DE102017204888A1

DE102017204888A1 - Fourier-Transform-Spektrometer und Verfahren zum Betreiben eines Fourier-Transform-Spektrometers

Info

Publication number: DE102017204888A1
Application number: DE102017204888.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Husnik; Christian Huber; Benedikt STEIN
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: CN108627247B; FR3064355A1; DE102017204888B4; FR3064355B1; CN108627247A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fourier-Transform-Spektrometer (400). Das Fourier-Transform-Spektrometer (400) umfasst eine Polarisatoreinheit (402) zum Erzeugen zumindest eines ersten Lichtstrahlbündel (404) eines ersten Polarisationszustands, eine Detektoreinheit (426) zum Detektieren von Lichtstrahlen (416, 418, 448), eine Phasenverschiebungseinheit (410) mit zumindest einem ersten Phasenverschiebungselement (412), das ausgebildet ist, um unter Verwendung des ersten Lichtstrahlbündels (404) ein erstes phasenverschobenes Lichtstrahlbündel (416) aus zueinander phasenverschobenen und orthogonal zueinander polarisierten Teilstrahlen zu erzeugen, eine Linseneinheit (420) mit zumindest einem ersten Linsenelement (422), das ausgebildet ist, um das erste phasenverschobene Lichtstrahlbündel (416) auf einen ersten Teilabschnitt (428) der Detektoreinheit (426) zu lenken, eine zwischen der Phasenverschiebungseinheit (410) und der Linseneinheit (420) angeordnete zusätzliche Phasenverschiebungseinheit (432) zum Aufprägen eines zusätzlichen Phasenunterschieds, der winkelabhängig ist, zwischen den Teilstrahlen des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels (416) (und/oder zwischen den Teilstrahlen des zweiten phasenverschobenen Lichtstrahls (418), und eine Analysatoreinheit (212; 434) zum Polarisieren von aus der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit (432) austretenden Lichtstrahlen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Aktuell wird an Möglichkeiten geforscht, ein miniaturisiertes Spektrometer herzustellen, das je nach Anwendung Spektren im sichtbaren Bereich, im Nahinfrarotbereich oder im mittleren Infrarotbereich aufnehmen kann. Ein solches Spektrometer wäre insbesondere zum Einbau in Handgeräte wie beispielsweise Smartphones zur chemischen Analyse interessant. Die Schriften WO 2011093794 A1 , WO 2015015493 A2 und EP 1882917 B1 beschreiben Beispiele für derartige Spektrometer. Eine frühe, nicht miniaturisierte Form eines statischen Fourier-Transform-Spektrometers wird von Zhang (Zhang et al., „A static polarization imaging spectrometer based on a Savart polariscope", Optics Communications 203, 2002) in Form eines abbildenden Savart-Polariskops vorgeschlagen, als Polarisationsbildgebungsspektrometer (Polarization Imaging Spectrometer, PIS) bezeichnet und in nachfolgenden Veröffentlichungen bezüglich des maximalen Akzeptanzwinkels verbessert.
Eine weitere Möglichkeit, ein abbildendes Fourier-Transformations-Spektrometer zu realisieren, besteht in der Kombination zweier Flüssigkristallelemente (Hegyi and Martini, „Hyperspectral imaging with a liquid crystal polarization interferometer“, Opt. Express, OSA, 2015). Diese werden verwendet, um einen Gangunterschied zwischen zwei orthogonalen Polarisationskomponenten einzustellen. Dieser Gangunterschied kann über eine Spannung an den Flüssigkristallelementen eingestellt werden, sodass über eine zeitliche Variation der Spannung ein zeitlich variierender Gangunterschied aufgeprägt werden kann. Somit kann im zeitlichen Verlauf der Messung ein Interferogramm aufgenommen werden, d. h., es wird eine zeitliche Änderung mit dem Fourier-Transformations-Spektrometer ausgewertet. In der Publikation ist weiterhin gezeigt, wie durch die Verwendung zweier Flüssigkristallelemente die Winkelabhängigkeit des Gangunterschieds stark verringert werden kann.
In der WO 01/02799 A1 ist ein miniaturisiertes Fourier-Transform-Spektrometer beschrieben, das sowohl nematische Flüssigkristallzellen als einstellbare Verzögerungselemente zur Einstellung eines Gangunterschieds zwischen zwei interferierenden Strahlen als auch feste Verzögerungselemente zur Erweiterung der einstellbaren Gangunterschiede umfasst. Des Weiteren umfasst das Fourier-Transform-Spektrometer einen Polarisator, einen Analysator, einen Fotodetektor und einen Computer, der sowohl mit dem Fotodetektor als auch mit den einstellbaren Verzögerungselementen verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Fourier-Transform-Spektrometer, ein Verfahren zum Betreiben eines Fourier-Transform-Spektrometers, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Fourier-Transform-Spektrometer mit folgenden Merkmalen vorgestellt:

einer Polarisatoreinheit zum Erzeugen zumindest eines ersten polarisierten Lichtstrahlbündels eines ersten Polarisationszustands;
einer Detektoreinheit zum Detektieren von Lichtstrahlen;
einer Phasenverschiebungseinheit mit zumindest einem Phasenverschiebungselement, das ausgebildet ist, um unter Verwendung des ersten Lichtstrahlbündels ein erstes phasenverschobenes Lichtstrahlbündel aus zueinander phasenverschobenen und orthogonal zueinander polarisierten Teilstrahlen zu erzeugen;
einer Linseneinheit mit zumindest einem ersten Linsenelement, das ausgebildet ist, um das erste phasenverschobene Lichtstrahlbündel auf einen ersten Teilabschnitt der Detektoreinheit zu lenken;
einer zwischen der Phasenverschiebungseinheit und der Linseneinheit angeordneten zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit zum Aufprägen eines zusätzlichen Phasenunterschieds, der winkelabhängig ist, zwischen den Teilstrahlen des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels; und
einer Analysatoreinheit zum Polarisieren von aus der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit austretenden Lichtstrahlen.

Unter einem Fourier-Transform-Spektrometer, auch Fourier-Transform-Infrarotspektrometer, Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer oder kurz FTIR-Spektrometer genannt, kann ein miniaturisiertes Spektrometer zur Infrarotspektroskopie verstanden werden. Hierbei wird ein Spektrum nicht durch schrittweise erfolgende Änderung einer Wellenlänge aufgenommen, sondern durch eine Fourier-Transformation eines gemessenen Interferogramms berechnet. Das Fourier-Transform-Spektrometer kann etwa auf Basis eines Savart-Polariskops realisiert sein. Das Interferogramm kann mittels der Detektoreinheit gemessen werden.
Ein entsprechendes Fourier-Transform-Spektrometer umfasst üblicherweise ein Langpassfilterelement, welches nur Wellenlängen oberhalb einer gewissen unteren Wellenlänge transmittiert.
Unter einer Polarisatoreinheit, oder kurz Polarisator, kann beispielsweise eine Polarisatorfolie oder ein sonstiges geeignetes polarisierendes optisches Bauelement verstanden werden. Unter einer Phasenverschiebungseinheit kann beispielsweise ein Array aus unabhängig voneinander ansteuerbaren Phasenverschiebungselementen verstanden werden. Alternativ kann es sich bei einem Phasenverschiebungselement um ein Element mit nicht änderbaren Verzögerungseigenschaften handeln. Das Phasenverschiebungselement kann ausgebildet sein, um einen individuellen Gangunterschied zwischen orthogonalen Polarisationskomponenten der von dem Polarisator ausgesandten Lichtstrahlen zu erzeugen. Sind mehrere Phasenverschiebungselemente vorgesehen, so können die Phasenverschiebungselemente parallel zueinander angeordnet sein. Insbesondere kann ein Phasenverschiebungselement als Flüssigkristallzelle ausgeführt sein. Mehrere Phasenverschiebungselemente können miteinander zu einem Flüssigkristallarray, auch LC-Array genannt, kombiniert sein. Die Teilstrahlen des phasenverschobenen Lichtstrahlenbündels werden durch die Phasenverschiebungseinheit räumlich nicht aufgespalten.
Mit der Phasenverschiebungseinheit wird eine Phasendifferenz zwischen Lichtstrahlen unterschiedlicher Polarisation erzeugt werden, die Strahlen werden jedoch nicht aufgespalten. Mit der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit wird dann noch eine zusätzliche (winkelabhängige) Phasenverschiebung aufgeprägt, bei der Lichtstrahlen unterschiedlicher Polarisation räumlich aufgespalten werden.
Bei der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit kann es sich um ein Savart-Polariskop, auch Savart-Element oder Savart-Kristall genannt, handeln. Eine als Savart-Kristall ausgeführte zusätzliche Phasenverschiebungseinheit kann auch als einfallswinkelabhängiger Phasenschieber bezeichnet werden. Eine als LC-Retarder oder doppelbrechender Kristall ausgeführte erste Phasenverschiebungseinheit kann auch als vorgeschaltete Phasenverschiebungseinheit bezeichnet werden.
Unter einem ersten polarisierten Lichtstrahlbündel kann eine Pluralität linear polarisierter Lichtstrahlen unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung verstanden werden, die sich jeweils auch als Überlagerung aus zwei zueinander orthogonal polarisierten Teilstrahlenbündeln ansehen lassen.
Unter einer Linseneinheit kann etwa ein Linsenarray oder auch als eine einzelne Linse verstanden werden. Das zumindest eine Linsenelement kann beispielsweise als Mikrolinse realisiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein miniaturisiertes Fourier-Transform-Spektrometer auf Basis eines multiplen Savart-Polariskops mit einem vorangestellten Phasenschieber realisiert werden kann. So zeigt der hier vorgestellte Ansatz beispielsweise auf, wie mittels eines Fourier-Transform-Spektrometers im Zusammenhang mit einem LC-Array und einem Mikrolinsenarray für jede Mikrolinse oder für jedes LC-Array-Element ein Interferogramm mit einem einstellbaren zentralen Gangunterschied-Offset Δ_n auf einem Teil eines Detektors erzeugt werden kann. Dies erlaubt es im Vergleich zu konventionellen Fourier-Transform-Spektrometern auf Basis eines Savart-Polariskops, trotz der Eingangswinkeleinschränkung die vollständige Detektormatrix zu nutzen und eine höhere Auflösung durch einen deutlich größeren maximalen Gangunterschied zu erreichen. Ferner kann dadurch die Bauhöhe des Fourier-Transform-Spektrometers reduziert werden und eine maximale Flexibilität bei der Aufnahme des Interferogramms gewährleistet werden, da der detektierte Gangunterschiedsbereich eingestellt werden kann.
Beispielsweise kann das Fourier-Transform-Spektrometer durch Anordnen eines Arrays aus Flüssigkristallzellen zur separaten Einstellung initialer Gangunterschiede vor einem Savart-Element aus zwei doppelbrechenden Kristallen realisiert werden. Die Strahlen mit den verschiedenen initialen Gangunterschieden können dabei etwa mittels eines Mikrolinsenarrays auf den Detektor fokussiert werden.
Grundsätzlich besteht das Fourier-Transform-Spektrometer aus einem Polarisator, einem Savart-Element (in unterschiedlichen Ausführungsformen), einem Analysator, einer Linse oder einem Linsensystem und einem Detektor.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird ein doppelbrechendes Element wie etwa ein Kristall oder ein LC-Retarder ergänzt, mit dem eine relative Phasendifferenz zwischen zwei Lichtstrahlen mit orthogonalem Polarisationszustand verändert werden kann. Werden mehrere dieser zusätzlichen Elemente mit dem Fourier-Transform-Spektrometer kombiniert und werden die Lichtwege getrennt, so kann mit einem geeigneten Auswertealgorithmus ein größerer maximaler Gangunterschied des Fourier-Transform-Spektrometers und somit eine bessere Auflösung erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Phasenverschiebungseinheit als ein Flüssigkristallarray aus einer ersten Flüssigkristallzelle als dem ersten Phasenverschiebungselement oder, zusätzlich oder alternativ, einer zweiten Flüssigkristallzelle als dem zweiten Phasenverschiebungselement ausgeführt sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Linseneinheit als ein Mikrolinsenarray aus einer ersten Mikrolinse als dem ersten Linsenelement oder einer zweiten Mikrolinse als dem zweiten Linsenelement oder sowohl aus der ersten Mikrolinse als auch aus der zweiten Mikrolinse ausgeführt sein. Durch diese Ausführungsform kann die Phase des ersten oder zweiten polarisierten Lichtstrahls variabel verschoben werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die zusätzliche Phasenverschiebungseinheit als ein Verbund aus zumindest einem ersten doppelbrechenden Kristall und einem zweiten doppelbrechenden Kristall ausgeführt ist. Dadurch kann die zusätzliche Phasenverschiebungseinheit besonders kostengünstig hergestellt werden.
Des Weiteren kann das Fourier-Transform-Spektrometer eine zwischen der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit und der Detektoreinheit angeordnete Blendeneinheit aufweisen. Die Blendeneinheit kann zumindest eine erste Durchlassöffnung zum Durchlassen eines von dem ersten Linsenelement umgelenkten Lichtstrahlbündels auf den ersten Teilabschnitt aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Blendeneinheit eine zweite Durchlassöffnung zum Durchlassen eines von einem zweiten Linsenelement umgelenkten Lichtstrahlbündels auf den zweiten Teilabschnitt aufweisen. Die Blendeneinheit kann beispielsweise als ein Spritzgussgehäuse, etwa in Form einer Zylindermatrix, realisiert sein. Dadurch können Störeinflüsse durch Lichtstreuung verhindert werden.
Von Vorteil ist auch, wenn das erste Phasenverschiebungselement ausgebildet ist, um das erste phasenverschobene Lichtstrahlbündel durch Aufprägen eines Phasenunterschieds zwischen orthogonal polarisierten Komponenten des ersten Lichtstrahlbündels innerhalb eines ersten Verschiebungsintervalls zu erzeugen. Ferner kann ein zweites Phasenverschiebungselement ausgebildet ist, um ein zweites phasenverschobenes Lichtstrahlbündel durch Aufprägen eines Phasenunterschieds zwischen orthogonal polarisierten Komponenten eines zweiten Lichtstrahlbündels innerhalb eines zweiten Verschiebungsintervalls zu erzeugen. Dabei können sich das erste Verschiebungsintervall und das zweite Verschiebungsintervall teilweise überlappen. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des Fourier-Transform-Spektrometers verbessert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Polarisatoreinheit ausgebildet sein, um zumindest ein zweites Lichtstrahlbündel eines zweiten Polarisationszustands zu erzeugen, wobei die Phasenverschiebungseinheit zumindest ein zweites Phasenverschiebungselement aufweist, das ausgebildet ist, um unter Verwendung des zweiten Lichtstrahlbündels ein zweites phasenverschobenes Lichtstrahlbündel aus zueinander phasenverschobenen und orthogonal zueinander polarisierten Teilstrahlen zu erzeugen, wobei die Linseneinheit zumindest ein zweites Linsenelement aufweist, das ausgebildet ist, um das zweite phasenverschobene Lichtstrahlbündel auf einen außerhalb des ersten Teilabschnitts befindlichen zweiten Teilabschnitt der Detektoreinheit zu lenken, und wobei die zusätzliche Phasenverschiebungseinheit ausgebildet ist, um einen zusätzlichen Phasenunterschied, der winkelabhängig ist, zwischen den Teilstrahlen des zweiten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels aufzuprägen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Fourier-Transform-Spektrometers gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Erzeugen des zumindest einen ersten Lichtstrahlbündels eines ersten Polarisationszustands;
Erzeugen des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels aus zueinander phasenverschobenen und orthogonal zueinander polarisierten Teilstrahlen unter Verwendung des ersten Lichtstrahlbündels;
Aufprägen des zusätzlichen winkelabhängigen Phasenunterschieds zwischen den Teilstrahlen des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels;
Polarisieren der aus der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit austretenden Lichtstrahlen; und
Lenken des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels auf den ersten Teilabschnitt der Detektoreinheit.

Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines statisch abbildenden Savart-Polariskops nach Zhang;
2 eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometers auf Basis eines Savart-Polariskops;
3 eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometers aus 2;
4 eine schematische Darstellung eines Fourier-Transform-Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines statisch abbildenden Savart-Polariskops 100 nach Zhang. Dabei wird ein Gangunterschied zwischen zwei Strahlen mittels Doppelbrechung erzeugt. Es sind keine beweglichen Bauteile erforderlich, um den Gangunterschied zu erzeugen. Das Licht, das das Savart-Polariskop passiert, wird anschließend von einer Linse 102 auf einen Detektor 104 abgebildet. Das Bild auf dem Detektor 104 zeigt dann das abzubildende Objekt einschließlich einer Intensitätsvariation aufgrund der Interferenz. Im Betrieb wird das Polariskop kontrolliert mit einer bekannten Geschwindigkeit über ein zu vermessendes Objekt bewegt. Dabei wird kontinuierlich ein Bild aufgenommen, woraus für jeden Punkt des Objekts ein zugehöriges Interferogramm berechnet und anschließend fouriertransformiert werden kann. Hierbei kann jedoch in der Regel nur ein geringer Winkelbereich um die Oberflächennormale des Savart-Polariskops für die Auswertung verwendet werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometers 200 auf Basis eines Savart-Polariskops. Das Mikrospektrometer 200 umfasst einen Diffusor 202, ein Savart-Element 204, einen zwischen dem Diffusor 202 und dem Savart-Element 204 angeordneten Polarisator 206, einen Detektor 208, eine zwischen dem Savart-Element 204 und dem Detektor 208 angeordnete Linse 210 sowie einen zwischen dem Savart-Element 204 und der Linse 210 angeordneten Analysator 212.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometers 200 aus 2. Zu erkennen sind die jeweiligen Strahlengänge von Lichtstrahlen 300, die von dem Diffusor 202 ausgesandt werden. Das Savart-Element 204 ist aus zwei doppelbrechenden Kristallen 301, 302 realisiert, deren optische Achsen 304 je einen Winkel von 45 Grad mit einer Oberfläche des Kristalls einschließen, die jedoch in zwei Ebenen liegen, auch Hauptschnitte genannt, die zueinander um 90 Grad gedreht sind. Ein von dem Detektor 208 gemessenes Interferenzsignal 306 ist beispielhaft rechts neben dem Detektor 208 dargestellt.
Der Polarisator 206 polarisiert das Licht in einem Winkel von 45 Grad zu diesen Hauptschnitten, sodass die Komponenten des elektrischen Felds in Richtung der Hauptschnitte gleich groß sind.
Der Gangunterschied, der von dem Savart-Element 204 entlang der zwei Polarisationskomponenten parallel und senkrecht zum Hauptschnitt erzeugt wird, ist (Francon, Polarizsation Interferometers, Wiley) $Δ = \frac{\sqrt{2} t (n_{o} - n_{e})}{n_{o} + n_{e}} sin i + O ({sin}^{2} i)$
wobei t die Dicke eines der doppelbrechenden Kristalle des Savart-Elements 204 ist, n_o und n_e der ordentliche und außerordentliche Brechungsindex des Kristalls sind und i der Winkel ist, den das einfallende Licht mit der Oberflächennormalen einschließt.
Der Analysator 212 polarisiert die beiden Komponenten wieder in die gleiche Richtung, sodass diese interferieren können. Die Linse 208 bildet einfallendes Licht aus der gleichen Richtung, also mit gleichem Winkel und Gangunterschied, auf einen gemeinsamen Punkt auf dem Detektor 208 ab.
Wichtig ist, dass es einen kleinen Winkelbereich von typischerweise wenigen Grad um die Oberflächennormale gibt, in dem die obige Gleichung bis zur ersten Ordnung in sin i in sehr guter Näherung gilt. In diesem Bereich entsteht ein lineares Interferenzmuster auf dem Detektor 208, d. h., es gibt einen linearen Zusammenhang zwischen der Position auf dem Detektor 208 und dem Gangunterschied, der zur jeweiligen Intensität des Interferogramms führt. In diesem Bereich ist das Interferogramm gut auszuwerten.
Strahlen, die senkrecht auf das Mikrospektrometer 200 fallen, erhalten keinen Gangunterschied (i = 0, Δ = 0) und werden von der Linse 210 auf die Mitte des Detektors 208 abgebildet. Das Interferogramm besitzt sein Maximum in diesem Punkt. Das Interferogramm ist im Falle eines konventionellen Fourier-Transform-Spektrometers um einen Winkel von 45 Grad auf dem Detektor 208 gedreht (siehe Francon). In dieser Richtung nimmt der Gangunterschied linear mit dem Einfallswinkel zu oder ab. Für die Intensität des Interferogramms gilt $I (Δ) = \frac{1}{2} I (0) + \int_{0}^{\infty} B (σ) cos (2 π σ Δ) d σ$
(siehe Chamberlain, The principles of interferometric spectroscopy S. 7, Gleichung 1.15). Es entsteht unabhängig von einem positiven oder negativen Gangunterschied ein symmetrisches Interferogramm um den Mittelpunkt des Detektors 208, wobei die vollständige Information des Spektrums bereits in einer Hälfte des Interferogramms vorhanden ist.
Das konventionelle Spektrometer 200 erzeugt also innerhalb des Winkelintervalls δi = [-i_max, i_max] Gangunterschiede im Intervall δΔ = [-Δ_i, Δ_i].
Der maximale Gangunterschied beträgt also Δ_max = Δ_i und somit ist die Auflösung eines solchen Spektrometers gegeben durch $Δ σ \approx \frac{1}{Δ_{max}}$
oder, in Wellenlängen, $Δ λ \approx \frac{λ_{0}^{2}}{λ_{max}} .$
Eine Erhöhung der Auflösung ist also nur möglich, indem Δ_max erhöht wird. Da für ein Savart-Element i_max eine fixe Größe ist, ist eine Erhöhung des maximalen Gangunterschieds nur möglich, indem ein Kristall mit hoher Doppelbrechung gewählt wird, was mit höheren Kosten verbunden sein kann, oder indem die Kristalldicke t erhöht wird, was wiederum die Miniaturisierung des Mikrospektrometers 200 erschweren kann. Zusätzlich bleibt bei der Verwendung eines Detektorarrays, das eine größere Fläche als die innerhalb des Intervalls δi nutzbare Fläche aufweist, wie dies oft bei kostengünstigen Silizium-Imagern der Fall ist, ein großer Teil des Detektors ungenutzt.
Demgegenüber schafft der hier vorgestellte Ansatz ein verbessertes Fourier-Transform-Spektrometer, das nun nachfolgend näher beschrieben wird.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Fourier-Transform-Spektrometers 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel, nachfolgend auch Spektrometer 400 genannt.
Das Spektrometer 400 umfasst eine Polarisatoreinheit 402 zum Erzeugen eines ersten Lichtstrahlbündels 404 eines ersten Polarisationszustands und optional zumindest eines zweiten Lichtstrahlbündels 406 eines zweiten Polarisationszustands. Die Lichtstrahlbündel 404, 406 sind in 4 vereinfachend als einzelne Pfeile dargestellt. In der Realität können die Lichtstrahlbündel 404, 406, wie anhand von 3 gezeigt, Lichtstrahlen unterschiedlicher Richtungen umfassen. Die Lichtstrahlbündel 404, 406 weisen jeweils die gleiche Polarisierung auf. Die Polarisatoreinheit 402 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Polarisationsfolie realisiert, die auf eine Diffusoreinheit 408 des Spektrometers 400 aufgebracht ist. Der Polarisatoreinheit 402 ist eine Phasenverschiebungseinheit 410 nachgeschaltet, die ein erstes Phasenverschiebungselement 412 und optional zumindest ein zweites Phasenverschiebungselement 414 umfasst. Gemäß 4 ist die Phasenverschiebungseinheit 410 als ein LC-Array realisiert. Dabei ist das erste Phasenverschiebungselement 412 ausgebildet, um das erste Lichtstrahlbündel 404 in zwei orthogonal polarisierte Komponenten, die später als ordentlicher und außerordentlicher Strahl in einem Savart-Element propagieren, aufzuspalten und deren Phase zueinander um eine gewisse Phasendifferenz zu verschieben. Diese beiden Teilstrahlen, wie sie beispielsweise in 3 dargestellt sind, sind in 4 aus Übersichtlichkeitsgründen schematisch als einzelner Pfeil angedeutet, wobei der Pfeil einen aus dem ersten Phasenverschiebungselement 412 austretenden ersten phasenverschobenen Lichtstrahl 416 repräsentiert. Unter dem ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündel 416 ist somit ein Strahlenbündel aus mehreren zueinander phasenverschobenen Teilstrahlen zu verstehen. Analog dazu ist das zweite Phasenverschiebungselement 414 ausgebildet, um das zweite Lichtstrahlbündel 404 in zwei orthogonal polarisierte Komponenten aufzuspalten und deren Phase zueinander um eine gewisse Phasendifferenz zu verschieben. Ein aus dem zweiten Phasenverschiebungselement 414 austretendes zweites phasenverschobenes Lichtstrahlbündel 418, das ähnlich wie das erste phasenverschobene Lichtstrahlbündel 416 mehrere zueinander phasenverschobene Teilstrahlen umfasst, ist ebenfalls durch einen einzelnen Pfeil angedeutet. Der Gangunterschied besteht immer relativ zwischen den beiden Teilstrahlen, die im Savart-Element als ordentlicher und außerordentlicher Strahl propagieren. Die Lichtstrahlbündel 416, 418 bestehen jedoch aus Teilstrahlen, die zueinander einen unterschiedlich großen Gangunterschied besitzen.
Eine Linseneinheit 420, bestehend aus einem ersten Linsenelement 422 und optional zumindest einem zweiten Linsenelement 424, ist ausgebildet, um die phasenverschobenen Lichtstrahlbündel 416, 418 auf unterschiedliche Bereiche einer Detektoreinheit 426 des Spektrometers 400 zu lenken. Beispielhaft ist die Linseneinheit 420 gemäß 4 als ein Mikrolinsenarray realisiert. Dabei lenkt das erste Linsenelement 422 das erste phasenverschobene Lichtstrahlbündel 416 auf einen ersten Teilabschnitt 428 der Detektoreinheit 426, während das zweite Linsenelement 424 das zweite phasenverschobene Lichtstrahlbündel 418 auf einen außerhalb des ersten Teilabschnitts 428 befindlichen zweiten Teilabschnitt 430 der Detektoreinheit 426 lenkt.
Zwischen der Phasenverschiebungseinheit 410 und der Linseneinheit 420 ist eine zusätzliche Phasenverschiebungseinheit 432 angeordnet, hier in Form eines Savart-Polariskops, das auch als Savart-Element bezeichnet werden kann. Die zusätzliche Phasenverschiebungseinheit 432 ist ausgebildet, um jeweils einen zusätzlichen Gangunterschied zwischen den jeweiligen Komponenten der phasenverschobenen Lichtstrahlbündel 416, 418 zu erzeugen, der sich auf die durch die Phasenverschiebungseinheit 410 erzeugten Gangunterschiede aufaddiert. Zwischen der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit 432 und der Linseneinheit 420 ist eine Analysatoreinheit 434 zum Polarisieren von aus der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit 432 austretenden Lichtstrahlen angeordnet.
Um ungewollte Lichtstreuungen auf der Detektoreinheit 426 zu verhindern, ist das in 4 gezeigte Spektrometer 400 mit einer optionalen Blendeneinheit 436 ausgestattet, die zwischen der Linseneinheit 420 und der Detektoreinheit 426 angeordnet ist. Die Blendeneinheit 436 umfasst eine erste Durchlassöffnung 438 zum Durchlassen des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündelss 416 auf den ersten Teilabschnitt 428 sowie optional zumindest eine zweite Durchlassöffnung 440 zum Durchlassen des zweiten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels 418 auf den zweiten Teilabschnitt 430. Die Blendeneinheit 436 ist beispielsweise als ein Spritzgussgehäuse in Form einer Zylindermatrix realisiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Phasenverschiebungseinheit 416 zumindest ein weiteres Phasenverschiebungselement 442 zum Verschieben einer Phase eines von der Polarisatoreinheit 402 erzeugten weiteren Lichtstrahlbündels 444. Dementsprechend umfasst die Linseneinheit 420 zumindest ein weiteres Linsenelement 446 zum Lenken eines von dem weiteren Phasenverschiebungselement 442 ausgesandten weiteren phasenverschobenen Lichtstrahlbündels 448 durch eine weitere Durchlassöffnung 450 der Blendeneinheit 436 auf einen hier außerhalb der beiden Teilabschnitte 428, 430 befindlichen weiteren Teilabschnitt 452 der Detektoreinheit 426. Die beiden durch den Pfeil des weiteren phasenverschobenen Lichtstrahls 448 repräsentierten Teilstrahlen weisen zueinander keine zusätzliche Phasenverschiebung auf.
An die Phasenverschiebungseinheit 410 ist eine Vorrichtung 460 mit einer Steuereinheit 462 angeschlossen, die ausgebildet ist, um die drei Phasenverschiebungselemente 412, 414, 442 durch Ausgeben eines entsprechenden Steuersignals 464 einzeln anzusteuern und so unterschiedliche Phasenverschiebungen der Lichtstrahlbündel 404, 406, 444 zu bewirken.
Die Funktionsweise des Spektrometers 400 besteht darin, dass jedes Phasenverschiebungselement der Phasenverschiebungseinheit 410, etwa eines LC-Arrays, einen Gangunterschied auf die orthogonalen Polarisationskomponenten der von der Polarisatoreinheit 402 polarisierten Lichtstrahlbündel aufprägt. Die Linsenelemente, etwa Mikrolinsen, fokussieren das Licht auf unterschiedliche Teilabschnitte der Detektoreinheit 426, wobei die Teilabschnitte jeweils zu aufeinanderfolgenden Gangunterschiedsintervallen gehören, auch Verschiebungsintervalle genannt. So lautet beispielsweise das dem weiteren Teilabschnitt 452 zugeordnete Gangunterschiedsintervall [-Δ_i, Δ_i], das dem ersten Teilabschnitt 428 zugeordnete Gangunterschiedsintervall [Δ₁ - Δ_i, Δ₁ + Δ_i] und das dem zweiten Teilabschnitt 430 zugeordnete Gangunterschiedsintervall [Δ₂ - Δ_i, Δ₂ + Δ_i]. Die in 4 gezeigte Zeichnung ist zweidimensional. In der Realität können sich die Arrays jedoch auch in die dritte Dimension erstrecken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Spektrometer 400 einen ungerichteten oder gerichteten Diffusor als Diffusoreinheit 408, etwa eine Diffusorfolie oder einen diffraktiven Diffusor, eine Polarisatoreinheit 402 in Form einer Polarisationsfolie und eine Phasenverschiebungseinheit 410, die ausgebildet ist, um in bestimmten Bereichen unterschiedliche optische Weglängendifferenzen zwischen orthogonalen Polarisationszuständen zu generieren, etwa ein Phasenschieber-Array aus doppelbrechenden Kristallen wie Lithiumniobat, Calcit, Rutil, Vanadiumyttriumoxid oder fixen Flüssigkristallelementen. Diese Weglängenunterschiede sind optional schalt- oder steuerbar, realisiert etwa durch ein ansteuerbares LC-Array.
Des Weiteren umfasst das Spektrometer 400 ein Savart-Element als zusätzliche Phasenverschiebungseinheit 432, bestehend beispielsweise aus doppelbrechenden Kristallen wie Lithiumniobat, Calcit, Rutil oder Vanadiumyttriumoxid, eine Analysatoreinheit 434 in Form einer Polarisationsfolie, eine Linseneinheit 420 in Form eines Mikrolinsenarrays, beispielsweise aus Kunststoff- oder Glasmikrolinsen, eine Blendeneinheit 436 in Form einer winkeleinschränkenden Zylindermatrix, bei der sich etwa um ein Spritzgussgehäuse handelt, sowie eine Detektoreinheit 426 in Form eines Silizium-Imager-Arrays (CCD oder CMOS), eines Ge-on-Si-, InGaAs-, Ge- oder Extended-InGaAs-Detektors.
Je nach Ausführungsbeispiel sind die Polarisator- und Analysatorachse zueinander parallel oder schließen einen Winkel von 90 Grad ein. Die Polarisator- und Analysatorachse sind in einem Winkel von 45 Grad zu den Hauptschnitten des Savart-Elements angeordnet.
Die Anzahl der LC-Array-Elemente kann gleich der Anzahl an Mikrolinsen im Mikrolinsenarray sein.
Jedes LC-Array-Element kann separat ansteuerbar sein.
Hinter jeder Mikrolinse ist beispielsweise ein Zylinder der Zylindermatrix angeordnet, sodass ein Übersprechen von Licht im Bereich einer Mikrolinse auf Detektorpixel hinter einer anderen Mikrolinse verhindert wird.
Alternativ weist das Spektrometer 400 statt des Phasenschieber-Arrays, des Mikrolinsenarrays und der winkeleinschränkenden Zylindermatrix ein einzelnes Phasenschieberelement und eine einzelne Linse oder ein einzelnes Linsensystem auf.
Ein solcher Aufbau bietet viele Vorteile. Insbesondere lässt sich das Verhältnis von Bauhöhe zu erreichbarer Auflösung und abtastbarer minimaler Wellenlänge optimieren. Bei ähnlicher Bauhöhe wie bei einem konventionellen Spektrometer lässt sich die Auflösung stark verbessern. Bei verkleinerter Bauhöhe aufgrund einer geringeren Linsenbrennweite lässt sich ebenfalls eine hohe Auflösung erreichen, wobei jedoch die minimale abtastbare Wellenlänge eingeschränkt sein kann. Bei verkleinerter Bauhöhe aufgrund eines kürzeren Savart-Elements wird die Auflösung nicht so stark eingeschränkt, wie es bei einem konventionellen Spektrometer der Fall sein kann. Durch die variable Ansteuerung der LC-Elemente kann je nach Beleuchtungssituation ein optimales Verhältnis zwischen Signal-zu-Rausch-Verhältnis und Auflösung des gemessenen Spektrums gefunden werden.
Im Folgenden wird die Funktion des Spektrometers 400 beispielhaft anhand einer Phasenverschiebungseinheit 410 in Form eines steuerbaren LC-Arrays beschrieben. Es sind aber auch einfachere, statische, nicht steuerbare Lösungen denkbar. Jedes einzelne LC-Element des LC-Arrays ist separat durch eine Spannung ansteuerbar. Die LC-Elemente sind ausgebildet, um beim Anlegen einer solchen Spannung orthogonale Polarisationskomponenten, d. h. die gleichen beiden orthogonalen Polarisationskomponenten, die im Savart-Element parallel zu den Hauptschnitten verlaufen, mit einem spannungsabhängigen Gangunterschied zu versehen.
Mittels des LC-Arrays kann also, abhängig davon, durch welches LC-Element ein Lichtstrahl verläuft, ein initialer Gangunterschied Δ₁, Δ₂ usw. zwischen den orthogonalen Polarisationskomponenten aufgeprägt werden. Der Gangunterschied weist bei geeigneter Verwendung zweier LC-Elemente nur eine sehr geringe Winkelabhängigkeit auf.
Bei der anschließenden Propagation durch das Savart-Element erhalten die Strahlen zudem ihren winkelabhängigen Gangunterschied im Intervall δΔ, der sich auf den initialen Gangunterschied addiert, da die relevanten Polarisationskomponenten im LC- und im Savart-Element die gleichen sind. Mittels des Mikrolinsenarrays lassen sich nun die Lichtstrahlen, die jeweils durch das gleiche LC-Element propagiert werden, auf einen bestimmen Teilbereich der Detektoreinheit 426 abbilden.
Die LC-Elemente, die Mikrolinsen und die winkeleinschränkenden Elemente sind dabei beispielsweise so dimensioniert, dass auf jeden Teilbereich der Detektoreinheit 426 Licht aus einem Winkelbereich δi = [-i_max, i_max] abgebildet wird. Die winkeleinschränkenden Elemente stellen dabei sicher, dass kein Licht aus einer benachbarten Mikrolinse in den Teilbereich der Detektoreinheit 426 abgebildet wird, d. h., ein Übersprechen zwischen den einzelnen Linsen wird verhindert.
Die initialen Gangunterschiede Δ₀, Δ₁, Δ₂ werden insbesondere so gewählt, dass es einen leichten Überlapp zwischen dem maximalen Gangunterschied einem Teilbereich und dem minimalen Gangunterschied eines darauf folgenden Teilbereichs gibt, d. h. Δ₁ + Δ_i ≥ Δ₂ - Δ_i.
Gegenüber einem konventionellen Fourier-Transform-Spektrometer lässt sich also der maximale Gangunterschied von Δ_i auf Δ_N + Δ_i erhöhen, wobei Δ_N der initiale Gangunterschied des letzten LC-Elements ist. Zusätzliche Bauhöhe entsteht dabei lediglich durch das LC-Array. Es ist auch nicht zwangsläufig erforderlich, ein zweiseitiges Interferogramm, d. h. ein symmetrisches Interferogramm um die Detektormitte, aufzunehmen. Stattdessen lässt sich auch nur eine Seite, beispielsweise positive Gangunterschiede, messen, sodass keine redundanten Informationen aufgenommen werden.
Zur Bauhöhe tragen in einem konventionellen Fourier-Transform-Spektrometer vor allem das Savart-Element sowie die Linse aufgrund deren Brennweite bei. Mithilfe des hier vorgestellten Ansatzes lässt sich Bauhöhe einsparen, da das Savart-Element dünner gewählt werden kann, indem ein hoher optischer Gangunterschied über die vielen LC-Elemente erzeugt wird und dazu kein dicker Kristall erforderlich ist. Alternativ kann auch ein günstigeres Material mit geringerer Doppelbrechung gewählt werden.
Eine weitere Reduktion der Bauhöhe kann dadurch erreicht werden, dass Mikrolinsen mit einer geringeren Brennweite verfügbar sind, als dies für konventionelle Linsen möglich ist.
Da jedes LC-Element separat ansteuerbar ist, erlaubt die Verwendung des Spektrometers 400 zusätzlich eine größere Flexibilität bei der Messung. Ist beispielsweise die Lichtintensität, die auf das Spektrometer 400 fällt, nicht groß genug, um ein genügend rauscharmes Signal zu erzeugen, so können die LC-Elemente so eingestellt werden, dass jeder initiale Gangunterschied von zwei oder noch mehr LC-Elementen aufgeprägt wird. Dadurch verringert sich der maximale Gangunterschied, der gemessen werden kann, d. h., die Auflösung nimmt ab. Jedoch kann über mehrere Teilbereiche der Detektoreinheit 426 gemittelt werden, wodurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wieder verbessert werden kann.
Im allgemeinen ist ein Langpassfilterelement zwischen der auch als Diffusorelement bezeichneten Diffusoreinheit 408 und der auch als Detektor bezeichneten Detektoreinheit 426 an beliebiger Stelle positioniert, welches nur Lichtstrahlen mit einer größeren Wellenlänge als einer bestimmten Filterwellenlänge transmittiert. Das Langpassfilterelement kann vorteilhafterweise verwendet werden, um kleine Wellenlängen aus dem Interferenzsignal herauszufiltern und so Aliasingeffekte durch die endliche Abtastungsrate des Detektors, welche durch die Größe und den Abstand der Detektorpixel gegeben ist, zu verhindern.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 zum Betreiben eines Fourier-Transform-Spektrometers kann beispielsweise unter Verwendung eines vorangehend anhand von 4 beschriebenen Spektrometers durchgeführt werden. Dabei werden in einem Schritt 510 das erste Lichtstrahlbündel und optional das zweite Lichtstrahlbündel erzeugt. In einem weiteren Schritt 520 wird unter Verwendung des ersten Lichtstrahlbündels das erste phasenverschobene Lichtstrahlbündel und optional unter Verwendung des zweiten Lichtstrahlbündels das zweite phasenverschobene Lichtstrahlbündel erzeugt. In einem Schritt 540 erfolgt das Aufprägen des zusätzlichen Phasenunterschieds zwischen den Teilstrahlen des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels und optional zwischen den Teilstrahlen des zweiten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels. Aus der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit austretende Lichtstrahlen werden in einem Schritt 550 polarisiert. In einem Schritt 530 wird das erste phasenverschobene Lichtstrahlbündel auf den ersten Teilabschnitt der Detektoreinheit gelenkt, während optional das zweite phasenverschobene Lichtstrahlbündel auf den zweiten Teilabschnitt der Detektoreinheit gelenkt wird.
Die Schritte 540, 550 können dem Schritt 530 zeitlich vorangehen. Insbesondere weist das Verfahren 500 den folgenden zeitlichen Ablauf auf.
Im Schritt 540 wird zunächst der zusätzliche Phasenunterschied zwischen den Teilstrahlen des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels aufgeprägt, um einen ersten Savart-Lichtstrahl zu erzeugen. Ebenso wird optional der zusätzliche Phasenunterschied zwischen den Teilstrahlen des zweiten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels aufgeprägt, um einen zweiten Savart-Lichtstrahl zu erzeugen.
Im Schritt 550 wird unter Verwendung des ersten Savart-Lichtstrahls ein erster Analysatorlichtstrahl aus gleich polarisierten Teilstrahlen erzeugt. Analog dazu wird optional unter Verwendung des zweiten Savart-Lichtstrahls ein zweiter Analysatorlichtstrahl aus gleich polarisierten Teilstrahlen erzeugt.
Im Schritt 530 wird schließlich der erste Analysatorlichtstrahl auf den ersten Teilabschnitt und der zweite Analysatorlichtstrahl auf den zweiten Teilabschnitt gelenkt.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011093794 A1 [0002]
WO 2015015493 A2 [0002]
EP 1882917 B1 [0002]
WO 0102799 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Zhang et al., „A static polarization imaging spectrometer based on a Savart polariscope“, Optics Communications 203, 2002 [0002]

Claims

Fourier-Transform-Spektrometer (400) mit folgenden Merkmalen: einer Polarisatoreinheit (402) zum Erzeugen zumindest eines ersten Lichtstrahlbündel (404) eines ersten Polarisationszustands; einer Detektoreinheit (426) zum Detektieren von Lichtstrahlen (416, 418, 448); einer Phasenverschiebungseinheit (410) mit zumindest einem ersten Phasenverschiebungselement (412), das ausgebildet ist, um unter Verwendung des ersten Lichtstrahlbündels (404) ein erstes phasenverschobenes Lichtstrahlbündel (416) aus zueinander phasenverschobenen und orthogonal zueinander polarisierten Teilstrahlen zu erzeugen; einer Linseneinheit (420) mit zumindest einem ersten Linsenelement (422), das ausgebildet ist, um das erste phasenverschobene Lichtstrahlbündel (416) auf einen ersten Teilabschnitt (428) der Detektoreinheit (426) zu lenken; einer zwischen der Phasenverschiebungseinheit (410) und der Linseneinheit (420) angeordneten zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit (432) zum Aufprägen eines zusätzlichen Phasenunterschieds, der winkelabhängig ist, zwischen den Teilstrahlen des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels (416) und/oder zwischen den Teilstrahlen des zweiten phasenverschobenen Lichtstrahls (418); und einer Analysatoreinheit (212; 434) zum Polarisieren von aus der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit (432) austretenden Lichtstrahlen.
Fourier-Transform-Spektrometer (400) gemäß Anspruch 1, bei dem die Phasenverschiebungseinheit (410) als ein Flüssigkristallarray aus einer ersten Flüssigkristallzelle als dem ersten Phasenverschiebungselement (412) und/oder einer zweiten Flüssigkristallzelle als dem zweiten Phasenverschiebungselement (414) und/oder als ein einfaches Element aus zwei doppelbrechenden Kristallen ausgeführt ist.
Fourier-Transform-Spektrometer (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Linseneinheit (420) als ein Mikrolinsenarray aus einer ersten Mikrolinse als dem ersten Linsenelement (422) und/oder einer zweiten Mikrolinse als dem zweiten Linsenelement (424) ausgeführt ist.
Fourier-Transform-Spektrometer (400) gemäß Anspruch 3, bei dem die zusätzliche Phasenverschiebungseinheit (432) als ein Verbund aus zumindest einem ersten doppelbrechenden Kristall und einem zweiten doppelbrechenden Kristall ausgeführt ist.
Fourier-Transform-Spektrometer (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einer zwischen der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit (432) und der Detektoreinheit (426) angeordneten Blendeneinheit (436).
Fourier-Transform-Spektrometer (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Phasenverschiebungselement (412, 414) ausgebildet ist, um das erste phasenverschobene Lichtstrahlbündel (416) durch Aufprägen eines Phasenunterschieds zwischen orthogonal polarisierten Komponenten des ersten Lichtstrahlbündels (404) innerhalb eines ersten Verschiebungsintervalls zu erzeugen.
Fourier-Transform-Spektrometer (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Polarisatoreinheit (402) ausgebildet ist, um zumindest ein zweites Lichtstrahlbündel (406) eines zweiten Polarisationszustands zu erzeugen, wobei die Phasenverschiebungseinheit (410) zumindest ein zweites Phasenverschiebungselement (414) aufweist, das ausgebildet ist, um unter Verwendung des zweiten Lichtstrahlbündels (406) ein zweites phasenverschobenes Lichtstrahlbündel (418) aus zueinander phasenverschobenen und orthogonal zueinander polarisierten Teilstrahlen zu erzeugen, wobei die Linseneinheit (420) zumindest ein zweites Linsenelement (424) aufweist, das ausgebildet ist, um das zweite phasenverschobene Lichtstrahlbündel (418) auf einen außerhalb des ersten Teilabschnitts (428) befindlichen zweiten Teilabschnitt (430) der Detektoreinheit (426) zu lenken, und wobei die zusätzliche Phasenverschiebungseinheit (432) ausgebildet ist, um einen zusätzlichen Phasenunterschied, der winkelabhängig ist, zwischen den Teilstrahlen des zweiten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels (418) aufzuprägen.
Verfahren (500) zum Betreiben eines Fourier-Transform-Spektrometers (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst: Erzeugen (510) des zumindest einen ersten Lichtstrahlbündels (404) eines ersten Polarisationszustands; Erzeugen (520) des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels (416) aus zueinander phasenverschobenen und orthogonal zueinander polarisierten Teilstrahlen unter Verwendung des ersten Lichtstrahlbündels ; Aufprägen (540) des zusätzlichen Phasenunterschieds zwischen den Teilstrahlen des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels (416); Polarisieren (550) der aus der zusätzlichen Phasenverschiebungseinheit (432) austretenden Lichtstrahlen; und Lenken (530) des ersten phasenverschobenen Lichtstrahlbündels (416) auf den ersten Teilabschnitt (428) der Detektoreinheit (426).
Vorrichtung (460) mit einer Einheit (462), die ausgebildet ist, um das Verfahren (500) gemäß Anspruch 8 auszuführen und/oder anzusteuern.