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Die Erfindung betrifft ein spektrometrisches Messinstrument gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Kopplung spektrometrischer Messinstrumente.
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Ein gattungsgemäßes spektrometrisches Messinstrument umfasst ein Gehäuse, das einen Lichteingangsspalt aufweist, ein Beugungsgitter, das innerhalb des Gehäuses derart angeordnet ist, das durch den Lichteingangsspalt einfallendes Licht unter Entstehung von Beugungsordnungen abgelenkt wird. Mindestens eine der Beugungsordnungen wird einer Auswertungseinheit zugeführt, in der das Spektrum des einfallenden Lichtes (Probenlicht) untersucht wird. Dabei spielt es zunächst keine Rolle, ob ein Bildsensor und die zugehörige Auswerteelektronik in das Messinstrument integriert oder in einem separaten Spektrometer angeordnet sind. Im ersten Fall ist das Messinstrument ein Spektrometer, im letzterem Fall ist das Messinstrument ein Messkopf.
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In den Anwendungen der Spektroskopie wird es zunehmend wichtiger, das Probenverhalten eines ganz bestimmten und örtlich begrenzen Messflecks zu analysieren. Die zu gewinnenden Informationen können die spektralen Bereiche von UV-VIS-NIR-MIR umfassen, aber auch Aussagen über die Gesamtenergie in einem bestimmten Spektralbereich bieten. Um die Probe sehr genau analysieren zu können, müssen also zwei oder mehr Detektoren genau das gleiche Probenlicht sehen.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen, dieses Problem zu lösen.
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Eine erste Möglichkeit ist die Verwendung eines Y-Lichtwellenleiters, der das Probenlicht in ein UV-VIS und ein NIR-Spektrometer leitet, wobei aufbaubedingt die Effizienz des Y-Lichtwellenleiters schlecht ist.
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Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines dichroitischen Teilers im Strahlengang. Hierbei ist aufgrund der Filtercharakteristik des Teilers wiederum mit Verlusten und einer unscharfen Trennung der Spektralbereiche zu rechnen, für bestimmte Wellenlängenbereiche existieren keine anforderungsgerechten Filter.
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Außerdem bekannt sind Spektrometer, bei denen intern mehrere Abbildungen auf verschiedene Gitter und später Detektoren realisiert sind (z. B. Mini Echelle).
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Aus der
DE 10 2010 047 061 A1 ist ein optisches Weitbereichsspektrometer bekannt, das die Verwendung von Hybriddetektoren vorschlägt. Dabei sind zwei oder mehr unterschiedlich aufgebaute optoelektronische Wandler in Richtung des Strahlenganges des gebeugten Lichtes hintereinander angeordnet. Dieser Aufbau ist technisch kompliziert und schwierig zu realisieren.
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Die
DE 10 2012 007 609 A1 beschreibt ein Weitbereichsspektrometer mit einem Strahlteiler und zwei oder mehr Zeilen- oder Matrixdetektoren zur Detektion verschiedener Wellenlängenbereiche. Überlappende Wellenlängenbereiche werden von beiden Detektoren erfasst oder durch Filter und/oder die Anordnung der Detektoren separiert.
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Aus der
DE 10 2011 080 278 A1 ist ein Echelle-Spektrometer bekannt, bei dem mittels eines Echellegitters und eines monolithischen Körpers das austretende Strahlenbündel in einer zweiten Dispersionsrichtung quer zur Dispersionsrichtung des Echellegitters dispergiert wird und damit eine Trennung der Beugungsordnungen des Echellegitters erfolgt. Es werden intern mehrere höhere Beugungsordnungen auf dem Detektor abgebildet, die ein kontinuierliches Spektrum bilden.
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Diese bekannten optischen Aufbauten sind meist kompliziert und daher insbesondere bei der Fertigung nur sehr aufwendig zu montieren und justieren.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur einfachen und effizienten Kopplung mehrerer optischer Messinstrumente bereitzustellen und damit die Funktionalität eines Weitbereichsspektrometers auf besonders kostengünstige Weise zu bieten.
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Die Aufgabe wird durch ein spektrometrisches Messinstrument mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Kopplung spektrometrischer Messinstrumente gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes spektrometrisches Messinstrument umfasst zunächst in bekannter Weise ein Gehäuse, das einen Lichteingangsspalt aufweist, durch den Probenlicht in das Innere des Gehäuses gelangt. Im Gehäuse ist ein Beugungsgitter so angeordnet, dass das Probenlicht auf dieses auftrifft und durch Beugung in seine spektralen Anteile zerlegt wird.
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Dem Beugungsgitter nachgeordnet treten immer mehrere Beugungsordnungen in verschiedenen Intensitäten auf. Das Beugungsgitter kann dabei derart abgestimmt sein, dass eine bestimmte Beugungsordnung eine besonders gute Intensitätsverteilung des dispergierten Lichtes in einem gewünschten Spektralbereich zeigt. Die Auswertung dieser Beugungsordnung mittels eines Detektors erfolgt in bekannter Weise. Dazu kann der Detektor innerhalb des Gehäuses angeordnet sein oder das gebeugte Probenlicht wird einem externen Detektor über Lichtleiter oder freistrahlgekoppelt zugeführt. Meist wird die erste Beugungsordnung zur Detektion verwendet.
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Erfindungsgemäß ist ein Lichtleitelement als Auskoppelelement zur Auskopplung einer Nullten Beugungsordnung des gebeugten Probenlichtes vorgesehen. Das Auskoppelelement ist im Strahlengang des Probenlichtes dem Beugungsgitter nachgeordnet am Ort der Nullten Beugungsordnung angeordnet.
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In der einfachsten Ausführungsform kann das Auskoppelelement ein am Gehäuse vorgesehener Lichtaustrittsspalt sein, der so angeordnet ist, dass die Nullte Beugungsordnung dadurch ausgekoppelt wird.
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Das Auskoppelelement kann in einer bevorzugten Ausführungsform einen Spiegel umfassen, der die Nullte Beugungsordnung zu einer Koppeloptik leitet. Alternativ kann das Auskoppelelement auch bereits innerhalb des Gehäuses mit einem Lichtleiter realisiert sein.
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Die Koppeloptik kann dabei freistrahlbasiert oder mit einem Lichtleiter realisiert sein.
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Die Nullte Beugungsordnung des Probenlichtes kann also mittels des Auskoppelelementes und ggf. der Koppeloptik einem oder mehreren weiteren optischen Messinstrument zugeführt werden. Dabei spielt es keine Rolle, ob die gekoppelten optischen Messinstrumente in einem gemeinsamen oder in getrennten Gehäusen angeordnet sind.
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Je nach der Beschaffenheit des Beugungsgitters weisen verschiedene Wellenlängen Maxima in unterschiedlichen Beugungsordnungen auf. Durch Abstimmung des Beugungsgitters auf den zu detektierenden Wellenlängenbereich und den Detektor werden die gewünschten Messinstrumente bzw. Spektrometer konfiguriert.
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Die Nullte Beugungsordnung ist eine Reflexion am Beugungsgitter, bei der die Intensitätsverteilung über die Wellenlänge sich deutlich von der Intensitätsverteilung der ersten Beugungsordnung unterscheidet.
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Die Nullte Beugungsordnung enthält also spektrale Anteile hoher Intensität, welche von dem ersten spektrometrischen Messinstrument nicht verwendet werden, weil die Detektoren nicht für diesen Bereich optimiert sind. Diese Anteile werden nun erfindungsgemäß einem zweiten optischen Messinstrument zugeführt, dessen Beugungsgitter und Detektor (intern oder extern) auf die vom ersten System nicht detektierten Wellenlängenbereiche abgestimmt ist.
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Die Vorteile der Erfindung sind vor allem darin zu sehen, dass das Probenlicht optimal ausgenutzt werden kann um verschiedene Spektralbereiche, für die verschiedene Detektoren erforderlich sind, auszuwerten, ohne dass wertvolles Probenlicht verloren geht. Das Beugungsgitter des ersten optischen Messinstrumentes kann ideal auf die Messaufgabe angepasst werden, während das „Restlicht“ einem zweiten optischen Messinstrument zugeführt wird, das wiederum auf dieses „Restlicht“ optimal abgestimmt ist („Lichtrecycling“). Weitere Messinstrumente können auf die erfindungsgemäße Art miteinander gekoppelt werden.
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Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Auskoppelelement ein Spiegel, der im Strahlengang des Probenlichtes nach dem Beugungsgitter derart angeordnet ist, dass er das Licht der Nullten Beugungsordnung zu einem Ausgang des Gehäuses reflektiert, wobei der Ausgang eine Freistrahlkopplung oder eine Lichtleiterkopplung sein kann (Koppeloptik).
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Anstelle des Spiegels kann alternativ im Gehäuse eine Empfangsvorrichtung vorgesehen sein, die das Probenlicht der Nullten Beugungsordnung direkt in einen Lichtleiter und zum Ausgang leitet.
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Das Beugungsgitter ist vorzugsweise als Reflexionsgitter ausgeführt. Sofern als Beugungsgitter ein Blazegitter verwendet wird, kann eine optimale Abstimmung auf den nachfolgend zu verwendenden Detektor erfolgen.
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Beispiele zur Ausführung der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine Prinzipdarstellung einer Kopplung optischer Messinstrumente nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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2: ein spektrometrisches Messsystem in einer ersten bevorzugten Ausführungsform als Prinzipdarstellung;
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3: ein spektrometrisches Messsystem in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform als Prinzipdarstellung;
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4: ein Diagramm einer Intensitätsverteilung.
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Mit 1 soll das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kopplung optischer Messinstrumente beispielhaft verdeutlicht werden. Ein erstes spektrometrisches Messinstrument, hier ein Spektrometer 1, ist dabei mit einem zweiten spektrometrischen Messinstrument, einem Spektrometer 2, erfindungsgemäß gekoppelt.
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Dabei zeigt Abbildung a) eine Kopplung der Spektrometer 1 und 2 mittels eines Lichtwellenleiters 3, während Abbildung b) eine Freistrahlkopplung zeigt.
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Ein durch einen Eingangsspalt E1 eintreffendes Lichtbündel 4 trifft auf ein Beugungsgitter G1 des ersten Spektrometers 1, wird dort entsprechend der Gitterdimensionierung in einer Ersten Beugungsordnung 5 spektral zerlegt und mittels eines Detektors D1 detektiert. Beugungsgitter G1 und Detektor D1 sind aufeinander abgestimmt.
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Am Beugungsgitter G1 wird eine Nullte Beugungsordnung N reflektiert und gemäß Abb. a) über ein Auskoppelelement 6 dem Lichtwellenleiter 3 zugeführt. Der Lichtwellenleiter 3 führt das Licht der Nullten Beugungsordnung zum zweiten Spektrometer 2, wo dieses über einen Eingangsspalt E2 eingekoppelt wird.
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Gemäß Abbildung b) sind die Messinstrumente, d. h. die Spektrometer 1 und 2 mittels einer Freistrahlkopplung miteinander gekoppelt. Dabei ist ein Eingangsspalt E2 des zweiten Spektrometers 2 identisch mit einem Ausgangsspalt des ersten Spektrometers 1.
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Im zweiten Spektrometer 2 sind ein zweites Beugungsgitter G2 und ein zweiter Detektor D2 aufeinander abgestimmt in bekannter Weise angeordnet.
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Gehäuse sind in Abb. b) nicht dargestellt.
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2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen spektrometrischen Messsystems 100. Das kombinierte spektrometrische Messsystem 100 (Darstellung nicht maßstäblich) umfasst ein erstes Spektrometer 110, welches der Erfassung eines ersten Spektralbereichs dient und ein zweites Spektrometer 130, welches der Erfassung eines zweiten (sich vom ersten unterscheidenden) Spektralbereichs dient.
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Eine Koppeloptik 120 ist dazu ausgebildet, das Licht der Nullten Beugungsordnung des ersten Spektrometers 110 dem zweiten Spektrometer 130 zuzuführen.
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Das erste Spektrometer 110 weist eingangsseitig eine Spaltblende 111 (oder eine andere geeignete Apertur) auf, durch welche Licht in Form eines Strahlenbündels 113 ins Spektrometer eintritt. Die spektrale Bandbreite des einfallenden Lichts umfasst im Ausführungsbeispiel die Wellenlängen von 190nm bis 1700nm, kann aber prinzipiell einen beliebigen Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums vom UV über den VIS bis in den IR-Bereich umfassen.
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Die Strahlen des Strahlenbündels 113 werden zunächst durch einen Umlenkspiegel 112 auf ein abbildendes Beugungsgitter 114 gelenkt. Im konkreten Ausführungsbeispiel besitzt das Beugungsgitter 114 eine Strichzahl von 248 Linien pro mm und eine Blaze-Wellenlänge von ca. 250nm. Das Beugungsgitter 114 erzeugt mehrere räumlich getrennte Beugungsordnungen des auftreffenden Lichts, darunter eine (spektral unzerlegte) Nullte Beugungsordnung 115, eine spektral zerlegte Erste Beugungsordnung 116 sowie weitere höhere Beugungsordnungen, die nicht dargestellt sind und hier nicht weiter berücksichtigt werden.
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Aufgrund der niedrigen Blaze-Wellenlänge um 250nm wird ein Großteil des Lichtes im UV-Bereich in die Erste Beugungsordnung 116 gelenkt, während andererseits Licht der Wellenlänge > 1000nm fast vollständig in die Nullte Beugungsordnung 115 gelangt. Im dazwischen liegenden Spektralbereich findet ein gradueller Übergang zwischen diesen beiden Extremen statt (siehe Diagramm Beugungseffizienz in 4).
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Somit dient das Beugungsgitter 114 als Strahlteiler, welcher einen Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung bevorzugt in die Erste Beugungsordnung, einen anderen Teil bevorzugt in die Nullte Beugungsordnung lenkt.
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Die spektral zerlegten Strahlenbündel 116 der Ersten Beugungsordnung werden auf ein Detektorelement 118 gelenkt, welches im Ausführungsbeispiel ein Si-CCD-Zeilendetektor ist und Licht der Wellenlängen 190nm bis 1000nm erfasst und in elektronische Signale umwandelt, die wiederum einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt werden (hier nicht dargestellt).
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Das spektral unzerlegte Licht der Nullten Beugungsordnung (Strahlenbündel 115) wird über einen zweiten Umlenkspiegel 117, der als Auskoppelelement dient, in eine Koppeloptik 120 gelenkt.
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Die Koppeloptik 120 dient dem Zweck, die Strahlen der Nullten Beugungsordnung 115 des ersten Spektrometers 110 so zu führen und gegebenenfalls zu formen, dass diese ohne größere Verluste dem nachgelagerten zweiten Spektrometer 130 zugeführt werden können.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Koppeloptik 120 eine erste Linse 121, die das Strahlenbündel 115 kollimiert und eine zweite Linse 122, die das Strahlenbündel 115 auf einen Eingang des zweiten Spektrometers 130 fokussiert.
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Im Allgemeinen kann die Koppeloptik 120 je nach Erfordernissen eine beliebige Anzahl an Linsen, Spiegeln oder anderen strahlformenden Elementen umfassen oder ggf. sogar ganz entfallen, wenn die geometrische Anordnung der zu koppelnden Spektrometer dies zulässt. Der Fachmann kann die Anpassung der Koppeloptik an die Erfordernisse leicht vornehmen.
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Über eine Spaltblende 131 (oder eine andere geeignete Apertur) tritt das Strahlenbündel 132 in das zweite Spektrometer 130 ein. Dort werden die Strahlen zunächst durch eine Linse 133 kollimiert und auf ein planes Beugungsgitter 134 gelenkt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das Beugungsgitter 134 eine Strichzahl von 484 Linien pro mm und eine Blaze-Wellenlänge von 1250nm.
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Wie bereits im ersten Spektrometer 110 wird das auftreffende Lichtbündel 132 auch hier in eine Nullte Beugungsordnung 135, eine Erste Beugungsordnung 136 sowie höhere Beugungsordnungen (hier vernachlässigt) aufgeteilt. Die spektral zerlegten Strahlenbündel 136 werden über eine Linse 138 auf ein Detektorelement 139 fokussiert, welches im Ausführungsbeispiel ein InGaAs-Zeilendetektor ist und Licht der Wellenlängen 950nm bis 1700nm erfasst und in elektronische Signale umwandelt, die wiederum einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt werden (hier nicht dargestellt).
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Das spektral unzerlegte Licht im Strahlenbündel 135 der Nullten Beugungsordnung wird im Ausführungsbeispiel nicht weiter verwendet und stattdessen auf einen Absorber 137 gelenkt. Prinzipiell besteht aber die Möglichkeit, auch dieses Licht weiter zu nutzen und auf die bisher beschriebene Weise einem dritten Spektrometer zuzuführen, welches einen weiteren Spektralbereich, zum Beispiel von 1700nm bis 2500nm, abdecken könnte.
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3 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen spektrometrischen Messsystems. Das kombinierte Spektrometer 200 (Darstellung nicht maßstäblich) umfasst analog zum ersten Ausführungsbeispiel die beiden Spektrometer 110 und 130, welche jedoch in diesem Fall über eine Lichtleitoptik 210 als Koppeloptik miteinander gekoppelt sind. Die Lichtleitoptik 210 umfasst eingangsseitig eine Faserkupplung 211 (z.B. SMA oder FC), welche in geeigneter Weise mit dem Gehäuse des ersten Spektrometers 110 verbunden ist und eine Lichtleitfaser 212. Ausgangseitig ist die Lichtleitfaser 212 über eine Faserkupplung 213 (z.B. SMA oder FC) mit dem zweiten Spektrometer 130 verbunden.
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Die Strahlen der Nullten Beugungsordnung 115 werden über die Lichtleitfaser 212 zum Eingangsspalt 131 des Spektrometers 130 geleitet. Der Faserquerschnitt der Lichtleitfaser 212 ist dabei so zu wählen, dass das Licht der Nullten Beugungsordnung möglichst vollständig in die Lichtleitfaser 212 eingekoppelt wird, andererseits möglichst wenig Licht an der Spaltblende 131 verloren geht.
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Im konkreten Ausführungsbeispiel des kombinierten Spektrometers 200 beträgt der Durchmesser der Eingangsapertur 111 100µm, der Kerndurchmesser der Lichtleitfaser 212 200µm und die Abmessungen des Eingangsspalts 131 80µm × 300µm.
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Gegenüber Ausführungsbeispiel 1 (2) ist die Übertragungseffizienz durch die Lichtleitfaser zwar in der Regel geringer als bei Freistrahlkopplung, die Lichtleitfaser 212 bietet jedoch vorteilhafterweise eine wesentlich größere Flexibilität hinsichtlich der geometrischen Anordnung der beiden Spektrometer 110 und 130 sowie gegebenenfalls weiterer nachgelagerter Spektrometer.
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Die hier als vorteilhafte Beispiele beschriebenen Spektrometer 110 und 130 stellen nur eine kleine Untergruppe von möglichen Spektrometertypen bzw. spektroskopischen Messinstrumenten dar. Generell können alle Typen von Gitterspektrographen (Reflexions- und Transmissionsgitter) auf die erfindungsgemäße Weise gekoppelt werden, sofern das optische Design es erlaubt, die Nullte Beugungsordnung effizient von einem Messinstrument ins nächste auszukoppeln.
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Somit kann eine ganze Kaskade von Messinstrumenten einen deutlich größeren Spektralbereich abdecken, als es ein einzelnes Spektrometer allein könnte, wobei stets nur das ohnehin auftretende „überschüssige“ Licht der Nullten Beugungsordnung nachgenutzt wird („Lichtrecycling“).
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Die Spektralbereiche der einzelnen Messinstrumente müssen sich dabei nicht notwendigerweise gegenseitig ausschließen, sondern können sich auch teilweise oder sogar ganz überlappen. So wäre zum Beispiel denkbar, dass das erste Messinstrument einen breiten Spektralbereich (z.B. von 200nm bis 1000nm) mit geringer spektraler Auflösung erfasst, während das zweite Messinstrument dazu dient, einen besonders interessanten Bereich (z.B. von 500nm bis 700nm) mit hoher spektraler Auflösung zu messen.
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4 zeigt beispielhaft ein Effizienzdiagramm des Beugungsgitters 114. Das Beugungsgitter 114 ist so dimensioniert, dass in der Ersten Beugungsordnung ein Maximum an Effizienz bei 250nm liegt. Licht höherer Wellenlängen (speziell oberhalb 1000nm) ist in der ersten Beugungsordnung kaum noch vorhanden, liegt aber in der Nullten Beugungsordnung mit zunehmender Effizienz vor.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spektrometer
- 2
- Spektrometer
- 3
- Lichtwellenleiter
- 4
- Lichtbündel
- 5
- Erste Beugungsordnung
- 100
- kombiniertes Spektrometer
- 110
- Spektrometer
- 111
- Spaltblende
- 112
- Umlenkspiegel
- 113
- Strahlenbündel
- 114
- Beugungsgitter
- 115
- Strahlenbündel, unzerlegt
- 116
- Strahlenbündel
- 117
- Umlenkspiegel
- 118
- Detektorelement
- 120
- Koppeloptik
- 121
- Linse
- 122
- Linse
- 130
- Spektrometer
- 131
- Spaltblende
- 132
- Strahlenbündel
- 133
- Linse
- 134
- Beugungsgitter
- 135
- Strahlenbündel, unzerlegt
- 136
- Strahlenbündel
- 137
- Absorber
- 138
- Linse
- 139
- Detektorelement
- 200
- kombiniertes Spektrometer
- 210
- Lichtleitoptik
- 211
- Faserkupplung
- 212
- Lichtleitfaser
- 213
- Faserkupplung
- E1, E2
- Eingangsspalt
- G1, G2
- Beugungsgitter
- D1, D1
- Detektorelement
- LWL
- Lichtwellenleiter
- N
- Nullte Beugungsordnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010047061 A1 [0008]
- DE 102012007609 A1 [0009]
- DE 102011080278 A1 [0010]
