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Die Erfindung betrifft eine Spektrometeranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.
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Es ist bekannt, einzelne Lichtleitfasern und zu Lichtleitkabeln gebündelte Lichtleitfasern zum Transfer von Messlicht aus einer Messebene in die Ebene des Eingangsspaltes eines Spektrometers zu verwenden. Dabei kann der Lichtleitfaserausgang den Eingangsspalt bilden. In der Internetpublikation „Optische Spektroskopie mit dispersiven Spektrometern Grundlagen - Bausteine - Systeme - Anwendungen“ Kapitel 5) Beleuchtung spectra-magic.de von Wilfried Neumann Status: April 2012 werden im Kapitel 5.4.1 die Ein- und Auskopplung ohne Zusatzoptik, ausschließlich über die Lichtleitfaser, beschrieben. Im Kapitel 5.3.4. sind Formen und Ausführungen von Einzelfasern und Lichtleitkabeln beschrieben. In den zugehörigen Figuren werden Lichtleitkabel gezeigt, die als Querschnittswandler ausgebildet sind. In der Grafik 128, Bild 3 ist gezeigt, dass Licht von sechs auseinander liegenden, unabhängigen Messpunkten in jeweils eine Lichtleitfaser eigekoppelt wird. Die sechs Lichtleitfasern werden zu einem Kabel gebündelt, wobei die Ausgänge der Lichtleitfasern in einem Abstand voneinander in einer Linie angeordnet sind. Jede Lichtleitfaser hat einen Lichtleitfaserkern, der von einem Lichtleitfasermantel umgeben ist, so dass die Orte der sechs Messungen mindestens um die doppelte Lichtleitfasermanteldicke auseinander liegen müssen. Spektrometeranordnungen mit einem zweidimensionalen Detektor sind an sich bekannt und werden als sogenannte pushbroom-Spekrometer bezeichnet. Die Auslesegeschwindigkeit zweidimensionaler Detektoren ist allerdings bekanntermaßen relativ langsam im Vergleich zu eindimensionalen Detektoren (Zeilendetektoren), was insbesondere für spektrale Messungen an bewegten Objekten nachteilig ist.
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In
WO 2010 / 148 068 A1 ist eine Spektrometeranordnung gezeigt, bei der die Ausgänge der Lichtleitfasern in zwei Linien in einer dichten Packung angeordnet werden und die Spektren mittels eines zweidimensionalen Detektors aufgenommen werden können.
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In
DE 197 28 966 A1 ist eine Spektrometeranordnung mit einem zweidimensionalen Detektor gezeigt, bei der ein Bündel von Lichtleitfasern am Ende der Lichtleitfasereingänge eine geometrische Verteilung aufweist, die von der geometrischen Verteilung als am Ende der Lichtleitfaserausgänge abweicht.
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Die Erfindung soll das Problem lösen, eine neue Spektrometeranordnung zu liefern, welche viele Spektren gleichzeitig erfassen kann und insbesondere geeignet ist, spektrale Messungen an einem linear bewegten Messobjekt vorzunehmen.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs.
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Erfindungsgemäß wird eine Spektrometeranordnung bereitgestellt, die ein Lichtleitkabel aus mehreren, jeweils einen Faserkern und einen Fasermantel aufweisenden Lichtleitfasern, ein dispergierendes Element und einen zweidimensionalen Detektor aufweist. Die Lichtleitfasern besitzen an einem Ende Lichtleitfasereingänge, über die Messlicht in die Lichtleitfasern einkoppelbar ist, und an einem anderen Ende Lichtleitfaserausgänge, über die das Messlicht aus den Lichtleitfasern auskoppelbar ist. An dem Ende der Lichtleitfaserausgänge sind die Lichtleitfasern in einer geometrischen Ausgangsverteilung angeordnet, die aus einer mehr als zweireihigen Anordnung der Lichtleitfasern, deren Reihen jeweils auf einer Linie liegen, besteht, wobei die mehr als zwei Reihen in Richtung der Linien parallel zueinander versetzt angeordnet sind. Die Fasermanteldurchmesser sind an dem Ende der Lichtleitfaserausgänge der ersten Reihe größer als die Außendurchmesser der Lichtleitfasern in den folgenden Reihen.
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Eine mehr als zweireihige Anordnung resultiert in einer verbesserten Ausnutzung der Detektorfläche.
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Durch den parallelen Versatz der Lichtleitfasern wird es möglich, Flächen auf dem Detektor zu belichten, die mit einer linearen Geometrie der Lichtleitfaserausgänge nach dem Stand der Technik nicht belichtet werden konnten, weil der Fasermantel (cladding) jeder Lichtleitfaser prinzipbedingt eine gewisse Mindestdicke aufweisen muss. Die Erfindung ermöglicht es somit bei gleicher Detektorbreite, etwa 1,5 mal so viele spektrale Informationen parallel zu registrieren wie bei einer linearen Geometrie der Lichtleitfaserausgänge nach dem Stand der Technik.
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Vorteilhaft sind die Lichtleitfasern an dem Ende der Lichtleitfaserausgänge, also in der Ebene der geometrischen Ausgangsverteilung, dicht gepackt nebeneinander angeordnet.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge den Eingangsspalt der Spektrometeranordnung bildet.
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Das von den Lichtleitfaserausgängen ausgekoppelte Messlicht wird vorzugsweise freistrahlend zu dem dispergierenden Element geleitet. Um eine Überlappung der erzeugten Spektren zu vermeiden, ist erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, dass die Faserkerndurchmesser der optischen Lichtleitfasern an die Fasermanteldurchmesser der Lichtleitfasern angepasst werden, um eine möglichst lückenlose Abtastfläche des zu prüfenden Messobjekts zu erreichen.
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Die Fasermanteldurchmesser jeder der Lichtleitfasern sind vorzugsweise zumindest an dem Ende der Lichtleitfaserausgänge so angepasst, dass die Faserkerne der Lichtleitfasern Abstände aufweisen, die so bemessen sind, dass das Spektrum des Messlichtes aus jeweils einem Faserkern auf jeweils eine Zeile des zweidimensionalen Detektors fällt. Es muss beachtet werden, dass zu kleine Fasermanteldurchmesser in der dispersiven Ebene, also der optischen Ebene, in die das dispergierende Element die dispergierten Ordnungen abbildet, zu einer Überlagerung der Spektren führen, wodurch es zu Fehlinformationen bei der Auswertung der durch den Detektor registrierten Spektren kommen kann. Der Faserkerndurchmesser jeder der optischen Lichtleitfasern ist gleich groß.
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Bei einer zweireihigen Anordnung der Lichtleitfasern, die nicht Teil der Erfindung ist, haben alle Lichtleitfasern zumindest an dem Ende der Lichtleitfaserausgänge einen gleichen Faserkerndurchmesser und einen gleichen Fasermanteldurchmesser.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfasern gegenüber der dispersiven Richtung einen Winkel ungleich 90° aufweist, das heißt gegenüber der dispersiven Richtung gedreht ist. In diesem Fall werden entsprechend die Fasermanteldurchmesser an die Faserkerndurchmesser der Lichtleitfasern angepasst, um eine spektrale Überlagerung zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß bilden die Lichtleitfasereingänge vorzugsweise eine geometrische Eingangsverteilung.
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Vorzugsweise sind die Lichtleitfasereingänge in gleicher Art und Weise angeordnet, wie die Lichtleitfaserausgänge.
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Alternativ können die Lichtleitfasereingänge jedoch auch vereinzelt angeordnet sein.
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Eine Vereinzelung erfolgt vorzugsweise so, dass die Lichtleitfasereingänge einreihig angeordnet sind. Nachfolgend wird diese Art der Anordnung auch als lateral-dispersive Anordnung oder lateral-dispersive Eingangsverteilung bezeichnet.
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Eine Vereinzelung kann alternativ auch so erfolgen, dass die Lichtleitfasereingänge über dem Messobjekt auf einem Kreisabschnitt angeordnet sind. Nachfolgend wird diese Art der Anordnung auch als winkel-dispersive Anordnung oder winkel-dispersive Eingangsverteilung bezeichnet.
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Eine weitere vorzugsweise Anordnung der Lichtleitfasereingänge besteht darin, dass diese einreihig und über dem Messobjekt auf einem Kreisabschnitt angeordnet sind.
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Mit den erfindungsgemäßen Spektrometeranordnungen ist es möglich, viele spektrale Informationen von einem Messobjekt parallel zu registrieren. Durch die Parallelisierung der Messungen wird es insbesondere ermöglicht, verschiedenste Schichtparameter dünner Schichten auf großen Flächen zu erfassen.
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Gegenüber den bekannten Lösungen wird die Messzeit verkürzt. Außerdem wird der Platzbedarf verringert, weil die Messung unmittelbar nahe an der zu untersuchenden Probe erfolgen kann.
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Für Messungen in einem laufenden Produktionsprozess ist die erfindungsgemäße Anordnung besonders gut geeignet, da diese zeitbestimmend und auflösungsbestimmend ist.
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Die Erfindung ist in allen bekannten Spektrometeranordnungen vorteilhaft einsetzbar. Bevorzugt wird jedoch eine Rowland-Anordnung eines Spektrometers verwendet. In einer solchen Anordnung wird das dispergierende Element durch ein konkaves abbildendes Gitter gebildet, dessen Krümmungsradius den so genannten Rowland-Kreis bestimmt. Die geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge, die den Eingangsspalt der Rowland-Spektrometeranordnung bildet, und der zweidimensionale Detektor liegen zueinander konjugiert auf oder annähernd auf dem Rowland-Kreis.
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Es versteht sich, dass die beschriebenen und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1: Geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge in einer zweireihigen Anordnung (nicht Teil der Erfindung)
- 2: Beispielhafte Darstellung parallel zueinander versetzter Spektren (nicht Teil der Erfindung)
- 3: Geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge in einer dreireihigen Anordnung
- 4: Beispielhafte Spektren-Anordnung gemäß der Anordnung nach 3
- 5: Gegenüber der dispersiven Ebene gedrehte geometrische Ausgangsverteilung in einer drei-reihigen Anordnung (nicht Teil der Erfindung)
- 6: Beispielhafte Spektren-Anordnung gemäß der Anordnung nach 5 (nicht Teil der Erfindung)
- 7 Winkel-dispersive geometrische Eingangsverteilung
- 8 Lateral-dispersive geometrische Eingangsverteilung
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Die Erfindung wird an Hand der Figuren in mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben.
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1 zeigt eine nicht zur Erfindung gehörende geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge 11 eines Lichtleitfaserkabels 6 in einer zwei-reihigen Anordnung in Aufsicht. Die Lichtleitfasern 3 weisen gleiche Faserkerndurchmesser und gleiche Fasermantel-Durchmesser auf.
Im Beispiel entspricht der Faserkerndurchmesser dem Durchmesser des Fasermantels. Eine erste Anzahl von Lichtleitfasern 3 ist entlang einer ersten Reihe 1 in einer Richtung z angeordnet. Eine zweite Zahl von Lichtleitfasern 3 ist entlang einer zweiten Reihe 2 angeordnet. Dabei sind die erste Reihe 1 und die zweite Reihe 2 zueinander parallel ausgerichtet und die Lichtleitfasern 3 beider Reihen sind in der Richtung z so zueinander parallel versetzt, daß eine möglichst dichte Packung erzeugt wird.
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Die gezeigte geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge bildet den Eingangsspalt einer Spektrometeranordnung. Die Faserausgänge sind planpoliert und so angeordnet, dass die Fasern der ersten Reihe 1 parallel zu den Fasern der zweiten Reihe 2 sind. Die Fasern der ersten Reihe 1 liegen alle auf einer Geraden. Entsprechend liegen die Fasern der zweiten Reihe 2 auf einer hierzu parallel versetzten Geraden.
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2 zeigt in einer beispielhaften und nicht zur Erfindung gehörenden Darstellung 13 parallel zueinander in z-Richtung versetzte Spektren. Ein Messobjekt wurde an 13 Messstellen simultan spektral vermessen. Zur Vermessung diente eine Spektrometeranordnung aus einem Lichtleitkabel mit 13 Lichtleitfasern, einem Hohlspiegelgitter als dispergierendem Element und einem zweidimensionalen Detektor. Die Ausgänge der Lichtleitfasern wiesen eine der 1 entsprechende geometrische Ausgangsverteilung auf, die den Eingangsspalt der Anordnung bildeten. Die Lichtleitfaserausgänge und der zweidimensionale Detektor lagen zueinander konjugiert annähernd auf dem Rowlandkreis des Gitters, orthogonal zur Richtung z. Jedes der Spektren wurde von dem Gitter auf jeweils eine Detektorzeile des zweidimensionalen Detektors abgebildet. In jeder dieser Detektorzeilen wurden die Intensitäten I als Funktion der Wellenlänge X registriert. Die geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfasern ist ursächlich für den parallelen Versatz der Spektren zueinander.
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3 zeigt eine geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge 11 eines Lichtleitfaserkabels 6 in einer drei-reihigen Anordnung in Aufsicht. Alle Lichtleitfasern 3 haben einen gleichen Faserkerndurchmesser. Die Lichtleitfasern 3 der ersten Reihe 1 weisen jedoch einen größeren Fasermanteldurchmesser 5 auf als die Lichtleitfasern der folgenden zwei Reihen. Die Außendurchmesser der Lichtleitfasern 3 sind so angepasst, dass die zu prüfende Oberfläche eines Messobjektes 12 möglichst lückenlos erfasst wird, wobei andererseits keine Überlagerung der Spektren in der dispersiven Ebene vorliegt.
Die gezeigte geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge bildet den Eingangsspalt einer erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung. Die Faserausgänge sind planpoliert und so angeordnet, dass die Fasern der ersten Reihe 1 parallel zu den Fasern der zweiten Reihe 2 sind. Die Fasern der ersten Reihe 1 liegen alle auf einer Geraden. Entsprechend liegen die Fasern der zweiten Reihe 2 auf einer hierzu parallel versetzten Geraden. Die Fasern der dritten Reihe 7 liegen auch auf einer Geraden, die ebenfalls parallel versetzt zu den Fasern der ersten Reihe 1 liegt. Die Anzahl der Fasern in der dritten Reihe 7 ist doppelt so groß wie die Fasern der ersten Reihe 1. Das Verhältnis der Außendurchmesser der Lichtleitfasern 3 der ersten Reihe 1 ist ca. 2,8 bis 2,9 -fach größer als der Außendurchmesser der Lichtleitfasern 3 der zweiten Reihe 2, bzw. der dritten Reihe 7. Bei Benutzung eines Abbildenden Spektrometers liegen alle Faserenden bevorzugt auf dem Rowland-Kreis des Spektrometers.
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Die neben der 3 stehende 4 zeigt beispielhaft Spektren gemäß der geometrischen Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge gemäß 3, die parallel vom Detektor erfasst wurden.
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5 zeigt eine zur z-Richtung der Detektorzeilen bzw. zur dispersiven Richtung x gedrehte geometrische Ausgangsverteilung der Lichtleitfaserausgänge in einer dreireihigen Anordnung, die nicht Teil der Erfindung ist. In diesem Beispiel sind die Faserkerndurchmesser der Lichtleitfasern entsprechend an die Fasermanteldurchmesser angepasst, um eine spektrale Überlagerung zu vermeiden.
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Die unmittelbar neben der 5 stehende 6 zeigt beispielhaft Spektren gemäß der Faseranordnung, die in 5 dargestellt ist.
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In 7 ist eine vereinzelte, winkel-dispersive Eingangsverteilung der Lichtleitfasereingänge 10 zu der Messebene 13 des Messobjektes 12 dargestellt. Die Lichtleitfasereingänge 10 liegen symmetrisch zu einer Symmetrieachse 9 auf einem Kreissegment mit dem Radius R. Die Lichtleitfaserausgänge 11 sind wie zu den 1 und 3 beschrieben linear und / oder parallel zueinander ausgerichtet.
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In 8 ist eine vereinzelte, lateral-dispersive Eingangsverteilung der Lichtleitfasereingänge 10 zu der Messebene 13 des Messobjektes 12 dargestellt. Die Lichtleitfaserausgänge 11 sind wie zu den 1 und 3 beschrieben linear und / oder parallel zueinander ausgerichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Reihe
- 2
- zweite Reihe
- 3
- Lichtleitfaser
- 4
- Lichtleitfaserkern
- 5
- Lichtleitfasermantel
- 6
- Lichtleitkabel
- 7
- dritte Reihe
- 8
- Ebene des Eingangsspaltes
- 9
- Symmetrieachse
- 10
- Lichtleitfasereingänge
- 11
- Lichtleitfaserausgänge
- 12
- Messobjekt
- 13
- Messebene
- R
- Radius
- I
- Intensitäten
- z
- Richtung der Detektorzeilen
- x
- dispersive Richtung
- λ
- Wellenlänge
