本發(fā)明涉及一種ATR紅外線光譜儀。

背景技術(shù)：

已知ATR紅外線光譜儀用于分析樣本的化學(xué)組成。ATR紅外線光譜儀(ATR：衰減全反射)具有細長ATR晶體作為光波導(dǎo)，其中在全內(nèi)反射下導(dǎo)引紅外光，其中出現(xiàn)大致十個多次反射。與布置于界面附近(例如，在樣本臺上)的樣本交互的損耗波形成于全內(nèi)反射點處的ATR晶體的反射界面后。通過實例，ATR晶體的材料為(例如)硫化鋅或硒化鋅。

布置于ATR晶體的一個縱向端處的為紅外光源，可通過紅外光源將紅外光耦合到ATR晶體。布置于另一縱向端(其遠離所述一個縱向端布置)處的為具有線性可變波長濾波器的紅外光傳感器，通過所述紅外光傳感器，從ATR晶體去耦的紅外光的光譜可檢測。將用于ATR晶體的硫化鋅或硒化鋅用于在5.5μm與11.0μm之間的紅外光的波長，其中將線性可變波長濾波器調(diào)諧到此波長范圍以便使用紅外光傳感器提供對應(yīng)的頻譜分辨率。通過實例，紅外光傳感器為由多個熱電紅外光像素制成的線性陣列。為了獲得ATR晶體的良好照明，已知紅外光源具有與線性紅外光傳感器陣列的縱向范圍至少一樣大的縱向范圍。替代地，紅外光源與ATR晶體之間的準直透鏡的使用以聚焦入射紅外光使得線性紅外光傳感器陣列較好地照射是已知的。雖然此達成ATR紅外線光譜儀的高頻譜分辨率，但信噪比不利地在5.5μm到11.0μm的相關(guān)波長范圍上大大地變化。

圖4展示展示沿著紅外光傳感器陣列的ATR紅外線光譜儀的信噪比的曲線的圖。由參考符號16表示的縱坐標指定信噪比，其參照橫坐標15標繪，在橫坐標上以計數(shù)方式展示紅外光傳感器陣列的個別紅外光像素的位置。具有5.5μm的波長的紅外光入射于具有位置編號1的紅外光像素上，且具有11.0μm的波長的紅外光入射于所述位置編號130的紅外光像素上。入射于具有1與130之間的位置編號的紅外光像素上的為具有在5.5μm與11.0μm之間的波長的紅外光，其中波長從具有位置編號1的紅外光像素線性增大到具有位置編號130的紅外光像素。如從圖4可看出，首先的20個像素的信噪比有利地高。對于具有100與120之間的位置編號的紅外光像素，信噪比同樣仍相對高。對于具有25與60之間的位置編號的紅外光像素，信噪比特別低。信噪比在紅外光像素上和因此在由ATR紅外線光譜儀測量的波長范圍上的此不均勻分布非常不利，確切地說，如果需要在整個波長測量范圍上盡可能不變的信噪比以為了樣本的化學(xué)組成的分析的高準確度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目標為開發(fā)一種ATR紅外線光譜儀，通過所述ATR紅外線光譜儀，可在整個波長測量范圍上達成高測量準確度。

此目標是通過專利權(quán)利要求1的特征達成。專利權(quán)利要求1的優(yōu)選改進在另外專利權(quán)利要求中指定。

用于分析樣本的化學(xué)組成的根據(jù)本發(fā)明的ATR紅外線光譜儀具有細長ATR晶體和緊鄰布置于所述ATR晶體的一個縱向端處的所述ATR晶體的入射面布置的紅外光發(fā)射器線，和布置于所述ATR晶體的另一縱向端處的紅外光檢測器線，其中由所述紅外光發(fā)射器線發(fā)射的紅外光經(jīng)由所述入射面直接進入到所述ATR晶體內(nèi)，且其在所述ATR晶體中在全內(nèi)反射下且通過與鄰近所述紅外光發(fā)射器線與所述紅外光檢測器線之間的所述ATR晶體布置的所述樣本的交互導(dǎo)引到所述紅外光檢測器線，其中所述紅外光檢測器線的所有紅外線光檢測區(qū)域的總范圍至多對應(yīng)于所述ATR晶體關(guān)于垂直于所述ATR晶體的縱向軸線的方向的寬度，且其大于所述紅外光發(fā)射器線的所有紅外線發(fā)光區(qū)域的總范圍。

優(yōu)選地，對于所述紅外光發(fā)射器線和所述紅外光檢測器線的縱向軸線，各者垂直于所述ATR晶體的縱向軸線。優(yōu)選地，關(guān)于垂直于所述ATR晶體的所述縱向軸線的所述方向，所述紅外光發(fā)射器線具有所有紅外線發(fā)光區(qū)域的其總范圍，布置于所述紅外光檢測器線的所有紅外線光檢測區(qū)域的所述總范圍內(nèi)，關(guān)于垂直于所述ATR晶體的所述縱向軸線的所述方向，所述紅外光檢測器線的所有紅外線光檢測區(qū)域的所述總范圍布置于所述ATR晶體的所述寬度的所述范圍內(nèi)。此外，關(guān)于垂直于所述ATR晶體的所述縱向軸線的所述方向，所述紅外光發(fā)射器線的所有紅外線發(fā)光區(qū)域的所述總范圍優(yōu)選地對應(yīng)于所述紅外光檢測器線的所有紅外線光檢測區(qū)域的所述總范圍的15％與95％之間。

優(yōu)選地，所述紅外光發(fā)射器線具有沿著所述紅外光發(fā)射器線的所述縱向軸線布置成行的紅外光像素。所述紅外光像素優(yōu)選地各具有在垂直于所述ATR晶體的所述縱向軸線的所述方向上相互緊鄰的所述紅外線發(fā)光區(qū)域中的一者。替代地，優(yōu)選地，所述紅外光像素中的每一者具有所述紅外線發(fā)光區(qū)域中的一者，其中紅外光像素的數(shù)目和其紅外線發(fā)光區(qū)域的總范圍在垂直于所述ATR晶體的所述縱向軸線的所述方向上按以下方式相互匹配：所述紅外光像素的所述紅外線發(fā)光區(qū)域的覆蓋范圍對應(yīng)于所述紅外光發(fā)射器線的所有紅外線發(fā)光區(qū)域的所述總范圍的至少25％。

優(yōu)選地，所述紅外光像素的所述紅外線發(fā)光區(qū)域在每一情況下為矩形。所述紅外光像素的所述紅外線發(fā)光區(qū)域的對角線中的一者優(yōu)選地垂直于所述ATR晶體的所述縱向軸線。替代地，優(yōu)選地，所述紅外光像素的所述紅外線發(fā)光區(qū)域的側(cè)邊緣中的一者垂直于于所述ATR晶體的所述縱向軸線。

所述紅外光檢測器線優(yōu)選地具有線性可變波長濾波器，其光透射率垂直于所述ATR晶體的所述縱向軸線變化。優(yōu)選地，所述ATR晶體具有硫化鋅或硒化鋅且所述波長濾波器的光譜范圍在5.5μm與11.0μm之間。所述ATR紅外線光譜儀可通過所述ATR晶體透光所在的所有波長的紅外光操作。所述波長濾波器的所述光譜范圍包括所述ATR晶體透光所在的波長范圍或其區(qū)段。

此外，所述紅外光檢測器線優(yōu)選地具有多個熱電紅外光傳感器像素。優(yōu)選地，所述熱電紅外光傳感器像素具有鋯鈦酸鉛的薄膜用于檢測紅外光。優(yōu)選地，所述薄膜比待檢測的所述紅外光的所述波長薄。

根據(jù)本發(fā)明，作為所述紅外光檢測器線的所有紅外線光檢測區(qū)域的所述總范圍至多對應(yīng)于所述ATR晶體關(guān)于垂直于所述ATR晶體的所述縱向軸線的所述方向的所述寬度的結(jié)果且作為此大于所述紅外光發(fā)射器線的所有紅外線發(fā)光區(qū)域的所述總范圍的結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的所述ATR紅外線光譜儀的所述信噪比在可由所述紅外光檢測器線檢測的光譜的整個波長范圍上均勻地高。通過實例，根據(jù)本發(fā)明，如從背景技術(shù)已知的所述ATR紅外線光譜儀的所述信噪比的下降不會出現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的所述ATR紅外線光譜儀的所述信噪比在其整個波長范圍上均勻地高，且因此獲得高測量準確度。

作為所有紅外線發(fā)光和紅外線光檢測區(qū)域的總范圍的根據(jù)本發(fā)明的定尺寸的結(jié)果，經(jīng)由所述入射面進入到所述ATR晶體內(nèi)的所述紅外光的光錐使得在高階下獲得所述ATR紅外線光譜儀的所述信噪比的等化。所有紅外線發(fā)光區(qū)域的所述總范圍可處于250μm與1000μm之間，其中，例如，針對所述紅外光發(fā)射器線提供數(shù)十個所述紅外光像素。此外，所有紅外線發(fā)光區(qū)域的所述總范圍可處于從(例如)1000μm到3000μm，其中所述紅外光發(fā)射器線具有所述紅外光像素中的兩個。

本發(fā)明是基于以下觀測，當待檢測的紅外光按稍傾斜方式入射于紅外光檢測器線上時，在薄層中出現(xiàn)額外干擾效應(yīng)。憑經(jīng)驗確定這些干擾效應(yīng)引起根據(jù)本發(fā)明獲得的信噪比的等化。根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)依靠紅外光檢測器線的所有紅外線光檢測區(qū)域的總范圍至多對應(yīng)于ATR晶體的寬度且大于紅外光發(fā)射器線的所有紅外線發(fā)光區(qū)域的總范圍來達成這些干擾效應(yīng)。薄層中的干擾效應(yīng)不出現(xiàn)于ATR紅外線光譜儀中，其中尚未提供紅外線發(fā)光和紅外線光檢測區(qū)域的根據(jù)本發(fā)明的定尺寸，并且因此，此ATR紅外線光譜儀具有在波長上的信噪比的強不均勻分布。

附圖說明

以下，基于隨附的示意圖解釋根據(jù)本發(fā)明的ATR紅外線光譜儀的優(yōu)選實施例。詳細地說：

圖1展示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的平面圖，

圖2展示根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的平面圖，

圖3展示關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的ATR紅外線光譜儀的波長光譜的信噪比的曲線的圖，和

圖4展示關(guān)于常規(guī)ATR紅外線光譜儀的信噪比的曲線的圖。

具體實施方式

如從圖1和2可識別，根據(jù)本發(fā)明的ATR紅外線光譜儀1具有細長ATR晶體2，其具有縱向軸線21。在所述平面圖中，ATR晶體2具有矩形基底，其中兩個矩形表面中的一者(確切地說，上表面)為樣品臺3。應(yīng)將樣本(其化學(xué)組成可通過ATR紅外線光譜儀1來分析)布置于樣品臺3上。ATR晶體2的第一入射面4提供于ATR晶體的端側(cè)中的一個處，且ATR晶體2的出射面5提供于距所述一個端側(cè)一段距離處布置的另一端側(cè)處，其中紅外光通過入射面4進入到ATR晶體2內(nèi)且從ATR晶體2從出射面5出來。第一反射面6鄰近入射面4提供于ATR晶體2處，且第二反射面7提供于出射面5處，其中反射面6、7按以下方式布置：經(jīng)由入射面4進入到ATR晶體2內(nèi)的紅外光經(jīng)歷多個在ATR晶體2中的全內(nèi)反射，且接著經(jīng)由出射面5從ATR晶體2出來。入射面4和出射面5平行于樣品臺3布置，然而反射面6、7關(guān)于樣品臺3成角度地布置。

由紅外光像素9形成的紅外光發(fā)射器線8緊鄰入射面4布置。圖1中展示的實施例具有兩個紅外光像素9且圖2中展示的實施例具有三個紅外光像素9。紅外光像素經(jīng)配置以發(fā)射紅外光，其波長范圍包括在5.5μm與11.0μm之間的范圍。ATR晶體2由硫化鋅或硒化鋅制成。由紅外光像素9發(fā)射的紅外光經(jīng)由入射面5耦合到ATR晶體2，其經(jīng)歷在第一反射面6處的全內(nèi)反射且其接著通過在樣品臺3處和在按從樣品臺3到第二反射面7一段距離布置的ATR晶體2的表面處的大量全內(nèi)反射在ATR晶體2內(nèi)導(dǎo)引，在第二反射面處，紅外光朝向出射面5反射，且在那兒其從ATR晶體2去耦。為了聚焦紅外光的目的，由紅外光像素9發(fā)射的紅外光直接入射于入射面4上，這是由于(例如)凹面鏡和準直透鏡都不提供于紅外光像素9處。紅外光發(fā)射器線8具有縱向軸線22，其垂直于ATR晶體2的縱向軸線21延伸。

紅外光檢測器線10提供于ATR晶體2處，距紅外光發(fā)射器線8一段距離，且直接布置于出射面5處。紅外光檢測器線10具有縱向軸線23，其平行于紅外光發(fā)射器線8的縱向軸線22且垂直于ATR晶體2的縱向軸線21。紅外光檢測器線10由多個熱電紅外光傳感器像素形成，其中之每一者具有由鋯鈦酸鉛制成的薄層。布置于紅外光檢測器線10與出射面5之間的為線性可變波長濾波器，其光譜范圍為5.5μm到11.0μm。因此，緊鄰線性可變波長濾波器的一端布置的一個紅外光傳感器像素(其光過道處于5.5μm)只受到精確具有此波長的紅外光撞擊。類似地，只有具有11.0μm的波長的紅外光撞擊按距其一段距離布置的紅外光傳感器像素。具有5.5μm與11.0μm之間的波長的紅外光撞擊這兩個外紅外光傳感器像素之間，其中波長濾波器的光譜曲線為線性。紅外光檢測器線10具有130個紅外光傳感器像素，其中具有位置編號1的一個外紅外光像素處于波長濾波器的傳遞具有5.5μm的紅外光的那端處，且具有編號130的另一個外紅外傳感器像素處于波長濾波器的傳遞具有11.0μm的波長的紅外光的另一端處。

提供于紅外光檢測器線10處的為ATR紅外線光譜儀2的評估平臺11，通過所述評估平臺，為了光譜分析的目的，借助于適當電子元件可評估布置于樣品臺3上的樣本。

由鋯鈦酸鉛制成的紅外傳感器像素的薄層比入射于其上的紅外光的波長薄，即，紅外光借助于線性可變波長濾波器傳遞到其。在所展示的實施例中，將由鋯鈦酸鉛制成的薄層的厚度選擇為小于穿過波長濾波器的紅外光的最小波長。也就是說，紅外光傳感器像素的薄層體現(xiàn)為比展示的實施例中的5.5μm薄。

根據(jù)圖1和2中展示的實施例，紅外光像素9各具有矩形發(fā)射面17，其中紅外光像素9的發(fā)射面17具有具相同尺寸的實施例。沿著紅外光發(fā)射器線8的縱向軸線22布置紅外光像素9，其中矩形發(fā)射面的中心點位于紅外光發(fā)射器線8的縱向軸線22上。

圖1中展示的實施例具有兩個紅外光像素9，其中在每一情況下，紅外光像素9的發(fā)射面17的一個對角線處于紅外光發(fā)射器線8的縱向軸線22上。作為結(jié)果，從發(fā)射面17的紅外光發(fā)射的寬度19由用于每一紅外光像素9的對角線的長度界定。在圖2中展示的實施例中，三個紅外光像素9的發(fā)射面17的對角線與紅外光發(fā)射器線8的縱向軸線22以45°的角度交叉，且因此，在每一情況下，發(fā)射面17的紅外光發(fā)射的寬度19由發(fā)射面17的側(cè)長度界定。在圖1的實施例中和在圖2的實施例中，分別在紅外光像素9之間提供間距20。紅外光發(fā)射器線8的紅外光像素9的發(fā)射面17的紅外光發(fā)射的總長度12由紅外光發(fā)射器線8的紅外光像素9的兩個極限范圍界定，其中根據(jù)圖1的紅外光像素9的間距20和根據(jù)圖2的紅外光像素9的間距20布置于紅外光發(fā)射的總長度12內(nèi)。

紅外光檢測器線10具有檢測面18，其沿著紅外光檢測器線10的縱向軸線23延伸且用于檢測紅外光的紅外傳感器像素沿著其布置。沿著紅外光檢測線10的縱向軸線23的發(fā)射面17的范圍提供紅外光檢測的總長度13，其中紅外光發(fā)射12的總長度小于紅外光檢測的總長度13。此外，具有其寬度14的ATR晶體2覆蓋紅外光檢測的總長度13及因此紅外光發(fā)射的總長度12。在每一情況下，發(fā)射面17的行和檢測面18的行關(guān)于ATR晶體2的縱向軸線21對稱地布置。

根據(jù)圖1和2中的實施例的發(fā)射面17的側(cè)長度為2mm，其中紅外光像素9之間的間距20在根據(jù)圖1的實施例中為11.03mm，且間距20在根據(jù)圖2的實施例中為12.30mm。

圖3和4各展示展示沿著紅外光檢測器線10的信噪比16的圖，其中橫坐標15指定紅外光傳感器像素在紅外光檢測器線10中的位置，具有位置編號從1到130。具有5.5μm的波長的紅外光入射于具有編號1的紅外光傳感器像素上，且具有11.0μm的波長的紅外光入射于具有位置編號130的紅外光像素上。其波長處于5.5μm與11.0μm之間的紅外光入射于位于具有位置編號1的紅外光傳感器像素與具有位置編號127的紅外光傳感器像素之間的紅外光傳感器像素上，其中波長從具有位置編號1的紅外光傳感器像素線性增大到具有位置編號127的紅外光傳感器像素。

根據(jù)圖3的圖標繪根據(jù)圖1和2的實施例的信噪比16的曲線。可識別，對于具有最低位置編號的那些紅外光傳感器像素，信噪比最高，且對于具有最高位置編號的那些紅外光傳感器像素，其最低。此降低為單調(diào)性的且比較均勻。

圖4中所描繪的圖展示沿著ATR紅外線光譜儀的紅外光檢測器線的信噪比16的曲線，其中紅外光發(fā)射器線具有紅外光發(fā)射區(qū)域，其總長度大于紅外光檢測器線的紅外線檢測區(qū)域的總長度?？勺R別，信噪比16的曲線與圖3中所描繪的圖在兩個邊緣區(qū)域中相當，但可識別在具有20與60之間的位置編號的紅外光傳感器像素的情況下的信噪比的顯著下降。在此區(qū)域中，信噪比甚至低于針對具有最高位置編號的那些紅外光傳感器像素。信噪比16的此非單調(diào)曲線和對于具有居中位置編號的紅外光像素的信噪比的相當大的下降導(dǎo)致此已知ATR紅外線光譜儀的顯著測量不準確性。相比之下，如圖3中所展示，沿著紅外光檢測線10的信噪比16的曲線單調(diào)且均勻，作為此結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的ATR紅外線光譜儀1具有高測量準確度性。

元件符號說明

1 ATR紅外線光譜儀

2 ATR晶體

3 樣本臺

4 入射面

5 出射面

6 第一反射面

7 第二反射面

8 紅外光發(fā)射器線

9 紅外光像素

10 紅外光檢測器線

11 評估平臺

12 紅外光發(fā)射的總長度

13 紅外光檢測的總長度

14 ATR晶體的寬度

15 橫坐標：紅外光檢測器線的紅外光傳感器像素的位置編號

16 縱坐標：信噪比

17 發(fā)射面

18 檢測面

19 發(fā)射面的紅外光發(fā)射的寬度

20 紅外光像素的間距

21 ATR晶體的縱向軸線

22 紅外光發(fā)射器線的縱向軸線

23 紅外光檢測線的縱向軸線