Je nach geplanter Anwendung können unsere DIY-Spektrometer mit Gittern aufgebaut werden, die unterschiedliche Linienzahlen pro Millimeter aufweisen. Dies führt dann zu unterschiedlichen Werten bezüglich der linearen Dispersion (spektraler Auflösung).

Die spektrale Auflösung eines Spektrometers hängt von der Anzahl der Linienpaare pro Millimeter des Gitters ab. Die allgemeine Beziehung kann näherungsweise durch folgende Formel beschrieben werden:

Δλ ≈ (d / f) * p

• Δλ: die spektrale Auflösung (nm pro Pixel),
• d: der Gitterabstand (Kehrwert der Linienpaare pro mm),
• f: die Brennweite der Spiegel,
• p: die Pixelgröße des Sensors.

Bei einer höheren Anzahl an Linien pro Millimeter sinkt die lineare Dispersion, wodurch der vom Sensor abgedeckte Spektralbereich kleiner wird.

Um dies zu verdeutlichen, vergleichen wir in dieser Applikationsbeschreibung die Spektren einer Neon-Glimmlampe, aufgenommen mit drei unserer selbstgebauten DIY-Spektrometer. Alle Geräte verwenden einen Eingangsspalt von 10 µm Breite, jeweils zwei Spiegel mit einer Brennweite von 150 mm, jedoch unterschiedliche Beugungsgitter.

Es ergaben sich, wie erwartet, folgende unterschiedliche spektrale Auflösungen:

• Gitter 300 lp/mm → spektrale Auflösung: 0,17 nm/Pixel
• Gitter 600 lp/mm → spektrale Auflösung: 0,085 nm/Pixel
• Gitter 1200 lp/mm → spektrale Auflösung: 0,0425 nm/Pixel

CTS-150-300

Das Spektrometer mit dem 300 lp/mm-Gitter zeigt alle Neonlinien im Bereich zwischen 585 nm und 702 nm in einem relativ kleinen Teil des Sensors. Hier wurde auf die Linien in der Mitte des Sensors fokussiert und aufgrund des geringen Abstands zur Sensormitte erscheinen alle Peaks im Spektrum ähnlich scharf.

Spektrometer mit solch einer relativ kleinen Linienzahl pro Millimeter eignen sich somit gut, wenn man einen Überblick über einen größeren Spektralbereich benötigt. In unserem Fall beträgt der abgedeckte Spektralbereich über 600 nm und ist damit sogar größer als der spektrale Empfindlichkeitsbereich des verwendeten Sensors.

CTS-150-600

Bei der Nutzung eines Gitters mit 600 lp/mm werden die Peaks des Neon-Spektrums über einen größeren Bereich des Sensors erfasst. Der abgedeckte Spektralbereich beträgt nun lediglich ca. 290 nm.

Auch hier wurde erneut auf die Peaks in der Mitte des Sensors fokussiert. Bei Peaks, die weiter von der Sensormitte entfernt liegen, zeigt sich jedoch bereits eine deutliche Erhöhung der Halbwertsbreite, da diese Peaks nicht mehr scharf auf dem Sensor abgebildet werden können. Dies ist eine bekannte Einschränkung, wenn man mit einem linearen Sensor Signale erfasst, die auf einem Schärfekreis liegen. Dies werden wir in einer eigenen Applikationsbeschreibung noch genauer erläutern.

CTS-150-1200

Das Spektrometer mit einem Gitter von 1200 lp/mm trennt die Neonlinien nochmals deutlich voneinander. Mit einem abgedeckten Spektralbereich von ca. 135 nm eignet sich dieses Spektrometer ideal, um eng beieinanderliegende Peaks klar getrennt darzustellen.