DD283691A5 - Festkoerpermatrix-detektor fuer ein spektrometer - Google Patents

Abstract

Neuartiger Festkoerpermatrix-Detektor fuer ein Spektrometer, welches ein fuer Strahlung aufnahmefaehiges gekreuztes Dispersionssystem umfaszt, um ein Paar zweidimensionaler Darstellungen von Spektrallinien zu erzeugen, die fuer wenigstens ein atomares Element charakteristisch sind. Eine Darstellung (Display) ist ultraviolett und die andere ist sichtbar. Ein Festkoerper-Chip weist auf der Vorderflaeche eine zweidimensionale Matrix von lichtempfindlichen Pixeln auf, die empfaenglich sind fuer Strahlung ausgewaehlter Spektrallinien und naechstliegende Untergrundstrahlung. Die Pixels sind in einer Mehrzahl von Teilmatrizen angeordnet, wobei jede Teilmatrix aus wenigstens einem der Pixels besteht und die Teilmatrizen bei einer Projektionsstelle von wenigstens einer der ausgewaehlten Spektrallinien auf der Vorderflaeche positioniert sind. Auf dem Chip zwischen den Teilmatrizen ausgebildete elektronische Bauteile sind mit den Pixeln betriebsmaeszig verbunden, um Auslesesignale zu erzeugen, die mit den Intensitaeten der ausgewaehlten Spektrallinien korrelieren. Fig. 3{Detektor; Festkoerpermatrix; Spektrometer, optisch; Dispersionssystem; Darstellung, ultraviolett, sichtbar; Matrix, zweidimensional; Pixel; lichtempfindlich}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Ermittlung von Strahlung in optischen Spektrometern und insbesondere einen Festkörpermatrix-Detektor zur Verwendung in einem optischen Spektrometer, welches eine zweidimensionale Darstellung von Spektrallinien erzeugt.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Verschiedene Typen von optischen Spektrometer!! sind in Verwendung für Zwecke wie Atomemissionsspekiroskopie, Atomabsorptionsspektroskopie und Astronomie. Ein vollständiges System besteht allgemein aus einer Strahlungsquelle, einem Spektrometer zum Trennen und Ermitteln einzelner Spektralkomponenten, und einer Datenstation zur Verarbeitung der Information von dem Spektrometer. Die Strahlungsquelle kann zum Beispiel ein System zum Injizieren einer Probe in ein induktiv gekoppeltes Plasma sein, wo die Atomarten in der Probe erregt werden, um eine charakteristische Atomemission auszustrahlen. Oder es wird zum Beispiel eine Probe in einem Graphitofen verdampft, wo die gasförmige Probe bestimmte Frequenzen der einfallenden Strahlung absorbiert, um Atomabsorptionslinien zu bilden. Ähnlich bilden astronomische Quellen Atomemissionsund -absorptionslinlen.

Spektrometer beruhen auf Strahlendispersion durch Beugungsgitter, Prismen und Kombinationen dieser beiden. Allgemein übernehmen elektronische Ermittlungsgeräte die Arbeit des photographischen Filmes zwecks genauer und zeitgerechter Messungen der Emissions- und Absorptionslinien. Ein Hauptziel bei der Entwicklung von Spektrometern ist die Verbesserung der Ermittlungsgeräte, um Empfindlichkeit, Dynamikbereich, Störabstand und Geschwindigkeit bei der quantitativen Messung von Atomarten in einer Probe oder anderen Quelle zu gewinnen.

Spektrometer werden häufig um die erhältliche Detektortechnik herum konstruiert. Es gibt grundsätzlich zwei Klassen von Spektrometern. Eine Klasse umfaßt die sequentielle Messung unter Verwendung eines Monochromators, in welchen ein Gitter oder Prisma gedreht wird. Der Winkel wird so eingestellt, daß erden unterschiedlichen Emissions- (oder Absorptions-) Linien der Elemente entspricht. Es wird ein einziger Detektor verwendet, und ein Meßprozeß umfaßt eine relativ rasche Drehung des Gitters mit Messungen an einer festgelegten Stelle, die für die Atomemissionslinien angemessenen Gitterwinkeln entspricht. Spektrometer der anderen Klasse sind Direktablesegeräte, in welchen ein volles Spektrum dargestellt wird über eine gewisse Form von Ermittlungssystem, welches in der Lage ist, die einzeln fokussieren Spektrfllinien zu ermitteln. Gemäß gängiger Technik wird die beste Empfindlichkeit durch Vorsehen eines Spaltes für jede der verschiedenen Emissionslinien erhalten, die zu messen sind, wobei ein Photovervielfacher auf der gegenüberliegenden Seite jedes Schlitzes angeordnet wird, um so jede Linie zu ermitteln. In der Praxis ist die Anzahl von Spalten mit Photovervielfachern durch die Größe und Kosten von Photovervielfachem begrenzt; so muß ein unterschiedlicher Spaltaufbau für unterschiedliche Probentypen verwendet werden, und os muß eine gewisse vorläufige Kenntnis der Probenzusammensetzung zum Auswählen des Spaltortes vorhanden sein. Dc Untergrundstrahlung allgemein vorhanden ist, muß es auch ein Verfahren zum Messen des Untergrundes geben, um die Emissionsdaten zu korrigieren. Die Untergrundmessung wird derzeit vor und/oder nach der Emissionsermittlung bewirkt. In einem sequentiellen System kann der Untergrund für Monochromator-Gitterwinkel gemessen werden, die denen für die Atomemissionslinien am nächsten sind. Bei Direktlesegeräten wird der Untergrund allgemein durch Verschieben der Stellung des Eintrittspaltes und Vornehmen aufeinanderfolgender Messungen gemessen.

Eine der empfindlichsten Arten von Spektrometern, die gegenwärtig in Verwendung sind, ist ein Stufenspektrometer (echelle), welches eine Darstellung von Spektrallinien in zwei Dimensionen vorsieht. Dieses Spektrometer und seine Prinzipien sind in „The Production of Diffraction Grating: Il beschrieben. The Design of Echelle Gratings and Spectrograph^" von G. R. Harrison, J. Opt. Soc. Am 39,522 (1949). Einzelheiten eines solchen Systems sind in einem Artikel „Echelle Spectroscopy with a Charge-' Coupled Device (CCD)" von D. G. York, E. B. Jenkins, P. Zucchino, J. L. Lowrance, D. Long und A. Songaila, SPIE Vol. 290, Solid State lmagers for Astronomy, 202 (1981) angegeben. Kurz gesagt, wird Licht, das einen Eintrittsspalt passiert, kollimiert und auf ein Stufengitter gerichtet, welches eine niedrige Dichte geformter Gitterstriche aufweist, um Streumuster hoher Ordnung zu erzeugen. Der gestreute Strahl wird zu einem zweiten gekreuzten Gitter mit einer höheren Dichte von Gitterstrichen oder zu einem Prisma gelenkt, welches die Ordnungen in ein zweidimensionales Muster trennt. Dieses Muster wird auf eine zweidimensionale Ermittlungsfläche fokussiert, welche so gestaltet ist, daß sie die einzelnen Spektrallinien ermittelt. Es gibt zwei Typen praktischer elektronischer Photodetektoren. Photozellen mit Vervielfacher sind sehr empfindlich, sind aber relativ groß und lassen sich daher nicht physisch zusammensetzen, um eine Anzahl benachbarter Linien zu ermitteln. Außerdem wird eine große Anzahl von Photovervielfachern sehr teuer.

Die andere Art von Photodetektor ist ein Festkörper, beruhend auf den Prinzipien der Ladungserzeugung bei Strahlungseinfall auf einer Fläche, wie beispielsweise Silizium. Um eine Auflösung von Spektrallinien (oder im weiteren Sinn eine Bildauflösung) zu schaffen, wird eine Fläche auf einem Halbleiterchip in Pixelflächen unterteilt. Die Ansammlung und Handhabung von Signalen von den Pixels wird durch den Transfer von Ladungen in dem Chip von den Pixeln bewirkt. Die Technik ist im einzelnen zum Beispiel in dem Buch „Charge transfer Devices" von C. H. Sequin und M. F. Tompsett, Academic Press (1975) behandelt. Von besonderem Interesse sind die Seiten 11 bis 14,19 bis 42 und 142 bis 146, worin ladungsgekoppelte Schaltungen (CCD) und ihre Verwendung zur Bildabtastung beschrieben sind.

Ein verwandter Annäherungsversuch für solche Detektoren ist die Ladungsinjektionselement-Technik (CID). Diese ist in dem Artikel „Review of Charge Injection Device (CID) Technology" von A. B. Grafinger und G. J. Michon, SPIE Vol. 244 Mosaic Focal Plane Methodologies, 26, (1980) beschrieben.

CCD und CIDzur Bildabtastung wurden in erster Linie für Videokameras entwickelt, die eine volle Flächendeckung der Bildebene notwendig machen. Diese sind in Spektrometer und andere optische Systeme für Astronomiezwecke eingebaut und sind recht nützlich.

Die modernste Anwendung der Stufengitterspektroskopie ist in der oben erwähnten Veröffentlichung von York u. a. dargestellt, wo ein 512 χ 512 Pixel CCD beschrieben ist. Ein in der Veröffentlichung dargestelltes Problem ist das hohe Ausleserauschen für solch ein Gerät. Der Videotyp von Flächendetektoren hat Beschränkungen an Empfindlichkeit gezeigt, welche mit dem Rauschen verbunden sind, das von der hohen Multiplizität von Signalen von der gesamten Pixelmatrix an der Oberfläche sowie von der hohen Dichte der Festkörper-Kanalisierung von Ladungen und Signalen in dom Gerät herrührt.

WeitGre Probleme bei herkömmlichen CCD und CID umfassen eine schwache Empfindlichkeit auf ultraviolette Strahlung aufgrund der Absorption durch die Leiterkanäle, zum Beispiel Polysilizium, welche den Ladungstransfer durchführen, ferner hohes Rauschen aufgrund der relativ großen Werte der Kapazität, die mit den Leiterkanälen von allen Pixeln verknüpft sind, große Datenmengen zum Auslesen, was starkes Rauschen verursacht, lange Au3lesezeiten für große Anzahlen von Pixeln, begrenzter dynamischer Bereich bei der Fähigkeit zur Handhabung unterschiedlicher Lichtintensitäten aufgrund von Ladungssättigung bei einem Pixel und darausfolgende Ausbreitung von Ladung in benachbarte Pixel sowie die Schwierigkeit, Direktzugriff auf eine große Zahl von Pixeln zu erhalten.

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Geräte zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuartigen Festkörpermatrix-Detektors zur Anwendung in einem optischen Spektrometere, welches eine zweidimensionale Darstellung von Spektrallinien erzeugt.

Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines neuartigen Festkörperdetektors zweidimensionaler Spektren, welcher vermindertes Rauschen, verbesserte Empfindlichkeit, verbesserten dynamischen Bereich, verminderte Lesedatenmengen und Direktzugriff auf Pixels zum Auslesen aufweist, sowie die Schaffung eines hochempfindlichen Detektors mit zweidimensionaler Spektraldarstellung zu angemessenen Kosten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Festkörperdetektor mit einer neuartigen Anordnung von Pixeln erzielt. Der Detektor umfaßt einen Festkörperchip mit einer Vorderfläche, auf welcher sich eine zweidimensionale Matrix lichtempfindlicher Pixel befindet, die für Strahlung aufnahmefähig sind, welche mit ausgewählten Spektrallinien verbunden ist, und für nächstliegende Untergrundstrahlung. Die Pixel sind in einer Mehrzahl von Teilmatrizen angeordnet, wobei jede Teilmatrix aus Wenigstens einem Pixel besteht. Die Teilmatrizen sind bei einem Projektionsort von wenigstens einer der gewählten Spektrallinien auf der Vorderfläche angeordnet. Ausleseeinrichtungen sind betriebsmäßig mit den Pixeln verbunden, um Auslesesignale zu erzeugen, die mit den Intensitäten der gewählten Spektrallinien in Wechselbeziehung stehen. Die Ausleseeinrichtungen umfassen eine Mehrzahl elektronischer Komponenten, die auf dem Chip zwischen den Teilmatrizen ausgebildet sind. Vorzugsweise umfassen die Pixels weniger als 1 % der Vorderfläche des Chips, und die elektronischen Komponenten umfassen eine Mehrzahl von Sätzen elektronischer Komponenten, wobei jeder Satz einer entsprechender Teilmatrix in Nähe der Pixel der entsprechenden Teilmatrix zugeordnet ist und von den Pixeln der anderen Teilmatrizen isoliert

Jedes Pixel ist durch einen länglichen Fleck auf dem Chip definiert, und jede Teilmatrix besteht aus wenigstens zwei parallel angeordneten Pixeln.

Vorteilhaft besteht jede Teilmatrix aus 10 bis 20 Pixeln.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Detektor die Form einer ladungsgekoppelten Schaltung auf.

Für jede Teilmatrix werden entsprechende Ladungen in jedem der Pixel erzeugt, in Reaktion auf die Spektrallinien und die Untergrundstrahlung, und die elektronischen Bauteile umfassen eine Multiplizität von Speicherregistern, die so angeordnet sind, daß jedem Pixel ein Speicherregister benachbart und betriebsmäßig zugeordnet ist, um die entsprechenden Ladungen zu speichern, ferner ein Ausleseregister, das nächst den Speicherregistern derart angeordnet ist, daß es für die Ladungen von den Speicherregistern aufnahmefähig ist, eine Verstärkereinrichtung nächst der Teilmatrix, die betriebsmäßig mit dem Ausleseregister verbunden ist, um die Auslesesignale von den Ladungen zu erzeugen, sowie eine für Zeitsteuersignale aufnahmefähige Verschiebeeinrichtung zum sequentiellen Verschieben der Ladungen von den Pixeln durch die Speicherregister und das Ausleseregister hindurch zu der Verstärkereinrichtung.

Vorzugsweise ist die Verstärkereinrichtung ein Pufferverstärker.

Der Detektor umfaßt eine linrichtung für den Direktzugriff zu den Teilmatrizen.

Ausführungsbeispiele

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in dar Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: ein Schemabild eines spektrographischen Systems einschließlich einem Querschnitt eines optischen Spektrometer, welches erfindungsgemäße Detektoren enthält;

Fig. 2: ein Schemabild der Vorderfläche eines Detektors mit Teilmatrizen von Pixeln gemäß der Erfindung und Fig.3: eine Einzeleinheit einer Ausführungsform einer Teilmatrix und zugeordneter elektronischer Komponenten.

Ein spektrographisches System, welches Detektoren der Erfindung enthalten kann, ist schematisch in Figur 1 gezeigt. Allgemein sind drei Komponenten vorhanden, und zwar eine Strahlungsquelle 10, ein optisches Spektrometer 12 und eine Datenstation 14.

Die Strahlungsquelle 10 erzeugt infrarote, sichtbare und/oder ultraviolette Strahlung, die allgemein für Atomeiemente charakteristisch ist. Die Quelle kann zum Beispiel ein induktiv gekoppeltes Plasma sein, in welches eine Probe des Versuuhsmatorials eingespritzt wird, oder ein Graphitofen oder dgl., welche tätig wird, um Emissionslinien oder Absorptionslinien atomarer Elemente zu bilden. Alternativ kann die Quelle außerirdisches Licht sein, welches durch ein astronomisches Teleskop gesammelt wird.

Der Zweck der nachfolgenden Komponenten, nämlich des optischen Systems 12 und der Datenstation 14, ist die Schaffung einer quantitativen Messung der mit der Quelle 10 verbundenen atomaren Elemente Das optische System 12, von dem ein Beispiel in Figur 1 dargestellt ist, besteht aus dem herkömmlichen oder erwünschten Typ, welcher eine zweidimensionale Darstellung von Spaktrallinien erzeugt. Insbesondere wird ein Stufensystem mit Kreuzdispersion zur Verkörperung der Erfindung bevorzugt. Wie gazeigt, kenn es auch wünschenswert sein, das Licht (⁴MrCh das System in zwei Komponenten teilen zu lassen, wobei die eine den allgemeinen sichtbaren Bereich und die andere einen Itravioletten Bereich überdeckt.

Wie in Figur 1 dargestellt, passiert das Licht einen Eintrittsspalt 16, und Strahlen 17 werden durch einen konkaven Kollimator 18 reflektiert auf ein Reflexionsstufengitter 20. Dieses Gitter besitzt eine relativ niedrige Dichte geformter Gitterstriche 21 und einen hohen Glanzwinkel und ist von dem bekannten oder erwünschten Typ, der für ein Stufensystem in dem oben erwähnten Artikel von Harrison beschrieben worden ist. Das Gitter weist zum Beispiel 790 Gitterstriche je Zentimeter auf, besitzt einen Glanzwinkel von 63° und erzeugt Spektren hoher Ordnung. „Spektren hoher Ordnung" bedeutet, daß wenigstens zwei Ordnungen erzeugt werden und daß diese höher als die erste Ordnung sind. Vorzugsweise werden Ordnungen von 30 bis einschließlich 120

verwendet. Dieses Spektrum wird auf ein reflektierendes Kreuzgitter 22 gelenkt mit einer Dispersion, die unter rechtem Winkel zu dem Reflexionsstufengitter 20 orientiert ist. Ferner weist, wie bei Harrison beschrieben, das Kreuzgitter 22 eine höhere Dichte von Gitterstrichen (nicht gezeigt) auf, zum Beispiel 3750 Gitterstriche je Zentimeter. Das Kreuzgitter 22 wird bei niedriger Ordnung mit relativ niedriger Dispersionskraft verwendet, und seine Kreuzorientierung trennt die Ordnungen von dem Reflexionsstufengitter 20 in ein zweidimensionales Spektralmuster. „Niedrige Ordnung" bedeutet etwa die Ordnung 5 oder weniger und ist typisch die erste Ordnung.

Dispergierte Strahlen 23, die in einem Spektralmuster von dem Kreuzgitter 22 reflektiert werden, passieren ein Schmitt-Korrekturglied 24 zu einem konkaven sphärischen Reflektor 26, welcher die Strahlen über einen ebenen Spiegel 28 und eine Entwölbungslinse 30 (field flattener) auf einen ersten Detektor 34 fokussiert. Das zweidimensionale Stufenspektralmuster in diesem Abschnitt des Gerätes wird so gewählt, daß es in dem ultravioletten Bereich liegt.

Es können andere herkömmliche oder gewünschte optische Systeme verwendet v/erden. Zum Beispiel kann das herkömmliche Schmitt-Korrekturglied 24 durch eine asphärische Formung des Gitters 22 ersetzt werden, wie in einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung beschrieben.

In dem vorliegenden Beispiel weist das Kreuzgitter 22 eine zentrale Öffnung 36 auf, durch welche etwa 20% der Strahlung durchgelassen werden. Ein Dispersionselemont, vorzugsweise ein Prisma 38 in gekreuzter Stellung gegenüber dem Reflexionsstufengitter 20 nimmt diesen Anteil der Strahlung auf und bildet ein zweidimensionales Stufenspektrum in dem sichtbaren Bereigh. Dieses Spektrum wird durch eine achromatische Linse 40 auf einen zweiten Detektor 42 projiziert und fokussiert. Auf diese Weise kann der Vorteil spezieller Optiken und Detektoren für getrennte ultraviolette und sichtbare Bereiche wahrgenommen werden.

Die Wellenlängen der Atomemissionslinien sind invariant, ihre relativen Positionen sind also die gleichen für identische Stufenspektrometer. Die Detektoren 34,42 sind auf jeweiligen Leiterplatten 35,43 angebracht. Dir.se Detektoren sind empfindlich für die auftreffende Strahlung, erzeugen Signaie, welche durch die Schaltung auf den Leiterplatten weiterverarbeitet werden und dann über Leitungen 44 bzw. 46 zu der Datenstation 14 gelenkt werden. Die Station umfaßt ein Datenverarbeitungsgerät und gibt eine angemessene Darstellung der Information in graphischer oder numerischer Form, wie ein Display und/oder einen Ausdruck. Die Datenstation (oder Leiterplatte) kann auch Zeitsteuersignale auf den Leitungen 48,50 an die jeweiligen Detektoren liefern, wie unten beschrieben.

Erfindungsgemäß, und wie in Figur 2 angedeutet, ist jeder Detektor 34,42 ein Festkörper-IC-Chip 51 mit Pixelgruppen oder Teilmatrizen 52 mit einer Lichtempfindlichkeit, die nur für einen kleinen Abschnitt des Spektrum' .fnahmefähig ist, welches auf die Vorderfläche des Detektors fokussiert werden kann. Es braucht allgemein weniger als etwa ein Prozent des Flächenbereichs des Detektors aufnahmefähig zu sein, zum Beispiel ist nur etwa 0,1 % aufnahmefähig. Die gewählten aufnahmefähigen Stellen entsprechen den Brennpunkten derjenigen gewählten Spektrallinien, die zur Messung der Anwesenheit und Menge von atomaren Elementen ausreichend sind, die in der Emissionsquelle vorhanden sein können, vorzugsweise jegliche solche Elemente. Ferner ist ein weiterer Abschnitt des Detektors so strukturiert, daß er Strahlung bei Wellenlängen nächst den erwünschten Spektrallinien aufnimmt, um ein Maß für die Untergrundstrahlung zu bilden.

Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung von Positionen auf einem gemäß der Erfindung für Strahlung aufnahmefähigen Detektor-Chip. Dieser Chip ist üblicherweise etwa 15 mm mal 15 mm groß. Die spezielle gezeigte Anordnung ist für 120 Spektrallinien entsprechend 45 atomaren Elementen gewählt und überdeckt den ultravioletten Bereich. Allgemein reichen das erwartete ultraviolette Wellenlängenvermögen von etwa 190nm bis etwa 400 nm und der sichtbare Bereich von 400 bis 800nm. Ein ähnliches Chip ist für den sichtbaren Bereich vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Matrizen für beide Bereiche auf einem Chip derart angeordnet, daß Chips der gleichen Konfiguration für jeden der zwei getrennten Bereiche des Spektrometer verwendet werden können, wobei nur der ultraviolette Abschnitt als Detektor 34 in Verwendung ist und nur der sichtbare Abschnitt als Detektor 42 in Verwendung ist.

Jede Teilmatrix 52 kann aus nur einem Pixel bestehen, umfaßt aber vorzugsweise eine Mehrzahl von Pixeln wie etwa 10 bis 20 Pixel, zum Beispiel 16 Pixel. Drei der einzelnen Pixe! auf einer Teilmatrix sind mit den Bezugszeichen 54,54', 54 η bezeichnet, wie in Figur 2 gezeigt. Jedes Pixel ist ein länglicher Reck, beispielsweise ein Rechteck mit einem Bildseitenverhältnis von etwa 4 zu 1 und ist zum Beispiel 25 mal lOOMmgroP. Jedes Pixel ist für darauf auftreffende^trahlung aufnahmefähig und erzeugt ein Signal zur Verarbeitung im Verhältnis zu der Intensität der Strahlung. Wie gezeigt, sind die Pixel parallel ausgerichtet, um parallele Strahlenlinien zu empfangen. Die Trennung der Pixel ist so klein wie möglich, beispielsweise bis zu 5 μηι. Allgemein ist jede Teilmatrix so positioniert und dimensioniert, daß ein Pixel oder zwei oder drei benachbarte Pixel für die Strahlung einer entsprechenden Atomemissionsspektrallinie aufnahmefähig sind, die zu analysieren ist. Die anderen Pixel in der gleichen Teilmatrix dienen zwei Zwecken. Wie oben erwähnt, besteht ein Zweck darin, gleichzeitig Untergrundstrahlung nahe der Spektrallinie zu ermittein, um eine Korrektur für den Untergrund vorzunehmen. Der andere Zweck besteht darin, einen Bereich von erhältlichen Pixelpositionen für die Spektrallinie zu bilden, so daß eine genaue Vorbestimmung der durch die Optik fokussierten Linienposition nicht erforderlich ist.

Die Pixel sind lichtempfindliche Flecken, die an der Oberfläche eines Festkörperchips ausgebildet sind. Allgemein ist das Chipmaterial ein Halbleiter, zum Beispiel Silizium. Wünschenswerter Weise ist der Detextor abgeleitet von dem Bauelementtyp, der allgemein als Ladun.gsverschiebeelement klassifiziert wird, beispielsweise ein Ladungsinjektionselement (CID) oder vorzugsweise ein ladungsgekoppeltes Schaltelement (CCD).

Figur 3 zeigt eine Ausführung gemäß der Erfindung in Gestalt eines Lagenlanes auf einem Abschnitt eines Chips 51 einer Teilmatrix von drei Pixeln 54,54', 54η und einige zugehörige elektronische Bauteile, die in dem Chip zwischen den Teilmatrizen zum Sammeln der Signale von jedem Pixel ausgebildet sind. Das Grundchip ist herkömmlich aus geeignet dotiertem Siliziummaterial ausgebildet.

Die lichtempfindlichenPixelflächen bestehen jeweils aus Silizium, welches zur Erhöhung der Absorption von Photonen bei den bedeutsamen Wellenlängen überzogen ist, zum Beispiel mit Siliziumnitrid, Siliziumdioxid oder beiden. Die benachbarten Flächen sind mit einer undurchsichtigen Maske zum Blockieren unerwünschten Lichtes bedeckt und entsprechend herkömmlicher CCD-Technik mit verschiedenen Leiter-, Halbleiter- und Isoliermaterialien, die zum Transferieren und Auslesen der photoelektrischen Ladungen aufgebaut sind. In der Ausführungsform von Figur 3 ist jedes Pixel, beispielsweise das Pixel 54, umgebend eine leitende Metallschicht 56 vorgesehen, zum Beispiel aus Polysilizium oder Aluminium, welche als kapazitives Element wirkt und darunter ein Speicherregister bildet, um Ladungen einzufangen, die in dem offenliegenden Mittelbereich erzeugt werden, und welche durch Diffusion wandern oder durch Randfelder angezogen werden. Diese leitende Schicht

überlappend, aber durch eine Isolierschicht von ihr getrennt, ist eine andere leitende Schicht 68 vorhanden, die mit der Schicht 56 in der üblichen CCD-Eimerketten-Schaltungsanordnung verknüpft ist. Ein dritter Leiter 59 wird dann ähnlich angeordnet, so daß mit der üblichen CCD-Vorspannungsfolge auf den drei Leitern die photoelektrische Ladung aus der Stellung unter dem ersten Leiter zu dem dritten Leiter vollständig verschoben werden kann. Zusätzliche Leiter und geeignet dotierte Bereiche können zum Formen von Gattern (nicht gezeigt) zwischen den Schichten 56,58,59 verwendet werden. Die Pixel 54'... 54 η weisen ähnlich als Eimerketten geschaltete Leiterbereiche 56', 58', 59' bis 56 n, 58 n, 59 η auf.

Der Satz von drei Leitern 59,59'... 59 η von jedem der benachbarten Pixel in der Teilmatrix ist selbst in einer Eimerkettenschaltungsfolge in der senkrechten Richtung mittels der bei CCD üblichen überlappenden, aber isolierten Leiter und Gatter (nicht gezeigt) verbunden, welche gemeinsam ein Ausleseregister 61 bilden.

Schließlich ist der letzte dritte Leiter 59n, zum Beispiel der sechzehnte, mit einem in dem Siliziumsubstrat ausgeführten benachbarten Pufferverstärker 72 verbunden, welcher das photoelektrische Ladungssignal zu einem gemeinsamen Strompfad 74 verstärkt, mit einer solchen Verstärkung, daß das Signal ausreichend die Signale von Quellen von elektrischem Rauschen übersteigt. Figur 3 stellt auch einen Puffertransistor 76 von einer der anderen Teilmatrizen (nicht gezeigt) dar, die mit dem gemeinsamen Strompfad verbunden sind.

Mit den verschiedenen leitenden Schichten und Transistoren sind Zuleitungen (kollektiv mit 46 bezeichnet) von einer Quelle getakteter Spannungsimpulse in einer Steuerschaltung 60 vorhanden. Eine solche Schaltung wird durch digitale Logik verwirklicht, zum Beispiel weitere Gatter und Schieberegister, und ist auf dem Chip gelegen. Vorzugsweise steuern ein externes Taktsignal und andere externe Signale von dem Computer der Datenstation 14 über die Leitung 48 (oder 50), die Leiterplatte 35 (oder 43) und die Leitung 61 den Zeitablauf und die Direktzugriffswahl von Teilmatrizen zum Auslesen auf herkömmliche Art. Steuersignale wählen auch aus, welcher der Pufferverstärker sein Signal aktiv in einen abschließenden Hochleistungs-Pufferverstärker 78 steuert, welcher das Signal zum Auslesen von dem Chip auf der Leitung 79 zu der Leiterplatte 35 formt und folglich auf der Leitung 44 zu dem Computer der Datenstation 14. Zusammengenommen umfassen die Einrichtungen zum Auslesen der Ladungen von den Pixeln also die leitenden Bereiche und Gatter und geeignete Dotier- und Isolierschichten, welche einen Satz elektronischer Bauteile bilden, die jeder Teilmatrix zugeordnet sind. Die Auslesesignale korrelieren mit den Intensitäten der gewählten Spektrallinien.

Herkömmliche Koordination mit den Zeitsteuersignalen liefert die Information zum Auslesen der Information über Spektrallinienintensitäten. Die Datenverarbeitung umfaßt auch die Messung der Untergrundstrahlung von benachbarten Pixeln und die Subtraktion von den Spektralliniensignalen. Genaue Auslesungen werden nach Kalibrierung mit einer bekannten Strahlungsquelle erhalten. Um das Rauschen weiter zu minimieren, sollte der Chip gekühlt werden, zum Beispiel durch flüssigen Stickstoff oder einen thermoelektrischen Peltier-Kühler.

Eine zweite Ausführungsform zur Verwirklichung lichtempfindlicher Pixel besteht in der Verwendung eines vergrabenen Leiters in dem Silizium für den gesamten Bereich der Pixel 54,54'...54n und benachbarten elektronischen Bauteile. Wiederum ist die Pixelfläche zwecks optimaler Lichtempfindlichkeit bei den bedeutsamen Wellenlängen bedeckt. Die Vergrabekanal-Technik ist so, wie sie zum Beispiel in dem oben erwähnten Buch von Sequin et al. beschrieben ist. So kann also jede Teilmatrix aus einer Linearanordnung gebildet sein, in welcher die einzelnen Lichtsensoren von dem Ausleseregister durch ein Tranfergate isoliert sind. In diesem Fall werden die Schichten 56 von Figur 3, welche jedes Pixel 54 umgeben, weggelassen, und die Ladungen werden direkt unter der Schicht 58 gesammelt. Die übrigen Aspekte der Anordnung und des Betriebes sind ähnlich denen in der Ausführung von Figur 3. In dieser zweiten Ausführungsform können die Pixel näher beeinander sein, und die Wirksamkeit der Lichtempfindlichkeit wird erhöht.

Ein höchst vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die elektronischen Bauteile, die in dem Chip aufgebaut sind zum Sammeln von Signalen von den Pixeln, einschließlich der Speicherregister, der Sammelregister und der Puffertransistoren, Raum auf dem Chip zwischen Pixel-Teilmatrizen nutzen. Es ist auch bedeutsam, daß jeder Satz elektronischer Bauteile, der direkt mit einer entsprechenden Teilmatrix verknüpft und ihr zugeordnet ist, den Pixeln der Teilmatrix nahe benachbart ist und von den Pixeln benachbarter und aller übrigen Teilmatrizen isoliert ist, womit die Störkapazitäten minimiert werden. Allgemein sollten die zugehörigen elektronischen Bauteile innerhalb eines Abstandes von etwa zwei Pixellangen von den Pixelflächen gelegen sein. Dadurch werden wesentliche Verbesserungen der Empfindlichkeit durch Verminderung des Übersprechens und des Rauschpegels erhalten. Mit verbessertem Störabstand und dynamischem Bereich werden die mit Photovervielfachern verbundenen Leistungspegel angenähert, ohne die wesentlich höheren Kosten einer großen Anzahl von Photovervielfachern. Ferner sind die Untergrundmessungen zur Linienermittlung gleichzeitig anstatt sequentiell, womit weiter Geschwindigkeit und Genauigkeit gewonnen werden. Außerdem werden die Kompliziertheit und die Kosten der inneren Elektronik durch Spezialisierung des Detektors auf die bedeutsamen Spektralbereiche und Verwirklichung einer zentralen Logik auf dem Chip vermindert.

Ferner können die Teilmatrizen zum Auslesen direkt adressiert werden, was aie Geschwindigkeit und Flexibilität des Gerätes für spezielle Anwendungen erhöht, ohne die Elektronik mit übermäßig hohen Datenmengen zu belasten. Der Direktzugriff wird beispielsweise durch ein 8-Bit-Codesignal von dem Computer der Datenstation 14 zur Steuerung der Schaltung 60 auf dem Chip 51 über die Leiterplatte 53 bewirkt. Das Codesignal löst eine geeignete Folge von Spannungen zu den elektronischen Bauteilen derTeilmatrix aus, die zum Auslesen adressiert wird. Die relativ kleine Zahl von Teilmatrizen auf dem Chip im Vergleich zu der vollen Flächendeckung von Pixeln auf einem herkömmlichen Bildsensor macht einen solchen Direktzugriff sehr praktisch.

Das hier beschriebene Spektrometersystem zum Vorsehen getrennte; ultravioletter und sichtbarer Spektren läßt eine höhere Präzision bei der Erzeugung von Spektrallinien zu. Es ist besonders nützlich bei den Matrix-Detektoren der Erfindung. Obzwar die Erfindung im einzelnen in bezug auf spezielle Auführungsformen beschrieben worden ist, können verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden, welche für den Fachmann offensichtlich sind und weiche innerhalb des Erfindungsgedankens und des Rahmens dor Ansprüche liegen. Die Erfindung soll deshalb nur durch die Ansprüche oder ihre Äquivalente beschränkt sein.

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   1. Festkörpermatrix-Detektor für ein Spektrometer, welches ein für Strahlung aufnahmefähiges gekreuztes Dispersionssystem umfaßt, um eine zweidimensionale Darstellung von Spektrallinien zu erzeugen, welche für wenigstens ein atomares Element charakteristisch sind, gekennzeichnet durch ein Festkörper-Chip (51) mit einer Vorderfläche, welche eine zweidimensionale Matrixanordnung von lichtempfindlichen Pixeln aufweist, die für Strahlung ausgewählter Spektrallinien und nächstgelegener Untergrundstrahlung aufnahmefähig sind, wobei die Pixels in einer Mehrzahl von Teilmaxtrixen (52) angeordnet sind und jede Teilmatrix (52) aus wenigstens einem der Pixel (54,54', 54n) besteht und bei einem Projektionsort von wenigstens einer der ausgewählten Spektrallinien auf der Vorderfläche positioniert ist sowie durch eine Ausleseeinrichtung, die betriebsmäßig mit den Pixeln (54,54', 54n) verbunden ist, um Auslesesignale zu erzeugen, welche mit den Intensitäten der ausgewählten Spektrallinien korrelieren, wobei die Ausleseeinrichtung eine Mehrzahl elektronischer Bauteile umfaßt, die in dem Chip (51) zwischen den Teilmatrizen (52) ausgebildet sind.
2. 2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Pixel (54,54', 54n) durch einen länglichen Fleck auf dem Chip (51) definiert ist und jede Teilmatrix (52) aus wenigstens zwei parallel angeordneten Pixeln (54,54', 54n) besteht.
3. 3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilmatrix (52) aus 10 bis 20 Pixeln (54,54', 54 n) besteht.
4. 4. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixel (54,54', 54n) weniger als etwa 1 % der Vorderfläche des Chips (51) umfassen.
5. 5. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl elektronischer Bauteile eine Mehrzahl von Sätzen elektronischer Bauteile umfaßt, wobei jeder Satz einer entsprechenden Teilmatrix (52) nächst den Pixeln der entsprechenden Teilmatrix (52) zugeordnet ist und von den Pixeln der anderen Teilmatrizen (52) isoliert ist.
6. 6. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er die Form einer ladungsgekoppelten Schaltung aufweist.
7. 7. Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Teilmatrix (52) entsprechende, Ladungen in jedem der Pixels (54,54', 54 n) erzeugt werden in Reaktion auf die Spektrallinien und die Untergrundstrahlung, und daß die elektronischen Bauteile eine Multiplizität von Speicherregistern (56,56', 56n) umfassen, die so angeordnet sind, daß jedem Pixel (54,54', 54n) ein Speicherregister (56,56', 56n) benachbart und betriebsmäßig zugeordnet ist, um die entsprechenden Ladungen zu speichern, ferner ein Ausleseregister (61), das nächst den Speicherregistern (56,56', 56 n) derart angeordnet ist, daß es für die Ladungen von den Speicherregistern (56,56', 56 n) aufnahmefähig ist, eine Verstärkereinrichtung (72) nächst der Teilmatrix (52), die betriebsmäßig mit dem Ausleseregister (61) verbunden ist, um die Auslesesignale von den Ladungen zu erzeugen sowie eine für Zeitsteuersignale aufnahmefähige Verschiebeeinrichtungen (60) zum sequentiellen Verschieben der Ladungen von den Pixeln (54,54', 54n) durch die Speicherregister (56,56', 56n) und das Ausleseregister (61) hindurch zu der Verstärkereinrichtung (72).
8. 8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung ein Pufferverstärker (72) ist.
9. 9. Detektor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine Einrichtung für den Direktzugriff zu den Teilmatrizen (52) umfaßt.