DE3403372C1

DE3403372C1 - Mehrkanal-Prozeß-Spektrometer

Info

Publication number: DE3403372C1
Application number: DE19843403372
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Math. 7813 Staufen Klocke; Manfred 7800 Freiburg Knothe; Horst Dipl.-Ing. Dr. 7815 Kirchzarten Preier; Wolfgang Dipl.-Phys. 7844 Neuenburg Riedel; Gerhard Dipl.-Phys. Dr. Schmidtke; Helmut Dipl.-Phys. 7800 Freiburg Wolf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1984-02-01
Filing date: 1984-02-01
Publication date: 1985-07-25

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 geiöst.
Wenn bei einer Verstimmung des auszuwertenden Spektralbereichs eine Veränderung der Lage der Brennpunkte im Bereich der Detektorzeile erfolgt, kann durch Verändern des Abstandes zwischen der Detektorzeile und der Linsenanordnung und/oder durch Verändern des Abstandes zwischen der Eintrittslochblende und der Linsenanordnung sowie durch Verdrehen der Detektorzeile erreicht werden, daß die Brennpunkte wieder mit der Detektorzeile zusammenfallen.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vollautomatischer Justierung ist das dispergierende Element ein feststehendes Prisma, dem zur Einstellung des Spektralbereichs als reflektierendes Element ein um die erste Achse verdrehbarer Spiegel zugeordnet ist. Die die dispergierende Strahlung auf die Detektorzeile abbildende Linsenanordnung kann in Richtung ihrer optischen Achse mit Hilfe eines über den Auswerteschaltkreis gesteuerten ersten Stellmotors so verschoben werden, daß an einem ersten vorherbestimmten ausgezeichneten Detektorelement der Detektorzeile ein maximales Signal auftritt. Mit Hilfe eines über den Auswerteschaltkreis gesteuerten zweiten Stellmotors ist die Detektorzeile um die zweite Achse verdrehbar, bis an einem zweiten vorherbestimmten ausgezeichneten Detektorelement der Detektorzeile ebenfalls ein maximales Signal auftritt.
Zweckmäßige Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 ein Mehrkanal-Prozeß-Spektrometer gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung und F i g. 2 in vergrößerter Darstellung den Strahlengang im Bereich der Linsenanordnung und der Detektorzeile zusammen mit den Stellmotoren zur chromatischen Korrektur.
Das in F i g. 1 dargestellte Mehrkanal-Prozeß-Spektrometer verfügt über eine Beleuchtungseinrichtung 1, eine Sensoreinrichtung 2 und eine Spektrometeranordnung 3. Wie man in F i g. 1 erkennt, ist die Sensoreinrichtung 2 über eine erste Lichtleitfaser 4 mit der Beleuchtungseinrichtung 1 und eine zweite Lichtleitfaser 5 mit der Spektrometeranordnung 3 verbunden.
Die Beleuchtungseinrichtung 1 verfügt über eine breitbandige Lichtquelle 6, deren Licht mit Hilfe eines Kondensors 7 parallelisiert und mit Hilfe einer Fokussierlinse 8 auf das zur Lichtquelle 6 weisende Ende 9 der ersten Lichtleitfaser 4 abgebildet wird. Der Spektralbereich der Lichtquelle 6 reicht vom Ultravioletten bis in das nahe Infrarote, so daß eine gleichzeitige Bestimmung von spektralen Parametern, beispielsweise der Extinktion, in einer größeren Zahl von eng benachbarten Kanälen in einem ausgewählten über den großen Spektralbereich verschiebbaren Teilbereich möglich wird. Aus den mit Hilfe der Spektrometeranordnung 3 bestimmten spektralen Parametern der in die Sensoreinrichtung 2 eingebrachten Substanzen können Stoffkonzentrationen und/oder Schichtdicken abgeleitet werden. Außerdem kann eine Kontrolle und/oder Steuerung von Prozessen vorgenommen werden.
Das am Austrittsende 10 der ersten Lichtleitfaser 4 in der Sensoreinrichtung 2 austretende Licht wird mit Hilfe einer ersten Sensorlinse 11 parallelisiert und gelangt nach Durchqueren eines Meßprobenraumes 12 auf eine zweite Sensorlinse 13 zum Fokussieren und Einkoppeln des den Meßprobenraum 12 durchstrahlenden Lichtes in das vordere Ende 14 der zweiten Lichtleitfaser 5. Der Meßprobenraum 12 enthält die zu messende Substanz und kann neben einer Meßküvette ggf. eine in der Zeichnung nicht dargestellte Referenzküvette aufweisen, die statt der Meßküvette pneumatisch in den Strahlengang der Sensoreinrichtung 2 ein- und ausgefahren werden kann. Die Sensoreinrichtung 2 kann auch so ausgelegt sein, daß Messungen in Reflektion oder diffuser Rückstreuung statt Messungen in Transmission durchgeführt werden.
Die zweite Lichtleitfaser 5 für die zu analysierende Lichtstrahlung kann je nach den Meßbedingungen einige Zentimeter, einige Meter oder einige Kilometer lang sein. Dadurch ist es möglich, die Sensoreinrichtung 2 beispielsweise an einer Anlage und die Spektrometeranordnung 3 mit den zugehörigen Meßgeräten in einer zentralen Warte aufzustellen. Die Verbindung von der Sensoreinrichtung 2 zur Spektrometeranordnung 3 und den zugeordneten Auswerteschaltkreisen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, kommt ohne elektrische Leitungen aus. Die Sensoreinrichtung 2 kann daher auch in explosionsgefährdeten Räumen eingesetzt werden.
Das Austrittsende 15 der zweiten Lichtleitfaser 5 bildet die Eintrittslochblende für die Spektrometeranordnung 3. Die zu analysierende breitbandige Lichtstrahlung wird durch eine Linsenanordnung 16, die beispielsweise ein Objektiv eines Diaprojektors oder eine einfache Linse sein kann, nahezu parallelisiert. Das parallelisierte Lichtbündel gelangt anschließend zu dispergierenden und reflektierenden Elementen. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das dispergierende Element ein Prisma 17, hinter dem sich als reflektierendes Element entsprechend dem Brechungswinkel des Prismas seitlich versetzt ein Spiegel 18 befindet. Der Spiegel 18 ist zur Einstellung des auszuwertenden Spektralbereichs um eine rechtwinklig zur Zeichenebene und zur durch die dispergierten Strahlen aufgespannte Ebene verlaufende erste Achse 19 mit Hilfe einer Drehmechanik verdrehbar, die in der Zeichnung durch eine Einstellschraube 20 veranschaulicht ist. Je nach der Drehrichtung der Einstellschraube 20 wird der Spiegel 18 in den durch den Doppelpfeil 21 angedeuteten Drehrichtungen verstellt.
Anstatt der in der Zeichnung dargestellten Anordnung ist es auch möglich, ein Littrow-Prisma oder ein Reflektionsgitter vorzusehen, das um die rechtwinklig zur Zeichenebene verlaufende Achse zur Einstellung des auszuwertenden Spektralbereichs verschwenkt werden kann.
Nach dem zweiten Durchgang durch das Prisma 17 gelangt die die dispersiv reflektierenden Elemente verlassende dispergierte Strahlung zur Linsenanordnung 16, die nicht für den gesamten Strahlungsbereich korrigiert ist. Aus diesem Grunde liegen die einzelnen Brennpunkte der verschiedenen Lichtwellenlängen nicht auf einer rechtwinklig zur optischen Achse der Linsenanordnung 16 verlaufenden Linie, sondern auf einer in F i g. 2 veranschaulichten gekrümmten Kurve 22.
Wenn durch Betätigen der Einstellschraube 20 der Wellenlängenbereich der Spektrometeranordnung 3 verstellt wird, verändert sich die Lage und die Krümmung der Kurve 22.
In F i g. 2 erkennt man weiterhin eine Detektorzeile 23, die beispielsweise 20 Detektorelemente aufweisen kann. Die Detektorzeile 23 ist um eine rechtwinklig zur Zeichenebene verlaufende zweite Achse 24 gemäß dem Doppelpfeil 25 verschwenkbar. Die zweite Achse er- streckt sich durch das fünfte Detektorelement der Detektorzeile 23, so daß die Position des ausgezeichneten fünften Detektorelementes im wesentlichen unverändert bleibt. Durch Verschwenken der Detektorzeile 23 kann eine Annäherung der Lage der Detektorzeile 23 an die gekrümmte Kurve 22 erreicht werden, so daß die verschiedenen Wellenlängen zugeordneten Brennpunkte auf die Detektorelemente der Detektorzeile 23 fallen.
Wie man in F i g. 2 erkennt, ist der Linsenanordnung 16 ein erster Stellmotor 26 zugeordnet. Der erste Stellmotor 26 ist mit dem Ausgang eines in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerteschaltkreises verbunden und gestattet eine translatorische Verschiebung der Linsenanordnung 16 in Richtung des Doppelpfeils 27, was in F i g. 2 schematisch angedeutet ist.
Mit Hilfe des Auswerteschaltkreises wird der Stellmotor 26 zum Aufsuchen des Fokuspunktes so lange betätigt, bis das ausgezeichnete fünfte Detektorelement auf der Achse 24 eine maximale Lichtintensität erfaßt.
Wenn die Fokussierung bezüglich des ausgezeichneten Detektorelementes auf der Achse 24 erfolgt ist, wird zur weiteren chromatischen Korrektur die Orientierung der Detektorzeile 23 mit Hilfe eines zweiten Stellmotors 28 gemäß dem Doppelpfeil 25 verstellt. Dabei wird der zweite Stellmotor 28 so betätigt, daß eine Drehung um das erste ausgezeichnete Detektorelement auf der zweiten Achse 24 so lange erfolgt, bis auf einem zweiten ausgezeichneten Detektorelement 29, das beispielsweise das sechzehnte Detektorelement der Detektorzeile 23 ist, die Intensität ebenfalls maximiert ist.
Wenn mit Hilfe des ersten Stellmotors 26 und des zweiten Stellmotors 28 eine Fokussierung für alle Detektorelemente der Detektorzeile 23 erfolgt ist, ist der automatische Justiervorgang mit Hilfe des Auswerteschaltkreises, der beispielsweise durch einen Mikroprozessor realisiert sein kann, beendet.
Wird der Spektralbereich durch Verstellen der Einstellschraube 20 verändert, so erfolgt mit Hilfe der oben erörterten Justierautomatik durch Auswerten der Signale der Detektorzeile, die beispielsweise auf PbS oder Si-Basis arbeitet, eine neue Einjustierung. Da bei einer Veränderung der Einstellung des auszuwertenden Spektralbereichs durch Verstellen der Einstellschraube automatisch und schnell eine chromatische Korrektur durch Ändern des Abstands der Linsenanordnung 16 von der Detektorzeile 23 und durch Ändern der Orientierung der Detektorzeile 23 erfolgt, kann die Spektrometeranordnung 3 einen großen Wellenlängenbereich problemlos abdecken. Die an der Detektorzeile 23 anstehenden Ausgangssignale werden über eine Leitung 30 dem oben erwähnten Auswerteschaltkreis und einer das Spektrum erfassenden elektronischen Auswerteeinheit und Datenausgabeeinheit zugeführt.

Claims

Patentansprüche: 1. Mehrkanal-Prozeß-Spektrometer mit einer breitbandigen Lichtquelle, deren Licht nach Durchstrahlung eines Meßprobenraumes über eine Eintrittslochblende und eine Linsenanordnung ein reflektierendes Element, das zugleich ein dispergierendes Element ist, oder ein dispergierendes Element mit nachgeschaltetem reflektierenden Element bestrahlt, dessen dispergierte Ausgangsstrahlung über eine Linsenanordnung auf eine mehrere einzelne Detektorelemente enthaltenden Detektorzeile abgebildet ist, durch die die spektrale Verteilung der Ausgangsstrahlung für einen Auswerteschaltkreis erfaßbar ist, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß a) das reflektierende Element (18) zur Einstellung des auszuwertenden Spektralbereichs um eine rechtwinklig zur durch die dispergierten Strahlen aufgespannten Ebene verlaufende erste Achse (19) verdrehbar ist, b) zur chromatischen Korrektur die Detektorzeile (23) um eine parallel zur ersten Achse (19) verlaufende zweite Achse (24) ebenfalls verdrehbar ist und c) der Abstand von der Eintrittslochblende (15) zur Linsenanordnung (16) und/oder der Abstand von der Linsenanordnung (16) zur Detektorzeile (23) veränderbar ist.
2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Linsenanordnung (16) sowohl das Licht (31) der Eintrittslochblende (15) parallelisierbar als auch die dispergierte Ausgangsstrahlung auf die Detektorzeile (23) fokussierbar ist.
3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Element als Reflektionsgitter ausgebildet ist.
4. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Element als Littrow-Prisma ausgebildet ist.
5. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dispergierende Element als ein feststehendes Prisma (17) und das reflektierende Element als zur Einstellung des Spektralbereichs um die erste Achse (19) verdrehbarer Spiegel (18) ausgebildet ist.
6. Spektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die dispergierte Strahlung auf die Detektorzeile (23) abbildende Linsenanordnung (16) in Richtung ihrer optischen Achse mit Hilfe eines über den Auswerteschaltkreis gesteuerten ersten Stellmotors (26) so verschiebbar ist, daß an einem ersten vorherbestimmten ausgezeichneten strahlungsempfindlichen Detektorelement der Detektorzeile (23) ein maximales Signal auftritt.
7. Spektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorzeile (23) mit Hilfe eines über den Auswerteschaltkreis gesteuerten zweiten Stellmotors (28) um die zweite Achse (24) verdrehbar ist bis an einem zweiten vorherbestimmten ausgezeichneten Detektorelement (29) der Detektorzeile (23) ein maximales Signal auftritt.
8. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achse (24) durch das erste ausgezeichnete Detektorelement verläuft.
9. Spektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zwanzig Detektorelemente umfassenden Detektorzeile (23) das fünfte Detektorelement als erstes ausgezeichnetes Detektorelement und das sechzehnte Detektorelement als zweites ausgezeichnetes Detektorelement (29) vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft ein Mehrkanal-Prozeß-Spektrometer mit einer breitbandigen Lichtquelle, deren Licht nach Durchstrahlung eines Meßprobenraumes über eine Eintrittslochblende und eine Linsenanordnung ein reflektierendes Element, das zugleich ein dispergierendes Element ist, oder ein dispergierendes Element mit nachgeschaltetem reflektierenden Element bestrahlt, dessen dispergierte Ausgangsstrahlung über eine Linsenanordnung auf eine mehrere einzelne Detektorelemente enthaltenden Detektorzeile abgebildet ist, durch die die spektrale Verteilung der Ausgangsstrahlung für einen Auswerteschaltkreis erfaßbar ist.

Aus der DE-OS 3119 039 ist ein Spektrometer für mehrere benachbarte Spektralbereiche bekannt, wobei jedem Spektralbereich eine eigene Analysenstufe mit einer Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Fotodetektoren zugeordnet ist. Die Detektoren empfangen je nach dem geometrischen Ort, an dem sie angeordnet sind, Licht verschiedener Wellenlängen. Dadurch ist die simultane Erfassung des Spektrums des jeweiligen Spektralbereichs möglich. Das bekannte Spektrometer verfügt über eine breitbandige Lichtquelle mit einer Vielzahl von einzelnen Lichtquellen, deren Licht mit Hilfe von Linsen gebündelt wird und durch einen Meßprobenraum geführt wird. Die Aufteilung des Lichtes auf verschiedene Spektralbereiche erfolgt mit Hilfe halbdurchlässiger Spiegel. Infolge der Breitbandigkeit des bekannten Spektrometers ist es erforderlich, zur chromatischen Anpassung die Linsenanordnung chromatisch zu korrigieren und die verschiedenen Lichtquellen unter Berücksichtigung chromatischer Verzerrungen an verschiedenen Stellen anzuordnen.

Aus der DE-OS 3119 039 ist es ferner bekannt, für den infraroten Spektralbereich das dispersive Element mit Hilfe eines Motors um bestimmte Winkelbeträge zu verdrehen und nach jeder Stellung des dispersiven Elementes mit Hilfe der Detektoren die Spektralverteilung zu messen.

In der US-PS 42 53 765 ist ein Spektrometer beschrieben, bei dem der Meßbereich ebenfalls in mehrere vorherbestimmte Abschnitte unterteilt ist. Zur Abtastung des gesamten Wellenbereichs wird die Detektoranordnung mechanisch verschoben, wobei den einzelnen Wellenbereichen verschiedene Integrationszeiten zugeordnet sind, um die unterschiedliche Empfindlichkeit des Detektors in den verschiedenen Teilspektralbereichen auszugleichen. Beiden bekannten Spektrometern ist gemeinsam, daß die verwendeten Optiken chromatisch korrigiert sein müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verstimmbares Mehrkanal-Prozeß-Spektrometer zu schaffen, das im ultravioletten, sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich einsetzbar ist, ohne daß die Linsenanordnung für den gesamten Spektralbereich korrigiert zu werden braucht.