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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer mit einer Antwort,
die durch eine aktive optische Matrix anpassbar ist. Sie hat Anwendungen
in den optischen spektroskopischen Geräten, bei welchen ein Lichtstrahl
auf seine Spektralkomponenten hin untersucht wird, und zum Beispiel
in den Absorptions-, Diffusions-, Raman-, Fluoreszenz-, Phosphoreszenz-,
Sendestudien.
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Ein
optisches Spektrometer ist ein Messgerät, das dazu bestimmt ist, Daten
zu dem Spektralinhalt in Wellenlänge
oder Frequenz eines Lichtstrahls auszuwählen und zu liefern. Es erlaubt
insbesondere das Analysieren eines oder mehrerer Körper anhand ihrer
Auswirkungen auf das Licht sowohl beim Senden als auch bei der Absorption.
Das Spektrometer umfasst ein Dispersionselement, das dazu bestimmt ist,
im Raum die verschiedenen Wellenlängen eines Lichtstrahls in
Form eines Dispersionsspektrums zu trennen und auszubreiten. Der
Lichtstrahl besteht in der Tat aus Photonen, die sich durch ihre
Schwingungsfrequenz oder Wellenlänge
auszeichnen. Haben alle Photonen die gleiche Wellenlänge, spricht man
von einem monochromatischen Strahl, und das Spektrum des Strahls
besteht aus einer einzigen Linie mit charakteristischer Wellenlänge. Ein
Lichtstrahl kann komplexer sein und mehrere Linien und/oder Bänder umfassen.
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Das
Dokument US-A-6 128 078 offenbart ein Spektrometer, das für die sequenzielle
Erfassung von Spektralsignalen bestimmt ist.
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Man
kennt Spektrometer, deren Dispersionselement ein Prisma oder ein
Beugungsgitter ist. Am Ausgang des Dispersionselements ordnet man
ein Messmittel an, das im Allgemeinen eine photoelektrische Vorrich tung
ist, die dazu bestimmt ist, die Photonen in elektrische Signale
umzuwandeln, die leichter verarbeitet und analysiert werden können. Unter den
photoelektrischen Vorrichtungen kennt man die Photovervielfacher,
die Halbleiter oder andere Feststoffvorrichtungen, Vorrichtung mit
Ladungstransfer (CCD), CMOS, Photodioden, Phototransistoren, seltene
Erden usw. Jede dieser photoelektrischen Vorrichtungen weist Vorteile
und Nachteile hinsichtlich der Empfindlichkeit, Auflösung, Schnelligkeit,
Kosten usw. auf, so dass sie in Abhängigkeit von den Anwendungen
ausgewählt
werden. Die Halbleiter- oder Feststoffvorrichtungen haben insbesondere
den Vorteil, dass sie in Form von Matrizen hergestellt werden können, die
eine große
Anzahl von Detektionselementen auf einem kleinen Raum umfassen.
Diese Matrixvorrichtungen erlauben daher das Herstellen von Multikanalspektrometern
mit hoher Auflösung und
großer
Messgeschwindigkeit über
einen Wellenlängenbereich
im Vergleich zu Vorrichtungen, die Detektoren des Typs Photovervielfacher
umfassen, die eher in Monokanalspektrometern verwendet werden und
manchmal zusätzliche
mechanische Vorrichtungen brauchen, damit man ein Spektrum über einen bestimmten
Wellenlängenbereich
erzielen kann.
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Aufgrund
ihres Baus und des Dispersionsmittels, das verwendet wird, ist die
räumliche
Ausbreitung in dem Sinne regelmäßig, dass
die Wellenlängenwerte
steigen (oder je nach Richtung sinken), wenn man den Raum durchläuft, in
dem das Spektrum ausgebreitet ist, und, abgesehen von der Auflösung des
Systems, können
unterschiedliche Wellenlängen
ein gleiches Detektionselement einer photoelektrischen Vorrichtung
nicht erreichen.
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Ferner
kennt man elektromikromechanische Vorrichtungen, die aus den Techniken
der Leiterplattenherstellung hervorgegangen sind und es erlauben,
mikroskopische Antriebe herzustellen. Insbesondere kennt man Matrizen
mit einer oder zwei Dimensionen von Spiegeln oder Beu gungsgittern,
bei welchen jedes der Elemente der Matrix durch ein elektrisches
Steuersignal spezifisch bewegt, im Allgemeinen gekippt werden kann.
Bei anderen elektromikromechanischen Vorrichtungen kann das Element
verschoben werden, und in diesem Fall ist es möglich, optische Effekte zu
erzielen, zum Beispiel Erlöschen
des Lichtsignals, indem man Störerscheinungen
eingreifen lässt,
wobei die Verschiebung zum Beispiel um eine Viertelwelle erfolgt.
Aufgrund dieser Bewegungsmöglichkeit
des Spiegels oder Gitters, kann der eintreffende Lichtstrahl je
nach den Richtungen und daher den verschiedenen Zonen des Raums in
Abhängigkeit
von dem Steuersignal, das digital oder analog sein kann, zurückgesendet
oder gebeugt werden. Im einfachsten Fall kann jeder der Antriebe zwei
verschiedene Positionen in Abhängigkeit
vom Steuersignal einnehmen. Bei den weiter entwickelten Vorrichtungen
kann sich der Antrieb in mehr als zwei verschiedenen Stellungen
positionieren und daher ein mehr oder minder komplettes Abtasten
des Raums durch den je nach dem Steuersignal, das daher für diese
verschiedenen Positionen codiert, zurückgesendeten oder gebeugten
Strahl erlauben. Die elektromikromechanischen Vorrichtungen werden zum
Beispiel bei Videoprojektionsgeräten
mit großem
Bildschirm verwendet, und in diesem Fall wird im Allgemeinen eine
Matrix des zweidimensionalen Typs, Zeile × Spalte, verwendet.
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Die
Erfindung schlägt
eine Verbesserung für bekannte
Spektrometer vor, sowohl des Einkanal- als auch des Multikanaltyps,
und zwar durch Anwenden einer derartigen mikromechanischen Komponente zwischen
dem Dispersionselement und der photoelektrischen Messvorrichtung.
Die Komponenten des Spektrums, die ein bestimmtes Detektionselement erreichen,
können
daher aktiv ausgewählt
werden, ob die Komponenten des Spektrums nun kombiniert sind oder
nicht, um ein bestimmtes Detektionselement zu erreichen oder im
Gegenteil eliminiert zu werden. Es ist daher möglich, eine Integration oder Kombination
von Spektralkomponenten auf einem einzigen Detektionselement zu
erzie len, was das Rauschverhältnis
und/oder die Empfindlichkeit der Messungen verbessern kann. Die
Spektralkomponenten, die kombiniert oder eliminiert werden, können nach
Belieben in Abhängigkeit
von dem/den zurücksendenden
oder beugenden Element/en ausgewählt
werden, das/die in der Matrix der elektromikromechanischen Vorrichtung
durch elektrische Steuersignale aktiviert wird/werden.
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Die
Erfindung betrifft daher ein Spektrometer, das ein Dispersionselement
für einen
Lichtstrahl umfasst, der aus einer Gesamtheit von Spektralkomponenten
gebildet ist, wobei das Dispersionselement eine räumliche
Dispersion der Spektralkomponenten in Form eines räumlich ausgebreiteten
Dispersionsspektrums erzeugt, wobei mindestens ein Photondetektor
mindestens ein Detektionselement umfasst, das in einem Punkt der
Dispersion angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist eine
optische elektromikromechanische Matrixvorrichtung zwischen dem Dispersionselement
und dem Detektor in dem Dispersionsspektrum angeordnet, wobei die
elektromikromechanische Vorrichtung aus einer Matrix von optischen
Elementen gebildet ist, wobei jedes der optischen Elemente einen
Teil des Dispersionsspektrums in mindestens zwei Richtungen in Abhängigkeit von
einem Steuersignal zurücksenden
kann, um die Auswahl von mindestens einer Untereinheit des Spektrums
für jedes
der Detektionselemente zu ermöglichen,
wobei die Matrixvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der
Photondetektor eine ein- oder zweidimensionale Halbleitermatrixeinrichtung ist,
wobei der Detektor Detektionselemente umfasst.
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Bei
verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung werden die folgenden Mittel je nach allen technisch
in Betracht ziehbaren Möglichkeiten
allein oder kombiniert angewandt:
- – mindestens
eine der Richtungen trifft nicht auf den Photondetektor und mindestens
eine der anderen Richtungen trifft mindestens auf ein Detektionselement,
- – die
optische elektromikromechanische Matrixvorrichtung ist ein- oder zweidimensional,
- – ein
optisches Element ist zwischen der optischen elektromikromechanischen
Vorrichtung und dem Photondetektor angeordnet, wobei das passive
optische Element aus den Dioptern, den Spiegeln, den Gittern, den
Abdeckungen, die eine Öffnung
aufweisen, ausgewählt
wird,
(das Gitter wird zum Beispiel in dem Fall in Betracht gezogen,
in dem ein Filtern des Dispersionsspektrums angewandt wird, die
Abdeckung wird insbesondere aber nicht einschränkend mit Photovervielfachern
angewandt, um eine bestimmte Linie oder ein Spektralband aus dem
Dispersionsspektrum auszuwählen.
Das Element kann in dem Sinne aktiv sein, dass es gesteuert werden
kann, und zum Beispiel eine gesteuerte Abdeckung des Typs mit Flüssigkristallen) - – das
Spektrometer umfasst ferner Mittel zum Berechnen und Steuern, die
es erlauben, für
jedes der Erfassungselemente mindestens eine Linie und/oder ein
Band des Dispersionsspektrums in Abhängigkeit von einem automatischen
oder manuellen Programm auszuwählen.
(Das
automatische Programm ist zum Beispiel ein statistischer Suchalgorithmus,
der auf einer Hauptkomponentenanalyse basiert, die es erlaubt, eine
besonders diskriminierende Messkonfiguration zu bestimmen, wobei
das manuelle Programm zum Beispiel die Auswahl durch den Bediener
einer Suche eines bestimmten Körpers
ist.)
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren für den Betrieb eines Spektrometers
nach einem der vorstehenden Merkmale, eventuell kombiniert, und
bei dem man ein Steuersignal an die optische elektromikromechanische
Vorrichtung sendet, die zwischen dem Dispersionselement und dem
Detektor in dem Dispersionsspektrum angeordnet ist, wobei die elektromikromechanische
Vorrichtung aus einer Matrix aus optischen Elementen gebildet ist,
wobei jedes der optischen Elemente einen Teil des Dispersionsspektrums
in mindestens zwei Richtungen in Abhängigkeit von einer Steuerspannung
zurücksenden kann,
um die Auswahl einer Untereinheit des Spektrums für das Detektionselement
zu erlauben.
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Bei
einer Variante des Verfahrens führt
man eine Änderung
der Rücksenderichtung
in einem vorausbestimmten Zeitpunkt, bezogen auf ein Ereignis, vor.
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(Insbesondere
können
Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzmessungen an einem Körper zu
bestimmten Zeiten in Bezug auf die Erregung dieses Körpers durchgeführt werden,
während
die Erregung des Detektionselements nicht in der Rücksenderichtung
ist, und das optische Element nach einer vorausbestimmten Zeit kippt,
damit das Element in der Rücksenderichtung
eines Teils des Dispersionsspektrums liegt. Das ist insbesondere
in dem Fall interessant, in dem ein Detektionselement „geblendet" werden kann und/oder
je nach den Deckungs- und/oder Antwortzeiten der Detektoren.)
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Die
Erfindung betrifft schließlich
eine Anwendung des vorstehend genannten Spektrometers für das Erfassen
mindestens eines Körpers
durch seine optischen Spektraleigenschaften.
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Der
Begriff Untereinheit des Spektrums deckt die Einheit selbst, das
heißt,
dass ein Detektionselement eventuell die Einheit des Spektrums integrieren
kann, wobei alle Komponenten des Spektrums das gleiche Detekti onselement
erreichen. Der Begriff Untereinheit des Spektrums deckt auch die leere
Einheit, das heißt,
dass ein Detektionselement „blind" gemacht werden kann,
wobei keine Komponente des Spektrums es erreicht. Zwischen diesen zwei
Extremen kann ein Detektionselement dazu gebracht werden, eine oder
mehrere vorausbestimmte Linien oder Spektralbänder zu empfangen. Die elektromikromechanische
Vorrichtung kann zum Beispiel konfiguriert werden, damit ein Detektionselement
Linien und/oder Bänder
empfängt,
die einem bestimmten Körper
entsprechen, zum Beispiel Al, Cu. In dem Fall, in dem mehrere Körper zu
erfassen sind, können
jedem dieser Körper
spezifische Detektionselemente zugewiesen werden, oder, in dem Fall,
in dem bestimmte Linien oder Bänder
gemeinsam sind, wird eine diskriminierende Verteilung zwischen den
Linien und/oder Bändern
und den Detektionselementen angewandt. Insbesondere können bestimmte
Linien und/oder Bänder
für den
einen oder anderen zu erfassenden Körper spezifisch sein, und die
Messungen erfolgen nur für
diese Linien und/oder Bänder. Andererseits
kann ein anderer Teil der Detektionselemente auch als Referenz dienen,
das heißt
im Allgemeinen entweder für
einen bestimmten Körper
oder eine bestimmte Gruppe von Körpern.
Es ist daher möglich,
ein Spektrometer zu erzielen, dessen Betrieb nach Belieben in Abhängigkeit
von der Messaufgabe angepasst werden kann: herkömmliche Spektralanalyse, vergleichende
Spektralanalyse, usw.
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Der
Begriff Detektionselement kann sowohl einen alleinigen Detektor,
zum Beispiel des Photovervielfachertyps, oder eine alleinige Photodiode oder
einen alleinigen Phototransistor betreffen, als auch ein Element
einer matriziellen Detektionskomponente. Es ist auch möglich, Komponenten
des einkanaligen oder mehrkanaligen Typs im Rahmen der Erfindung
anzuwenden. Jedes Detektionselement hat eine aktive Fläche, die
es ihm erlaubt, einen Teil des Spektrums gemäß der Auflösung der Vorrichtung mit Dispersionselement
und Detektoren zu erfassen, wobei sich die Auflösung je nach Fall von einigen Ångström bis zu
mehreren Mikrometern in Wellenlänge
erstrecken kann. Der Begriff aktive Oberfläche betrifft sowohl den eigentlichen
Detektor als auch eine eventuelle Verbindung eines Detektors mit
einer Maske, zum Beispiel einem Schlitz. In dem Fall eines Multikanalspektrometers
werden daher mehrere Detektionselemente angewandt, zum Beispiel
in Form einer Reihe unabhängiger
Detektoren (Photovervielfacher oder Halbleiter usw.) oder in Form
einer ein- oder zweidimensionalen Matrix (Halbleiter oder andere
Leiterplattenformen). Ebenso weist die elektromikromechanische Matrixvorrichtung
eine Auflösung auf,
die mit der Größe jedes
der zurückzusendenden oder
zu beugenden Elemente, welche sie bilden, verbunden ist. Je nach
den jeweiligen Positionen und optischen Merkmalen der verschiedenen
Komponenten des anpassungsfähigen
Spektrometers, kann die Auflösung
variieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ordnet
man die verschiedenen Komponenten an, um die Auflösung auf
der Ebene der Detektionselemente zu optimieren.
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Die
Erfindung wendet daher grundlegend ein anpassungsfähiges spektrometrisches
Filter an, wobei die Anpassungsfähigkeit
durch elektronische und informatische Elemente programmierbar ist.
Daher können
nur die Linien oder Spektralbänder,
die Information tragen und vorzugsweise diskriminierende, auf ein
oder mehrere Detektionselemente zurückgesendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird beim Studium der folgenden Beschreibung
nicht einschränkender
Anwendungsbeispiele besser verständlich,
für welche
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1 ein
erstes Antwortspektrometer darstellt, dadurch aktive Matrixoptik
anpassbar ist,
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2 ein
zweites Antwortspektrometer darstellt, das durch aktive Matrixoptik
anpassungsfähig ist,
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3 ein
drittes Antwortspektrometer darstellt, das durch aktive Matrixoptik
anpassungsfähig ist.
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Zur
Vereinfachung sind in den Figuren die Nebenmittel der Erfindung
und insbesondere die herkömmlichen
elektronischen und informatischen Schaltkreise des Bereichs (Erfassung,
Signalverarbeitung, Automatisierung, Berechnung, Anzeige, Drucken
der Ergebnisse usw.) nicht dargestellt.
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In 1 umfasst
das erste Antwortspektrometer 1, das durch aktive Matrixoptik
anpassungsfähig
ist, eine Vorrichtung 2, die es erlaubt, ein regelmäßig im Raum
verteiltes Dispersionsspektrum 6 zu erzielen, wie man es
durch ein Prisma oder ein anderes herkömmliches Spektraldispersionselement
erzielt. Die Wellenlängen λ1 bis λn–1, λn des
regelmäßig in einfallende
Lichtstrahlen verteilten Spektrums werden von einer elektromikromechanischen
Matrixvorrichtung 3 empfangen, die auf der Oberfläche eine Einheit
von Spiegeln oder Gittern umfasst, wobei jeder/jedes durch einen
Antrieb in Abhängigkeit
von einem elektrischen Steuersignal bewegt werden kann, um den einfallenden
Strahl, der ihn/es erreicht, in mindestens zwei Richtungen des Raums
zurückzusenden.
Vorzugsweise kann ein gleiches Element der elektromikromechanischen
Vorrichtung den einfallenden Strahl in mehrere Richtungen in Abhängigkeit
von dem Steuersignal zurücksenden,
damit ein gleicher einfallender Strahl, der einer bestimmten Linie
oder einem bestimmten Band des Dispersionsspektrums 6 entspricht,
in eine bestimmte Richtung einer Zone des Raums zurückgesendet
werden kann, die gemäß dem Steuersignal
abgetastet werden kann. In einem Teil oder in der ganzen Zone des Raums
kann man mindestens ein Detektionselement 51 eines Detektors 5 anordnen.
In dem dargestellten Beispiel ist eine zusätzliche optische Vorrichtung
zwischen dem Detektor 5 und der elektromikromechanischen
Vorrichtung 3 angeordnet. Diese zusätzliche optische Vorrichtung
ist ein Rücksendespiegel 4.
Bei anderen Anwendungen kann die zusätzliche optische Vorrichtung
eine Kombination von Dioptern und/oder Spiegeln und/oder Filtern
(Gitter, Abdeckung usw.) sein. Der hier dargestellte Detektor 5 ist vom
Matrix-Typ wie bei den Multikanalspektrometern. Da jedes der Rücksendeelemente
der elektromikromechanischen Vorrichtung 3 spezifisch positioniert
werden kann, kann ein gleiches Detektionselement 51 eine
oder mehrere Linien oder Bänder λi, λj, λk usw.
empfangen und nicht notwendigerweise die Linie oder das Band, das
es empfangen hätte,
wenn an Stelle einer elektromikromechanischen Vorrichtung eine passive
Rücksendevorrichtung
angewandt worden wäre.
Es ist auch möglich,
eine oder mehrere Linien oder Spektralbänder λx (λ'x 3)
in Zonen des Raums ohne Detektionselement zurückzusenden. Die Spektralantwort
ist übrigens
in Echtzeit und schnell dank der kleinen Größe der optischen Elemente der
elektromikromechanischen Vorrichtung und dank der Fähigkeiten
der derzeitigen elektronischen Rechen- und Steuersysteme anpassbar.
Der Begriff Steuersignal entspricht einer digitalen oder analogen
Steuerspannung. Eine Nullspannung kann zum Beispiel einer bestimmten
Position des optischen Elements – seines Antriebs – entsprechen, und
eine Spannung nicht gleich Null kann einer anderen besonderen Position
des optischen Elements und daher unterschiedlichen Rücksenderichtungen entsprechen.
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Allgemeiner
wird in Betracht gezogen, die Erfindung in gleicher Weise wie ein
spektrometrisches Gerät
anzuwenden, wobei der Detektor 5 durch jede andere Vorrichtung
oder Anwendung ersetzt oder ergänzt
wird, die das Anwenden der anpassungsfähigen spektrometrischen Antwort
erlaubt. Man kann daher dank der Erfindung ein in Echtzeit anpassungsfähiges spektrometrisches
Filter anordnen, um eine oder mehrere Linien oder Spektralbänder auszuwählen. in 1 können die Linien
oder Bänder λx (λ'x 3)
zum Beispiel nachgeordnet verwendet werden, wobei der Detektor 5 (Matrixdetektor
oder nicht) daher in Spektralmessungsreferenz verwendet wird.
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In 2 werden
Detektoren 52 des Typs der einkanaligen Spektrometer, zum
Beispiel Photovervielfacher angewandt. Eine zusätzliche optische Vorrichtung 41 des
Typs Abdeckung wird ebenfalls angewandt sowie Diopter. In dem Fall,
in dem der optische Detektor ein Detektionselement mit ausreichend
kleiner Größe aufweist,
um eine ausreichende Auflösung zu
erzielen, kann die Abdeckung jedoch weggelassen werden. Wie zuvor
können
die Linien oder Spektralbänder λx weiter
nachgeordnet verwendet werden und die Detektoren können eventuell
weggelassen werden. Die Linien oder Bänder λx werden
daher entweder zurückgesendet
oder nachgeordnet verwendet oder zu einem Detektionselement in einer
anderen Steuerkonfiguration der elektromikromechanischen Vorrichtung
zurückgesendet.
Das ganze Dispersionsspektrum kann daher in Abhängigkeit von der Programmierung
der elektromikromechanischen Vorrichtung verwendet werden oder nicht.
Insbesondere kann ein nicht nützlicher
oder nicht signifikanter Teil des Spektrums eliminiert werden, um
ein Sättigen
des Detektionselements zu vermeiden.
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3 stellt
eine Kombination der vorhergehenden Beispiele mit Komponenten des
Monokanaltyps und des Multikanaltyps dar.
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In
diesen Beispielen kann die Anzahl der Detektoren und Detektionselemente 5, 51, 52 beliebig sein.
Aufgrund der Anpassungsfähigkeit
der Spektralantwort wendet man jedoch eine Mindestanzahl von Detektoren
an, und zum Beispiel einen von jedem Typ in Abhängigkeit von seinen Antwortmerkmalen
in Wellenlänge
und/oder Empfindlichkeit und/oder Schnelligkeit und/oder Kosten
usw.
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Bei
diesen Beispielen kann das Dispersionsspektrum in einer einzigen
Dimension oder in zwei Dimensionen liegen, und ebenso kann die elektromikromechanische
Vorrichtung eine Matrix mit einer oder zwei Dimensionen sein sowie
der Matrixdetektor 5.
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Da
die Konfiguration der elektromikromechanischen Vorrichtung in Echtzeit
gesteuert werden kann, ist es möglich,
die Antwort des Spektrometers in Abhängigkeit von der Zeit oder
eines äußeren Ereignisses
zu modulieren. Es ist auch möglich,
das Spektrometer auf die Erfassung spezifischer Körper zu
spezialisieren, wobei die Konfiguration der elektromikromechanischen
Vorrichtung ausgewählt
wird, um möglichst
diskriminierend zu sein, wobei auch Differentialanalysen durchgeführt werden
können, um
den Beitrag von zwei oder mehreren Körpern zu dem Spektrum zu trennen.
Die Analyse kann sowohl beim Senden als auch bei der Absorption
durchgeführt
werden. Wie erwähnt,
kann man auch die Vorteile eines Multikanalspektrometers erzielen,
indem man einen oder mehrere Monokanaldetektoren anwendet.