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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Spektroskopie-Vorrichtung. Es ist besonderes nützlich in der
Raman-Spektroskopie, obwohl es in gleicher Weise in anderen Spektroskopieformen
verwendet werden kann, die beispielsweise
Schmallinien-Photolumineszenz, -Fluoreszenz oder -Cathodo-Lumineszenz verwenden.
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Der Raman-Effekt ist ein Phänomen, bei dem eine Probe einfallendes
Licht einer gegebenen Frequenz in ein Frequenzspektrum streut, das
Linien aufweist, die durch Wechselwirkung des einfallenden Lichts mit
den Molekülen hervorgerufen werden, die die Probe aufbauen.
Unterschiedliche molekulare Spezien weisen unterschiedliche
charakteristische Raman-Spektren auf, und so kann der Effekt dazu verwendet
werden, die vorliegenden molekularen Spezien zu analysieren.
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Eine bekannte Raman-Analysevorrichtung ist in einem Aufsatz "Raman
Microprobe and Microscope with Laser Excitation", M. Delhaye und P.
Dhamelincourt, Journal of Raman Spectroscopy, 3 (1975), 33-43
beschrieben. Eine Probe wird mit monochromatischem Licht von einem
Laser bestrahlt, und das gestreute Licht wird durch einen
Monochromator geführt, um eine besondere Linie des resultierenden Raman-
Spektrums auszuwählen. Der Monochromator umfaßt einen
Eingangsschlitz, auf den ein optisches System der Vorrichtung ein Bild eines
beleuchteten Punktes oder Linie auf der Probe fokussiert. Ein weiteres
optisches System fokussiert ein Bild des Eingangsschlitzes auf einen
Ausgangsschlitz. Zwischen dem Eingangsschlitz und dem
Ausgangs
schlitz
weist der Monochromator eine dispersive Einrichtung wie
beispielsweise ein Diffraktionsgitter auf, das bewirkt, daß das
ankommende Raman-Spektrum in einen Bereich von Winkeln aufgespalten wird,
und zwar in Abhängigkeit von der Frequenz. Die relative Positionierung
des Ausgangsschlitzes und des Diffraktionsgitters wählt somit die
gewünschte Linie von Interesse in dem Raman-Spektrum aus.
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Anstelle eines Austrittschlitzes ist es bekannt, das Spektrum über einen
Detektor mit ladungsgekoppelter Vorrichtung (CCD) zu zerstreuen oder
zu zerlegen. Ein CCD ist ein zweidimensionales Photodetektorfeld, das
aus Reihen von Pixeln besteht. Bekanntlich ist das Auslesen von Daten
von einem CCD ein sequentieller Prozeß, bei dem die in jedem Pixel
angesammelte Ladung infolge der Belichtung in sein benachbartes Pixel
entlang einer Reihe verschoben wird, wobei die Daten von jedem Pixel in
der Reihe sequentiell von einem Computer von dem Pixel am Ende der
Reihe erfaßt werden. Gegebenenfalls kann anstelle der Verwendung
eines CCD das Spektrum entlang eines eindimensionalen (d. h. linearen)
Photodetektorfeldes fokussiert werden, das aus einer einzelnen Reihe
von Pixeln besteht.
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Ein Nachteil der soweit beschriebenen Vorrichtung ist, daß dann, wenn
die Vorrichtung so eingestellt ist, daß sie das Spektrum weit über das
CCD zerstreut oder zerlegt, um für eine hohe spektrale Auflösung zu
sorgen, lediglich ein Teil des Spektrums zu irgendeiner Zeit empfangen
werden kann. Um Daten von einem breiteren Spektrum zu erfassen,
besteht ein mögliches Verfahren darin, einen Teil des Spektrums auf das
CCD ausreichend lange zu belichten und dann alle Daten, die diesen
Teil des Spektrums betreffen, von dem CCD in den Computer zu lesen.
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Als nächstes wird ein Drehtisch, der das Gitter hält, weitergeschaltet, so
daß der nächste Teil des Spektrums von dem CCD empfangen wird,
eine ausreichende Belichtungszeit wird gestattet, und alle Daten von
diesem Teil des Spektrums werden in den Computer eingelesen. Der obige
Prozeß wird so oft wie nötig wiederholt. Jedoch weist dieses Schritt-
und-Wiederholen- oder Repetierverfahren einen Nachteil während einer
nachfolgenden Computerverarbeitung der Daten auf, da es schwierig
sein kann, die separaten Blöcke von Daten, die von den separaten
Teilen des Spektrums erfaßt werden, miteinander zu verbinden. Dies trifft
insbesondere dann zu, wenn Änderungen im Hintergrundlichtniveau
zwischen den separaten Belichtungen aufgetreten sind oder sich andere
Bedingungen geändert haben.
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Ein Aufsatz von P Knoll et al., Applied Spectroscopy, Band 44, Nr. 5,
1990, Seiten 776 bis 782, beschreibt ein Verfahren, bei dem ein lineares
Photodetektorfeld einer Serie von überlappenden Teilspektren
ausgesetzt ist. Die Daten für jedes Teilspektrum werden getrennt in ein
Speicherfeld in einen Computer übertragen. Somit werden die Daten nach
einem separaten Ausleseschritt für jedes Teilspektrum erneut innerhalb
des Computers angesammelt.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben einer
Spektroskopie-Vorrichtung vor, wobei die Vorrichtung umfaßt: ein
Mittel zum Beleuchten einer Probe, um so von dieser ein Spektrum an
gestreutem Licht zu erzeugen; einen Detektor zum Detektieren des
gestreuten Lichtes, wobei der Detektor zumindest eine Spalte oder Reihe
von Detektorelementen umfaßt; und eine dispersive Einrichtung, um
das von der Probe empfangene Spektrum zu analysieren und es entlang
der Spalte oder Reihe von Detektorelementen zu zerstreuen; wobei das
Verfahren umfaßt, das Daten sequentiell von einem Ende der Spalte
oder Reihe von Detektorelementen gelesen werden, wobei Daten von
jedem Element sequentiell entlang der Spalte oder Reihe von einem
Element zu dem nächsten verlaufen; und das dadurch gekennzeichnet ist,
daß gleichzeitig bewirkt wird, daß das zerstreute Spektrum an der
Spalte oder Reihe synchron mit dem Verlauf der Daten entlangwandert.
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Somit werden die Daten weiter angesammelt, wenn sie entlang der
Spalte oder Reihe an Detektorelementen innerhalb des Detektors
verlaufen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden
beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen dargestellt, wobei:
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Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer ersten Anordnung
einer Raman-Analysevorrichtung ist,
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Fig. 2 ein schematisches Diagramm ist, das Details einer
Filteranordnung in Fig. 1 zeigt,
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Fig. 3 eine Ansicht einer Komponente der Vorrichtung in der
Richtung des Pfeils III in Fig. 1 ist,
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Fig. 4 und 5 Graphen der Transmissionscharakteristiken von
Komponenten der Vorrichtung sind,
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Fig. 6 ein Graph ist, der das Ansprechen von Teilen der
Vorrichtung auf eine einzelne Linie eines Raman-
Spektrums zeigt,
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Fig. 7 ein Strahldiagramm eines weiteren Teils der
Vorrichtung ist,
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Fig. 8 ein schematisches Diagramm mit einem Teil eines
CCD-Detektors ist,
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Fig. 9 ein Diagramm ist, das einen beleuchteten Bereich auf
einem CCD-Detektor zeigt, und
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Fig. 10 ein schematisches Diagramm einer alternativen
Anordnung der Vorrichtung ist.
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Die Vorrichtung von Fig. 1 ist eine modifizierte Version von derjenigen,
die in der WO 90/07108 beschrieben ist. Ein Lasereingangsbündel 10
verläuft durch ein Linsensystem 40, das einen räumlichen Filter (z. B.
ein kleines Loch oder Stiftloch 41) umfassen kann, um die
Bündelqualität zu verbessern. Der räumliche Filter entfernt unerwünschte
Unvollkommenheiten im ursprünglichen Laserbündel, z. B. verursacht durch
Reflexionen, die Interferenzeffekte verursachen würden, wenn das
Bündel anschließend auf einen Fleck auf einer Probe fokussiert wird.
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Das Laserbündel 10 wird dann von einem Spiegel 42 auf eine
dichroitische Filteranordnung 18 reflektiert, die nachstehend in bezug auf Fig. 2
beschrieben wird. Diese Filteranordnung reflektiert Licht mit der
Fre
quenz des Eingangsbündels 10, läßt jedoch Licht aller anderen
Frequenzen durch. Das Laserlicht wird um 90º von der Filteranordnung 18
reflektiert und über einen weiteren Spiegel 46 zu einem
Mikroskopobjektiv 20 geführt, das es auf einen kleinen Fleck auf einer Probe 14
fokussiert. Der Spiegel 46 und das Objektiv 20 sind als Teil eines
herkömmlichen optischen Mikroskops 48 vorgesehen. Der Spiegel 46 kann
entfernt werden, um eine gewöhnliche Benutzung des Mikroskops 48 zu
gestatten, z. B. um ein Einrichten und eine gewöhnliche optische
Untersuchung der Probe 14 zu gestatten. Für diese Zwecke weist das
Mikroskop 48 eine Quelle 50 weißen Lichts über dem Spiegel 46 auf, um die
Probe zu beleuchten. In einer alternativen Ausführungsform kann der
Spiegel 46 über der Lichtquelle 50 positioniert sein. Diese Anordnung
weist verbesserte Sicherheitscharakteristiken auf und gestattet
außerdem, daß ein Weißlichtbild der Probe auf einem nachstehend
beschriebenen Photodetektorfeld 12 gebildet wird. Die Probe 14 ist auf einem
bewegbaren Tisch 52 angeordnet, der nicht nur in der vertikalen
Richtung zu Fokussierungszwecken, sondern auch in den horizontalen x-
und y-Richtungen bewegbar sein kann. Dies erlaubt ein x-y-Abtasten,
um zu gestatten, daß unterschiedliche Punkte auf der Oberfläche der
Probe von dem Fleck beleuchtet werden. Das ankommende Laserbündel
kann auch defokussiert werden, z. B. durch Einstellen des
Linsensystems 40, um einen Bereich auf der Probe 14 zu beleuchten.
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Das von der Probe gestreute Licht von dem beleuchteten Fleck auf der
Oberfläche verläuft zurück über das Mikroskopobjektiv 20 und den
Spiegel 46 zum Filter 18, der das Raman-Spektrum durchläßt, jedoch
Rayleigh-gestreutes Licht mit der gleichen Frequenz wie das
Eingangslaserbündel zurückweist. Das durchgelassene Raman-Spektrum wird
über verschiedene optische Komponenten, die nachstehend beschrieben
sind, genommen und von einer Linse 34 auf ein zweidimensionales
Photodetektorfeld in Form einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD)
12 fokussiert. Ein Computer 120 erfaßt Daten von dem CCD 12 zur
nachfolgenden Datenverarbeitung und steuert außerdem den Betrieb
vieler anderer Teile der Vorrichtung.
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Wie in der WO 90/07108 kann die Filteranordnung 18 einen
herkömmlichen dichroitischen Filter verwenden, der unter 45 Grad zu dem
optischen Weg angeordnet ist, um das eintretende Laserlicht bis 90 Grad in
Richtung des Mikroskops zu reflektieren. Es ist auch möglich, ein
holographisches Bragg-Diffraktionsiilter unter 45 Grad für das dichroitische
Filter zu verwenden. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet jedoch
ein holographisches Bragg-Diffraktionsiilter auf eine neuartige Art und
Weise, die nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wird.
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Ein Aufsatz, der mit "The Utilisation of a Holographic Bragg Diffraction
Filter for Rayleigh Line Rejection in Raman Spectroscopy" von Michael
M. Carrabba et al. Applied Spectroscopy, Band 44, (1990), Nr. 9, 1558
bis 1561, diskutierte die vorteilhaften Eigenschaften von
holographischen Bragg-Diffraktionsiiltern zum Zwecke der Zurückweisung des
Rayleigh-gestreuten Lichtes und der Übertragung des Raman
Spektrums. Derartige Filter waren ursprünglich zur Verwendung entweder
normal zu dem optischen Weg oder unter sehr kleinen Einfallswinkeln
bestimmt. Jüngste technische Fortschritte haben zur Folge, daß sie
auch unter 45º zu dem optischen Weg auf die Art und Weise verwendet
werden können, die für das dichroitische Filter in der WO 90/07108
vorgeschlagen ist. Wenn sie jedoch unter 45º verwendet werden, sind
sie auf den Polarisationszustand des eintretenden Laserstrahls und des
Raman-gestreuten Lichtes empfindlich. Überdies nehmen sie unter 45º
weniger Raman-gestreutes Licht auf, das nahe der Rayleigh-Linie ist,
als, wenn sie bei oder nahe normalem Einfall verwendet werden.
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Fig. 2 zeigt, daß ein holographischer Bragg-Diffraktionsiilter 18A des in
dem vorstehend erwähnten Aufsatz von Carrabba et al beschriebenen
Typs für den Filter 18 von Fig. 1 verwendet wird, jedoch in einer
neuartigen Anordnung. Derartige Filter sind kommerziell von der Physical
Optics Corporation, 2545 W.237th Street, Suite B, Torrance, California
90505, U.S.A., oder von Kaiser Optical Systems, Inc., 371 Parkland
Plaza, P. O. Box 983, Ann Arbor, MI 48106, U.S.A. erhältlich. Diese Filter
werden auch als holographische Kantenfilter oder holographische
Kerbfilter verkauft.
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Der holographische Filter 18A in Fig. 2 ist unter einem kleinen
Einfallswinkel ω zu dem optischen Weggeneigt, z. B. 10º. Dieser Winkel ist
ausreichend klein, so daß der Filter nach wie vor in der Lage ist, das
Rayleigh-Licht wirksam zurückzuweisen und dabei gute
Durchlaßcharakteristiken für das Raman-gestreute Licht zu ergeben. Jedoch
ermöglicht dieser Winkel dem Filter 18A auch, das Eingangslaserbündel 10
entlang des optischen Weges zu reflektieren, und zwar von einem
Spiegel 18B. Der Spiegel 18B empfängt das Eingangslaserbündel 10 vom
Spiegel 42 und lenkt es zum Filter 18A unter einem Winkel 2ω relativ zu
dem optischen Weg zwischen dem Mikroskop 48 und den Filtern 26.
Das heißt, der Winkel 2ω ist das Zweifache des gewählten
Einfallswinkels für das Licht auf den Filter 18A, z. B. 20º bei einem Einfallswinkel
von 10º.
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Der Filter 18A kann somit die doppelte Funktion des Zurückweisens
des Rayleigh-gestreuten Lichts und des Einführens des
Eingangslaserbündels erfüllen, wobei es entlang des optischen Weges auf das
Mikroskop zu reflektiert wird, und zwar ohne die vorstehend angeführten
Nachteile, die entstehen, wenn ein holographischer Filter unter 45º
verwendet wird. Diese neuartige holographische Filteranordnung ist nicht
auf die vorliegende Raman-Vorrichtung beschränkt. Vielmehr kann,
indem das Eingangsläserbündel unter einem geeigneten Winkel, z. B.
unter Verwendung des Spiegels 18B gelenkt wird, der Filter 18A diesem
doppelten Zweck in vielen anderen Typen von
Spektroskopievorrichtungen dienen, einschließlich herkömmlicher Raman- und anderer
Spektrometer, die Monochromatoren zum Analysieren des gestreuten
Spektrums verwenden.
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Nach wieder Fig. 1 ist ein optionaler Polarisationsfilter 44 in dem Weg
des Lichts vom Mikroskopobjektiv 20 zu dem CCD 12 vorgesehen.
Dieser kann eingesetzt werden in den oder entfernt werden aus dem
optischen Weg, wie gewünscht, und ist drehbar um die optische Achse, um
die Polarisationsrichtung zu variieren. Dies ermöglicht eine
Untersuchung des Polarisationszustandes (falls vorhanden) irgendeiner
besonderen untersuchten Raman-Linie, was zusätzliche nützliche
Informationen beim Analysieren einiger Proben ergeben kann. Gegebenenfalls
kann ein Halbewellenlängen-Plättchen zwischen die Filter 18 und 44
oder bündelaufwärts des Filters 18 eingesetzt werden, um die
Polarisationsebene zu drehen.
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Zwischen den Filter 18, 44 und dem CCD 12 kann das gestreute Licht
einen von zwei möglichen Wegen nehmen, und zwar in Abhängigkeit
von den Positionen der zwei bewegbaren Spiegel 74, 76. Wenn diese
Spiegel in die Positionen geschoben sind, die in durchgezogenen Linien
in Fig. 1 gezeigt sind, wird das Licht über weitere fixierte Spiegel 78, 80
sowie durch einen Fabry-Perot-Etalon 82 und ein Raman-
Analysefilterrad 84 reflektiert. Der Fabry-Perot-Etalon 82 ist gleitbar in
den optischen Weg hinein und aus diesem heraus, wie durch einen Pfeil
85 angedeutet. Alternativ kann er fixiert sein und in den optischen Weg
hinein und aus diesem herausgebracht werden unter Verwendung
weiterer bewegbarer Spiegel. Der Fabry-Perot-Etalon 82 kann
gegebenenfalls nach dem Filterrad 84 anstatt vor ihm angeordnet sein. Das
Schieben der Spiegel 74, 76 und des Etalons 82 kann von dem Computer
120 gesteuert werden.
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Die Anordnung zum Schieben oder Gleitenlassen der Spiegel 74, 76 in
den optischen Weg hinein und aus diesem heraus sollte vorzugsweise
Präzisionsanschläge umfassen, so daß sie präzise in die in Fig. 1
gezeigte Ausrichtung zurückgebracht werden können, wenn sie in den
optischen Weg hineingebracht werden. Dadurch werden
Winkelfehlausrichtungen des Bündels verhindert, wenn es über die Spiegel 78, 80
reflektiert wird. Gegebenenfalls kann das Schieben der Spiegel 74, 76 auf
einer Präzisionsschiene senkrecht zur Ebene von Fig. 1, anstatt wie
gezeigt, stattfinden. Alternativ können die Spiegel in den und aus dem
optischen Weg geschwenkt werden. Eine weitere Alternative ist, zwei
bewegbare Penta-Prismen anstelle der zwei Spiegel 74, 76 zu
verwenden, um sicherzustellen, daß das Licht um 90º reflektiert wird, und
zwar sogar wenn ein Penta-Prisma fehlausgerichtet wird, wenn es in
den optischen Weg zurückgebracht wird. Der Etalon 82 kann auf einer
ähnlichen Präzisionsschiene angebracht sein.
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Das Filterrad 84 ist ausführlicher in Fig. 3 gezeigt. Es umfaßt eine
Vielzahl von Fenstern, die jeweils einen dielektrischen
Vielschichtbandpaßiilter 90 enthalten, der ein unterschiedliches Band des Raman-
Spektrums abdeckt, das zu analysieren ist. Das Rad ist um eine Achse
86 drehbar, wie durch den Pfeil 87 angedeutet. Es kann von Index zu
Index weitergeschaltet werden, so daß irgendein gewünschter Filter der
Filter 90 in dem optischen Weg mittels eines Index- oder Schaltmotors
88 unter der Steuerung des Computers 120 angeordnet werden kann.
Dies sorgt für eine grobe Auswahl des interessierenden Bereiches des
Raman-Spektrums. Wenn gewünscht wird, den Etalon 82 ohne einen
Filter 90 verwenden zu können, kann eines der Fenster in dem Rad 84
leer sein.
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Wie in der Beschreibung der WO90/07108 beschrieben, kann das
Durchlaßband des ausgewählten Filters 90 abgestimmt werden, indem
es um eine Achse senkrecht zu dem optischen Weg gedreht wird. Um
dies zu erzielen, ist das Filterrad 84 auf einem drehbaren Tisch oder
Gestell 92 zur Rotation zu irgendeinem gewünschten Winkel
angebracht, wie durch den Pfeil 93 in Fig. 1 angedeutet, und zwar wiederum
unter der Steuerung des Computers 120. Durch Entfernen des Fabry-
Perot-Etalons 82 kann eine Raman-Analyse nun auf exakt die gleiche
Weise wie in der WO90/07108 beschrieben durchgeführt werden. Licht
von dem Raman-Band, auf welches der Filter 90 abgestimmt worden ist,
wird auf das CCD 12 von der Linse 34 fokussiert. Es ist möglich, ein
zweidimensionales Bild eines beleuchteten Bereiches auf der Probe 14
auf das CCD zu reflektieren (in dem ausgewählten Raman-Band).
Alter
nativ ist es möglich, nur einen Punkt auf der Probe zu beleuchten und
das Raman-gestreute Licht von diesem Punkt zu analysieren.
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Der Fabry-Perot-Etalon 82 ist vom Abtasttyp, der als Fertigteil erworben
werden kann. Der Aufbau derartiger Vorrichtungen ist wohlbekannt
und lediglich schematisch in Fig. 1 gezeigt. Er kann zwei parallele
Platten umfassen, deren Beabstandung unter der Steuerung des Computers
120 durch piezoelektrische Betätigungsvorrichtungen 83 eingestellt
werden kann (andere Betätigungsvorrichtungen, z. B. elektrostriktiver
Art, können verwendet werden). Andere kommerziell erhältlich Typen
von Fabry-Perot-Etalons können ebenfalls verwendet werden. Fig. 4
zeigt die Transmissionscharakteristiken des Etalons 82, d. h. wie das
Ansprechen oder die Antwort mit der Wellenzahl des einfallenden Lichts
(in cm&supmin;¹) variiert. Die Transmissionscharakteristik, die durch eine
durchgezogene Linie FP in Fig. 4 gezeigt ist, weist eine kammartige
Natur auf, mit scharf definierten Spitzen 94, 95, die in Intervallen
innerhalb des Wellenzahlspektrums auftreten, das durch die Beabstandung
der zwei parallelen Platten definiert ist. Unter Verwendung der
piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung zur Änderung der Beabstandung
der Platten können die Spitzen 94, 95 der Transmissionscharakteristik
dazu gebracht werden, das Spektrum herauf und herunter abzutasten.
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In einem Beispiel, in dem das Filterrad 84 allein verwendet wird, ohne
den Fabry-Perot-Etalon 82, ist es möglich, das Raman-Spektrum von
200 cm&supmin;¹ hindurch bis 3500 cm&supmin;¹ bei einer Auflösung von etwa 1 cm&supmin;¹
abzutasten, indem geeignete Filter in den Fenstern 90 der Reihe nach
ausgewählt werden und das Gestell 92 gedreht wird, um die Filter
abzustimmen. Jedoch kann eine höhere Auflösung erzielt werden, indem
der Fabry-Perot-Etalon 82 in den optischen Weg hinein in Reihe mit
dem ausgewählten Filter des Filterrades 84 geschoben wird. Fig. 4 zeigt
dies für ein Beispiel, in dem es gewünscht ist, einen Diamantfilm zu
analysieren. Ein geeigneter Filter des Filterrades 84 wird ausgewählt
und auf dem Gestell 92 gedreht, so daß seine
Transmissionscharakteristik (gestrichelte Linie 96) auf 1332 cm&supmin;¹ zentriert ist, was mit einer
charakteristischen Raman-Spitze von Diamant zusammenfällt. Eine
Feinabstimmung wird nun ausgeführt unter Verwendung der
piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 83, um zu bewirken, daß die Spitze
95 der Fabry-Perot-Transmissionscharakteristik zwischen 1325 cm&supmin;¹
und 1340 cm&supmin;¹ abtastet. Dies gestattet ein Abtasten der
charakteristischen Spitze in dem Diamantspektrum mit einer spektralen Auflösung
von etwa 0,2 cm&supmin;¹, wodurch eine genaue Bestimmung der Parameter
der Spitze ermöglicht wird. Dabei ist es möglich, ein zweidimensionales
Bild der Oberfläche des Diamantfilmes auf dem CCD 12 zu fokussieren,
um zu bestimmen, wie ihre Charakteristiken (z. B. eine räumliche Karte
der Spannung in dem zuvor erwähnten dünnen Film) von Ort zu Ort
variieren.
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Natürlich kann die gleiche Technik verwendet werden, um eine Analyse
bei hoher Auflösung der charakteristischen Spitzen anderer Substanzen
zu schaffen. Beispielsweise beeinflußt Spannung in einer
Siliziumoberfläche ihre Raman-Spitzen. Um dies zu studieren wird ein geeigneter
Filter 90 vom Filterrad 84 in den optischen Weg geschaltet und mittels
des Gestells 92 gedreht, um ein Band um die interessierende
Siliziumspitze herum zu legen. Die piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 83
wird dann verwendet, um innerhalb dieses ausgewählten
Durchlaßbandes abzutasten, und Änderungen in dem von dem CCD empfangenen
Bild zeigen, wie die Spannung über der Oberfläche variiert.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen ein neuartiges Verfahren zur Verwendung der
Vorrichtung. Das Ansprechen oder die Antwort FP des Fabry-Perot-
Etalons 82 ist in Fig. 5 als eine Serie scharfer, gleich beabstandeter
Spitzen 94A-E gezeigt. Wenn der Fabry-Perot-Etalon 82 abgetastet wird,
indem eine variierende Spannung an die piezoelektrischen
Betätigungsvorrichtungen 83 angelegt wird, und zwar unter Steuerung von dem
Computer 120, werden die Spitzen 94A-E den spektralen Bereich herauf
oder herunter abgetastet, wie durch Pfeile 122 angedeutet. Fig. 5 zeigt
auch das spektrale Ansprechen oder die spektrale Antwort DF eines
dielektrischen Filters, der in dem Rad 84 ausgewählt werden kann.
Dieser weist eine einzelne, viel breitere Spitze auf, die auch den spektralen
Bereich herauf und herunter abgetastet werden kann, wie durch den
Pfeil 122 angedeutet, indem der Filter unter Steuerung des Computers
120 gekippt wird.
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Das Gesamtansprechen (die Instrumentenfunktion) der
Reihenkombination des Fabry-Perot-Etalons 82 und des dielektrischen Filters in dem
Rad 84 ist bei IF in Fig. 5 gezeigt (die vertikale Skala des Graphen ist
der Deutlichkeit halber verschoben worden). Die Instrumentenfunktion
IF kann als das Resultat der Multiplikation des Ansprechens DF mit
dem Ansprechen FP betrachtet werden. Sie umfaßt eine scharfe zentrale
Spitze, die von einigen Nebenspitzen umgeben ist.
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Um das vollständige Raman-Spektrum zu untersuchen, das von der
Probe 14 gestreut wird, ist der Computer 120 programmiert, um sowohl
den Fabry-Perot-Etalon als auch den dielektrischen Filter gleichzeitig
abzutasten, z. B. so, daß ihre Antworten nach rechts in Fig. 5 mit der
gleichen Rate abtasten. Anfangs wird dies so ausgeführt, daß die Spitze
94C der Fabry-Perot-Antwort zentriert innerhalb der Spitze der
Filterantwort DF gehalten wird. Jedoch ist es nicht möglich, eine Fabry-
Perot-Spitze über einen breiten Spektralbereich abzutasten. Die
folgende Technik wird daher angenommen. Wenn die Spitzen einen kleinen
Bereich von Wellenzahlen hindurch äquivalent der Beabstandung
zwischen zwei benachbarten Spitzen 94C, 94D abgetastet haben, und
bevor die maximale zulässige Spannung an die piezoelektrischen
Betätigungsvorrichtungen 83 angelegt worden ist, wird dem Fabry-Perot-
Etalon 82 von dem Computer 120 befohlen, zu dem Beginn des
Bereiches seines Abtastens zurückzuspringen. Die Filterspitze DF fällt nun
nicht mit der Fabry-Perot-Spitze 94C, sondern mit der Spitze 94D
nächster Ordnung zusammen. Das Abtasten dauert an, wobei der Computer
120 die Spitze 94D zentriert in der Spitze DF hält. Wieder, bevor der
Fabry-Perot-Etalon 82 das Ende seines erlaubten Abtastbereiches
erreicht, befiehlt ihm der Computer, eine Ordnung zurückzuspringen, so
daß die Spitze 94E nun mit der Spitze DF zusammenfällt. Dieser Prozeß
kann für einen sehr breiten Spektralbereich fortgesetzt werden,
begrenzt lediglich durch die Leistung des dielektrischen Filters. Durch
Wechseln des dielektrischen Filters kann der Spektralbereich noch
weiter ausgedehnt werden.
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Fig. 6 zeigt ein typisches Beispiel eines Graphen der erfaßten Daten AD,
die das Instrument infolge eines derartigen Abtastprozesses erzeugt und
gegebenenfalls von dem Computer 120 dargestellt werden können. In
dem gezeigten Beispiel können die Daten AD als ein Ergebnis einer
einzelnen Raman-Spitze RP erzeugt worden sein. Es ist zu bemerken, daß
zusätzlich zu der Hauptspitze die Kurve AD Nebenspitzen aufweist, die
den Nebenspitzen der Instrumentenfunktion IF entsprechen, die in Fig.
5 zu sehen ist. Diese Nebenspitzen werden durch einen
Datenverarbeitungsvorgang entfernt, der in dem Computer 120 ausgeführt wird, so
daß die Spitze RP klar dargestellt werden kann, falls erforderlich. Der
Datenverarbeitungsvorgang wird nicht ausführlich beschrieben, da ein
geeignetes Computerprogramm von einem Fachmann ersonnen werden
kann. Der notwendige Algorithmus bezieht eine Entfaltung der erfaßten
Daten AD mit der Instrumentenfunktion IF mit ein, und ein geeigneter
Algorithmus, der zu diesem Zweck ausgebildet werden kann, ist das
Verfahren von Janson. Vor diesem Datenverarbeitungsverfahren kann
die Instrumentenfunktion IF abgeleitet werden, indem das Instrument
verwendet wird, um einen Lichteingang mit bekannten Charakteristiken
abzutasten, z. B. das Licht des Lasereingangs 10 des Instruments.
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Alternativ ist es möglich, einen dielektrischen Filter mit einer eher
schmaleren Spitze als der bei DF gezeigten zu verwenden. In diesem Fall
weist die Instrumentenfunktion keine wesentlichen Nebenspitzen auf,
und eine Entfaltung ist nicht notwendig.
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Nach wiederum Fig. 1 kann anstelle des Filterrades 84 und des Fabry-
Perot-Etalons 82 der alternative optische Weg zwischen den Filtern 18,
44 und dem CCD 12 ausgewählt werden wie folgt. Die bewegbaren
Spiegel 74, 76 werden aus dem optischen Weg geschoben,
beispielsweise von dem Computer 120, und zwar in Positionen, die durch
gestrichelte Linien 74A, 76A angedeutet sind. Das gestreute Licht verläuft
dann statt dessen zu einem Diffraktionsgitter 60 vom Reflexionstyp
über ein gleichschenkliges Prisma 62 mit verspiegelten Oberflächen.
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Das Gitter 60, z. B. mit 1200 Linien/mm, ist auf einem
Präzisionsrotationstisch oder -gestell 61 angebracht, so daß es um eine Achse 60A
senkrecht zur Papierebene drehbar ist; und zwar unter Steuerung von
dem Computer 120. Das Eingangslaserbündel wird auf einen einzelnen
Punkt auf der Probe 14 fokussiert.
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Fig. 7 zeigt die Anordnung des Diffraktionsgitters 60 ausführlicher. Das
Raman-gestreute Licht tritt aus dem Mikroskop als ein paralleles
Bündel mit einem Durchmesser D von links der Figur heraus. Das
gleichschenklige Prisma 62 mit reflektierenden Beschichtungen lenkt das
Bündel um einen Winkel 2α ab, wobei der Prismawinkel α ist. Optional
kann das Prisma in das Raman-gestreute Bündel hinein oder aus
diesem heraus auf einer Präzisionsschiene 64 senkrecht zur Papierebene
bewegt werden (lediglich schematisch in Fig. 7 gezeigt). Das einfallende
Bündel bildet einen Winkel Θ mit der Senkrechten auf dem
Diffraktionsgitter, das einen Linienabstand d aufweist. Das gebeugte Bündel
kehrt über eine gegenüberliegende Seite des Prismas zu dem
ursprünglichen Weg des Raman-gestreuten Bündels zurück und bildet einen
Winkel φ bezüglich der Senkrechten des Diffraktionsgitters. Unter
diesen Bedingungen ist die zentrale Wellenlänge λ des gebeugten Bündels
gegeben durch:
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λ = d(sinΘ + sinφ) (1)
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Der Winkel zwischen den einfallenden und gebeugten Bündeln ist δ, der
mit den Einfalls- und Beugungswinkeln in Beziehung steht durch
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d = Θ - φ (2)
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In typischen Spektrometern von 0,5 bis 1 m liegt der Wert von δ
üblicherweise in dem Bereich 20º bis 30º. Es ist nützlich, einen Wert von δ
in diesem Bereich für die vorliegende Ausführungsform der Erfindung
zu verwenden, da die Eigenschaften von kommerziell erhältlichen
Diffraktionsgittern an diese Winkel für Glanz angepaßt sind. Fig. 7 ist
mit δ = 30º gezeichnet worden, um einen Eindruck der Größen zu
geben.
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Fixieren des Wertes von 6 legt den Abstand L zwischen der
Rotationsachse 60A des Gitters und dem Zentrum des Prismas fest. Unter
Verwendung der Notation von Fig. 7 kann gezeigt werden, daß
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wobei H die Höhe des Prismas und α der Prismawinkel ist. Des weiteren
hängt der Wert von δ mit α zusammen durch
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δ = π - 4α (4)
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und
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Fig. 7 ist unter der Annahme eines Wertes von H = 15 mm gezeichnet
worden, wobei mit δ = 30º der Prismawinkel α 37,5º beträgt. Somit hat L
in Fig. 7 den Wert von 36,5 mm. Selbstverständlich sind diese Winkel
und Abmessungen lediglich als Beispiele angegeben.
-
Die Linse 34 fokussiert das Raman-gestreute Licht auf die
ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) 12. Das Diffraktionsgitter 60 zerstreut oder
zerlegt die verschiedenen Raman-Wellenlängen über das CCD 12, wie
bei 66 in Fig. 1 angedeutet. Die Dispersion über das CCD 12 ist eine
Funktion von Θ und bestimmt den Bereich des Raman-Spektrums, das
für eine gegebene Winkelposition des Gitters 60 um die Rotationsachse
60A erhalten wird (d. h. für einen gegebenen Winkel Θ). Unter
Verwendung des Präzisionsrotationstisches 61 kann das Gitter stufenweise in
eine Vielzahl unterschiedlicher Winkel Θ gebracht werden, um den
gesamten Bereich von Raman-Spektren abzudecken, die zu untersuchen
sind. Für jeden Winkel Θ ist das CCD 12 hinsichtlich der Wellenzahl (in
cm&supmin;¹) entsprechend jedem Pixel des CCD kalibriert (oder jeder Gruppe
von Pixeln, die während nachfolgender Signalverarbeitung und -analyse
zusammengefaßt sind).
-
Für ein Gitter mit 1200 Linien/mm und δ = 30º kann Gleichung (1)
umgeschrieben werden als:
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λ = 833 nm (sinΘ + sin(Θ - 30º)) (6)
-
Unter der Annahme, daß der CCD-Chip 580 Pixel, 20 um im Quadrat,
aufweist, ist die aktive Fläche dann 12,8 mm lang. Wenn die Brennweite
der Linse 34 300 mm beträgt, dann begrenzt die aktive Fläche einen
Winkel von 2, 3º. Die Dispersion Δ(1/λ) über dem aktiven Bereich ist
dann gegeben durch:
-
Die Größen der Dispersion für eine Vielzahl von Einfallswinkeln Θ sind
in der folgenden Tabelle gezeigt:
-
Wiederum sind alle der obigen Werte lediglich als Beispiele angegeben.
-
Ein bevorzugter Aspekt der Vorrichtung der Fig. 1 und 7 ist, daß sie
nicht den Eingangsschlitz benötigt, der für herkömmliche
Monochromatoren, die Diffraktionsgitter verwenden, erforderlich ist. Der kleine
Laserlichtfleck, der auf die Probe 14 von dem Mikroskopobjektiv 20
fokussiert wird, ersetzt den Eingangsschlitz. Die Vorrichtung benötigt
auch keinen herkömmlichen Ausgangsschlitz. Ein Pixel (oder eine
Gruppe von Pixeln, die zusammengefaßt sind) des CCD 12 ersetzt den
Ausgangsschlitz. Jedoch könnte gegebenenfalls ein Eingangsschlitz
eingesetzt werden, und er kann für eine konfokale Wirkung sorgen, wie in
der Internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/ GB92 /01026
beschrieben. Eine derartige Anordnung besitzt auch den Vorteil, daß die dem
Schlitz zugeordneten Linsen das Bündel aufweiten können, so daß es
einen größeren Bereich des Gitters abdeckt, wodurch die spektrale
Auflösung erhöht wird.
-
Da das Prisma 62 auf der Präzisionsschiene 64 angebracht ist, kann es
leicht erforderlichenfalls entfernt werden. Ein direktes Bild der Probe 14
wird dann auf dem CCD 12 erhalten, wobei ein Bereich der Probe 14
mit weißem Licht beleuchtet wird. Aufgrund der Präzisionsschiene 64,
wenn das Prisma 62 zurückgebracht wird, sind seine Positionierung
relativ zu dem Diffraktionsgitter 60 und die Winkel Θ, φ, δ
unbeeinträchtigt. Die Dispersion des Raman-Spektrums über dem CCD 12 ist
ebenso unbeeinträchtigt, so daß es keine Notwendigkeit zur erneuten
Kalibration des CCD gibt (das heißt, die gleichen Pixel des CCD
repräsentieren nach wie vor die gleiche Raman-Wellenlänge). Gegebenenfalls
ist es anstelle der Präzisionsschiene 64 senkrecht zu der Papierebene
möglich, dafür zu sorgen, daß das Prisma 62 entfernt wird und
zurückgebracht wird in der Richtung der Pfeile 63 in Fig. 7. Jedoch sollte dann
ein Präzisionsanschlag vorgesehen werden, um zu gewährleisten, daß
das Prisma in die korrekte Position relativ zu dem Gitter 30
zurückgebracht werden kann.
-
Ein weiterer bevorzugter Aspekt der Erfindung liegt in der Fähigkeit,
leicht zwischen einem ersten Modus, in dem das Diffraktionsgitter 60
oder ein anderes dispersives Element verwendet wird, und einem
zweiten Modus zu wechseln, in dem ein abstimmbares nicht-dispersives
Element (der Fabry-Perot-Etalon 82 und/ oder ein dielektrischer Filter in
dem Rad 84) verwendet wird. Der zweite Modus besitzt den Vorteil, daß
das CCD verwendet werden kann, um einen Bereich der Probe
abzubilden, und zwar bei einer gegebenen Raman-Wellenlänge, während der
erste Modus das Potential des CCD verwendet, um ein vollständiges
Raman-Spektrum gleichzeitig von einem einzelnen Punkt auf der Probe
zu registrieren. Wechseln zwischen dem einen Modus und dem anderen
wird leicht durch Bewegen der Spiegel 74, 76 erzielt. In einer
alternativen Ausführungsform könnte ein Modenwechseln erzielt werden, indem
einfach ein abstimmbarer dielektrischer Filter oder ein anderes
abstimmbares nicht-dispersives Filterelement an die Stelle des Prismas 62
eingesetzt wird. Die Vorrichtung weist daher eine große Vielseitigkeit
auf.
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Gegebenenfalls könnte das Prisma 62 durch zwei separate Spiegel
ersetzt werden. Jedoch wird das Prisma bevorzugt, da es ein festes
optisches Element ist, dessen Winkel fixiert sind, wohingegen im Fall der
Verwendung zweier Spiegel es dann notwendig wäre, sicherzustellen,
daß der Winkel zwischen ihnen jedesmal präzise neu eingestellt wird,
wenn sie entfernt und ersetzt werden.
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Eine weitere Möglichkeit ist, ein optisches Element 60 zu verwenden,
das mit dem reflektierenden Diffraktionsgitter auf der einen Fläche und
mit einem ebenen Spiegel auf der Rückfläche versehen ist. Ein
derartiges optisches Element 60 kann dann gedreht werden, so daß das Licht
auf den Spiegel anstatt auf das Diffraktionsgitter fällt, wobei die
Spiegelfläche parallel zu dem optischen Weg von dem Filter 18 zu dem CCD
12 ist (Θ = φ). Dies hat den gleichen Effekt wie das Entfernen des
Prismas 62, so daß ein reelles Bild eines Bereiches der Probenoberfläche
auf dem CCD gebildet werden kann, wobei die Probe mit weißem Licht
beleuchtet wird. Ein abstimmbarer Filter kann dann gegebenenfalls in
den optischen Weg hinein an anderer Stelle bewegt werden, z. B. wie bei
68 in Fig. 1 gezeigt, wobei die Probe mit dem Laser beleuchtet wird.
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Es wird nun ein Verfahren zur Verwendung des Diffraktionsgitters 60 in
Verbindung mit dem CCD 12 beschrieben. Ein verbessertes, neuartiges
Dätenerfassungsverfahren besteht darin, die Vorrichtung wie in Fig. 8
dargestellt zu betreiben. Diese Figur zeigt schematisch einen Abschnitt
einer Spalte oder Reihe von Pixeln 12A-N des CCD 12. Zu einem
gegebenen Zeitpunkt liegt ein Raman-Spektrum, das entlang dieser Spalte
oder Reihe zerstreut ist, so vor, wie es diagrammatisch durch Strahlen
66A, 66B, 66C dargestellt ist, die jeweils Raman-gestreutes Licht einer
unterschiedlichen Wellenzahl repräsentieren. Das allgemeine Prinzip
des Verfahrens besteht darin, diese Strahlen entlang der Spalte oder
Reihe von Pixeln synchron mit dem Verschieben der Ladung von dem
einen Pixel zum nächsten und dem Auslesen der Daten von dem
Endpixel 12A in den Computer 120 hinein abzutasten. Nach einer kurzen
Belichtungszeit befiehlt der Computer 120 somit dem CCD 12, alle Daten
um ein Pixel zu verschieben, während er gleichzeitig dem Drehtisch 61
befiehlt, das Gitter 60 um ein Ausmaß äquivalent der spektralen
Auflösung zwischen benachbarten Pixeln weiterzuschalten. Zum Beispiel
wird die Ladung, die sich im Pixel 12N angesammelt hat, in das Pixel
12M verschoben, während zur selben Zeit der Strahl 66C in die Position
verschoben wird, die durch die gestrichelte Linie 66C' gezeigt ist. Zur
selben Zeit verschiebt sich die im Pixel 12H angesammelte Ladung zu
dem Pixel 12G, und der Strahl 66B verschiebt sich in die Position 66B';
und die sich im Pixel 12B angesammelte Ladung wird in das Pixel 12A
verschoben, während sich der Strahl 66A in die Position 66A'
verschiebt. Es ist zu erkennen, daß auf diese Weise sich die nun in den
Pixeln 12M, 12G und 12A befindende Ladung weiter ansammelt, und
zwar jeweils gemäß den relativen Intensitäten der Strahlen 66C, 66B,
66A.
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Als nächstes, nach einer weiteren kurzen Belichtungszeit der gleichen
Länge wie zuvor, wird die Ladung in jedem Pixel erneut in ihr
Nachbarpixel verschoben und gleichzeitig das Gitter 60 wieder um ein Ausmaß
äquivalent der spektralen Auflösung zwischen benachbarten Pixeln
weitergeschaltet. Die angesammelte Ladung vom Pixel 12M wird somit
in das Pixel 12L verschoben und sammelt weiter Ladung an gemäß der
Intensität des Strahles, der sich nun in die Position 66C" verschoben
hat. Auf ähnliche Weise wird nun die angesammelte Ladung im Pixel
12G zum Pixel 12F verschoben und sammelt weiter Ladung an gemäß
der Intensität des Strahles, der nun in die Position 66B" verschoben ist.
Die angesammelte Ladung vom Pixel 12A wird andererseits aus dem
Ende der Spalte oder Reihe von Pixeln herausgeschoben und in den
Speicher im Computer 120 eingelesen.
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Dieser Prozeß wird viele Male wiederholt, um Daten von einem
spektralen Bereich gewünschter Breite zu erfassen. Die einzige Beschränkung
der Gesamtbreite des spektralen Bereiches wird von der Leistung des
Gitters 60 auferlegt, und dieser Bereich kann ein Vielfaches der Breite
des CCD 12 betragen, während eine hohe spektrale Auflösung
aufrechterhalten wird.
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Wenn in der Praxis das CCD 12 m Pixel in jeder Spalte oder Reihe auf
weist, dann wird der Computer 120 so programmiert, daß er die Daten
von den ersten m-1 gelesenen Pixeln ignoriert oder verwirft. Dies
deshalb, weil es einfacher und genauer ist, Daten zu verarbeiten, die sich
über die gleiche Gesamtbelichtungszeit für jeden Punkt in dem
Spek
trum angesammelt haben, wohingegen diese ersten m-1 Punkte für eine
kürzere Gesamtzeit belichtet worden sind als die nachfolgenden Punkte.
Jeder der nachfolgenden Punkte ist über eine Gesamtbelichtungszeit t,
gleich m · d Sekunden, angesammelt worden, wobei d die
Verzögerungszeit zwischen jedem Transfer von Ladung von dem einen Pixel
zum nächsten ist.
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Die Zeit, die benötigt wird, um ein aus n Punkten bestehendes
Spektrum abzutasten, ist t + (n · t)/ m. Wenn beispielsweise das CCD 600
Pixel breit ist und die gewünschte Gesamtbelichtungszeit t 10
Sekunden beträgt, dann kann ein Spektrum mit einer Spektralbreite
äquivalent zu 6000 Pixeln in 110 Sekunden abgetastet werden. Dies ist
geringfügig länger als es für den zuvor diskutierten Repetierprozeß
erforderlich wäre. Da jedoch das vorliegende Verfahren einen
kontinuierlichen Abtastprozeß anstelle eines diskreten schrittweisen Prozesses mit
einbezieht, bestehen keine Probleme während des nachfolgenden
Datenverarbeitungsbetriebs des Miteinanderverbindens der separaten
Datenblöcke, sollten Änderungen im Hintergrundlichtniveau oder andere
Veränderungen der Bedingungen stattgefunden haben.
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Wenn die höchste mögliche spektrale Auflösung nicht erforderlich ist,
kann die Software eine Technik verwenden, die "Zusammenfassen
(binning)" genannt wird, bei der mehrere benachbarte Pixel als eine
Gruppe behandelt werden. Die Software addiert die Daten, die sie von
den aufeinanderfolgenden Pixeln in der Gruppe einfängt, zusammen
und behandelt das Ergebnis als einen Datenpunkt. Ein Vorteil besteht
darin, daß die Datenintensität erhöht wird. Alternativ kann die
Belichtungszeit reduziert werden, was ein schnelleres Abtasten ergibt. Ob ein
Zusammenfassen verwendet wird oder nicht, ein zweiter Vorteil besteht
darin, daß jeder Datenpunkt über jedes Pixel in der Spalte oder Reihe
gesammelt wird, so daß Fehler, die durch Nicht-Gleichförmigkeit des
CCD-Ansprechens oder durch Schmutz- oder Staubteilchen verursacht
werden, herausgemittelt werden. Ein dritter Vorteil besteht darin, daß
die Auswirkung von Rauschen in den Ausleseschaltkreise, die dem CCD
zugeordnet sind, reduziert wird.
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Fig. 9 zeigt ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Verwendung der
Vorrichtung, wenn es erwünscht ist, einen Filter in dem Filterrad 84 zu
verwenden und somit ein Raman-Spektrum eines besonderen Punktes
auf der Probe 14 aufzunehmen. Gewöhnlicherweise würde dies durch
Fokussieren des ankommenden Laserbündels auf einen Fleck am
betreffenden Punkt durchgeführt werden, und zwar unter Verwendung
des x-y-Tisches 52, um die Probe zu positionieren. In dem vorliegenden
Verfahren wird jedoch ein Bereich der Probe beleuchtet, indem das
ankommende Laserbündel 10 (durch Einstellen des Linsensystems 40)
defokussiert wird. Die Spiegel 74, 76 sind positioniert, um das gestreute
Licht durch den gewünschten abstimmbaren Filter in dem Filterrad 84
zu lenken, und ein zweidimensionales Bild des beleuchteten Bereiches
wird auf dem CCD 12 erzeugt. Dieser beleuchtete Bereich ist durch den
Kreis 130 in Fig. 9 angedeutet.
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Als nächstes wählt der Benutzer einen Punkt oder eine kleine Region
innerhalb des beleuchteten Bereiches der Probe aus, den er zu
untersuchen wünscht. Diese Auswahl wird bewirkt, indem die entsprechenden
Pixel des CCD 12 zusammengefaßt werden, z. B. wie durch den Kasten
132 in Fig. 9 gezeigt, so daß der Computer 120 Daten lediglich von
die
sen Pixeln erfaßt, wobei sie als eine einzelne Einheit behandelt werden.
Der ausgewählte Punkt oder die ausgewählte Region kann sich an
irgendeiner Stelle auf der Probe innerhalb des von dem ankommenden
Laserbündel beleuchteten Bereichs befinden. Schließlich erzeugt der
Computer 120 das gewünschte Raman-Spektrum in der üblichen
Weise, wobei der ausgewählte Filter abgestimmt wird, indem er gedreht
wird, während gleichzeitig Daten von den zusammengefaßten Pixeln in
der Region 132 erfaßt werden.
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Das in Fig. 9 dargestellte Verfahren kann mit einem Filter durchgeführt
werden, der irgendeine gewünschte Bandbreite aufweist, z. B. 2 cm&supmin;¹
oder 20 cm&supmin;¹. Der spektrale Bereich kann außerdem wie vorstehend
beschrieben vergrößert werden, indem verschiedene Filter in dem Rad
84 der Reihe nach ausgewählt werden. Das Verfahren kann
gegebenenfalls außerdem zusammen mit den obigen Abtastverfahren unter
Verwendung des Fabry-Perot-Etalons 82 verwendet werden. Die
Kalibration des abstimmbaren dielektrischen Filters in dem Filterrad 84
wird äußerst geringfügig verschoben, wenn er achsenentfernt auf die
vorliegende Weise verwendet wird, jedoch kann dies gegebenenfalls
durch Software in dem Computer 120 korrigiert werden.
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Die Vorrichtung von Fig. 1 kann mit einer internen Abschirmung
versehen sein, z. B. wie bei 98 angedeutet, um zu verhindern, daß Streulicht
vom Eingangslaserbündel 10 das CCD 12 erreicht. Öffnungen 100 in
dieser Abschirmung, die den Durchgang des Lichtbündels gestatten,
wenn es über den Fabry-Perot-Etalon 82 und das Filterrad 84 reflektiert
wird, können automatisch durch Verschlüsse geschlossen werden,
wenn die Spiegel 74, 76 aus dem optischen Weg heraus bewegt werden.
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Weitere Abschirmung kann zwischen den Komponenten 82, 84 und den
Komponenten 40-42 vorgesehen sein. Ein weiterer dichroitischer Filter,
um Licht mit der Laserfrequenz zurückzuweisen, kann eben vor dem
CCD vorgesehen sein, z. B. zwischen dem Spiegel 76 und der Linse 34,
und zwar mit weiterer Abschirmung um ihn herum.
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Fig. 10 zeigt eine alternative Anordnung der optischen Komponenten
zwischen dem dichroitischen Filter 18 und dem CCD 12, und die
gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 sind an geeigneter Stelle verwendet
worden.
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Wie zuvor kann das gestreute Licht einen von zwei möglichen optischen
Wegen nehmen, und zwar in Abhängigkeit davon, ob ein Spiegel 74 in
dem optischen Weg, wie durch eine durchgezogene Linie gezeigt, oder
außerhalb des optischen Weges, wie durch eine gestrichelte Linie 74A
gezeigt, angeordnet ist.
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Mit dem Spiegel 74 in dem optischen Weg wird das Licht durch einen
ausgewählten Filter des Filterrades 84 reflektiert, der abgestimmt
werden kann, indem das Gestell 92 auf die gleiche Weise wie vorher gedreht
wird. Ein Spiegel 110 reflektiert das Licht um 90º durch den Fabry-
Perot-Etalon 82. Es wird dann von der Linse 34 auf das CCD 12
fokussiert. Wie in Fig. 1 können das Filterrad 84 und der Fabry-Perot-Etalon
82 in Verbindung miteinander verwendet werden, oder der Fabry-Perot-
Etalon 82 kann aus dem optischen Weg entfernt werden, so daß das
Raman-Spektrum bei niedrigerer Auflösung durch Drehen des Gestells
92 abgetastet werden kann.
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Alternativ verläuft mit aus dem optischen Weg entferntem Spiegel 74
das gestreute Licht direkt zu dem Diffraktionsgitter 60, das auf seinem
Rotationstisch 61 angebracht ist. In Abhängigkeit von der Orientierung
des Tisches 61 wird ein ausgewählter gebeugter Strahl zu dem Spiegel
110 geführt. Dieser Spiegel kann in die Position geschwenkt werden, die
durch die gestrichelte Linie 110A gezeigt ist, um den gebeugten Strahl
auf das CCD 12 zu zu reflektieren. Wie vorher kann der Fabry-Perot-
Etalon 82 zur Feinabstimmung bei hoher Auflösung verwendet werden,
oder er kann aus dem optischen Weg entfernt werden, wenn er nicht
erforderlich ist.
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Wie zuvor kann der Rotationstisch 61 verwendet werden, um
schrittweise von dem einen Bereich eines Raman-Spektrums zum anderen zu
gelangen. Ebenso wie zuvor kann das Diffraktionsgitter ein optisches
Element 60 sein, welches einen ebenen Spiegel auf seiner Rückseite
aufweist, der durch Drehen des optischen Elementes in Benutzung
gebracht werden kann, um ein reelles Bild der Probe auf dem CCD 12 zu
bilden.
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Wie in der Ausführungsform von Fig. 1 erfordert die Anordnung von Fig.
10 keine Eingangs- oder Ausgangsschlitze, sie beruht statt dessen auf
der Fokussierung des Laserbündels auf einen Fleck auf der Probe und
auf einem Pixel oder einer Gruppe von zusammengefaßten Pixeln auf
dem CCD. Sie weist außerdem den Vorteil auf, daß sie nicht das in Fig.
1 gezeigte Prisma 62 erfordert, obwohl das Prisma bevorzugt wird, wenn
das Diffraktionsgitter mit einem abstimmbaren nicht-dispersiven Filter
vertauscht werden soll.
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Die Anordnung von Fig. 10 weist den Vorteil auf, daß die "Weite" der
Strahlen, die vom Diffraktionsgitter 60 gebeugt werden, größer sein
kann als in Fig. 1, wodurch somit die Verwendung einer Linse 34
längerer Brennweite berücksichtigt wird, was zu einer höheren Auflösung
führt, wenn das Diffraktionsgitter verwendet wird, und zwar mit der
zusätzlichen Möglichkeit der Verwendung des abtastenden Fabry-Perot-
Etalons 82 in Verbindung mit dem Diffraktionsgitter.
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Die vorstehende Beschreibung hat eine Anzahl von bevorzugten
Merkmalen der Vorrichtung und eine Anzahl von bevorzugten Verfahren
aufgezeigt. Diese können zusammen oder separat verwendet werden.
Außerdem können Modifizierungen durchgeführt werden. Der
Schutzumfang der Erfindung ist in den Ansprüchen definiert. Obwohl
Ramangestreute Spektren diskutiert wurden, kann des weiteren die Erfindung
dazu verwendet werden, andere Spektren zu analysieren, einschließlich
Schmallinien-Photolumineszenz, -Fluoreszenz und
-Cathodo-Lumineszenz.