DE4100478A1 - System zum messen eines spektrums von sichtbarem, uv- und vuv-licht, bestehend aus einem spektrographen, einem lichtleiterbuendel und einem detektor - Google Patents

Description

Die bisherigen Systeme zum Messen von Spektren mit Hilfe eines Spektro­ graphen verwenden als Detektor meist ein lineares Diodenarray von bis zu 1000 lichtempfindlichen Dioden. Je nach Wahl des Spektrographen läßt sich mit einem solchen System z. B. bei einem Wellenlängenbereich von 200 nm eine Auflösung von 0,2 nm erreichen. Anstelle eines Dioden­ arrays läßt sich auch eine CCD-Kamera, evtl. mit Bildverstärker, in der Bildebene des Spektrographen verwenden. Die CCD-Chips haben eine Fläche von maximal etwa 1000 × 1000 Bildpunkte (Pixel) und bieten daher ohne besondere Vorkehrungen auch keine höhere Auflösung als die Dioden­ arrays. Um verschiedene Wellenlängenbereiche mit hoher Auflösung zu ver­ messen, z. B. 200-400 nm, 400-600 nm, 600-800 nm etc. wird normalerweise ein anderes Gitter im Spektrographen eingebaut oder mit Hilfe einer Präzisionsmechanik ein Gitter verstellt. Daher sind entweder umständliche Umbauten oder eine aufwendige Verstellmechanik zur Abdeckung größerer Wellenlängenbereiche erforderlich. Gleichzeitige hochauflösende Messungen in weit auseinanderliegenden Spektralbereichen sind überhaupt nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem einzigen Spektro­ graphen möglichst viel Information über einen großen Wellenlängenbereich gleichzeitig zu bekommen, ohne daß umständliche Umbauten oder eine Prä­ zisionsmechanik erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das in der Bild­ ebene des Spektrographen austretende Licht in entsprechend gestaltete Lichtfaserbündel geleitet wird, die auf der Kamera-Seite dem rechteckigen Format der photosensitiven Fläche einer CCD-Kamera angepaßt werden.

Die Querschnittswandlung des Lichtfaserbündels geschieht dadurch, daß das länglich geformte, der Bildebene des Spektrographen angepaßte Faser­ bündel in mehrere Teilstücke aufgeteilt wird. Die Teilstücke werden am anderen Ende übereinander gelegt und bilden so einen meist rechteckigen Querschnitt. Das auf dieser Seite austretende Licht kann dann mit einer, eventuell mit einem Bildverstärker intensivierten CCD-Kamera gemessen werden.

Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß ein sehr großer Teil der Bildpunkte eines CCD-Chips für die Spektralmessung ausgenutzt wird. Gegenüber herkömmlichen Systemen z. B. mit Diodenarrays wird durch die hohe Anzahl der Bildpunkte einer CCD (z. B. 1024 × 1024 = 1 048 576 Pixel) ein Vielfaches an Information gleichzeitig aus einer Messung gewonnen.

Durch das Aufbringen von Quanten-Konvertern (z. B. Na-Silikat) auf der Eintrittsfläche des Lichtes in das Faserbündel wird es möglich, gleichzeitig sowohl in sichtbares Licht umgewandeltes UV- oder VUV-Licht als auch normales sichtbares Licht in hoher Spektralauflösung zu messen.

Ferner ist es möglich, mit einer einzigen Meßanordnung ohne jede Änderung am System in völlig verschiedenen Spektralbereichen zu messen. Über den Bildverarbeitungsrechner können hierzu Auflösung und der inter­ essierende Wellenlängenbereich beliebig ausgewählt werden. Bisher mußte man für Untersuchungen im UV und VUV spezielle Detektoren verwenden, die In diesem Bereich empfindlich und teuer in der Herstellung sind. Durch die erfindungsgemäße Beschichtung mit Quantenkonvertern wird die Anwen­ dung dieser teuren Detektoren überflüssig.

Ebenso entfällt hierdurch die Notwendigkeit zur Verwendung von UV-durch­ lässigen Lichtleiterfasern, die zumindestens nach derzeitigem Stand der Technik wesentlich dicker als Leitfasern für sichtbares Licht und zudem wesentlich teurer sind.

Die Verwendung von normalen Lichtleitern hat zudem noch den Vorteil, daß UV- und VUV-Licht höherer Beugungsordnungen nicht aus der Bildebene des Spektrographen zum Detektor übertragen wird (Absorption) wenn die Quantenkonverterbeschichtung auf den Bereich des Lichtleiterbündels beschränkt wird, auf den das UV und VUV-Licht fällt.

In einer Ausformung der Erfindung nach Anspruch 3 wird die problemlose Anpassung an räumlich ausgedehnte und/oder gekrümmte Bildebenen des Spektrographen dadurch erleichtert, daß mehrere oder sogar zahlreiche Lichtleiterbündel in der Bildebene angeordnet werden.

Eine vorteilhafte Ausformung der Erfindung kann auch darin liegen, daß man - statt der Aufteilung der Bildleiterbündel auf der Detektorseite - Bildleiterbündel verwendet, deren einzelne Fasern nicht räumlich geordnet sind. Die Zuordnung von Wellenlängen und Detektorpixeln erfolgt dann in einem rechnergesteuerten Identifikationsverfahren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.

Das System zum Messen eines Lichtspektrums besteht nach Fig. 1 aus dem Spektrographen a, dem Faserbündel b und der CCD-Kamera mit Bildverstärker c. Das Faserbündel bestehe aus 20 Fiberoptik-Teilstücken (1-20) (Fig. 2).

Jedes Faseroptik-Teilstück 1 bis 20 besteht aus 20 Lagen zu je 400 horizontalen Lichtfasern, die zusammen auf der Kameraseite einen quadratischen Querschnitt von 20 × 20 mm bilden. Mit einem Bildverstärker mit Taperkopplung wird diese Fläche auf einen CCD-Chip mit etwa 400 × 400 Bildpunkten abgebildet. Dadurch entspricht jede Lichtfaser einem Pixel. Für das aus dem Spektrographen austretende Licht ergibt sich damit eine horizontale spektrale Auflösung von 400 × 20 = 8000 Meßpunkten. Die jeweils vertikalen 20 Pixel, die zu einer Wellenlänge gehören, werden später normalerweise analog oder digital auf integriert.

Fiberoptik-Teilstücke 1 und 2 des Fiberoptik-Bündels sind auf der Spektrographenseite mit einem Quantenkonverter beschichtet, um das VUV- und UV-Licht in sichtbares Licht umzuwandeln.

Die Verwendung eines Quanten-Konverters erlaubt die Benutzung von Fibern für sichtbares Licht. Diese Fibern können im Gegensatz zu UV-Fibern kleine Durchmesser haben und sind daher für Querschnittswandlungen besser geeignet.

Bei einem Gesamtwellenlängenbereich von 200 nm bis 1000 nm ergibt sich eine Auflösung von z. B. 0,1 nm.

Claims (4)

1. System zum Messen eines Spektrums von sichtbarem, ultraviolettem (UV) und VUV-Licht, bestehend aus einem Spektrographen, einem Lichtleiter- Bündel und einem Detektor dadurch gekennzeichnet, daß das in der Bildebene des Spektrogra­ phen austretende spektral-zerlegte Licht in ein längliches Bündel aus Lichtleiter-Fasern geführt wird, dieses Fiberoptik-Bündel in mehrere Stücke geteilt wird und diese länglichen Teilstücke über­ einander gelegt sind und die so entstandene, z. B. rechteckige, Querschnittsfläche des Fiberoptik-Bündels mit einer CCD-Kamera alleine oder mit einer CCD-Kamera mit vorgebautem Bildverstärker verbunden ist.

2. System zum Messen eines Spektrums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung von UV- und VUV-Licht die Fiberoptik-Fasern auf der Eintrittsfläche des UV- bzw. VUV- Lichts mit einem Quanten-Konverter beschichtet sind.

3. System zum Messen eines Spektrums nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bildebene des Spektrographen zahlreiche Lichtleiterbündel angeordnet sind, die das Licht auf Zeilen oder Spalten eines Detektors übertragen.

4. System zu Messen eines Spektrums nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch Bildleiter mit ungeordneten Fibern verwendet werden können. Die Zuordnung von Detektor- Pixeln und Wellenlängen erfolgt dann über den Bildverarbeitungs­ rechner.