DE10159721B4

DE10159721B4 - Digitales FTIR-Spektrometer

Info

Publication number: DE10159721B4
Application number: DE10159721A
Authority: DE
Inventors: Norbert Rapp; Arno Dr. Simon
Original assignee: Bruker Optik GmbH
Current assignee: Bruker Optics GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: US20050243325A1; DE10159721A1; US7034944B2; US20030103210A1

Abstract

Infrarotspektrometer mit einem Gehäuse, das eine optische Lichtquelle enthält, sowie ein optisches Interferometer zum Aufteilen eines von der Lichtquelle ausgehenden Eingangs-Lichtbündels in zwei Teilbündel und zum Erzeugen eines variablen Gangunterschieds zwischen den beiden Teilbündeln und zum erneuten Zusammenführen der beiden Teilbündel zu einem Ausgangs-Lichtbündel, des weiteren eine Probenposition zur Aufnahme einer Probe, an der diese von dem Ausgangs-Lichtbündel bestrahlt, bzw. durchstrahlt wird und einen optischen Detektor zur Analyse eines von der Probe ausgehenden Detektor-Lichtbündels, mit einer zugeordneten Einrichtung zur Digitalisierung des am Ausgang des Detektors liegenden Detektorsignals sowie mit einer Einrichtung zur Weiterverarbeitung des digitalisierten Detektorsignals, wobei der Detektor und die zugeordnete Einrichtung zum Digitalisieren des Detektorsignals räumlich unmittelbar benachbart angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein Einelementdetektor ist, und dass der Detektor mit einem Vorverstärker und ein ADC in einer kompakten, elektrisch geschirmten Einheit untergebracht sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Infrarotspektrometer mit einem Gehäuse, das eine optische Lichtquelle enthält, sowie ein optisches Interferometer zum Aufteilen eines von der Lichtquelle ausgehenden Eingangs-Lichtbündels in zwei Teilbündel und zum Erzeugen eines variablen Gangunterschieds zwischen den beidem Teilbündeln und zum erneuten Zusammenführen der beiden Teilbündel zu einem Ausgangs-Lichtbündel, des weiteren eine Probenposition zur Aufnahme einer Probe, an der diese von dem Ausgangs-Lichtbündel bestrahlt, bzw. durchstrahlt wird und einen optischen Detektor zur Analyse eines von der Probe ausgehenden Detektor-Lichtbündels, mit einer zugeordneten Einrichtung zur Digitalisierung des am Ausgang des Detektors liegenden Detektorsignals sowie mit einer Einrichtung zur Weiterverarbeitung des digitalisierten Detektorsignals, wobei der Detektor und die zugeordnete Einrichtung zum Digitalisieren des Detektorsignals räumlich unmittelbar benachbart angeordnet sind.

Aus der US-5,406,090 ist ein gattungsgemäßes Infrarotspektrometer mit einer integrierten Interferometer-Anordnung bekannt. Nach einem Probendurchgang wird von einem Detektor die transmittierte Strahlung registriert. Der Detektor ist auf einer räumlich sehr ausgedehnten Platine angeordnet, auf der auch mehrere IC-Bausteine zur Steuerung des Spektrometers und zur Auswertung der vom Detektor bereitgestellten Signale vorgesehen sind.

Ähnliche Infrarotspektrometer (FTIR-Spektrometer) werden von der Anmelderin hergestellt und vertrieben, z.B. das Spektrometer IFS 66/S, das in der Broschüre "IFS 66/S" der Anmelderin, datiert 12/99, beschrieben ist.

Die bekannten FTIR-Spektrometer werden zur Aufnahme von Infrarotspektren, entweder in Transmission oder in Reflexion, verwendet. Sie sind einerseits kompakt aufgebaut, andererseits aber auch modular, d.h. Komponenten können, je nach Bedarf einfach ausgetauscht werden oder es kann zwischen Komponenten leicht umgeschaltet werden, z.B. zwischen mehreren Quellen oder Detektoren, Filtern, usw. Ein weiterer großer Vorteil dieser Spektrometer ist, daß sie auch über Ein- und Ausgänge mit externen Quellen oder externen Detektoren verwendet werden können. Sie können z.B. Sonnenlicht spektroskopieren oder über Lichtleiter oder konventionelle Optik kann ein Infrarotmikroskop angeschlossen werden. Das im Spektrometer erzeugte IR-Licht passiert dabei zunächst das Interferometer, wird dann einem Ausgang zugeleitet und gelangt in ein IR-Mikroskop, wo es eine Probe beleuchtet. Das von dieser Probe ausgehende transmittierte oder reflektierte Licht gelangt dann auf einen externen Detektor. Dieser Detektor kann z.B. im Fall des Mikroskops auch ein bildgebendes Detektorarray sein, z.B. ein FPA-Array, dessen abgegebene Signale digitalisiert, zwischengespeichert und in einem Rechner zu einem zweidimensional ortsaufgelösten Spektrum weiterverarbeitet werden. Oft sind auch mehrere fest eingebaute und/oder externe Detektoren vorgesehen, die ausgetauscht werden können, bzw. zwischen denen umgeschaltet werden kann, z.B. durch Klappspiegel.

Aus dem Kapitel 4 „New Designs" des Vortrags No. 2001 (A. Adams and M. Goodnough) auf der Pittsburgh Conference 2000 ist es bekannt, Analog-Digital-Converter (ADC's) direkt auf einem FPA-Detektor-Chip aufzubringen und dadurch die Systemkosten und die Komplexität zu reduzieren. Dadurch sollen zukünftig extrem hohe Bildraten (Frame Rates) > 30 kHz für ein 128 × 128 Array möglich sein. Damit sind diese Detektoren geeignet für genaue bildgebende Fernerkundungssysteme mit gepulsten Lasern.

In der FTIR-Spektroskopie wird ein optisches Signal durch das Interferometer frequenzmoduliert. Dieses frequenzmodulierte Signal wird durch einen Detektor gemessen und in eine entsprechende Analogspannung umgewandelt, dann di gitalisiert und mittels Fouriertransformation in seine Spektralkomponenten zerlegt und dargestellt.

In der bildgebenden IR-Spektroskopie werden anstelle von Detektoren mit einem Element üblicherweise FPA-Detektoren eingesetzt, die aus 64 × 64 oder mehr Elementen bestehen. Diese Elemente werden kurzzeitig belichtet, anschließend wird jedes Pixel über einen analogen Schalter mit einer Digitalisierungseinheit (ADC) verbunden und digitalisiert. Diese Abtastung und Wandlung eines „Frames" mit beispielsweise 64 × 64 Pixeln entspricht einem Datenpunkt eines Interferogramms in der üblichen (nicht-ortsauflösenden) FTIR-Spektroskopie. Um mit identischen Verfahren Daten aufzunehmen, muß die elektrische Bandbreite des Analog- und Digitalsignals um die Anzahl der Bildelemente vergrößert werden.

Im Gegensatz zu den Detektorarrays, wo eine Digitalisierung der analogen Messspannungen direkt auf dem Detektorchip erfolgen kann, werden im Stand der Technik bei Einefementdetektoren die Messsignale vom Detektor auf eine räumlich entfernte Platine übertragen, auf der ein Analog-Digital-Wandler (ADC) und häufig auch weiterverarbeitende Digitalelektronik angeordnet sind. Erst nach der Analog/Digitalwandlung erfolgt dann die weitere digitale Verarbeitung. Die analoge Signalstrecke kann sowohl ac-gekoppelt sein um die volle Dynamik des Analog/Digitalwandlers auszunutzen wie auch dc-gekoppelt, um die volle Information zu erfassen. Idealerweise werden beide Signale zum Wandler geführt, um sowohl die Dynamik des ADCs voll zu nutzen wie auch die Informationen komplett zu erfassen. Dabei kann die analoge Signalstrecke im Spektrometer durchaus einige Dezimeter betragen.

Die Infrarotspektrometer der eingangs genannten Art mit analoger Messsignalübertragung weisen noch Mängel bezüglich ihrer Anfälligkeit externen Störungen gegenüber auf. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Anfälligkeit weiter zu reduzieren.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Detektor ein Einelementdetektor ist, und dass der Detektor mit einem Vorverstärker und ein ADC in einer kompakten, elektrisch geschirmten Einheit untergebracht sind.

Dabei ist auch vorgesehen, dass der Einelementdetektor und die zugeordnete Einrichtung zum Digitalisieren des Detektorsignals räumlich unmittelbar benachbart angeordnet sind. Räumlich unmittelbar benachbart bedeutet dabei, dass der Einelementdetektor und ein ADC auf einem Chip integriert sind, auf einer Platine angeordnet sind oder auf unmittelbar aneinander angrenzenden Platinen. Dadurch wird der ADC eindeutig räumlich dem Detektor zugeordnet und nicht mehr der Einrichtung zur Weiterverarbeitung der (digitalisierten) Messsignale. Detektor mit Vorverstärker und ADC können so in einer kompakten, elektrisch geschirmten Einheit untergebracht werden. Anstelle des analogen wird jetzt das digitale Signal der räumlich entfernten digitalen Verarbeitungseinheit zugeführt.

Auf diese Weise wird die analoge Strecke zwischen Detektion und Digitalisierung entscheidend verkürzt und dadurch die Anfälligkeit gegen Störspannungen vermindert.

Vorzugsweise sind alle ADCs, die Detektoren des Infrarotspektrometers zugeordnet sind, räumlich unmittelbar benachbart zu diesen angeordnet. Damit wird in allen Betriebsarten die Störanfälligkeit verringert.

Die momentane Position des beweglichen Spiegels des Interferometers bzw. der beweglichen Spiegel oder Retroreflektoren wird üblicherweise mittels eines Laser-Interferogramms bestimmt. Auch die Messsignale des Detektors für das Laserlicht kann in vorteilhafter Weise durch einen räumlich unmittelbar benachbarten ADC oder einem anderen geeigneten Schaltkreis digitalisiert und von diesem in digitaler Form dann an die Weiterverarbeitungseinrichtung bzw. eine Spektrometersteuerung, die auch den Spiegelvorschub regelt, weitergegeben werden.

In der weitestgehenden Ausbaustufe können alle Messsignale des Spektrometers durch einen zum jeweiligen Detektor räumlich unmittelbar benachbarten ADC digitalisiert und von diesem in digitaler Form dann an die Weiterverarbeitungseinrichtung weitergegeben werden. Dies muss dann nicht nur optische Detektoren allein betreffen sondern kann auch auf andere, z.B. Temperaturfühler und, ausgeweitet werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es versteht sich, dass die obengenannten, die in den Figuren gezeigten und die weiter unten beschriebenen Merkmale nicht nur in der explizit beschriebenen Kombination sondern auch in Alteinstellung und in beliebigen Kombinationen Anwendung finden können. Es zeigen:
1 eine schematische Aufsicht auf ein Infrarotspektrometer nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotspektrometers.
Im einzelnen zeigt 1 schematisch ein FTIR-Spekrometer 1 mit einem Gehäuse 2. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Lichtquelle 3 angeordnet, von der aus ein Eingangs-Lichtbündel 4 über einen Hohlspiegel 5 in ein innerhalb einer Interferometerkammer 6 angeordnetes Michelson-Interferometer 7 geleitet wird. Das Interferometer 7 besteht aus einem Strahlteiler 7a und zwei Interferometerspielgeln 7b, 7c bzw. Retroreflektoren, von denen einer beweglich ist. Ein paralleles Ausgangs-Lichtbündel 8 verläßt das Interferometer 7 und die Interferometerkammer 6. Über einen fokussierenden Hohlspiegel 9 wird an einer Probenposition in einem Probenhalter 16 eine transparente Probe 10 mit dem Licht des Ausgangs-Lichtbündels 8 ausgeleuchtet und über einen weiteren Hohlspiegel 11 wird das die Probe 10 passierende Licht auf 12 konzentriert. Das Analog-Signal des Detektors 12 wird über eine Leitung 22 einer räumlich entfernten Digitalisierungseinheit 13 zugeführt und dort digitalisiert. Ein Rechner 14 steuert bzw. regelt den Spiegelvorschub des Interferometers 7, die Datenaufnahme von Detektor 12 und die Digitalisierungseinheit 13 und verarbeitet die digitalisierten Signale zu einem optischen Spektrum, das durch ein CRT 15 angezeigt wird. Über den Klappspiegel 19 kann das von der Probenoberfläche kommende Licht auch alternativ einem weiteren Detektor 20 zugeführt werden: Auch das Analog-Signal des Detektors 20 wird über eine Leitung 23 einer räumlich entfernten Digitalisierungseinheit 13 zugeführt und dort digitalisiert. Die Strahlung des kontrollierenden HeNe-Lasers 21 wird über einen Umlenkspiegel durch eine kleine Öffnung des Spiegels 5 in das Interferometer 7 gelenkt, der Ausgangsstrahl wird über einen weiteren kleinen Umlenkspiegel 25 dem Detektor 32 zugeführt. Das ggf. verstärkte analoge elektrische Signal dieses Detektors wird via Analogleitung 34 zu der Digitalisierungseinheit 33 weitergeleitet. Zur Registrierung der Gerätetemperatur kann ein Temperatursensor 35 eingebaut sein, dessen elektrisches Signal analog über die Leitung 37 an eine weitere Digitalisierungseinheit 36 übermittelt wird.
2 zeigt nun schematisch ein erfindungsgemäßes FTIR-Spekrometer 1 mit einem Gehäuse 2. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Lichtquelle 3 angeordnet, von der aus ein Eingangs-Lichtbündel 4 über einen Hohlspiegel 5 in ein innerhalb einer Interferometerkammer 6 angeordnetes Michelson-Interferometer 7 geleitet wird. Das Interferometer 7 besteht aus einem Strahlteiler 7a und zwei Interfero meterspielgeln 7b, 7c bzw. Retroreflektoren, von denen einer beweglich ist. Ein paralleles Ausgangs-Lichtbündel 8 verlässt das Interferometer 7 und die Interferometerkammer 6. Über einen fokussierenden Hohlspiegel 9 wird an einer Probenposition in einem Probenhalter 16 eine transparente Probe 10 mit dem Licht des Ausgangs-Lichtbündels 8 ausgeleuchtet und über eine weiteren Hohlspiegel 11 wird das die Probe 10 passierende Licht auf 12 konzentriert. Das Analog-Signal des Detektors 12 wird nun einer räumlich unmittelbar benachbarten Digitalisierungseinheit 113 zugeführt und dort digitalisiert. Das digitalisierte Signal wird über eine Datenleitung 114 einem Rechner 14 zugeleitet. Dieser steuert bzw. regelt den Spiegelvorschub des Interferometers 7, die Datenaufnahme von Detektor 12 und die Digitalisierungseinheit 13 und verarbeitet die digitalisierten Signale zu einem optischen Spektrum, das durch ein CRT 15 angezeigt wird. Über den Klappspiegel 19 kann das von der Probenobertläche kommende Licht auch alternativ einem weiteren Detektor 20 zugeführt werden. Auch das Analog-Signal des Detektors 20 wird einer räumlich unmittelbar benachbarten Digitalisierungseinheit 115 zugeführt und dort digitalisiert. Das digitalisierte Signal wird über eine Datenleitung 116 dem Rechner 14 zugeleitet.
Das ggf. verstärkte analoge elektrische Signal des Laserdetektors 32 wird in unmittelbarer räumlicher Nähe in der Digitalisierungseinheit 117 in ein digitales elektrisches Signal gewandelt und mittels der Digitalleitung 118 der Verarbeitungseinheit 14 zugeführt. Das Temperatursignal des Temperatursensors 35 wird in der Digitalisierungseinheit, die sich in unmittelbarer Nähe des Sensors befindet in ein digitales Signal gewandelt und über die Leitung 120 als digitales Signal an die Rechnereinheit 14 übermittelt.

Claims

Infrarotspektrometer mit einem Gehäuse, das eine optische Lichtquelle enthält, sowie ein optisches Interferometer zum Aufteilen eines von der Lichtquelle ausgehenden Eingangs-Lichtbündels in zwei Teilbündel und zum Erzeugen eines variablen Gangunterschieds zwischen den beiden Teilbündeln und zum erneuten Zusammenführen der beiden Teilbündel zu einem Ausgangs-Lichtbündel, des weiteren eine Probenposition zur Aufnahme einer Probe, an der diese von dem Ausgangs-Lichtbündel bestrahlt, bzw. durchstrahlt wird und einen optischen Detektor zur Analyse eines von der Probe ausgehenden Detektor-Lichtbündels, mit einer zugeordneten Einrichtung zur Digitalisierung des am Ausgang des Detektors liegenden Detektorsignals sowie mit einer Einrichtung zur Weiterverarbeitung des digitalisierten Detektorsignals, wobei der Detektor und die zugeordnete Einrichtung zum Digitalisieren des Detektorsignals räumlich unmittelbar benachbart angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein Einelementdetektor ist, und dass der Detektor mit einem Vorverstärker und ein ADC in einer kompakten, elektrisch geschirmten Einheit untergebracht sind.
Infrarotspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den ADC digitalisierte Detektorsignal in digitaler Form von der elektrisch geschirmten Einheit einer räumlich entfernten Verarbeitungseinheit zugeführt wird.
Infrarotspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einelementdetektor und ADC auf einem Chip integriert sind.
Infrarotspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einelementdetektor und der ADC gemeinsam auf einer Platine angeordnet sind.
Infrarotspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einelementdetektor und der ADC auf zwei räumlich unmittelbar angrenzenden Platinen angeordnet sind.
Infrarotspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einelementdetektor mit der Einrichtung zum Digitalisieren des Detektorsignals als austauschbares Modul aufgebaut ist.
Infrarotspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass digitalisierte AC- und/oder DC-Signale übermittelt werden.
Infrarotspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einelementdetektor und ein ortsauflösendes Detektorarray austauschbar sind.
Infrarotspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Lichtbündel zwischen mindestens zwei Detektoren vorzugsweise durch Klappspiegel umschaltbar ist.
Infrarotspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere optische Detektoren umfasst und dass allen Detektoren jeweils eine Einrichtung zum Digitalisieren des Detektorsignals zugeordnet ist, die räumlich unmittelbar benachbart zum jeweiligen optischen Detektor angeordnet ist.
Infrarotspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Detektoren umfasst und dass allen Detektoren jeweils eine Einrichtung zum Digitalisieren des Detektorsignals zugeordnet ist, die räumlich unmittelbar benachbart zum jeweiligen Detektor angeordnet ist.