DE10159722A1

DE10159722A1 - Abbildendes FTIR-Spektrometer

Info

Publication number: DE10159722A1
Application number: DE10159722A
Authority: DE
Inventors: Arno 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: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: US20030103209A1; DE10159722B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein abbildendes FTIR-Spektrometer, bei dem Interferometer und Probe und Detektor im Spekttrometergehäuse angeordnet sind und das Licht der Quelle zunächst das Interferomter durchläuft, dann auf die Probe fokussiert wird, die anschließend auf die Oberfläche eines Detektorarrays abgebildet wird. Die Erfindung betrifft auch ein FTIR-Spektrometer mit einem Detektorarray, auf dessen Chip ADCs integriert sind, derart, dass jedem Pixel ein ADC zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Infrarotspektrometer mit einer optischen Lichtquelle, mit einem Gehäuse sowie einem innerhalb des Gehäuses angeordneten 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 in oder an seinem Gehäuse 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, sowie mit einer Einrichtung zur Verarbeitung des am Ausgang des Detektors liegenden Messsignals.

Derartige 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 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 ein bildgebendes Detektorarray sein, z. B. ein FPA-Array, dessen abgegebene Signale digitalisiert, zwischengespeichert und in einem Rechner zu einem zweidimensional ortsaufgelösten Spektrum weiterverarbeitetwerden.

Auf der Pittsburgh Conference 2001, Sektion 112 wurde als Paper 829 ein Infrarot-Fernerkundungs-System vorgestellt, bei dem das von einer entfernten, externen ausgedehnten Objekt ausgehende Licht über ein Interferometer einem FPA- Detektor zugeleitet wird und dabei ein ortsaufgelöstes Spektrum dieses Objektes erzeugt wird.

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 digitalisiert und mittels Fouriertransformation in seine Spektralkomponenten zerlegt und dargestellt. Das bekannte Abtasttheorem diktiert, dass die Abtastrate mindestens die zweifache elektrische Bandbreite des abzutastenden Signals haben muß. Daher wird üblicherweise das optische Signal durch optische Tiefe und/oder das Analogsignal durch elektrische Komponenten in der Bandbreite beschränkt, bevor es abgetastet wird. Übliche elektrische Bandbreiten betragen wenige Kilohertz bei Spiegelvorschubgeschwindigkeiten des Interferometerspiegels im Bereich von mm oder cm pro Sekunde und spektralen Bandbreiten von 15800 cm^-1.

In der bildgebenden IR-Spektroskopie werden 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 (nichtortsauflösenden) FTIR-Spektroskopie. Um nun mit identischen Verfahren Daten aufzunehmen, muß die elektrische Bandbreite des Analog- und Digitalsignals um die Anzahl der Bildelemente vergrößert werden. Somit ist die elektrische Bandbreite ein Vielfaches dessen, was einer korrekten Datenerfassung zuträglich ist. Nach überschlägiger Rechnung wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis hierdurch um die Quadratwurzel der vergrößerten Bandbreite verschlechtert, d. h. im konkreten Fall um den Faktor 64.

Mit den Infrarotspektrometern der eingangs genannten Art ist es einerseits möglich, externe Objekte mit dem Ausgangs-Lichtbündel ihres Interferometers zu beleuchten und dann mittels eines externen ortsauflösenden Detektors ortsaufgelöste Spektroskopie zu betreiben. Andererseits können in die Probenkammer des Spektrometers eingebrachte Proben (nicht ortsaufgelöst) spektroskopiert werden. Es besteht der Bedarf nach einem Infrarotspektrometer, das noch vielseitiger eingesetzt werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Detektor ein bildgebendes, zweidimensionales Detektorarray ist und dass das Detektorarray so positioniert und das von der Probe im Gehäuse des Infrarotspektrometers ausgehende Detektor- Lichtbündel durch eine Abbildungsoptik so auf das Detektorarray fokussiert wird, dass auf diesem ein Bild der Probenoberfläche entsteht.

In den herkömmlichen FTIR-Spektrometern mit integrierten Proben- und Detektorbereichen ist die Optik so ausgelegt, dass das Ausgangs-Lichtbündel des Interferometers weitgehend optimal auf die Probe in der Probenposition fokussiert und das von der Probe ausgehende Lichtbündel auf das Detektorelement, typischerweise 1 × 1 mm, konzentriert wird. Da hierbei das Augenmerk auf dem Signalfluß liegt und die Abbildungseigenschaften der Detektoroptik vernachlässigt werden, ist es nicht möglich, bei einem konventionellen FTIR-Spektrometer einfach den Detektor durch ein FPA-Array zu ersetzen. Daher wurden bei bisherigen Anordnungen mit einem FTIR-Spektrometer und einem bildgebenden FPA- Detektor Lichtquelle, Probenort und Detektor, d. h. der gesamte bildgebende Strahlengang, außerhalb des Spektrometergehäuses angeordnet. Erfindungsgemäß werden nun die Strahlengänge und optischen Eigenschaften in Bezug auf Abbildung für die Probenposition innerhalb des Gehäuses neu ausgelegt.

In einer Ausführungsform kann anschließend ein konventioneller Detektor durch ein ortsauflösendes Detektorarray ersetzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Detektor-Lichtbündel im Innenraum des Gehäuses zwischen einem konventionellen, nicht ortsauflösenden Detektor und einem ortsauflösenden Detektorarray bspw. durch einen Klappspiegel umgeschaltet werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung, die auch selbständig Anwendung finden kann, ist das Detektorarray und die Digitalisierungseinheit so aufgebaut, dass das Signal einer Gruppe von Pixeln oder jedes einzelnen Pixels des Arrays einem getrennten Abtastverfahren zugeführt wird. Dadurch kann die elektrische Bandbreite jedes Signalwegs gering gehalten werden. Vorzugsweise wird jedes einzelne Pixel einem bandbreitenbegrenzten Signalweg zugeordnet und digitalisiert.

Besonders bevorzugt ist, dass die Digitalisierungseinheit auf dem Detektorarray integriert ist, derart, dass jedem einzelnen Pixel ein eigener ADC auf dem Arraychip zugeordnet ist. Diese Lösung ist besonders kompakt, energiesparend, hat kurze Wege der Analogsignale und bietet optimale Möglichkeiten der Anpassung der elektrischen Signalbandbreite an das Datenaufnahmesystem.

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 zeigen:
Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf ein Infrarotspektrometer nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotspektrometers.
Im einzelnen zeigt Fig. 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 eine weiteren Hohlspiegel 11 wird das die Probe 10 passierende Licht auf den Detektor 12 konzentriert. Auf der Detektoroberfläche entsteht dabei kein Bild der Probe. Das Analog-Signal des Detektors 12 wird einer Digitalisierungseinheit 13 zugeführt und dort digitalisiert. Ein Rechner 14 steuert bzw. regelt den Spiegelvorschub des Interferometers 7, die Datenaufnahme von Detektor 12 und der die Digitalisierungseinheit 13 und verarbeitet die digitalisierten Signale zu einem optischen Spektrum, das durch ein CRT 15 angezeigt wird.
Fig. 2 zeigt schematisch in der Aufsicht ein FTIR-Spekrometer 101 mit einem Gehäuse 102. Innerhalb des Gehäuses 102 ist eine Lichtquelle 103 angeordnet, von der aus ein Eingangs-Lichtbündel 104 über einen Hohlspiegel 105 in ein innerhalb einer Interferometerkammer 106 angeordnetes Michelson-Interferometer 107 geleitet wird. Das Interferometer 107 besteht aus einem Strahlteiler 107a und zwei Interferometerspielgeln 107b, 107c bzw. Retroreflektoren, von denen einer beweglich ist. Ein paralleles Ausgangs-Lichtbündel 108 verläßt das Interferometer 107 und die Interferometerkammer 106. Über einen abbildenden Hohlspiegel 109 wird die Probe 110 homogen ausgeleuchtet. Das die Probe passierende Licht wird über ein optisches System, bestehend aus einem konkaven 118 und einem konvexen 117 Hohlspiegelsystem auf die Oberfläche des FPA- Detektorarrays 112 abgebildet. Die Analog-Signale des Detektor-Arrays 112 werden einer Digitalisierungseinheit 113 zugeführt und dort digitalisiert. Ein Rechner 114 steuert bzw. regelt den Spiegelvorschub des Interferometers 107, die Datenaufnahme durch das FPA-Array 112 sowie die Digitalisierungseinheit 113 und verarbeitet die digitalisierten Signale zu einem über die Fläche des FPA- Arrays 112 ortsaufgelösten optischen Spektrum, das durch ein CRT 115 angezeigt wird.
Über den Klappspiegel 119 kann das von der Probenoberfläche kommende Licht auch alternativ einem einfachen, nicht ortsauflösenden Detektor 120 zugeführt werden.
Es versteht sich, dass die abbildenden Komponenten auch aus Linsen oder aus einer Kombination von Spiegel und Linsen bestehen können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind nicht separate Digitalisierungseinheiten (13; 113) vorgesehen, sondern diese sind mit dem FPA-Detektor (12; 112) integriert. So ist einer Gruppe von Pixeln oder jedem Pixel des Detektorarrays auf dem Detektorchip ein eigener ADC (Analog-Digital- Converter) zugeordnet, bevorzugt in den FPA-Detektor integriert, so dass der Chip selbst bereits digitalisierte Signale abgibt. Wie bereits oben angeführt, kann insbesondere diese Maßnahme auch in Alleinstellung Anwendung finden, d. h. in Verbindung mit abbildenden IR-Spektrometern des Standes der Technik.

Claims

1. Infrarotspektrometer mit einer optischen Lichtquelle, mit einem Gehäuse sowie einem innerhalb des Gehäuses angeordneten 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 in oder an seinem Gehäuse 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, sowie mit einer Einrichtung zur Verarbeitung des am Ausgang des Detektors liegenden Messsignals. dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein bildgebendes, zweidimensionales Detektorarray ist und dass das Detektorarray so positioniert und das von der Probe im Gehäuse des Infrarotspektrometers ausgehende Detektor-Lichtbündel durch eine Abbildungsoptik so auf das Detektorarray fokussiert wird, dass auf diesem ein Bild der Probenoberfläche entsteht.

2. Infrarotspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle im Gehäuse angeordnet oder an dieses angeflanscht ist.

3. Infrarotspektrometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor im Gehäuse angeordnet oder an dieses angeflanscht ist.

4. Infrarotspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenposition im Gehäuse angeordnet ist.

5. Infrarotspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein konventioneller Detektor und ein ortsauflösendes Detektorarray austauschbar sind.

6. Infrarotspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Lichtbündel zwischen einem konventionellen, nicht ortsauflösenden Detektor und einem ortsauflösenden Detektorarray vorzugsweise durch einen Klappspiegel umschaltbar ist.

7. Infrarotspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorarray und eine Digitalisierungseinheit so aufgebaut sind, dass das Signal eines einzelnen Pixels oder einer Gruppe von Pixeln des Arrays jeweils einem getrennten Abtastverfahren zugeführt wird.

8. Infrarotspektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalisierungseinheit auf dem Detektorarray integriert ist, derart, dass jedem einzelnen Pixel ein eigener ADC auf dem Arraychip zugeordnet ist.