet, welches derart verstellbar angeordnet ist, dass zumindest der Wellenlängenbereich des auf den Detektor fallenden Teilabschnitts des durch das zugeordnete dispersive optische Element erzeugten Spektrums veränderbar ist. Im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird zur Veränderung des Wellenlängenbereichs nicht das dispersive optische Element, sondern das Ablenkelement verstellt. Geeignete Ablenkelemente sind beispielsweise Spiegel oder Spiegelarrays, wobei auch eine Ausgestaltung als abbildendes Ablenkelement, z.B. eines Hohlspiegels, möglich ist.
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In diesem Fall und/oder allgemein bei weiteren Ausführungsformen, bei denen eine veränderbare Positionierung des oder der Spektren auf dem Detektor nicht notwendig oder nicht gewünscht ist, können das oder die dispersiven optischen Elemente mit einer festen oder einer festeingestellten räumlichen Lage, insbesondere mit einer festen oder einer festeingestellten relativen Verkippung zueinander, angeordnet werden..
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Grundsätzlich können bei beiden vorstehend genannten Ausführungsformen bezüglich der Veränderbarkeit des auf den Detektor fallenden Teilabschnitts des Spektrums auch eine Justierung der Position des Spektrums oder der Spektren auf dem Detektor in einer Richtung quer zur Richtung der spektralen Aufspaltung umfassen. Ferner können beide Verstellmöglichkeiten auch miteinander kombiniert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die dispersiven optischen Elemente derart ausgestaltet, dass zumindest ein Teil der auf den Detektor fallenden Teilabschnitte der Spektren unterschiedliche Ausdehnungen quer zu der Richtung der spektralen Aufspaltung aufweisen. Dies kann beispielsweise durch Verwendung von dispersiven optischen Elementen in Form von unterschiedlich breiten Beugungsgittern verwirklicht werden, wobei sich die Breite auf die Ausdehnung des Gitters quer zu der Richtung der spektralen Aufspaltung bezieht. So können beispielsweise Spektralbereiche, in denen eine niedrige Strahlungsintensität vorliegt, mit breiteren Gittern aufgespaltet werden, als solche Spektralbereiche, die eine hohe Intensität aufweisen. Da die Spektren mit niedrigerer Intensität auf diese Weise eine größere Fläche des Detektors bestrahlen als diejenigen mit höherer Intensität, kann zum Beispiel durch Aufsummieren quer zur Aufspaltungsrichtung derjenigen Signale, die von einem Beugungsgitter herrühren, ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis auch bei kleineren Intensitäten erzielt werden.
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Ein Spektrometer gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst ferner eine mit dem Detektor verbundene Auswerteeinheit, welche dazu ausgelegt ist, einen oder mehrere im Strahlengang auftretende Abbildungsfehler der detektierten Teilabschnitte der Spektren zu korrigieren, wobei die zu korrigierenden Abbildungsfehler insbesondere solche Abbildungsfehler umfassen, die bewirken, dass der Verlauf der Spektren nicht linear ist, und/oder dass eine auf die dispersiven optischen Elemente fallende gerade Linie als gekrümmte Linie auf den Detektor trifft. Derartige Abbildungsfehler können beispielsweise auf geometrische und/oder chromatische Abberationen, Justagefehler, Bauteilefehler oder dergleichen zurückgeführt werden. Letztlich stellen die Spektrallinien in den einzelnen Spektren Abbildungen z.B. des Eingangsspaltes dar. Wenn diese Spektrallinien nicht mehr als gerade Linien auf den Detektor abgebildet werden, erschwert dies die spätere Auswertung. So ist es für die spätere Auswertung eines vom Detektor aufgenommenen Bildes, insbesondere das Aufsummieren derjenigen Pixel, die jeweils durch elektromagnetische Strahlung mit derselben Wellenlänge erzeugt wurden, hilfreich, wenn sich diese Pixel alle in derselben Reihe bzw. derselben Spalte befinden. In einem entsprechend korrigierten Bild erscheinen somit die Spektrallinien als gerade, horizontal bzw. vertikal verlaufende Linien.
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Wie vorstehend ausgeführt, kann ein erfindungsgemäßes Spektrometer insbesondere bei einer Analysevorrichtung zur Bestimmung von Absorptionseigenschaften von festen, flüssigen oder gasförmigen Substanzen oder Substanzgemischen zum Einsatz gebracht werden, wie sie Gegenstand des Anspruchs 11 ist.
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Eine solche Analysevorrichtung weist ein erfindungsgemäßes Spektrometer auf. Außerdem ist eine Quelle für elektromagnetische Strahlung und eine zwischen der Quelle für elektromagnetische Strahlung und dem Spektrometer angeordnete optische Messstrecke für die mit der Analysevorrichtung zu untersuchenden Substanzen oder Substanzgemische vorgesehen. Elektromagnetische Strahlung von der Quelle passiert die optische Messstrecke, wo dann gegebenenfalls die wellenlängenabhängige Absorption durch die zu untersuchenden Substanzen oder Substanzgemische stattfindet, wobei die Absorption mit dem Spektrometer wellenlängenabhängig gemessen werden kann.
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Die Vorteile einer solchen erfindungsgemäßen Analysevorrichtung und die besonderen Ausgestaltungen und vorteilhaften Verwendungen ergeben sich aus den oben für das erfindungsgemäße Spektrometer genannten Vorteilen und Ausgestaltungen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Analysevorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Spektrometer in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellung;
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2 eine Detailansicht von drei Reflexionsgittern des Spektrometers von 1; und
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3 ein schematisches, durch einen Detektor der Analysevorrichtung von 1 erzeugtes Bild mit drei verschiedenen Spektren.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Analysevorrichtung 10 mit einem erfindungsgemäßen Spektrometer 12, einer Lichtquelle 14 und einer Messstrecke 18. Das Spektrometer 12 umfasst einen Eintrittsspalt 22, drei einfach konkav gekrümmte Reflexionsgitter 24a, 24b, 24c und einen Detektor 28. Das Spektrometer 12 kann ferner verschiedene strahlformende Abbildungselemente (z.B. Kollimatoren, Abbildungslinsen) sowie ein Spektrometergehäuse aufweisen, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
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Die Gitterkonstanten betragen bei dem dargestellten Beispiel für das Reflexionsgitter 24a 800 Linien/mm, für das Reflexionsgitter 24b 1750 Linien/mm und für das Reflexionsgitter 24c 2000 Linien/mm. Wie in 2 zu erkennen ist, ist hier die Ausdehnung der Reflexionsgitter 24a bis 24c quer zu einer Richtung der spektralen Aufspaltung S bei den Reflexionsgittern 24b, 24c gleich groß gewählt. Das Reflexionsgitter 24a besitzt quer zur Richtung S eine etwas kleinere Ausdehnung als die Reflexionsgitter 24b, 24c.
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Wie in 1 zu erkennen ist, sind die Reflexionsgitter 24a bis 24c zueinander um eine Achse A, die senkrecht zur Zeichnungsebene und somit senkrecht zur Richtung der spektralen Aufspaltung S verläuft, etwas verkippt.
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Die Lichtquelle 14 emittiert Licht 16 (in der Regel aus dem ultravioletten, dem sichtbaren und/oder dem infraroten Spektralbereich) in Richtung der Messstrecke 18. Dort befindet sich die zu untersuchende Substanz bzw. das zu untersuchende Substanzgemisch (gasförmig, flüssig oder fest). Beim Durchtritt durch die Substanz oder das Substanzgemisch wird das ausgesendete Licht 16 wellenlängenabhängig absorbiert.
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Das aus der Messstrecke 18 austretende, zu analysierende Licht 20 tritt durch einen Eintrittsspalt 22, der sich senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt, in das Spektrometer 12 ein und wird an den Reflexionsgittern 24a bis 24c reflektierend gebeugt und dadurch spektral aufgespalten. Jeweilige von den Reflexionsgittern 24a, 24b bzw. 24c erzeugte Bündel von spektral aufgespaltenem Licht 26a, 26b bzw. 26c werden von dem Detektor 28 detektiert.
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Bei dem Detektor 28 handelt es sich um einen räumlich zweidimensional auflösenden Detektor, der eine Vielzahl von in Reihen und Spalten angeordneten lichtempfindlichen Elementen besitzt. Die sich ggf. geringfügig überlappenden Bündel von spektral aufgespaltenem Licht 26a, 26b bzw. 26c treffen auf unterschiedliche Teilbereiche des Detektors 28 und erzeugen dort jeweilige Spektren 32a, 32b bzw. 32c, die gemeinsam zu einem Bild 30 aufgezeichnet werden (siehe 3).
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Der Detektor 28 ist mit einer Auswerteeinheit 34 verbunden, die dazu ausgelegt ist, die lichtempfindlichen Elemente auszulesen, das Bild 30 zu erzeugen und aus dem Bild 30 die Intensität des detektierten, spektral aufgespaltenen Lichts 26a, 26b, 26c ortsaufgelöst (in Richtung der spektralen Aufspaltung S) zu ermitteln, um letztlich zu ermitteln, welche Komponenten des von der Lichtquelle 14 emittierten Lichts 16 in der Messstrecke 18 mehr oder weniger absorbiert worden sind.
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Das durch das Reflexionsgitter 24a erzeugte Spektrum 32a stellt ein Gesamt- oder Übersichtsspektrum dar, welches Spektrallinien 101 bis 106 umfasst und sich in der Darstellung von 3 ungefähr über einen Wellenlängenbereich von 300 nm bis 900 nm erstreckt. Der in 3 mit λ bezeichnete Pfeil weist in Richtung zunehmender Wellenlängen. Die Spektrallinie 101 liegt bei ca. 400 nm, die Spektrallinie 102 bei ca. 420 nm, die Spektrallinie 103 bei ca. 500 nm, die Spektrallinie 104 bei ca. 700 nm, die Spektrallinie 105 bei ca. 780 nm und die Spektrallinie 106 bei ca. 800 nm.
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Das durch das Reflexionsgitter 24b erzeugte Spektrum 32b entspricht einem Teilabschnitt des Übersichtsspektrums 32a, der im Vergleich zum Spektrum 32a einen wesentlich kleineren Wellenlängenbereich umfasst, dafür diesen jedoch mit einer höheren spektralen Auflösung δλ wiedergibt. Im Unterschied zu dem Spektrum 32a sind im Spektrum 32b die Spektrallinien 101, 102 deutlich erkennbar voneinander getrennt.
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Das durch das Reflexionsgitter 24c erzeugte Spektrum 32c zeigt einen weiteren Teilabschnitt des Übersichtsspektrums 32a, dessen Wellenlängenbereich ebenfalls deutlich kleiner als bei dem Spektrum 32a ist. Da auch im Spektrum 32c die spektrale Auflösung δλ höher ist als im Spektrum 32a, sind die Spektrallinien 105, 106 im Unterschied zum Spektrum 32a deutlich voneinander getrennt.
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Die Spektren 32b, 32c stellen beim gezeigten Beispiel letztlich Ausschnitte aus dem Spektrum 32a dar, deren Wellenlängenbereiche im Spektrum 32a durch Klammern, die mit den Bezugszeichen 32b, 32c der korrespondierenden Spektren versehen wurden, gekennzeichnet sind.
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Durch unterschiedlich große Flächen der verschiedenen Reflexionsgitter 24a bis 24c können die verschiedenen Spektralbereiche zusätzlich unterschiedlich stark gewichtet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in unterschiedlichen Bereichen zu optimieren. Dies wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch genutzt, dass ein geringerer Anteil des Lichts für das Übersichtsspektrum 32a und zwei jeweils größere Anteile des Lichts für die Aufnahme der Detailspektren 32b, 32c genutzt werden. Somit können Bereiche, die sehr schwache Spektrallinien aufweisen, mit einer höheren effektiven Mittelungszeit aufgenommen werden.
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Neben anderen Parametern und Ausgestaltungen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel insbesondere die gewählten Wellenlängenbereiche, die Anzahl der Gitter und deren Gitterkonstanten lediglich beispielhaft. So können auf einem einzigen Detektor unterschiedliche spektrale Bereiche mit gleicher Auflösung oder auch unterschiedliche spektrale Bereiche mit unterschiedlicher Auflösung dargestellt werden. Mit einer Messung können sowohl hochaufgelöste spektrale Strukturen kleiner Wellenlängenbereiche als auch niedrig aufgelöste Strukturen großer Wellenlängenbereiche aufgenommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Analysevorrichtung
- 12
- Spektrometer
- 14
- Lichtquelle
- 16
- emittiertes Licht
- 18
- Messstrecke
- 20
- zu analysierendes Licht
- 22
- Eintrittsspalt
- 24a–24c
- Reflexionsgitter
- 26a–26c
- spektral aufgespaltenes Licht
- 28
- Detektor
- 30
- Bild
- 32a–32c
- Spektrum
- 34
- Auswerteeinheit
- 101–106
- Spektrallinie
- A
- Achse
- S
- Richtung der spektralen Aufspaltung
