DE3403372C1

DE3403372C1 - Multichannel process spectrometer

Info

Publication number: DE3403372C1
Application number: DE19843403372
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Math. 7813 Staufen Klocke; Manfred 7800 Freiburg Knothe; Horst Dipl.-Ing. Dr. 7815 Kirchzarten Preier; Wolfgang Dipl.-Phys. 7844 Neuenburg Riedel; Gerhard Dipl.-Phys. Dr. Schmidtke; Helmut Dipl.-Phys. 7800 Freiburg Wolf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1984-02-01
Filing date: 1984-02-01
Publication date: 1985-07-25

Abstract

In a multichannel process spectrometer, detuning of the spectral region that is to be evaluated is carried out by adjusting a dispersing and reflecting element. For the purpose of chromatic correction with the aid of a positioning motor (26), the lens arrangement (16) which is arranged downstream of the dispersing and reflecting element and is not corrected for the spectral range employed is displaced along the optical axis with the aid of an evaluation circuit for the output signals of the detector row (23) until a maximum intensity occurs on a marked detector element on the axis (24) of rotation of the detector row (23). In a second step for the purpose of chromatic correction, the detector row (23) is rotated with the aid of a second positioning motor (28) until a maximum intensity likewise occurs on a second marked detector element (29). By tracking the positioning motors (26, 28), the focusing conditions can be optimised in a large wavelength region, and thus an arbitrary subspectrum becomes accessible for multichannel evaluation using the detector row. <IMAGE>

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 geiöst. This object is achieved according to the invention by the features of the characterizing part Part of claim 1 geiöst.

Wenn bei einer Verstimmung des auszuwertenden Spektralbereichs eine Veränderung der Lage der Brennpunkte im Bereich der Detektorzeile erfolgt, kann durch Verändern des Abstandes zwischen der Detektorzeile und der Linsenanordnung und/oder durch Verändern des Abstandes zwischen der Eintrittslochblende und der Linsenanordnung sowie durch Verdrehen der Detektorzeile erreicht werden, daß die Brennpunkte wieder mit der Detektorzeile zusammenfallen. If, in the event of a detuning of the spectral range to be evaluated, a The position of the focal points in the area of the detector line can be changed by changing the distance between the detector line and the lens arrangement and / or by changing the distance between the inlet aperture and the Lens arrangement and by rotating the detector line can be achieved that the Focal points coincide again with the detector line.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vollautomatischer Justierung ist das dispergierende Element ein feststehendes Prisma, dem zur Einstellung des Spektralbereichs als reflektierendes Element ein um die erste Achse verdrehbarer Spiegel zugeordnet ist. Die die dispergierende Strahlung auf die Detektorzeile abbildende Linsenanordnung kann in Richtung ihrer optischen Achse mit Hilfe eines über den Auswerteschaltkreis gesteuerten ersten Stellmotors so verschoben werden, daß an einem ersten vorherbestimmten ausgezeichneten Detektorelement der Detektorzeile ein maximales Signal auftritt. Mit Hilfe eines über den Auswerteschaltkreis gesteuerten zweiten Stellmotors ist die Detektorzeile um die zweite Achse verdrehbar, bis an einem zweiten vorherbestimmten ausgezeichneten Detektorelement der Detektorzeile ebenfalls ein maximales Signal auftritt. In an advantageous embodiment of the invention with fully automatic Adjustment, the dispersing element is a fixed prism that is used for adjustment of the spectral range as a reflective element rotatable about the first axis Mirror is assigned. The one that images the dispersing radiation onto the detector line Lens arrangement can in the direction of its optical axis with the help of a Evaluation circuit controlled first servomotor are shifted so that on a first predetermined distinguished detector element of the detector row a maximum signal occurs. With the help of a controlled by the evaluation circuit second servomotor, the detector row can be rotated around the second axis, up to a second predetermined distinguished detector element of the detector row a maximum signal also occurs.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Appropriate further developments of the subject matter of the invention are given in characterized the subclaims.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 ein Mehrkanal-Prozeß-Spektrometer gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung und F i g. 2 in vergrößerter Darstellung den Strahlengang im Bereich der Linsenanordnung und der Detektorzeile zusammen mit den Stellmotoren zur chromatischen Korrektur. An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. It shows F i g. 1 shows a multi-channel process spectrometer according to the invention in one schematic representation and FIG. 2 shows the beam path in an enlarged view in the area of the lens arrangement and the detector line together with the servomotors for chromatic correction.

Das in F i g. 1 dargestellte Mehrkanal-Prozeß-Spektrometer verfügt über eine Beleuchtungseinrichtung 1, eine Sensoreinrichtung 2 und eine Spektrometeranordnung 3. Wie man in F i g. 1 erkennt, ist die Sensoreinrichtung 2 über eine erste Lichtleitfaser 4 mit der Beleuchtungseinrichtung 1 und eine zweite Lichtleitfaser 5 mit der Spektrometeranordnung 3 verbunden. The in Fig. 1 shown multi-channel process spectrometer has via a lighting device 1, a sensor device 2 and a spectrometer arrangement 3. As shown in FIG. 1 recognizes, the sensor device 2 is via a first optical fiber 4 with the lighting device 1 and a second optical fiber 5 with the spectrometer arrangement 3 connected.

Die Beleuchtungseinrichtung 1 verfügt über eine breitbandige Lichtquelle 6, deren Licht mit Hilfe eines Kondensors 7 parallelisiert und mit Hilfe einer Fokussierlinse 8 auf das zur Lichtquelle 6 weisende Ende 9 der ersten Lichtleitfaser 4 abgebildet wird. Der Spektralbereich der Lichtquelle 6 reicht vom Ultravioletten bis in das nahe Infrarote, so daß eine gleichzeitige Bestimmung von spektralen Parametern, beispielsweise der Extinktion, in einer größeren Zahl von eng benachbarten Kanälen in einem ausgewählten über den großen Spektralbereich verschiebbaren Teilbereich möglich wird. Aus den mit Hilfe der Spektrometeranordnung 3 bestimmten spektralen Parametern der in die Sensoreinrichtung 2 eingebrachten Substanzen können Stoffkonzentrationen und/oder Schichtdicken abgeleitet werden. Außerdem kann eine Kontrolle und/oder Steuerung von Prozessen vorgenommen werden. The lighting device 1 has a broadband light source 6, whose light is parallelized with the help of a condenser 7 and with the help of a focusing lens 8 is shown on the end 9 of the first optical fiber 4 facing the light source 6 will. The spectral range of the light source 6 extends from the ultraviolet to the near infrared, so that a simultaneous determination of spectral parameters, for example the absorbance, in a larger number of closely spaced channels in a selected subrange that can be shifted over the large spectral range becomes possible. From the spectral determined with the aid of the spectrometer arrangement 3 Parameters of the substances introduced into the sensor device 2 can be substance concentrations and / or layer thicknesses can be derived. In addition, a control and / or Control of processes can be made.

Das am Austrittsende 10 der ersten Lichtleitfaser 4 in der Sensoreinrichtung 2 austretende Licht wird mit Hilfe einer ersten Sensorlinse 11 parallelisiert und gelangt nach Durchqueren eines Meßprobenraumes 12 auf eine zweite Sensorlinse 13 zum Fokussieren und Einkoppeln des den Meßprobenraum 12 durchstrahlenden Lichtes in das vordere Ende 14 der zweiten Lichtleitfaser 5. Der Meßprobenraum 12 enthält die zu messende Substanz und kann neben einer Meßküvette ggf. eine in der Zeichnung nicht dargestellte Referenzküvette aufweisen, die statt der Meßküvette pneumatisch in den Strahlengang der Sensoreinrichtung 2 ein- und ausgefahren werden kann. Die Sensoreinrichtung 2 kann auch so ausgelegt sein, daß Messungen in Reflektion oder diffuser Rückstreuung statt Messungen in Transmission durchgeführt werden. That at the exit end 10 of the first optical fiber 4 in the sensor device 2 emerging light is parallelized with the aid of a first sensor lens 11 and arrives at a second sensor lens 13 after crossing a measurement sample space 12 for focusing and coupling in the light radiating through the test sample space 12 into the front end 14 of the second optical fiber 5. The measurement sample space 12 contains the substance to be measured and, in addition to a measuring cuvette, possibly one in the drawing Have reference cuvette, not shown, which is pneumatic instead of the measuring cuvette can be retracted and extended into the beam path of the sensor device 2. the Sensor device 2 can also be designed so that measurements in reflection or diffuse backscattering can be carried out instead of measurements in transmission.

Die zweite Lichtleitfaser 5 für die zu analysierende Lichtstrahlung kann je nach den Meßbedingungen einige Zentimeter, einige Meter oder einige Kilometer lang sein. Dadurch ist es möglich, die Sensoreinrichtung 2 beispielsweise an einer Anlage und die Spektrometeranordnung 3 mit den zugehörigen Meßgeräten in einer zentralen Warte aufzustellen. Die Verbindung von der Sensoreinrichtung 2 zur Spektrometeranordnung 3 und den zugeordneten Auswerteschaltkreisen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, kommt ohne elektrische Leitungen aus. Die Sensoreinrichtung 2 kann daher auch in explosionsgefährdeten Räumen eingesetzt werden. The second optical fiber 5 for the light radiation to be analyzed Depending on the measuring conditions, it can be a few centimeters, a few meters or a few kilometers To be long. This makes it possible to have the sensor device 2, for example, on a Plant and the spectrometer arrangement 3 with the associated measuring devices in a central Wait to be set up. The connection from the sensor device 2 to the spectrometer arrangement 3 and the associated evaluation circuits, which are not shown in the drawing does not require electrical cables. The sensor device 2 can therefore also be used in potentially explosive areas.

Das Austrittsende 15 der zweiten Lichtleitfaser 5 bildet die Eintrittslochblende für die Spektrometeranordnung 3. Die zu analysierende breitbandige Lichtstrahlung wird durch eine Linsenanordnung 16, die beispielsweise ein Objektiv eines Diaprojektors oder eine einfache Linse sein kann, nahezu parallelisiert. Das parallelisierte Lichtbündel gelangt anschließend zu dispergierenden und reflektierenden Elementen. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das dispergierende Element ein Prisma 17, hinter dem sich als reflektierendes Element entsprechend dem Brechungswinkel des Prismas seitlich versetzt ein Spiegel 18 befindet. Der Spiegel 18 ist zur Einstellung des auszuwertenden Spektralbereichs um eine rechtwinklig zur Zeichenebene und zur durch die dispergierten Strahlen aufgespannte Ebene verlaufende erste Achse 19 mit Hilfe einer Drehmechanik verdrehbar, die in der Zeichnung durch eine Einstellschraube 20 veranschaulicht ist. Je nach der Drehrichtung der Einstellschraube 20 wird der Spiegel 18 in den durch den Doppelpfeil 21 angedeuteten Drehrichtungen verstellt. The exit end 15 of the second optical fiber 5 forms the entrance aperture for the spectrometer arrangement 3. The broadband light radiation to be analyzed is through a lens arrangement 16, for example an objective of a slide projector or a simple lens, almost parallelized. The parallelized light beam then arrives at dispersing and reflective elements. The in F i g. 1 illustrated embodiment of the invention is the dispersing Element a prism 17, behind which as a reflecting element accordingly A mirror 18 is located laterally offset from the angle of refraction of the prism. The mirror 18 is at right angles for setting the spectral range to be evaluated to the plane of the drawing and to the plane spanned by the dispersed rays first axis 19 rotatable with the aid of a rotating mechanism, which is shown in the drawing by an adjustment screw 20 is illustrated. Depending on the direction of rotation of the adjusting screw The mirror 18 becomes 20 in the directions of rotation indicated by the double arrow 21 adjusted.

Anstatt der in der Zeichnung dargestellten Anordnung ist es auch möglich, ein Littrow-Prisma oder ein Reflektionsgitter vorzusehen, das um die rechtwinklig zur Zeichenebene verlaufende Achse zur Einstellung des auszuwertenden Spektralbereichs verschwenkt werden kann. Instead of the arrangement shown in the drawing, it is possible to provide a Littrow prism or a reflection grating that is at right angles to the Axis running to the plane of the drawing for setting the spectral range to be evaluated can be pivoted.

Nach dem zweiten Durchgang durch das Prisma 17 gelangt die die dispersiv reflektierenden Elemente verlassende dispergierte Strahlung zur Linsenanordnung 16, die nicht für den gesamten Strahlungsbereich korrigiert ist. Aus diesem Grunde liegen die einzelnen Brennpunkte der verschiedenen Lichtwellenlängen nicht auf einer rechtwinklig zur optischen Achse der Linsenanordnung 16 verlaufenden Linie, sondern auf einer in F i g. 2 veranschaulichten gekrümmten Kurve 22. After the second pass through the prism 17, the dispersive arrives dispersed radiation leaving reflective elements for the lens assembly 16, which is not corrected for the entire radiation range. For this reason the individual focal points of the different light wavelengths do not lie on one at right angles to the optical axis of the lens arrangement 16, but rather on one in FIG. The curved curve 22 illustrated in FIG. 2.

Wenn durch Betätigen der Einstellschraube 20 der Wellenlängenbereich der Spektrometeranordnung 3 verstellt wird, verändert sich die Lage und die Krümmung der Kurve 22. If by actuating the adjusting screw 20 the wavelength range the spectrometer arrangement 3 is adjusted, changes the position and curvature of curve 22.

In F i g. 2 erkennt man weiterhin eine Detektorzeile 23, die beispielsweise 20 Detektorelemente aufweisen kann. Die Detektorzeile 23 ist um eine rechtwinklig zur Zeichenebene verlaufende zweite Achse 24 gemäß dem Doppelpfeil 25 verschwenkbar. Die zweite Achse er- streckt sich durch das fünfte Detektorelement der Detektorzeile 23, so daß die Position des ausgezeichneten fünften Detektorelementes im wesentlichen unverändert bleibt. Durch Verschwenken der Detektorzeile 23 kann eine Annäherung der Lage der Detektorzeile 23 an die gekrümmte Kurve 22 erreicht werden, so daß die verschiedenen Wellenlängen zugeordneten Brennpunkte auf die Detektorelemente der Detektorzeile 23 fallen. In Fig. 2 can also be seen a detector line 23, for example May have 20 detector elements. The detector line 23 is at right angles to one another The second axis 24 extending to the plane of the drawing can be pivoted according to the double arrow 25. The second axis extends through the fifth detector element the detector line 23, so that the position of the marked fifth detector element remains essentially unchanged. By pivoting the detector line 23 can an approximation of the position of the detector line 23 to the curved curve 22 is achieved so that the different wavelengths associated focal points on the detector elements the detector line 23 fall.

Wie man in F i g. 2 erkennt, ist der Linsenanordnung 16 ein erster Stellmotor 26 zugeordnet. Der erste Stellmotor 26 ist mit dem Ausgang eines in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerteschaltkreises verbunden und gestattet eine translatorische Verschiebung der Linsenanordnung 16 in Richtung des Doppelpfeils 27, was in F i g. 2 schematisch angedeutet ist. As shown in FIG. 2 recognizes, the lens arrangement 16 is a first Servomotor 26 assigned. The first servomotor 26 is connected to the output of one in the Drawing not shown evaluation circuit connected and allows one translational displacement of the lens arrangement 16 in the direction of the double arrow 27, which is shown in FIG. 2 is indicated schematically.

Mit Hilfe des Auswerteschaltkreises wird der Stellmotor 26 zum Aufsuchen des Fokuspunktes so lange betätigt, bis das ausgezeichnete fünfte Detektorelement auf der Achse 24 eine maximale Lichtintensität erfaßt. With the aid of the evaluation circuit, the servomotor 26 is used for searching of the focal point operated until the marked fifth detector element a maximum light intensity is detected on the axis 24.

Wenn die Fokussierung bezüglich des ausgezeichneten Detektorelementes auf der Achse 24 erfolgt ist, wird zur weiteren chromatischen Korrektur die Orientierung der Detektorzeile 23 mit Hilfe eines zweiten Stellmotors 28 gemäß dem Doppelpfeil 25 verstellt. Dabei wird der zweite Stellmotor 28 so betätigt, daß eine Drehung um das erste ausgezeichnete Detektorelement auf der zweiten Achse 24 so lange erfolgt, bis auf einem zweiten ausgezeichneten Detektorelement 29, das beispielsweise das sechzehnte Detektorelement der Detektorzeile 23 ist, die Intensität ebenfalls maximiert ist. When the focusing with respect to the excellent detector element has taken place on the axis 24, the orientation is used for further chromatic correction the detector line 23 with the aid of a second servomotor 28 according to the double arrow 25 adjusted. The second servomotor 28 is operated so that one rotation takes place around the first marked detector element on the second axis 24 as long as except for a second excellent detector element 29, which for example Sixteenth detector element of the detector line 23 is also maximized the intensity is.

Wenn mit Hilfe des ersten Stellmotors 26 und des zweiten Stellmotors 28 eine Fokussierung für alle Detektorelemente der Detektorzeile 23 erfolgt ist, ist der automatische Justiervorgang mit Hilfe des Auswerteschaltkreises, der beispielsweise durch einen Mikroprozessor realisiert sein kann, beendet. If with the help of the first servomotor 26 and the second servomotor 28 a focusing has taken place for all detector elements of the detector line 23, is the automatic adjustment process with the help of the evaluation circuit, for example can be realized by a microprocessor, ended.

Wird der Spektralbereich durch Verstellen der Einstellschraube 20 verändert, so erfolgt mit Hilfe der oben erörterten Justierautomatik durch Auswerten der Signale der Detektorzeile, die beispielsweise auf PbS oder Si-Basis arbeitet, eine neue Einjustierung. Da bei einer Veränderung der Einstellung des auszuwertenden Spektralbereichs durch Verstellen der Einstellschraube automatisch und schnell eine chromatische Korrektur durch Ändern des Abstands der Linsenanordnung 16 von der Detektorzeile 23 und durch Ändern der Orientierung der Detektorzeile 23 erfolgt, kann die Spektrometeranordnung 3 einen großen Wellenlängenbereich problemlos abdecken. Die an der Detektorzeile 23 anstehenden Ausgangssignale werden über eine Leitung 30 dem oben erwähnten Auswerteschaltkreis und einer das Spektrum erfassenden elektronischen Auswerteeinheit und Datenausgabeeinheit zugeführt. If the spectral range is adjusted by adjusting the adjusting screw 20 changed, it is done with the help of the automatic adjustment function discussed above by evaluating the signals of the detector line, which works on a PbS or Si basis, for example, a new adjustment. As if the setting of the to be evaluated change Spectral range automatically and quickly by adjusting the adjusting screw chromatic correction by changing the distance of the lens assembly 16 from the Detector line 23 and by changing the orientation of the detector line 23, the spectrometer arrangement 3 can easily cover a large wavelength range. The output signals present at the detector line 23 are transmitted via a line 30 the above-mentioned evaluation circuit and an electronic circuit that detects the spectrum Evaluation unit and data output unit supplied.

Claims

Claims: 1. Multi-channel process spectrometer with a broadband Light source, the light of which is transmitted through a test sample room via an entrance aperture and a lens assembly, a reflective element that is also a dispersing element Element, or a dispersing element with a downstream reflective element Element irradiated, its dispersed output radiation through a lens arrangement imaged onto a detector line containing a plurality of individual detector elements is through which the spectral distribution of the output radiation for an evaluation circuit it can be determined that a) the reflective Element (18) for setting the spectral range to be evaluated around a right angle to the plane spanned by the dispersed rays running first axis (19) is rotatable, b) for chromatic correction, the detector line (23) by one The second axis (24) running parallel to the first axis (19) is also rotatable and c) the distance from the entrance aperture diaphragm (15) to the lens arrangement (16) and / or the distance from the lens arrangement (16) to the detector line (23) can be changed is.

2. Spectrometer according to claim 1, characterized in that by the lens arrangement (16) and the light (31) of the entrance aperture diaphragm (15) can be parallelized as well as the dispersed output radiation can be focused on the detector line (23) is.

3. Spectrometer according to claim 2, characterized in that the reflective element is designed as a reflection grating.

4. Spectrometer according to claim 2, characterized in that the reflective element is designed as a Littrow prism.

5. Spectrometer according to claim 2, characterized in that the dispersing element as a fixed prism (17) and the reflective Element as rotatable about the first axis (19) for setting the spectral range Mirror (18) is formed.

6. Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that that the lens arrangement which images the dispersed radiation onto the detector line (23) (16) in the direction of its optical axis with the help of an evaluation circuit controlled first servomotor (26) is displaceable so that at a first predetermined excellent radiation-sensitive detector element of the detector line (23) maximum signal occurs.

7. Spectrometer according to claim 6, characterized in that the Detector line (23) with the help of a second controlled by the evaluation circuit Servomotor (28) is rotatable about the second axis (24) up to a second predetermined one excellent detector element (29) of the detector line (23) a maximum signal occurs.

8. Spectrometer according to claim 7, characterized in that the second axis (24) extends through the first distinguished detector element.

9. Spectrometer according to claim 8, characterized in that at a detector line (23) comprising twenty detector elements, the fifth detector element as the first excellent detector element and the sixteenth detector element as second excellent detector element (29) are provided.

The invention relates to a multi-channel process spectrometer with a broadband light source, the light of which is transmitted through a test sample room a reflective element via an entrance aperture and a lens arrangement, which is at the same time a dispersing element, or a dispersing element with downstream reflective element irradiates its dispersed output radiation via a lens arrangement onto a containing several individual detector elements Detector line is shown, through which the spectral distribution of the output radiation is detectable for an evaluation circuit.

DE-OS 3119 039 discloses a spectrometer for several adjacent ones Spectral ranges known, with each spectral range having its own analysis level associated with a plurality of photodetectors arranged in a row. Depending on the geometric location in which they are located, the detectors receive Light of different wavelengths. This enables the simultaneous acquisition of the spectrum of the respective spectral range possible. The well-known spectrometer has a broadband light source with a large number of individual light sources, whose Light is focused with the help of lenses and passed through a test sample room will. The light is divided into different spectral ranges with the help of semi-transparent mirror. As a result of the broadband of the well-known spectrometer it is necessary to adjust the lens arrangement chromatically for chromatic adaptation to correct and the different light sources taking into account chromatic Arrange distortions in different places.

From DE-OS 3119 039 it is also known for the infrared Spectral range the dispersive element with the help of a motor by certain angular amounts to twist and after each position of the dispersive element with the help of the detectors measure the spectral distribution.

In US-PS 42 53 765 a spectrometer is described in which the measuring range is also divided into several predetermined sections. To the Scanning of the entire wave range, the detector arrangement is moved mechanically, different integration times are assigned to the individual wavebands, about the different sensitivity of the detector in the different partial spectral ranges balance. Both known spectrometers have in common that the used Optics must be chromatically corrected.

The invention is based on the object of a detunable multi-channel process spectrometer to create that in the ultraviolet, visible and near infrared spectral ranges can be used without correcting the lens arrangement for the entire spectral range needs to become.