ATR红外线光谱仪的制作方法

本发明涉及一种ATR红外线光谱仪。

背景技术：

已知ATR红外线光谱仪用于分析样本的化学组成。ATR红外线光谱仪(ATR：衰减全反射)具有细长ATR晶体作为光波导，其中在全内反射下导引红外光，其中出现大致十个多次反射。与布置于界面附近(例如，在样本台上)的样本交互的损耗波形成于全内反射点处的ATR晶体的反射界面后。通过实例，ATR晶体的材料为(例如)硫化锌或硒化锌。

布置于ATR晶体的一个纵向端处的为红外光源，可通过红外光源将红外光耦合到ATR晶体。布置于另一纵向端(其远离所述一个纵向端布置)处的为具有线性可变波长滤波器的红外光传感器，通过所述红外光传感器，从ATR晶体去耦的红外光的光谱可检测。将用于ATR晶体的硫化锌或硒化锌用于在5.5μm与11.0μm之间的红外光的波长，其中将线性可变波长滤波器调谐到此波长范围以便使用红外光传感器提供对应的频谱分辨率。通过实例，红外光传感器为由多个热电红外光像素制成的线性阵列。为了获得ATR晶体的良好照明，已知红外光源具有与线性红外光传感器阵列的纵向范围至少一样大的纵向范围。替代地，红外光源与ATR晶体之间的准直透镜的使用以聚焦入射红外光使得线性红外光传感器阵列较好地照射是已知的。虽然此达成ATR红外线光谱仪的高频谱分辨率，但信噪比不利地在5.5μm到11.0μm的相关波长范围上大大地变化。

图4展示展示沿着红外光传感器阵列的ATR红外线光谱仪的信噪比的曲线的图。由参考符号16表示的纵坐标指定信噪比，其参照横坐标15标绘，在横坐标上以计数方式展示红外光传感器阵列的个别红外光像素的位置。具有5.5μm的波长的红外光入射于具有位置编号1的红外光像素上，且具有11.0μm的波长的红外光入射于所述位置编号130的红外光像素上。入射于具有1与130之间的位置编号的红外光像素上的为具有在5.5μm与11.0μm之间的波长的红外光，其中波长从具有位置编号1的红外光像素线性增大到具有位置编号130的红外光像素。如从图4可看出，首先的20个像素的信噪比有利地高。对于具有100与120之间的位置编号的红外光像素，信噪比同样仍相对高。对于具有25与60之间的位置编号的红外光像素，信噪比特别低。信噪比在红外光像素上和因此在由ATR红外线光谱仪测量的波长范围上的此不均匀分布非常不利，确切地说，如果需要在整个波长测量范围上尽可能不变的信噪比以为了样本的化学组成的分析的高准确度。

技术实现要素：

本发明的目标为开发一种ATR红外线光谱仪，通过所述ATR红外线光谱仪，可在整个波长测量范围上达成高测量准确度。

此目标是通过专利权利要求1的特征达成。专利权利要求1的优选改进在另外专利权利要求中指定。

用于分析样本的化学组成的根据本发明的ATR红外线光谱仪具有细长ATR晶体和紧邻布置于所述ATR晶体的一个纵向端处的所述ATR晶体的入射面布置的红外光发射器线，和布置于所述ATR晶体的另一纵向端处的红外光检测器线，其中由所述红外光发射器线发射的红外光经由所述入射面直接进入到所述ATR晶体内，且其在所述ATR晶体中在全内反射下且通过与邻近所述红外光发射器线与所述红外光检测器线之间的所述ATR晶体布置的所述样本的交互导引到所述红外光检测器线，其中所述红外光检测器线的所有红外线光检测区域的总范围至多对应于所述ATR晶体关于垂直于所述ATR晶体的纵向轴线的方向的宽度，且其大于所述红外光发射器线的所有红外线发光区域的总范围。

优选地，对于所述红外光发射器线和所述红外光检测器线的纵向轴线，各者垂直于所述ATR晶体的纵向轴线。优选地，关于垂直于所述ATR晶体的所述纵向轴线的所述方向，所述红外光发射器线具有所有红外线发光区域的其总范围，布置于所述红外光检测器线的所有红外线光检测区域的所述总范围内，关于垂直于所述ATR晶体的所述纵向轴线的所述方向，所述红外光检测器线的所有红外线光检测区域的所述总范围布置于所述ATR晶体的所述宽度的所述范围内。此外，关于垂直于所述ATR晶体的所述纵向轴线的所述方向，所述红外光发射器线的所有红外线发光区域的所述总范围优选地对应于所述红外光检测器线的所有红外线光检测区域的所述总范围的15％与95％之间。

优选地，所述红外光发射器线具有沿着所述红外光发射器线的所述纵向轴线布置成行的红外光像素。所述红外光像素优选地各具有在垂直于所述ATR晶体的所述纵向轴线的所述方向上相互紧邻的所述红外线发光区域中的一者。替代地，优选地，所述红外光像素中的每一者具有所述红外线发光区域中的一者，其中红外光像素的数目和其红外线发光区域的总范围在垂直于所述ATR晶体的所述纵向轴线的所述方向上按以下方式相互匹配：所述红外光像素的所述红外线发光区域的覆盖范围对应于所述红外光发射器线的所有红外线发光区域的所述总范围的至少25％。

优选地，所述红外光像素的所述红外线发光区域在每一情况下为矩形。所述红外光像素的所述红外线发光区域的对角线中的一者优选地垂直于所述ATR晶体的所述纵向轴线。替代地，优选地，所述红外光像素的所述红外线发光区域的侧边缘中的一者垂直于于所述ATR晶体的所述纵向轴线。

所述红外光检测器线优选地具有线性可变波长滤波器，其光透射率垂直于所述ATR晶体的所述纵向轴线变化。优选地，所述ATR晶体具有硫化锌或硒化锌且所述波长滤波器的光谱范围在5.5μm与11.0μm之间。所述ATR红外线光谱仪可通过所述ATR晶体透光所在的所有波长的红外光操作。所述波长滤波器的所述光谱范围包括所述ATR晶体透光所在的波长范围或其区段。

此外，所述红外光检测器线优选地具有多个热电红外光传感器像素。优选地，所述热电红外光传感器像素具有锆钛酸铅的薄膜用于检测红外光。优选地，所述薄膜比待检测的所述红外光的所述波长薄。

根据本发明，作为所述红外光检测器线的所有红外线光检测区域的所述总范围至多对应于所述ATR晶体关于垂直于所述ATR晶体的所述纵向轴线的所述方向的所述宽度的结果且作为此大于所述红外光发射器线的所有红外线发光区域的所述总范围的结果，根据本发明的所述ATR红外线光谱仪的所述信噪比在可由所述红外光检测器线检测的光谱的整个波长范围上均匀地高。通过实例，根据本发明，如从背景技术已知的所述ATR红外线光谱仪的所述信噪比的下降不会出现。根据本发明的所述ATR红外线光谱仪的所述信噪比在其整个波长范围上均匀地高，且因此获得高测量准确度。

作为所有红外线发光和红外线光检测区域的总范围的根据本发明的定尺寸的结果，经由所述入射面进入到所述ATR晶体内的所述红外光的光锥使得在高阶下获得所述ATR红外线光谱仪的所述信噪比的等化。所有红外线发光区域的所述总范围可处于250μm与1000μm之间，其中，例如，针对所述红外光发射器线提供数十个所述红外光像素。此外，所有红外线发光区域的所述总范围可处于从(例如)1000μm到3000μm，其中所述红外光发射器线具有所述红外光像素中的两个。

本发明是基于以下观测，当待检测的红外光按稍倾斜方式入射于红外光检测器线上时，在薄层中出现额外干扰效应。凭经验确定这些干扰效应引起根据本发明获得的信噪比的等化。根据本发明，应依靠红外光检测器线的所有红外线光检测区域的总范围至多对应于ATR晶体的宽度且大于红外光发射器线的所有红外线发光区域的总范围来达成这些干扰效应。薄层中的干扰效应不出现于ATR红外线光谱仪中，其中尚未提供红外线发光和红外线光检测区域的根据本发明的定尺寸，并且因此，此ATR红外线光谱仪具有在波长上的信噪比的强不均匀分布。

附图说明

以下，基于随附的示意图解释根据本发明的ATR红外线光谱仪的优选实施例。详细地说：

图1展示根据本发明的第一实施例的平面图，

图2展示根据本发明的第二实施例的平面图，

图3展示关于根据本发明的ATR红外线光谱仪的波长光谱的信噪比的曲线的图，和

图4展示关于常规ATR红外线光谱仪的信噪比的曲线的图。

具体实施方式

如从图1和2可识别，根据本发明的ATR红外线光谱仪1具有细长ATR晶体2，其具有纵向轴线21。在所述平面图中，ATR晶体2具有矩形基底，其中两个矩形表面中的一者(确切地说，上表面)为样品台3。应将样本(其化学组成可通过ATR红外线光谱仪1来分析)布置于样品台3上。ATR晶体2的第一入射面4提供于ATR晶体的端侧中的一个处，且ATR晶体2的出射面5提供于距所述一个端侧一段距离处布置的另一端侧处，其中红外光通过入射面4进入到ATR晶体2内且从ATR晶体2从出射面5出来。第一反射面6邻近入射面4提供于ATR晶体2处，且第二反射面7提供于出射面5处，其中反射面6、7按以下方式布置：经由入射面4进入到ATR晶体2内的红外光经历多个在ATR晶体2中的全内反射，且接着经由出射面5从ATR晶体2出来。入射面4和出射面5平行于样品台3布置，然而反射面6、7关于样品台3成角度地布置。

由红外光像素9形成的红外光发射器线8紧邻入射面4布置。图1中展示的实施例具有两个红外光像素9且图2中展示的实施例具有三个红外光像素9。红外光像素经配置以发射红外光，其波长范围包括在5.5μm与11.0μm之间的范围。ATR晶体2由硫化锌或硒化锌制成。由红外光像素9发射的红外光经由入射面5耦合到ATR晶体2，其经历在第一反射面6处的全内反射且其接着通过在样品台3处和在按从样品台3到第二反射面7一段距离布置的ATR晶体2的表面处的大量全内反射在ATR晶体2内导引，在第二反射面处，红外光朝向出射面5反射，且在那儿其从ATR晶体2去耦。为了聚焦红外光的目的，由红外光像素9发射的红外光直接入射于入射面4上，这是由于(例如)凹面镜和准直透镜都不提供于红外光像素9处。红外光发射器线8具有纵向轴线22，其垂直于ATR晶体2的纵向轴线21延伸。

红外光检测器线10提供于ATR晶体2处，距红外光发射器线8一段距离，且直接布置于出射面5处。红外光检测器线10具有纵向轴线23，其平行于红外光发射器线8的纵向轴线22且垂直于ATR晶体2的纵向轴线21。红外光检测器线10由多个热电红外光传感器像素形成，其中之每一者具有由锆钛酸铅制成的薄层。布置于红外光检测器线10与出射面5之间的为线性可变波长滤波器，其光谱范围为5.5μm到11.0μm。因此，紧邻线性可变波长滤波器的一端布置的一个红外光传感器像素(其光过道处于5.5μm)只受到精确具有此波长的红外光撞击。类似地，只有具有11.0μm的波长的红外光撞击按距其一段距离布置的红外光传感器像素。具有5.5μm与11.0μm之间的波长的红外光撞击这两个外红外光传感器像素之间，其中波长滤波器的光谱曲线为线性。红外光检测器线10具有130个红外光传感器像素，其中具有位置编号1的一个外红外光像素处于波长滤波器的传递具有5.5μm的红外光的那端处，且具有编号130的另一个外红外传感器像素处于波长滤波器的传递具有11.0μm的波长的红外光的另一端处。

提供于红外光检测器线10处的为ATR红外线光谱仪2的评估平台11，通过所述评估平台，为了光谱分析的目的，借助于适当电子元件可评估布置于样品台3上的样本。

由锆钛酸铅制成的红外传感器像素的薄层比入射于其上的红外光的波长薄，即，红外光借助于线性可变波长滤波器传递到其。在所展示的实施例中，将由锆钛酸铅制成的薄层的厚度选择为小于穿过波长滤波器的红外光的最小波长。也就是说，红外光传感器像素的薄层体现为比展示的实施例中的5.5μm薄。

根据图1和2中展示的实施例，红外光像素9各具有矩形发射面17，其中红外光像素9的发射面17具有具相同尺寸的实施例。沿着红外光发射器线8的纵向轴线22布置红外光像素9，其中矩形发射面的中心点位于红外光发射器线8的纵向轴线22上。

图1中展示的实施例具有两个红外光像素9，其中在每一情况下，红外光像素9的发射面17的一个对角线处于红外光发射器线8的纵向轴线22上。作为结果，从发射面17的红外光发射的宽度19由用于每一红外光像素9的对角线的长度界定。在图2中展示的实施例中，三个红外光像素9的发射面17的对角线与红外光发射器线8的纵向轴线22以45°的角度交叉，且因此，在每一情况下，发射面17的红外光发射的宽度19由发射面17的侧长度界定。在图1的实施例中和在图2的实施例中，分别在红外光像素9之间提供间距20。红外光发射器线8的红外光像素9的发射面17的红外光发射的总长度12由红外光发射器线8的红外光像素9的两个极限范围界定，其中根据图1的红外光像素9的间距20和根据图2的红外光像素9的间距20布置于红外光发射的总长度12内。

红外光检测器线10具有检测面18，其沿着红外光检测器线10的纵向轴线23延伸且用于检测红外光的红外传感器像素沿着其布置。沿着红外光检测线10的纵向轴线23的发射面17的范围提供红外光检测的总长度13，其中红外光发射12的总长度小于红外光检测的总长度13。此外，具有其宽度14的ATR晶体2覆盖红外光检测的总长度13及因此红外光发射的总长度12。在每一情况下，发射面17的行和检测面18的行关于ATR晶体2的纵向轴线21对称地布置。

根据图1和2中的实施例的发射面17的侧长度为2mm，其中红外光像素9之间的间距20在根据图1的实施例中为11.03mm，且间距20在根据图2的实施例中为12.30mm。

图3和4各展示展示沿着红外光检测器线10的信噪比16的图，其中横坐标15指定红外光传感器像素在红外光检测器线10中的位置，具有位置编号从1到130。具有5.5μm的波长的红外光入射于具有编号1的红外光传感器像素上，且具有11.0μm的波长的红外光入射于具有位置编号130的红外光像素上。其波长处于5.5μm与11.0μm之间的红外光入射于位于具有位置编号1的红外光传感器像素与具有位置编号127的红外光传感器像素之间的红外光传感器像素上，其中波长从具有位置编号1的红外光传感器像素线性增大到具有位置编号127的红外光传感器像素。

根据图3的图标绘根据图1和2的实施例的信噪比16的曲线。可识别，对于具有最低位置编号的那些红外光传感器像素，信噪比最高，且对于具有最高位置编号的那些红外光传感器像素，其最低。此降低为单调性的且比较均匀。

图4中所描绘的图展示沿着ATR红外线光谱仪的红外光检测器线的信噪比16的曲线，其中红外光发射器线具有红外光发射区域，其总长度大于红外光检测器线的红外线检测区域的总长度。可识别，信噪比16的曲线与图3中所描绘的图在两个边缘区域中相当，但可识别在具有20与60之间的位置编号的红外光传感器像素的情况下的信噪比的显著下降。在此区域中，信噪比甚至低于针对具有最高位置编号的那些红外光传感器像素。信噪比16的此非单调曲线和对于具有居中位置编号的红外光像素的信噪比的相当大的下降导致此已知ATR红外线光谱仪的显著测量不准确性。相比之下，如图3中所展示，沿着红外光检测线10的信噪比16的曲线单调且均匀，作为此结果，根据本发明的ATR红外线光谱仪1具有高测量准确度性。

元件符号说明

1 ATR红外线光谱仪

2 ATR晶体

3 样本台

4 入射面

5 出射面

6 第一反射面

7 第二反射面

8 红外光发射器线

9 红外光像素

10 红外光检测器线

11 评估平台

12 红外光发射的总长度

13 红外光检测的总长度

14 ATR晶体的宽度

15 横坐标：红外光检测器线的红外光传感器像素的位置编号

16 纵坐标：信噪比

17 发射面

18 检测面

19 发射面的红外光发射的宽度

20 红外光像素的间距

21 ATR晶体的纵向轴线

22 红外光发射器线的纵向轴线

23 红外光检测线的纵向轴线