DE19814660C1 - Grating spectrometer and method for measuring spectral intensities in white light - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Gitterspektrometer gemäß dem ersten Patentanspruch und ein Verfahren zur Messung spektraler Inten sitäten von weißem Licht gemäß dem zweiten Patentanspruch.The invention relates to a grating spectrometer according to the first Claim and a method for measuring spectral intensities sities of white light according to the second claim.
C. Müller und J. Mohr beschreiben in INTERDISCIPLINARY SCIENCE REVIEWS, 1993, Vol. 18, No. 3, Seiten 273 bis 275 ein durch das sogenannte LIGA-Verfahren hergestelltes Mikrospektrometer mit einem Blaze-Gitter. Die Funktionsweise des Blaze-Gitters wird anhand von Zeichnungen und der Blaze-Gleichung erläutert. Das Blaze-Gitter besteht aus einer konkaven, treppenstufenförmigen Anordnung von einzelnen Gitterstufen, deren Apexwinkel, Gitter stufenkonstante und Höhe entsprechend der Blaze-Gleichung aus gewählt werden. Trägt man die Intensität des am Blaze-Gitter gebeugten und reflektierten Lichts gegen die Wellenlänge auf, ergibt sich für die erste und für weitere Ordnungen ein Maximum bei der Blaze-Wellenlänge und ein je nach der betrachteten spektralen Ordnung mehr oder weniger ausgeprägter Abfall der Intensitäten von Licht höherer oder niedrigerer Wellenlänge. Aus einem Diagramm geht hervor, daß bei einer Blaze-Wellenlänge von 740 nm die Intensität in der ersten Ordnung unterhalb von 500 nm nahezu Null wird; bei einer Wellenlänge von 1100 nm ist die Intensität auf mehr als die Hälfte abgefallen. Die Veröf fentlichung lehrt, daß das Blaze-Gitter in der Weise gestaltet wird, daß die Blaze-Wellenlänge in der Mitte des interessieren den Wellenlängenbereichs liegt. Bei der gewählten Anordnung er hält man jedoch nur die erste spektrale Ordnung und es muß ein Intensitätsabfall bei höheren und niedrigeren Wellenlängen in Kauf genommen werden.C. Müller and J. Mohr describe in INTERDISCIPLINARY SCIENCE REVIEWS, 1993, Vol. 18, No. 3, pages 273 to 275 a by the so-called LIGA process with microspectrometer a blaze grid. The way the Blaze grid works explained using drawings and the Blaze equation. The Blaze grid consists of a concave, staircase-shaped Arrangement of individual grating steps, their apex angles, grids step constant and height according to the Blaze equation to get voted. If you wear the intensity of the on the Blaze grid diffracted and reflected light against the wavelength, there is a maximum for the first and further orders at the blaze wavelength and one depending on the one under consideration spectral order more or less pronounced decay of the Intensities of light of higher or lower wavelength. A diagram shows that at a blaze wavelength of 740 nm the intensity in the first order below 500 nm becomes almost zero; is at a wavelength of 1100 nm the intensity dropped to more than half. The publisher publication teaches that the Blaze grid is designed in this way will care that the blaze wavelength in the middle of the the wavelength range. With the chosen arrangement he but you only keep the first spectral order and it has to Decrease in intensity at higher and lower wavelengths in Purchase.
Eine ausführlichere Darstellung dieses Sachverhalts findet sich bei C. Müller und J. Mohr: Miniaturisiertes Spektrometersystem in der LIGA-Technik, Wissenschaftliche Berichte des Forschungs zentrums Karlsruhe GmbH, FZKA 5609 (1995) 10-12. A more detailed description of this can be found with C. Müller and J. Mohr: Miniaturized spectrometer system in LIGA technology, scientific reports of research Zentrum Karlsruhe GmbH, FZKA 5609 (1995) 10-12.
Aus der EP 0 502 866 B1 ist ein Zweistrahl-Spektrometer be kannt, bei dem das Licht einer Lichtquelle mit einem Strahltei ler in einen Meß- und einen Referenzstrahl zerlegt wird. Der Meßstrahl gelangt über einen Eintrittspalt auf ein konkaves Gitter und wird von diesem in ein Spektrum der Ordnung +1 und ein Spektrum der Ordnung -1 zerlegt. In analoger Weise wird der Referenzstrahl zerlegt. Die Spektren des Meß- und des Referenz strahls werden aneinander anschließend auf ein Detektorarray geworfen. Diese Anordnung enthält kein Blaze-Gitter.A two-beam spectrometer is known from EP 0 502 866 B1 knows, in which the light from a light source with a beam ler is broken down into a measuring beam and a reference beam. Of the Measuring beam reaches a concave through an entry slit Lattice and is of this in a spectrum of order +1 and decomposed a spectrum of order -1. In an analogous manner, the Disassembled reference beam. The spectra of the measurement and the reference beams are then connected to one another on a detector array thrown. This arrangement does not contain a blaze grating.
Aus J. F. James, R. S. Sternberg: The Design of Optical Spectrometers (1969) Chapman and Hall Ltd, Kapitel 5.5, geht im Zusammenhang mit dem Problem überlappender Ordnungen hervor, daß aus weißem Licht ein Spektralbereich von λ1 bis λ2 selek tiert werden kann, wobei λ2 ≦ [(n ± 1)/n] λ1 ist, n die spektrale Ordnung angibt und das (+)-Zeichen für positive n und das (-)- Zeichen für negative n gilt.From JF James, RS Sternberg: The Design of Optical Spectrometers (1969) Chapman and Hall Ltd, Chapter 5.5, in connection with the problem of overlapping orders, it emerges that a spectral range from λ 1 to λ 2 can be selected from white light, where λ 2 ≦ [(n ± 1) / n] λ 1 , n indicates the spectral order and the (+) sign applies to positive n and the (-) sign applies to negative n.
Aus der EP 98 423 B1 geht hervor, daß Spektren verschiedener Ordnungen auf einem Detektorarray abgebildet werden können. Da bei werden die Spektren der verschiedenen Ordnungen jedoch nicht voneinander getrennt.EP 98 423 B1 shows that spectra are different Orders can be mapped on a detector array. There at the spectra of the different orders, however not separated from each other.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gitterspektrometer und ein Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht vorzuschlagen, bei dem in Wellenlängenbereichen oberhalb und unterhalb der Blaze-Wellenlänge die Intensität von gebeugtem und reflektiertem Licht höher ist als dies bei dem Gitterspek trometer und dem Verfahren nach C. Müller und J. Mohr der Fall ist; das heißt, die Intensität soll bei Wellenlängen, die sich von der Blaze-Wellenlänge unterschieden, weniger stark abfallen als beim Stand der Technik.The object of the invention is a grating spectrometer and a Method for measuring spectral intensities of white light to propose in the wavelength ranges above and below the blaze wavelength the intensity of diffracted and reflected light is higher than that of the grating spec trometer and the procedure according to C. Müller and J. Mohr is; that is, the intensity should be at wavelengths that vary differ from the blaze wavelength, decrease less strongly than in the prior art.
Die Aufgabe wird durch das im ersten Patentanspruch beschrie bene Gitterspektrometer und durch das im zweiten Patentanspruch umrissene Verfahren gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind be vorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens angegeben.The task is described by the first claim bene grating spectrometer and by that in the second claim outlined procedures resolved. In the further claims are preferred embodiments of the method specified.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren und beim erfindungsgemäßen Gitterspektrometer wird aus weißem Licht ein detektierbarer Spektralbereich von λ1 nm bis λ2 nm ausgewählt, wobei λ2 ≦ [(n ± 1)/n] λ1 ist und n eine erste und (n ± 1) eine zweite spek trale Ordnung angeben; n kann somit ganzzahlige positive oder negative Werte annehmen. Für positive Ordnungen ist das Plus zeichen zu berücksichtigen, für negative Ordnungen das Minus zeichen. Die beiden Ordnungen sind einander benachbart. Vor zugsweise werden die erste und die zweite Ordnung eingesetzt. In diesem Fall ergibt sich λ2 ≦ 2 λ1. In the method according to the invention and in the grating spectrometer according to the invention, a detectable spectral range from λ 1 nm to λ 2 nm is selected from white light, where λ 2 ≦ [(n ± 1) / n] λ 1 and n is a first and (n ± 1) specify a second spectral order; n can therefore take integer positive or negative values. The plus sign must be taken into account for positive orders and the minus sign for negative orders. The two orders are adjacent to each other. Before the first and second order are preferably used. In this case there is λ 2 ≦ 2 λ 1 .
Bevorzugt wird ein Spektralbereich im IR-Bereich, besonders bevorzugt im Bereich zwischen ca. 1000 nm und 2000 nm ausge wählt. Dieser Spektralbereich ist zur Analyse einer Vielzahl von chemischen Verbindungen besonders geeignet.A spectral range in the IR range is preferred, particularly preferably in the range between approximately 1000 nm and 2000 nm elects. This spectral range is for analyzing a variety of chemical compounds particularly suitable.
Die Auswahl des detektierbaren Spektralbereichs kann durch ent sprechende optische Filter, z. B. durch Lang- oder Kurzpaßfil ter, erfolgen. Mit dem gleichen Erfolg kann ein Zeilendetektor eingesetzt werden, der nur bis zu der oberen oder der unteren Wellenlängengrenze des detektierbaren Spektralbereichs empfind lich ist. In diesem Fall werden entweder die obere oder die un tere Grenze oder gegebenenfalls auch beide Grenzen des ausge wählten Spektralbereichs durch den Zeilendetektor definiert. Beispielsweise ist ein InGaAs-Detektor nur für Wellenlängen un terhalb von ca. 1800 nm empfindlich. Alternativ können direkt auf den Zeilendetektor eine oder mehrere Schichten, die als op tische Filter wirken, aufgebracht werden. Geeignete Filter schichten sind beispielsweise Silicium- oder Indiumarsenid- Schichten.The selection of the detectable spectral range can be made by ent speaking optical filters, e.g. B. by long or short pass ter. A line detector can be used with the same success be used only up to the top or the bottom Sensitivity of the detectable spectral range is. In this case, either the top or the un tere limit or possibly both limits of the out selected spectral range defined by the line detector. For example, an InGaAs detector is only for wavelengths sensitive around 1800 nm. Alternatively, directly one or more layers on the line detector, which as op table filters act, are applied. Suitable filters layers are, for example, silicon or indium arsenide Layers.
Für die Lösung der gestellten Aufgabe ist von besonderer Bedeu tung, daß ein solches Blaze-Gitter eingesetzt wird, bei dem die Blaze-Wellenlänge nicht im mittleren Bereich des ausgewählten detektierbaren Spektralbereichs liegt, sondern an seinem oberen Ende.Of particular importance for the solution of the task tion that such a blaze grating is used in which the Blaze wavelength is not in the middle of the selected range detectable spectral range, but at its upper The End.
Das Licht des ausgewählten Spektralbereichs wird von dem ent sprechend der Blaze Gleichung gestalteten Blaze-Gitter gebeugt und reflektiert, wobei zumindest zwei spektrale Ordnungen auf treten. Mit einem Zeilendetektor werden zumindest eine erste und eine zweite Ordnung detektiert, wobei die Spektren der er sten und der zweiten Ordnung einander benachbart sind. Die Länge des Zeilendetektors soll daher mindestens so bemessen sein, daß seine Ränder definiert sind durch die Lage der Wel lenlänge λx, wobei der erste Rand der Lage der Wellenlänge λx der ersten Ordnung und der zweite Rand Lage der Wellenlänge λx der zweiten Ordnung entspricht, wenn λx die Wellenlänge der ersten und der zweiten Ordnung definiert, bei der die Intensität gleich ist.The light of the selected spectral range is diffracted and reflected by the Blaze grating designed in accordance with the Blaze equation, at least two spectral orders occurring. At least a first and a second order are detected with a line detector, the spectra of the first and the second order being adjacent to one another. The length of the line detector should therefore be dimensioned at least so that its edges are defined by the position of the wavelength len λ x , the first edge of the position of the wavelength λ x of the first order and the second edge position of the wavelength λ x of the second order corresponds when λ x defines the wavelength of the first and second order at which the intensity is the same.
Als Zeilendetektor können lineare Anordnungen von lichtempfind lichen Einzelelementen (Pixel) eingesetzt werden, bei denen so wohl der Abstand als auch die Breite gleich oder unterschied lich sein können. Der Zeilendetektor ist vorzugsweise so ausge legt, daß die Einzelelemente an die unterschiedliche Dispersion der jeweiligen Ordnung angepaßt ist, so daß eine gleichmäßige Auflösung erreicht wird.Linear arrays of photosensitivity can be used as the line detector Lichen individual elements (pixels) are used, in which so probably the distance and the width the same or different can be. The line detector is preferably made this way sets that the individual elements to the different dispersion is adapted to the respective order, so that a uniform Resolution is achieved.
Erfindungsgemäß werden daher diejenigen Spektralbereiche sowohl der ersten als auch der zweiten Ordnung genutzt, bei denen die Intensitäten hoch sind. Vergleicht man die Intensitäten inner halb einer vorgegebenen Bandbreite von Wellenlängen gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik miteinander, so sind erfindungsgemäß die Intensitäten insbesondere an den Rändern der vorgegebenen Bandbreite deutlich höher. Mit dem erfindungs gemäßen Gitterspektrometer und dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher Wellenlängen, die sich von der Blaze-Wellenlänge unterscheiden, mit höherer Intensität detektiert werden. Dies ist insbesondere beim Einsatz des Gitterspektrometers und des Verfahrens zur Analyse von chemischen Verbindungen ein wesent licher Vorteil.According to the invention, those spectral ranges are therefore both first and second order, in which the Intensities are high. If you compare the intensities inside half a predetermined range of wavelengths according to the Invention and according to the prior art, so are According to the invention, the intensities, in particular at the edges the specified bandwidth significantly higher. With the fiction according to the grating spectrometer and the method according to the invention can therefore have wavelengths that differ from the blaze wavelength distinguish, be detected with higher intensity. This is particularly useful when using the grating spectrometer and the Process for the analysis of chemical compounds an essential advantage.
Das erfindungsgemäße Gitterspektrometer kann in gleicher Weise wie das von C. Müller und J. Mohr beschriebene mit Hilfe des sogenannten LIGA-Verfahrens (Röntgentiefenlithographie und nachfolgende galvanische Abformung) hergestellt werden. Es läßt sich daher in gleicher Weise miniaturisieren.The grating spectrometer according to the invention can be used in the same way like that described by C. Müller and J. Mohr with the help of so called LIGA procedure (X-ray depth lithography and subsequent galvanic impression). It leaves miniaturize themselves in the same way.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels und zwei Figuren näher erläutert.The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game and two figures explained in more detail.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der für das Ausfüh rungsbeispiel eingesetzten Anordnung; Fig. 1 shows a schematic representation of the arrangement used for the exemplary embodiment;
Fig. 2 zeigt die mit dem Zeilendetektor der Anordnung regi strierten Intensitäten in Zählraten pro Nanowatt [nW] einge strahlte optische Leistung und Millisekunden [ms] Integrations zeit des Detektors in Abhängigkeit der Pixelnummer des Zeilen detektors. Fig. 2 shows the intensities registered with the line detector of the arrangement in count rates per nanowatt [nW] radiated optical power and milliseconds [ms] integration time of the detector depending on the pixel number of the line detector.
Fig. 1 stellt schematisch die für das Ausführungsbeispiel ein gesetzte Anordnung dar. Es handelt sich um eine Anordnung, die es erlaubt, den Spektralbereich von 1000 nm bis 1800 nm zu ana lysieren, wobei die maximale Empfindlichkeit des Gesamtsystems in der Nähe der langwelligen Grenze bei 1700 nm liegt. Fig. 1 shows schematically the arrangement used for the exemplary embodiment. It is an arrangement which allows the spectral range from 1000 nm to 1800 nm to be analyzed, with the maximum sensitivity of the overall system in the vicinity of the long-wave limit Is 1700 nm.
Das zu analysierende weiße Licht 1 wird über ein Langpaßfilter 2 mit einer Kante bei 1000 nm begrenzt. Der Einsatz eines Kurz paßfilters zur Begrenzung des Spektralbereichs am langwelligen Ende entfällt, da der eingesetzte Zeilendetektor 5 mit 150 Pi xeln aus InGaAs diese Begrenzung aufgrund seiner spektralen Empfindlichkeit, die bei 1800 nm endet, übernimmt.The white light 1 to be analyzed is limited by a long-pass filter 2 with an edge at 1000 nm. The use of a short pass filter to limit the spectral range at the long-wave end is eliminated, since the line detector 5 used with 150 pixels of InGaAs takes over this limitation due to its spectral sensitivity, which ends at 1800 nm.
Das gefilterte Spektralsignal 3 trifft auf ein konkaves Blaze- Gitter 4, das den Spektralbereich gemäß der Blaze-Gitterglei chung beugt, reflektiert und fokussiert. Das Gitter ist auf 1750 nm in erster Ordnung geblazed und hat hier seine größte Effizienz. Die Gesamtempfindlichkeit der Anordnung ist aufgrund der Zeilenempfindlichkeit bei 1700 nm maximal. Der Zeilendetek tor 5 wird nun so angeordnet, daß der Fokuspunkt der Wellen länge 1250 nm in erster Ordnung 6 an seinem einen Ende (genau: Pixel 13) und der Fokuspunkt der Wellenlänge 1250 nm zweiter Ordnung 7 an seinem anderen Ende (genau: Pixel 137) liegt. Dies führt dazu, daß der Fokuspunkt der längsten zu analysierenden Wellenlänge (1800 nm) in erster Ordnung (Pixel 67) und der kür zesten Wellenlänge (1000 nm) in zweiter Ordnung (Pixel 88) im Mittelbereich des Zeilendetektors zu liegen kommen, ohne daß sich die spektralen Teilbereiche 1000 nm bis 1250 nm und 1250 nm bis 1800 nm örtlich überlappen; sie können somit fehlerfrei ausgelesen werden. The filtered spectral signal 3 strikes a concave blaze grating 4 , which diffracts, reflects and focuses the spectral range according to the blaze grating equation. The grating is blazed to 1750 nm in the first order and has its greatest efficiency here. The overall sensitivity of the arrangement is maximum due to the line sensitivity at 1700 nm. The line detector 5 is now arranged so that the focal point of the wavelength 1250 nm in first order 6 at its one end (exactly: pixel 13) and the focal point of wavelength 1250 nm second order 7 at its other end (exactly: pixel 137 ) lies. This means that the focal point of the longest wavelength to be analyzed (1800 nm) in first order (pixel 67) and the shortest wavelength (1000 nm) in second order (pixel 88) come to lie in the middle of the line detector without the spectral partial ranges overlap 1000 nm to 1250 nm and 1250 nm to 1800 nm; they can thus be read out without errors.
Die Detektorsignale beider Teilbereiche lassen sich in einer nachfolgenden Meßwertverarbeitung zusammensetzen, wodurch es möglich wird, den Bereich 1000 nm bis 1800 nm ohne Unterbre chung zu analysieren.The detector signals of both sub-areas can be in one assemble subsequent measurement processing, whereby it becomes possible, the range 1000 nm to 1800 nm without interruption analysis.
Die Anordnung bietet den Vorteil, daß der Bereich 1000 nm bis 1250 nm mit einer im Vergleich zum Bereich 1250 nm bis 1800 nm verbesserten spektralen Auflösung detektiert wird, da in zwei ter Ordnung gearbeitet wird.The arrangement offers the advantage that the range is 1000 nm to 1250 nm with a compared to the range 1250 nm to 1800 nm improved spectral resolution is detected because in two working in an orderly manner.
Claims (6)
- a) mindestens einer Vorrichtung (2, 5), die aus dem weißen Licht einen zu detektierenden Spektralbereich von λ1 bis λ2 selektiert, wobei λ2 ≦ [(n ± 1)/n] λ1, n die spektrale Ordnung angibt und das (+)-Zeichen für positive n und das (-)- Zeichen für negative n gilt,
- b) zusätzlich einem Blaze-Gitter (4), dessen Blaze-Wellenlänge bei λ2 liegt, und das den selektierten, zu detektierenden Spektralbereich beugt und auf einen Zeilendetektor (5) reflektiert, wobei
- c) der Zeilendetektor (5) derart angeordnet ist, daß er sich mindestens zwischen dem Ort einer in n-ter spektraler Ordnung gebeugten Wellenlänge λx und dem Ort der in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Wellenlänge λx erstreckt, wobei λx dadurch bestimmt ist, daß die in n-ter spektraler Ordnung gebeugten und die in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Intensitäten von λx gleich sind.
- a) at least one device ( 2 , 5 ) which selects from the white light a spectral range to be detected from λ 1 to λ 2 , where λ 2 ≦ [(n ± 1) / n] λ 1 , n indicates the spectral order and the (+) sign for positive n and the (-) sign for negative n,
- b) additionally a blaze grating ( 4 ), the blaze wavelength of which is λ 2 , and which bends the selected spectral range to be detected and reflects it on a line detector ( 5 ), where
- c) of the line detector (5) is arranged such that it at least between the location of a ter n-in spectral order diffracted wavelength λ x and diffracted the location of the in (n ± 1) -th order light wavelength λ x, said λ x is determined by the fact that the intensities of λ x diffracted in the nth spectral order and those diffracted in the (n ± 1) th order are the same.
- a) aus dem weißen Licht ein zu detektierender Spektralbereich von λ1 bis λ2 selektiert, wobei λ2 ≦ [(n ± 1)/n] λ1, n die spektrale Ordnung angibt und das (+)-Zeichen für positive n und das (-)-Zeichen für negative n gilt,
- b) das Licht des selktierten, zu detektierenden Spektralbereichs mit einem Blaze-Gitter (4), dessen Blaze-Wellenlänge bei λ2 liegt, gebeugt und auf einen Zeilendetektor (5) reflektiert wird, wobei
- c) der Zeilendetektor (5) derart angeordnet wird, daß er sich mindestens zwischen dem Ort einer in n-ter spektraler Ordnung gebeugten Wellenlänge λx und dem Ort der in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Wellenlänge λx erstreckt, wobei λx dadurch bestimmt ist, daß die in n-ter spektraler Ordnung gebeugten und die in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Intensitäten von λx gleich sind.
- a) a spectral range to be detected from λ 1 to λ 2 is selected from the white light, where λ 2 ≦ [(n ± 1) / n] λ 1 , n indicates the spectral order and the (+) sign for positive n and the (-) sign applies to negative n,
- b) the light of the selected spectral range to be detected is diffracted with a blaze grating ( 4 ), whose blaze wavelength is λ 2 , and is reflected on a line detector ( 5 ), whereby
- c of the line detector (5) is arranged in such a way) that it at least between the location of a ter n-in spectral order diffracted wavelength λ x and diffracted the location of the in (n ± 1) -th order light wavelength λ x, said λ x is determined by the fact that the intensities of λ x diffracted in the nth spectral order and those diffracted in the (n ± 1) th order are the same.
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| CN101923558A (en) * | 2009-05-20 | 2010-12-22 | 中国科学院声学研究所 | Storage network structure and reading and writing method for data based on (d, k) Mohr diagram |
| CN101923558B (en) * | 2009-05-20 | 2012-05-23 | 中国科学院声学研究所 | Storage network structure and reading and writing method for data based on (d, k) Mohr diagram |
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