DE19620807B4

DE19620807B4 - Festkörperdetektor

Info

Publication number: DE19620807B4
Application number: DE19620807A
Authority: DE
Inventors: Andrew T. Cupertino Zander; Charles B. Redwood City Cooper III; Ring-Ling San Jose Chien
Original assignee: Varian Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2016-05-24
Also published as: CA2178247A1; DE19620807A1; US5596407A; GB9611599D0; JPH09105672A; GB2301935A; CA2178247C; AU706364B2; AU5225696A; GB2301935B; JP3233336B2

Abstract

Festkörperdetektor für ein Echelle-Spektrometer mit folgenden Merkmalen:
eine Mehrzahl von Abtastelementen (52) auf einer Oberfläche des Detektors (16) ist zur Bildung einer Mehrzahl von Abtastelementanordnungen (51a, 51b, 51n) vorgesehen,
die Abtastelementanordnungen (51a, 51b, 51n) bilden eine Mehrzahl von Linien (56), die nebeneinander auf der Detektoroberfläche angeordnet sind,
die Linien sind gekrümmt und schief zueinander angeordnet und liegen entlang einer zugehörigen Projektion einer Echelle-Beugungsordnung (48),
dadurch gekennzeichnet daß jede jede Abtastelementanordnung (51a, 51b, 51n) auf ihre jeweilige der Echelle-Ordnung entsprechende schiefe Linie (56) beschränkt. ist, um so kontinuierlich nur die jeweilige Ordnung über den freien spektralen Bereich nachzuzeichnen,
wobei zwischen den schiefen Linien (56) Lücken freibleiben, die ohne Abtastelemente sind.

Description

Die Atomspektroskopie findet extensive Anwendung im Bereich von atomaren Emissionen, atomaren Absorptionen und atomarer Fluoreszenz. Insbesondere haben Spektrometer der Echelle-Varietät, in welchen ein Echelle-Gitter zur Beugung der interessierenden Strahlung verwendet wird, erwiesenermaßen gewisse vorteilhafte Eigenschaften mit Bezug auf Auflösung und Spektrometerauslegung im Vergleich mit Spektrometern mit konventionellen Beugungsgittern hoher herrschender Dichte. In einem Echelle-Spektrometer folgt die größere Auflösung der Spektrallinien aus der Tatsache, daß die Auflösung zunimmt, wenn die Beugungsordnung zunimmt. Die Ausnutzung der Ordnungen 20 bis 90 erzielt beispielsweise größere Auflösung als die Verwendung der Ordnungen 1, 2 und 3 beispielsweise. Auch wird die bauliche Größe des Spektrometers durch die Anwendung eines Echelle-Diffraktionsgitters reduziert.
Wenn ein Echelle-Gitter angewendet wird, liegen die verschiedenen Diffraktionsordnungen normalerweise im wesentlichen einer auf dem anderen. Ein Prisma wird gewöhnlich zur Trennung der Ordnungen nach Beugung durch das Gitter benutzt und ein zweidimensionales Muster wird an der Brennebene in dem Spektrometer gebildet. Der Detektor umfaßt dann eine zweidimensionale Oberfläche, welche die Abtastelemente enthält, um die Spektrallinien zu detektieren.
Verschiedene Arten von optische detektierenden Halbleitermaterialvorrichtungen sind zur Sammlung und Feststellung der Photonensignale benutzt worden, die an den Brennebenen von verschiedenen Konfigurationen in analytischen Spektrometern zugegen sind. Lineare und flächige Anordnungen von Photodioden, ladungsgekoppelte Einrichtungen (CCD), Ladungsinjektions-Vorrichtungen und plasmagekoppelte Vorrichtungen sind zum Gewinnen optischer Signale aus konventionellen Beugungsgitterspektrometern sowie auch von Echelle-Gitterspektrometern benutzt worden.
Als ein Beispiel einer ladungsgekoppelten Einrichtung, die zur Feststellung von zweidimensionalen Beugungsmustern in Echelle-Spektrometern verwendet worden ist, kann ein x-y-Gitter von Pixeln mit 1000 Reihen und 1000 Spalten, also insgesamt von 1.000.000 Pixel in der Brennebene plaziert werden, um die spektralen Linien festzustellen. Diese Anordnung hat den Vorteil, in der Lage zu sein, wirklich alle Signale innerhalb des Spektrometers festzustellen, einschließlich des Hintergrundrauschens. Nachteile dieser Form des Detektors sind Fehlabstimmung zwischen der gesuchten Information und der Detektoranordnung, Verlust von Teilen des Spektrums und unnötig lange Auslesezeit. Das zweidimensionale Beugungsmuster bei kontinuierlicher Wellenlängenabdeckung bei einem gegebenen Beugungswinkel bildet ein Muster gemäß einem Gewölbeschlußstein, jedoch kein Rechteck. Die Anwendung von einem oder mehreren x-y-Gitterdetektoren bedeutet eine Fehlanpassung der Gestalten des Detektors und des Beugungsmuster. Es bestehen Kompromisse zwischen der Über- und Unterfüllung des Detektors und dem Verlust von Teilen des Beugungsspektrums. Weil jedes Pixel in dem x-y-Gitter ausgelesen wird, wird die Auslesezeit zusätzlich lang, obzwar die meisten Pixel keine nützliche Information enthalten.

Eine Anordnung zur Untersuchung hoch auflösender Teilspektren eines Echelle-Spektrums ist in der DD 270 133 A1 offenbart. Es werden mehrere gerade und zueinander parallele CCD-Sensorzeilen mit gleich großen und äquidistanten Pixeln entlang der Zeile verwendet. Es kann nur eine wählbare Teilmenge der Signale aus dem Echelle-Spektrum ausgelesen werden.

Eine andere Version von Festkörperdetektoren wird in US-A 4,820,048 betrachtet. Dabei werden die meisten Pixel in dem x-y-Gitter fortgelassen und kleine Gruppen von linearen CCD-Anordnungen verbleiben und sind so angeordnet, daß nur ausgwählte Spektrallinien und hierzu nähere Hintergrundstrahlung empfangen werden. Diese drastische Reduktion der Anzahl der Pixel verringert die Auslesezeit des Detektors, jedoch wird die Strahlung, die nicht auf die ausgewählten Linienstellung fällt, nicht abgetastet, was die Flexibilität dieses Detektors im Vergleich zu dem x-y-Gitter verringert.

Aus der DE 41 43 284 A1 ist ein integrierter Halbleitersensor für Spektrometer bekannt, bei dem die Strahlungsdetektoren regelmäßig und lückenlos angeordnet sind, und deren Abmessungen jeweils der Ortsauflösung und örtlichen Verteilung des abgebildeten Spektrums entsprechen. Die Abmessungen der Sensoren werden derart gestaltet, dass sie an Orten, an denen zu untersuchende Spektrallinien erwartet werden, den Dimensionen der abgebildeten Linien folgen. In einem Bereich um einen solchen Linienort herum werden beidseitig in Dispersionsrichtung des Gitters Detektoren mit gleichen Abmessungen angeordnet. Es folgen dann in weiter anschließenden Bereichen, in denen keine oder unbedeutende, nicht zu erfassende Spektrallinien erwartet werden, in denen Streulichtanteile des optischen Systems, Anteile der Untergrundstrahlung sowie Molekülspektren zu analysieren sind, gemäß den Ordnungsbereichen in dem zweidimensionalen Spektralmuster entsprechend strukturierte Detektoren. In dieser Weise wird bei der vorliegenden Erfindung die Chipfläche nicht regelmäßig und lückenlos gefüllt. Bei der Erfindung ist jede Abtastelementanordnung auf ihre jeweilige, der Echelle-Ordnung entsprechende schiefe Linie beschränkt. Untergrundstrahlung der Linienumgebung sowie Streustrahlungsanteile werden bei der Erfindung dem Ausgang des Chips nicht zugeführt.

Eine Zielrichtung der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine Einrichtung zu schaffen, welche die analytischen spektralen Signale in einer Brennebene eines analytischen Spektrometers effizienter und wirksamer auf optische Halbleiterfestkörper-Detektorvorrichtungen auftreffen läßt.

Eine weitere Zielrichtung der Erfindung besteht in der vollständigen Pixelüberdeckung jeder Echelle-Beugungsordnung über dem freien spektralen Bereich bei dem Beugungswinkel, während die benötigte Auslesezeit nicht ungebührlich verlängert wird.

Eine weitere Zielrichtung besteht in der Schaffung eines Detektors mit Anordnungen von Abtastelementen, die exakt entlang und an den Stellen der spektralen Signale auf einer Brennebene eines Echelle-Gitterspektrometers positioniert sind.

Eine weitere Zielrichtung der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Festkörperdetektors mit schiefen Linien von Pixeln, so daß eine exakte Überdeckung zwischen den Pixeln und der Gestalt der Beugungsordnungen besteht, so daß eine kontinuierliche spektrale Überdeckung der gesamten Echelle-Gitter-Brennebene existiert, die von einem speziell ausgelegten Echelle-Gitterspektrometer dargeboten wird.

Eine weitere Zielrichtung besteht in der Schaffung eines Detektors mit schrägen Linien der Pixel, worin jede schräge Linie eine spezielle Beugungsordnung überdeckt und eine Anzahl von Pixeln aufweist, die so gewählt ist, daß sie mit der Anzahl der Auflösungselemente übereinstimmt, die in der Ordnung über dem freien spektralen Bereich verfügbar sind.

Eine weitere Zielrichtung besteht in der Schaffung eines Detektors mit schiefen Linien von Pixeln, worin jede schiefe Linie eine spezielle Beugungsordnung überdeckt und eine Länge aufweist, die so gewählt ist, daß sie mit der Länge dieser Ordnung des freien spektralen Bereichs übereinstimmt.

Eine weitere Zielrichtung besteht in der Schaffung eines Detektors mit schrägen Linien der Pixel, worin jede schräge Linie eine spezifische Beugungsordnung überdeckt und Pixel einer Größe aufweist, die so gewählt ist, daß sie mit der Größe der Auflösungselemente übereinstimmt, die in dieser Ordnung vorhanden sind.

Eine weitere Zielrichtung besteht in der Schaffung eines Detektors mit Anordnungen von Pixeln entlang den Stellen der Beugungsordnungen, so daß die Linien die Winkel und die Kurven der Beugungsordnungen nachzeichnen, so weit diese Winkel und Krümmungen sich ändern.

Eine weitere Zielrichtung der Erfindung liegt in der Schaffung eines Detektors mit Pixeln, die entlang den Stellen der Beugungsordnungen angeordnet sind, so daß eine kontinuierliche Aufnahme von spektraler Information entlang den Ordnungen gegeben ist.

Der Detektor der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Festkörpervorrichtung zur Anwendung in einem Echelle-Spektrometer. Die Vorrichtung hat eine Oberfläche, auf der eine Anordnung von Abtastelementen gelegen ist. Die Abtastelemente oder Pixel sind in Form von schiefen oder schrägen Linien angeordnet, wobei jede schiefe Linie eine Mehrzahl von Pixeln umfaßt. Jede schiefe Linie ist auf dem Detektor so positioniert, daß eine vollständige spektrale Überdeckung einer Echelle-Beugungsordnung in dem Spektrometer über dem freien spektralen Bereich bei diesem Beugungswinkel gegeben ist. Jede schiefe Linie zeichnet den Winkel und die Krümmung ihrer jeweiligen Beugungsordnung nach, wenn der Winkel und die Krümmung dieser Ordnung sich entlang ihrer Länge ändern. Diese Anordnung sorgt für den Empfang der gesamten spektralen Information entlang einer gegebenen Beugungsordnung.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Detektor eine Ausleseschaltung, die innerhalb der Festkörpervorrichtung gebildet wird. Die Auslesevorrichtung umfaßt eine Mehrzahl von Leseschaltungen, die jeweils mit einem Teil der schrägen oder schiefen Linien der Pixel gekuppelt ist, und eine Mehrzahl von Ausleseverstärkern, die jeweils mit einer Mehrzahl der Leseschaltungen verbunden ist.

Der erfundene Detektor ist zur Anwendung in einem Echelle-Spektrometer geeignet, der ein Echelle-Beugungsgitter und zugeordnete optische Elemente aufweist. Das Echelle-Gitter und die optischen Elemente arbeiten zusammen, um ein zweidimensionales Beugungsmuster in einer fokalen Ebene zu bilden, in welcher der Detektor gelegen ist. Die schrägen Linien der Pixel des Detektors sind so gelegen, daß sie mit den Beugungsordnungen in der Brennebene zusammenfallen. Solches Zusammenfallen der Pixellinien und der Beugungsordnungen ermöglicht die Feststellung der gesamten spektralen Information entlang jeder dargebotenen Beugungsordnung, ohne die Auslesezeit ungebührlich zu verlängern.

Zeichnungen
1A zeigt die Hauptbestandteile eines Echelle-Spektrometers, bei welchem der Detektor der Erfindung verwendet werden kann.
1B ist eine schematische Darstellung der Ausleseelektronik.
2 stellt ein zweidimensionales Beugungsmuster dar, das in einem Echelle-Spektrometer entsteht.
3 zeigt eine Ausführungsform des Detektors der vorliegenden Erfindung, und
4 zeigt einen vergrößerten Teil einer Ausführungsform des Detektors, und zwar wird demonstriert, wie die Ausleseschaltung auf dem Detektor angeordnet sein kann und wie die Schaltung mit der Pixelanordnung am Detektor verbunden sein kann.
Ausführliche Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 stellt die Hauptbaugruppen eines Echelle-Spektrometers 10 dar, in welchem der Detektor gemäß Erfindung verwendet werden kann. Das Spektrometer 10 umfaßt generell ein Echelle-Gitter 12, ein Kreuzdispersionselement 14, beispielsweise ein Prisma, und einen Detektor 16. Zusätzliche optische Elemente, beispielsweise Reflektoren 18 und 32 können noch vorgesehen sein, um die ankommende Strahlung, die gebeugte Strahlung und schließlich die zerlegte Strahlung zu reflektieren und zu fokussieren. Auch kann eine Maske 20 zwischen dem Kreuzdispersionselement 14 und dem Detektor 16 verwendet werden, um unerwünschte Strahlung von dem Detektor 16 abzuschirmen. Die Gestalt der Maske 20 kann der Gestalt des zweidimensionalen Zerstreuungsmusters entsprechen, das an der Brennebene im Spektrometer gebildet wird. Die Gestalt dieses Musters wird weiter unten im einzelnen erörtert.
Die zu analysierende elektromagnetische Strahlung 24 tritt typischerweise aus einer Quelle 22 über einen Schlitz 26 aus und kann zuerst am Spiegel 18 reflektiert werden und trifft dann am Echelle-Gitter 12 auf. Das gebeugte Strahlenbündel 28 umfaßt Beugungsmuster relativ hoher Ordnungen, weil jedoch der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl 30 und dem gebeugten Strahl 28 klein im Vergleich mit dem äquivalenten Winkel in einem konventionellen Gitterspektrometer ist, liegen die höheren Ordnungen in dem gebeugten Strahl im großen und ganzen einer über dem anderen. Ein Prisma 14 kann dazu benutzt werden, die verschiedenen Ordnungen zu zerlegen, und es wird ein zweidimensionales Beugungsmuster geschaffen. Der Spiegel 32 kann dazu verwendet werden, die Mehrzahl der Spektrallinien in eine vorbestimmte Brennebene in dem Spektrometer zu fokussieren. Ein Detektor 16 gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Aufnahme des Spektrums an der Brennebene gelegen. An dem Detektor 16 entwickelte Signale werden in Ausleseelektroniken 17 verarbeitet, wie irgendwo beschrieben.
Mit Bezug auf 1B stellt die CCD-Anordnung 50 eine Anordnung von Photodetektoren 51a, 51b ... 51n dar, die jeweils Ladung an ein entsprechendes Register 52a, 52b ... 52n übertragen und von dort zu den entsprechenden Leseleitungen 53a, 53b ... 53n. Die auf der Leseleitung fortschreitenden Daten werden über einen entsprechenden Verstärker und Multiplexer und von dort zu einer Anordnungssteuerplatte 55 geleitet. Die Anordnungssteuerplatte 55 stellt Funktionen bereit, die normalerweise für die Steuerung und den Betrieb einer CCD-Anordnung benötigt werden, insbesondere Leistungs- und Steuersignale 56. Fachleute sind mit der Art und der Funktion dieser Steuerungen vertraut, welche die Art und Weise und Folge lenken, in der die verschiedenen Leseleitungen 53a, 53b ... 53n abgefragt werden. Die Daten werden dann organisiert und über einen Datenbus 57a, durch eine Schnittstellenplatte 59 sowie über einen Datenbus 57b zu einem Digitalprozessor 60 der Bauart für allgemeine Zwecke gelenkt. Der digitale Prozessor 60 entwickelt die Steuersignale 61, die auf der Schnittstellenplatte 59 konditioniert werden, um die Operationen zu lenken, die auf der Anordnungssteuerplatte 55 ausgeführt werden. Der Prozessor 60 umfaßt auch Wiedergabefunktionen, um die Daten wiederzugeben und solche Daten zu verarbeiten, wie gewünscht. Ein Echelle-Gitter, das bei der Verwendung eines Detektors der vorliegenden Erfindung nützlich ist, kann aus Quarzglas bzw. erschmolzenem Silika unter Verwendung bekannter Herstellungstechniken bestehen. Das Gitter kann ungefähr 95 Rillen pro Millimeter aufweisen, die mit einem Keilwinkel von ungefähr 45 Grad eingeschnitten sind. In diesem speziellen Spektrometer beträgt der Wellenlängenbereich des hauptsächlichen Interesses ungefähr 165 nm bis ungefähr 800 nm und es werden die Beugungsordnungen 19 bis 88 benutzt.
2 stellt ein zweidimensionales Beugungsmuster dar, wie es in der Brennebene eines Echelle-Spektrometers geschaffen wird. In Abhängigkeit von der speziellen Spektrometerauslegung kann jede einzelne Ordnung in dem Muster eine Mehrzahl von Auflösungselementen unterschiedlicher Größe umfassen. Die Größen der Auflösungselemente kann sich mit der Beugungsordnung über das Echelle-Spektrum ändern. Daher können Beugungsordnungen nahe des einen Endes des Musters Auflösungselemente besitzen, die größer sind als die Auflösungselemente der Beugungsordnungen nahe des anderen Endes des Musters.
Die Beugungsordnungslinien 48 in dem Echelle- Spektrum, wie in 2 gezeigt, sind schief. Die Linien 48 sind nicht gerade und sie sind nicht genau parallel zueinander. Die interessierenden Wellenlängenbereiche für verschiedene Ordnungen sind außerdem nicht gleich lang. Jedoch sind für eine spezielle Gruppe von Echelle-Spektrometer-Auslegungsparametern die Orte, Größenabstände und Ausrichtungen der Linien vorsehbar, wie es bekannt ist.
3 zeigt die geometrische Gestalt von Pixeln 52 in einer Ausführungsform des Detektors der Erfindung. Der Detektor 50 umfaßt ein Halbleiterchip 54 aus Silicium, das generell quadratisch oder rechteckförmig ist. Eine Mehrzahl von Abtastelementen oder Pixeln 52 ist in dem Silicium-Chip ausgebildet, wobei bekannte Herstellungsverfahren für Halbleitervorrichtungen angewendet worden sind. Die Abtastelemente sind zur Bildung einer Mehrzahl von linearen Anordnungen 56 angeordnet, die jeweils eine schräge oder schiefe Linie auf dem Detektor bilden. Der Vergleich der 2 und 3 zusammen offenbart, daß die schiefen Linien auf dem Detektor infolge der Pixelanordnungen 56 so gelegen sind, daß sie mit den Projektionen der Echelle-Beugungsordnungen 48 in der Brennebene des Spektrometers zusammenfallen. Jede der schiefen Linien von Pixeln fällt mit einer speziellen Projektion der Echelle-Beugungsordnung in der fokalen Ebene zusammen.
Jede schiefe Linienanordnung 56 ist so ausgerichtet, daß ihr Winkel dem Winkel und der Krümmung der speziellen Beugungsordnung 48 nachfolgt, die durch diese Anordnung nachgewiesen werden soll. Wie der Winkel der Beugungsordnung 48 sich entlang seiner Länge ändert, ändert sich auch der Winkel der entsprechenden Pixelanordnung 56, um einen fortlaufende übereinstimmenden Spurverlauf der Beugungsordnung aufrecht zu erhalten. Diese Positionierung der Pixelanordnungen auf dem Detektor ermöglicht die fortlaufende Nachsteuerung der Beugungsmuster entlang der gesamten interessierenden Länge. Weil jede Pixelanordnung 56 kontinuierlich entlang einer Projektion 48 der Beugungsordnung in der Fokalebene gelegen ist, bedeutet dies, daß jede Pixelanordnung kontinuierliche Aufnahme der spektralen Information über die Ordnung sowie über einen freien spektralen Bereich vorsieht.
3 zeigt, daß die Pixelanordnungen 56 unterschiedliche Längen aufweisen. Jede Anordnung ist so ausgelegt, daß ihre Länge der Länge der Beugungsordnung 48 entspricht oder dieser nahekommt, soweit die spezielle Anordnung 56 nachgefolgt oder nachgezeichnet werden soll. Da die Längen der Ordnungen für jeden freien spektralen Bereich sich ändern, ändern sich die Längen der Pixelanordnungen in gleicher Weise. Im Maße, wie die Längen der Beugungsordnungen zunehmen, nimmt auch die Anzahl der Auflösungselemente in den Ordnungen tendenziell zu. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die Anzahl der Pixel 52 in jeder Pixelanordnung 56 der Anzahl der Auflösungselemente in der Beugungsordnung, dessen spezielle Anordnung nachverfolgt werden soll. Im Maße, wie die Größe der Auflösungselemente sich von Ordnung zu Ordnung oder entlang einer gegebenen Ordnung ändert, ändert sich ferner auch die Größe der jeweiligen Pixel. In der bevorzugten Ausführungsform ist also jedes Pixel gemäß der Größe des Auflösungselements bemessen, welches das spezielle Pixel nachweisen soll. Selbst in solchen Ausführungsformen, in welchen die Anzahl der Pixel in einer Anordnung nicht gleich der Anzahl der Auflösungselemente in der speziellen, von der Anordnung festzustellenden Beugungsordnung ist, können die Größen der Pixel weiterhin variierend in der Anordnung gemäß der Änderung der Größen der Auflösungselemente in der Beugungsordnung gemacht werden. Mit anderen Worten, es können gewisse Vorteile mit der Änderung der Pixelgröße innerhalb jeder Anordnung erzielt werden, unabhängig von den Vorteilen, die durch Übereinstimmung der Anzahl der Pixel in einer Anordnung mit der Anzahl der Auflösungselemente in einer Ordnung realisiert werden. Beispielsweise sind einige dieser Vorteile die Übereinstimmung von Pixelhöhe mit Bildhöhe, um den gesamten photoaktiven Detektor wegen verringerter Kosten klein zu halten, während die volle Überdeckung aufrecht erhalten bleibt. Auch können Pixelbreiten optimiert werden, um eine effiziente Auslesung bei einer gewünschten Auflösung zu erzielen.
Wie zuvor hingewiesen, kann für einen gegebenen Satz von Auslegungsparametern des Echelle-Spektrometers die Stellen, Größen, Abstände und Ausrichtungen der Projektionen der Beugungsordnung in der Brennebene vorhergesagt werden. Die zur Zeit bevorzugte Ausführungsform des Detektors der Erfindung umfaßt ungefähr 80.000 Pixel, die in 70 Anordnungen angeordnet sind, um die Beugungsordnungen 19 bis 88 in einem Echelle-Spektrometer nachzuzeichnen. Die Anordnungen werden wie folgt gebildet.
Die Ausleseschaltung kann als Teil des Detektorchips unter Anwendung vorbekannter Auslegungs- und Fabrikationstechniken hergestellt werden, obzwar eine solche Anordnung nicht erforderlich ist, um von dem erfundenen Detektor Gebrauch zu machen. Tatsächlich ist keine spezielle Form oder Anordnung von Ausleseschaltung erforderlich, sondern in der bevorzugten und in 4 dargestellten Ausführungsform umfaßt der Detektor die zugeordnete Ausleseschaltung als Teil des gleichen Halbleiterchips. Jede der 70 Pixelanordnungen ist in zwei Teile geteilt, eine linke Unteranordnung 38 und eine rechte Unteranordnung 40. Jede der 140 Unteranordnungen weist zugeordnete Schaltungen 42 zum Lesen der Unteranordnungspixel auf. Die Ausleseschaltung ist generell zwischen der Anordnung der Pixel gelegen, und zwar in einem Bereich, wo keine spektrale Information existiert und wo keine Pixel angeordnet sind. Verstärkungsschaltungen 44 sind am Ende jeder Unteranordnung angeordnet und jede Verstärkungsschaltung ist mit einer Mehrzahl von Ausleseschaltungen gekoppelt. Diese Anordnung ermöglicht Änderungen in der Integrationszeit, so daß wenn eine größere Zeit benötigt wird, diese zur Verfügung steht, während zusätzliche Zeit nicht beansprucht wird, wo nicht benötigt. Als Ergebnis wird verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis und verringerte Auslesezeit erhalten. Andere Einzelheiten der Ausleseelektronik wurden in Verbindung mit 1B bereits beschrieben.
Obzwar die bis dahin beschriebene Ausführungsform die Anwendung eines Siliciumsubstrats für die Herstellung des Detektors und der zugeordneten Schaltung in Betracht gezogen hat, können andere Ausführungsformen unter Anwendung unterschiedlicher Halbleitermaterialien hergestellt werden. Der Detektor der vorliegenden Erfindung kann auch in einem monolithischen Substrat verwirklicht werden, das zwei oder mehrere unterschiedliche Halbleitermaterialien aufweist. Beispielsweise kann der Detektor eine Fläche umfassen, die auf Silicium basiert und eine andere Fläche, die auf Galliumarsenid basiert. Ein derartiger Detektor würde beispielsweise dann nützlich sein, wenn sowohl der sichtbare und der infrarote Bereich von Interesse sind. Der Teil des Detektors zur Abtastung des sichtbaren Spektrums könnte aus Silicium bestehen, während der Teil des Detektors zur Abtastung des Infrarotbereichs aus Galliumarsenid bestehen könnte. Weiterhin könnte der Detektor so ausgebildet sein, daß er drei oder mehr Materialien umfaßt. Beispielsweise könnte eine Galliumarsenidregion das Infrarotspektrum feststellen, eine Siliciumregion den sichtbaren Bereich und eine Platin-Silizid-Region das ultraviolette Spektrum detektieren. Jede dieser Ausführungsformen würde innerhalb des Könnens eines Durchschnittsfachmanns im Hinblick auf die obigen speziellen Lehren sein. Alle diese Ausführungsformen würden die vorliegende Erfindung benutzen und alle oder manche der Vorteile verwirklichen, die von dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel geboten werden.
Wie sich versteht, kann die vorliegende Erfindung viele spezielle Ausführungsformen annehmen und in diesen realisiert werden. Die obige Beschreibung bezieht sich nur auf eine der vielen möglichen Ausführungsformen. Die Erfindung wird deshalb durch die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Claims

Festkörperdetektor für ein Echelle-Spektrometer mit folgenden Merkmalen: eine Mehrzahl von Abtastelementen (52) auf einer Oberfläche des Detektors (16) ist zur Bildung einer Mehrzahl von Abtastelementanordnungen (51a, 51b, 51n) vorgesehen, die Abtastelementanordnungen (51a, 51b, 51n) bilden eine Mehrzahl von Linien (56), die nebeneinander auf der Detektoroberfläche angeordnet sind, die Linien sind gekrümmt und schief zueinander angeordnet und liegen entlang einer zugehörigen Projektion einer Echelle-Beugungsordnung (48), dadurch gekennzeichnet daß jede jede Abtastelementanordnung (51a, 51b, 51n) auf ihre jeweilige der Echelle-Ordnung entsprechende schiefe Linie (56) beschränkt. ist, um so kontinuierlich nur die jeweilige Ordnung über den freien spektralen Bereich nachzuzeichnen, wobei zwischen den schiefen Linien (56) Lücken freibleiben, die ohne Abtastelemente sind.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede schiefe Linie (56) derart ausgerichtet ist, daß ihr Spurverlauf mit der Projektion auf der Oberfläche der Beugungsordnung (48) kongruent ist, zu welcher die schiefe Linie korrespondiert.
Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abtastelementanordnung eine Länge aufweist, die der Länge eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs der Beugungsordnung über dem freien spektralen Bereich nahekommt, entlang welchem die Anordnung anzuordnen ist.
Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abtastelementanordnung eine Anzahl von Abtastelementen umfaßt, die gleich der Anzahl der Auflösungselemente ist, die in der Beugungsordnung verfügbar sind, entlang welcher die Anordnung zu positionieren ist.
Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet; daß jedes der Abtastelemente gemäß der Größe der Auflösungselemente bemessen ist, die durch das Abtastelement zu detektieren ist.
Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastelemente, welche innerhalb einer Abtastelementanordnung eingeschlossen sind, gemäß den Größen der Auflösungselemente bemessen sind, die in der Beugungsordnung verfügbar sind, entlang welcher die Abtastelementanordnung zu positionieren ist.
Festkörperdetektor zur Anwendung in einem Echelle-Spektrometer mit folgenden Merkmalen: ein Halbleiterchip (54) weist eine Mehrzahl von Pixelanordnungen (56) auf, die auf diesem gelegen sind, wobei jede Pixelanordnung so angeordnet ist, daß sie kontinuierlich entlang einer Projektion einer Beugungsordnung (48) an einer Brennebene in einem Spektrometer liegt und jede Pixelanordnung zur kontinuierlichen Aufnahme von Spektralinformationen über die Beugungsordnung vorgesehen ist, wobei zwischen den schiefen Linien (56) Lücken freibleiben, die ohne Abtastelemente sind.
Spektrometer mit folgenden Merkmalen: ein Echelle-Gitter (12) zur Aufnahme von zu analysierender elektromagnetischer Strahlung; ein Kreuzdispersionselement (14), um Beugungsordnungen zu zerlegen, die von dem Echelle-Gitter gebeugt worden sind, wobei das Echelle-Gitter (12) und das Kreuzdispersionselement (14) zur Zusammenarbeit zur Bildung eines zweidimensionalen Beugungsmusters in der fokalen Ebene des Spektrometers ausgelegt sind; ein Detektor (16), der in der fokalen Ebene gelegen ist und eine Mehrzahl von Pixeln (52) umfaßt, die zur Bildung einer Mehrzahl von schiefen Linien (56) auf einer Fläche des Detektors (16) angeordnet sind, wobei jede schiefe Linie (56) so gelegen ist, daß sie mit einer Beugungsordnung (48) in der fokalen Ebene zusammen fällt und zwischen den schiefen Linien (56) Lücken freibleiben, die ohne Abtastelemente sind, und eine mit der Mehrzahl der Pixel (52) verbundene Schaltung (42, 44), um Signale zu erzeugen, die für die spektrale, von den Pixeln empfangene Information kennzeichnend sind.
Spektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede schiefe Linie (56) bei einem Winkel ausgerichtet ist, der mit der Projektion auf die Fläche der Beugungsordnung (48) kongruent ist, mit der die schiefe Linie (56) zusammenfallen soll.
Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anordnung von Pixeln (52) eine Länge aufweist, die dem vorbestimmten Wellenlängenbereich in der fokalen Ebene der Beugungsordnung (48) über dem freien spektralen Bereich nahe kommt, mit der die Anordnung zusammenfallen soll.
Spektrometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anordnung ein Anzahl von Pixeln (52) umfaßt, die gleich der Anzahl der Auflösungselemente ist, die in der Beugungsordnung (48) verfügbar sind, mit der die Anordnung zusammenfallen soll.
Spektrometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Pixel (52) gemäß der Größe des Auflösungselements bemessen ist, das durch das Pixel detektiert werden soll.
Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende oder Maske (20) zwischen dem Kreuzdispersionselement (14) und dem Detektor (16) angeordnet ist, wobei die Maske (20) eine Form entsprechend der Gestalt des zweidimensionalen Beugungsmusters aufweist.
Festkörperdetektor für ein Echelle-Spektrometer mit folgenden Merkmalen: eine erste Fläche mit einer ersten Mehrzahl von Abtastelementanordnungen, die eine entsprechende Mehrzahl von schrägen Linien auf einer Oberfläche des Detektors bilden, wobei jede schräge Linie so positioniert ist, daß sie entlang einer Projektion einer Echelle-Beugungsordnung liegt, um so die Beugungsordnung über dem freien spektralen Bereich kontinuierlich nachzuzeichnen und eine zweite Fläche mit einer zweiten Mehrzahl von Abtastelementen, die zur Bildung eines x-y-Gitters von Abtastelementen angeordnet ist; die Abtastelementanordnungen der ersten Fläche zur Abtastung ausgewählter Ordnungen eines Echelle-Beugungsmusters, und das x-y-Gitter der Abtastelemente der zweiten Fläche zur Abtastung ausgewählter anderer Ordnungen des Echelle-Beugungsmusters.
Festkörperdetektor für ein Echelle-Spektrometer mit folgenden Merkmalen: eine erste Fläche umfaßt ein erstes Material, die erste Fläche umfaßt eine erste Mehrzahl von Abtastelementanordnungen, die eine entsprechende erste Mehrzahl von schiefen Linien auf einer Oberfläche des Detektors bilden, wobei die schiefen Linien so positioniert sind, daß sie entlang von Projektionen von Echelle-Beugungsordnungen liegen, um so die Ordnungen über einem ersten Abschnitt des freien spektralen Bereichs kontinuierlich zu verfolgen, und eine zweite Fläche weist ein zweites Material auf, die zweite Fläche umfaßt eine zweite Mehrzahl von Abtastelementanordnungen, die eine entsprechende zweite Mehrzahl von schiefen Linien auf der Oberfläche des Detektors bilden, wobei die zweite Mehrzahl von schiefen Linien so positioniert ist, daß sie entlang von Projektionen von Echelle-Beugungsordnungen liegen, um so die ausgewählten Ordnungen über einem zweiten Abschnitt des freien spektralen Bereichs kontinuierlich zu verfolgen, wobei die ersten und zweiten Materialien zur Optimierung der Feststellung von Wellenlängen ausgewählt sind, die in dem ersten bzw. zweiten Abschnitt zu detektieren sind.