DE4009509A1

DE4009509A1 - Spektrometer mit photodetektoranordnung zur detektion gleichfoermiger bandbreitenintervalle

Info

Publication number: DE4009509A1
Application number: DE4009509A
Authority: DE
Inventors: Thomas J Keane
Original assignee: BYK Gardner USA Inc
Current assignee: BYK Gardner USA Inc
Priority date: 1989-03-24
Filing date: 1990-03-24
Publication date: 1990-09-27
Also published as: US4936684A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Spektrometer und insbesondere auf spektroskopische Farbmeßinstrumente der Bauart mit einem festen Gitter und einer Anordnung aus Photodetektoren im Spektrometergehäuse zum Detektieren unterschiedlicher durch das Gitter gestreuter Komponenten des Spektrums.

Spektrometer zur Messung der Farbe von Proben arbeiten in der Weise, daß sie von einer Probe reflektiertes oder von dieser durchgelassenes Licht in seine Spektralkomponenten zerstreuen und dann die Intensitäten der unterschiedlichen Spektralkomponenten messen. Üblicherweise besitzen die Spektrometer ein einen Eingangsschlitz definierendes Gehäuse zum Empfang des durch die Probe reflektierten oder durchgelassenen Lichtes in das Spektrometergehäuse hinein. Ferner ist ein Gitter innerhalb des Gehäuses positioniert, um das durch den Eingangsschlitz eintretende Licht aufzunehmen. Ein Austrittsschlitz im Gehäuse dient zur Übertragung einer engen Bandbreite des Spektrums zu einem Photodetektor, der die Intensität der durch den Austrittsschlitz laufenden Spektrumskomponente mißt. Das Gitter ist normalerweise bezüglich des Gehäuses schwenkbar, um unterschiedliche schmale Bandkomponenten des Spektrums zum Zwecke der Detektion durch den Austrittsschlitz zu leiten.

Bei einigen modernen Spektrometern wird anstelle eines schwenkbaren Gitters und eines Austrittsschlitzes eine Anordnung von Photodetektoren verwendet, die innerhalb des Spektrometergehäuses angeordnet sind und gleichzeitig mehrere Komponenten des Spektrums detektieren. Durch Verwendung einer Anordnung von Photodetektoren kann die Intensität der Komponenten des interessierenden Spektrums in einer wesentlich kürzeren Zeitperiode erhalten werden, als dies mit einem ein schwenkbares Gitter verwendeten Spektrometer möglich ist.

Die eine feste Anordnung von Photodetektoren verwendenden Spektrometer verwenden rechteckig geformte Photodetektoren, die angrenzend aneinander derart angeordnet sind, daß benachbarte Photodetektoren benachbarte Komponenten im Spektrum detektieren. Bei einer Vorrichtung sind die Photodetektoren ungefähr 1 mm breit und jeder detektiert eine Komponente des Spektrums von ungefähr 10 nm Bandbreite.

Bislang, d. h. vor der Erfindung, hatten sämtliche Photodetektoren in den Anordnungen die gleiche Breite. Die Streuung des Spektrums über die Anordnung durch das Gitter hinweg ändert sich jedoch nicht linear mit der Wellenlänge. Infolgedessen detektiert jeder Photodetektor eine Bandbreite, die etwas unterschiedlich ist von dem benachbarten Photodetektor, und die Differenz in der detektierten Bandbreite ändert sich über das gesamte Spektrum hinweg von einem Ende der Photodetektoranordnung zum anderen. Bei den bekannten Instrumenten wurde angenommen, daß das durch jeden Photodetektor detektierte Bandbreitenintervall das gleiche ist. Diese Annahme führte zu Fehlern bei Farbmessungen, welche einen Vergleich vornehmen zwischen der Reflektivität von oder der Durchlässigkeit durch eine Probe mit Normwerten, die durch feste Bandbreitenintervalle bestimmt sind, die sorgfältig mit dem Farbansprechen des menschlichen Auges geeicht sind. Damit diese Vergleiche genau sind, sollten die durch das Farbmeßinstrument verwendeten Bandbreitenintervalle die gleichen sein, wie die bei den geeichten Normwerten oder Normmitteln verwendeten.

Zusammenfassung der Erfindung. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Breite jedes Photodetektors derart ausgewählt, da jeder Photodetektor ein Bandbreitenintervall von exakt 10 nm Breite detektiert. Bei dieser Anordnung ändert sich die Breite der Photodetektoren von einem Ende der Anordnung zum anderen. Infolgedessen ergibt sich eine präzise Korrelation der mit dem Instrument gemachten Farbmessungen mit den Farbmeßnormwerten oder Standards, bestimmt für 10 nm gleichförmige Bandbreitenintervalle.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Instrument gemäß der Erfindung, dessen Gehäuse teilweise weggebrochen ist;

Fig. 2 eine Ansicht der im Instrument der Fig. 1 verwendeten Photodetektoranordnung;

Fig. 3 einen Schnitt durch das Gitter und die Photodetektoranordnung der Fig. 2, und zwar mit einem darübergelegten kartesischen Koordinatensatz zur Erläuterung, wie die Breite und die Lage der Photodetektoren im Instrument bestimmt werden; und

Fig. 4 ein die Schaltung des Instruments darstellendes Blockdiagramm.

Es sei nunmehr das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Farbmeßinstrument, welches eine Probe oder Sonde 11 aufweist, die durch ein faseroptisches Bündel 12 mit einem Spektrometergehäuse 13 verbunden ist. Die Sonde kann von der Bauart sein, wie dies in der US-Patentanmeldung Ser. No. 868 700 vom 30. Mai 1986 vom Erfinder der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist. Alternativ kann eine integrierende Kugelsonde verwendet werden, wie sie ebenfalls vom vorliegenden Erfinder in der US-Patentanmeldung Ser. No. 293 621 vom 5. Januar 1989 beschrieben ist. Wie in den Fällen dieser US-Anmeldungen wird das von einer Probe reflektierte und von der Sonde empfangene Licht durch das faseroptische Bündel 12 zurück zum Spektrometergehäuse 13 geleitet, wo das Übertragungsende 14 des faseroptischen Bündels 12 in die Form eines Eingangsschlitzes für das Spektrometer geformt ist. Von der Probe empfangenes Licht wird vom Übertragungsende 14 des faseroptischen Bündels 12 emittiert und beleuchtet ein Gitter 17 innerhalb des Spektrometergehäuses. Das Gitter 17 streut das Licht in ein Spektrum über eine Anordnung von Photodetektoren 21. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Gitter 17 ein konkaves holographisches Gitter, welches das Spektrum in eine nominell flache Ebene fokussiert, in der die photoempfindlichen Oberflächen der Photodetektoren 21 angeordnet sind. Diese Ebene der Anordnung 21 wird die Detektorebene genannt. Die Anordnung 21 kann 35 Photodetektoren enthalten, die zur Detektierung eines Spektrums positioniert sind, welches sich von 380 nm bis 720 nm erstreckt. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Photodetektoren der Anordnung 21 aneinandergrenzend angeordnet und verändern sich in ihrer Breite von einem Ende der Anordnung zum anderen, und zwar ändern sich fortlaufend die Größe entsprechend einer Sinuswellenfunktion, so daß jeder Photodetektor eine Breite besitzt, die eine Spektralkomponente mit einem Bandbreitenintervall von exakt 10 nm detektiert.

Die Breite jedes Photodetektors kann durch die Formel bestimmt werden, welche die Beziehung zwischen dem einfallenden Licht und dem durch das Gitter gestreuten Licht angibt. Diese Formel lautet wie folgt:

sin α + sin β = nk λ, (1)

dabei ist α der Winkel des auf das Gitter einfallenden Lichts, β ist der Winkel, mit dem eine Spektralkomponente durch das Gitter gestreut wird, n ist die Ordnung oder Zahl der Spektrumstreuung, die normalerweise 1 ist, k ist die Gitterkonstante, d. h. die Zahl der Nuten oder Spalte im Gitter pro Einheitslänge, und λ schließlich ist die Wellenlänge der Spektralkomponente. Aus der Formel (1) kann der folgende Ausdruck für den Streuwinkel β wie folgt abgeleitet werden:

β = arcsin (nk λ - sin α) (2)

Fig. 3 zeigt einen Satz kartesischer Koordinaten in der das Gitter 17 und die Photodetektoranordnung 21 halbierenden Ebene, wobei die Gittermitte der Ursprung der kartesischen Koordinaten ist und die Senkrechte zur Gitterlinie mit der x-Achse der kartesischen Koordinaten zusammenfällt. In diesem Satz kartesischer Koordinaten lautet die Gleichung für die Koordinaten des Punktes, an dem eine gestreute Spektralkomponente auf die Photodetektoranordnung auftrifft, wie folgt:

y = x tan β (3)

Die Detektorebene ist nicht senkrecht zur x-Achse, sondern ist gegenüber dieser Position um einen kleinen Winkel von beispielsweise 0,6° versetzt. Demgemäß kann die Gleichung für die Linie, definiert durch den Schnitt der Ebene der Fig. 3 und der Anordnung der Photodetektoren wie folgt ausgedrückt werden:

y = mx + b (4)

In dieser Gleichung ist m die Neigung der Linie und b ist der Punkt, wo die Linie die y-Achse schneidet. Die Gleichungen (3) und (4) sind ein Paar von Simultangleichungen, aus denen die x- und y-Koordinaten des Punktes bestimmt werden können, an dem irgendein gestreuter Strahl vom Gitter auf die Photodetektoranordnung auftrifft. Sodann kann aus den Werten von y, die Versetzung jedes Punktes längs der Photodetektoranordnung berechnet werden. Auf diese Art und Weise kann die Position und die Breite jedes der Photodetektoren zur Detektierung einer 10 nm Bandbreite bestimmt werden. Um beispielsweise die Breite eines Detektors mit einer zentralen Wellenlänge von 420 nm zu bestimmen, würden die Simultangleichungen (3) und (4) für 415 und 425 nm gelöst, um die x- und y-Koordinaten für die zwei Kanten des 420 nm Photodetektors zu erhalten. Die Breite des Detektors kann dann dadurch bestimmt werden, daß man die Trennung dieser Kanten längs der durch y = mx + b repräsentierten Linie bestimmt.

Für ein bestimmtes Gitter mit einem Einfallswinkel vom Eingangsschlitz von 16,719°, eine Gitterkonstante von 600 Linien pro Millimeter und mit dem 201,4 mm von der Mitte des Gitters angeordneten Eingangsschlitz kann ein Spektrum auf die Detektorebene fokussiert werden, dessen Normale 0,6° gegenüber der Normalen des Gitters angeordnet ist und dessen Abstand von der Mitte oder dem Zentrum des Gitters, gemessen längs der Normalen der Anordnung, 210,45 mm betragen wird. Für dieses spezielle Gitter ist die Breite der Photodetektoren, deren jeder ein 10 nm-Inkrement des Spektrums von 380 nm bis 720 nm bestimmt, in der folgenden Tabelle angegeben:

Wellenlänge
Detektorbreite
380
1,2712
390	1,2698
400	1,2684
410	1,2672
420	1,2662
430	1,2653
440	1,2645
450	1,2639
460	1,2634
470	1,2631
480	1,2628
490	1,2627
500	1,2628
510	1,2630
520	1,2633
530	1,2638
540	1,2644
550	1,2651
560	1,2660
570	1,2670
580	1,2682
590	1,2695
600	1,2709
610	1,2725
620	1,2742
630	1,2760
640	1,2780
650	1,2802
660	1,2825
670	1,2849
680	1,2875
690	1,2902
700	1,2931
710	1,2962
720	1,2994

Wie in Fig. 4 gezeigt, werden die Ausgangssignale von den Photodetektoren 21 durch die Verstärker 23 verstärkt und an einen Multiplexer 25 angelegt, der die Ausgangssignale von den Verstärkern 23 der Reihe nach an einen Analog-Digital-Umwandler 27 anlegt. Der Analog-zu-Digital-Umwandler wandelt jeden angelegten Analogsignalwert in einen Digitalwert um und legt diesen Wert an einem Computer 29 an, der auf Grund der empfangenen Digitalwerte eine quantitative Anzeige der Farbmessung entsprechend den Farbmeßstandards oder Normwerten vorsieht, die für 10 nm Bandbreitenintervalle vorbestimmt wurden. Die quantitative Anzeige wird in einer Art und Weise bestimmt, die ähnlich ist zu der in der US-Anmeldung Ser. No. 868,700.

Durch Verwendung des Farbmeßinstruments, bei dem eine Anordnung von Photodetektoren mit veränderlicher Breite, wie oben beschrieben, verwendet wird, detektiert jeder Photodetektor ein gleichförmiges Bandbreitenintervall. Infolgedessen wird eine präzise Farbmessung erhalten.

Vorstehend wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei aber Abwandlungen getroffen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Ein Farbmeßspektrometer unter Verwendung eines reflektierenden Gitters und einer Linearanordnung von Photodetektoren zur Messung unterschiedlicher Komponenten eines Spektrums, wobei sich die Breite der Photodetektoren über die gesamte Länge der Anordnung hinweg verändert. Die Breite jedes Photodetektors ist derart ausgewählt, daß jeder Photodetektor das gleiche in Wellenlängen gemessene Bandbreitenintervall detektiert.

Claims

1. Spektrometer zum Streuen empfangenen Lichtes in ein Spektrum mit einer Vielzahl von Photodetektoren, die zum Empfang des Spektrums angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Photodetektor zum Detektieren eines Bandbreitenintervalls des Spektrums angeordnet ist, und daß jeder der Photodetektoren eine unterschiedliche derart ausgebildete Breite besitzt, daß jeder Photodetektor das gleiche Bandbreitenintervall, gemessen in Wellenlängen detektiert.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Streuen des empfangenen Lichtes in ein Spektrum ein Gitter aufweisen und Mittel zur Beleuchtung des Gitters mit empfangenem Licht aufweisen.

3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Gehäuse aufweist, wobei das Gitter in einer festen Position im Gehäuse angeordnet ist und wobei ferner Mittel zur Beleuchtung des Gitters einschließlich eines Eingangsschlitzes vorgesehen sind, wobei das empfangene Licht durch den Eingangsschlitz laufen kann, und wobei ferner eine Vielzahl von Photodetektoren bezüglich des Eingangsschlitzes und des Gitters angeordnet ist.

4. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoren einen Bandbreitenteil von 10 nm Breite detektieren.

5. Photodetektoranordnung mit einer Vielzahl von Photodetektoren, angeordnet angrenzend in einer Linearanordnung zur Detektierung eines Spektrums, wobei jeder Photodetektor eine Breite besitzt, die derart ausgewählt ist, daß das gleiche Bandbreitenintervall, gemessen in Wellenlängen des Spektrums detektiert wird.

6. Photodetektoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Photodetektoren eine unterschiedliche Breite besitzt, wobei die Photodetektorbreiten eine schrittweise kontinuierliche Veränderung entlang der Linearanordnung aufweisen.