DE10253058A1

DE10253058A1 - Hochempfindliche Spektrometeranordnung

Info

Publication number: DE10253058A1
Application number: DE2002153058
Authority: DE
Inventors: Andreas Wuttig; Rainer Riesenberg; Christian Schachtzabel; Eckard Kopatzki
Original assignee: CS CLEAN SYSTEMS AG; Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: CS CLEAN SYSTEMS AG; Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-05-27
Also published as: WO2004044536A1; EP1561089A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hochempfindliche Spektrometeranordnung, bei der ein aus parallelen Einzelspalten bestehendes Spaltarray mithilfe einer in Breitenrichtung der Spalte dispergierenden optischen Einheit unter Aufspaltung in Wellenlängen auf ein entsprechendes Detektorarray abgebildet wird, dessen Signale einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Unter Verwendung fester Spaltmuster sind charakteristische Parameter mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dies ist dadurch möglich, dass das Spaltarray wenigstens ein festes, applikationsbezogenes Muster mit mindestens zwei in Dispersionsrichtung um bestimmte Beträge versetzten Spalten aufweist, deren Spektrenbilder sich auf dem Detektorarray zu einem Summenspektrum überlappen, aus welchem die Auswerteeinrichtung direkt die für die Applikation zu bestimmenden Parameter extrahiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß der Gattung der Patentansprüche.
Bekannt sind Spektrometer mit Mehrspaltanordnungen bspw. aus den DE 198 13 558 C2 , DE 198 15 079 A1 , DE 198 15 080 C1 . Das grundsätzliche Ziel der bekannten Mehrspaltanordungen ist die Messung eines Spektrums mit erhöhter Auflösung oder mehrerer Spektren mit normaler Auflösung. Im ersten Fall wird ein hochaufgelöstes Spektrum durch Kombination mehrerer normal aufgelöster Spektrenbilder, welche von den unterschiedlichen Spalten stammen, erzeugt, im zweiten Fall wird unterschiedlichen Spalten Licht unterschiedlicher spektraler Verteilung angeboten und das Spektrum jedes Einzelspaltes unabhängig von den anderen Einzelspalten bestimmt. Den beiden Möglichkeiten sind zwei Dinge gemein: Erstens ist zur Durchführung aller Messungen entweder ein Schalten notwendig, oder die Spektrenbilder der Einzelspalte dürfen sich gegenseitig nicht überlappen, da in beiden Fällen zunächst das von jedem Einzelspalt verursachte Spektrenbild bestimmt werden muss. Zweitens erhält man am Ende des Messvorganges ein Spektrum oder mehrere Spektren, die vollständig aufgelöst sind. Mit anderen Worten: Es ergeben sich Vektoren von Intensitätswerten, von denen jeder einzelne zu einer festen Wellenlänge bzw. zu einem kleinen, zusammenhängenden Spektralintervall gehört.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die für eine bestimmte Applikation charakteristischen Parameter eines Spektrums, wie z.B. die Stärke bzw. Intensität eines oder mehrerer in diesem Spektrum vorliegender Grundspektren oder z.B. auch die Breite oder Lage einer enthaltenen Spektrallinie, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Lösung erfährt durch die Merkmale der Unteransprüche Verbesserungen, die zumindest teilweise applikationsbezogen sind. Dabei liegen der Erfindung folgende Betrachtungen zu Grunde:
Bei der Messung von Spektren mittels Spektrometern, die mit einem Gitter oder einem ähnlichen Dispersionselement ausgestattet sind, muß das zu untersuchende Licht zunächst einen Spalt am Eingang des Spektrometers passieren. Je schmaler dieser Spalt ist, desto besser wird, abgesehen von beugungs- oder abbildungsbegrenzten Bedingungen, die Auflösung und damit der Detailgehalt des gemessenen Spektrums. Andererseits ist es bei einer Vielzahl von Anwendungen nicht möglich, beliebig viel des eigentlich zur Verfügung stehenden Lichtes in den Spalt einzukoppeln, da der zweite Hauptsatz der Thermodynamik eine Konzentration in diffuser Form vorliegenden Lichtes über ein bestimmtes Maß hinaus verbietet. Dies bedeutet, daß die verwertbare Lichtmenge durch die zur Verfügung stehende Spaltfläche multipliziert mit dem Öffnungsverhältnis des Spektrometers begrenzt ist. Um die Spaltfläche zu erhöhen, kann man den Spalt sowie die Detektorelemente möglichst lang gestalten, und z.B. einen auf Lichtfasern basierenden Strahlformer verwenden, der den gesamten Spalt ausleuchtet. Dieser Vorgehensweise sind jedoch Grenzen einerseits durch die mit wachsender Spaltlänge zunehmenden Abbildungsfehler und andererseits durch die verfügbare Detektorlänge gesetzt. Weiterhin ist auch die Strahlformungsoptik ein nicht zu vernachlässigender Kostenfaktor und außerdem ein zusätzliches optisches Element, welches sich bspw. auf Grund möglicher Fluoreszenzeffekte in den Fasern, starker Dämpfungseffekte in bestimmten Wellenlängenbereichen und nicht zuletzt des Mindestdurchmessers der Fasern, welcher der Spaltbreite entsprechen sollte, nicht für alle Applikationen eignet. Eine andere Vorgehensweise zur Vergrößerung des Lichteinfalls in das Spektrometer ist die Verbreiterung des Eintrittsspaltes; diese führt aber zwingend zu einer Verringerung der Auflösung und damit evtl. zu einem Verlust wichtiger Information. Ein Gitterspektrometer mit einem einzelnen Spalt kann entsprechend seiner Auflösungsdaten ein beliebiges, ihm angebotenes Spektrum unabhängig von der Applikation messen und ist insofern ein universeller Spektralsensor. Die im Spektrum enthaltene Information kann aus den gemessenen Spektraldaten des Spektrometers an Hand einer Auswerteeinheit objektiv oder subjektiv extrahiert werden.
Oft ist es jedoch nicht notwendig, beliebige Spektren messen zu können, da ohnehin nur einzelne Parameter, wie die Lage oder Breite einer Spektrallinie oder bestimmte Grundspektren in eventuell variierender Zusammensetzung zu bestimmen sind. Ein wichtiges Beispiel hierzu ist die Überwachung (Monitoring) eines Raumes auf das Vorhandensein von Schadgasen, z.B. Kohlenmonoxid, Chlor und Ähnlichem. Für solche speziellen Aufgaben ist es nicht zwingend notwendig, zunächst ein universell verwendbares Spektrum zu bestimmen, um dann in einem unabhängigen Schritt die gewünschten Parameter zu ermitteln. Diesen Umstand nutzt die Erfindung aus, um den Lichtdurchsatz eines Gitterspektrometers ggf. zu Lasten unwichtiger Signalkomponenten des angebotenen Spektrums zu optimieren, ohne dabei wichtige Signalkomponenten zu unterdrücken. Allgemeiner ausgedrückt, werden wichtige Komponenten des Spektrums durch einen erreichten höheren Lichtdurchsatz verstärkt und dafür unwichtige geschwächt oder sogar ausgelöscht, wodurch im Allgemeinen auch keine Bestimmung eines Einzelspaltspektrums an Hand der gemessenen Daten mehr möglich ist. Für die jeweilige Applikation entsteht jedoch ein unter Umständen beträchtlicher Gewinn.
Durch die Anwendung der Erfindung ergibt sich im einfachsten Fall nur ein einzelner, skalarer Wert, der aus der am Detektorarray anliegenden Intensitätsverteilung durch die Auswerteeinrichtung extrahiert wird. Die Verwendung des Spaltarrays ermöglicht einen höheren Lichtdurchsatz, eine höhere Auflösung und damit eine höhere Genauigkeit als ein Einzelspalt. Die von den Spalten des Spaltarrays verursachten Spektrenbilder überlagern sich im Allgemeinen fast vollständig und lassen im Detektorarray ein entsprechendes Summensignal entstehen. Die Verwendung mindestens eines festen Spaltmusters benötigt keine Umschaltung während der Messung. Stattdessen wird ein Muster vorgewählt, welches die gestellte Aufgabe, z.B. die Unterscheidung zweier verschiedener Signale, besonders gut erfüllt. Dies ist genau dann der Fall, wenn die aus beiden Signalen resultierenden Spektrenbilder am Detektorarray sich im Sinne der gemittelten quadratischen Abweichung an den einzelnen Detektorelementen maximal unterscheiden, die Summe der Quadrate der pixelweisen Signaldifferenzen also maximal wird. Als Nebenbedingung muss dabei noch angenommen werden, dass beide Signale dieselbe Energie besitzen, d.h. dass die aufsummierten Signalwerte der einzelnen Detektorpixel für alle möglichen Spektren denselben Wert ergeben. Andernfalls ist es möglich, die beiden Signale nur anhand ihrer Intensität sehr gut zu unterscheiden, das optimale Spaltmuster ist folglich eine maximale Öffnung. Da die Intensität in der Regel nicht bekannt ist oder sogar bestimmt werden soll, ist eine Unterscheidung verschiedener Signale anhand der Intensität aber in der Praxis nicht möglich, und es müssen andere Komponenten als die Gleichanteile der Signale herangezogen werden. In der Grundversion eines dafür geeigneten Spaltmusters sind gleich gestaltete Einzelspalte in einem festen Raster in der Spaltarrayebene angeordnet, wobei je nach Aufgabe bestimmte Rasterplätze frei bleiben, also keinen Spalt erhalten. Alternativ kann man diese Positionen auch als geschlossene Spalte und die mit Spalten besetzten entsprechend als offene Spalte bezeichnen. Ein Muster, welches die quadratische Abweichung maximiert, kann nun z.B. durch eine vollständige Suche über alle möglichen Spaltarrays – d.h. alle möglichen Kombinationen geöffneter und geschlossener Spalte – bestimmt werden. Auch ist es möglich, ein geeignetes Muster durch eine heuristische, unvollständige Suche zu bestimmen, wenn die Anzahl verschiedener möglicher Muster zu groß wird, da es für die Erfindung nicht notwendig ist, genau das beste Muster zu verwenden. Diesbezügliche Untersuchungen haben ergeben, dass auf diese Weise sowohl optimale Muster gefunden werden können, als auch Muster die sich vom optimalen Muster nur durch eine sehr kleine Verringerung des Gewinns an Genauigkeit unterscheiden. Sind mehr als zwei Signale zu unterscheiden, so kann das Muster auf dieselbe Art und Weise auf einen maximalen Mindestabstand der Bilder der zu unterscheidenden Signale hin optimiert werden. Soll hingegen eine bestimmte Eigenschaft eines einzelnen Signales, z.B. dessen Halbwertsbreite oder Mittenposition möglichst genau bestimmt werden, so ist die erste Ableitung des Spektrenbildes nach dem Parameter der zu bestimmenden Eigenschaft auf maximale quadratisch gemittelte Abweichung von der Nulllinie zu maximieren. Es wird also wieder die Summe der Abweichungsquadrate zweier Signale mit unterschiedlichen Parametern maximiert, wobei sich diese Signale nur infinitesimal unterscheiden.
Für die Bestimmung nichtlinearer Parameter müssen die Kriterien für die Herstellung optimaler Muster evtl. etwas abgewandelt werden, die Vorgehensweise bleibt jedoch dieselbe. Auch ist es möglich, die Muster an eine sich verändernde Aufgabenstellung dynamisch anzupassen.
Das am Detektorarray entstehenden Spektrenbild entspricht in erster Näherung dem Spektrenbild eines unendlich schmalen Einzelspaltes, gefaltet mit der durch das Spaltarray verursachten Transmissionsfunktion, also dem Spaltmuster. Musterabhängig werden einige Fourier-Komponenten des durch das Spaltarray erzeugten Spektrums stark geschwächt oder sogar ausgelöscht, während andere überhöht werden. Letztere Komponenten sind im Optimalfall diejenigen, in welchen sich auch die unterschiedlichen zu detektierenden Signale am meisten unterscheiden. Durch den Verlust einiger Signalkomponenten ist in der Regel keine Berechnung des ursprünglich am Spektrometereingang (Spaltarray) vorliegenden Spektrums mehr möglich, oder aber sie ist durch die starke Unterdrückung einiger Komponenten wesentlich ungenauer, als bei Messung mit nur einem Spalt. Als Ausnahme gibt es jedoch auch Muster aus mehreren Spalten, bei welchen eine solche Rückrechnung zumindest ohne Verluste gegenüber einer Einzelspaltmessung möglich ist. Eine Rückrechnung auf das anliegende Spektrum mit Gewinn gegenüber einer Einzelspaltmessung ist jedoch leicht möglich, wenn gleichzeitig oder nacheinander mit mindestens zwei verschiedenen Mustern gemessen wird; denn dann ist es möglich, für jedes Muster andere Fourier-Komponenten des Spektrums zu unterdrücken, insgesamt aber für jede Fourier-Komponente einen Gewinn zu erzielen. Dies gilt auch unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die vorhandene Signalenergie zeitlich oder räumlich auf die verschiedenen Muster aufgeteilt werden muss.
Wie bereits angesprochen, dient die Erhöhung der Spaltanzahl gegenüber dem Gitterspektrometer mit einem Einzelspalt der Erhöhung des Lichtdurchsatzes. Ein Maximum an Empfindlichkeit wird erreicht, wenn das gesamte zur Verfügung stehende Licht auf so wenige Spalte wie möglich konzentriert wird, wobei vorausgesetzt wird, dass das Spaltmuster im obigen Sinne optimiert ist. Durch einen faseroptischen Strahlformer kann erreicht werden, dass im Spaltarray nur offene Spalte auch tatsächlich ausgeleuchtet sind, so dass im Idealfall das gesamte zur Verfügung stehende Licht verwendet wird. Bei einem Verzicht auf eine faseroptische Strahlformung ist darauf zu achten, dass die offenen Spalte mit höchstmöglicher Intensität ausgeleuchtet sind; denn es macht keinen Sinn, das verfügbare Licht zunächst aufzuweiten, um dann eine noch größere Spaltanzahl ausleuchten zu können.
Als Erweiterung der Anordnungen mit gleich breiten Spalten können Anordnungen genannt werden, welche innerhalb eines Spaltarrays unterschiedliche Spaltbreiten aufweisen. Durch derartige Anordnungen ist es z.B. möglich, die Spaltbreiten selbst wesentlich größer auszulegen, als dies für die zu erreichende Auflösung normalerweise zulässig wäre. Da unterschiedlich breite Spalte einen Verlust unterschiedlicher für die Auflösung verantwortlicher hochfrequenter Signalanteile bewirken, kann durch eine Kombination unterschiedlicher Spaltbreiten erreicht werden, dass keine dieser Signalkomponenten unterdrückt wird oder verloren geht, so daß im Prinzip das gleiche Resultat wie unter Verwendung wesentlich schmalerer, gleich breiter Spalte erzielt werden kann. Hinzu kommt jetzt allerdings die Tatsache, daß schmale Spalte zu erhöhten Beugungsverlusten führen. Indem man die schmalen Spalte durch Kombinationen breiterer Spalte mit unterschiedlicher Breite ersetzt, kann man nun die Beugungsverluste minimieren, und erreicht eine unter Umständen mehrfach höhere Sensitivität als unter Verwendung schmalerer Spalte.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Spektrometeranordnung ,
2 einen Einzelspalt und die ihm entsprechenden erfindungsgemäßen Spaltarrays,
3 Summendiagramme für die Intensität in Abhängigkeit von der Anzahl der Spalte,
4 Diagramme zur Verdeutlichung der Überlagerung der Spektralbilder von drei Spalten,
5 ein erfindungsgemäßes Spaltarray mit einem Spaltmuster,
6 den mit dem Spaltarray nach 5 erreichten Gewinn,
7 ein erfindungsgemäßes Spaltarray mit zwei Spaltmustern,
8 den mit dem Spaltarray nach 7 erreichten Gewinn und
9 ein Spaltarray mit Spalten von unterschiedlicher Breite.
Eine in 1 dargestellte Spektrometeranordnung 10 weist eine primäre oder sekundäre Lichtquelle 11 auf, deren Licht 12 spektral untersucht werden soll. Das Licht 10 tritt durch ein Spaltarray 13 in einen Monochromator 14 ein, der im wesentlichen ein dispergierendes Element 15 aufweist und auf einem Detektorarray 16 ein spektrales Bild des Spaltarrays 13 erzeugt. Das Detektorarray 16 gibt entsprechend dem spektralen Bild Messsignale 17 an eine Kameraelektronik 18, die ihrerseits Bilddaten 19 an eine Auswerteeinrichtung 20 abgibt. Von dieser Auswerteeinrichtung erhalten in umgekehrter Richtung die Kameraelektronik 18 und das Detektorarray 16 Steuerinformationen. Die Auswerteeinrichtung 20 wertet die erhaltenen Daten und Informationen aus und bringt die extrahierten Parameter zur Anzeige bzw. speichert sie bzw. leitet sie an eine nicht dargestellte Überwachungseinrichtung weiter. Die Spalte im Spaltarray 13 können in einem oder mehreren übereinander und parallel zueinander angeordneten Spaltmustern zusammengefasst sein; sie können gleiche oder unterschiedliche Breiten haben. In einem Spaltmuster können die Spalte in einem Raster mit gleicher oder sich ändernder Rasterkonstante angeordnet sein. Auch können die Rasterkonstanten zweier auf einem Spaltarray angeordneter Spaltmuster unterschiedlich sein. Grundsätzlich werden auf dem Detektorarray 16 so viele Spektren sich überlappend erzeugt wie Spalte in jedem Spaltmuster eines Spaltarrays 13 vorhanden sind. Das Spaltarray 13 ist entsprechend der jeweiligen Messaufgabe auswechselbar.
Mit der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung werden bspw. in einem am Spaltarray 13 anliegenden Spektrum S die Breiten w₁, w₂ und das Höhenverhältnis h₂/h₁ der Peaks p₁, p₂ von der Auswertweeinrichtung 20 als Ergebnis 21 w₁ = 3,2, w₂ = 3,3 und h₂/h₁ = 1,8 geliefert.
2 zeigt eine Reihe von gleichmäßigen Spaltanordnungen 131 bis 135. Es handelt sich dabei um Spalte welche jeweils Abmessungen von 15 μm Breite und bis zu 2 mm Länge aufweisen. Im einzelnen dargestellt sind ein Einzelspalt, welcher zum Vergleich mit einem herkömmlichen Spektrometer dient, sowie Spaltarrays mit 2, 4, 10 und 48 Spalten. Bei dem Array mit 48 Spalten sind die äußeren Spalte der kreisförmigen Ausleuchtung des Spektrometereingangs angepasst und dadurch etwas kürzer als die inneren Spalte. Unter Verwendung der Spaltarrays mit 4 bzw. 10 Spalten und des Einzelspaltes wurden an einem Farbstoffspektrum (Kongorot) die in 3 gezeigten Summensignale gemessen. Die Wellenlängenangabe bezieht sich dabei nur auf die Messung mit dem Einzelspalt. Durch die Verwendung der Spaltarrays mit vier bzw. 10 Spalten konnte die Empfindlichkeit bei der Bestimmung der Intensität des breiten Untergrundsignales etwa auf das vier- bzw. zehnfache und die Empfindlichkeit bei der Bestimmung der Amplitude des schmalen Peaks bei etwa 650 nm etwa auf das zwei- bzw. dreifache gegenüber der Messung mit Einzelspalt gesteigert werden.
In 4 sind drei Diagramme a, b und c dargestellt, in denen die Intensität I über einem Weg x in der Ebene des Detektorarrays aufgetragen ist. a beinhaltet die durch einen Einzelspalt erzeugte Intensitätsverteilung. b zeigt Intensitätsverteilungen mit einem Spaltmuster m, das drei Einzelspalte aufweist, wobei die Intensitätsverteilungen 22, 23, 24 gegeneinander versetzt dargestellt sind. In c ist das Summenspektrum 25 erkennbar, wie es sich bei der spektralen Abbildung der drei Einzelspalte in der Ebene des Detektoranays tatsächlich ergibt.
Das Spaltarray 13 gemäß S weist ein Spaltmuster 26 mit 32 Rasterplätzen auf, von denen 19 durch Spalte besetzt sind. Das Spaltarray mit dem Muster 10101110110001001011011110001111 (1 = Spalt, 0 = kein Spalt) dient zur universellen Detektion mit erhöhtem Durchsatz. Das Spaltarray maximiert den Spektrometerdurchsatz, unterdrückt aber gleichzeitig keine Signalkomponente, so dass es auch möglich ist, das Spektrenbild eines Spektrometers mit Einzelspalt mit Gewinn aus den Messdaten des Mehrspaltspektrometers zu rekonstruieren. Das zugehörige Diagramm der 6 zeigt den Gewinn an Empfindlichkeit über der Ortsfrequenz, d. h. für jede einzelne Fourier-Komponente eines beliebigen zu messenden Spektrums. Es ist erkennbar, dass der Gewinn für alle Fourier-Komponenten größer als Eins ist. Das Minimum des Gewinns liegt bei einem Faktor von 1,18, das Maximum bei 19 für den Gleichanteil des gemessenen Signals (Ortsfrequenz 0), entsprechend der Anzahl der geöffneten Spalte des Spaltmusters. Im Durchschnitt wird ein Gewinn von 3,62 erreicht.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, die Breite einer gaussförmigen Spektrallinie, deren ungefähre Breite bekannt ist, genau zu bestimmen. Eine solche Breitenbestimmung erfolgt in der Regel durch Anpassen einer synthetischen Gausslinie an das gemessene Spektrum. Bei Verwendung einer Mehrspaltanordnung wäre demzufolge eine entsprechend dem Spaltmuster vervielfachte Gausslinie mit variabler Breite anzupassen. Zur Bestimmung des optimalen Spaltarrays wird die erste Ableitung der Gausslinie nach dem Breitenparameter bei der mittleren oder wahrscheinlichsten Linienbreite als quadratisch zu maximierendes Differenzsignal zugrundegelegt. Das entstehende Spaltarray ist dann besonders gut zur Bestimmung von Linienbreiten um diesen zugrundegelegten mittleren Breitenwert geeignet, kann aber durchaus auch noch bei stark abweichenden Breiten einen merklichen Gewinn bringen. Die Anzahl der verwendeten Spalte hängt, wie bereits betont, von der Bündelbarkeit des zu messenden Lichtes ab.
Die Spaltmuster werden im Folgenden als Sequenzen aus Nullen und Einsen angegeben, wobei eine Null für einen geschlossenen Spalt und eine Eins für einen geöffneten Spalt steht. Zu jedem Spaltarray bzw. Spaltmuster ist ein Gewinn angegeben. Dieser gibt hier den Faktor an, um den das Detektorrauschen im Falle der Mehrspaltanordnung gegenüber der mit einzelnem Spalt höher sein kann, um den gesuchten Parameter mit gleicher Genauigkeit bestimmen zu können. Der Genauigkeitsgewinn bzgl. des Parameters hängt in der Regel nichtlinear vom Rauschen ab und ist daher nicht so einfach angebbar. So ist es zum Beispiel möglich, daß eine Linienbreite für ein bestimmtes Detektorrauschen noch auf 10% bestimmbar ist, für ein fünfmal so hohes Rauschen jedoch überhaupt keine Bestimmung der Linienbreite mehr möglich ist.
Ein Spaltmuster für die Optimierung der Messung der Linienbreite einer etwa 2 Pixel breiten Gausslinie hat bei einer Musterbreite von 128 Spalten folgendes Aussehen:
11110000111110000111110000111110000011110000111110000111110 00011111000011111000011111000011110000011110000111110000111 1100001111
Gewinn: 13.7311 (70 offene Positionen)
Optimierung für eine 0.5 Pixel breite Gausslinie:
Musterbreite: 32 Spalte in folgender Verteilung:
10101010101010100101010101010101
Gewinn: 5.08047 (16 offene Positionen)
Die vorstehend optimierten Spaltmuster bestehen aus einer Reihe von Gruppen geöffneter Spalte mit einer zur Linienbreite ungefähr proportionalen Anzahl von Einzelspalten. Die Spaltgruppen sind durch Lücken von etwa der selben Ausdehnung wie der der Spaltgruppen getrennt.
Überstreicht die mögliche Linienbreite einen größeren Bereich, so wird ein Spaltmuster gesucht, welches für beliebige Linienbreiten in einem bestimmten Bereich bei der spektralen Abbildung und Auswertung einen maximalen Vorteil bringt. Das Spaltmuster wird dabei so optimiert, daß das Minimum des Gewinns, also der Gewinn bei der am schlechtesten funktionierenden Linienbreite, maximal wird. Es ergibt sich bei dieser Vorgehensweise jeweils exakt das Spaltmuster, welches optimal für eine Linienbreitenbestimmung bei der kleinsten möglichen Linienbreite wäre. Lägen die möglichen Linienbreiten z.B. im Bereich zwischen 0.5 und vier Pixeln und die Breite des Spaltmusters wäre 32, so wäre das für eine mittlere Linienbreite von 0.5 Pixeln Breite optimale Spaltmuster 10101010101010100101010101010101 zu wählen und der Gewinn wäre für alle Linienbreiten mindestens 5.08047.
Auch mit zweidimensionalen Spaltarrays (Arrays mit zwei Spaltmustern) ist eine universelle Detektion mit erhöhtem Durchsatz möglich. In 7 ist beispielhaft ein aus zwei eindimensionalen Einzelmustern bestehendes zweidimensionales Spaltmuster gezeigt. Die Sequenzen der beiden Muster sind 10011110110001101001110101011011 bzw. 11100101010001010011111001001111. Unter der Annahme, daß das zur Verfügung stehende Licht nun auf die beiden Einzelmuster aufgeteilt werden muss, pro Muster also nur noch die halbe Intensität erzielt wird, ergibt sich immer noch ein Gewinn, welcher im Minimum einen Wert von 1.39, im Maximum einen Wert von 18.51 und im Durchschnitt einen Wert von 3.60 erreicht (8).
9 ist ein Beispiel dafür, dass man schmale Spalte durch eine Kombination breiterer Spalte mit unterschiedlicher Spaltbreite ersetzen und so Beugungsverluste minimieren kann. Dargestellt ist ein zweidimensionales Spaltarray mit Spalten von einfacher und doppelter Spaltbreite.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

10: Spektrometeranordnung
11: Lichtquelle
12: Licht
13: Spaltarray
14: Monochromator
15: Dispergierendes Element
16: Detektorarray
17: Messsignale
18: Kameraelektronik
19: Bilddaten
20: Auswerteeinrichtung
21: Ergebnis
22, 23, 24: Intensitätsverteilungen
25: Summenspektrum
26: Spaltmuster
131 bis 135: Spaltanordnungen
S: Spektrum

Claims

Hochempfindliche Spektrometeranordnung bei der ein aus parallelen Einzelspalten bestehendes Spaltarray mit Hilfe einer in Breitenrichtung der Spalte dispergierenden optischen Einheit unter Aufspaltung in Wellenlängen auf ein entsprechendes Detektorarray abgebildet wird, dessen Signale einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltarray wenigstens ein festes, applikationsbezogenes Spaltmuster mit mindestens zwei in Dispersionsrichtung um bestimmte Beträge versetzten Spalten aufweist, deren Spektrenbilder sich auf dem Detektorarray zu einem Summenspektrum überlappen, aus welchem die Auswerteeinrichtung direkt die für die Applikation zu bestimmenden Parameter extrahiert.
Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte gleich breit und in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind.
Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände einzelner Paare von benachbartern Spalten zur Erreichung einer applikationsspezifischen Empfindlichkeitssteigerung gleich einem Vielfachen eines minimalen Spaltabstandes sind.
Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Strahlformungsoptik, welche einen maximalen Anteil des der Spaltbeleuchtung dienenden Lichtes auf die Spalte des Spaltarrays lenkt.
Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltarray aus mindestens zwei rechtwinklig zur Dispersionsrichtung angeordneten, übereinanderliegenden, vorzugsweise unterschiedlichen Mustern besteht und dem Spaltarray ein entsprechendes Detektorarray zugeordnet ist, welches die durch die einzelnen Muster erzeugten Summensignale separat erfassen kann.
Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass solche Muster verwendet werden, die sowohl ein direktes Extrahieren der Parameter als auch eine eindeutige Berechnung der Spektren zulassen.
Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte unterschiedliche Breiten aufweisen.
Hochempfindliche Spektrometeranordnung gemäß Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltarray auswechselbar ausgebildet und das Muster in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufgabenstellung wählbar ist.