DE10061765A1 - Mikromechanischer Monochromator mit integrierten Spaltblenden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Anordnungen zur optischen Spektroskopie einer Strahlung vermöge eines Monochromators, welcher aus einem eingangs- und einem ausgangsseitigem Raumfilter sowie einem mikrochemischen Torsionsbeugungsgitter zur räumlichen wellenlängenspezifischen Strahlungszerlegung und zur sequentiellen Selektion der zu analysierenden Wellenlängen besteht. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die in den Raumfiltern enthaltenen Spaltblenden innerhalb des mikromechanischen Beugungsgitters unter Nutzung von einheitlichen Mitteln der Mikrostrukturierung integriert. DOLLAR A Diese Anordnung gestattet mit besonders einfachen Mitteln einen kompakten und reproduzierbaren Aufbau eines mikromechanischen Spektrometers. DOLLAR A Variationen der Erfindung gestatten eine einfache Verminderung von Streulicht; weiterhin ist eine einfache Anordnung für einen mehrkanaligen Aufbau des Spektrometers angegeben.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Spektroskopie und betrifft eine Anordnung zur Vereinfachung des Aufbaus von mikromechanischen Monochromatoren.
• Gegenstand der Erfindung sind speziell scannende mikromechanische Monochromatoren mit einem steuerbaren dispersiven Element, einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen fixen Raumfilter, wobei das dispersive Element entweder aus einem monolithischem Torsionsspiegel mit einem zugeordneten fixen Beugungsgitter oder aus einem monolithischem Torsionsbeugungsgitter besteht.
• In US 4867532 ist ein solcher elektrostatisch angetriebener monolithischer Torsionsspiegel beschrieben. Es wird ferner ein monolithisches Torsionsbeugungsgitter angegeben, bei welchem ein Beugungsgitter direkt auf die Oberfläche des monolithischen drehbaren Torsionselements integriert ist, mit den Gitterfurchen parallel zur mechanischen Drehachse. Neben dieser entscheidenden körperlichen Miniaturisierung wird auch eine wesentliche Vereinfachung des Strahlengangs des Monochromators bewirkt; eine einheitliche Standardtechnologie der Mikrostrukturierung kann zu dessen Herstellung angewandt werden.
• Fig. 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau und die Arbeitsweise der Monochromatoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gemäß dem Stand der Technik.
• Mit Hilfe des dispersiven Elements (B; G) wird nahezu parallele polychromatische Strahlung in jeweils fast parallele monochromatische Teilstrahlung räumlich zerlegt, wobei die Richtung dieser monochromatischen Teilstrahlung durch Kippbewegung des mikromechanischen Torsionselements (T) sequentiell gesteuert wird.
• Die parallele polychromatische Strahlung wird mit Hilfe des eingangsseitigen fixen Raumfilters erzeugt, die gewünschte parallele monochromatische Teilstrahlung wird mittels eines ausgangsseitigen fixen Raumfilters selektiert und ausgekoppelt. Die Raumfilter enthalten Kollimationsoptiken zur Strahlformung, wie z. B. Spiegel (P) oder Linsen (L), in deren Brennpunkt kleine Aperturblenden, üblicherweise Spaltblenden (S1, S2) und/oder Lichtwellenleiter und/oder ein Detektor, angeordnet sind.
• Besonders kleine Aufbauten erhält man durch gemeinsame Nutzung der Kollimationsoptiken für beide Raumfilter zugleich, wobei nahe nebeneinander liegende separate Ein- und Austrittsspaltblenden genutzt werden. Eine solche Autokollimationsaufstellung ist z. B. in DE 939 232 beschrieben.
• Die Raumfilter selbst sind bislang von der Miniaturisierung ausgenommen. Insbesondere deren Spaltblenden (S1, S2) werden gesondert hergestellt und müssen sorgsam relativ zu den übrigen optischen Elementen des Monochromators justiert werden; interinstrumentelle Abweichungen sind die Folge. Relativ kurze Strahlengänge werden unter Einbeziehung von Linsen (L) erreicht, wobei ggf. chromatische Aberrationen auftreten können. Kombinationen von Kollimatorspiegel (P) und Spaltblenden (S1; S2) hingegen unterliegen dem Sachzwang einer erheblichen Verschiebung der optischen Achse (a1) weit außerhalb des parallelisierten Strahlenbündels, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt. Zur Verhinderung der sphärischen Aberration müssen aufwendig herzustellende parabolische Spiegel eingesetzt werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Anordnung für Monochromatoren auf Basis mikromechanischer Elemente anzugeben, die oben aufgeführte Nachteile umgeht. Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegeben Anordnungen mit den erfindungsgemäßen Merkmalen. Weitere vorteilhafte Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Erfindungsgemäß ist mindestens eine der Spaltblenden des Monochromators im monolithischen Körper des Torsionsgitters integriert.
• Dies gestattet eine durchgängige Herstellung von mikromechanischem Torsionsgitter und Ein- und/oder Austrittsspalt in gemeinsamen Arbeitsschritten gemäß der Technologie der Mikrostrukturierung.
• Neben der Nutzung der Präzision dieser Technologie für reproduzierbare Spalte mit definierten Geometrien und Rauhigkeiten ist eine exakte räumliche Zuordnung zur Drehachse des Beugungsgitters sichergestellt. Dadurch reduziert sich allgemein der Montage- und Justageaufwand des Monochromators.
• Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung betreffen die Anzahl und Lage der Spaltblenden innerhalb des monolithischen Körpers des Torsionsbeugungsgitters.
• Beispielsweise können durch Anordnung zusätzlicher Spaltblenden mehrere unabhängige Monochromatorkanäle mit sich überkreuzenden Strahlengängen geschaffen werden, wobei alle übrigen optischen Elemente (Beugungsgitter, Kollimatoroptik) gemeinsam genutzt werden. Derartige zusätzliche Kanäle dienen beispielsweise Referenzmessungen einer Strahlungsquelle, oder erlauben als Monitorkanal die direkte optische Kontrolle des Torsionswinkel des Gitters.
• In einer bevorzugten Variante der Erfindung werden die Spaltblenden innerhalb des bewegten Teils des Torsionsbeugungsgitters, dem Torsionselement, angeordnet. Hierdurch liegt die parallele Strahlung relativ achsennah inbezug auf die Brennpunkte der kollimierten Strahlung. Der Ersatz von teuren Parabolspiegeln durch sphärische Spiegel ist in vielen Anwendungsfällen ausreichend, da durch die Achsennähe sphärische Aberrationen gering bleiben. Allgemein ergeben sich einfachere Strahlengänge und dadurch ein kompakterer Aufbau.
• Die erfinderische Anordnung kann sinngemäß auf Anordnungen mit einem mikromechanischen Torsionsspiegel mit einem separatem fixen Beugungsgitter übertragen werden, hierbei werden die Spaltblenden entsprechend in den monolithischen Körper des Torsionselements integriert.
• Die Erfindung betrifft ferner allgemein alle Spektrometer, die aus dem erfindungsgemäßen Monochromator sowie aus Strahlungsdetektoren zur Messung der ausgekoppelten monochromatischen Strahlung und einer zugeordneten Auswerteeinheit bestehen.
• Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß besagte Spaltblenden sinngemäß durch genügend große Öffnungen im monolithischen Grundkörper des Torsionselements ersetzt werden, wobei die Aperturöffnung durch die Stirnfläche eines Lichtwellenleiters oder durch einen geeignet kleinen Strahlungsdetektor im Brennpunkt der Kollimatoroptik ersetzt wird.
• Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 schematische einen herkömmlichen mikromechanischen Monochromator in Autokollimationsaufstellung mit Torsionsspiegel, fixem Beugungsgitter und off-axis-Parabolspiegel;
• Fig. 2 einen Monochromator wie in Fig. 1 mit Kollimatorlinse und Torsionsbeugungsgitter;
• Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung senkrecht zur Drehachse eines erfindungsgemäßen Monochromators, mit Spaltblenden auf der Achse des Torsionsbeugungsgitters;
• Fig. 4 eine schematische Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 3;
• Fig. 5 eine topologische Wiedergabe beispielhafter Anordnungen der Spaltblenden auf dem monolithischen Körper des Torsionsbeugungsgitters.
• Zur Formung des Strahlenganges in einem beispielhaften Monochromator gemäß Fig. 3 sind angeordnet:
  
• - ein drehbares Beugungsgitter (G),
• - ein- und ausgangsseitige Raumfilter, bestehend aus zwei Spaltblenden (S11, S12) und einem gemeinsamen sphärischen Kollimatorspiegel (K).
• Das mikromechanische Beugungsgitter besteht im Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus einem rückseitigen Elektrodenträger mit Elektroden (E1, E2) sowie aus einem monolithischen Körper (M). Letzterer besitzt einen Rahmen, Spaltblenden (S11, S12), Torsionsfedern (F) und ein ebenes Beugungsgitter (G) auf der Oberfläche des drehbaren Torsionselements (T). Die Gitterfurchen des Beugungsgitters sind hierbei parallel zur Drehachse des Torsionselements ausgerichtet. Zugehörig ist ferner eine steuerbare Spannungsquelle zur Erzeugung definierter Elektrodenpotentiale, um durch elektrostatische Kräfte das Torsionselement beschleunigen zu können. Aufbau und Betrieb derartiger mikromechanischer Beugungsgitter sind u. a. aus US 4867532 und folgenden Schriften hinlänglich bekannt; Variationen in der Antriebsweise (elektrostatisch, elektromagnetisch, resonanzüberhöht, kapazitiv kontrolliert u. ä.) sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung.
• Ferner sind beispielhaft Lichtwellenleiter (LWL1, LWL2) angeordnet, welche durch Aussparungen am rückseitigen Elektrodenträger hindurch unmittelbar bis an die Rückseite der Spaltblenden (S11, S12) geführt werden. In Ausgestaltungen der Erfindung kann die Spaltblende auch direkt mittels vorgeschalteter Optik mit der zu analysierenden Strahlung beaufschlagt werden, oder eine LED kann als Monitor-Strahlungsquelle direkt am Elektrodenträger befestigt werden; analoges gilt für entsprechende Strahlungsdetektoren.
• Die durch den Lichtwellenleiter (LWL1) an die Rückseite der eingangsseitigen Spaltblende (S11) zugeführte zu analysierende polychromatische Strahlung passiert die Blende und gelangt divergent zum Kollimatorspiegel (K). Nach Reflexion vom Kollimatorspiegel erreicht die als nahezu paralleles Bündel geformte Strahlung das Beugungsgitter (G). Der Einfallswinkel auf das Beugungsgitter ergibt sich mit der aktuellen Winkelposition des Torsionselements (T). Der Strahlungsanteil der nullten Beugungsordnung (n) verläßt das Beugungsgitter in Richtung Abschirmung (A) und wird absorbiert. Gemäß Beugungsgleichung und Winkelposition des Torsionselementes verlassen die gebeugten monochromatischen Strahlungsanteile mit wellenlängenabhängiger Richtung als jeweils parallele Bündel das Beugungsgitter wieder in Richtung Kollimatorspiegel (K). Der Kollimatorspiegel reflektiert und fokussiert diese Teilstrahlungen in verschiedenen wellenlängenabhängigen Brennpunkten; die Ausgangsspaltblende (S12) selektiert Teilstrahlung eines eng begrenzten Wellenängenbereichs und läßt sie in Richtung Ausgangslichtwellenleiter (LWL2) passieren.
• Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Ein- und Austrittsspaltblenden (S11, S12) innerhalb der Fläche des Beugungsgitters (G) angeordnet. Eine Wirkung dieser erfindungsgemäßen Spaltanordnung besteht darin, daß die vom Kollimatorspiegel reflektierte parallele Strahlung sehr achsennah inbezug auf die optische Achse (a2) verläuft, welche durch den Fokus gemäß Eingangsspaltblende (S11) definiert wird. Die sphärischen Aberration des sphärischen Kollimatorspiegels (K) ist durch die so erreichte kleine numerische Apertur relativ gering, so daß auf einen teuren Parabolspiegel verzichtet werden kann. Analoges gilt für die selektierte monochromatische Teilstrahlung.
• Werden die Spaltblenden (S11, S12) wie in Fig. 3 auf der Drehachse des Torsionsgitters (T) angeordnet, so kann bei einem elektrostatisch angetriebenen Torsionsgitter der Raum zwischen den beiden rückwärtigen Elektroden (E1, E2) genutzt werden, um die polychromatische Strahlung den Spaltblenden zuzuführen bzw. die monochromatische Strahlung zu entnehmen. Ferner bleibt dadurch die räumliche Lage der Spaltblenden stets konstant; die Spalte bleiben exakt im Brennpunkt des Kollimatorspiegels (K).
• In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Oberfläche des Torsionselements (T) an den Orten der Brennpunkte aller kollimierten monochromatischen Teilstrahlungen vom Beugungsgitter (G) ausgenommen und hingegen als lokaler Spiegel (S) gestaltet. Dies betrifft einen Streifen quer zur Drehachse in Position des Austrittsspaltes (S12). Alle monochromatische Teilstrahlung, welche aufgrund der aktuellen Winkelstellung des Torsionsgitters nicht in den Austrittsspalt (S12) fokussiert wird, wird als divergente Strahlung (d) seitlich reflektiert und von der Abschirmung (A) absorbiert. Auftreffende parallele polychromatische Strahlung wird durch den lokalen Spiegel (S) unschädlich analog zur nullten Beugungsordnung (n) ebenfalls in Richtung Abschirmung reflektiert.
• Durch Anordnung weiterer Spaltblenden (S11-S43) innerhalb des monolithischen Körpers (M1) des Torsionsbeugungsgitters - wie in Fig. 5 schematisch dargestellt - können in Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung mehrere unabhängige simultane Monochromatorkanäle geschaffen werden.
• Eine Anwendungsbeispiel des Monochromators für Transmissionsmessungen kann Spaltblenden (S11, S12) des probenseitigen ersten Monochromatorkanals aufweisen, Spaltblenden (S21, S22) eines weiteren probenseitigen Monochromatorkanals, ferner Spaltblenden (S31, S32) eines Referenzkanals zur Strahlungsquellenkompensation, sowie Spaltblenden (S41, S42) vor LED und Detektor eines Monitorkanals zur Phasenkontrolle der Winkelbewegung des Torsionsgitters. Die zusätzliche Spaltblende (S43) dient im Beispiel der zusätzlichen simultanen Selektion monochromatischer Teilstrahlung des Referenzkanals in einem angrenzenden Wellenlängenbereich.
• Die Anordnung der optischen Elemente des Ausführungsbeispiels in Autokollimationsaufstellung stellt keine Einschränkung der Erfindung dar, vielmehr kann durch geeigneten Einsatz eines zweiten Kollimatorspiegels die Erfindung durch Trennung der Raumfilter entsprechend erweitert werden.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht in der ersatzmäßigen Anordnung eines in Fig. 1 gezeigten Torsionsspiegels (M; F; T; R; E1, E2) mit zugehörigem fixem externem Beugungsgitter (B) anstatt des Torsionsbeugungsgitters (M; F; T; G; E1, E2), wobei in Übertragung der Erfindung die Ein- und Ausgangsspaltblenden auf dem monolithischen Körper (T) des Torsionsspiegels angeordnet sind.
• Obwohl es in den Figuren nicht gezeigt ist, läßt sich durch die Kombination eines erfindungsgemäßen Monochromators mit Strahlungsdetektoren und einer Auswerteeinheit ein besonders kompaktes und einfaches Spektrometer angeben. Bezugszeichenliste S1, S2 diskrete Ein- und Ausgangsspaltblenden
  S11, S12 Ein- und Ausgangsspaltblenden eines ersten Monochromatorkanals
  S21, S22 Ein- und Ausgangsspaltblenden eines zweiten Monochromatorkanals
  S31, S32 Ein- und Ausgangsspaltblenden eines Referenzkanals
  S41, S42, S43 eine Eingangs- und zwei Ausgangsspaltblenden eines Monitorkanals
  M monolithischer Körper des Torsionsbeugungsgitters bzw. des Torsionsspiegels
  T Torsionselement des Torsionsbeugungsgitters bzw. des Torsionsspiegels
  E1, E2 Elektroden des elektrostatischen Antriebs
  F Torsionsfeder
  G ebenes Beugungsgitter auf der Oberfläche des Torsionselements
  R ebener Reflektor auf der Oberfläche des Torsionselements
  S lokal verspiegelte Oberfläche
  B separates fixes Beugungsgitter
  P parabolischer Kollimatorspiegel
  L Kollimatorlinse
  K vorzugsweise sphärischer Kollimatorspiegel
  LWL1, LWL2 Lichtwellenleiter zur Strahlungein- und auskopplung
  a, a1, a2, a3 optische Achsen inbezug auf jeweilige Brennpunkte
  n Strahlung der nullten Beugungsordnung
  d divergentes Streulicht
  

Claims (9)

1. Scannender Monochromator mit einem steuerbaren mikromechanischen Torsionsbeugungsgitter, eingangs- und ausgangsseitigen Raumfiltern bestehend aus fixer Kollimatoroptik und Spaltblenden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Spaltblenden (S11, S12) Bestandteil des monolithischen Körpers (M) des mikromechanischen Torsionsbeugungsgitters (M; F; T; G; E1, E2) ist.

2. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Spaltblenden (S11, S12) im Torsionselement (T) innerhalb des Beugungsgitters (G) vorzugsweise auf dessen Drehachse angeordnet ist.

3. Monochromator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatoroptik aus mindestens einem sphärischen Spiegel (K) besteht.

4. Monochromator nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des Torsionselements (T) an den wellenlängenspezifischen Auftreffpunkten der fokussierten monochromatischen Teilstrahlungen außerhalb der Ausgangsspaltblende (S12) lokal als Spiegel (S) ausgebildet ist,
und wahlweise eine Abschirmung (A) im Strahlengang der reflektierten Teilstrahlungen (d) bzw. der nullten Beugungsordnung (n) angeordnet ist.

5. Monochromator nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer Eingangsspaltblende (S41) mehrere Ausgangsspaltblenden (S42, S43) innerhalb des monolithischen Körpers (M) des Torsionsbeugungsgitters zur simultanen Selektion monochromatischer Teilstrahlungen verschiedener Wellenlängenintervalle zugeordnet sind.

6. Monochromator nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb des monolithischen Körpers (M) des Torsionsbeugungsgitters (T) weitere Spaltblenden (S21-S43) derart angeordnet sind, so daß Gruppen dieser Spaltblenden unter gemeinsamer Nutzung der Kollimatoroptik (K) und des Beugungsgitters (G) mehrere voneinander unabhängige Monochromatorkanäle mit sich kreuzenden Strahlengängen bilden,
wobei wahlweise einer der zusätzlichen Monochromatorkanäle zur Phasenkontrolle der Winkelbewegung des Torsionsgitters (T) herangezogen wird.

7. Monochromator nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß anstatt des mikromechanischen Torsionsbeugungsgitters (M; F; T; G; E1, E2) ein steuerbarer mikromechanischer Torsionsspiegel (M; F; T; R; E1, E2) mit zugeordnetem externem fixem Beugungsgitter (B) angeordnet ist,
wobei wenigstens eine der Spaltblenden (S11-S43) Bestandteil des monolithischen Körpers (M) des mikromechanischen Torsionsspiegels ist.

8. Monochromator nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß anstatt wenigstens einer der monolithisch integrierten Spaltblenden (S11-S43) eine genügend große Öffnung innerhalb des monolithischen Körpers (M) des mikromechanischen Torsionsgitters bzw. Torsionsspiegels angeordnet ist,
wobei zugeordnete Lichtwellenleiter und/oder Strahlungsdetektoren eine genügend kleine Aperturfläche als Bestandteil des Raumfilters aufweisen, und entsprechende Strahlung ungehindert zwischen diesen Aperturflächen und der Kollimatoroptik (K) passieren kann.

9. Spektrometer mit Strahlungsdetektoren, Auswerteeinheit und einem Monochromator gemäß Unteransprüchen 1 bis 8.