DE102018124345A1

DE102018124345A1 - Spektrometer und Verfahren zum Analysieren einer Lichtprobe mittels eines Spektrometers

Info

Publication number: DE102018124345A1
Application number: DE102018124345.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fritsch
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2018-10-02
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-10-03
Also published as: CN110987180A; DE102018124345B4; US11366014B2; US20200103282A1

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Spektrometer (1) umfassend wenigstens ein Lichteinkopplungselement (3), einen variablen Eintrittsspalt (4), ein dispersives Element (6), ein Detektorelement (7) und eine Steuer- und Auswerteeinheit (8). Die Aufgabe ein Spektrometer mit verbesserten Messeigenschaften anzugeben, wird dadurch gelöst, dass der variable Eintrittsspalt (4) durch ein erstes räumliches Modulationselement umfassend eine Mehrzahl von Pixeln realisiert ist, wobei die einzelnen Pixel unabhängig voneinander durch die Steuer- und Auswerteeinheit ausgerichtet werden können, wobei die einzelnen Pixel zur Realisierung des Eintrittspaltes im Betrieb derart ausgerichtet sind, dass zumindest ein Teil des von dem Lichteinkopplungselement (3) einfallenden Lichtes auf das dispersive Element (6) weitergeleitet wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Spektrometer umfassend wenigstens ein Lichteinkopplungselement, einen variablen Eintrittsspalt, ein dispersives Element, ein Detektorelement und eine Steuer- und Auswerteeinheit. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Analysieren einer Lichtprobe mittels eines Spektrometers, wobei das Spektrometer wenigstens ein Lichteinkopplungselement, einen variablen Eintrittsspalt, ein dispersives Element, ein Detektorelement und eine Steuer- und Auswerteeinheit aufweist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, über die spektrale Zusammensetzung einer Lichtprobe Rückschlüsse auf den die Lichtprobe aussendenden Analyten zu ziehen. Hierzu wird das Licht einer Lichtprobe in einem Spektrometer durch ein dispersives Element, beispielsweise durch ein optisches Gitter, in seine spektralen Bestandteile zerlegt. Die einzelnen spektralen Komponenten werden anschließend von einem Detektor erfasst, sodass im Weiteren das Spektrum der Lichtprobe dargestellt und analysiert werden kann. Um die Kohärenz der zu untersuchenden Lichtprobe zu gewährleisten, trifft das zu analysierende Licht zunächst auf einen Eintrittsspalt, der über einen optischen Pfad auf das Detektorelement abgebildet wird.
Grundsätzlich ist die spektrale Auflösung eines Spektrometers durch die Breite des Eintrittsspaltes bestimmt. Die Festlegung der Spaltbreite ist eine Optimierungsaufgabe, in die Rahmenbedingungen wie die Größe des Detektorelements oder im Falle eines Zeilendetektors der einzelnen Detektorelemente, die Größe des Gesamtaufbaus sowie die Lichtausbeute eingehen. Ist der Detektor und die Größe des optischen Systems gegeben, kann durch Verringerung der Spaltbreite die Auflösung erhöht werden, allerdings fällt bei verringerter Spaltbreite auch weniger Licht in das Spektrometer. Im Gegenzug kann in besonders lichtschwachen Anwendungen die Lichtausbeute auf Kosten der Auflösung erhöht werden.
Im gegenwärtigen Stand der Technik sind verschiedene Lösungen für eine Anpassung der Spaltbreite bekannt: Durch ein manuelles Wechseln einer Scheibe, in die der Spalt geschnitten ist oder durch manuelles Verschieben einer oder beider Begrenzungsscheiben des Spaltes mittels einer Mikrometerschraube oder durch eine (teil-)automatische mechanische Einstellung mittels motorisierter Mikrometerschrauben kann die Spaltbreite des Eintrittsspaltes variiert werden.
Nachteilig bei den genannten Vorrichtungen ist die geringe Geschwindigkeit, mit der die Spaltbreite geändert werden kann und die hohe mechanische Komplexität, die darin begründet ist, dass die Spaltbreite exakt auf einer µm-Skala eingestellt werden muss und die beiden Begrenzungen parallel bleiben müssen.
Aus der Druckschrift DE 199 32 807 A1 ist ein Spektrometer bekannt, wobei der Eintrittsspalt bestehend aus einer beweglichen Blende und einer feststehenden Blende periodisch moduliert wird, um hochempfindliche und driftfreie Verstärker in der Signalaufbereitung nutzen zu können.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift US 2004/0125361 A1 ein Verfahren zur Vermessung der Strahleigenschaften eines Laserstrahls bekannt, wobei der Laserstrahl mittels eines Mikrospiegel-Arrays basierend auf der Rasierklingenmethode zerlegt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer mit verbesserten Messeigenschaften anzugeben. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zum Analysieren einer Lichtprobe anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der Erfindung durch ein eingangs genanntes Spektrometer dadurch gelöst, dass der variable Eintrittsspalt durch ein erstes räumliches Modulationselement umfassend eine Mehrzahl von Pixeln realisiert ist, wobei die einzelnen Pixel unabhängig voneinander durch die Steuer- und Auswerteeinheit ausgerichtet werden können, wobei die einzelnen Pixel zur Realisierung des Eintrittspaltes im Betrieb derart ausgerichtet sind, dass zumindest ein Teil des von dem Lichteinkopplungselementes einfallenden Lichtes auf das dispersive Element weitergeleitet wird.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Eintrittsspalt eines Spektrometers durch ein erstes reflektierendes oder transmittierendes räumliches Modulationselement umfassend eine Mehrzahl von separat ansteuerbaren Pixeln realisiert werden kann, wobei durch die separate Ansteuerbarkeit der einzelnen Pixel der Eintrittspalt besonders einfach und flexibel variiert werden kann.
Die Ausrichtung der einzelnen Pixel erfolgt durch die Steuer- und Auswerteeinheit.
Erfindungsgemäß wird das auf das erste räumliche Modulationselement treffende Abbild des zu analysierenden Lichtes räumlich geformt durch die Einstellung bzw. Auslenkung der einzelnen Pixel, wobei nicht zu analysierende Anteile des Abbildes in ihrer Intensität abgeschwächt und/oder in ihrer Ausbreitungsrichtung von dem dispersiven Element weggelenkt werden.
Grundsätzlich wird insofern im Rahmen der vorliegenden Erfindung unterschieden zwischen einer ersten Position bzw. Ausrichtung der Pixel, in der das zu analysierende Licht auf das dispersive Element weitergeleitet wird (ON-Position) und einer zweiten Position bzw. Ausrichtung der Pixel, in der das Licht nicht in das Spektrometer weitergeleitet wird, sodass es nicht zur Analyse zur Verfügung steht (OFF-Position). Auf diese Weise kann das Abbild des Lichteinkopplungselementes durch die Ausrichtung der einzelnen Pixel besonders exakt beschnitten werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die einzelnen Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes in Form einer Matrix angeordnet.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das erste räumliche Modulationselement als erstes Mikrospiegel-Array ausgebildet, wobei die Mehrzahl der Pixel durch eine Mehrzahl von Mikrospiegeln realisiert ist.
Gemäß einer Ausgestaltung werden die Mikrospiegel digital angesteuert, sodass die einzelnen Mikrospiegel zwischen zwei Positionen verstellbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können die Mikrospiegel mittels eines analogen Signals in beliebigen Winkeln verkippt werden.
Eine Ausgestaltung des Mikrospiegel-Arrays umfasst eine Matrix aus 607 × 638 Spiegeln mit einer Seitenlänge zwischen 5 und 10 µm.
Alternativ ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung das erste räumliche Modulationselement als Flüssigkristalldisplay ausgestaltet, wobei die Mehrzahl an Pixeln durch eine Mehrzahl an Flüssigkristallen realisiert ist. Mittels der Steuer- und Auswerteeinheit kann die Transparenz der einzelnen Pixel für das von dem Lichteinkopplungselement einfallende Licht durch die Ausrichtung der Flüssigkristalle separat eingestellt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung wird der Eintrittspalt mittels eines Flüssigkristalldisplays in einer einfachen Transparenz erzeugt. Alternativ ist das Flüssigkristalldisplay mit einem Spiegel hinterlegt, sodass das in das Spektrometer weitergeleitete Licht das Flüssigkeitskristalldisplay zweimal durchläuft.
Ebenfalls denkbar ist, dass das erste räumliche Modulationselement als schaltbares Gitter ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausgestaltung besteht jedes Pixel aus einem separaten schaltbaren Gitter umfassend eine Mehrzahl von Metallstreifen, die jeweils in eine ON-Position und eine OFF-Position ausgerichtet werden können.
Neben den zuvor beschrieben Ausgestaltungen kann das erste räumliche Modulationselement ebenfalls durch andere, hier nicht genannte Bauteile realisiert sein, die einfallendes Licht pixelweise weiterleiten. Gemäß einer Ausgestaltung sind die Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes im Betrieb derart ausgerichtet, dass eine Spalte des ersten räumlichen Modulationselementes das Licht der einfallenden Lichtprobe in Richtung des dispersiven Elementes weiterleitet, und dass die übrigen Pixel (in der OFF-Position) derart ausgerichtet sind, dass der restliche Teil der auf das erste räumliche Modulationselement treffenden Lichtprobe nicht in das Spektrometer weitergeleitet wird.
Dabei ist die Spaltbreite des Eintrittsspaltes festgelegt durch die Anzahl der Pixel, die in jeder Zeile das Licht in Richtung des dispersiven Elementes weiterleiten. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Spaltbreite in Bezug auf die Längsrichtung des Spaltes konstant.
Zudem ist es ebenfalls denkbar, dass die Spaltbreite in Längsrichtung des Spaltes, also zeilenweise, unterschiedlich ist. Beispielsweise kann der Spalt abschnittsweise verbreitert sein. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Spaltform zwar auf Kosten der Auflösung des Spektrometers verwässert, jedoch ist durch eine abschnittsweise Verbreiterung des Spaltes die Lichtausbeute erhöht.
Die Spaltbreite und/oder die Spaltform kann vor jeder Messung auf die Messsituation, insbesondere auf das Abbild der zu vermessende Lichtprobe angepasst werden.
Darüber hinaus ist das Spektrometer derart ausgestaltet, dass die Spaltbreite und/oder die Spaltform auch während der Vermessung einer Lichtprobe also während der Erfassung eines Spektrums variiert und angepasst werden kann. Insofern kann das Spektrometer im Betrieb insbesondere auch für die Erfassung von einzelnen spektralen Komponenten hinsichtlich der zur Analyse zur Verfügung stehenden Lichtausbeute und der Auflösung optimiert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung sind im Betrieb sämtliche Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes so ausgerichtet, dass das auf das Modulationselement treffende Abbild der zu analysierenden Lichtprobe komplett in das Spektrometer weitergeleitet wird. In diesem Fall tritt besonders viel Licht in das Spektrometer ein.
In jedem Fall weist die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil auf, dass die Spaltbreite und/oder die Spaltform schnell und exakt eingestellt und verändert werden kann. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von der Messsituation eine Optimierung des Spektrometers in Bezug auf die Auflösung und die zur Verfügung stehende Lichtausbeute vor oder auch während einer Messung besonders schnell erfolgen, wodurch das Spektrometer insgesamt verbesserte Messeigenschaften aufweist.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann sowohl als ein Bauteil ausgestaltet sein oder alternativ separate Komponenten umfassen.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das wenigstens eine Lichteinkopplungselement als Lichtwellenleiter oder als Lichtwellenleiterbündel ausgestaltet. Besonders bevorzugt ist der Lichtwellenleiter als Glasfaser ausgebildet bzw. das Lichtwellenleiterbündel ist besonders bevorzugt als Glasfaserbündel ausgebildet.
Weist gemäß einer Ausgestaltung eine einzelne Glasfaser typischerweise einen Durchmesser von ca. 100 µm auf, und weisen die einzelnen Spiegel eines Mikrospiegel-Arrays eine Seitenlänge von ca. 5 µm auf, so kann das auf das erste Mikrospiegel-Array treffende Abbild der Glasfaser oder der Glasfasern besonders exakt beschnitten werden.
Besonders bevorzugt ist es ebenfalls, wenn das dispersive Element als optisches Gitter, beispielsweise als Reflexionsgitter, ausgestaltet ist.
Das Detektorelement ist beispielsweise als Zeilendetektor ausgestaltet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die spektralen Komponenten hinter dem dispersiven Element unmittelbar auf den Detektor treffen. Gemäß dieser Ausgestaltung können die räumlich unterscheidbaren spektralen Komponenten gleichzeitig erfasst werden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Detektorelement als Einzeldetektor ausgebildet. Gemäß dieser Ausgestaltung wird das Spektrum der Lichtprobe im Betrieb vorzugsweise sequenziell abgetastet.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das erste räumliche Modulationselement auf dem optischen Pfad vor dem dispersiven Element und darüber hinaus zwischen dem dispersiven Element und dem Detektorelement angeordnet, wobei im Betrieb in einem ersten Teilbereich des ersten räumlichen Modulationselementes die Pixel derart ausgerichtet sind, dass das von dem Lichteinkopplungselement einfallende Licht zumindest teilweise auf das dispersive Element weitergeleitet wird und dass in einem zweiten Teilbereich des ersten räumlichen Modulationselementes die Pixel derart ausgerichtet sind, dass im Betrieb die spektralen Komponenten der zu untersuchenden Lichtprobe vorzugsweise sequenziell auf das Detektorelement gelenkt werden.
Beispielsweise ist die obere Hälfte des ersten räumlichen Modulationselementes als Eintrittspalt ausgerichtet und die untere Hälfte des ersten räumlichen Modulationselementes ist als das die spektralen Komponenten des zu analysierenden Lichtes weiterleitendes Element vor dem Detektorelement ausgerichtet. Alternativ ist die rechte Hälfte des ersten räumlichen Modulationselementes als Eintrittspalt ausgerichtet und die linke Hälfte des ersten räumlichen Modulationselementes ist als das die spektralen Komponenten des zu analysierenden Lichtes weiterleitendes Element vor dem Detektorelement ausgerichtet. Daneben ist auch jede andere geeignete Aufteilung des ersten räumlichen Modulationselementes in wenigstens zwei oder mehr Teilbereiche, die im Betrieb jeweils unterschiedliche Funktionen realisieren denkbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Spektrometers ist ein zweites räumliches Modulationselement umfassend eine Mehrzahl von Pixeln vorhanden, wobei jedes Pixel durch die Steuer- und Auswerteeinheit separat ausgerichtet werden kann, wobei das zweite räumliche Modulationselement auf dem optischen Pfad zwischen dem dispersiven Element und dem Detektorelement angeordnet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit die Mehrzahl der Pixel des zweiten räumlichen Modulationselementes im Betrieb derart auslenkt, dass die spektralen Komponenten der zu untersuchenden Lichtprobe vorzugsweise sequenziell auf das Detektorelement gelenkt werden.
Die Ausgestaltung, in der die einzelnen spektralen Anteile der zu untersuchenden Lichtprobe zeitlich nacheinander detektiert werden, weist den Vorteil auf, dass eine Überdeckung der Beugungsmuster unterschiedlicher Wellenlängen vermieden werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung ebenfalls, dass die Spaltbreite und/oder die Spaltform des Eintrittsspaltes bzw. die Ausrichtung der Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes auch während der Vermessung einer Lichtprobe in Abhängigkeit von der aktuell detektierten spektralen Komponente angepasst werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in einem Teil des Spektrums die Spektrallinien zweier interessierender Analyten eng benachbart sind und insofern hohe Anforderungen an die Auflösung des Spektrometers stellen, während in einem anderen Teil des Spektrums mehrere Linien eines einzigen Analyten isoliert lokalisiert sind, und für deren Auswertung das Integral über alle Linien ausreichend ist, sodass die Lichtausbeute auf Kosten der Auflösung optimiert werden kann. Insofern kann mit dieser Ausgestaltung auch während einer Messung sichergestellt werden, dass eine optimale Einstellung des Spektrometers in Bezug auf die Auflösung und die Lichtausbeute in Abhängigkeit der einzelnen spektralen Komponenten gewährleistet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das zweite räumliche Modulationselement als Mikrospiegel-Array oder als Flüssigkristalldisplay oder schaltbares Gitter oder als gleichwertiges Bauteil ausgestaltet.
Gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung ist die eingangs genannte Aufgabe durch ein eingangs beschriebenes Verfahren zum Analysieren einer Lichtprobe dadurch gelöst, dass der variable Eintrittsspalt durch ein erstes räumliches Modulationselement umfassend eine Mehrzahl von Pixeln realisiert ist, wobei die einzelnen Pixel unabhängig voneinander durch die Steuer- und Auswerteeinheit ausgerichtet werden können, wobei die einzelnen Pixel zur Realisierung des Eintrittsspaltes im Betrieb derart ausgerichtet sind, dass zumindest ein Teil des von dem Lichteinkopplungselement einfallenden Lichtes auf das dispersive Element weitergeleitet wird,
wobei durch ein Auslenken der einzelnen Pixel die Breite des Eintrittsspaltes in Abhängigkeit von der Messsituation vor und/oder während einer Messung variiert wird,
dass die zu analysierende Lichtprobe durch das dispersive Element in seine spektralen Komponenten zerlegt wird,
dass die spektralen Komponenten der Lichtprobe auf das Detektorelement abgebildet werden und dass die Steuer- und Auswerteeinheit das Spektrum der Lichtprobe bestimmt.
Die Anpassung der Ausrichtung der einzelnen Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes erfolgt gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens dadurch, dass zumindest vor der Inbetriebnahme des Spektrometers sämtliche Pixel zunächst in OFF-Position ausgerichtet sind. Anschließend wird das Abbild des Lichteinkopplungselementes dadurch abgetastet, dass die einzelnen Pixel nacheinander in ON-Position ausgerichtet werden, wobei gleichzeitig am Detektorelement die Intensität, die durch das jeweils ausgerichtete Pixel weitergeleitet wird, erfasst wird.
Gemäß einer Ausgestaltung werden alle Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes zeilenweise nacheinander in ON-Position ausgerichtet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Ausrichtung einzelner Pixel ab der zweiten Zeile des ersten räumlichen Modulationselements lediglich in der Spalte, in der in der zuvor vermessenen Zeile eine maximale Lichtintensität bestimmt wurde, sowie zusätzlich in den 5 Spalten davor und dahinter. Wurde beispielsweise festgestellt, dass in der ersten Zeile das Pixel in Spalte 20 bei Ausrichtung in die ON-Position die höchste Lichtintensität weitergeleitet hat, so werden in der zweiten Zeile lediglich die Pixel in den Spalten 15 bis 25 nacheinander in ON-Position ausgerichtet und die jeweils weitergeleitete Intensität erfasst. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass nicht sämtliche Pixel zur Anpassung der Ausrichtung des ersten räumlichen Modulationselementes ausgerichtet werden müssen.
Neben den zuvor dargelegten sind auch weitere Algorithmen denkbar, nach denen eine vorteilhafte Abtastung des Abbildes des Lichteinkopplungselementes durch die sequenzielle Ausrichtung von einzelnen Pixeln erfolgen kann.
Eine entsprechende Abtastung erfolgt zumindest vor der Inbetriebnahme des Spektrometers. Weiterhin kann die zuvor beschriebene Abtastung auch bei einem Wechsel des Lichteinkopplungselementes erfolgen. Denkbar ist es ebenfalls, dass eine Abtastung zur Anpassung der Ausrichtung der Pixel vor jeder Messung erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Spektrometer nach einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Spaltbreite und/oder die Spaltform des Eintrittsspaltes im Betrieb in Abhängigkeit von der spektralen Komponente der zu untersuchenden Lichtprobe, die auf das Detektorelement fällt, variiert wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die Spaltform des Eintrittsspaltes in Abhängigkeit von der Messsituation vor und/oder während einer Messung dadurch variiert, dass die Spaltbreite des Eintrittsspaltes zeilenweise eingestellt wird.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn das Lichteinkopplungselement als Lichtwellenleiterbündel aus linear angeordneten Lichtwellenleitern ausgebildet ist, dass die Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes zeilenweise derart ausgelenkt werden, dass eine Abweichung einzelner Lichtwellenleiter von der linearen Anordnung korrigiert wird.
Beispielsweise kann das Abbild des Lichtwellenleiterbündels zur Korrektur durch Ausrichtung der einzelnen Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes spaltenförmig beschnitten werden.
Damit ist gemeint, dass die Pixel des Modulationselementes derart ausgerichtet sind, dass eine Spalte des Abbildes des Lichtwellenleiterbündels in das Spektrometer weitergeleitet wird. Dabei ist die Spalte aus den einzelnen Pixeln derart angeordnet, dass trotz einer fehlerhaften Anordnung wenigstens eines Lichtwellenleiters sämtliche Pixel, die in ON-Position ausgerichtet sind, durch das Abbild der Lichtwellenleiter im Wesentlichen voll ausgeleuchtet sind. Die Spaltbreite kann je nach Anwendung variieren und/oder vor jeder Messung bzw. während einer Messung angepasst werden.
Zudem ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Form der Gesamtheit der das Licht in das Spektrometer weiterleitenden Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes zur Korrektur an die Form des Abbildes des Lichtwellenleiterbündels angepasst wird. Hierzu werden beispielsweise in wenigstens einer Zeile die in ON-Position ausgerichteten Pixel versetzt zu den übrigen in ON-Position ausgerichteten Pixeln angeordnet. Auch gemäß dieser Ausgestaltung kann die Spaltbreite und/oder die Spaltform je nach Messsituation variieren und/oder vor jeder Messung bzw. während einer Messung angepasst werden.
Eine zuvor beschriebene Korrektur einer unregelmäßigen Form des Abbildes des Lichteinkopplungselementes kann beispielsweise durch die Abtastung des Abbildes bei Inbetriebnahme des Spektrometers eingestellt werden.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Spektrometer und das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektrometers,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektrometers,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektrometers,
4 ein Ausführungsbeispiel eines Abbildes eines Lichtwellenleiterbündels auf einem ersten Mikrospiegel-Array,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abbildes eines Lichtwellenleiterbündels auf einem ersten Mikrospiegel-Array
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektrometers,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abbildes auf dem ersten Mikrospiegel-Array und
8 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spektrometers 1 mit einem Lichteinkopplungselement 3 in Form einer Glasfaser, mit einem variablen Eintrittsspalt 4, der durch ein erstes räumliches Modulationselement in Form eines ersten Mikrospiegel-Arrays 5 ausgebildet ist, mit einem dispersiven Element 6, das als reflektierendes Beugungsgitter ausgestaltet ist, mit einem Detektorelement 7 und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 8. Die einzelnen Mikrospiegel des Mikrospiegel-Arrays 5 können durch Anlegen einer Spannung durch die Steuer- und Auswerteeinheit 8 jeweils separat ausgerichtet werden. Im Betrieb werden die einzelnen Spiegel derart ausgelenkt, dass zumindest ein Teil des über die Glasfaser einfallenden Lichtes über einen optischen Pfad auf das Detektorelement 7 abgebildet wird. Neben den genannten Elementen weist der optische Pfad weiterhin optische Linsen 9 zur Strahlformung und Fokussierung der zu untersuchenden Lichtprobe auf.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spektrometers 1 dargestellt, wobei im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Spektrometer 1 zwischen dem dispersiven Element 6 und dem Detektor 7 ein zweites räumliches Modulationselement in Form eines zweiten Mikrospiegel-Array 10 angeordnet ist, das ebenfalls durch die Steuer- und Auswerteeinheit 8 steuerbar ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit 8 lenkt die Mehrzahl der Mikrospiegel des zweiten Mikrospiegel-Arrays 10 im Betrieb derart aus, dass die durch das Beugungsgitter separierten spektralen Komponenten der zu untersuchenden Lichtprobe sequenziell auf das Detektorelement 7 gelenkt werden. Das Detektorelement 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Einzeldetektor ausgestaltet. Die dargestellte Anordnung hat den Vorteil, dass bei der Erfassung der einzelnen spektralen Komponenten keine Überdeckung der Beugungsmaxima von unterschiedlichen Wellenlängen stattfindet bzw. erfasst wird, wodurch die Genauigkeit des Spektrometers besonders hoch ist. Diese Ausgestaltung weist weiterhin den Vorteil auf, dass die Spaltbreite des Eintrittsspalts 4 auch während einer Messung in Abhängigkeit von der spektralen Komponente der zu untersuchenden Lichtprobe, die aktuell auf das Detektorelement 7 trifft, angepasst werden kann.
In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Spektrometers 1 ist das Lichteinkopplungselement 3 als Glasfaserbündel ausgestaltet, wobei die einzelnen Glasfasern linear zueinander angeordnet sind. Das Abbild dieses Glasfaserbündels wird durch eine abbildende Optik auf das erste Mikrospiegel-Array 5 gerichtet. Dargestellt ist ein Mikrospiegel-Array 5 sowie ein Teil der Mikrospiegel. Die einzelnen Spiegel des Mikrospiegel-Arrays 5 sind derart ausgerichtet, dass ein spaltenförmiger Teil des Abbildes des Glasfaserbündels in das Spektrometer weitergeleitet wird. Ein spaltenförmiger Teil der Mikrospiegel ist in ON-Position 14 ausgerichtet. Der übrige Teil der Mikrospiegel reflektiert das einfallende Licht in OFF-Position 15 von dem dispersiven Element 6 weg. Dabei ist die Spaltbreite so gewählt, dass alle Spiegel, die in ON-Position ausgerichtet sind, im Wesentlichen voll ausgeleuchtet sind und dass das Spektrometer 1 insgesamt im Hinblick auf die Lichtausbeute und die Auflösung optimiert ist.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Abbildes eines Lichtwellenleiterbündels auf einem ersten Mikrospiegel-Array 5. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Lichtwellenleiter abweichend von der linearen Anordnung versetzt zu den übrigen Lichtwellenleitern angeordnet. Diese fehlerhafte Anordnung kann im Betrieb dadurch korrigiert werden, dass die das Licht weiterleitende Spalte, d.h die in ON-Position 14 ausgerichteten Mikrospiegel, derart angeordnet sind, dass sämtliche Mikrospiegel trotz der versetzten Anordnung im Wesentlichen voll ausgeleuchtet sind. Auf diese Weise kann das komplette Abbild des Glasfaserbündels derart beschnitten werden, dass eine Abweichung einzelner Lichtwellenleiter von der linearen Anordnung im Hinblick auf die Weiterleitung in das Spektrometer korrigiert wird. Die Spaltbreite im dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Breite eines Mikrospiegels. Daneben kann die Spaltbreite natürlich ebenfalls mehrere Mikrospiegel umfassen und insbesondere im Betrieb an die Messsituation angepasst werden.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abbildes eines Lichtwellenleiterbündels auf einem ersten Mikrospiegel-Array 5, wobei ebenfalls ein Lichtwellenleiter abweichend von der linearen Anordnung versetzt zu den übrigen Lichtwellenleitern angeordnet ist. Im Unterschied zu der in 4 gezeigten Darstellung wird diese fehlerhafte Anordnung dadurch korrigiert, dass die Mikrospiegel, die in ON-Position 14 ausgerichtet sind, im Bereich des Abbildes des versetzt angeordneten Lichtwellenleichters zeilenweise ebenfalls versetzt zu den übrigen in ON-Position 14 ausgerichteten Mikrospiegeln angeordnet sind. Im Ergebnis wird insofern die Form der in ON-Position 14 ausgerichteten Mikrospiegel an die Form des Abbildes des Lichtwellenleiterbündels angepasst.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spektrometers 1. Dabei ist das erste Mikrospiegel-Array 5 derart angeordnet, dass es im Strahlengang einerseits vor dem dispersiven Element 6 und weiterhin zwischen dem dispersiven Element 6 und dem Detektionselement 7 angeordnet ist. Der Verlauf des Strahlengangs ist vorliegend durch Pfeile an den dargestellten Lichtstrahlen angedeutet.
Im Detail realisiert ein erster Teilbereich 17 des Mikrospiegel-Arrays 5 die Funktion des Eintrittsspaltes 4 und ein zweiter Teilbereich 18 realisiert die Funktion der Weiterleitung von einzelnen spektralen Komponenten auf das Detektionselement 7. Hierzu wird das zu analysierende Licht mittels eines konfokalen Spiegels 16 auf den zweiten Teilbereich 18 des Mikrospiegel-Arrays 5 fokussiert.
7 zeigt das Abbild des zu analysierenden Lichtes auf dem Mikrospiegel-Array 5 gemäß der in 6 dargestellten Anordnung. Die Darstellung zeigt einen ersten Teilbereich 17, der die Funktion eines Eintrittsspaltes 4 realisiert und einen zweiten Teilbereich 18 der die spektralen Komponenten auf das Detektionselement 7 lenkt.
Alternative Ausführungsbeispiele weisen bei ansonsten gleicher Bauweise des Spektrometers, wie in den 1 bis 7 dargestellt, ein Flüssigkristalldisplay oder ein schaltbares Gitter als erstes und/oder als zweites räumliches Modulationselement auf.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 2 zum Analysieren einer Lichtprobe, wobei das Spektrometer 1 gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgestaltet ist. Zunächst wird bei Inbetriebnahme des Spektrometers zur Bestimmung der Ausrichtung der Mikrospiegel des ersten Mikrospiegel-Arrays 5 das Abbild des Lichteinkopplungselementes abgetastet. In Abhängigkeit von dem abgetasteten Abbild sowie in Abhängigkeit von der Messsituation werden die Mikrospiegel in ON-Position 14 bzw. in OFF-Position 15 ausgerichtet.
In einem ersten Schritt 11 des Verfahrens 2 wird nun die zu untersuchende Lichtprobe über das Lichteinkopplungselement 3 in das Spektrometer 1 eingekoppelt. Über das erste Mikrospiegel-Array 5 wird das einfallende Licht in Form eines Spaltes mit definierter Spaltbreite auf das dispersive Element 6 weitergeleitet und durch das dispersive Element 6 in seine spektralen Komponenten zerlegt. Im Weiteren werden die einzelnen spektralen Komponenten sequenziell durch Auslenken der einzelnen Spiegel des zweiten Mikrospiegel-Arrays 10 auf das Detektorelement abgebildet 12. Dabei wird die Spaltbreite des Eintrittsspaltes 4 durch die Steuer- und Auswerteeinheit 8 angepasst 13 an die aktuell auf das Detektorelement 7 treffende spektrale Komponente. Schließlich bestimmt 14 die Steuer- und Auswerteeinheit 8 das Spektrum der zu untersuchenden Lichtprobe.
Das dargestellte Verfahren 2 weist den Vorteil auf, dass eine Optimierung im Hinblick auf die Auflösung des Spektrometers 1 und die Lichtausbeute, d.h. die in das Spektrometer 1 weitergeleitete Lichtmenge, insbesondere auch während einer Messung besonders genau erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

1: Spektrometer
2: Verfahren zum Analysieren einer Lichtprobe
3: Lichteinkopplungselement
4: Eintrittsspalt
5: Erstes Mikrospiegel-Array
6: Dispersives Element
7: Detektorelement
8: Steuer- und Auswerteeinheit
9: Optische Linse
10: Zweites Mikrospiegel-Array
11: Einkopplung der Lichtprobe in das Spektrometer
12: Sequenzielles Abbilden der einzelnen spektralen Komponenten auf das Detektorelement
13: Anpassung der Spaltbreite an die spektrale Komponente
14: ON-Position
15: OFF-Position
16: Fokussierender Spiegel
17: Erster Teilbereich
18: Zweiter Teilbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19932807 A1 [0006]
US 2004/0125361 A1 [0007]

Claims

Spektrometer (1) umfassend wenigstens ein Lichteinkopplungselement (3), einen variablen Eintrittsspalt (4), ein dispersives Element (6), ein Detektorelement (7) und eine Steuer- und Auswerteeinheit (8), dadurch gekennzeichnet, dass der variable Eintrittsspalt (4) durch ein erstes räumliches Modulationselement umfassend eine Mehrzahl von Pixeln realisiert ist, wobei die einzelnen Pixel unabhängig voneinander durch die Steuer- und Auswerteeinheit ausgerichtet werden können, wobei die einzelnen Pixel zur Realisierung des Eintrittspaltes im Betrieb derart ausgerichtet sind, dass zumindest ein Teil des von dem Lichteinkopplungselement (3) einfallenden Lichtes auf das dispersive Element (6) weitergeleitet wird.
Spektrometer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste räumliche Modulationselement als erstes Mikrospiegel-Array (5) ausgebildet ist, wobei die Mehrzahl der Pixel durch eine Mehrzahl von Mikrospiegeln realisiert ist.
Spektrometer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Lichteinkopplungselement (3) als Lichtwellenleiter oder als Lichtwellenleiterbündel ausgestaltet ist.
Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste räumliche Modulationselement auf dem optischen Pfad vor dem dispersiven Element (6) und darüber hinaus zwischen dem dispersiven Element (6) und dem Detektorelement (7) angeordnet ist, dass im Betrieb in einem ersten Teilbereich des ersten räumlichen Modulationselementes die Pixel derart ausgerichtet sind, dass das von dem Lichteinkopplungselement (3) einfallende Licht zumindest teilweise auf das dispersive Element (6) weitergeleitet wird und dass in einem zweiten Teilbereich des ersten räumlichen Modulationselementes die Pixel derart ausgerichtet sind, dass im Betrieb die spektralen Komponenten der zu untersuchenden Lichtprobe vorzugsweise sequenziell auf das Detektorelement (7) gelenkt werden.
Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites räumliches Modulationselement umfassend eine Mehrzahl von Pixeln vorhanden ist, wobei jedes Pixel durch die Steuer- und Auswerteeinheit (8) separat ausgerichtet werden kann, wobei das zweite räumliche Modulationselement auf dem optischen Pfad zwischen dem dispersiven Element (6) und dem Detektorelement (7) angeordnet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (8) die Mehrzahl der Pixel des zweiten räumlichen Modulationselementes im Betrieb derart auslenkt, dass die spektralen Komponenten der zu untersuchenden Lichtprobe vorzugsweise sequenziell auf das Detektorelement (7) gelenkt werden.
Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorelement (7) als Einzeldetektor ausgestaltet ist.
Verfahren (2) zum Analysieren einer Lichtprobe mittels eines Spektrometers (1), wobei das Spektrometer (1) wenigstens ein Lichteinkopplungselement (3), einen variablen Eintrittsspalt (4), ein dispersives Element (6), ein Detektorelement (7) und eine Steuer- und Auswerteeinheit (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Eintrittsspalt (4) durch ein erstes räumliches Modulationselement umfassend eine Mehrzahl von Pixeln realisiert ist, wobei die einzelnen Pixel unabhängig voneinander durch die Steuer- und Auswerteeinheit ausgerichtet werden können, wobei die einzelnen Pixel zur Realisierung des Eintrittspaltes im Betrieb derart ausgerichtet sind, dass zumindest ein Teil des von dem Lichteinkopplungselement (3) einfallenden Lichtes auf das dispersive Element (6) weitergeleitet wird, die Breite des Eintrittsspaltes in Abhängigkeit von der Messsituation vor und/oder während einer Messung variiert wird, dass die zu analysierende Lichtprobe durch das dispersive Element (6) in seine spektralen Komponenten zerlegt wird, dass die spektralen Komponenten der Lichtprobe auf das Detektorelement (7) abgebildet werden und dass die Steuer- und Auswerteeinheit (8) das Spektrum der Lichtprobe bestimmt.
Verfahren (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestaltet ist.
Verfahren (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vor Inbetriebnahme des Spektrometers das Abbild des Lichteinkopplungselementes dadurch abgetastet wird, dass die einzelnen Pixel des ersten räumlichen Modulationselementes nacheinander in ON-Position verbracht werden, wobei die ON-Position die Position bezeichnet, in der ein Pixel das zu analysierende Licht auf das dispersive Element weiterleitet und wobei gleichzeitig am Detektorelement die Intensität des Lichtes, die durch das jeweilige Pixel weitergeleitet wird, erfasst wird.
Verfahren (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltform des Eintrittsspaltes in Abhängigkeit von der Messsituation vor und/oder während einer Messung dadurch variiert wird, dass die Spaltbreite zeilenweise separat eingestellt wird.
Verfahren (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite und/oder die Spaltform des Eintrittsspaltes im Betrieb in Abhängigkeit von der spektralen Komponente der zu untersuchenden Lichtprobe, die auf das Detektorelement (7) fällt, variiert wird.
Verfahren (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichteinkopplungselement (3) als Lichtwellenleiterbündel aus linear angeordneten Lichtwellenleitern ausgebildet ist, dass die Pixel des ersten räumlichen Modulators vorzugsweise zeilenweise derart ausgerichtet werden, dass eine Abweichung einzelner Lichtwellenleiter von der linearen Anordnung korrigiert wird.
Verfahren (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbild des Lichtwellenleiterbündels zur Korrektur durch Ausrichtung der Pixel spaltenförmig beschnitten wird.
Verfahren (2) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Gesamtheit der das Licht in das Spektrometer (1) weiterleitenden Pixel des ersten räumlichen Modulators zur Korrektur an die Form des Abbildes des Lichtwellenleiterbündels angepasst wird.