DE10247742B4

DE10247742B4 - High resolution spectrometer

Info

Publication number: DE10247742B4
Application number: DE2002147742
Authority: DE
Inventors: Andreas Wuttig; Rainer Riesenberg; Christian Schachtzabel; Stefan Winter
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV; Analytik Jena AG
Current assignee: Codion Optics De
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: WO2004036160A1; EP1549921A1; DE10247742A1

Abstract

Hochauflösendes Spektrometer mit einer aus einzelnen Spalten bestehenden Spaltanordnung, einem abbildenden, in Breitenrichtung der Spalte dispergierenden optischen Element und einer zweidimensionalen, aus Einzeldetektoren bestehenden Detektoranordnung, auf die die Spaltanordnung unter Aufspaltung nach Wellenlängen in Breitenrichtung abgebildet wird und die sich in der Abbildungsebene parallel zur Breiten- und Längsrichtung der Spalte erstreckt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
– zur gleichzeitigen Abtastung der spektralen Intensitätsverteilung an mehreren Wellenlängen sind die Spalte der Spaltanordnung im Spektrometerstrahlengang in Längsrichtung übereinander und in Breitenrichtung versetzt angeordnet;
– die durch die Spalte verursachten Spektrenbilder sind um nicht ganzzahlige Vielfache des Mittenabstandes zweier benachbarter Detektoren in Breitenrichtung gegeneinander versetzt;
– die in der Abbildungsebene befindlichen Detektoren tasten die von den Spalten erzeugten Subpixelinformationen gleichzeitig zur Weitergabe an eine Auswerteeinrichtung ab.A high-resolution spectrometer comprising a columnar array, an imaging widthwise gap-dispersing optical element, and a two-dimensional detector array consisting of single detectors onto which the slit array is split to wavelengths in the image plane and which is parallel to the widths in the image plane and longitudinal direction of the column, characterized by the combination of the following features:
For the simultaneous scanning of the spectral intensity distribution at a plurality of wavelengths, the gaps of the slit arrangement in the spectrometer beam path are arranged one above the other in the longitudinal direction and offset in the width direction;
- The spectral images caused by the column are offset by non-integer multiples of the center distance of two adjacent detectors in the width direction against each other;
- The detectors located in the image plane scan the subpixel information generated by the columns at the same time for transmission to an evaluation device.

Description

Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Spektrometer gemäß der Gattung der Patentansprüche. Sie kommt insbesondere bei Array-Spektrometern zur Anwendung.The The invention relates to a high-resolution spectrometer according to the genus of the claims. It comes especially with array spectrometers for use.

Bekanntlich ist die Auflösung von Arrayspektrometern durch die Anzahl der spektralen Messpunkte gegeben, die in der Regel gleich der Pixelzahl linearer Detektorarrays ist. Der Quotient aus spektralem Messbereich und spektraler Auflösung ist proportional der Zahl der benötigten spektralen Messpunkte bzw. der Anzahl der Pixel. Insbesondere im NIR- und im IR-Spektralbereich ist die Pixelzahl kommerzieller Arrays für die hochauflösende Spektroskopie viel zu klein. Das gilt z. B. auch für hochauflösende Raman-Spektrometer im UV-VIS Spektralbereich.generally known is the resolution of array spectrometers by the number of spectral measurement points which are usually equal to the pixel number of linear detector arrays is. The quotient of spectral measuring range and spectral resolution is proportional to the number of needed spectral measuring points or the number of pixels. Especially in NIR and in the IR spectral region is the pixel number of commercial arrays for the high-resolution Spectroscopy far too small. This applies z. B. also for high-resolution Raman spectrometer in the UV-VIS spectral range.

Bekannt ist es, vor allen Dingen für leistungsfähige Geräte der Raumfahrt, viele Detektorzeilen nebeneinander anzuordnen. Die resultierenden Geräte sind zu groß und kostenintensiv. Das dabei auftretende größere Öffnungsverhältnis bedingt eine Erhöhung der Abbildungsfehler und begrenzt somit die erreichbare spektrale Auflösung.Known is it, especially for powerful equipment Space travel, many detector lines next to each other to arrange. The resulting devices are too big and expensive. The occurring larger opening ratio causes an increase in the Aberration and thus limits the achievable spectral resolution.

Weiterhin ist es bekannt, die Abbildung der Spektren des Eingangsspaltes mehrfach versetzt zueinander vorzunehmen, so dass virtuell auf dem Detektorarray Subpixel erzeugt und ausgewertet werden können. Um die Subpixel zu erzeugen, ist aber ein Bewegung, d. h. ein Scannen oder Schalten des oder der Eingangsspalte nötig, was u. a. das Spektrometer langsamer werden lässt und zusätzlich hochgenaue Stellmittel erfordert.Farther it is known, the mapping of the spectra of the entrance slit multiple times offset from each other so that virtually on the detector array Subpixels can be generated and evaluated. To create the subpixels, but is a movement, d. H. a scanning or switching the or the entrance column needed, what u. a. the spectrometer slows down and in addition highly accurate adjustment means requires.

In der DE 694 06 888 T2 ist ein Spektrophotometer mit einem Schrägspalt beschrieben, der sich in seiner Längsrichtung über den aktiven Teil der Detektoranordnung erstreckt. Infolge der Schräglage des Spaltes kommt es zu Verschmierungseffekten bei der Spaltabbildung, die erhöhte Aufwendungen bei der Auswertung der Spaltspektren erfordern bzw. die Auswertung stark behindern.In the DE 694 06 888 T2 a spectrophotometer is described with a slant gap extending in its longitudinal direction over the active part of the detector array. Due to the skew of the gap, there are smearing effects in the gap image, which require increased expenses in the evaluation of the gap spectra or greatly hamper the evaluation.

Die DE 693 04 315 T2 offenbart eine regelbare optische Komponente, die es ermöglicht, einen jeweiligen Spalt durch einen mechanischen Verstellvorgang sehr genau bezüglich einer Mittenposition einzustellen. Dabei kann ein Austausch der Spalte, die unter anderem innerhalb eines Abstandes zweier benachbarter Fotodioden gleichmäßig quer versetzt sein können, auch durch Verschieben einer Spaltplatte in Richtung ihrer gemeinsamen Längsrichtung stattfinden.The DE 693 04 315 T2 discloses a controllable optical component which makes it possible to adjust a respective gap very precisely with respect to a center position by a mechanical adjustment process. In this case, an exchange of the column, which may be uniformly transversely offset inter alia within a distance of two adjacent photodiodes, also take place by moving a gap plate in the direction of their common longitudinal direction.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hohe Zahl von spektralen Messpunkten gleichzeitig mit einer sehr kompakten Anordnung zu erzeugen. Insbesondere ist eine Spektrometeranordnung auf der Basis eines Array-Spektrometers zu schaffen, die höchste spektrale Auflösung mit großem spektralen Messbereich verbindet, zugleich kompakt ist und allgemein bekannte Detektorarrays nutzen kann. Gleichzeitig soll es wie bei herkömmlichen Array-Spektrometern möglich sein, eine vollständige Messung in nur einem Messschritt, ohne die Bewegung von Spektrometerteilen auszuführen.task The present invention is to provide a high number of spectral To generate measuring points simultaneously with a very compact arrangement. In particular, a spectrometer arrangement based on a Array spectrometer to create the highest spectral resolution with great spectral measuring range connects, at the same time is compact and general can use known detector arrays. At the same time it should be like at usual Array spectrometers possible be a complete measurement in just one measuring step, without the movement of spectrometer parts perform.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Dabei kann die Spaltanordnung so gestaltet sein, dass mindestens zwei Spalte in ihrer Längsrichtung übereinander und in ihrer Breitenrichtung gegeneinander versetzt sind, so dass die auf der Detektoranordnung erzeugten Spektrenbilder ebenfalls in Breitenrichtung der Spalte um nicht ganzzahlige Vielfache (oder Bruchteile) des Mittenabstands zweier benachbarter Detektorelemente versetzt sind. Oder die Spaltanordnung umfasst einen Spalt, der sich in Längsrichtung vorzugsweise über das gesamte wirksame Detektorarray erstreckt; in Breitenrichtung sind die durch den Spalt erzeugten Spektrenbilder infolge einer Verdrehung von Spaltanordnung und Detektoranordnung gegeneinander bezüglich einer Normallage ebenfalls um nicht ganzzahlige Vielfache des Mittenabstandes zweier in Spektrenrichtung benachbarter Detektorelemente versetzt. Die Verdrehung kann durch eine Verdrehung (Schrägstellung) des Spaltes bzw. seines Bildes oder der Detektoranordnung oder beider geschehen. Durch diese Gestaltung der Spaltanordnung und der Detektoranordnung ist es möglich, die an der Spaltanordnung vorliegende spektrale Intensitätsverteilung an mehr Wellenlängen gleichzeitig abzutasten, als dies bei Nichtverschiebung oder Verschiebung um ein ganzzahliges Vielfaches des Mittenabstandes zweier benachbarter Detektoren der Fall wäre. Infolge der Erfindung entstehen bei der Abbildung der Spaltanordnung und Dispersion des Lichtes unterschiedliche Messpunkte innerhalb des Spektrums, die Subpixelinformationen enthalten. Das zweidimensionale Detektorarray gewährleistet die gleichzeitige Abgabe der von den Spalten erzeugten Subpixelinformationen. Die Spaltlänge bzw. -höhe soll mindestens gleich der Pixelhöhe sein; günstig ist es im Allgemeinen, wenn sie ein Mehrfaches der Pixelhöhe beträgt. Die dispergierende optische Anordnung kann als Konkavgitter, Cerney-Turner-Anordnung (ebenes Gitter mit zwei abbildenden Elementen), Prisma oder Fresneloptik gestaltet sein. Die Detektoranordnung kann eine CCD (Charge Coupled Device), eine Photodiodenmatrix oder eine Matrix aus Thermodetektoren o. ä. sein. Zur Vermeidung von Verzerrungen bzw. zur Beseitigung des Einflusses von Abbildungsfehlern bei der Abbildung der Spaltanordnung in die Detektorebene ist vorteilhaft die Detektoranordnung (das Detektorarray) um eine Achse neigbar bzw. fest einstellbar, die parallel zur Breitenrichtung des Detektorarrays gerichtet ist.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the first claim. In this case, the gap arrangement can be designed such that at least two gaps are offset one above the other in their width direction and in their width direction, so that the spectral images generated on the detector arrangement also in the width direction of the column by non-integer multiples (or fractions) of the center distance of two adjacent detector elements are offset. Or the gap arrangement comprises a gap extending in the longitudinal direction preferably over the entire effective detector array; In the width direction, the spectral images generated by the gap due to a rotation of the gap arrangement and detector arrangement with respect to a normal position are also offset by non-integer multiples of the center distance of two adjacent in the spectral direction detector elements. The rotation can be done by a rotation (inclination) of the gap or its image or the detector array or both. This design of the slit arrangement and the detector arrangement makes it possible to simultaneously scan the spectral intensity distribution present at the slit arrangement at more wavelengths than would be the case with non-displacement or displacement by an integer multiple of the center distance of two adjacent detectors. As a result of the invention, in imaging the slit arrangement and dispersion of the light, different measurement points within the spectrum that contain subpixel information are produced. The two-dimensional detector array ensures the simultaneous delivery of the sub-pixel information generated by the columns. The gap length or height should be at least equal to the pixel height; it is generally favorable if it is a multiple of the pixel height. The dispersing optical arrangement may be designed as a concave grating, Cerney-Turner arrangement (even grating with two imaging elements), prism or Fresnel optics. The detector arrangement may be a CCD (Charge Coupled Device), a photodiode matrix or a matrix of thermodetectors or the like. In order to avoid distortions or to eliminate the influence of aberrations in the imaging of the slit arrangement in the detector plane, the detector arrangement (detector array) can advantageously be tilted or fixedly adjustable about an axis parallel to the detector Width direction of the detector array is directed.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, die zwei Ausführungsbeispiele enthält. Es zeigen:The The invention will be described below with reference to the schematic drawings explained in more detail, the two embodiments contains. Show it:

1 eine prinzipielle Anordnung zur Erzeugung und Auswertung eines Spektums unter Verwendung der Erfindung, 1 a basic arrangement for generating and evaluating a spectrum using the invention,

2 ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mit mehreren, in Längsrichtung angeordneten Spalten, 2 a first embodiment according to the invention with a plurality of longitudinally arranged columns,

3a und b den durch das erste Ausführungsbeispiel erreichten Intensitäts- und Auflösungsgewinn, 3a and b the intensity and resolution gain achieved by the first embodiment,

4 ein zweites nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit Schrägspalt, 4 a second non-inventive embodiment with oblique gap,

5a und b den durch das zweite nicht erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel erreichten Intensitäts- und Auflösungsgewinn. 5a and b the intensity and resolution gain achieved by the second embodiment not according to the invention.

Eine in 1 schematisch dargestellte Anordnung weist eine primäre oder sekundäre Lichtquelle 10 auf, die Licht 11 aussendet, dessen spektrale Verteilung untersucht werden soll. Das Licht 11 tritt durch eine Spaltanordnung (Spaltarray) 12 in ein Spektrometer 13 ein, wird durch ein Gitter 14 dispergiert und die Spaltanordnung 12 dispergiert auf ein Detektorarray 15 abgebildet, das um eine Achse X-X fest einstellbar angeordnet ist, die parallel zum Detektorarray 15 und rechtwinklig zum Spalt 12 bzw. seinem Bild in der Arrayebene angeordnet ist. Dementsprechend werden vom Detektorarray 15 Messsignale 16 an eine Kameraelektronik 17 abgegeben, die ihrerseits Bilddaten 18 an eine Auswerteeinrichtung (PC) 19 gibt. In umgekehrter Richtung kommen Steuerinformationen von der Auswerteeinrichtung 19 bis zur Kameraelektronik 17 bzw. Detektoranordnung 15. Die Auswerteeinrichtung 19 wertet die Informationen und Daten aus, bringt sie als hochaufgelöstes Spektrum 20 zur Anzeige und speichert sie gegebenenfalls.An in 1 schematically illustrated arrangement has a primary or secondary light source 10 on, the light 11 emits whose spectral distribution is to be examined. The light 11 occurs through a gap arrangement (slit array) 12 in a spectrometer 13 A, is through a grid 14 dispersed and the gap arrangement 12 dispersed on a detector array 15 imaged, which is arranged fixedly fixed about an axis XX, which is parallel to the detector array 15 and at right angles to the gap 12 or its image is arranged in the array plane. Accordingly, the detector array 15 measuring signals 16 to a camera electronics 17 submitted, which in turn image data 18 to an evaluation device (PC) 19 gives. In the reverse direction, control information comes from the evaluation device 19 to the camera electronics 17 or detector arrangement 15 , The evaluation device 19 evaluates the information and data, brings them as a high-resolution spectrum 20 to display and save it if necessary.

In den folgenden 2 und 4 sind die Umklappungen der in den 1 bzw. 3 rechtwinklig zur Zeichenebene angeordneten Spaltanordnungen 12 bzw. der Detektoranordnungen 15 in die Zeichenebenen entsprechend mit 12a bzw. 15a bezeichnet und wegen der Anschaulichkeit vergrößert gezeichnet.In the following 2 and 4 are the flip-flops in the 1 respectively. 3 arranged at right angles to the plane of the column arrangements 12 or the detector arrangements 15 in the drawing levels accordingly with 12a respectively. 15a designated and drawn enlarged because of the clarity.

In 2 sind die erfindungswesentlichen Teile des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Eine Spaltanordnung 12 bzw. 12a mit zehn in Längsrichtung übereinander liegenden Einzelspalten 121 lässt das Licht 11 einer nicht dargestellten Lichtquelle in Richtung eines Gitters 14 mit 200 Linien pro mm passieren. Die Einzelspalte 121 der Spaltanordnung 12 haben je eine Breite von 10 μm und eine Höhe von 175 μm. Der Abstand zweier benachbarter Spalte 121 in Längsrichtung beträgt 25 μm und ihr seitlicher Versatz 7 μm. Dabei entstehen entsprechend der Anzahl der Einzelspalte 121 zehn Lichtbündel 111, die auf das Gitter 14 auftreffen, das in einer rechtwinklig zur Zeichenebene der 2 gerichteten Abbildungsebene 21 übereinander zehn gegeneinander versetzte Spektren 211 erzeugt und somit die Einzelspalte 121 spektral zerlegt abbildet. Die Spaltbilder einer Wellenlänge in der Abbildungsebene sind mit 121' bezeichnet. In der Abbildungsebene 21 befindet sich ein Detektorarray (CCD) 15 mit Pixeln 151 einer Größe von 25 μm·25 μm und einer Auflösung von 1024·256 Pixeln. Zur elektronischen Erfassung des Spektrums in der Kameraelektronik 17 (1) werden nicht, wie sonst üblich, übereinander liegende Pixel des Detektorarrays 15 zu größeren Pixeln verschaltet, sondern die von den gegeneinander versetzten Spektren 211 betroffenen Pixelgruppen des Detektorarrays werden getrennt behandelt und durch einen speziellen Algorithmus in der Auswerteeinrichtung 19 zu einem Spektrum 20 höherer Auflösung kombiniert. Dabei wird auch der Abstand der sog. Stützstellen im Spektrum verringert, und zwar von 0,83 nm/Pixel in einem herkömmlichen Spektrometer auf 0,083 nm/Pixel im erfindungsgemäßen Spektrometer. Die betroffenen Pixelzeilen 151 jedes Einzelspaltes 121 sind hardwaremäßig verschaltet; somit ergibt sich ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, weil das üblicherweise dominierende Ausleserauschen nur einmal je vertikaler Pixelspalte und Einzelspalt auftritt.In 2 are the invention essential parts of the first embodiment shown. A gap arrangement 12 respectively. 12a with ten longitudinally superimposed individual columns 121 lets the light 11 a light source, not shown, in the direction of a grid 14 to happen with 200 lines per mm. The single column 121 the gap arrangement 12 each have a width of 10 microns and a height of 175 microns. The distance between two adjacent columns 121 in the longitudinal direction is 25 microns and their lateral offset 7 microns. This results in accordance with the number of individual gaps 121 ten light bundles 111 pointing to the grid 14 impinge in a direction perpendicular to the plane of the drawing 2 directed image plane 21 on top of each other ten staggered spectra 211 generated and thus the single column 121 spectrally decomposed images. The slit images of a wavelength in the image plane are with 121 ' designated. In the image plane 21 there is a detector array (CCD) 15 with pixels 151 a size of 25 μm x 25 μm and a resolution of 1024 x 256 pixels. For electronically recording the spectrum in the camera electronics 17 ( 1 ) are not, as usual, superimposed pixels of the detector array 15 interconnected to larger pixels, but that of the staggered spectra 211 Affected pixel groups of the detector array are treated separately and by a special algorithm in the evaluation 19 to a spectrum 20 higher resolution combined. In this case, the distance of the so-called. Support points in the spectrum is reduced, and that of 0.83 nm / pixel in a conventional spectrometer to 0.083 nm / pixel in the spectrometer according to the invention. The affected pixel lines 151 every single slit 121 are interconnected by hardware; This results in a higher signal-to-noise ratio because the usually dominant readout noise occurs only once per vertical pixel column and single slit.

Die Auflösung des erfindungsgemäßen Spektrometers 13 (1) wird anhand eines Quecksilber-Gasemissionsspektrums bestimmt. Dieses Spektrum enthält in dem vom Spektrometer überstrichenen Wellenlängenbereich mehrere sehr schmale Intensitätspeaks, deren natürliche Breite vernachlässigt werden kann. Bestimmt man in einem gemessenen Spektrum die scheinbare Breite eines solchen Peaks, so erhält man die Auflösung des Spektrometers. Einige dieser Peaks stehen so dicht zusammen, dass sie mit einem zum Stand der Technik gehörenden Spektrometer gleicher Größenordnung nicht auflösbar sind. Entsprechende Messungen an dem Quecksilberspektrum in der bekannten Konfiguration mit einem 25-μm-Spalt sind im Diagramm gemäß 3a dargestellt, bei dem die Intensität I über der Wellenlänge λ aufgetragen ist. Wie man erkennt, liegt die Mittenwellenlänge eines Peaks 22 bei etwa 312 nm. Eine Messung mit dem erfindungsgemäßen Spaltarray 121 ergibt das Spektrum der 3b. Eine Gruppe aus zwei Peaks 221, 222 bei 312 nm ist fast vollständig aufgelöst. Um zwei Peaks immer sicher trennen zu können, müssen diese im allgemeinen mindestens zwei Pixel, im Falle der herkömmlichen Anordnung also etwa 1,7 nm weit auseinanderliegen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wurden zwei Peaks mit einem Abstand von 0.6 nm fast vollständig getrennt. Man kann bei vorsichtiger Schätzung davon ausgehen, daß selbst bei einem Peak-Abstand von unter 0.45 nm noch eine eindeutige Trennung der Peaks zu beobachten wäre. Damit ergibt sich eine erreichte Auflösungserhöhung bzgl. der Trennschärfe bei Doppelpeaks 221, 222 von über 3,7.The resolution of the spectrometer according to the invention 13 ( 1 ) is determined by a mercury gas emission spectrum. This spectrum contains several very narrow intensity peaks in the wavelength range swept by the spectrometer whose natural width can be neglected. If the apparent width of such a peak is determined in a measured spectrum, the resolution of the spectrometer is obtained. Some of these peaks are so close together that they are not resolvable with a prior art spectrometer of the same order of magnitude. Corresponding measurements on the mercury spectrum in the known configuration with a 25 μm gap are shown in the diagram according to FIG 3a shown in which the intensity I is plotted against the wavelength λ. As can be seen, lies the center wavelength of a peak 22 at about 312 nm. A measurement with the inventive gap array 121 gives the spectrum of 3b , A group of two peaks 221 . 222 at 312 nm is almost completely dissolved. In order to always safely separate two peaks, they must generally be at least two pixels, in the case of the conventional ones Arrangement so far apart about 1.7 nm. With the arrangement according to the invention, two peaks with a distance of 0.6 nm were almost completely separated. It can be assumed with careful estimation that even with a peak distance of less than 0.45 nm, a clear separation of the peaks would be observed. This results in an achieved resolution increase with respect to the selectivity at double peaks 221 . 222 of over 3.7.

In 4 sind eine nicht erfindungsgemäße Spaltanordnung 12 bzw. 12a, ein dispergierend abbildendes Element 14 und eine Abbildungsebene 21 gezeigt, die den Monochromator eines Spektrometers 13 (1) darstellen. Im Unterschied zu 2 weist die Spaltanordnung 12 einen Schrägspalt 122 auf, der mit Hilfe des Elements 14 in die Abbildungsebene 21 spektral zerlegt abgebildet wird. Der Schrägspalt 122 hat eine Breite von 10 μm, eine Höhe von etwa 80 Pixelzeilen und ist um ca. 2–3 Grad schräg gestellt bzw. sein Bild 122' ist gegenüber einer in der Abbildungsebene 21 befindlichen Detektoranordnung 15 bzw. 15a mit Pixeln 151 um den genannten Betrag parallelogrammartig verzerrt. Es wäre auch möglich einen vertikalen Spalt zu verwenden und die bspw. als Photodiodenmatrix gestaltete Detektoranordnung 15 in ihrer Ebene zu drehen. Analog zu 2 werden die Spektren 212 der einzelnen Pixelzeilen getrennt und zu einem Spektrum höherer Auflösung kombiniert. Abweichend von 2 fällt beim Schrägspalt der 4 für jedes Detektorpixel 151 ein Ausleserauschen an, weil alle Detektorzeilen einzeln ausgelesen werden müssen. Im übrigen gilt das zu 2 Gesagte zumindest sinngemäß.In 4 are a non-inventive gap arrangement 12 respectively. 12a , a dispersive imaging element 14 and an image plane 21 shown the monochromator of a spectrometer 13 ( 1 ). In contrast to 2 has the gap arrangement 12 a slanted gap 122 on, with the help of the element 14 in the image plane 21 spectrally decomposed. The slanted gap 122 has a width of 10 microns, a height of about 80 pixel lines and is tilted by about 2-3 degrees or his image 122 ' is opposite to one in the image plane 21 located detector array 15 respectively. 15a with pixels 151 distorted parallelogram by the stated amount. It would also be possible to use a vertical gap and, for example, the detector arrangement designed as a photodiode matrix 15 to turn in their plane. Analogous to 2 become the spectra 212 the individual pixel lines separated and combined into a spectrum of higher resolution. Deviating from 2 falls at the slant of the 4 for each detector pixel 151 a read-out noise, because all detector rows must be read out individually. For the rest, this applies to 2 Said at least mutatis mutandis.

In den Diagrammen der 5a und 5b wird analog zu den 3a und 3b der Auflösung eines bekannten Spektrometers die Auflösung des erfindungsgemäßen Spektrometers mit Schrägspalt gegenüber gestellt. Die Messungen werden wieder an Hand eines Quecksilber-Gasemissionsspektrums vorgenommen. In 5a ist das Spektrum eines 25-μm-Spaltes in einem bekannten Spektrometer, und zwar bei einer Wellenlänge von 435,5 nm dargestellt. Dort befindet sich entsprechend 5a in einem Bereich von ca. 1,1 nm ein Peak 23, der mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer als ein Peak 231 von 0,3 nm Breite identifiziert wird (5b). Die Auflösung des einzelnen Intensitätspeaks bei 435,5 nm wird durch die Verringerung der Halbwertsbreite von ca. 1,1 nm auf ca. 0,3 nm ebenfalls um den Faktor ~3,7 verbessert.In the diagrams of 5a and 5b becomes analogous to the 3a and 3b the resolution of a known spectrometer compared with the resolution of the spectrometer according to the invention with oblique gap. The measurements are again made on the basis of a mercury gas emission spectrum. In 5a is the spectrum of a 25 μm gap in a known spectrometer, shown at a wavelength of 435.5 nm. There is accordingly 5a in a range of about 1.1 nm a peak 23 with the spectrometer according to the invention as a peak 231 of 0.3 nm width is identified ( 5b ). The resolution of the single intensity peak at 435.5 nm is also improved by the factor ~ 3.7 by the reduction of the half-width from about 1.1 nm to about 0.3 nm.

Jedes Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 4 ermöglicht die Messung und hohe Auflösung über das gesamte Gasemissionsspektrum wie es in den 3 und 5 auszugsweise benutzt worden ist.Each embodiment according to the 2 and 4 allows the measurement and high resolution over the entire gas emission spectrum as in the 3 and 5 has been used in part.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the drawing Features can both individually and in any combination with each other invention essential be.

1010: Lichtquellelight source
1111: Lichtlight
1212: Spaltanordnung, SpaltarraySplitting assembly gap array
12a, 15a12a, 15a: UmklappungenUmklappungen
1313: Spektrometerspectrometer
1414: Gittergrid
1515: Detektoranordnungdetector array
1616: Messsignalemeasuring signals
1717: Kameraelektronikcamera electronics
1818: Bilddatenimage data
1919: Auswerteeinrichtungevaluation
2020: hochaufgelöstes Spektrumhigh-resolution spectrum
2121: Abbildungsebeneimaging plane
22, 2322 23: Peakspeaks
111111: Lichtbündellight beam
121121: EinzelspalteSingle column
122122: Schrägspaltoblique gap
121', 122'121 ', 122': Spaltbilderslit images
151151: Pixelpixel
201,202201,202: Teilspektrenpartial spectra
221, 222, 231221 222, 231: Peakspeaks
X-XX X: Achseaxis

Claims

high-resolution Spectrometer with a gap arrangement consisting of individual columns, an imaging, in the width direction of the column dispersing optical element and a two-dimensional, single detectors existing detector arrangement, to which the gap arrangement with splitting according to wavelengths is mapped in the width direction and parallel in the image plane to the width and longitudinal direction the column extends, characterized by the combination of the following Characteristics: - to simultaneous sampling of the spectral intensity distribution at multiple wavelengths the column of the slit arrangement in the spectrometer beam path in the longitudinal direction one above the other and offset in the width direction; - by the column caused spectral images are not integer Multiples of the center distance of two adjacent detectors in Width direction offset from each other; - those in the image plane located detectors scan the subpixel information generated by the columns at the same time for transfer to an evaluation device.

High-resolution spectrometer according to claim 1, characterized in that the detector arrangement is a detector in the width direction of the Detekto ranordnung extending axis relative to the imaging plane of the gap arrangement tiltable or fixed adjustable.

high-resolution Spectrometer according to at least one of the claims 1 and 2, characterized in that the detector arrangement is a CCD is.

high-resolution Spectrometer according to at least one of the claims 1 and 2, characterized in that the detector arrangement a Photodiode matrix is.

high-resolution Spectrometer according to at least one of the claims 1 and 2, characterized in that the detector arrangement is a thermodetector matrix is.

high-resolution Spectrometer according to at least one of the claims 1 to 5, characterized in that the detector arrangement a has hexagonal structure.