WO2008043457A1 - Hochempfindliche spektralanalytische einheit - Google Patents

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WO2008043457A1
WO2008043457A1 PCT/EP2007/008552 EP2007008552W WO2008043457A1 WO 2008043457 A1 WO2008043457 A1 WO 2008043457A1 EP 2007008552 W EP2007008552 W EP 2007008552W WO 2008043457 A1 WO2008043457 A1 WO 2008043457A1
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diffraction grating
spectral
grating
diffraction
analytical unit
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PCT/EP2007/008552
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Ralf Wolleschensky
Hans-Jürgen DOBSCHAL
Reinhard Steiner
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Carl Zeiss Microimaging Gmbh
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    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector

Definitions

  • the invention relates to a highly sensitive spectroanalytical unit which uses a diffraction grating, wherein a parallel light beam having a wavelength range is incident on a diffraction grating which spectrally splits the different wavelengths by diffraction in first directions.
  • the wavelength sub-regions of the spectrally split light beam are focused by an optical system on a detector line and an evaluation, which is connected to the detector line, wins the generated spectrum as information and represents this.
  • the spectral unit applies to all spectrometers.
  • the unit is in a confocal laser scanning microscope (LSM), as described in DE 197 02 753 A1 or DE 101 51 217 A1, as a measuring device for spectrally split detection of fluorescence used.
  • LSM confocal laser scanning microscope
  • the cause of the spectral fluctuation of the diffraction efficiency is that the electromagnetic behavior of the grating diffracts a more or less large part of the light into other than the desired 1st diffraction order, which is thereby lost and even produces stray light problems.
  • the invention is intended to solve the problem of significantly increasing the diffraction efficiency of a spectral analytical unit with a grid with little effort.
  • the object is achieved in a highly sensitive spectral analysis unit with a diffraction grating of the type mentioned above with the characterizing features of claim 1.
  • the dependent claims 2 to 7 are advantageous embodiments of the main claim.
  • the solution according to the invention provides for spectrally dispersing the light beam to be analyzed spectrally by a first element and then splitting it into the spectrum to be detected by means of a second element optimally adapted to the pre-decomposition.
  • the first element is selected so that it has a very high transmission for the spectrum to be detected.
  • the second element can also have a surface grid with one above its surface Surface constant or variable piece or constantly changing shape represent profile.
  • a prism or in another embodiment dichroic mirrors are used for this purpose.
  • the components can be anti-reflective.
  • the preliminary decomposition takes place by means of dichroic dividers.
  • the dividers should have as high a slope as possible at their transmission or reflection limits, their spectral subregions should line up seamlessly.
  • the solution by means of dichroic divisors can be cascaded, i. H. How many spectral subranges are used depends on the desired spectral yield and the cost of the arrangement. Preferably, splitting into three spectral subranges is provided using two dichroic dividers and two efficient mirrors.
  • the grating is preferably composed of 3 grating regions whose blazed wavelengths are optimally adapted to the spectral subregion.
  • the entire grid has a uniform spatial frequency, the grid grooves of all sections are aligned exactly parallel.
  • the grid grooves lie in a plane and the dispersion plane is perpendicular to the plane out.
  • the dispersed light is fed via a camera optics (mirror or lens system) to a detector with an evaluation unit.
  • Another embodiment for realizing a high yield of spectrally detectable light is based on the pre-decomposition by prism as the first dispersive element and a second dispersive element, which is adapted in its capacity of spectral decomposition optimally to the spectral course of the pre-decomposed spectrum.
  • This second dispersive element is a diffraction grating (dispersion direction perpendicular to the dispersion of the prism) which, due to its variable profile shape (blazed wavelength adjustment), diffracts the constantly changing wavelength of the pre-decomposed spectrum in a highly efficient manner.
  • variable diffractive power can be in lattices, for example, with variable Blazewinkeln or the combination of a uniform Realize grid profile with variable layers in the dispersion direction.
  • Variable profile depths (corresponding to variable blazed wavelengths) of a uniform spatial frequency of the grating can be realized via a variable exposure dose in lithographic processes or by ion etching technologies.
  • the grid can consist of a different number of sub-areas that correspond to the number of sub-areas
  • Vorzerlegung matched grid areas be composed.
  • a grating whose diffraction properties are adapted to the spectral course of the pre-decomposition by a constantly varying blazed wavelength in the dispersion direction of the grating.
  • Blaze wavelength to use and to obtain a steady Blazeverschiebung in the dispersion direction by a changing direction in the dispersion direction layer structure.
  • Figure 2 Representation of a section of the arrangement according to Figure 1 in the
  • Figure 1 with a solution of the prior art, which uses a grid of the same profile shape.
  • Figure 4 Highly sensitive spectral analytical unit with a
  • FIG. 5 A first embodiment of the reflection grating
  • FIG. 6 A second embodiment of the reflection grating
  • FIG. 7 A third embodiment of the reflection grating
  • FIG. 8 A fourth embodiment of the reflection grating
  • Detector line 15 has a single element 16 arranged in a lateral direction, the individual elements having a width b. Elements 16 of detector line 15 are connected to evaluation electronics 17.
  • the diffraction grating 13 operates in reflection and consists of three subregions 13 '.
  • the dispersion direction of the diffraction grating is oriented perpendicular to the spectral pre-separation afforded by the dichroic dividers 11 ' and 11 '" and the highly reflecting mirrors 10 and 12.
  • the incident on the array parallel light beam characterized in its meridional expansion by an upper meridional edge beam 1, a main beam 2 and a lower meridional edge beam 3, has a spectral bandwidth of 360 nm to 810 nm. These rays preferably make at an angle of 45 ° to the first dichroic divider 11 ' .
  • the divider 11 ' is formed as a long-pass filter with a transition edge of about 510 nm.
  • the light is less than 510 nm from the first dichroic beam splitter 11a is reflected, while the spectrum above this edge very efficiently (greater than 90%) transmits and on the second dichroic splitter 11 '"is incident at an angle of 45 °, while the spectral component reflected by the dichroic splitter 11 ' is deflected onto the highly reflective first mirror 10 in the direction of diffraction gratings with the grating region 13 ' dichroic beam splitter 11 ' transmitted to the second dichroic beam splitter 11 '" , which is a short-pass filter with an edge of about 660 nm.
  • the spectral component above 660 nm is reflected by the second dichroic beam splitter 11 ' "efficiently (greater than 90%) in the direction of the high-reflection mirror 12, while the spectral components below 660 nm transmit the splitter 11 '" with low losses.
  • the transmitted from the divider 11 ' "light passes without further deflection directly onto the grating region 13 "of the grating 13.
  • the from the divider 11 '" reflected light passes via the highly reflective second mirror 12 to the grating region 13' '.
  • the dichroic splitter 11 a and 11 b as well as the highly reflective Mirrors 10 and 12 are arranged such that the light beams 1 ' , 1 " , 1 "' and 2 ' , 2 " , 2 “ and 3 ' , 3 " , 3 '” produced by the spectral pre-decomposition each lie in one plane and parallel to one another in the direction of grid 13.
  • the grating 13 with its subregions 13 ', 13 “, 13'” is opposite the light bundles 1 ' , 1 " , 1 '” and 2 ' , 2 " , 2 “ and 3 ' , 3 " , 3 '", which the oriented so that the dispersion plane of the grating is perpendicular to the plane defined by the light beams 1 ' , 1 ", 1 '" and 2 ' , 2 " , 2 '” and 3 ' , 3 " , 3 '”is split.
  • the spectral components which are characterized by the bundles 1 ' , 1 " and 1 '" and are reflected by the mirror 10, strike the grating region 13 'with a blaze wavelength of 410 nm and are thus with a diffraction efficiency between 70% to 90%. bent.
  • the portions reflected by the mirror 12 characterized by the bundles 3 ' , 3 " and 3 '" strike the grating region 13 '"of the grating 13 with a blazed wavelength of 710 nm.
  • the spectral components comprising the dichroic splitter 11 ' and 11 '"" impinge on the grating region 13 "with a blaze wavelength of 560 nm.
  • All spectral components which have arisen due to the pre-decomposition and reach the grating 13 as a parallel bundle are spectrally decomposed by it with high efficiency, pass through a camera optics 14 in whose focal plane the detector row 15 with the individual detector elements 16 is located.
  • the detector row 15 is oriented with respect to the diffraction grating 13 in such a way that the dispersion direction of the grating and the arrangement of the detector elements 16 on the detector row 15 run parallel.
  • Figure 2 shows the sagittal view of the arrangement with pre-decomposition by dichroic divider.
  • the overall spectrum is characterized by the arrangement of the two dichroic mirrors 11 ' and 11 '" with the highly reflecting mirrors 10 and 12 in three spectral ranges, represented by 1 ', 2 ' , 3 ' and 1", 2 " , 3 " and 1 '". , 2 '" , '"Split and each optimal for these spectral portions grating regions 13', 13" 3 and 13 “'of the grating 13, respectively.
  • this arrangement it is possible to largely loss the light to be analyzed spectrally analyzed to perform the detection system.
  • FIG. 4 shows a three-dimensional representation of a second embodiment of the invention.
  • the spectral pre-decomposition takes place with a prism 18.
  • the incident parallel beam with the spectral bandwidth of e.g. 360 nm to 800 nm is characterized by the main ray 2, the upper meridional marginal ray 1 and the lower meridional marginal ray 3. To ensure clarity, the sagittal extent of the incident beam is not shown in this illustration.
  • the spectral splitting of the lower meridional marginal ray 3 by the prism is characterized by the rays 3 ' , 3 " , 3' "
  • the spectral splitting of the main ray 2 is characterized by 2 ' , 2 " , 2 '”
  • 1 ' , 1 " , 1 '” represent the spectral splitting by the prism for the upper meridional marginal ray.
  • the single-dashed numbers represent the long-wave spectral component
  • the double-dashed numerals represent the mean spectral component
  • the triple-dashed numerals represent the short-wave spectral component of the incoming total spectrum.
  • the individual spectral components predisposed by the prism coincide, according to their original different entry height, with different subareas of the second dispersive element of the arrangement, the diffraction grating 13, which in the arrangement shown Reflection diffraction grating (for example, with a vapor deposition layer of aluminum) is formed.
  • the grid consists of three areas 13 ', 13 "and 13'" of different blazed wavelength of the sawtooth-shaped furrow profile, which are optimally adapted to the spectral sub-beam incident on this subarea.
  • the specific feature of the arrangement according to the invention is that the dispersion plane of the grating is rotated by 90 ° relative to that of the prism.
  • the Biazeweiienilinde the portion 13 '" is 410 nm, that of the portion 13 " is 560 nm and that of the grating region 13 ' is 710 nm.
  • the prism by the strongest fractions of the total spectrum 1 '" , 2 “ and 3 '" arrive to the portion of the grating 13 '" and include the spectral range of 360 nm to 510 nm.
  • the spectral portions 1 " , 2 “ and 3 " include the spectral range of 510 nm to 660 nm and reach the grating portion 13 ".
  • the least-deflected by the prism long-wave spectral component of the total spectrum with the spectrum of 660 nm to 810 nm, is characterized by the bundles 1 ' , 2 ' and 3 ' and strikes the grating part 13 ' .
  • the arrangement according to the invention ensures that the spectral subregions realized by the pre-decomposition and characterized by the bundle designations 1 ' , 2 ' , 3 ' and 1 ", 2 " , 3 “ and 1'", 2 '” , 3 ' “, to impinge on optimally adapted diffractive grating areas and spectrally split with high diffraction efficiency between 70% to 90% (unpolarized light) perpendicular to the dispersion direction of the prism.
  • the design of the diffraction grating 13 is particularly advantageous with a continuously changing blaze angle (along 13 'and 13 "') .
  • the blaze angle is formed such that the spectral components spectrally pre-decomposed in the prism 17 impinge on optimally adapted diffractive grating regions.
  • the diffraction efficiency (see Figure 3) is corrected and a maximum diffraction efficiency results in the entire spectral range.
  • FIG. 5 shows a first embodiment of the reflection grating which has three discrete regions which have the same grating period but whose grating profiles have a different height.
  • Figure 6 shows a second embodiment of the reflection grating, which has a steadily increasing height of the Gitteprofile having a same grating period.
  • Figure 7 shows a third embodiment of the reflection grating, which has a same grating period, an equal height of the grating profiles, but a cover layer of steadily increasing thickness.
  • FIG. 8 shows a fourth embodiment of the reflection grating which has a same grating period, an equal height of the grating profiles, an equal thickness of the cover layer but a refractive index gradient in the cover view.
  • FIG. 9 shows the schematic structure of a confocal laser scanning microscope 101 with the high-sensitivity spectral-analytical unit 100 according to the invention as a measuring device.
  • the spectral analysis unit 100 corresponds in its construction to the arrangement shown in FIG.
  • the spectral analytical unit 100 may also correspond to the arrangement shown in FIG. 4 (not shown).
  • the radiation beam emanating from a light source 20 passes through a main color splitter 21, an xy scanner 22, a scanning optics 23, a tube lens 25 and an objective 26 to sample 27.
  • the light bundle emanating from the sample 27 passes through the objective 26, which Tubus lens 25, the scanning optics 23 xy scanner 22, the main color splitter 21 and a pinhole optics 28, a pinhole 29, a collimator 30 and an emission filter 31 to the beam splitter of the spectral analysis unit 100th
  • an intermediate image 24 is formed. It is also particularly advantageous that the invention can also be installed in existing laser scanning microscopes and other spectrometric devices. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit einem Beugungsgitter, bei der ein paralleles Lichtbündel (1, 2, 3), welches einen Wellenlängenbereich aufweist, auf ein Beugungsgitter (13) einfällt, welches die unterschiedlichen Wellenlängen durch Beugung in erste Richtungen spektral aufspaltet und Wellenlängenteilbereiche des spektral aufgespalteten Lichtbündels (1', 1', 1'', 2', 2', 2'', 3', 3', 3'') durch eine Kameraoptik (14) auf eine Detektorzeile (15) fokussierbar sind und eine Auswerteelektronik (17) an die Detektorzeile (15) angeschlossen ist, welche das erzeugte Spektrum als Information gewinnt und darstellt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel (1, 2, 3) ein erstes optisches Element (11, 20) passiert, dann Wellenlängenteilbereiche eines spektral aufgespalteten Lichtbündels (1', 1', 1'', 2', 2', 2'', 3', 3', 3'') jeweils auf Teilgebiete (13', 13', 13'') eines Beugungsgitters (13) treffen, wobei das Beugungsgitter (13) über alle Teilbereiche eine gleiche Gitterkonstante und eine sich ändernde Profilform hat, wobei die Profilformen unterschiedliche Blazewellenlängen erzeugen, die in den jeweiligen Wellenlängenteilbereichen liegen.

Description

Hochempfindliche spektralanalytische Einheit
Die Erfindung betrifft eine hochempfindliche spektralanalytische Einheit, die ein Beugungsgitter verwendet, wobei ein paralleles Lichtbündel, welches einen Wellenlängenbereich aufweist, auf ein Beugungsgitter einfällt, welches die unterschiedlichen Wellenlängen durch Beugung in erste Richtungen spektral aufspaltet. Die Wellenlängenteilbereiche des spektral aufgespalteten Lichtbündels werden durch eine Optik auf eine Detektorzeile fokussiert und eine Auswerteelektronik, die an die Detektorzeile angeschlossen ist, gewinnt das erzeugte Spektrum als Information und stellt diese dar.
Die spektrale Einheit findet Anwendung bei allen Spektrometern. Insbesondere kommt die Einheit jedoch in einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (LSM), wie dieses in der DE 197 02 753 A1 oder DE 101 51 217 A1 beschrieben ist, als Meßeinrichtung zur spektral aufgespaltenen Detektion der Fluoreszenz zum Einsatz.
Für die spektrale Analyse von Strahlung gibt es eine Vielzahl von Anordnungen unter Zuhilfenahme unterschiedlichster dispersiver Mittel. Am häufigsten kommen Gitter und Prismen zum Einsatz, einfache Lösungen können auch mit Filtern realisiert werden. In den meisten Anwendungen kommen Gitter mit Oberflächenprofil zum Einsatz, deren Topographie durch Replikationsverfahren vervielfältigt wird und somit eine kostengünstige Stückzahlproduktion gestattet. Da im Allgemeinen nur eine Beugungsordnung des Gitters genutzt wird, hat der Anwender von sägezahnförmigen Profilformen die Möglichkeit, viel gebeugtes Licht in der Nutzordnung zu erhalten. Für die optimale Profiltiefe (ca. halbe Wellenlänge des Beugungsmaximums - Blazewellenlänge) erhält man in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz der Gitter zwischen 70 %-90 % Beugungseffizienz in der reflektierten Nutzordnung. Diese Beugungseffizienz fällt aber stetig ab, wenn man die Blazewellenlänge zu höheren öder niedrigeren Wellenlängen verläßt. Dieses „fehlende Licht" im Spektrum der Nutzordnung gelangt in andere Beugungsordnungen und geht der Detektion verloren. Eine bekannte Methode zur Umgehung dieses Problems stellt die Verwendung von Echelle-Systemen dar, wie dies in EP 442 596 B1 beschrieben ist. Hierbei wird ein Plangitter in sehr hohen Beugungsordnungen verwendet, wobei zunächst kurze, sich überlagernde Spektralbereiche der verschiedenen Beugungsordnungen entstehen, die alle in der Nähe des Blazewinkels arbeiten. Zur lateralen Trennung der Spektren ist dem System ein Prisma zugefügt, welches senkrecht zur Dispersionsrichtung des Gitters arbeitet. Dadurch erhält man viele lateral übereinander liegende Ordnungszeilen. Voraussetzung für die Anwendung dieses Verfahrens ist allerdings die Verwendung eines Flächenempfängers.
Die Ursache für die spektrale Schwankung der Beugungseffizienz liegt darin, dass das elektromagnetische Verhalten des Gitters einen mehr oder weniger großen Teil des Lichtes in andere als die gewünschte 1. Beugungsordnung beugt, welches dadurch verloren ist und sogar noch Streulichtprobleme erzeugt.
Es gibt Meßverfahren, die eine möglichst vollständige Auswertung des vorhandenen Lichts im Spektrum (einer Ordnung) erforderlich machen. Dazu gehört z.B. die spektrale Auswertung des Fluoreszenzlichts in der Mikroskopie biologischer Proben.
Die Erfindung soll die Aufgabe lösen, mit wenig Aufwand die Beugungseffizienz einer spektralanalytischen Einheit mit einem Gitter signifikant zu erhöhen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einer hochempfindlichen spektralanalytischen Einheit mit einem Beugungsgitter eingangs genannter Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 7 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, das spektral zu analysierende Lichtbündel durch ein erstes Element spektral vor zu zerlegen und es dann durch ein weiteres, der Vorzerlegung optimal angepaßtes zweites Element in das zu detektierende Spektrum aufzuspalten. Dabei ist es wichtig, daß das erste Element so ausgewählt ist, daß es für das zu detektierende Spektrum eine sehr hohe Transmission aufweist. Das zweite Element kann dagegen auch ein Oberflächengitter mit einer über deren Fläche gleich bleibenden oder stückweise veränderlichen oder sich stetig ändernder Profilform darstellen. Um eine hohe Transmission des ersten das Spektrum beeinflussenden Elements zu erhalten, werden dafür ein Prisma oder in einer anderen Ausführung dichroitische Spiegel eingesetzt. Zur Verringerung der Fresnelverluste können die Bauelemente entspiegelt werden.
In einer ersten Ausführungsform erfolgt die Vorzerlegung mittels dichroitischer Teiler. Die Teiler sollen eine möglichst hohe Steilheit an ihren Transmissions- bzw. Reflexionsgrenzen besitzen, ihre spektralen Teilbereiche sollen sich lückenlos aneinander reihen. Die Lösung mittels dichroitischer Teiler läßt sich kaskatieren, d. h. wie viele spektrale Teilbereiche eingesetzt werden, hängt von der angestrebten spektralen Ausbeute und den Kosten der Anordnung ab. Vorzugsweise ist eine Aufspaltung in drei spektrale Teilbereiche unter Verwendung von zwei dichroitischen Teilern und zwei effizienten Spiegeln vorgesehen.
Das Gitter setzt sich vorzugsweise aus 3 Gitterbereichen zusammen, deren Blazewellenlängen jeweils dem spektralen Teilbereich optimal angepaßt sind. Das gesamte Gitter hat eine einheitliche Ortsfrequenz, die Gitterfurchen aller Teilbereiche sind exakt parallel ausgerichtet. Die Gitterfurchen liegen in einer Ebene und die Dispersionsebene steht senkrecht aus der Ebene heraus. Somit gelingt es, in den spektralen Teilbereichen jeweils eine hohe Beugungseffizienz zu generieren. Das dispergierte Licht wird über eine Kameraoptik (Spiegel- bzw. Linsensystem) einem Detektor mit einer Auswerteeinheit zugeführt.
Eine weitere Ausführungsform zur Realisierung einer hohen Ausbeute spektral detektierbaren Lichts basiert auf der Vorzerlegung mittels Prisma als erstem dispersiven Element und einem zweiten dispersiven Element, welches in seinem Vermögen der spektralen Zerlegung optimal an den Spektralverlauf des vorzerlegten Spektrums angepaßt ist. Dieses zweite dispersive Element ist ein Beugungsgitter (Dispersionsrichtung senkrecht zur Dispersion des Prismas), welches durch seine variable Profilform (Blazewellenlängenanpassung) die sich stetig ändernde Wellenlänge des vor zerlegten Spektrums hocheffizient beugt. Somit läßt sich für alle Wellenlängen des zu detektierbaren Spektrums eine Beugungseffizienz nahe der Blazewellenlänge realisieren und damit ein sehr hoher Anteil in das Detektionsspektrum übertragen. Derartiges variables Beugungsvermögen läßt sich bei Gittern z.B. mit variablen Blazewinkeln oder der Kombination eines einheitlichen Gitterprofils mit variablen Schichten in Dispersionsrichtung realisieren. Variable Profiltiefen (entspricht variablen Blazewellenlängen) einer einheitlichen Ortsfrequenz des Gitters können über eine variable Belichtungsdosis bei lithographischen Verfahren oder durch lonenätztechnologien realisiert werden.
Für die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gibt es weitere Gestaltungen des Aufbaus und der Eigenschaften des Beugungsgitters. So kann das Gitter aus einer anderen Anzahl von Teilbereichen bestehen, die der Anzahl der
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Gitter z.B. aus zwei oder mehr als drei mit jeweils optimal an das Teilspektrum der
Vorzerlegung angepaßten Gitterbereichen zusammengesetzt sein.
Es ist aber auch vorgesehen, ein Gitter einzusetzen, dessen Beugungseigenschaften durch eine stetig variierende Blazewellenlänge in Dispersionsrichtung des Gitters an den spektralen Verlauf der Vorzerlegung angepaßt sind.
In einer weiteren Variante ist es vorgesehen, ein Gitter mit konstanter
Blazewellenlänge einzusetzen und durch einen in Dispersionsrichtung sich ändernden Schichtaufbau eine stetige Blazeverschiebung in Dispersionsrichtung zu erhalten.
In einer weiteren Variante werden auch transmittiv arbeitende Gitter mit an die
Vorzerlegung spektral angepaßten Teilbereichen eingesetzt.
Selbstverständlich kann die Kameraoptik neben einer Transmissionsoptik auch als
Reflexionsoptik ausgelegt sein.
Die Erfindung wird nachfolgen an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 : Hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit dichroitischen
Strahlteilern Figur 2: Darstellung eines Ausschnittes der Anordnung gemäß Figur 1 in der
Saggitalansicht Figur 3: Vergleich der spektral realisierten Lichtmenge einer Lösung gemäß
Figur 1 mit einer Lösung des Standes der Technik, die ein Gitter gleicher Profilform verwendet Figur 4: Hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit einem
Dispersionsprisma Figur 5: Eine erste Ausführungsform des Reflexionsgitters Figur 6: Eine zweite Ausführungsform des Reflexionsgitters Figur 7: Eine dritte Ausführungsform des Reflexionsgitters Figur 8: Eine vierte Ausführungsform des Reflexionsgitters
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, wobei zur spektralen Vorzerlegung dichroitischer Teiler 11 ' und 11 ' " mit den hochreflektierenden Spiegeln 10 und 12 zum Einsatz kommen. In Lichtausbreitungsrichtung gesehen sind weiterhin ein Beugungsgitter 13 eine Abbildungsoptik 14 und eine Detektorzeile 15 angeordnet. Die Detektorzeile 15 hat eine einzelne Elemente 16, die in einer lateralen Richtung angeordnet sind, wobei die Einzelelemente eine Breite b aufweisen. Die Elemente 16 der Detektorzeile 15 sind mit einer Auswerteelektronik 17 verbunden. Das Beugungsgitter 13 arbeitet in Reflexion und besteht aus drei Teilbereichen 13', 13" und 13'", welche unterschiedliche Blazewellenlängen aufweisen. Hierbei ist die Dispersionsrichtung des Beugungsgitters senkrecht zur spektralen Vorzerlegung, die durch die dichroitischen Teiler 11 ' und 11 ' " sowie die hochreflektierenden Spiegel 10 und 12 geleistet wird, orientiert. Das auf die Anordnung einfallende parallele Lichtbündel, gekennzeichnet in seiner meridionalen Ausdehnung durch einen oberen meridionalen Randstrahl 1 , einen Hauptstrahl 2 und einen unteren meridionalen Randstrahl 3, besitzt eine spektralen Bandbreite von 360 nm bis 810 nm. Diese Strahlen treffen vorzugsweise unter einem Winkel von 45° auf den ersten dichroitischen Teiler 11 ' auf. Der Teiler 11 ' ist als Langpaßfilter ausgebildet mit einer Übergangskante von ca. 510 nm. Das bedeutet, daß das Licht kleiner 510 nm vom ersten dichroitischen Strahlteiler 11a reflektiert wird, während das Spektrum oberhalb dieser Kante sehr effizient (größer 90 %) transmittiert und auf den zweiten dichroitischen Teiler 11 '" unter einem Winkel von 45° auftrifft. Während der spektrale Anteil, der vom dichroitischen Teiler 11 ' reflektiert wird, auf den hochreflektierenden ersten Spiegel 10 in Richtung Beugungsgitter mit dem Gitterbereich 13' abgelenkt wird, gelangt der vom ersten dichroitischen Strahlteiler 11 ' transmittierte Anteil auf den zweiten dichroitischen Strahlteiler 11 ' ", der ein Kurzpaßfilter mit einer Kante um ca. 660 nm ist. Der spektrale Anteil oberhalb von 660 nm wird vom zweiten dichroitischen Strahlteiler 11 '" effizient (größer 90 %) in Richtung des hochreflektierenden Spiegels 12 reflektiert wird, während die spektralen Anteile unterhalb 660 nm den Teiler 11 '" mit geringen Verlusten transmittieren. Das vom Teiler 11 '" transmittierte Licht gelangt ohne weitere Ablenkung direkt auf den Gitterbereich 13" des Gitters 13. Das vom Teiler 11 ' " reflektierte Licht gelangt über den hochreflektierenden zweiten Spiegel 12 auf den Gitterbereich 13'". Entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführung sind die dichroitischen Teiler 11 a und 11 b sowie die hochreflektierenden Spiegel 10 und 12 so angeordnet, daß die durch die spektrale Vorzerlegung entstandenen Lichtbündel 1 ', 1 ", 1 ' " und 2', 2", 2 " sowie 3', 3", 3'" jeweils in einer Ebene und parallel zueinander in Richtung Gitter 13 verlaufen.
Das Gitter 13 mit seinen Teilbereichen 13', 13", 13'" ist gegenüber den Lichtbündeln 1 ', 1 ", 1 ' " und 2', 2", 2 " sowie 3', 3", 3'", welche die spektrale Vorzerlegung verlassen haben, so orientiert, daß sich die Dispersionsebene des Gitters senkrecht zu der Ebene befindet, die durch die Lichtbündel 1 ', 1 ", 1 ' " und 2', 2", 2'" sowie 3', 3", 3' " aufgespaltet wird.
Die spektralen Anteile, die durch die Bündel 1 ', 1 " und 1 '" gekennzeichnet sind und vom Spiegel 10 reflektiert werden, treffen auf den Gitterbereich 13' mit einer Blazewellenlänge von 410 nm und werden somit mit einer Beugungseffizienz zwischen 70% bis 90% gebeugt.
Die vom Spiegel 12 reflektierten Anteile gekennzeichnet durch die Bündel 3', 3" und 3'" (langwellige spektrale Anteile) treffen auf den Gitterbereich 13' " des Gitters 13 mit einer Blazewellenlänge von 710 nm. Die spektralen Anteile, die die dichroitischen Teiler 11 ' und 11 '" transmittieren, treffen auf den Gitterbereich 13" mit einer Blazewellenlänge von 560 nm.
Alle spektralen Anteile, die durch die Vorzerlegung entstanden sind und das Gitter 13 als paralleles Bündel erreichen, werden von diesem mit hohem Wirkungsgrad spektral zerlegt, durchlaufen eine Kameraoptik 14, in deren Brennebene sich die Detektorzeile 15 mit den einzelnen Detektorelementen 16 befindet. Die Detektorzeile 15 ist so bezüglich des Beugungsgitters 13 orientiert, daß die Dispersionsrichtung des Gitters und die Anordnung der Detektorelemente 16 auf der Detektorzeile 15 parallel verlaufen.
Figur 2 zeigt die Sagittalansicht der Anordnung mit Vorzerlegung durch dichroitische Teiler. Das Gesamtspektrum wird durch die Anordnung der beiden dichroitischen Spiegel 11 ' und 11 ' " mit den hochreflektierenden Spiegeln 10 und 12 in drei Spektralbereiche, repräsentiert durch 1 ', 2', 3' und 1 ", 2", 3" sowie 1 '", 2' ", 3' " zerlegt und den für diese spektralen Teilbereiche jeweils optimalen Gitterbereichen 13', 13" und 13'" des Gitters 13 zugeführt. Durch diese Anordnung gelingt es, weitgehend verlustarm das zu analysierende Licht spektral zerlegt dem Detektionssystem zu zuführen.
In Figur 3 ist die Effizienz für die in Figur 1 beschriebene Anordnung im Vergleich mit einem Blazegitter einheitlicher Profilform nach dem Stand der Technik gegenüber gestellt. Insbesondere lassen sich mit dieser Anordnung die Verluste in den spektralen Randbereichen des zu analysierenden Lichts kompensieren. Der "Gewinn an spektral zerlegtem Licht" ergibt sich aus dem Verhältnis der durchgezogenen Kurve und der gestrichelten Kurve.
Figur 4 zeigt eine drei-dimensionale Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die spektrale Vorzerlegung erfolgt mit einem Prisma 18. Das Prisma 18 besteht aus dem optischen Glas NSK2 und hat einen Prismenwinkel ε = 60° sowie eine Prismenhöhe von 30 mm.
Das einfallende parallele Strahlenbündel mit der spektralen Bandbreite von z.B. 360 nm bis 800 nm ist durch den Hauptstrahl 2, den oberen meridionalen Randstrahl 1 und dem unteren meridionalen Randstrahl 3 gekennzeichnet. Zur Gewährleistung der Übersichtlichkeit ist in dieser Darstellung die sagittale Ausdehnung des einfallenden Bündels nicht dargestellt.
Die spektrale Aufspaltung des unteren meridionalen Randstrahls 3 durch das Prisma wird durch die Strahlen 3', 3", 3'" gekennzeichnet, die spektrale Aufspaltung des Hauptstrahl 2 wird durch 2', 2" , 2'" gekennzeichnet und entsprechend wird durch 1 ', 1 ", 1 '" die spektrale Aufspaltung durch das Prisma für den oberen meridionalen Randstrahl dargestellt. Dabei stehen die einfach gestrichenen Zahlen für den langwelligen Spektralanteil, die zweifach gestrichenen Ziffern für den mittleren Spektralanteil und die dreifach gestrichenen Ziffern für den kurzwelligen Spektralanteil des eintretenden Gesamtspektrums.
Entsprechend der Anordnung in Figur 4 fallen die einzelnen spektral durch das Prisma vorzerlegten Anteile entsprechend ihrer ursprünglichen unterschiedlichen Eintrittshöhe auf unterschiedliche Teilbereiche des zweiten dispersiven Elements der Anordnung, des Beugungsgitters 13, welches in der ausgeführten Anordnung als Reflexionsbeugungsgitter (beispielsweise mit einer Aufdampfschicht aus Aluminium), ausgebildet ist.
In dieser Ausführungsform besteht das Gitter aus drei Bereichen 13', 13" und 13'" unterschiedlicher Blazewellenlänge des sägezahnförmigen Furchenprofils, die jeweils dem auf diesen Teilbereich auftreffendem spektralen Teilbündel optimal angepaßt sind.
Das Spezifische der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die Dispersionsebene des Gitters gegenüber der des Prismas um 90° gedreht ist. Die Biazeweiieniänge des Teilbereichs 13'" beträgt 410 nm, die des Teilbereichs 13" beträgt 560 nm und die des Gitterbereichs 13' beträgt 710 nm. Die durch das Prisma am stärksten gebrochenen Anteile des Gesamtspektrums 1 ' ", 2 " und 3' " gelangen auf den Teilbereich des Gitters 13' " und beinhalten den Spektralbereich von 360 nm bis 510 nm. Die spektralen Teilbereiche 1 ", 2" und 3" beinhalten den Spektralbereich von 510 nm bis 660 nm und gelangen auf den Gitterteilbereich 13". Der durch das Prisma am wenigsten abgelenkte langwellige spektrale Anteil des Gesamtspektrums mit dem Spektrum von 660 nm bis 810 nm, ist gekennzeichnet durch die Bündel 1 ', 2' und 3' und trifft auf den Gitterteil 13'. Die erfindungsgemäße Anordnung sorgt dafür, daß die spektralen Teilbereiche, realisiert durch die Vorzerlegung und gekennzeichnet durch die Bündelbezeichnungen 1 ', 2', 3' sowie 1 ", 2", 3" und 1 '", 2'", 3'" , auf optimal angepaßte beugende Gitterbereiche auftreffen und mit hoher Beugungseffizienz zwischen 70 % bis 90 % (unpolarisiertes Licht) senkrecht zur Dispersionsrichtung des Prismas spektral aufgespaltet werden.
Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Beugungsgitters 13 mit einem sich kontinuierlich ändernden Blazewinkel (entlang 13' und 13"'). Der Blazewinkel wird dabei so ausgebildet, daß die im Prisma 17 spektral vorzerlegten Spektralanteile auf optimal angepasste beugende Gitterbereiche auftreffen. Hierdurch können Unstetigkeiten in der Beugungseffizienz (siehe Figur 3) behoben werden und es ergibt sich eine maximale Beugungseffizienz im gesamten Spektralbereich. Dieses durch das Beugungsgitter 13 mit einer Gitterkonstante von 1300 L/mm erzeugte Spektrum durchläuft eine Kameraoptik 14, die im Beispiel aus einer Linse besteht, deren Brennweite f = 100 mm ist und deren Brennebene sich die Detektorzeile 15 mit den einzelnen Detektorelementen 16 befindet. Die Detektorzeile ?
15 ist so orientiert, daß ihre Elemente in Richtung der Dispersion des Gitters 13 ausgerichtet sind.
Figur 5 zeigt eine erste Ausführungsform des Reflexionsgitters, welches drei diskrete Bereiche aufweist, die eine gleiche Gitterperiode haben, deren Gitterprofile jedoch eine unterschiedliche Höhe aufweisen.
Figur 6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Reflexionsgitters, welches eine stetig wachsende Höhe der Gitteprofile aufweist, die eine gleiche Gitterperiode haben.
Figur 7 zeigt eine dritte Ausführungsform des Reflexionsgitters, welches eine gleiche Gitterperiode, eine gleiche Höhe der Gitterprofile, jedoch eine Deckschicht stetig steigender Dicke aufweist.
Figur 8 zeigt eine vierte Ausführungsform des Reflexionsgitters, welches eine gleiche Gitterperiode, eine gleiche Höhe der Gitterprofile, eine gleiche Dicke der Deckschicht, jedoch einen Brechzahlgradienten in der Decksicht aufweist.
Figur 9 zeigt den schematischen Aufbau eines konfokalen Laser-Scanning- Mikroskops 101 mit der erfindungsgemäßen hochempfindlichen spektralanalytischen Einheit 100 als Meßeinrichtung. Die spektralanalytische Einheit 100 entspricht in Ihrem Aufbau der in der Figur 1 dargestellten Anordnung. Die spektralanalytische Einehiet 100 kann auch der in Figur 4 gezeigten Anordnung entsprechen (nicht dargestellt).
Das von einer Lichtquelle 20 ausgehende Strahlenbündel gelangt über einen Hauptfarbteiler 21 , einen x-y-Scanner 22, eine Scann-Optik 23, eine Tubuslinse 25 und ein Objektiv 26 zur Probe 27. Das von der Probe 27 ausgehende Lichtbündel gelangt über das Objektiv 26, die Tubuslinse 25, die Scann-Optik 23 den x-y- Scanner 22, den Hauptfarbteiler 21 sowie eine Pinhole-Optik 28, ein Pinhole 29, eine Kollimatoroptik 30 und einen Emissionsfilter 31 auf die Strahlteiler der spektralanalytischen Einheit 100.
Zwischen der Scann-Optik 23 und der Tubuslinse 25 entsteht ein Zwischenbild 24. Besonders vorteilhaft ist auch, dass sich die Erfindung auch in bereits vorhandenen Laser-Scanning-Mikroskope und andere spektrometrische Geräte einbauen lässt. Bezugszeichenliste
oberer meridonaler Randstrahl Hauptstrahl unterer meridonaler Randstrahl ', 2', 3' langwellige Anteile der Strahlen 1 , 2, 3 ", 2", 3" mittlere spektrale Anteile der Strahlen 1 , 2, 3 '", 2' ", 3'" kurzwellige Anteile der Strahlen 1 , 2, 3 0 erster Spiegel 1 ' erste dichroitischer Strahlteiler (langwellig) 1 '" zweiter dichroitischer Strahlteiler (kurzwellig) 2 zweiter Spiegel 3 Beugungsgitter mit Teilbereichen verschiedener Blazewellenlängen 13
(langwellig), 13" (mittlerer Wellenlängenbereich) und 13'" (kurzwellig)4 Kameraoptik 5 Detektorzeile 6 Elemente der Detektorzeile 7 Auswerteelektronik 8 Dispersionsprisma 0 Lichtquelle 1 Hauptfarbteiler 2 x-y-Scanner 3 Scann-Optik 4 Zwischenbild 5 Tubuslinse 6 Objektiv 7 Probe 8 Pinhole-Optik 9 Pinhole 0 Kollimatoroptik 1 Emissionsfilter 00 Spektralanalytische Einheit 01 konfokales Laser-Scanning-Mikroskop

Claims

Patentansprüche
1. Hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit einem Beugungsgitter, bei der ein paralleles Lichtbündel (1 , 2, 3), welches einen Wellenlängenbereich aufweist, auf ein Beugungsgitter (13) einfällt, welches die unterschiedlichen Wellenlängen durch Beugung in erste Richtungen spektral aufspaltet und Wellenlängenteilbereiche des spektral aufgespalteten Lichtbündels (1 ', 1 ", 1 ' " , 2', 2", 2'", 3', 3", 3' ") durch eine Kameraoptik (14) auf eine Detektorzeile (15) fokussierbar sind und eine Auswerteelektronik (17) an die Detektorzeile (15) angeschlossen ist, welche das erzeugte Spektrum als Information gewinnt und darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel (1 , 2, 3) ein erstes optisches Element (11 , 20) passiert, dann Wellenlängenteilbereiche eines spektral aufgespalteten Lichtbündels (1 ', 1 ", 1 '" , 2', 2", 2' ", 3', 3", 3'") jeweils auf Teilgebiete (13', 13", 13' ") eines Beugungsgitters (13) treffen, wobei das Beugungsgitter (13) über alle Teilbereiche eine gleiche Gitterkonstante und eine sich ändernde Profilform hat, wobei die Profilformen unterschiedliche Blazewellenlängen erzeugen, die in den jeweiligen Wellenlängenteilbereichen liegen.
2. Hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit einem Beugungsgitter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element ein Strahlteiler (10, 11 ', 11 ", 12) ist.
3. Hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit einem Beugungsgitter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element ein dispersives Element (18) ist.
4. Hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit einem Beugungsgitter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dispersive Element ein Dispersionsprisma (18) ist.
5. Hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit einem Beugungsgitter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter eine der Zahl der Wellenlängenteilbereiche (1 ', 1 ", 1 '" , 2', 2", 2'", 3', 3", 3'") entsprechende Zahl von Teilgebieten (13', 13", 13'") aufweist.
6. Hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit einem Beugungsgitter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter eine sich stetig ändernde Prcfüforrn aufweist, die auf den Wellenlängenbereich des einfallenden Lichtbündels abgestimmt ist.
7. Hochempfindliche spektralanalytische Einheit mit einem Beugungsgitter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einem Laser Scanning Mikroskop als Detektor einsetzbar ist.
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