DE102007020945A1

DE102007020945A1 - Spektrometer zum spektralen Vermessen eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE102007020945A1
Application number: DE200710020945
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Rembe; Alexander Dr. Dräbenstedt
Original assignee: Polytec GmbH
Current assignee: Polytec GmbH
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2007-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zum spektralen Vermessen eines Lichtstrahls, umfassend eine Abbildungseinheit mit einem Strahleingang 1 und einem Strahlausgang, welche derart ausgeführt ist, dass ein in den Strahleingang 1 eintretender Lichtstrahl spektral räumlich aufgelöst an dem Strahlausgang ausgegeben wird, und einen Detektor 7 mit einem räumlich ausgedehnten Detektionsbereich, der in mehrere Messfelder 7a, 7b unterteilt ist, wobei Abbildungseinheit und Detektor 7 derart angeordnet sind, dass ein in den Strahleingang 1 der Abbildungseinheit eintretender Lichtstrahl spektral räumlich aufgelöst auf den Detektionsbereich des Detektors 7 abgebildet wird. Wesentlich ist, dass das Spektrometer ein optisches Anti-Aliasing-Element 2 aufweist, welches derart ausgeführt ist, dass die Intensität eines durch das optische Anti-Aliasing-Element 2 hindurch tretenden Lichtstrahls entlang einer im Wesentlichen senkrecht zu dem aus dem Anti-Aliasing-Element austretenden Lichtstrahl stehenden Integrationslinie B im Wesentlichen gemäß einer vorgegebenen Transmissionskurve verändert wird, wobei die Transmissionskurve mindestens zwei unterschiedliche Transmissionswerke aufweist, so dass das Anti-Aliasing-Element mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichen Intensitätsänderungen besitzt und dass das Anti-Aliasing-Element 2 derart am Strahleingang 1 der Abbildungseinheit angeordnet ist, dass ein aus dem Anti-Aliasing-Element austretender Lichtstrahl in den Strahleingang der ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zum spektralen Vermessen eines Lichtstrahls gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Demnach umfasst das Spektrometer eine Abbildungseinheit mit einem Strahleingang und einem Strahlausgang. Ein in die Abbildungseinheit eintretender Lichtstrahl wird am Strahlausgang spektral räumlich aufgelöst ausgegeben. Typischerweise sind solche Abbildungseinheiten derart ausgeführt, dass bei einem polychromatischen Lichtstrahl die einzelnen Komponenten in Abhängigkeit ihrer Frequenz in einem unterschiedlichen Winkel ausgegeben werden.
Das Spektrometer umfasst ferner einen Detektor mit einem räumlich ausgedehnten Detektionsbereich, der in einzelne Messfelder unterteilt ist, wobei für die einzelnen Messfelder jeweils ein Messsignal ermittelt werden kann.
Ein in den Strahleingang der Abbildungseinheit eintretender Lichtstrahl wird spektral räumlich aufgelöst auf den Detektionsbereich des Detektors abgebildet, so dass ein in das Spektrometer eintretender polychromatischer Lichtstrahl in seine monochromatischen Bestandteile zerlegt wird, wobei diese räumlich getrennt auf den Detektionsbereich des Detektors abgebildet werden. Durch die Aufteilung des Detektionsbereichs in Messfelder kann mittels Vermessung der einzelnen Messfelder das Spektrogramm des zu vermessenden Lichtstrahls bestimmt werden, mittels dessen auf die Wellenlängen der monochromatischen Komponenten des zu vermessenden Lichtstrahls rückgeschlossen werden kann.
Das Spektrometer bildet somit ein Spektrogramm des zu vermessenden Lichtstrahls auf den Detektionsbereich ab und über die einzelnen Messfelder wird dieses Spektrogramm abgetastet, so dass aus den Messsignalen der einzelnen Messfelder die spektrale Zusammensetzung des zu vermessenden Lichtstrahls bestimmt werden kann. Diese wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung über dem Detektionsbereich (das Spektrogramm) kann wiederum durch eine Fouriertransformation in Ortsfrequenzen zerlegt werden.
Bei dieser Messmethode, bei der kontinuierliche Parameter (die Intensitäten der im Spektrum vorhandenen Wellenlängen des zu vermessenden Lichtstrahls) mittels diskreter Abtastpunkte (die einzelnen Messfelder bzw. deren Messsignale) vermessen werden, kann es zu Aliasing-Effekten kommen, welche zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen. Es ist bekannt, dass solche Aliasing-Effekte vermieden werden können, wenn die so genannte Ny- quist-Bedingung des Nyquist-Shannon Sampling Theorems erfüllt ist. Im vorliegenden Fall bedeutet dies, dass ein monochromatischer in das Spektrometer eintretender Lichtstrahl mindestens auf zwei Messfelder abgebildet werden muss. Doch auch bei Beachtung dieser Bedingung können sich Probleme ergeben, wenn im genannten Beispiel der monochromatische Lichtstrahl derart auf den Detektionsbereich des Detektors abgebildet wird, dass er im Wesentlichen bündig mit dem Rand eines Messfeldes abschließt. Denn eine leichte Veränderung, beispielsweise durch eine Dejustierung der Optik des Spektrometers, eine Verschiebung durch Erschütterung oder Erwärmung des Spektrometers oder eine leichte Dejustierung, beispielsweise durch Austausch des Detektors können dazu führen, dass die Abbildung die Grenze des einen Messfeldes überschreitet und auch ein daneben liegendes Messfeld Signale abgibt. Hierdurch kann es zu Messfehlern kommen.
Zur Vermeidung dieser Probleme ist bekannt, den Detektor mechanisch zu verschieben, so dass die einzelnen Messfelder leicht aus ihren Standardpositionen verschoben und wieder zurückgeführt werden. Durch Beobachtung der Messsignale in Abhängigkeit der Verschiebung können solche Grenzfälle, bei denen eine Abbildung nahe einer Grenze eines Messfelds stattfindet, erkannt und entsprechend behandelt werden.
Solch ein Vorgehen erfordert jedoch einen apparativ aufwändigen mechanischen Verschiebemechanismus und entsprechende zeitaufwändige Mess- und Auswertezyklen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer zum spektralen Vermessen eines Lichtstrahls hinsichtlich der Anfälligkeit für Messfehler und insbesondere dahingehend zu verbessern, dass die oben genannten Effekte und daraus resultierende Messfehler vermieden werden können und gleichzeitig das Spektrometer sich durch einen robusten und kostengünstigen Aufbau auszeichnet und dass Verschiebevorgänge des Detektors vermieden werden können.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Spektrometer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Patentansprüchen 2 bis 18.
Die Erfindung unterscheidet sich vom bisherigen Stand der Technik also grundlegend dadurch, dass das Spektrometer ein optisches Anti-Aliasing-Element aufweist, welches einen durch das optische Anti-Aliasing-Element hindurchtretenden Lichtstrahl in folgender Weise verändert:
Vergleicht man die Intensität des Lichtstrahls entlang einer im Wesentlichen senkrecht zu dem Lichtstrahl stehenden Integrationslinie vor und nach Durchtritt durch das Anti-Aliasing-Element, so verändert das Anti-Aliasing-Element die entlang einer Integrationslinie aufgetragene Intensität gemäß einer vorgegebenen Transmissionskurve. Die Intensität entlang der Integrationslinie wird dabei derart bestimmt, dass für jeden Punkt der Integrationslinie senkrecht zur Integrationslinie und senkrecht zum Lichtstrahl (d.h. zur optischen Achse des Lichtstrahls) die Intensität des Lichtstrahls aufintegriert wird.
Die Transmissionskurve weist mindestens zwei unterschiedliche Transmissionswerte auf, welche mindestens zwei unterschiedlich starken Intensitätsänderungen entsprechen. Das optische Anti-Aliasing-Element besitzt gemäß der vorgegebenen Transmissionskurve somit mindestens zwei Bereiche, in denen ein hindurchtretender Lichtstrahl eine unterschiedliche Intensitätsänderung er fährt. Die beiden Transmissionswerte sind als positive Transmission, d.h. nicht als vollständige Abschattung oder Absorption zu verstehen. Das optische Anti-Aliasing-Element weist somit mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlicher Intensitätsänderung auf, in denen jedoch ein Lichtstrahl lediglich in seiner Intensität abgeschwächt, nicht jedoch völlig absorbiert wird.
Ferner ist das Anti-Aliasing-Element derart am Strahleingang der Abbildungseinheit angeordnet, dass ein aus dem Anti-Aliasing-Element austretender Lichtstrahl in den Strahleingang der Abbildungseinheit eintritt.
Bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer wird ein eintretender Lichtstrahl somit gemäß einer vorgegebenen Transmissionskurve in seiner Intensität verändert. Je geringer der Transmissionswert an einer Position, desto höher ist die Verringerung der Intensität (Abschwächung) des an dieser Position hindurchtretenden Lichtstrahles. Dies hat zur Folge, dass auch das mittels der Abbildungseinheit auf den Detektionsbereich des Detektors abgebildete Spektrogramm eine entsprechende Intensitätsänderung der monochromatischen Komponenten aufweist. Durch die unterschiedlichen Bereiche mit einer jeweils unterschiedlichen Transmission der Intensität kann somit ein Intensitätsverlauf des auf den Detektionsbereich des Detektors abgebildeten Spektrogramms mittels der Transmissionskurve vorgegeben werden. Dies ermöglicht eine definierte Intensitätsverteilung, so dass bei einer überlappenden Abbildung auf mehrere Messfelder die Intensität gemäß der vorgegebenen Transmissionskurve abfällt und dies entsprechend bei der Auswertung der Messsignale der einzelnen Messfelder berücksichtigt werden kann.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass durch die Transmissionskurve vorgegeben werden kann, wie die Intensität eines monochromatischen Bestandteils des zu vermessenden Lichtstrahls räumlich auf dem Detektor verläuft. So können große Steigungen hinsichtlich der Intensität im Spektrogramm, d.h. starke Intensitätsänderungen auf kleinem Raum in dem auf dem Detektor abgebildeten Spektrogramm durch entsprechende Transmissionskurven vermieden werden. Das ist von Vorteil, wenn der tatsächliche Intensitätsverlauf des Lichtspektrums aus den in den Messfeldern registrierten Werten ermittelt werden soll:
Die Messfelder bilden Abtastpunkte des zu messenden Signals, dem Intensitätsverlauf. Für die Rekonstruktion des ursprünglichen Signals aus den Abtastwerten dürfen in diesem keine höheren Ortsfrequenzen auftreten als es der Abstand der Messfelder und das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem zulassen. Diese Bedingungen können durch entsprechende Vorgabe einer Transmissionskurve eingehalten werden.
Durch die Transmissionskurve kann also ein Tiefpassfilter bezüglich der im Intensitätsverlauf enthaltenen Ortsfrequenzen vorgegeben werden.
Vorteilhafterweise ist die Transmissionskurve derart gewählt, dass sie zu den Seiten hin abnimmt, das heißt, dass entlang der Integrationslinie ein mittlerer Bereich mit einer höheren Transmission von zwei Bereichen mit einer geringeren Transmission eingerahmt ist. Ein mit einer derartigen Transmissionskurve modifizierter Lichtstrahl mit homogener Intensität besitzt somit bei der Abbildung auf den Detektionsbereich des Detektors einen mittleren Bereich mit höherer Intensität, welche zu den Seiten hin abgeschwächt ist. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Transmissionskurve zu den Seiten hin kontinuierlich abnimmt, zum Beispiel entlang der Integrationslinie einen mittleren Bereich mit hoher Transmission aufweist und von diesem ausgehend zu beiden Seiten hin eine linear abfallende Transmission besitzt. Dadurch ergibt sich auch bei überlappender Abbildung auf mehrere Messfelder eine linear abnehmende Intensität, so dass sich auch bei einer leichten Verschiebung der Grenzen der Messfelder keine abrupte Änderung in der auf die einzelnen Messfelder entfallenden Intensität und damit bei einer leichten Verschiebung der Messfelder z.B. durch Erschütterungen, thermische Ausdehnung des Detektorgehäuses oder einen Austausch des Detektors sich auch keine abrupte Änderung der Messsignale der einzelnen Messfelder ergibt.
Die Transmissionskurve ist vorteilhafterweise derart ausgeführt, dass sie eine Tiefpasscharakteristik mit einer vorgegebenen Grenzfrequenz f_G und einem vorgegebenen Unterdrückungsfaktor F_U aufweist. Die Tiefpasscharakteristik ergibt sich beispielsweise aus der Fouriertransformation der Transmissionskurve. Die Grenzfrequenz f_G ist somit eine Ortsfrequenz und kann beispielsweise in der Einheit Linien/mm angegeben werden, wie sie bei Angaben des Auflösungsvermögens optischer Apparaturen bekannt ist.
Der Unterdrückungsfaktor F_U gibt dabei die mindestens erreichte Unterdrückung von hohen Frequenzen oberhalb des 1.5-fachen der Grenzfrequenz f_G verglichen mit einer Rechteck-Transmissionskurve an. Eine Rechteck-Transmissionskurve wird beispielsweise durch eine an Stelle des Anti-Aliasing-Elementes angebrachte Rechteckblende realisiert. Die durch diese Blende realisierte Rechteck-Transmissionskurve weist lediglich einen Bereich mit einer konstanten Transmission auf.
Die Wahl der Grenzfrequenz f_G hängt von der Dichte der Messfelder auf dem Detektionsbereich des Detektors ab. Bei einem typischen Detektor, der 256 nebeneinander angeordnete Messfelder gleicher Breite mit einer Gesamtbreite des Messbereiches von etwa 12 mm aufweist, ist eine vorgegebene Grenzfrequenz von etwa f_G = 20 Linien/mm (d.h. 10 Linienpaare/mm) sinnvoll.
Eine erfindungsgemäße Transmissionskurve mit Unterdrückungsfaktor F_U = 5 bei einer Grenzfrequenz von f_G = 20 Linien/mm ist somit derart ausgeführt, dass in der Tiefpasscharakteristik Ortsfrequenzen über 30 Linien/mm mindestens um einen Faktor 5 stärker unterdrückt werden, als bei Verwendung einer Rechteck-Transmissionskurve mit einer breite von zwei Messfeldern, d.h. die auf zwei Messfelder des Detektors abgebildet wird.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Transmissionskurve derart ausgeführt, dass der Unterdrückungsfaktor F_U mindestens den Wert 5 beträgt. Besonders vorteilhafte Tiefpasscharakteristiken ergeben sich aufgrund von Untersuchungen der Anmelderin bei einem Unterdrückungsfaktor F_U von mindestens 10.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Transmissionskurve im Wesentlichen symmetrisch ist, das heißt ausgehend von einem mittleren Bereich entlang der Integrationslinie zu beiden Seiten hin den identischen oder zumindest im Wesentlichen identischen Verlauf aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Transmissionskurve im Wesentlichen den Verlauf einer Gaußkurve auf (f(x) = Aexp(–(Bx)²/w²)), so dass die resultierende Intensität des aus dem Anti-Aliasing-Element austretenden Lichtstrahls entlang der Integrationslinie im Wesentlichen einer Gaußkurve entspricht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Transmissionskurve im Wesentlichen den Verlauf einer Hammingkurve (f(x) = 1 + acos(bx)) auf, so dass die resultierende Intensität des aus dem Anti-Aliasing-Element austretenden Lichtstrahls entlang der Integrationslinie im Wesentlichen einer Hammingkurve entspricht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Transmissionskurve im Wesentlichen eine Sinus-Cardinalis-Form auf (sinc(x) = sin(x)/x) auf, so dass die resultierende Intensität des aus dem Anti-Aliasing-Element austretenden Lichtstrahls entlang der Integrationslinie im Wesentlichen einer Sinus-Cardinalis-Form entspricht. Ebenso ist es vorteilhaft, als Transmissionskurve eine mit einer Hammingkurve multiplizierte Sinus-Cardinalis-Form zu verwenden.
Die oben genannten Formeln dienen lediglich zur Klärung des qualitativen Verlaufes der aufgeführten Kurven. Der Variable x stellt dabei die Ortsvariable dar, d.h. sie gibt den Ort auf der Integrationslinie B wieder. Die quantitative Ausgestaltung kann durch Hinzufügung von Streckungsparametern in x- oder y-Richtung (wie z.B. die Skalierungsparameter A und B bei der Gaußkurve) und Wahl der aufgeführten Parameter a, b und w entsprechend der gewünschten quantitativen Ausgestaltung angepasst (d.h. gestreckt oder gestaucht) werden.
Sofern die Transmissionskurve durch eine sich asymptotisch dem Wert 0 annähernde Kurve, wie beispielsweise eine Gaußkurve, realisiert ist, besitzt die Kurve somit entlang der Integrationslinie B eine unendliche Breite. Das erfindungsgemäße optische Anti-Aliasing-Element realisiert typischerweise jedoch nur eine endliche Breite einer Transmissionskurve, die durch den einfallenden zu vermessenden Lichtstrahl überdeckt wird. Vorteilhafterweise wird das opti sche Anti-Aliasing-Element bei solchen Transmissionskurven daher derart gewählt, dass ausgehend von dem Maximalwert die Transmissionskurve bis zu einer Breite durch den einfallenden Lichtstrahl überdeckt wird, welche dem auf 1/F_U abgefallenen Wert der Transmissionskurve entspricht.
Ein optisches Anti-Aliasing-Element, welches beispielsweise eine Gaußkurve als Transmissionskurve mit einem vorgegebenen Unterdrückungsfaktor von beispielsweise F_U = 10 realisiert muss in diesem Fall derart ausgeführt sein, dass ausgehend von dem Maximum der Gaußkurve mindestens ein Bereich der Gaußkurve von dem einfallenden Lichtstrahl überdeckt ist, in dem die Gaußkurve auf 1/F_U = 1/10 des maximalen Wertes abgefallen ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spektrometers besitzen die Messfelder des Detektionsbereiches des Detektors im Wesentlichen eine einheitliche Breite und sind in einer Reihe angeordnet. Das Spektrometer ist derart ausgeführt, dass ein aus dem Anti-Aliasing-Element austretender Lichtstrahl derart mittels der Abbildungseinheit auf den Detektor abgebildet wird, dass die Integrationslinie, entlang derer die Transmissionskurve definiert ist, im Wesentlichen parallel zu der Reihe der Detektionsreihe liegt. Der durch die Transmissionskurve definierte Verlauf der Intensität des auf den Detektionsbereich abgebildeten Lichtstrahls verläuft somit parallel zu den in Reihe angeordneten Messfeldern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Transmissionskurve derart gestaltet, dass ein monochromatischer Lichtstrahl, der in das erfindungsgemäße Spektrometer eintritt, mindestens auf zwei Messfelder des Detektors abgebildet wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Anti-Aliasing-Element als optisches formgebendes Element ausgeführt ist. Ein durch das optische formgebende Element hindurchtretender Lichtstrahl wird hierbei auf eine im Wesentlichen vorgegebene Querschnittsform gebracht, das heißt eine im Wesentlichen vorgegebene geometrische Form senkrecht zur Strahlrichtung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das optische formgebende Element als Blende ausgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das optische formgebende Element als Querschnittswandler ausgeführt. Hierbei ist ein Querschnittswandler denkbar, welcher lichtleitende Fasern aufweist sowie einen Strahleingang, an dem der Lichtstrahl in die lichtleitenden Fasern eintritt und einen Strahlausgang, an dem aufgrund einer veränderten Anordnung der Fasern der Lichtstrahl nach Austritt aus den Fasern eine vorgegebenen Querschnittsform aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das optische Anti-Aliasing-Element als Intensitätsfilter ausgeführt. Hierbei ist beispielsweise eine Blende mit unterschiedlichen Graubereichen mit unterschiedlichem Transmissionsgrad hinsichtlich der Intensität eines durch sie hindurchtretenden Lichtstrahls denkbar.
Die Abbildungseinheit des erfindungsgemäßen Spektrometers ist vorteilhafterweise als Gitterspektroskop ausgeführt, das heißt die spektralräumliche Auflösung des Lichtstrahls wird mittels eines optischen Gitters erreicht.
Ebenso ist es jedoch auch denkbar, die Abbildungseinheit als Prismenspektroskop auszuführen, das heißt die spektral räumliche Auflösung des Lichtstrahls mittels eines optischen Prismas zu erreichen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Spektrometers, wobei die Abbildungseinheit als Gitterspektroskop ausgeführt ist;
2 in 2b eine als Transmissionsfunktion γ(B) vorgegebene Transmissionskurve, welche durch die in 2a dargestellte optische Blende realisiert werden kann und bei hinsichtlich der Intensi tät homogener Beleuchtung der Blende zu einem in 2c dargestellten Intensitätsverlauf I(B) führt;
3 eine in 3d dargestellte Transmissionsfunktion γ'(B) mit linear ansteigendem Verlauf, welche durch eine in 3a dargestellte optische Blende realisiert werden kann und bei hinsichtlich der Intensität homogener Beleuchtung der Blende zu einem in 3c dargestellten Intensitätsverlauf I'(B) führt;
4 einen schematischen Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen Spektrometers, bei dem mehrere Reihen von Messfeldern übereinander in dem Detektionsbereich angeordnet sind;
5 einen Detailausschnitt einer in 4a) dargestellten Reihenblende und
6 eine schematische Darstellung einer mittels der in 4a dargestellten Reihenblende auf die Messfelder des Detektionsbereiches abgebildeten monochromatischen Lichtstrahls.
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spektrometers. Eine Abbildungseinheit des erfindungsgemäßen Spektrometers umfasst einen Strahleingang 1, eine Kollimatorlinse 3, einen Ordnungsfilter 4, ein optisches Gitter 5, sowie eine Abbildungslinse 6.
Durch den Strahleingang 1 tritt ein zu vermessender Lichtstrahl mit Strahlachse A in die Abbildungseinheit ein und wird mittels der Kollimationslinse 3 auf das optische Gitter 5 abgebildet. Mittels des optischen Gitters 5 wird der zu vermessende Lichtstrahl spektral räumlich aufgelöst und über die Abbildungslinse 6 auf einen Detektor 7 abgebildet. Die Abbildungslinse 6 stellt somit den Strahlausgang der Abbildungseinheit dar.
Der Detektor 7 ist als Zeilendetektor ausgeführt, das heißt er weist einen Detektionsbereich auf, der in reihenartig nebeneinander angeordnete Messfelder unterteilt ist. In der in 1 gewählten schematischen Darstellung liegt die Reihe der Messfelder in der Bildebene; zur Verdeutlichung sind die Begrenzungen zweier Messfelder 7a und 7b beispielhaft eingezeichnet.
Der spektral räumlich aufgelöste Lichtstrahl wird somit durch die Abbildungslinse auf den Detektionsbereich abgebildet. Jede Wellenlängenkomponente beaufschlagt dort einen oder mehrere Messfelder des Detektionsbereiches des Detektors 7. Mittels einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit werden die Messsignale der einzelnen Messfelder ausgelesen und es erfolgt eine rechnerische Rekonstruktion des auf den Detektionsbereich abgebildeten Spektrogramms des zu vermessenden Lichtstrahls.
Der Ordnungsfilter 4 unterdrückt Wellenlängen, die in höherer Beugungsordnung auf gleiche Detektorpositionen fallen würden, als eine Wellenlänge aus dem gewünschten, zu vermessenden Wellenlängenbereich. Der Ordnungsfilter 4 kann als an sich bekannter Langpassfilter oder als Bandpassfilter ausgeführt sein.
Wesentlich ist nun, dass das erfindungsgemäße Spektrometer ein optisches Anti-Aliasing-Element 2 aufweist, welches am Strahleingang der Abbildungseinheit angeordnet ist. Ein zu vermessender Lichtstrahl durchläuft zunächst das optische Anti-Aliasing-Element 2 und tritt nachfolgend in den Strahleingang 1 der Abbildungseinheit ein.
Das Anti-Aliasing-Element 2 ist derart ausgeführt, dass die Intensität des hindurchtretenden Lichtstrahls mit Strahlachse A entlang einer im Wesentlichen senkrecht zu dem aus dem Anti-Aliasing-Element 2 austretenden Lichtstrahl stehenden Integrationslinie B im Wesentlichen gemäß einer vorgegebenen Transmissionskurve verändert wird.
Durch die vorgegebene Transmissionskurve und die entsprechende Ausgestaltung des Anti-Aliasing-Elementes 2 kann somit die Transmission (und damit die Abschwächung) der Intensität des in das erfindungsgemäße Spektrometer eintretenden Lichtstrahls entlang der Integrationslinie B vorgegeben werden. Sofern das Anti-Aliasing-Element mit homogener Intensität durch den zu vermessenden Lichtstrahl ausgeleuchtet wird, kann durch die Transmissionskurve der relative Intensitätsverlauf des in die Abbildungseinheit eintretenden Lichtstrahls entlang der Integrationslinie B vorgegeben werden. Sollte das Anti-Aliasing-Element 2 mit räumlich inhomogener Intensität beleuchtet sein, so wird durch die Transmissionskurve immerhin eine relative Änderung der Intensität festgelegt.
Der vorgegebene durch die Transmissionskurve bestimmte Intensitätsverlauf (bzw. Verlauf der Intensitätsänderung) wird durch die Abbildungseinheit entsprechend auf den Detektor 7 übertragen, so dass auch das Abbild auf dem Detektor den durch die Transmissionskurve vorgegebenen Intensitätsverlauf zeigt. Durch das erfindungsgemäße Spektrometer ist es somit möglich, einen gewünschten Intensitätsverlauf auf dem Detektor zu erreichen, insbesondere parallel zu den reihenartig angeordneten Messfeldern des Detektionsbereiches 7, das heißt in der schematischen Darstellung in 1 in der Bildebene liegend.
In 2 ist in 2a ein erfindungsgemäßes Anti-Aliasing-Element dargestellt, welches als Stufenblende 2' ausgeführt ist. Die dazugehörige vorgegebene Transmissionsfunktion γ(B) ist in 2b dargestellt. Die Transmissionsfunktion weist zwei unterschiedliche Transmissionswerte auf: einen mittleren Bereich 2 mit hoher Transmission und daran anliegend zwei Randbereiche 1 und 3 mit geringerer Transmission. Sofern die in 2a dargestellte Stufenblende 2' hinsichtlich der Intensität homogen durch den zu vermessenden Lichtstrahl ausgeleuchtet wird, ergibt sich die in 2c qualitativ dargestellte Intensitätsverteilung I(B) des Lichtstrahls nach Durchlaufen der Stufenblende; die Intensität wurde dabei derart ermittelt, dass entlang der in 2a eingezeichneten Integrationslinie B jeweils senkrecht zur Integrationslinie B, das heißt parallel zur Linie C die Intensität des Lichtstrahls aufintegriert wurde.
Die Stufenblende 2' kann als drei nebeneinander angeordnete, jeweils einem der Bereiche 1, 2 und 3 zugeordnete Rechteckblenden angesehen werden.
In 3 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Anti-Aliasing-Element dargestellt, welches als in 3a dargestellte Rautenblende 2'' ausgeführt ist. Die Rautenblende 2'' realisiert die in 3b dargestellte Transmissionsfunktion γ'(B), welche einen umgekehrt V-förmigen Verlauf aufweist: In einem mittleren Bereich 2 findet eine hohe Transmission statt, wobei ausgehend von einem Maximum nach rechts und links linear abfallend die Transmission abnimmt, so dass in den Randbereichen 1 und 3 eine geringere Transmission (und damit höhere Abschwächung der Intensität) stattfindet.
Bei hinsichtlich der Intensität homogen ausgeleuchteter Rautenblende 2'' ergibt sich die in 3c qualitativ dargestellte Intensitätsverteilung I'(B) entlang der Integrationslinie B.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das in 1 schematisch dargestellte Spektrometer derart ausgeführt, dass die durch das Anti-Aliasing-Element 2 vorgegebene Breite (in der Bildebene, das heißt parallel zur Integrationslinie B) des Lichtstrahls derart gewählt ist, dass nach Abbildung auf den Detektor 7 mindestens zwei Messfelder durch die Abbildung mit einem Lichtsignal beaufschlagt werden. Hierdurch können Aliasing-Effekte bei der Abtastung des Spektrogramms durch den Detektor 7 vermieden werden.
Die in den 2b) und 3b) dargestellten erfindungsgemäßen Transmissionskurven weisen drei Bereiche mit zwei unterschiedlichen Transmissionswerten und damit zwei unterschiedliche Intensitätsänderungen gemäß Anspruch 1 auf. Die in Anspruch 2 beschriebene Tiefpasscharakteristik gegenüber einer Rechteck-Transmissionskurve mit einem Unterdrückungsfaktor F_U von mindestens 5 für Frequenzen oberhalb des 1.5-fachen einer Grenzfrequenz f_G ist mit diesen Funktionen jedoch nicht realisierbar. Hierfür muss eine Transmissionsfunktion beispielsweise gemäß der vorausgehend erwähnten Gauß- oder Hammingfunktion gewählt werden.
Durch das erfindungsgemäße Spektrometer können somit erstmalig definierte Intensitätsverläufe des auf den Detektor abgebildeten Spektrogramms des zu vermessenden Lichtstrahls, insbesondere auch ein gaußförmiger Verlauf (das heißt einer Gauß-Glocke entsprechend) der Intensität entlang der Integrationslinie B beispielsweise, durch eine entsprechend gaußförmig ausgestanzte optische Blende erreicht werden. Die Ausstanzung ist hierbei auf einen Teil der an sich unendlich breiten Gaußkurve beschränkt. Vorteilhafterweise wird die breite der Ausstanzung derart gewählt, dass die Gaußkurve mindestens auf ein Fünftel, insbesondere auf ein Zehntel ihrer Mittenhöhe abgefallen ist.
Ebenso ist es denkbar, das Anti-Aliasing-Element als Graufilter mit mehreren Bereichen unterschiedlicher Graustufen, das heißt unterschiedlicher Transmission auszubilden oder hierfür an sich bekannte optische Querschnittswandler zu verwenden.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde ein zu vermessender Lichtstrahl auf in einer Reihe nebeneinanderliegende Messfelder, d.h. in Figur in der Bildebene nebeneinander liegende Messfelder (7a, 7b) abgebildet.
Ebenso liegen Ausführungsbeispiele im Rahmen der Erfindung, bei denen mehre Reihen von Messfeldern übereinander angeordnet sind. Solch ein Ausführungsbeispiel ist in 4 schematisch dargestellt.
Das erfindungsgemäße Spektrometer umfasst die bereits in der Beschreibung zu 1 erläuterten Elemente 3 bis 6 in gleicher Anordnung. Der in 1 dargestellte Detektor 7 ist in 4 durch einen Matrixdetektor 7' ersetzt. Dieser weist nicht nur eine in der Bildebene in 4 liegende Reihe von nebeneinander angeordneten Messfeldern auf, sondern auch mehrere senkrecht zur Bildebene übereinander liegende Reihen von Messfeldern. Die Messfelder ergeben somit eine in 6 dargestellte Matrix, wobei beispielhaft zwei Messfelder 7'a1 und 7'b1 der ersten Reihe und ein Messfeld 7'a2 der zweiten Reihe gekennzeichnet sind.
Das in 4 dargestellte optische Anti-Aliasing-Element ist als Reihenblende 2''' ausgeführt. Die Reihenblende 2''' weist, wie in 4a) dargestellt, mehrere übereinander liegende optische Spalte auf, die jeweils in drei Bereiche mit unterschiedlichen Intensitätsabschwächung unterteilt werden können. Vorteilhafterweise sind alle optische Spalte im Wesentlichen gleich ausgeführt, so dass sie dieselbe Transmissionskurve realisieren. Die einzelnen Spalte können dabei voneinander getrennt ausgeführt sein oder wie in 4a) dargestellt einen gemeinsamen, durchgängigen inneren Bereich aufweisen.
In 5 sind die untersten vier optischen Spalte (i-iv) der Reihenblende 2''' dargestellt. Für Spalt i ist die Integrationslinie B, entlang derer wie vorhergehend beschrieben die Intensität in Richtung C aufintegriert wird. Allerdings findet die Integration nur in dem zu Spalt i gehörenden, durch Anfang und Ende der Linie C begrenzten Bereich statt. Auf diese Weise können jedem optischen Spalt jeweils drei Bereiche 1, 2 und 3 mit unterschiedlicher Intensitätsabschwächung wie vorhergehend beschrieben zugeordnet werden.
Der in das erfindungsgemäße Spektrometer über die Reihenblende 2''' eintretende zu vermessende Lichtstrahl kann aus einer in 4 schematisch dargestellten optischen Messapparatur 10 stammen. Die optische Messapparatur 10 kann beispielsweise als Mikroskop ausgebildet sein. Die Messapparatur 10 erzeugt einen spaltförmigen zu vermessenden Strahl, welcher derart auf die Reihenblende 2''' abgebildet wird, dass die Öffnung der Reihenblende 2''' im wesentlichen von dem zu vermessenden Lichtstrahl überdeckt wird.
In 6 ist durch den dick umrandeten Bereich 11 beispielhaft dargestellt, wie ein monochromatischer, zu vermessender spaltförmiger Strahl auf den Messbereich des Detektors 7' abgebildet wird. Der Detektor 7' weist in X-Richtung reihenförmig angeordnete X-Reihen von Messfeldern auf. Jeder Spalt der Reihenblende 2''' wird jeweils auf eine X-Reihe abgebildet.
Die verschiedenen in X-Richtung nebeneinander liegenden Messfelder erlauben für jeden Spalt der Reihenblende 2''' eine Auswertung hinsichtlich der Frequenz. In Y-Richtung wird der Strahl in mehrere Partitionen unterteilt, so dass beispielsweise wie in 6 dargestellt 13 übereinander liegende, räumlich getrennte Bereiche des zu vermessenden Lichtstrahls jeweils spektrometrisch vermessen werden können.

Claims

Spektrometer zum spektralen Vermessen eines Lichtstrahls, umfassend eine Abbildungseinheit mit einem Strahleingang (1) und einem Strahlausgang, welche derart ausgeführt ist, dass ein in den Strahleingang (1) eintretender Lichtstrahl spektral räumlich aufgelöst an dem Strahlausgang ausgegeben wird und einen Detektor (7) mit einem räumlich ausgedehnten Detektionsbereich, der in mehrere Messfelder (7a, 7b) unterteilt ist, wobei Abbildungseinheit und Detektor (7) derart angeordnet sind, dass ein in den Strahleingang (1) der Abbildungseinheit eintretender Lichtstrahl spektral räumlich aufgelöst auf den Detektionsbereich des Detektors (7) abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer ein optisches Anti-Aliasing-Element (2, 2', 2'', 2''') aufweist, welches derart ausgeführt ist, dass die Intensität eines durch das optische Anti-Aliasing-Element (2) hindurch tretenden Lichtstrahls entlang einer im wesentlichen senkrecht zu dem aus dem Anti-Aliasing-Element austretenden Lichtstrahl stehenden Integrationslinie (B) gemäß einer vorgegebenen Transmissionskurve verändert wird, wobei die Transmissionskurve mindestens zwei unterschiedliche Transmissionswerte aufweist, so dass das optische Anti-Aliasing Element (2) mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichen Intensitätsänderungen besitzt und dass das Anti-Aliasing-Element (2) derart am Strahleingang (1) der Abbildungseinheit angeordnet ist, dass ein aus dem Anti-Aliasing-Element (2) austretender Lichtstrahl in den Strahleingang (1) der Abbildungsein heit eintritt.
Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionskurve derart gewählt ist, dass sie eine Tiefpasscharakteristik gegenüber einer Rechteck-Transmissionskurve mit einem Unterdrückungsfaktor F_U von mindestens 5 für Frequenzen oberhalb des 1.5-fachen einer vorgegebenen Grenzfrequenz f_G aufweist.
Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionskurve derart gewählt ist, dass der Unterdrückungsfaktor F_U mindestens 10 beträgt.
Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionskurve zu den Seiten hin abnimmt, insbesondere, dass die Transmissionskurve zu den Seiten hin kontinuierlich abnimmt.
Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionskurve im Wesentlichen symmetrisch ist.
Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionskurve im Wesentlichen den Verlauf einer Gaußkurve aufweist.
Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionskurve im Wesentlichen den Verlauf einer Hamming-Kurve aufweist.
Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionskurve im Wesentlichen eine Sinus-Cardinalis-Form aufweist, insbesondere eine mit einer Hamming-Kurve multiplizierte Sinus-Cardinalis-Form.
Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfelder (7a, 7b) des Detektionsbereiches in einer Reihe angeordnet sind, insbesondere dass die Messfelder (7a, 7b) des Detektionsbereiches des Detektors (7) im Wesentlichen eine einheitliche Breite besitzen und dass das Spektrometer derart ausgeführt ist, dass ein aus dem Anti-Aliasing-Element (2) austretender Lichtstrahl durch die Abbildungseinheit derart auf den Detektor (7) abgebildet wird, dass die Integrationslinie im Wesentlichen parallel zu der Reihe der Detektionsbereiche liegt.
Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (7') einen Detektionsbereich mit mehreren reihenartig übereinander angeordneten Messfeldern (7'a1, 7'b1, 7'a2) besitzt, welche eine Matrix von Messfeldern ergeben und das Spektrometer derart ausgeführt ist, dass ein in das Spektrometer einfallender monochromatischer Lichtstrahl mindestens auf eine Spalte der Matrix der Messfelder des Detektors (7') abgebildet wird, so dass räumlich getrennte Segmente des Lichtstrahls einzeln spektral vermessen werden können.
Spektrometer nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer so ausgeführt ist, dass ein monochromatischer, in das Spektrometer eintretender Lichtstrahl auf mindestens zwei Messfelder des Detektors (7) abgebildet wird.
Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Anti-Aliasing-Element (2) ein optisches formgebendes Element ist, welches derart ausgeführt ist, dass ein durch das optische Anti-Aliasing-Element hindurchtretender Lichtstrahl beim Austritt aus dem Anti-Aliasing-Element im Wesentlichen eine vorgegebene Querschnittsform besitzt.
Spektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische formgebende Element als Blende (2', 2'', 2''') ausgeführt ist.
Spektrometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische formgebende Element als Querschnittswandler ausgeführt ist.
Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Anti-Aliasing-Element (2) als Intensitätsfilter ausgeführt ist.
Spektrometer nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinheit einen optischen Ordnungsfilter umfasst, welcher im Strahlengang der Abbildungseinheit angeordnet ist.
Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinheit als Gitterspektroskop ausgeführt ist.
Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinheit als Prismenspektroskop ausgebildet ist.