DE69206641T2

DE69206641T2 - Hochempfindlicher Multiwellenlängenspektralanalysator

Info

Publication number: DE69206641T2
Application number: DE69206641T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Ichimura; Fumio Inaba; Toshiyuki Nagoshi
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1991-02-07
Filing date: 1992-02-06
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2012-02-07
Also published as: EP0498644B1; JPH05231938A; US5329353A; EP0498644A1; DE69206641D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen hochempfindlichen Multiwellenspektralanalysator zur Spektralanalyse extrem schwacher Strahlung über einen Spektralbereich vom sichtbaren Bereich bis zum Infrarotbereich, für beispielsweise Biolumineszenz, Chemilumineszenz, extrem schwaehe Fluoreszenz, die durch Anregungslicht erzeugt wird, Raman-Streulicht usw.
Kürzlich wurde die Aufmerksamkeit auf extrem schwache Strahlung gezogen wie Biolumineszenz, Chemilumineszenz, extrem schwache Fluoreszenz, verursacht durch Anregungslicht, Raman-Streulicht usw. Zur Spektralanalyse derart extrem schwacher Strahlung ist es wünschenswert, die Messung mit minimalen Lichtverlusten durchzuführen. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, ein optisches System mit großer Lichtstärke zu benutzen, welches es ermöglicht, daß ein großer Ausgangsfestwinkel erreicht wird, um so die Ausnutzung des lichtflusses (z.B. Durchfluß) zu erhöhen, und eine Detektionssystem vorzusehen, welches den Simultanphotometrie-(z.B. Multiplex) Vorteil hat, daß eine Vielzahl von Wellenlängen gleichzeitig gemessen wird. Insbesondere ist es notwendig, optische Systeme mit hoher Lichtstärke sowohl für das Kollimatorsystem als auch das Kondensorsystem zu verwenden und einen hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator zu benutzen, der so angeordnet ist, daß er die Funktionsidee eines Polychromator anwendet, der in der Lage ist, eine Multiwellenlängenspektralanalyse durchzuführen durch gleichzeitiges Messen einer Vielzahl von Wellenlängen in einem Beobachtungswellenlängenbereich ohne Durchführung eines Wellenlängenabtastens. Es gab jedoch bisher noch keinen Spektralanalysator, der diesen Anforderungen entsprochen hätte. Das konventionelle Spektroskop unter Benutzung eines Beugungsgitters ist grundsätzlich ein Monochromator und benötigt daher unabdingbar einen Eintrittsschlitz und einen Austrittsschiitz und demzufolge ist es auf ein Wellenlängenabtasten angewiesen. Während des Wellenlängenabtastens werden alle anderen Lichtstrahlen als die, die durch den Ausgangsschlitz heraus abgenommen werden, verworfen. Dieser Typ eines konventionellen Spektroskops hat also nicht den Multiplexvorteil.
Darüber hinaus ist die bekannte Anordnung nicht so ausgebildet, daß ein ein- oder zwei-dimensionaler Lichtverteilungsdetektor zur Feststellung der Spektralverteilung in der Ausgangsebene angeordnet ist. Demzufolge ist, wenn der Ausgangsschlitz lediglich durch einen Detektor ersetzt wird, der Wellenlängenbereich, innerhalb dessen Simultanphotometrie erfolgen kann, sehr schmal und es ergeben sich darüber hinaus Probleme mit der Brennebene, Aberration usw. Da sowohl das Kollimator- als auch das Kondensorsystem Reflexionsspiegel in einem außeraxialen Zustand verwenden, ist darüber hinaus das Spektrallinienbild infolge der außeraxialen Anordnung und Aberration gekrümmt, so daß die Blendenzahl f nicht sehr klein gemacht werden kann. Es ergibt sich daraus eine Begrenzung der Lichtstärke des Spektroskops. Kein Spektroskop von f3 oder weniger ist bisher in der Praxis zur Verfügung gestellt worden.
Ein Spektroskop mit f1 wurde kürzlich entwickelt, welches einen parabolischen Spiegel als im Stand der Technik verwendeten Reflexionsspiegel benutzt. Da jedoch der konvergierende Spiegel (Parabolspiegel) in außeraxialer Anordnung verwendet wird, ist das Spektrallinienbild gekrümmt, so daß es schwierig ist, eine exakte Spektralverteilung mit einem ein- oder zwei-dimensionalen Lichtverteilungsdetektor zu erhalten. Da die Detektoroberfläche des Detektors gekühlt werden muß, um hochempfindliche Messungen durchzuführen, muß zusätzlich eine relativ dicke Vakuumkammer zur Wärmeisolation vor der photoelektrischen Oberfläche des ein- oder zwei-dimensionalen Photodetektors angeordnet werden als Mittel zur Verhinderung einer Feuchtigkeitskondensation auf der Detektoroberfläche, so daß es notwendig ist, die Brennweite des konvergierenden parabolischen Spiegels zu verlängern.
Es ist darüber hinaus auch bereits ein Polychromator kürzlich in den Handel gebracht worden, der ein konkaves Beugungsgitter und eine Detektoranordnung verwendet. Da jedoch Segrenzungen hinsichtlich des Durchmessers und des Krümmungsradius des konkaven Beugungsgitters bestehen, ist die Lichtsammelfähigkeit begrenzt, so daß keine ausreichende Lichtstärke erreicht werden kann.
In der Zwischenzeit ist vorgeschlagen worden, ein statisches Interferenzspektroskop zu benutzen, welches ein Interferometer mit dreieckigem gemeinsamem Weg, ein Interferometer mit rechteckförmigem gemeinsamem Weg, ein doppelbrechendes Polarisationsinterferometer usw. zur Spektralanalyse extrem schwacher Strahlung verwendet. Eine Prüfung dieses Standes der Technik stellt jedoch die Feststellung in Frage, daß diese Interferometer eine höhere Lichtstärke als konventionelle Spektroskope haben, da keine Begrenzung auf den Bereich der Oberfläche der Lumineszenzprobe gegeben ist. Hinzu kommt, daß, obwohl diese Interferometer optische Systeme haben, die eine höhere Lichtstärke ergeben als konventionelle Spektroskope, die höhere Lichtstärke nicht ein Charakteristikum des Interfermeters ist, sondern auf der Verwendung von Linsen mit höherer Lichtstärke anstelle von Spiegeln beruht. Da die Breite der Detektoreinrichtung schmaler ist als die der im Stand der Technik bekannten Beugungsgitter, bestimmt die Größe dieser Breiten die Aufiösungskraft jedes individuellen spektroskopischen Systems und demzufolge ist die Auflösungsstärke der statischen Interferenzspektroskopie geringer gegenüber der von Spektroskopen. Was die Energie anlangt, ist in Spektroskopen, bei denen der Eingangsschlitz vergrößert wird, die Auflösungsstärke geringer, aber die Energie kann umgekehrt gesteigert werden, während bei der statischen Interferenzspektroskopie dich der Kontrast verschlechtert, was zu keinem vorteilhaften Effekt führt.
Daher war es mit konventionellen Spektroskopen oder spektroskopischen Methoden bisher schwierig, eine Spektralanalyse extrem schwacher Strahlung durchzuführen, wie beispielsweise von Biolumineszenz, Chemilumineszenz, extrem schwacher Fluoreszenz, verursacht durch Anregungslicht, Raman-Streulicht usw., insbesondere war es schwierig, gleichzeitig eine Spektralverteilung einer Vielzahl von Wellenlängen zu erhalten.
Darüber hinaus ist - vgl. DE-A-2,758,141 - ein Multiwellenffiängenspektralanalysator bekannt, umfassend ein Spektroskop mit einem optischen System, welches einfallendes Licht begrenzt, eine Kollimatorlinse, die so angeordnet ist, daß ein Brennpunkt der Kollimatorlinse mit einem Austrittsende des optischen Systems zusammenfällt, um von diesem Austrittsende austretendes Licht in parallele Strahlen zu verwandeln, ein Reflexionsbeugungsgitter, welches die parallelen Strahlen von der Kollimatorlinse zur Erzeugung eines Spektrums beugt und eine Bildlinse, die die parallelen, vom Reflexionsbeugungsgitter gebeugten Strahlen in einer Bildebene fokussiert, um ein Spektralbild zu erzeugen, und eine Photodetektoreinrichtung, die in der Bildebene der genannten Bildlinse angeordnet ist und sich längs einer Achse erstreckt, bezüglich deren der Beugungswinkel der genannten parallelen Strahlen mit der Wellenlänge variiert, wobei die genannte Bildlinse und die genannte Photodetektoreinrichtung so angeordnet sind, daß die optische Achse der genannten Bildlinse mit einer Achse zusammenfällt, die einen Winkel halbiert, der definiert wird durch die Wege des gebeugten Lichts erster Ordnung von kürzeren und längeren Wellenlängen, die zu den jeweils entgegengesetzten Begrenzungen der Photodetektoreinrichtung verlaufen, wodurch die genannte optische Achse im wesentlichen mit einem Zentrum der genannten Achse der besagten Photodetektoreinrichtung zusammenfällt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, wenigstens einige der vorerwähnten Nachteile der Spektralanalysatoren dieser Art zu überwinden. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche oder 2.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt die allgemeine optische Anordnung eines Ausführungsbeispiels eines hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt die optische Anordnung von zwei Grundtypen des in Fig. 1 gezeigten hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators;
Fig. 3 zeigt optische Wegdiagramme zur Prüfung der Grundtypen gem. Fig. 2;
Fig. 4 zeigt die optische Anordnung eines anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
Fig. 5 zeigt exemplarisch im Schnitt Strukturen von Linsen mit kleiner Blendenzahl f, von denen jede eine Vielzahl von sphärischen Linsen umfaßt;
Fig. 6 ist ein Schnittbild eines Ausführungsbeispiels eines Photodetektors, der in einem hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, der eine Kombination einer zweidimensionalen Photonenzählröhre und einem niedrigvisuellen Persistenzvidicon umfaßt;
Fig. 7 ist ein Schnitt des Photonenzählbilderzeugungssystems eines anderen Beispiels eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Photodetektors;
Fig. 8 ist ein Schnittbild durch hochempfindliche Multiwelienlängenspektroskopiesysteme, von denen jedes einen hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, enthält;
Fig. 9 zeigt die optische Anordnung eines Ausführungsbeispiels des mehrstufigen, hochempfindlichen, Multiplexmultiwellenlängenspektralanalysators entsprechend der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 zeigt die optische Anordnung eines anderen Ausführungsbeispiels des mehrstufigen, hochempfindlichen, Multiplexmultiwellenlängenspektralanalysators entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 zeigt die optische Anordnung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels eines mehrstufigen, hochempfindlichen, Multiplexmultiwellenlängenspektralanalysators gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 ist eine schematische Ansicht eines Systems zur Spektralanalyse der Fluoreszenz von Raman-Streulicht von einer Probe gewöhnlicher Größe;
Fig. 13 ist eine schematische Ansicht eines Mikrospektroskopiesystems für Fluoreszenz von Raman-Streulicht; und
Fig. 14 ist ein Graph, der die gemessenen Werte der Empfindlichkeit des hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergibt.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Für die Spektralanalyse extrem schwacher Strahlung, wie beispielsweise Biolumineszenz, Chemilumineszenz, extrem schwacher Fluoreszenz, verursacht durch Anregungslicht, Raman-Streulicht usw., ist es notwendig, ein optisches System auszuwählen, so daß so viel Licht wie möglich von einem Emissionspunkt auf einer Probe in das spektroskopische System eintritt. Mit anderen Worten ist es notwendig, den Festwinkel zu maximieren, unter welchem das optische System Licht von einem extrem schwachen Lichtemissionsunkt akzeptiert. Daneben muß das Spektrallinienbild, das vom spektroskopischen System gebildet wird, so geradlinig wie möglich sein. Als optisches System, das diesen Anforderungen gerecht wird, scheinen Linsen und Reflexionskonvergenzspiegel geeignet zu sein.
Im allgemeinen ist die Bildausbildung durch einen Reflexionskonvergenzspiegel nicht streng begrenzt durch die verwendete Wellenlänge, so daß er über einen Spektralbereich vom Ultraviolett bis Infrarot eingesetzt werden kann. Wenn jedoch ein Konvergenzspiegel benutzt wird als Abbildungselement, ist es notwendig, ein achsversetztes optisches System zu verwenden, bei welchem das Licht unter einem Winkel zur Normalen (optischen Achse) des Konvergenzspiegels einfällt und das reflektierte Licht unter einem Winkel zur Normalen herausgenommen wird. Wenn ein Konvergenzspiegel als Bildelement mit hoher Lichtstärke in einem spektroskopischen System verwendet wird, wird demzufolge der außeraxiale oder neben der Achse liegende Winkel unvermeidlich groß, da es notwendig ist, eine Interferenz zwischen dem eingangsseitigen Konvergenzspiegel (Kollimatorspiegel) und dem beugungsseitigen Konvergenzspiegel (Bildspiegel) zu vermeiden. Daher ist wenn der Eingangsschlitz hoch ist, das Beugungsbild infolge der außeraxialen Aberration und der Beugung durch das Beugungsgitter gebogen. Mit anderen Worten ist bei Verwendung eines Reflexionskonvergenzspiegels hohe Lichtstärke und Geradlinigkeit der Spektrallinienbilder (Schlitzbild) miteinander nicht vereinbar. Da das Spektrallinienbild durch die außeraxiale Anordnung bei Verwendung eines Reflexionskonvergenzspiegels als Abbildungssystem gebogen ist, ist es zum Erhalt hoher Lichtstärke und hoher Dispersion notwendig, die Brennweite des Konvergenzspiegels zu erhöhen anstelle der Erhöhung des Einfallswinkels und des Beugungswinkels. Als Ergebnis nimmt die Größe des spektroskopischen Systems zu, so daß, wenn die Zahl der spektroskopischen Systeme vergrößert wird, um einen Mehrstufenspektralanalysator zu bilden, die Gesamtgröße mehr und mehr zunimmt.
Wird auf der anderen Seite eine Linse als Abbildungselement verwendet, so braucht diese nicht in einer außeraxialen Anordnung eingesetzt zu werden, so daß das Schlitzbild geradlinig ist. Darüber hinaus hat ein Linsensystem, welches eine Kombination von optischen Glaslinsen umfaßt, die kleinste Blendenzahl f und kein Reflexionsspiegel kommt ihm im Hinblick auf die Lichtsammelfähigkeit gleich. Im einzelnen kann im Falle einer Linse der Festwinkel für einen extrem schwachen Lichtemissionspunkt so groß wie möglich gemacht werden und eine Spektrallinie, die durch das spektroskopische System gebildet wird, kann so geradlinig gemacht werden wie möglich. Optische Linsen, die frei sind von Aberration und die eine Blendenzahl f von 1 oder kleiner haben und eine relativ lange Brennweite (f=50 mm) oder eine Blendenzahl f in der Größenordnung von 2,8 und eine lange Brennweite (f=400 mm), sind gegenwärtig problemlos erhältlich. Demzufolge kann auch dann ein geradliniges Spektrallinienbild erhalten werden, wenn die Einfalls- und die Beugungswinkel vergrößert werden. Da die Linsenlänge des Abbildungssystems kurz ist, ist das spektroskopische System in seinen Abmessungen darüber hinaus kleiner als dasjenige, welches einen Reflexionsspiegel benutzt, so daß selbst dann, wenn ein Mehrstufenspektralanalysator gebildet wird, die Gesamtabmessung relativ klein ist.
Aus den vorstehend beschriebenen Gründen verwendet die vorliegende Erfindung optische Linsen mit einer kleinen Blendenzahl f als Kollimator- und Abbildungssysteme und ein Reflexionsbeugungsgitter als spektroskopisches System, welches parallele Strahlenbündel, die durch die optische Linse gebildet worden sind, zur Bildung von Spektren beugt. Zusätzlich ist ein ein- oder zwei-dimensionaler Photodetektor mit hoher Empfindlichkeit oder vom Photonenzählertyp, der elektrisch ein Spektralintensitätsverteilungsbild feststellt, in einer Bildebene angeordnet, in der ein spektrales Verteilungsbild durch das Beugungsgitter und das Abbildungssystem gebildet wird, wodurch gleichzeitig Lichtintensitäten bei verschiedenen Wellenlängen festgestellt werden. Wenn ein Transmissionsbeugungsgitter anstelle des Reflexionsbeugungsgitters verwendet wird, ist es unmöglich, ein spektroskopisches System mit hoher Beugungseffizienz zu realisieren. Aus diesem Grund ist ein Transmissionsbeugungsgitter bei der Spektralanalyse extrem schwacher Strahlung einem Reflexionsbeugungsgitter unterlegen.
Die Fig. 1 zeigt die Grundform des hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die dargestlelte Vorichtung umfaßt ein Spektroskop 1 und einen hochempfindlichen ein- oder zwei-dimensionalen Photodetektor 6. Das Spektroskop 1 umfaßt einen Eingangsschlitz 2, der als optisches System dient, welches einen Meßpunkt auf einer Probe S zu einem Punkt oder Strich begrenzt, eine Kollimatorlinse 3 mit einer kleinen Blendenzahl f, die so angeordnet ist, daß ein Brennpunkt von ihr mit dem Eintrittsschlitz 2 zusammenfällt, um so viel Licht wie möglich, das aus dem Austrittsschlitz 2 austritt, aufzunehmen und in parallele Strahlen umzuwandeln, ein Reflexionsbeugungsgitter 4, welches die parallelen Strahlen von der Kollimatorlinse 3 zur Bildung von Spektren beugt, und eine Bildlinse 5, die die parallelen, durch das Reflexionsbeugungsgitter 4 gebeugten Strahlen in einer Bildebene P bündelt, um ein Spektralbild zu bilden. Der hochempfindliche ein- oder zwei-dimensionale Photodetektor 6 ist in eileer Bildebene P angeordnet, in der das Spektralbild gebilclet wird. Das Reflexionsbeugungsgitter 4 ist 50 angeordnet, daß es um das Zentrum C drehbar ist, wie es durch die Pfeile in der Figur angedeutet ist, um den Meßspektralbereich einzustellen.
Im Spektralanalysator wird extrem schwache Strahlung von der Probe S gebeugt in der Weise, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:
sin i + sin β = mλ/d,
wobei d der Gitterabstand des Reflexionsbeugungsgitters 4 ist, i der Winkel des Einfalls auf das Reflexionsbeugungsgitter 4, β der Beugungswinkel vom Reflexionsbeugungsgitter 4, λ die Wellenlänge und m die Beugungsordnung.
Als Ergebnis wird ein Spektralbild auf dem hochempfindlichen ein- oder zwei-dimensionalen Photodetektor 6 gebildet. Durch Analysieren des Ausgangs des Photodetektors 6 zum Erhalt der Koordinaten jedes Punktes des Bildes und einer Bildintensität in diesem Punkt ist es möglich, gleichzeitig die Spektralcharakteristika extrem schwacher Strahlung von einem Objekt zu messen, welches Biolumineszenz, Chemilumineszenz, extrem schwache Fluoreszenz, verursacht durch Anregungslicht, usw. produziert. Nebenbei bemerkt gibt es zwei Grundtypen, das ist ein Grundtyp (- erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall), bei welchem die Bildtinse 5 und der hochempfindliche ein- oder zwei-dimensionale Photodetektor 6 so angeordnet sind, daß sie die Gleichung für m=-1 erfüllen, und einen weiteren Grundtyp (+ erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall), in welchem die Bildlinse 5 und der hochempfindliche ein- oder zweidimensionale Photodetektor 6 so angeordnet sind, daß sie die obige Gleichung für m=+1 erfüllen. Die Fig. 2(a) zeigt das - erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall und die Fig. 2(b) zeigt das + erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall. In diesem Fall wird ein Blaze-Beugungsgitter als Reflexionsbeugungsgitter 4 verwendet und so angeordnet, wie es dargestellt ist.
Lassen Sie uns die Beziehung zwischen den Öffnungen der Kollimatorlinse 3 und der Bildlinse 5 in dem in Fig. 2(a) gezeigten - erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall oder dem in Fig. 2(b) gezeigten + erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall betrachten. Die Fig. 3 ist ein optisches Wegediagramm zur Untersuchung des - erster- Ordnung Spektroskops mit streifendem Einfall. Im Falle in dem die optische Achse der Bildlinse mit dem Halbierungswinkel βce des Beugungswinkels βa der kurzen Wellenlängenseite und des Beugungswinkels βb der langen Wellenlängenseite zusammenfällt, gilt
Di = l cos i
Do = l cos βce + 2LtanΔβ, Δβ=βa -βce,
wobei Di der Durchmesser der Kollimatorlinse 3 ist, l die Breite des Beugungsgitters 4, βce der Beugungswinkel der Mittelwellenlänge, Do der Durchmesser der Bildlinse 5 und L der Abstand vom Zentrum des Reflexionsbeugungsgitters 4 bis zur Bildlinse 5.
Bei diesem Typ eines Spektroskops muß die Bedingungen i< βce erfüllt sein, um es dem Licht zu ermdglichen, den Photodetektor 6 wirksam zu erreichen. Es muß daher die Öffnung der Bildlinse 5 so ausgewählt werden, daß sie die folgende Bedingung erfüllt:
Di> Do.
Das + erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall, wie es in Fig. 3(b) gezeigt ist, wird in gleicher Weise geprüft, um folgende Bedingungen zu erhalten:
Di = l cos i
Do = l cos βce + 2LtanΔβ, Δβ=βb -βce.
Bei diesem Typ von Spektroskop muß die Bedingung i> βce erfüllt sein, damit Licht den Photodetektor 6 wirksam erreichen kann. Es muß daher die Öffnung der Bildlinse so ausgewählt sein, daß sie die nachfolgende Bedingung erfüllt:
Di< Do.
Auf der Basis der vorstehenden Prüfung wird nunmehr betrachtet, welcher Spektroskoptyp gewählt werden soll entsprechend der Art des Lichts, welches der Spektralanalyse unterworfen werden soll. Da es beim - erster-Ordnung Spektroskop mit einfallendern Licht notwendig ist, das mit besonders geformten Stufen versehene Beugungsgitter so anzuordnen, daß das einfallende Licht auch auf die kurzen Beugungsflächen fällt, wie es in Fig. 3(a) dargestellt ist, wird das von den kurzen Beugungsflächen gebeugte Licht Streulicht und führt zu einem Anwachsen der Hintergrundstrahlung. Auf der anderen Seite ist beim + erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall das mit in bestimmter Weise geformten Stufen ausgebildete Sägezahnbeugungsgitter so angeordnet, daß kein Licht auf die kurzen Beugungsflächen fällt. Daher nimmt das Streulicht ab, aber die Öffnung der Bildlinse 5 muß größer sein als die der Kollimatorlinse 3, wie es oben beschrieben ist. Bei dem hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator gemäß der vorliegenden Erfindung hat jedoch die Kollimatorlinse 3 eine kleine Blendenzahl f und eine Öffnung, die so groß wie möglich ist. Es ist daher schwierig, eine Bildlinse zu verwenden, deren Öffnung größer ist als die der Kollimatorlinse 3. Wenn daher das + erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall eine Bildlinse 5 verwendet, die eine Öffnung besitzt, die so groß ist wie die der Kollimatorlinse 3, so ist der Verlust groß. Daher ist das - erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall geeignet zur Spektralmessung extrem schwacher spontaner Emissionen, wie beispielsweise Biolumineszenz, Chemilumineszenz usw. Auf der anderen Seite ist für die Spektralbestimmung extrem schwacher Fluoreszenz, wie sie durch Anregungslicht, Raman-Streulicht usw. verursacht wird, bei der Streulicht ein sehr schwerwiegendes Problem darstellt, das + erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall, bei welchem Streulicht das Signallicht nicht überdeckt, mehr geeignet, trotz einiger Lichtverluste. Wenn es möglich ist, eine gewünschte Öffnung und Blendenzahl f sowohl für die Kollimator- als auch die Bildlinse bei der Planung dieser Linsen zu realisieren, ist das + erster-Ordnung Spektroskop mit streifendem Einfall selbstverständlich besser geeignet auch für die Spektralmessung extrem schwacher spontaner Emissionen, wie Biolumineszenz, Chemilumineszenz usw.
Um eine Spektralanalyse von Licht von der Probe S durch den hochernpfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator zu hewirken, sind die Bildlinse 5 und das Reflexionsbeugungsgitter 4 mit einem Winkel zwischen ihnen so angeordnet, daß die Mittelwellenlänge des gebeugten Lichts der geeigneten Ordnung in das Zentrum des hochempfindlichen ein- oder zwei-dimensionalen Photodetektors 6 gelangt, wie es vorstehend beschrieben wurde, da das gebeugte, von der Bildlinse 5 ausgehende Licht Lichtbündel enthält, z.B. - erster-Ordnung gebeugtes Licht, + erster-Ordnung gebeugtes Licht usw., zusätzlich zum gebeugten Licht nullter Ordnung, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt muß die geometrisch optische Lichtaufnahmewirksamkeit mit dem Multiplexmultiwellenlängenspektroskop betrachtet werden, obgleich es nicht in Betracht gezogen werden muß im Falle des konventionellen Wellenlängenabtastsystems. Ganz speziell werden im Multiplexsystem Lichtstrahlen, die verschieden sind in ihrem Beugungswinkel, durch die Bildlinse gebündelt, so daß alles Licht im Beobachtungswellenlängenbereich gleichzeitig beobachtet wird. Wenn daher die Wellenlängen der beiden äußeren Zonen des Beobachtungswellenlängenbereichs eine große Winkeldifferenz bezüglich der optischen Achse der mittleren Wellenlänge aufweisen, ergibt sich infolge der Bildlinse 5 eine Verdunkelung, was zu einer Verringerung der Lichtempfangswirksamkeit führt. Um die Abnahme der Lichtmenge infolge dieser Eklipse zu minimieren, wird der Abstand von der Mitte des Reflexionsbeugungsgitters 4 zur Bildlinse 5 verkürzt. Der Winkel, unter welchem Licht von der Kollimatorlinse 3 auf das Reflexionsbeugungsgitter 4 auftrifft, muß in einem Bereich minimiert werden, innerhalb dessen die benötigte Linsenanordnung realisiert werden kann. Der vorstehend erwähnte Ausdruck für die Bildiinse gibt die Beziehung wieder zwischen der minimalen notwendigen Öffnung Do bezogen auf auf die Linse einfallendes Licht und dem Abstand L zur Bildlinse.
Als optisches System, welches einen Meßpunkt auf der Probe S auf einen Punkt oder eine Linie begrenzt, kann der Eintrittschlitz 2 durch ein optisches Element ersetzt werden, welches Licht von einer Probe oder von einem kleinen Bereich oder einem relativ breiten Bereich eines Probenbildes aufnimmt und Licht in Form eines Punkts oder eines linearen Strahls emittiert. Zum Beispiel kann ein optischer Konzentrator 2b, der Licht von einer Probe S durch ein Eingangsfenster sammelt und durch einen punktförmigen oder linearen Ausgang emittiert, Verwendung finden, wie im Falle eines hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. Es ist auch möglich, eine Nadelstichpore (pinhole) zu verwenden.
Obgleich bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen die Kollimatorlinse 3 und die Bildlinse 5 jeweils eine Einzellinse umfassen, ist es möglich, eine Standardlinse oder eine Telephotographielinse zu verwenden, die eine kleine Blendenzahl f aufweist und eine Vielzahl von sphärischen Linsen umfaßt, wie es beispielsweise in den Figuren 5(a) und 5(b) gezeigt ist. Es ist auch möglich, asphärische Linsen oder Fresnel-Linsen zu verwenden. Das gleiche gilt mit den nachfolgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Beispiele des Photonenzähltyps oder hochempfindlichen ein- oder zwei-dimensionalen Photodetektors 6 umfassen ein System (VIMS) mit einer Kombination einer zwei-dimensionalen Photonenzählröhre und einem niedrigvisuellen Persistenzvidicon, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, ein Photonenzählbildakquisitionssystem (PIAS) , wie es in Fig. 7 gezeigt ist, eine Photodetektorarrayanordnung umfassend Photodioden, die in Form eines Arrays angeordnet sind, eine CCD, und ein System, bei welchem die Lichtaufnahmeoberfläche eines solchen Photodetektors gekühlt wird, um das Rauchen zu minimieren und so hohe Empfindlichkeit zu erhalten.
Von diesen sollen VIMS und PIAS nachfolgend kurz erläutert werden. Bezugnehmend auf Fig. 6 werden Photonen, die auf einer photoempfindlichen Fläche 22 einer zwei-dimensionalen Photonenzählröhre 21 auftreffen, in Photoelektronen umgewandelt, die dann durch ein Gitter 23 und eine Elektronenlinse 24 passieren, um in eine zweistufige Mikrokanalplatte (MCP) 25 einzutreten, wo die Photoelektronen verstärkt werden und dann auf einen fluoreszenten Schirm 26 auftreffen, der eine Ebene zum Aussenden von hellen Lichtpunkten bildet. Die hellen Lichtpunkte werden auf eine photoelektrische Fläche eines niedrigvisuellen Persistenzvidicons 28 durch ein Linsensystem 27 fokussiert, was es ermöglicht, daß die zwei-dimensionalen Positionen der hellen Flecken, die den einfallenden Elektronen entsprechen, als Pulssignale vom Ausgang des Vidicons 28 abgenommen werden können. Dementsprechend kann durch Erhalt der Verteilung der hellen Flecken ein Spektralverteilungsbild extrem schwacher Strahlung erhalten werden.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten PIAS hat der Abschnitt, der die photoelektrische Oberfläche 22 zum MCP 25 umfaßt, die gleishe Anordnung wie der des VIMS, das in Fig. 8 dargestellt kst (obgleich das MCP 25 in Fig. 8 ein dreistufiges MCP ist). Elektronengruppen vom MCP 25 treten in einen Silziumhalbleiterpositionsdetektor (PSD) 29 ein, der auf der Rückseite des MCP 25 angeordnet ist, wo sie durch einen Elektronenbombardierungseffekt weiter verstärkt werden und dann vom PSD 29 in Form eines Pulssignals ausgegeben werden. Der PSD 29 ist ein elektrischer Ladungsverteilungspositionsdetektor mit vier Signalausgangselektroden 30 am Umfang, in dem innerhalb des PSD 29 produzierte elektrische Ladungen an die vier Elektroden 30 über eine Oberflächenwiderstandsschicht entsprechend den Positionen, in denen sie produziert wurden, verteilt werden. Als Ergebnis erhält man von den vier Elektroden Signale entsprechend den baryzentrischen Positionen von Elektronengruppen, die in den PSD 29 eintreten, d.h. die Positionen der hellen Flecken. Die vom PSD 29 erhaltenen Pulssignale werden in entsprechenden Verstärkern 32 verstärkt und dann einer Positionszähleinheit 31 zugeführt. Durch Integrierung dieser Pulssignale in entsprechenden Integrationskreisen 33 wird eine elektrische Ladungsmenge von jeder Elektrode 30 erhalten. Als nächstes werden die resultierenden Signale einem Addier-Subtrahierkreis 34 zugeführt und dann zu Teilern 36 durch ein Window- Tor 35, wo sie in Positionssignale umgewandelt werden, die dann, bevor sie ausgegeben werden, in AD-Konvertern 37 AD- konvertiert werden. Durch Verarbeiten der Ausgangssignale wird eine Hellfleckverteilung erhalten. Auf diese Art und Weise erhält man ein Spektralverteilungsbild extrem schwacher Strahlung. In Figuren 6 und 7 bezeichnet das Bezugszeichen Lo eine Objektivlinse, durch welche ein Bild der einfallenen Photonen (dargestellt durch den Pfeil) auf der photoelektrischen Fläche 12 gebildet wird.
Das Nachfolgende ist eine Beschreibung eines hochempfindlichen Multiwellenlängenspektroskopiesystems mit einem hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Bezugnehmend auf Fig. 9(a) ist das Spektroskop 1 gem. Fig. 1 so angeordnet, daß der Eingangsschlitz an der Oberseite liegt und eine Probe S ist in einer Probenkammer 10 mit einer Temperaturkontrolle derart angeordnet, daß die Probe S in direktem Kontakt mit der Oberseite des Schlitzes steht, wodurch ein Spektralverteilungsbild extrem schwacher Strahtung von der Probe S mit einem hochempfindlichen ein- oder zwei-dimensionalen Photodetektor 6 gemessen wird. Das Bezugszeichen 9 in der Zeichnung bezeichnet den Winkeleinstellmechanismus für das Beugungsgitter des Spektroskops 1. Die Fig. 8(b) zeigt ein hochempfindliches Multiwellenlängenspektroskopiesystem, bei welchem die Probe S nicht in direktem Kontakt mit dem Spektroskop 1 steht, sondern ihm unter Zwischenordnung einer Kondensorlinse 11 gegenübersteht. Obgleich eine Fresnel-Linse als Kondensorlinse 11 benutzt wird, ist es klar, daß auch eine normale sphärische Linse anstelle von ihr verwendet werden kann. Wenn eine Leuchtprobe eine zu große Fläche aufweist, kann die Fresnel-Linse 11 jedoch als eine Linse verwendet werden, die nur geradlinig sich ausbreitendes Licht von der Probe S einbringt statt sie als Bildlinse zu verwenden, so daß die Menge des in das Spektroskop eintretenden Lichts vergrößert werden kann. Was die Kondensorlinse 11 anlangt, so ist es notwendig eine Linse zu verwenden, die eine Blendenzahl f gleich oder kleiner als die der Kollimatorlinse 3 im Spektroskop 1 hat, so daß der Konvergierwinkel des Lichts von der Kondensorlinse 11 nicht kleiner ist als der Lichtakzeptanzwinkel der Kollimatorlinse 3. Obgleich die spektroskopischen Systeme, die in Figuren 8(a) und 9(b) dargestellt sind, so ausgebildet sind, daß Licht, welches von der Probe nach unten emittiert wird, zur Spektralanalyse empfangen wird, ist es offensichtlich, daß, wenn Licht von der Probe nach oben oder seitwärts emittiert wird und dies der Spektralanalyse unterzogen werden soll, das Spektroskop 1 und die zugehörigen Elemente entsprechend der Richtung des Lichts von der Probe angeordnet sein sollten.
Obgleich in der vorstehend beschriebenen Anordnung ein einziges Spektroskop verwendet wird, um einen hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator zu bilden, ist die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise hierauf beschränkt. Wenn Spektroskope in zwei oder mehreren Stufen angeordnet sind, um eine Anordnung für eine additive Dispersion zu bilden und so die Winkelverteilung zu kontrollieren durch mehrfache Verwendung des gebeugten Lichts, kann dadurch die Gesamtauflösungskraft verbessert werden. Eine solche Anordnung ist besonders wirksam, wenn die Wellenlängendifferenz zwischen dem Anregungslicht und dem Raman-Streulicht in der Raman-Spektroskopie klein ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, Spektroskope mit zwei oder mehr Stufen für subtraktive Dispersion auszubilden. Beispiele solcher vielstufiger, hochempfindlicher, Multiplexmultiwellenlängenspektralanalysatoren gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Figuren 9 bis 11 dargestellt. Die Fig. 9 zeigt einen vielstufigen Spektralanalysator, in welrhem vier - erster-Ordnung Spektroskope mit streifendem Einfall l&sub1; bis l&sub4;, wie sie in Fig. 2(a) gezeigt sind, in Serie in Form eines Quadrats angeordnet sind. Die Fig. 10 zeigt einen vielstufigen Spektralanalysator mit vier + erster-Ordnung Spektroskopen mit streifendem Einfall l&sub1; bis l&sub4;, wie sie in Fig. 2(b) gezeigt sind, die dabei in Reihe in Form eines Quadrats angeordnet sind. Die Fig. 11 zeigt einen vielstufigen Spektralanalysator mit drei + erster-Ordnung Spektroskopen mit streifendem Einfall l&sub1; bis l&sub3;, die in Reihe angeordnet sind. Es sollte an dieser Stelle angemerkt werden, daß die Zahl der Stufen nicht notwendigerweise auf die vorstehend beschriebenen beschränkt ist. Es ist auch möglich, den - erster-Ordnung Spektroskoptyp mit streifendem Einfall und den + erster-Ordnung Spektroskoptyp mit streifendem Einfall zu kombinieren.
Mit dem hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanaysator, wie er vorstehend beschrieben wurde, ist es möglich, eine Spektralanalyse extrem schwacher Strahlung, wie beispielsweise Fluoreszenz, Raman-Streulicht usw., durchzuführen. Ein System zur Spektralanalyse derart extrem schwacher Strahlung wird unten erläutert werden. Die Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zur Spektralanalyse von Fluoreszenz oder Raman-Streulicht von einer Probe S gewöhnlicher Größe. Licht von einer Anregungslichtquelle 40 wird durch das Spektroskop 41 zur Anregung geleitet, um Anregungslicht einer gewünschten Wellenlänge herauszunehmen und die Probe S wird mit dem Anregungslicht bestrahlt. Fluoreszenz oder Raman-Streulicht von der Probe S wird aufgenommen von einem hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator 50 gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Linsen, um eine simultane Multiwellenlängenspektralanalyse zu bewirken. Im Falle der Analyse von Fluoreszenz genügt im allgemeinen ein hochempfindlicher Multiwellenlängenspektralanalysator 50, umfassend ein einzelnes Spektroskop. Im Falle der Spektralanalyse von Raman-Streulicht ist es jedoch, da die Wellenlängendifferenz zwischen dem Anregungslicht und Streulicht klein ist, notwendig, einen hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator 50 umfassend Spektroskope in Vielstufenanordnung zu verwenden, wie sie in den Figuren 9 bis 11 dargestellt sind, der eine hohe Wellenlängenauflösung ergibt (das gleiche ist der Fall mit der weiter unten gezeigten mikrospektroskopischen Analyse). Wird ein Laser als Anregungslichtquelle 40 verwendet, so ist kein Spektroskop 41 zur Anregung erforderdich.
Um eine Spektralanalyse extrem schwacher Strahlung, wie beispielsweise Fluoreszenz, Raman-Streulicht usw., von einer sehr kleinen Probe durchzuführen, wird ein mikrospektroskopisches System, wie das in Fig. 13 gezeigte, verwendet, wodurch es möglich ist, eine simultae Multiwellenlängenspektralanalyse hoher Lichtstärke durchzuführen, welche die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators 50 ausnutzt. Beim Stand der Technik bestimmt selbst dann, wenn Linsen mit einer kleinen Blendenzahl f als Objektivlinsen 51 und Bildlinsen 52 verwendet werden, die scheinbare Heltigkeit oder Leuchtkraft des Spektroskops die Sensitivitätsgrenze, da die Blendenzahl f des Linsensystems des Spektroskops 50 groß ist. Die Verwendung des erfindungsgernäßen hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators macht es möglich, eine mikrospektroskopische Analyse von Fluoreszenz der Ordnung f=1 und eine mikrospektroskopische Analyse von Raman-Streulicht der Ordnung f=2,8 durchzuführen. Im einzelnen wird Fluoreszenz oder Raman-Streulicht von einer Probe S, die angeregt ist durch Licht von einer Anregungslichtquelle Lsl oder Ls2, in parallele Lichtstrahlen umgewandelt durch eine Objektivlinse 51 mit einer kleinen Blendenzahl f und dann auf den Eintrittsschlitz 2 des hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators 50 gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Bildlinse 52 fokussiert, welche die gleiche Blendenzahl f aufweist wie die Objektivlinse 51. Da Fluoreszenz oder Raman-Streulicht von der Probe S mit einem großen Festwinkel aufgenommen wird, durch Verwendung der Objektiv- und Bildlinsen 51 und 52 mit einer kleinen Blendenzahl f und dieses Licht den hochempfindlichen Multiwellenspektralanalysator 50 erreicht, ist es daher möglich, eine Spektralanalyse hoher Helligkeit im hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator 50 durchzuführen. Es sollte vermerkt werden, daß die Blendenzahl f der Kollimatorlinse im hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator 50 gleich oder so nahe wie möglich der Blendenzahl f der Objektiv- und der Bildlinsen 51 und 52 ist. Wenn die Blendenzahl f der Objektiv- und Bildlinsen 51 und 52 größer ist als die der Kollimatorlinse, geht ein Teil des Lichts verloren (d.h. wenn die Blendenzahl f der Objektivlinse 51 übermäßig groß ist, ergibt sich ein Verlust der Menge des aufgenommenen Lichts vom Emissionspunkt der Probe S; falls die Blendenzahl f der Bildlinse 52 übermäßig groß ist, wird das Bild des Emissionspunkts auf der Probe S, das am Eintrittsschlitz 2 gebildet wird, zu stark vergrößert, so daß das Bild durch den Schlitz 2 teilweise abgeschnitten wird, was zu einem Verlust führt). In einem solchen Fall kann die hohe Lichtstärke des hochempfindlichen Multiwellenspektralanalysators 50 nicht zur Gänze ausgenutzt werden. In Fig. 13 bezeichnet das Bezugszeichen 53 einen dichroitischen Spiegel, der Licht von der Anregungslichtquelle Ls2 zur Probe S lenkt und Fluoreszenz oder Raman-Streulicht von der Probe S durchläßt, und 54 einen Probeabtastmechanismus, der die Probe S abtastet, um die Analysierpunkte sukzessive zu ändern.
Beiläufig vermerkt, sind die Lichtdurchlässigkeitscharakteristika der Linsen durch das Glasmedium, aus dem sie bestehen, begrenzt. Im allgemeinen gibt es eine große Anzahl verschiedener Glasarten, deren Lichttransmissionscharakteristika im sichtbaren Bereich exzellent sind, während es nur eine relativ kleine Anzahl von Glasarten gibt, deren Lichttransmissionscharakteristika im nahen Infrarot- und im infrarotbereich sehr gut sind. Demzufolge kann ein hochempfindliches Spektroskop, welches hauptsächlich für den sichtbaren Bereich konzipiert ist, Linsen mit hoher Leuchtkraft verwenden. Da die Spektralanalyse von Fluoreszenz oder Raman-Streulicht im allgemeinen im sichtbaren Bereich durchgeführt wird, wird der hochempfindliche Multiwellenlängenspektralanalysator der vorliegenden Erfindung als von diesem Gesichtspunkt aus geeignet angesehen. Es ist anzumerken, daß der hochempfindliche Multiwellenlängenspektralanalysator der vorliegenden Erfindung selbstverständlich zur Spektralanalyse von Lumineszenz, Fluoreszenz und Raman- Streulicht auch für die Absorptionsspektroskopie und die Reflexionsspektroskopie eingesetzt werden kann.
Vorteile des Multiplexverfahrens durch den hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator der vorliegenden Erfindung über das Wellenlängenabtastverfahren durch einen Monochromator werden weiter unten kurz erläutert.
Das Multiplexverfahren hat zwei Vorteile, das ist die Beobachtungszeit und die Verringerung von Dunkelrauschen.
Angenommen die Beobachtungszeit sei T, während der eine Multiplexspektroskopie für einen Wellenlängenbereich W ausgeführt wird mit einem Detektor der Größe L und N Pixels und mit einer Wellenlängenauflösung R, so ist die Beobachtungszeit für jedes Pixel T und die Beobachtungszeit pro Wellenlängenauflösung ebenfalls T. Im Gegensatz dazu ist im Falle, daß der gleiche Wellenlängenbereich der gleichen Auflösung durch das Wellenlängenabtastverfahren gemessen wird, dann, wenn der Wellenlängenbereich W mit der Zeit T abgetastet wird, die Beobachtungszeit pro Wellenlängenauflösung T R/W, da nur Licht einer Wellenlängenbreite, die aus dem Austrittsschlitz heraustritt (die Auflösung ist bestimmt durch die Wellenlängenbreite des Austrittsschlitzes) beobachtet wird. Vom Zeitpunkt der Observationszeit macht es das Multiplexverfahren möglich, eine W/R-fache Verbesserung gegenüber dem Wellenlängenabtastverfahren zu erreichen
Das Dunkelrauschen ist proportional zur Fläche der lichtaufnehmenden Oberfläche. Angenommen daß beide Verfahren Detektoren verwenden, deren Lichtaufnahmeoberflächen gleich groß sind, kommt im Falle des Multiplexverfahrens Licht einer bestimmten Wellenlänge an einem Ort der lichtaufnehmenden Oberfläche des Detektors an, die äquivalent ist zur Auflösungswellenlängenbreite. Demzufolge ist es für Dunkelrauschen, das äquivalent ist zu Licht dieser Wellenlänge, lediglich erforderlich, Dunkelrauschen an einer Stelle in Betracht zu ziehen, wo Licht ankommt. Unter der Annahme, daß Dunkelrauschen auf der gesamten Fläche der Lichtaufnahmeoberfläche des Detektors D ist, so ist das Dunkelrauschen, das äquivalent ist zur Auflösungswellenlängenbreite, D R/W. Im Gegensatz zur Wellenlängenabtastmethode ist D konstant für jede Wellenlänge unabhängig von der Auflösung, infolge der Verwendung eines Einkanaldetektors.
Mit anderen Worten ausgedrückt hat die vorliegende Erfindung die Vorteile des Multiplexverfahrens in zweifacher Hinsicht, sowohl was die Beobachtungszeit als auch die Reduktion des Dunkelrauschens anlangt, und ermöglicht eine große Verbesserung der Empfindlichkeit, insbesondere im hochauflösenden Bereich.
Im nachfolgenden wird ein Vergleich des S/N-Verhältnisses zwischen den beiden Methoden durchgeführt. Angenommen daß die Energien pro Auflösung bei den beiden Methoden Im und Is sind, die Signalerzeugungswahrscheinlichkeiten der entsprechenden Detektoren Pm und Ps, und die Meßzahlen des Dunkelrauschens, das auf den Gesamtflächen der photoempfindlichen Oberflächen der Detektoren erzeugt wird, Dm und Ds, so ergeben sich die Signalmenge (Ns), die Dunkelrauschmenge (Nd) und die Beobachtungszeit pro Auflösung beim Multiplexverfahren zu
Signalmenge (Ns) = Pm Im
Dunkelrauschmenge (Nd) = Dm (R/W)
Beobachtungszeit/Auflösung = T.
Die Signalmenge (Ns), die Dunkelrauschmenge (Nd) und die Beobachtungszeit pro Auflösung beim Wellenlängenabtastverfahen sind gegeben durch
Signalmenge (Ns) = Ps Is
Dunkelrauschmenge (Nd) = Ds
Beobachtungszeit/Auflösung = T(R/W).
Angenommen, daß W/R=M, wobei M die Anzahl der Spektralelemente ist, wird das SN-Verhältnis (S/N)m des Multiplexverfahrens und das S/N-Verhältnis (S/N)s des Wellenlängenabtastverfahrens wiedergegeben durch
(S/N)m=Pm Im T1/2/(Pm Im+Dm/M)1/2
(S/N)s=Ps Is (T/M)1/2/(Ps Is+Ds)1/2
Nimmt man an, daß die beiden Verfahren die identischen Spektroskope benutzen und gleich sind bezüglich der Detektoreigenschaften, ist dementsprechend Im=Is, Pm=Ps, und Dm=Ds. Es ergibt sich somit der folgende Schluß in Bezug auf das Verhältnis zwischen den S/N-Verhältnissen der beiden Verfahren:
Ns> > Nd (wenn das Photonenrauschen dominant ist)
(S/N)m/(S/N)s=M1/2
Ns=Nd (wenn Photonenrauschen und Detektorrauschen gleich groß sind)
(S/N)m/(S/N)s=21/2M/(M+1)1/2
Ns< < Nd (wenn das Detektorrauschen dominant ist)
(S/N)m/(S/N)s=M
Demzufolge macht es das Multiplexverfahren beim hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysator der vorliegenden Erfindung möglich, wenigstens eine M1/2-fache Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber dem Wellenlängenabtastverfahren durch den Monochromator zu erwarten.
Die Fig. 14 zeigt gemessene Werte für die Empfindlichkeit des hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators, wie er auf einer Versuchsbasis entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert worden ist. Die Messung wurde ausgeführt durch Verwendung von Licht der Wellenlänge 546 nm unter den Emissionslinien von Quecksilber mit einer Auflösung von 6,5 nm. Die Eingangsschlitzbreite war 200 um und die Höhe 10 mm. Ein Detektor, umfassend eine Kombination einer zwei-dimensionalen Photonenzählröhre und eines niedrigvisuellen Persistenzvidicons, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, wurde verwendet. Wie man aus dem Graphen der Fig. 14 ersehen kann, war das kleinste feststellbare Signal 10&supmin;¹&sup5;W bei einer Torzeit von 10 sec. und 10&supmin;¹&sup6;W bei einer Torzeit von 400 sec. Beim Stand der Technik war der beste feststellbare Minimalwert 10&supmin;¹²W. Von diesem Gesichtspunkt aus wird die hohe Empfindlichkeit des hochempfindlichen Multiwellenlängenspektralanalysators der vorliegenden Erfindung verständlich.
Der hochempfindliche Multiwellenlängenspektralanalysator der vorliegenden Erfindung hat somit das optische System 2, welches einfallendes Licht auf einen Punkt oder einen linearen Strahl limitiert, die Kollimatorlinse 3 mit einer kleinen Blendenzahl f, das Reflexionsbeugungsgitter 4, die Bildlinse 5 mit einer kleinen Blendenzahl f und die Photonenzählröhre oder den hochempfindlichen ein- oder zwei-dimensionalen Photodetektor 6 und er realisiert die folgenden ausgezeichneten Effekte bezüglich der Spektralanalyse extrem schwacher Strahlung von der Probe S, wie Biolumineszenz, Chemilumineszenz, extrem schwacher Fluoreszenz, verursacht durch Anregungslicht, Raman-Streulicht usw. Insbesondere sorgt das optische System 2, welches einfallendes Licht auf einen Punkt oder linearen Strahl begrenzt, dafür, daß Licht von der Probe S in die Kollimatorlinse 3 als Licht von einer Punktlichtquelle oder einer linearen Lichtquelle eintritt, und die Kollimatorlinse 3 wandelt das Licht von der Probe S in parallele Strahlen mit hoher Parallelität um und ermöglicht es allen parallelen Strahlen, in das Reflexionsbeugungsgitter 4 einzutreten. Demzufolge kann das Reflexionsbeugungsgitter 4 seine Auflösungskraft voll ausspielen und extrem schwaches Licht zur Erzielung von Spektren wirksam beugen. Zusätzlich können die Kollimatorlinse 3 und die Bildlinse 5 in enger Nachbarschaft zum Reflexionsbeugungsgitter 4 angeordnet werden und brauchen nicht in einer außeraxialen Anordnung verwendet zu werden, so daß das gesamte einfallende Licht wirksam für eine hochauflösende Simultanmultiwellenlängenspektralanalyse ausgenützt werden kann und es möglich ist, eine Reduktion der Gesamtgröße der Apparatur zu erreichen. Der bedeutendste Effekt ist, daß - da Linsen mit Blendenzahlen f so klein wie möglich als Kollimatorlinse 3 und als Bildlinse 5 verwendet werden können - die Lichtsammelfähigkeit des Geräts, die durch die beiden Linsen bestimmt wird, befriedigend erhöht werden kann. Durch Kombinierung des Spektroskops mit einem Photonenzählertyp oder hochempfindlichen ein- oder zwei-dimensionalen Photodetektor 6 ist es möglich, eine simultane Multiwellenlängenanalyse extrem schwacher Strahlung, wie Biolumineszenz, Chemilumineszenz, extrem schwacher Fluoreszenz, verursacht durch Anregungsstrahlung, Raman-Streulicht usw., zu erreichen, die bisher äußerst schwierig nur erzielt werden konnte. Der Spektralanalysator der vorliegenden Erfindung ist daher nützlich als Mittel zur Untersuchung lebender Organismen und von Spurenkomponenten durch Verwendung von Biolumineszenz, Chemilumineszenz, extrem schwacher Fluoreszenz, verursacht durch Anregungslicht, Raman-Streulicht usw.

Claims

1. Multiwellenlängen-Spektralanalysator umfassend:

ein Spektroskop mit einem optischen System (2), welches einfallendes Licht begrenzt, eine Kollimatorlinse (3), die so angeordnet ist, daß ein Brennpunkt der Kollimatorlinse mit einem Austrittsende des optischen Systems (2) zusammenfällt, um von diesem Austrittsende austretendes Licht in parallele Strahlen zu verwandeln, ein Reflexionsbeugungsgitter (4), welches die parallelen Strahlen von der Kollimatorlinse (3) zur Erzeugung eines Spektrums beugt und eine Bildlinse (5), die die parallelen, vom Reflexionsbeugungsgitter (4) gebeugten Strahlen in einer Bildebene fokussiert, um ein Spektralbild zu erzeugen, und eine Fotodetektoreinrichtung (6), die in der Bildebene der genannten Bildlinse (5) angeordnet ist und sich längs einer Achse erstreckt bezüglich deren der Beugungswinkel der genannten parallelen Strahlen mit der Wellenlänge variiert, wobei die genannte Bildlinse (5) und die genannte Fotodetektoreinrichtung so angeordnet sind, daß die optische Achse der genannten Bildlinse (5) mit einer Achse zusammenfällt, die einen Winkel halbiert, der definiert wird durch die Wege des gebeugten Lichts erster Ordnung von kürzeren und längeren Wellenlängen, die zu den jeweils entgegengesetzten Begrenzungen der Fotodetektoreinrichtung (6) verlaufen, wodurch die genannte optische Achse im wesentlichen mit einem Zentrum der genannten Achse der besagten Fotodetektoreinrichtung (6) zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Spektralanalysator für die spektrale Messung extrem schwacher Strahlungen von Biolumineszenz oder Chemolumineszenz ausgelegt ist, indem das genannte Reflexionsbeugungsgitter (4) ein Sägezahn- Beugungsgitter ist, daß die genannte Kollimatorlinse (3), das Sägezahn-Beugungsgitter (4) und die genannte Bildlinse (5) so angeordnet sind, daß die besagte Fotodetektoreinrichtung (6) ein Spektralbild von gebeugtem Licht - erster Ordnung empfängt und daß die genannte Kollimatorlinse einen größeren Durchmesser hat als die genannte Bildlinse (5), wodurch der Verlust von auftreffendem Licht stärker minimiert wird als der von Streulicht.

2. Multiwellenlängen-Spektralanalysator umfassend:

ein Spektroskop mit einem optischen System (2), welches einfallendes Licht begrenzt, eine Kollimatorlinse (3), die so angeordnet ist, daß ein Brennpunkt der Kollimatorlinse mit einem Austrittsende des optischen Systems (2) zusammenfällt, um von diesem Austrittsende austretendes Licht in parallele Strahlen zu verwandeln, ein Reflexionsbeugungsgitter (4), welches die parallelen Strahlen von der Kollimatorlinse (3) zur Erzeugung eines Spektrums beugt und eine Bildlinse (5), die die parallelen, vom Reflexionsbeugungsgitter (4) gebeugten Strahlen in einer Bildebene fokussiert, um ein Spektralbild zu erzeugen, und eine Fotodetektoreinrichtung (6), die in der Bildebene der genannten Bildlinse (5) angeordnet ist und sich längs einer Achse erstreckt bezüglich deren der Beugungswinkel der genannten parallelen Strahlen mit der Wellenlänge variiert, wobei die genannte Bildlinse (5) und die genannte Fotodetektoreinrichtung so angeordnet sind, daß die optische Achse der genannten Bildlinse (5) mit einer Achse zusammenfällt, die einen Winkel halbiert, der definiert wird durch die Wege des gebeugten Lichts erster Ordnung von kürzeren und längeren Wellenlängen, die zu den jeweils entgegengesetzten Begrenzungen der Fotodetektoreinrichtung (6) verlaufen, wodurch die genannte optische Achse im wesentlichen mit einem Zentrum der genannten Achse der besagten Fotodetektoreinrichtung (6) zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralanalysator für die spektrale Messung von Raman-Streulicht oder Fluoreszenz ausgelegt ist, die durch Anregungslicht verursacht wird, daß das genannte Reflexionsbeugungsgitter (4) ein Sägezahn-Beugungsgitter ist, daß die genannte Kollimatorlinse (3), das Sägezahn-Beugungsgitter (4) und die genannte Bildlinse (5) so angeordnet sind, daß die Fotodetektoreinrichtung (6) ein Spektralbild von gebeugtem Licht + erster Ordnung empfängt und daß die genannte Bildlinse (5) einen größeren Durchmesser aufweist als die Kollimatorlinse (3), so daß Streulicht in einem stärkeren Ausmaß minimiert wird als der Verlust an einfallendem Licht minimiert wird.

3. Spektralanalysator nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Fotodetektoreinrichtung (6) so ausgebildet ist, daß sie ein zwei-dimensionales Spektralbild analysieren kann.

4. Hochempfindlicher Multiwellenlängen-Spektralanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das genannte optische System entweder ein Schlitz oder ein kleines Loch ist.

5. Hochempfindlicher Multiwellenlängen-Spektralanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das genannte optische System Licht von einer Probe oder von einem kleinen Bereich oder einem relativ großen Bereich eines Probenbildes erhält und Licht in Form eines Punkt- oder linearen Strahls emittiert.

6. Hochempfindlicher Multiwellenlängen-Spektralanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine Vielzahl der genannten Spektroskope, die vom gleichen oder von unterschiedlichen Typen sind, in einer mehrstufigen Struktur für eine additive oder subtraktive Dispersion angeordnet sind, um auf diese Art und Weise die Winkeldispersion durch mehrfache Verwendung von gebeugtem Licht zu kontrollieren.

7. Hochempfindlicher Multiwellenlängen-Spektralanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der darüber hinaus eine erste positive Linse mit einer kleineren f-Zahl enthält als die genannte Kollimatorlinse, wobei die erste positive Linse lumineszenz-, fluoreszenz- oder Raman gestreutes Licht von einem kleinen Punkt auf der Probe in im wesentlichen parallele Strahlen umwandelt, und eine zweite positive Linse mit einer kleineren f- Nummer als die genannte Kollimatorlinse, wobei diese zweite positive Linse die genannten parallelen Strahlen auf das optische System fokussiert.

8. Hochempfindlicher Multiwellenlängen-Spektralanalysator nach Anspruch 7, bei welchem ein Spektralanalysepunkt auf der Probe bezüglich des vorderen Brennpunkts der genannten ersten positiven Linse abgetastet wird.