DE69105838T2

DE69105838T2 - Dispersives Spektrometer mit Vielkanaldetektion.

Info

Publication number: DE69105838T2
Application number: DE69105838T
Authority: DE
Inventors: Silva Edouard Da; Michel Delhaye; Bernard Roussel
Original assignee: Dilor
Current assignee: Dilor
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1991-07-02
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: FR2664382A1; EP0465350A1; FR2664382B1; EP0465350B1; JPH05248954A; US5164786A; DE69105838D1

Description

Die Erfindung betrifft die Dispersionsspektrometrie mit Vielkanalabtastung.
Sie findet eine allgemeine Anwendung in der Instrumentalspektrometrie und insbesondere in der Absorptions-, Emissions-, Diffusions-, Fluoreszenz- und Ramanspektrometrie etc.
Seit langem kennt man lichtstreuende Spektrometer-Einrichtungen mit Monokanalabtastung.
Im allgemeinen umfaßt diese Art Einrichtung:
- einen Eingangsschlitz, der von einem zu analysierenden elektromagnetischen Strahlenbündel beleuchtet wird;
- eine Dispersionsstufe mit einem Ausgangsschlitz für die Lieferung eines auf ein gewähltes Spektralband beschränkten aufgespaltenen Spektralbildes;
- ein Monokanal-Detektormodul, das dieses Spektralbild durch den Ausgangsschlitz empfängt;
- und Verarbeitungsmittel zum Analysieren der von dem Monokanal-Detektormodul empfangenen Signale.
In der Praxis umfaßt das Monokanal-Detektormodul photoelektrische Detektorelemente wie Photozellen, Photovervielfacher oder Thermosäulen.
Die Funktionsweise ist so, daß ein einziges Spektralelement der zu analysierenden elektromagnetischen Strahlen durch den Ausgangsschlitz hindurchtritt und folglich von dem Monokanal- Detektormodul erfaßt wird. Daraus folgt die Notwendigkeit der Verschiebung des Dispersionselements, um jedes der anderen Spektralelemente in den Ausgangsschlitz eintreten zu lassen (US-A-4 326 802).
Andererseits wird mit der Einführung von integrierten Detektorelementen wie Photodiodenleisten und ladungsgekoppelte Vorrichtungen, die in vorteilhafter Weise mit Bildverstärkungssysteinen gekoppelt sind, die Monokanalabtastung nun häufig durch die Vielkanalabtastung ersetzt, denn bei letzterer wird das aufgespaltene Spektralbild direkt, das heißt ohne Passieren eines Ausgangsschlitzes, auf das Multikanal-Detektormodul projiziert, wodurch eine simultane Abtastung mehrerer Spektralelemente der elektromagnetischen Strahlen ohne Änderung der Konfiguration der Einrichtung möglich ist (Applied spectroscopy, Band 44, Nr. 5, Juni 1990, Seiten 776- 782; P. KNOLL et al "Improving spectroscopic techniques by scanning multichannel method").
Jedoch findet die Erfassung der die Darstellung des zu analysierenden Spektrums der elektromagnetischen Strahlen ermöglichenden Signale statt, während das aufgespaltene Spektralbild dieser elektromagnetischen Strahlen relativ zu dem Vielkanal- Detektormodul festgelegt ist, was die Ausdehnung des Spektrums auf die geometrischen Dimensionen des Detektormoduls beschränkt und die spektrale Auflösung der Einrichtung auf jene der Detektorelemente festlegt.
Wenn darüber hinaus ein Bildverstärkungssystem mit den Detektorelementen gekoppelt ist, so findet die Beobachtung der aufeinanderfolgenden Spektren stets an denselben Luminophoren statt. Die Folge ist, daß die Lebensdauer dieser Luminophore die zeitliche Auflösung der Einrichtung bestimmt.
Überdies ist der durch die Diffusion des Lichts mittels des Dispersionselements oder der anderen optischen Teile bedingte Anteil an Streulicht höher als jener der Monokanal-Abtasteinrichtungen. Bei der Monokanalabtastung ist dieser Anteil proportional zur Fläche des Eingangsschlitzes und des Ausgangsschlitzes, deren jeweilige Breite im allgemeinen sehr gering gewählt ist (in der Größenordnung von einigen zehn Mikrometer). Bei der Vielkanalabtastung dagegen ist dieser Anteil proportional zur Oberfläche des Detektormoduls (in der Größenordnung von einigen Quadratzentimeter), insofern als das der Dispersionsstufe entstammende aufgespaltene Spektralbild direkt auf das Detektormodul projiziert wird (es gibt keinen Ausgangsschlitz bei der Vielkanalabtastung).
Schließlich ist das Verhältnis von Signal zu Hintergrundrauschen der Einrichtung nicht zufriedenstellend, was insbesondere auf das durch das Detektormodul selbst bedingte Rauschen, auf durch störende äußere Einflüsse entstehendes Rauschen und auf Photonenrauschen, das durch die Beleuchtung des Detektormoduls durch einen kontinuierlichen Störlichthintergrund oder durch parasitäre Spekatralbänder hervorgerufen wird, zurückzuführen ist.
Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile.
Sie betrifft eine Dispersionsspektrometer-Einrichtung mit Vielkanalabtastung, umfassend:
- einen Eingang für ein zu analysierendes elektromagnetisches Strahlenbündel;
- optische Filtermittel, die für den Empfang des Eingangsstrahls und für die Lieferung eines auf ein gewähltes Spektralband beschränkten aufgespaltenen Spektralbildes dieses Stahlenbündels geeignet sind;
- ein Vielkanal-Detektormodul mit einer Vielzahl von Detektorelementen, die das genannte Spektralbild empfangen;
- und Verarbeitungsmittel zum Analysieren der von den Detektorelementen erfaßten Signale.
Gemäß einer allgemeinen Definition der vorliegenden Erfindung umfaßt die Einrichtung darüber hinaus in Kombination:
- zumindest eine Ablenkstufe;
- erste Steuerungsmittel zur Steuerung der Dispersionsstufe im Hinblick auf die Definition des genannten aufgespaltenen Spektralbildes bezüglich der Mittenfrequenz und der Bandbreite;
- zweite Steuerungsmittel, die für die Steuerung der Verschiebung des hinsichtlich der Mittenfrequenz und der Bandbreite solchermaßen definierten Spektralbildes im Hinblick auf die Einführung des so definierten Spektralbandes in die Ablenkstufe geeignet sind;
- dritte Steuerungsmittel, die für die Verschiebung des solchermaßen definierten Spektralbildes an dem Vielkanal-Detektormodul geeignet sind;
- eine elektronische Steuerungseinheit, die für die Pilotsteuerung der ersten, zweiten und dritten Steuerungsmittel und der Verarbeitungsmittel gemäß einer Vielzahl von Funktionsmodi geeignet ist, deren jeder eine gemeinsame Steuerung des Spektralbandes, der Verschiebungsgeschwindigkeiten des Spektralbildes an der Ablenkstufe und an dem Detektormodul und der Parameter der Verarbeitungsmittel umfaßt zum Isolieren des Nutzsignals in Übereinstimmung mit dem gewählten Spektralband gemäß einem vorgegebenen Gesetz zum Erreichen einer gewählten Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes an einer speziellen Gruppe von Detektorelementen.
Diese Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes ermöglicht das Erreichen einer spektralen Dehnung der zu analysierenden elektromagnetischen Strahlen, die nicht länger durch die geometrischen Dimensionen des Detektormoduls begrenzt ist.
Auch ist dank der Erfindung das spektrale Auflösungsvermögen der Einrichtung nicht mehr durch die geometrischen Dimensionen der Detektorelemente begrenzt.
Des weiteren unterliegt das zeitliche Auflösungsvermögen der Einrichtung nicht länger der Lebensdauer der Lumineszenzstrahler der Bildverstärkerröhre, insofern als die Beobachtung der aufeinanderfolgenden Spektren dank der Verschiebung des aufgespaltenen Spektralbildes an dem Detektormodul mit verschiedenen Lumineszenzstrahlern erfolgt.
Ferner ist der durch die Diffusion des Lichts mittels der Dispersionselemente bedingte Streulichtanteil durch die optischen Filtermittel mit schmalem Durchlaßbereich verringert.
Schließlich ist das Signal/Rausch-Verhältnis der Einrichtung durch das selektive elektronische Abtasten der durch das aufgespaltene Spektralbild angeregten Detektorelemente verbessert.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Anpassung der Parameter der gemeinsamen Steuerung des gewählten Spektralbandes, der Verschiebung des Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel stetig, wodurch die gewählte Vergrößerung des Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe stetig variiert werden kann.
Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Anpassung der Parameter der gemeinsamen Steuerung des gewählten Spektralbandes, der Verschiebung des Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel sequentiell, wodurch die gewählte Vergrößerung des Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe sequentiell variiert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bildet die Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes eine Dehnung in Dispersionsrichtung des genannten Bildes an der speziellen Detektorelementgruppe.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet die Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes eine Kontraktion in Dispersionsrichtung des genannten Bildes an der speziellen Detektorelementgruppe.
In der Praxis besitzt die Ablenkstufe zumindest ein optisches Dispersionselement der durch die Beugungsgitter und die Prismen gebildeten Gruppe.
Einer Variante entsprechend besitzt die Ablenkstufe zumindest ein optisches Element der durch die Linsen, Planspiegel, sphärischen oder asphärischen Spiegel, Holographiesysteme, Schlitze und Interferometer gebildeten Gruppe.
In einer noch weiteren Variante besitzt die Ablenkstufe zumindest ein optoelektronisches Element der Gruppe, die durch elektronische Ablenksysteme mit elektronischem Eingangsspalt variabler Breite, durch die gegebenenfalls mit Verschlußmitteln der Detektorelemente gekoppelten Verstärkungssysteme der Detektorelemente, die Kameras mit Schlitzabtastung und die optischen Vergrößerungssysteme gebildet ist.
In vorteilhafter Weise befindet sich die mit zumindest einem optoelektronischen Elemente versehene Ablenkstufe in dem Detektormodul.
In der Praxis umfaßt das Detektormodul N Detektorelemente, die in einer parallel zur Dispersion des zu analysierenden elektromagnetischen Strahlenbündels verlaufenden Reihe angeordnet sind, und die Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe liegt parallel zur genannten Dispersion des elektromagnetischen Strahlenbündels.
In einer abgewandelten Form umfaßt das Detektormodul N Detektorelemente, die in zur Dispersion des elektromagnetischen Strahlenbündels parallel verlaufenden m Reihen und in zur Dispersion des Strahlenbündels senkrecht verlaufenden p Spalten angeordnet sind, und die Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes liegt parallel zur genannten Dispersion des elektromagnetischen Strahlenbündels an den m' Reihen der speziellen Detektorelementgruppe und senkrecht zur genannten Dispersion an den p' Spalten der speziellen Detektorelementgruppe.
Vorzugsweise umfassen die optischen Filtermittel Mittel zum Trennen der Ordnungen, die für eine Steuerung durch die elektronische Steuereinheit geeignet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und aus den anliegenden Zeichnungen. Darin zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Dispersionsspektrometer-Einrichtung mit Vielkanalabtastung;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer optischen Maske, die durch die erfindungsgemäße Dispersionsstufe definiert ist;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer elektronischen Maske, die durch das erfindungsgemäße Detektormodul in Übereinstimmung mit der optischen Maske von Figur 2 definiert ist;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Beispiels der erfindungsgemäßen Dispersionsspektrometer- Einrichtung mit Vielkanalabtastung mit einer Ablenkstufe in der Art eines Beugungsgitters;
Figur 5 eine schematische Darstellung der Variation der Vergrößerung des Spektralbildes in einer Einrichtung gemäß Figur 4;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Dispersionsspektrometer-Einrichtung mit einer Ablenkstufe in der Art eines Drehspiegels;
Figur 7 eine schematische Darstellung der Vergrößerung des Spektralbildes in einer Einrichtung gemäß Figur 6 und
Figur 8 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Dispersionsspektrometer-Einrichtung mit einer Ablenkstufe des elektronischen Typs.
In Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen ISD eine erfindungsgemäße Dispersionsspektrometer-Einrichtung mit Vielkanalabtastung bezeichnet.
In bekannter Weise umfaßt die Einrichtung ISD:
- einen Eingang E für ein zu analysierendes elektromagnetisches Strahlenbündel ON;
- optische Filtermittel MF, die für den Empfang des Eingangsstrahls und für die Lieferung eines auf ein gewähltes Spektralband BZ beschränkten aufgespaltenen Spektralbildes IS geeignet sind;
- ein Vielkanal-Detektormodul DM, das eine Vielzahl von Detektorelementen EL umfaßt, die das genannte Spektralbild IS empfangen;
- und Verarbeitungsmittel UT zum Analysieren der von den Detektorelementen EL empfangenen Signale.
Gemäß einer allgemeinen Definition der Erfindung sind die optischen Filtermittel MF mit zumindest einer Ablenkstufe DF versehen.
Den optischen Filtermitteln MF zugeordnet sind:
- erste Steuerungsmittel AJ1 zur Definition des genannten Spektralbildes bezüglich der Mittenfrequenz und der Breite;
- zweite Steuerungsmittel AJ2, die zur Verschiebung des Spektralbildes IS an dem Vielkanal-Detektormodul DM geeignet sind.
Es ist eine elektronische Steuerungseinheit UCE vorgesehen, die für die Pilotsteuerung der ersten und zweiten Steuerungsmittel AJ1 und AJ2 und der Verarbeitungsmittel UT gemäß einer Vielzahl von Funktionsmodi geeignet ist, deren jeder eine gemeinsame Steuerung des gewählten Spektralbandes, der Verschiebung des Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel umfaßt, um selektiv eine spezielle Detektorelementgruppe zu benutzen.
Die Anmelder haben beobachtet, daß einerseits die optischen Filtermittel MF, die das Spektralband bezüglich der Mittenfrequenz und der Breite definieren, einer optischen Maske entsprechen, die ein Spektralfenster gewählter Dimensionen isoliert, und daß andererseits die selektive Verwendung einer speziellen Detektorelementgruppe in Übereinstimmung mit der solchermaßen definierten optischen Maske einer elektronischen Maske entspricht, die nur die gewählte Detektorelementgruppe berücksichtigt.
Im übrigen haben die Anmelder beobachtet, daß die elektronische Steuerungseinheit UCE in jedem Funktionsmodus Parameter der gemeinsamen Steuerung des gewählten Spektralbandes (d.h. der optischen Maske), der Verschiebung des Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel UT (d.h. der elektronischen Maske) nach einem vorgegebenen Gesetz anpassen kann, um eine gewählte Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe EL zu erreichen.
Erfindungsgemäß verbessert diese gewählte Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe die Leistungen einer Spektrometereinrichtung mit Vielkanalabtastung insbesondere auf der Ebene der Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Abtastung der von den Detektorelementen erfaßten Signale.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Anpassung der Parameter der gemeinsamen Steuerung des gewählten Spektralbandes, der Verschiebung des Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel stetig, wodurch die Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe stetig variiert werden kann.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Anpassung der Parameter der gemeinsamen Steuerung des gewählten Spektralbandes, der Verschiebung des Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel sequentiell, wodurch die Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe sequentiell variiert werden kann.
Mit anderen Worten erlaubt die sequentielle Anpassung der Steuerparameter die Wahl vorab bestimmter Spektralbereiche, deren jeweilige Spektralbilder erfindungsgemäß verschiedene Vergrößerungen haben können, und das endseitige Aneinanderfügen dieser Spektralbilder an dem Detektormodul. Diese sequentielle Anpassung eignet sich sehr gut für die Analyse komplizierter Spektren mit einer großen Anzahl von Strahlen.
Nunmehr wird auf Figur 2 bezug genommen, in der eine optische Maske, die dem durch die optischen Filtermittel definierten Spektralband entspricht, schematisch dargestellt ist.
Die optische Maske Mo ist in ein Parallelogramm Po einer Breite Amo (in Richtung der Abszissenachse OX) und einer Höhe Bmo (in Richtung der Ordinatenachse OY) eingezeichnet.
Üblicherweise erfolgt die Aufspaltung des Spektrums DS parallel zur Abszissenachse OX und senkrecht zur Ordinatenachse OY.
Das durch die optische Maske Mo definierte Spektralfenster hat eine Breite Afo (in Richtung der Abszissenachse OX) und eine Höhe Bfo (in Richtung der Ordinatenachse OY).
Die Einstellung der Dimensionen Afo und Bfo des Spektralfensters, das heißt des Spektralbandes, erfolgt über die Steuerungsmittel AJ1 unter Steuerung durch die elektronische Steuerungseinheit UCE.
Es ist zu bemerken, daß die optische Maske Mo außerhalb der durch die Breite Afo und die Höhe Bfo begrenzten Flächen für elektromagnetische Strahlen undurchlässig, jedoch innerhalb dieser Grenzen für diese Strahlen durchlässig ist.
Es wird erneut auf Figur 1 bezug genommen.
Dem Vielkanal-Detektormodul DM ist zum Beispiel eine nicht dargestellte Bildverstärkerröhre vorgeschaltet, in der die von einer das Spektralbild empfangenden Photokathode ausgesandten Elektronen beschleunigt und auf eine Galette mit Mikrokanälen gelenkt werden, die eine Verstärkung durch Sekundäremission durchführt. Die Sekundärelektronenbündel werden beschleunigt und prallen auf einen mit den Detektorelementen optisch gekoppelten Lumineszenzschirm.
Zum Beispiel sind die Lumineszenzstrahler der lumineszierenden Fläche (nicht gezeigt) mittels eines optischen Fasernetzes FO mit den Detektorelementen EL des Vielkanal-Detektormoduls gekoppelt.
Dem Vielkanal-Detektormodul DM sind Verarbeitungsmittel UT nachgeschaltet, die durch die elektronische Steuerungseinheit UCE pilotgesteuert sind, um in Abhängigkeit der von dem Detektormodul empfangenen Signale eine Vielzahl von Spektren S elektromagnetischer Strahlen zu bilden.
Zum Beispiel umfassen die Verarbeitungsmittel UT nicht dargestellte Mittel zum Messen, die geeignet sind, die von den Detektorelementen des Detektormoduls gelieferten Signale in Abhängigkeit von Referenzsignalen zu verarbeiten, die von einem nicht dargestellten Referenzspeicher geliefert werden, der so ausgelegt ist, daß er eine Spektrenbibliothek enthalten kann.
Das Detektormodul kann eindimensional sein (nicht dargestellt) und N Detektorelemente umfassen, die in einer zur Dispersion des zu analysierenden elektromagnetischen Strahlenbündels parallelen Reihe angeordnet sind.
Mit solch einem eindimensionalen Detektor erfolgt die Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe parallel zu der genannten Dispersion des elektromagnetischen Strahlenbündels.
Nachfolgend wird auf Figur 3 bezug genommen, in der eine elektronische Maske dargestellt ist, die durch ein zweidimensionales Detektormodul in Übereinstimmung mit der im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen optischen Maske definiert ist.
Das zweidimensionale Detektormodul DM umfaßt N Detektorelemente EL, die in zur Dispersion des elektromagnetischen Strahlenbündels DS parallelen m Linien und in zur Dispersion dieses Strahlenbündels senkrecht angeordneten p Spalten vorgesehen sind (hier sind m und p gleich 9).
Die Detektorelemente EL haben jeweils eine Breite Ael und eine Höhe Bel.
Das zweidimensionale Detektormodul hat eine Höhe Bdm und eine Breite Adm.
Entsprechend ist der unter Bezugnahme auf Figur 2 beschriebenen optischen Maske Mo erfindungsgemäß eine elektronische Maske zugeordnet, die selektiv mit einer speziellen Detektorelementgruppe J1 (in Figur 3 grau dargestellt) arbeitet und eine Gesamtbreite Afe und eine Gesamthöhe Bfe besitzt.
Es ist zu beobachten, daß die elektronische Maske einzig die Detektorelementgruppe J1 berücksichtigt.
In der Praxis ist jeder optischen Maske eine elektronische Maske zugeordnet, die selektiv mit einer speziellen Detektorelementgruppe arbeitet.
Bei einem zweidimensionalen Detektor der in Figur 3 beschriebenen Art erfolgt die Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes parallel zu der genannten Dispersion des elektromagnetischen Strahlenbündels an den m' Linien (m' ist hier gleich 5) der speziellen Detektorelementgruppe J1 und senkrecht zu der genannten Dispersion an den p' Spalten der speziellen Detektorelementgruppe J1 (hier ist p' gleich 5).
Nachstehend wird auf Figur 4 bezug genommen, in der ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Ablenkstufe in der Art eines Dispersionsgitters dargestellt ist.
Eine Linse (nicht dargestellt) bündelt die zu analysierenden elektromagnetischen Strahlen ON an einem Eingangsschlitz Fe.
Das Eingangsstrahlenbündel wird von einer Dispersionsstufe DI, die zum Beispiel ein zwischen zwei Spiegeln M11 und M13 angeordnetes Dispersionsgitter Re enthält, empfangen. In vorteilhafter Weise ist ein Spiegel M12 an die Rückseite des Gitters Re geklebt.
Ein Spiegel M14 bündelt das dem Spiegel M13 entstammende aufgespaltene Spektralbild an einem Zwischenschlitz Fi, dessen Breite einstellbar ist, um die Breite des Spektralbandes der elektromagnetischen Strahlen, die über einen Spiegel M15 zur Ablenkstufe DF übertragen werden, wählen zu können.
Die Ablenkstufe umfaßt zum Beispiel ein Disperpsionsgitter Rs, das zwischen zwei Spiegeln M16 und M18 angeordnet ist. Vorzugsweise ist an die Rückseite des Gitters Rs ein Spiegel M17 geklebt.
Hier sind der Eingangsschlitz Fe und der Zwischenschlitz Fi miteinander optisch gekoppelt.
Im übrigen verifiziert die Breite des Eingangsschlitzes Fe eine in bezug auf die Oberfläche der Detektorelemente des Vielkanal-Detektormoduls vorgegebene Bedingung für die Definition des spektralen Auflösungsvermögens der Einrichtung.
Unter Steuerung durch die elektronische Steuerungseinheit UCE übernehmen Steuerungsmittel AJ12 die Einstellung der Breite sowie der Position des Zwischenschlitzes Fi im Hinblick auf die Bestimmung eines gewählten Spektralbandes, das heißt der Dimensionen der im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen optischen Maske No.
Anschließend bewegen Steuerungsmittel AJ11 unter Steuerung durch die elektronische Steuerungseinheit UCE das Gitter Re gemäß einer gesteuerten Geschwindigkeit V1, wodurch ein gewähltes aufgespaltenes Bild in die Ablenkstufe eintreten kann.
Schließlich bewegen Steuerungsmittel AJ2 unter Steuerung durch die elektronische Steuerungseinheit UCE das Gitter Rs gemäß einer gesteuerten Geschwindigkeit V2, um das Spektralbild in bezug auf das Detektormodul zu bewegen.
Hier ist anzumerken, daß die Geschwindigkeiten V1 und V2 den in der Ebene des Detektormoduls berechneten Geschwindigkeiten der Bewegung der Spektralbilder entsprechen.
Gegebenenfalls bewegen die Verarbeitungsmittel UT unter Steuerung durch die elektronische Steuerungseinheit UCE die spezielle Gruppe J1 gemäß einer gesteuerten Geschwindigkeit V3.
In äußerst vorteilhafter Weise übernimmt die elektronische Steuerungseinheit UCE die Anpassung von Parametern (z.B. V1, V2 und V3) der gemeinsamen Steuerung des Spektralbandes (optische Maske), der Verschiebung des aufgespaltenen Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel (elektronische Maske) gemäß einem vorgegebenen Gesetz, um eine gewählte Vergrößerung des an der speziellen Detektorelementgruppe J1 aufgespaltenen Spektralbildes zu erreichen.
Es ist zu bemerken, daß sich die Erfindung sehr gut bei Verwendung von optischen Filtermitteln MF, die mit (nicht dargestellten) Mitteln zum Trennen der ordnungen versehen sind, eignet.
Nunmehr wird auf Figur 5 bezug genommen, die eine Variation der Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes gemäß einem vorgegebenen Gesetz in einer mit Figur 4 übereinstimmenden Einrichtung darstellt.
Die Komponenten der Geschwindigkeiten V1, V2 und V3 an der Ordinatenachse OY sind auf Null eingestellt, das heißt es findet keine Ablenkung in einer zur Richtung der spektralen Dispersion DS senkrechten Richtung statt. Die Geschwindigkeit V3 der elektronischen Maske ist gleich der Geschwindigkeit V1 der optischen Maske.
Der Einfachheit halber ist die Breite der optischen Maske Afo gleich der Breite der elektronischen Maske Afe, so daß Dimension und Bewegungsgeschwindigkeit (V1=V3) der optischen und der elektronischen Maske infolgedessen gleich sind.
Die Gitter Re und Rs bewegen sich jeweils gemäß den Geschwindigkeiten V1 und V2.
An der Abszissenachse OX ist zum einen die Vergrößerung G des aufgespaltenen Spektralbildes und an der Ordinatenachse OY zum anderen das Verhältnis der Bewegungsgeschwindigkeiten V1/V2 dargestellt.
Unter den vorgenannten Bedingungen haben die Anmelder beobachtet, daß die Variation der Vergrößerung G des aufgespaltenen Spektralbildes einer Geraden D folgt, für welche die Gleichung D = 1 + V1/V2 gilt.
Präziser ausgedrückt hat die Vergrößerung G bei einem positiven Verhältnis von V1/V2 einen Wert, der größer ist als 1 (R1), das heißt, daß die Vergrößerung eine Dehnung des aufgespaltenen Spektralbildes an der Gruppe J1 bildet.
Bei einem zwischen -0 und 0 erfaßten Verhältnis von V1/V2 hat die Vergrößerung G einen Wert, der zwischen 0 und 1 (R2) enthalten ist, daß heißt, daß die Vergrößerung eine Kontraktion des aufgespaltenen Spektralbildes an der Gruppe J1 bildet.
Bei einem zwischen -2 und -1 liegenden Verhältnis von V1/V2 hat die Vergrößerung G einen Wert, der zwischen 0 und -1 (R3) enthalten ist, das heißt, sie bildet eine Kontraktion mit umgekehrter Dispersion.
Bei einem unter -2 liegenden Verhältnis von V1/V2 hat die Vergrößerung einen Wert, der kleiner ist als -1 (R4), das heißt, sie bildet eine Dehnung des aufgespaltenen Spektralbildes an der Gruppe J1.
In sehr vorteilhafter Weise reduziert die Vergrößerung G den parasitären Lichtanteil und die den parasitären Bildern entsprechenden Bänder, die bedingt sind durch die Streuung durch die Dispersionselemente und die optischen Flächen, sowie das innere oder induzierte Rauschen, das bedingt ist durch nichtbenutzte Detektorzonen und durch Photonenrauschen, das von dein kontinuierlichen Hintergrund und den Streustrahlungen der Optik abhängt.
In ebenfalls sehr vorteilhafter Weise beseitigt die Vergrößerung G Nachteile, die durch die diskrete Bauweise der Detektorelemente des Detektormoduls bedingt sind.
Es wird nunmehr auf Figur 6 bezug genommen, in der ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Spiegel als Ablenkstufe dargestellt ist.
In dieser Figur finden sich die wesentlichen Teile von Figur 4 wieder, lediglich mit dem Unterschied, daß die Ablenkstufe in der Art eines Dispersionsgitters durch eine Ablenkstufe DF in der Art eines Spiegels M25 ersetzt wird.
Gesteuert durch die elektronische Steuerungseinheit UCE bewegen die Steuerungsmittel AJ2 den Spiegel M25 gemäß einer gesteuerten Geschwindigkeit V2, um das Spektralbild relativ zu dem Detektormodul DM zu verschieben.
Es ist zu bemerken, daß bei Ersetzen des Gitters Re durch den Spiegel M25 die endgültige Auflösung nicht von der Dispersion der Ablenkstufe profitiert, sie also durch die Beugung und durch die Schlitzbreite der einzigen Ablenkstufe begrenzt ist.
Nachfolgend wird auf Figur 7 bezug genommen, die eine Variation der Vergrößerung des aufgespaltenen Spektralbildes gemäß einem vorgegebenen Gesetz in einer mit Figur 6 übereinstimmenden Einrichtung dargestellt ist.
An der Abszissenachse OX ist zum einen die Vergrößerung G des aufgespaltenen Spektrabildes und zum anderen das Verhältnis der Bewegungsgeschwindigkeiten V1/V2 angegeben.
Unter den vorstehend genannten Bedingungen haben die Anmelder beobachtet, daß die Variation der Vergrößerung G des aufgespaltenen Spektralbildes in einer Geraden D verläuft, für welche die Gleichung D = 2V1/V2 gilt.
Präziser ausgedrückt hat die Vergrößerung G bei einem Verhältnis von V1/V2 über 0,5 einen Wert, der größer ist als 1 (R1), das heißt sie bildet eine Dehnung des aufgespaltenen Spektralbildes auf der Gruppe J1.
Bei einem zwischen 0 und 0,5 liegenden Verhältnis von V1/V2 hat die Vergrößerung G einen Wert, der zwischen 0 und 1 (R2) enthalten ist, das heißt sie bildet eine Kompression des aufgespaltenen Spektralbildes auf der Gruppe J1.
Bei einem zwischen -0,5 und 0 liegenden Verhältnis von V1/V2 hat die Vergrößerung G einen Wert zwischen 0 und -1 (R3), das heißt sie bildet eine Kompression mit Umkehrung der Dispersion.
Bei einem Verhältnis von V1/V2, das kleiner ist als -0,5 ist der Wert der Vergrößerung G kleiner als -1 (R4), das heißt sie bildet eine Dehnung des aufgespaltenen Spektralbildes auf der Gruppe J1.
Im folgenden wird auf Figur 8 bezug genommen, in der ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt ist, in welchem die Ablenkstufe dem optoelektronischen Typ entspricht.
In dieser Figur finden sich die wesentlichen Elemente der Figuren 4 und 5 wieder, lediglich mit dem Unterschied, daß die in Form eines Dispersionsgitters oder eines Spiegels vorgesehene Ablenkstufe durch eine Ablenkstufe DF des optoelektronischen Typs ersetzt wird.
Dem Vielkanal-Detektormodul DM ist eine Ablenkstufe DF vorgeschaltet, die eine Photokathode PC umfaßt, die das von der Ablenkstufe DI gelieferte aufgespaltene Spektralbild direkt über den Spiegel M13 empfängt.
Die Elektronen werden beschleunigt und mittels Ablenkplatten PD auf eine (nicht dargestellte) Galette mit Mikrokanälen gerichtet, die eine Verstärkung durch Sekundäremission durchführt. Die Sekundärelektronenbündel werden beschleunigt und prallen auf einen mit den Detekorelementen optisch gekoppelten Leuchtstoffschirm.
Unter Steuerung durch die elektronische Steuerungseinheit UCE modifizieren die Steuerungsmittel AJ2 die Potentiale der elektronischen Ablenkplatten PD gemäß einer gesteuerten Geschwindigkeit V2, um das Spektralbild relativ zu dem Detektormodul DM zu verschieben.
Es ist zu bemerken, daß mit einer Ablenkung in Richtung der Ordinatenachse OY, die nicht Null ist, ein rascher Verschluß der Detektorelemente erfolgen kann, wodurch sich das zeitliche Auflösungsvermögen einer Spektrometer-Einrichtung verbessern läßt.
Diese Verbesserung ist interessant, wenn die Ablenkung optoelektronisch erfolgt, wie unter Bezugnahme auf Figur 8 beschrieben, weil durch sie der sogenannte "Nachleuchteffekt" verhindert werden kann, der auf die Lebensdauer der Lumineszenz der Luminophore zurückzuführen ist.
Es ist zu bemerken, daß, wenn die Breiten der Übertragungsfenster der optischen Masken Mo und der elektronischen Masken Me sehr weit über die Breite Ael eines Detektorelements EL des Detektormoduls DE hinausgehen und wenn die Bewegungsgeschwindigkeit V2 der Ablenkstufe DF gleich O ist, das durch die optische Maske Mo der Ablenkstufe DI isolierte Spektralfenster sich mit der Geschwindigkeit V1 bewegt, um in die Ablenkstufe ein aufgespaltenes Spektralbild eintreten zu lassen, das in feststehender Weise eine spezielle Detektorelementgruppe J1 beleuchtet.
Wenn die Dispersionsgesetze und die Verschiebung identisch sind, dann hat das gewonnene Spektrum in diesem Fall die gleiche Dispersion und die gleiche spektrale Auflösung wie bei der klassischen Betriebsart, aber der parasitäre Lichtanteil wird proportional zu den Flächen der optischen Maske Mo und elektronischen Maske Me reduziert.
Falls die Bewegungsgeschwindigkeit V2 des Gitters Rs der Ablenkstufe nicht Null ist, ist es offensichtlich, daß, während sich das durch die Maske Mo isolierte Spektralfenster in dem Spektrum mit einer Geschwindigkeit V1 verschiebt, die aufgespaltenen Spektralbilder sich folglich mit einer Geschwindigkeit V2 an dem Detektormodul DM verschieben. Daraus kann sich eine Mischung der verschiedenen Strahlungen ergeben, die von jedem der Detektorelemente des Detektormoduls empfangen werden, wodurch die Spektren gestört werden können.
Diesem Problem kann indessen abgeholfen werden, indem man die linearen Bewegungen und/oder die kontinuierlichen Drehungen der optischen Elemente der Dispersions- und Ablenkstufen gemäß den gesteuerten Geschwindigkeiten V1 und V2 durch diskontinuierliche Bewegungen ersetzt, die mit den Signalverarbeitungsmittel UT synchronisiert sind.
Zum Beispiel werden die verschiedenen Fraktionen schrittweise in unterschiedlichen Abtastzyklen ohne optische Überlagerung analysiert, und die entsprechenden Signale werden bei jeder Abtastung des Detektors durch die Verarbeitungsmittel UT separat gespeichert.
Durch eine anschließende elektronische Verarbeitung läßt sich ein zusammengesetztes Spektrum rekonstruieren, das die Gesamtheit der solchermaßen ermittelten Daten berücksichtigt.
Dieser Vorgang führt zu verschiedenen Verbesserungen, denn die Probennahme an mehreren i Punkten für jede der aufeinanderfolgenden r Integrationsperioden liefert einen Satz von ir Intensitätsmessungen.
Wenn der Bewegungsschritt q zwischen jeder der Integrationen kleiner ist als die Breite Ael eines Detektorelements EL, ermöglicht die Sondierung der spektralen Strahlenprofile an einer größeren Anzahl von Punkten die Verringerung des Auflösungsverlustes, den die diskrete Bauweise des Detektors mit sich bringt.
Im Idealfall ist die spektrale Auflösung also um einen Faktor Ael/q verbessert.
Wenn der Bewegungsschritt q zwischen jeder Integration zwischen der Breite eines Detektorelements Ael und jener des Detektormoduls enthalten ist, führt die Rekonstruktion durch Aneinanderreihen der verschiedenen Spektrumsbereiche zur Dehnung des Spektralfeldes einerseits und zur Glättung leichter Fmpfindlichkeitsunterschiede zwischen den Detektorelementen des Detektormoduls andererseits.
Darüber hinaus werden die optischen Vignettierungseffekte, die eine Intensitätsabweichung der Bänder zwischen der Mitte und dem Rand des Feldes mit sich bringen, reduziert.
Wir haben gesehen, daß die Anpassung der Geschwindigkeiten V1, V2 und V3 der gemeinsamen Steuerung des Spektralbandes (optische Maske), der Verschiebung des Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel (elektronische Maske) einerseits gemäß einer zur spektralen Dispersion DS parallelen Richtung und andererseits gemäß einer zur spektralen Dispersion DS vertikalen Richtung erfolgt.
Eine Kombination dieser beiden Anpassungen ermöglicht die Durchführung einer wie auch immer gearteten relativen Verschiebung der aufgespaltenen Spektralbilder in der Ebene des Detektormoduls.
In vorteilhafter Weise ermöglichen die ladungsgekoppelten Detektoren die Durchführung des Äquivalents dieser beiden Anpassungen gemäß den Richtungen OX und OY durch die Übertragung von Rastern oder die Übertragung von Linien auf rein elektronischem Wege.
Falls sich die horizontale Komponente (OX) der Verschiebungsgeschwindigkeit V3 der optischen Maske von ihrer vertikalen Komponente (OY) unterscheidet, sind die Verschiebungen der elektronischen Masken folglich diskontinuierlich und mit den Verschlußperioden des Detektormoduls synchronisiert.
Vorzugsweise entspricht die Wahl der Verschiebungsschritte an der zur spektralen Dispersion parallelen Achse OX einer Segmentierung des optischen Spektrums in nebeneinanderliegende Spektralzonen. Die Verschiebung an der zur spektralen Dispersion senkrechten Achse ermöglicht ihrerseits die Speicherung der Spektralzonen an parallelen Bändern der Detektorelementmatrize.
Man kann kontinuierliche Verschiebungen der elektronischen Maske anstreben, wenn die Höhe der elektronischen Maske der gleichen Größenordnung entspricht wie die Höhe eines Detektorelements. Die Spektren erscheinen dann in Form eines geneigten Bandes.
In einer Betriebsform, die als Betrieb mit "hoher Auflösung" bezeichnet wird, sind die Eingangsschlitze Fe und die Zwischenschlitze Fi gleich und mit geringer Breite gewählt, zum Beispiel in der Größenordnung von einigen zehn Mikrometer. Die optische Maske No isoliert demzufolge ein schmales Spektralfenster, dessen Breite hier nur durch die Beugung begrenzt ist.
Das Beugungsgitter Re (in vorteilhafter Weise umfaßt die Ablenkstufe zwei Beugungsgitter) wird durch Drehung mit einer Winkelgeschwindigkeit V1 verschoben, wodurch eine Verschiebung des durch die optische Maske Mo isolierten Fensters parallel zur Dispersion DS gemäß einer Geschwindigkeit V1 in der Ebene des Detektormoduls entsteht.
Das Beugungsgitter Rs wird durch Drehung verschoben, wodurch sich eine Verschiebung der Spektralbilder an dem Detektormodul mit einer Geschwindigkeit V2 parallel zu der spektralen Dispersion und in derselben Richtung wie die Geschwindigkeit V1 ergibt.
Als Ergebnis baut sich das Bild des Spektrums in der Ebene des Detektors, der immer nur ein der Breite des durch die optische Maske Mo definierten schmalen Bandes entsprechendes schmales Bild empfängt, sequentiell wieder auf.
Infolgdessen ist die sichtbare Dispersion in der erfindungsgemäßen Einrichtung gegenüber der sichtbaren Dispersion in der klassischen Einrichtung, in welcher die optischen Elemente während der Signalerfassung festgelegt sind, vergrößert.
Darüber hinaus ist die spektrale Auflösung erfindungsgemäß nicht durch die diskrete Bauweise des Detektormoduls begrenzt, denn die Strahlenprofile können nach Wunsch auf eine größere Anzahl von Detektorelementen verteilt werden. Überdies erfolgt die Abtastung an einer größeren Anzahl von Punkten.
Schließlich ist das spektrale Auflösungsvermögen der Einrichtung nur durch die Funktion der Eingangsschlitze und Zwischenschlitze begrenzt.
Abschließend erlaubt die erfindungsgemäße Einrichtung eine Annäherung an die theoretische innere Auflösung der Dispersionsgitter.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern erstreckt sich im Gegenteil auf jede im Rahmen der anliegenden Ansprüche enthaltene Variante.

Claims

1. Spektrometer-Einrichtung des Typs mit:

- einem Eingang (Fe) für ein zu analysierendes elektromagnetisches Strahlenbündel (ON);

- optischen Filtermitteln (MF), die für den Empfang des Eingangsstrahls geeignet sind und zumindest eine Dispersionsstufe besitzen, die für die Lieferung eines auf ein gewähltes Spektralband (BZ) beschränkten aufgespaltenen Spektralbildes geeignet ist;

- einem Vielkanal-Detektormodul (DM) mit einer Vielzahl von Detektorelementen (EL), die das genannte Spektralbild empfangen;

- und Verarbeitungsmitteln (UT) zum Analysieren der von den Detektorelementen erfaßten Signale;

dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung in Kombination umfaßt:

- zumindest eine Ablenkstufe (DF);

- erste Steuerungsmittel (AJ11) zur Steuerung der Dispersionsstufe im Hinblick auf die Definition des genannten gestreuten Spektralbildes bezüglich der Mittenfrequenz und der Bandbreite;

- zweite Steuerungsmittel (AJ12), die für die Steuerung der Verschiebung des hinsichtlich der Mittenfrequenz und der Bandbreite solchermaßen definierten Spektralbildes im Hinblick auf die Einführung des so definierten Spektralbildes in die Ablenkstufe geeignet sind;

- dritte Steuerungsmittel (AJ2), die für die Verschiebung des solchermaßen definierten Spektralbildes an dem Vielkanal-Detektormodul (DM) geeignet sind;

- eine elektronische Steuerungseinheit (UCE), die für die Pilotsteuerung der ersten (AJ1), zweiten (AJ12), dritten (AJ2) Steuerungsmittel und der Verarbeitungsmittel (UT) gemäß einer Vielzahl von Funktionsmodi geeignet ist, deren jeder eine gemeinsame Steuerung des gewählten Spektralbandes, der Verschiebungsgeschwindigkeiten des Spektralbildes an der Ablenkstufe und an dem Detektormodul und der Parameter der Verarbeitungsmittel umfaßt zum Isolieren des Nutzsignals in Übereinstimmung mit dem gewählten Spektralband gemäß einem vorgegebenen Gesetz zum Erreichen einer gewählten Vergrößerung des analysierten Spektralbildes an einer speziellen Gruppe von Detektorelementen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Parameter der gemeinsamen Steuerung des gewählten Spektralbandes, der Verschiebung des Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel stetig erfolgt, wodurch die gewählte Vergrößerung des Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe stetig variiert werden kann.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung der Parameter der gemeinsamen Steuerung des gewählten Spektralbandes, der Verschiebung des Spektralbildes und der Verarbeitungsmittel sequentiell erfolgt, wodurch die gewählte Vergrößerung des Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe sequentiell variiert werden kann.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Vergrößerung des Spektralbildes eine Dehnung in Dispersionsrichtung des genannten Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe bildet.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Vergrößerung des Spektralbildes eine Kontraktion in Dispersionsrichtung des genannten Bildes an der speziellen Detektorelementgruppe bildet.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkstufe (DF) zumindest ein optisches Dispersionselement der durch die Beugungsgitter und die Prismen gebildeten Gruppe besitzt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkstufe (DF) zumindest ein optisches Element der durch die Linsen, Planspiegel, sphärischen oder asphärischen Spiegel, Holographiesysteme, Schlitze und Interferometer gebildeten Gruppe besitzt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkstufe (DF) zumindest ein optoelektronisches Element der Gruppe besitzt, die durch die gegebenenfalls mit Verschlußmitteln der Detektorelemente gekoppelten Verstärkungssysteme der Detektorelemente, die Kameras mit Schlitzabtastung und die optischen Vergrößerungssysteme gebildet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkstufe (DF) in dem Detektormodul (DM) untergebracht ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormodul (DM) N Detektorelemente (EL) umfaßt, die in einer parallel zur Dispersion des zu analysierenden elektromagnetischen Strahlenbündels verlaufenden Reihe angeordnet sind, und daß die gewählte Vergrößerung des Spektralbildes an der speziellen Detektorelementgruppe parallel zur genannten Dispersion des elektromagnetischen Strahlenbündels liegt.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormodul (DM) N Detektorelemente (EL) umfaßt, die in parallel zur Dispersion des elektromagnetischen Strahlenbündels verlaufenden in Reihen und in senkrecht zur Dispersion des Strahlenbündels verlaufenden p Spalten angeordnet sind, und daß die gewählte Vergrößerung des Spektralbildes an den speziellen m' Reihen und and den speziellen p' Spalten der speziellen Detektorelementgruppe parallel zur Dispersion des Strahlenbündels an den genannten speziellen m' Reihen und senkrecht zur Dispersion des Strahlenbündels an den genannten speziellen p' Spalten liegt.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filtermittel Mittel zum Trennen der Ordnungen umfassen, die für eine Steuerung durch die elektronische Steuereinheit (UCE) geeignet sind.