DE102007011324A1 - Spectrometer i.e. oscillating mirror spectrometer, for e.g. optical spectrometry, has oscillating mirror provided downstream of optical path for imaging spectrum of radiation, where mirror is provided in area of optical path - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektrometer für optische Spektrometrie, insbesondere ein Schwingspiegelspektrometer zum Nachweis biologischer und chemischer Mittel. Dieses Spektrometer basiert auf dem Einsatz von mikro-elektro-mechanischen Systemen (MEMS).The The invention relates to a spectrometer for optical Spectrometry, in particular a vibrating mirror spectrometer for detection biological and chemical agents. This spectrometer is based on the use of micro-electro-mechanical systems (MEMS).
Bei
bekannten klassischen Spektrometern trifft durch eine Eintrittsapertur
(Eintrittsspalt) in das Spektrometer eingestrahltes Licht auf ein
Beugungsgitter, welches vorteilhaft als ein abbildendes Reflexionsgitter
ausgebildet ist. Verwendet werden können jedoch auch reflektive
Plangitter oder Transmissionsgitter. Entsprechend der bekannten
Gittergleichung werden durch diese Gitter die spektralen Anteile
des eingestrahlten, von der Probe beeinflussten Lichtes in unterschiedliche
Raumrichtungen abgelenkt und ergeben so ein Spektrum, welches auf
einem Detektor abgebildet wird, wie es beispielsweise aus der
In
dem Artikel von
Bei dieser Anordnung ist die relativ kleine Fläche des Gitters ein entscheidender Nachteil für die Leistung des Spektrometers, weil die spektrale Auflösung sowohl von der Gitterkonstante als auch von der Anzahl der interferierenden Teilstrahlen abhängt, welche durch die Gittergröße weitestgehend bestimmt wird. Weiterhin ist nachteilig, dass die Beugungsstruktur während des Herstellungsprozesses mit auf den Mikrospiegel aufgebracht werden muss, wodurch Designfreiheiten dieses Gitters eingeschränkt werden. Somit sind speziell angepasste Gitterprofilformen (z: B. Blazes) nicht zu erreichen und die Beugungseffizienzen sind nicht für alle Applikationsanforderungen ausreichend groß.at This arrangement is the relatively small area of the grid a major disadvantage for the performance of the spectrometer, because the spectral resolution of both the lattice constant depends also on the number of interfering partial beams, which largely determined by the grid size becomes. Furthermore, it is disadvantageous that the diffraction structure during the manufacturing process are applied to the micromirror must, which limits design freedoms of this grid become. Thus, specially adapted grid profile shapes (eg. Blazes) and the diffraction efficiencies are not sufficiently large for all application requirements.
In
der
Reflektor, Mikrospiegel und das Beugungsgitter sind so angeordnet, dass von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung eine Probe so durchläuft oder so durch die Probe reflektiert wird, dass die Strahlung vom Reflektor durch Reflexion am Mikrospiegel auf das Beugungsgitter gelenkt wird und dass die gebeugte Strahlung durch Reflexion am Mikrospiegel und am Reflektor auf den Detektor gelenkt wird. Bei dieser Vorrichtung ist der Schwingspiegel so im Strahlengang angeordnet, dass ein paralleler Strahl umgelenkt bzw. gescannt wird. Um eine größere Apertur des Spektrometers zu realisieren, müssen die Dimensionen entsprechend groß ausgeführt sein, was nachteilig ist.Reflector, Micromirror and the diffraction grating are arranged so that by the radiation emitted by the radiation source passes through a sample or so reflected by the sample is that the radiation from the reflector is directed by reflection on the micromirror on the diffraction grating and that the diffracted radiation is due to reflection at the micromirror and is directed at the reflector on the detector. In this device the oscillating mirror is so arranged in the beam path that a parallel beam is deflected or scanned. To a larger one Aperture of the spectrometer must realize the dimensions be designed to be large, which is disadvantageous is.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Schwingspiegelspektrometer zu schaffen, welches einen einfachen und raumsparenden Aufbau besitzt und die Verwendung speziell an unterschiedliche Verwendungszwecke angepasste Gitterprofilformen des Beugungsgitters sowie ausreichend große Beugungseffizienzen für die unterschiedlichsten Applikationsanforderungen ermöglicht.Of the The invention is therefore based on the object, a vibrating mirror spectrometer to create, which has a simple and space-saving design and the use specifically for different uses adapted grating profile shapes of the diffraction grating and sufficiently large Diffraction efficiencies for a wide variety of application requirements allows.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem mit den Merkmalen des Hauptanspruches ausgestatteten Schwingspiegelspektrometer gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Spektrometers offenbart.According to the invention this task with a equipped with the features of the main claim Oscillation mirror spectrometer solved. In the dependent claims are further embodiments and details of the invention Spectrometer disclosed.
So ist es vorteilhaft, dass mindestens eine der im Spektrometer angeordneten Linsen eine asphärische oder freigeformte Linse ist.So it is advantageous that at least one of the arranged in the spectrometer Lens is an aspherical or free-form lens.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Detektorelement als Punktdetektor oder als linienförmiger Detektor ausgebildet ist. Damit kann das Spektrometer mit einem einfach aufgebauten Detektorelement ausgerüstet werden.Especially It is advantageous that the detector element as a point detector or is designed as a linear detector. So that can the spectrometer is equipped with a simply constructed detector element become.
Vorteilhaft ist ferner, dass zur präzisen Fokussierung des Strahlenganges auf das Detektorelement dem Schwingspiegel eine Konvexlinse, insbesondere eine Plankonvexlinse, nachgeordnet ist.Advantageous is also that for the precise focusing of the beam path on the detector element the oscillating mirror a convex lens, in particular a plano-convex lens, is arranged downstream.
Es ist ferner von Vorteil, wenn eine mit dem Punktdetektor und dem Schwingspiegel verbundene Steuereinrichtung vorgesehen ist zur Detektierung der Stellung des Schwingspiegels und zur Gewährleistung einer dazu synchronen Detektierung der auftretenden Lichtintensitäten der auszuwertenden Strahlung.It is also advantageous if one with the point detector and the Oscillation mirror connected control device is provided for detecting the Position of the oscillating mirror and to ensure a synchronous detection of the occurring light intensities the radiation to be evaluated.
Zur Vereinfachung und Miniaturisierung des Spektrometers ist vorteilhaft, dass das abbildende Gitter als hybrid-optisches Element ausgebildet ist, welches eine nanostrukturierte Asphären- oder Freiformfläche besitzt.to Simplification and miniaturization of the spectrometer is advantageous that the imaging grating is formed as a hybrid optical element which is a nanostructured aspheric or freeform surface has.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn weitere abbildende Spiegelflächen zur Vermeidung von Grenzflächenreflexionen, von Streulicht und/oder von chromatischen Aberrationen im Strahlengang des Spektrometers vorgesehen sind.Advantageous is still, if more imaging mirror surfaces for Avoidance of interface reflections, stray light and / or chromatic aberrations in the optical path of the spectrometer are provided.
Vorteilhaft kann auch das Gitter als Plan- oder Hohlgitter ausgebildet sein.Advantageous The grid can also be designed as a plan or hollow grid.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn zusätzlich zum Beugungsgitter ein Dispersionsprisma im Strahlengang angeordnet ist, dessen Dispersionsrichtung orthogonal zur Dispersionsrichtung des Beugungsgitters verläuft, und wenn ein linienförmiger Detektor zur Detektion der spektralen Anteile des Lichtes oder der Strahlung vorgesehen ist.A advantageous embodiment of the invention results, if, in addition to the diffraction grating, a dispersion prism is arranged in the beam path whose dispersion direction is orthogonal to the dispersion direction of the diffraction grating, and if a line-shaped detector for the detection of the spectral Shares of light or radiation is provided.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn der Eintrittsspalt Punkt- oder linienförmig ausgebildet ist.Advantageous it may also be, if the entrance slit point or linear is trained.
Bei diesem Schwingspiegelspektrometer bildet eine sog. Relayoptik die unterschiedlichen spektralen Anteile des eingestrahlten Lichtes auf einem, in einer Dimension um eine Achse senkrecht zur Lichteinfallsebene beweglichen Schwingspiegel ab, wobei entsprechend des Reflexionsgesetzes dieses Spektrum über einen Detektor geführt wird. Durch den Detektor wird die Intensität des pro Zeiteinheit einfallenden Lichtes bestimmt, und durch eine vorgesehene elektronische Steuerung werden diese erhaltenen Intensitätsinformationen umgesetzt und weiter verarbeitet. Die Winkellage des Schwingspiegels wird dabei synchron überwacht und in die Auswertung mit einbezogen.at This oscillating mirror spectrometer forms a so-called relay optics different spectral components of the incident light on one, in one dimension about an axis perpendicular to the light incidence plane movable oscillating mirror, according to the law of reflection this spectrum is passed over a detector. Through the detector the intensity of the per unit time determined by incident light, and by a designated electronic Control will get this obtained intensity information implemented and further processed. The angular position of the oscillating mirror is monitored synchronously and included in the evaluation.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung ist der prinzipielle Aufbau eines Schwingspiegelspektrometers dargestellt.The Invention will hereinafter be an embodiment be explained in more detail. In the drawing is the illustrated basic structure of a vibrating mirror spectrometer.
Das
in
Der
Eintrittsspalt
An
Stelle des Schwingspiegels
In
Abwandlung dieses dargestellten Prinzips ist es jedoch auch möglich,
viele der optischen Wirkungen der verwendeten optischen Komponenten als
hybid-optisches Element in das Beugungsgitter zu integrieren. Dieses
kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die beugende
Fläche des Beugungsgitters
Ferner können in einer weiteren Abwandlung des dargestellten Prinzips bestimmte optische Wirkungen mit Hilfe weiterer im Strahlengang vorgesehener Spiegelflächen erzielt werden. So können beispielsweise Lichtverluste durch Grenzflächenreflexionen bzw. Streulicht minimiert und das Auftreten temperaturabhängiger chromatischer Aberrationen vermieden werden.Further can in a further modification of the illustrated principle certain optical effects with the help of others in the beam path provided mirror surfaces can be achieved. So can for example, light losses due to interfacial reflections or scattered light minimizes and the occurrence of temperature-dependent Chromatic aberrations are avoided.
Gemäß einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Spektrometer zusätzlich zum Beugungsgitter ein Dispersionsprisma in seinem Strahlengang, wobei dessen Dispersionsrichtung orthogonal zur Dispersionsrichtung des Beugungsgitters verläuft. Zur Detektierung der spektralen Anteile des Lichtes oder der Strahlung kann ein linienförmiger Detektor vorgesehen werden.According to one another embodiment of the invention, not shown includes a spectrometer in addition to the diffraction grating a dispersion prism in its beam path, wherein the dispersion direction orthogonal to the dispersion direction of the diffraction grating. For detecting the spectral components of the light or the radiation can a line-shaped detector can be provided.
- 11
- Eintrittsspaltentrance slit
- 22
- Beugungsgitterdiffraction grating
- 33
- Feldlinsefield lens
- 44
- Linselens
- 55
- Schwingspiegeloscillating mirror
- 66
- Linselens
- 77
- Detektordetector
- 88th
- Steuervorrichtungcontrol device
- 99
- GitteraperturebeneGitteraperturebene
- 9a bis 9c9a to 9c
- Bildpunktepixels
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- 2007-03-08 DE DE200710011324 patent/DE102007011324A1/en not_active Withdrawn
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