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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer, das eine Anordnung aus wenigstens einem Gitter und wenigstens einem Prisma oder Prisma-ähnlichen Körper sowie einen Detektor mit einer oder mehreren Zeilen von Detektorelementen aufweist, und bei dem das Gitter und das Prisma oder der Prisma-ähnliche Körper so ausgebildet und angeordnet sind, dass ein aus einer Einfallsrichtung auf die Anordnung auftreffender optischer Strahl beim Durchgang durch die Anordnung in spektrale Komponenten zerlegt und im Prisma oder Prisma-ähnlichen Körper an mindestens einer Fläche des Prismas reflektiert wird, bevor er in einer Austrittsrichtung wieder aus der Anordnung austritt.
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Optische Spektrometer werden für viele Anwendungen benötigt. Der einfallende optische Strahl wird in diesen Spektrometern durch ein oder mehrere dispersive Elemente in seine spektralen Anteile zerlegt, die sich anschließend auf räumlich getrennten Pfaden ausbreiten und getrennt voneinander detektiert werden können. Bei einem Kompakt-Spektrometer werden die spektralen Anteile von einer Detektorzeile empfangen, wobei jedes Detektorelement der Detektorzeile eine andere spektrale Komponente erfasst. Derartige Kompakt-Spektrometer werden beispielsweise bei der optischen Kohärenz-Tomographie (OCT) in der als „Spectral Domain“ oder „Frequency Domain“ bezeichneten Ausführungsform verwendet. Als dispersive Elemente zur Beugung des Lichts werden häufig optische Reflexions- oder Transmissionsgitter eingesetzt. Um eine in Kreiswellenzahlen möglichst lineare spektrale Abbildung auf den Detektor erhalten, kann zusätzlich zu dem Gitter ein Dispersionsprisma im Strahlengang des optischen Strahls verwendet werden, das geeignet auf das Gitter abgestimmt ist. Nach Durchgang durch ein optisches Gitter ohne zusätzliches Prisma oder nur durch ein Prisma ist der Zusammenhang von Kreiswellenzahlen und Bildpunkten bzw. Detektorelementen des Zeilendetektors näherungsweise quadratisch. In Kombination von Gitter und Prisma lässt sich durch geeignete Abstimmung beider Komponenten ein näherungsweise linearer Zusammenhang herstellen. Diese auch als k-Linearität (k: Formelzeichen für die Kreiswellenzahl) bezeichnete Eigenschaft ist insbesondere in der optischen Kohärenz-Tomographie von Vorteil, um Abstands-, Schichtdicken- und Tomographie-Messungen durchzuführen. Die entsprechenden Berechnungen aus k-linearen Interferenzspektren ermöglichen vergleichsweise große Messbereiche und hohe Signal-Rauschverhältnisse. Für einige Anwendungen ist hierbei ein möglichst kompaktes Spektrometer wünschenswert.
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Stand der Technik
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Die
US 2009/0040521 A1 und die
WO 2012/129466 A1 zeigen jeweils optische Spektrometer, bei denen eine k-Linearisierung durch eine Kombination eines Transmissionsgitters und eines Prismas realisiert wird. Aus der
DE 10 2015 200 034 A1 ist ein optisches Spektrometer bekannt, bei dem eine k-Linearisierung durch Kombination aus einem Reflexionsgitter und einem Prisma erreicht wird, wobei eine Innenfläche des Prismas zur Totalreflexion des einfallenden optischen Strahls genutzt wird. Nach Angaben dieser Druckschrift ermöglicht die Verwendung eines Reflexionsgitters in Verbindung mit der zusätzlichen Reflexion im Prisma einen besonders kompakten Aufbau des Spektrometers. Allerdings erfordert der in dieser Druckschrift vorgeschlagene kompakte Aufbau noch immer einen Umlenkspiegel, über den die spektralen Komponenten auf den Detektor gerichtet werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches Spektrometer anzugeben, das eine Anordnung aus wenigstens einem Gitter und wenigstens einem Prisma zur spektralen Zerlegung eines einfallenden optischen Strahls aufweist und einen noch kompakteren Aufbau ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem optischen Spektrometer gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des optischen Spektrometers sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Das vorgeschlagene optische Spektrometer weist eine Anordnung aus wenigstens einem Transmissionsgitter und wenigstens einem Prisma oder Prisma-ähnlichen Körper und einen Detektor mit einer oder mehreren Zeilen von Detektorelementen auf. Das Transmissionsgitter und das Prisma (oder der Prisma-ähnliche Körper) sind dabei so ausgebildet und relativ zum Detektor angeordnet, dass ein aus einer Einfallsrichtung auf die Anordnung auftreffender optischer Strahl beim Durchgang durch die Anordnung in spektrale Komponenten zerlegt und im Prisma oder Prisma-ähnlichen Körper an mindestens einer Fläche des Prismas oder Prisma-ähnlichen Körpers reflektiert wird, und in einer Austrittsrichtung aus der Anordnung auf den Detektor auftrifft. Transmissionsgitter und Prisma bzw. Prisma-ähnlicher Körper sind dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass zumindest näherungsweise eine k-Linearisierung erreicht wird. Entlang einer Zeile von Detektorelementen des Detektors wird somit durch die Kombination des Prismas oder Prisma-ähnlichen Körpers mit dem Transmissionsgitter eine Abhängigkeit der Kreiswellenzahl der jeweils auf ein Detektorelement auftreffenden spektralen Komponente des optischen Strahls vom Ort erreicht, die stärker linear ist bzw. näher an einer Linearität liegt als bei Nutzung alleine des Transmissionsgitters (ohne das Prisma bzw. den Prisma-ähnlichen Körper) als dispersives Element. Methoden zur Berechnung der hierfür erforderlichen Eigenschaften des Transmissionsgitters und des Prismas oder Prisma-ähnlichen Körpers sind aus dem Stand der Technik bekannt. Unter einem Prisma-ähnlichen Körper wird dabei ein Körper mit einer von der geometrischen Form eines Prismas abgeleiteten Form verstanden, bei dem einzelne Flächen eines Prismas nicht eben sondern gekrümmt ausgeführt sind. Dies betrifft insbesondere ein oder mehrere Flächen, die nicht für die Lichtbrechung des optischen Strahls genutzt werden. Im Folgenden wird bei der Beschreibung des optischen Spektrometers stellvertretend für beide Ausführungsformen nur der Begriff des Prismas verwendet. Die Beschreibung gilt jedoch in gleicher Weise auch für einen Prisma-ähnlichen Körper anstelle des Prismas.
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Bei dem vorgeschlagenen optischen Spektrometer entspricht die Austrittsrichtung bereits der Richtung, unter der der in seine spektralen Komponenten zerlegte optische Strahl auf den Detektor trifft. Es ist daher kein zusätzliches Umlenkelement mehr erforderlich. Einfallsrichtung und Ausfallsrichtung verlaufen dabei vorzugsweise unter einem Winkel zueinander der zwischen 90° und 180°, besonders bevorzugt zwischen 135° und 180° beträgt. Ein besonders kompaktes Spektrometer lässt sich bei einer Umlenkung des optischen Strahls in der Anordnung aus Transmissionsgitter und Prisma um etwa 180°(± 10°) erreichen, bei dem also der Winkel zwischen Einfallsrichtung und Ausfallsrichtung im Bereich zwischen 170° und 180° beträgt. Eine derartige Umlenkung lässt sich über die Reflexion in dem Prisma in Verbindung mit dem Transmissionsgitter ohne weiteres erreichen.
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Das Spektrometer kann neben den genannten Komponenten selbstverständlich auch noch weitere optische Komponenten umfassen, insbesondere eine Eintrittsapertur, eine Kollimationsoptik im Strahlverlauf vor dem Eintritt in die Anordnung aus Transmissionsgitter und Prisma sowie eine Abbildungsoptik zur Abbildung des aus der Anordnung austretenden, in seine spektralen Komponenten zerlegten optischen Strahls auf den Detektor. Der optische Detektor kann beispielsweise auf Basis von CMOS- oder CCD-Technologie realisierte Detektorelemente aufweisen.
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Das Spektrometer kann auch mehrere Transmissionsgitter und/oder Prismen umfassen, falls dies für die gewünschte spektrale Zerlegung oder k-Linearisierung erforderlich ist. Die Reihenfolge von Gitter und Prisma kann dabei beliebig gewählt werden, so dass in einer Ausgestaltung der einfallende Strahl zunächst auf das Transmissionsgitter und dann auf das Prisma und in einer anderen Ausgestaltung zunächst auf das Prisma und dann auf das Transmissionsgitter treffen kann. Die Innenreflexion im Prisma erfolgt vorzugsweise durch Totalreflexion. Es kann jedoch auch die entsprechende Fläche des Prismas geeignet verspiegelt werden. Die Reflexion erfolgt dabei vorzugsweise in der Beugungsebene des Transmissionsgitters, kann aber auch in andere Raumrichtungen erfolgen, beispielsweise senkrecht zur Beugungsebene. Es sind auch Ausgestaltungen möglich, bei denen Innenreflexionen an mehreren Flächen des Prismas genutzt werden. So kann beispielsweise bei Nutzung flacher Einfallswinkel für eine Totalreflexion eine dann eventuell erforderliche lange Prismenfläche durch zwei (in Summe) kürzere Prismenflächen ersetzt werden. Die Strahlumlenkung kann dadurch auf die Innenreflexion an diesen beiden Prismenflächen aufgeteilt werden, so dass eine kompaktere Bauform des Prismas erreicht wird.
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In einer möglichen Ausgestaltung kann die Innenreflexion im Prisma auch an einer oder mehreren nicht-planen Flächen erfolgen (Prisma-ähnlicher Körper), beispielsweise an gekrümmten Flächen, die dann eine Fokussierung oder Defokussierung des Strahls bewirken. Dadurch können andere optische Komponenten mit dieser Funktion eingespart werden. Wenigstens eine der für die Innenreflexion genutzten Flächen des Prismas kann auch als zusätzliches Reflexionsgitter ausgebildet, also entsprechend strukturiert sein.
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Durch geeignete Dimensionierung können die optischen Austrittswinkel am Transmissionsgitter und die Eintrittswinkel am Prisma gleich gewählt werden, so dass eine plan-parallele Ausrichtung des Gitters zur Eintrittsfläche des Prismas vorliegt. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung des optischen Spektrometers kann dann das Transmissionsgitter großflächig optomechanisch mit dem Prisma verbunden, insbesondere verkittet werden. Miteinander fest verbundene Gitter-Prisma-Kombinationen werden im Englischen auch als „grism“ bezeichnet. Eine derartige Kombination führt zu einem besonders kompakten Aufbau. In gleicher Weise kann das Transmissionsgitter auch direkt in einer Eintrittsfläche des Prismas erzeugt werden, insbesondere durch geeignete Oberflächenstrukturierung dieser Eintrittsfläche. Beides ermöglicht eine vereinfachte, sehr kompakte und robuste Anordnung der dispersiven optischen Komponenten.
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Besonders vorteilhaft werden für das Spektrometer Prismen mit plan-paralleler Ausrichtung von Eintrittsfläche und Reflexionsfläche genutzt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung, da ausreichend dicke Planplatten zum Einsatz kommen können, die dann nur stirnseitig entsprechend der erforderlichen Winkel des Prismas angeschliffen werden müssen.
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Das vorgeschlagene optische Spektrometer lässt sich auch so ausgestalten, dass anstelle eines Eintrittspunktes bzw. einer entsprechend kleinen Eintrittsapertur für den optischen Strahl, bspw. der Austrittsapertur eines Lichtwellenleiters, ein ein- oder zweidimensionales Array von Eintrittspunkten bzw. Eintrittsaperturen oder eine Eintrittslinie bzw. ein Eintrittsspalt genutzt wird. Hierzu können bspw. mehrere Freistrahlen oder auch mehrere Lichtwellenleiter eingesetzt werden, deren Austrittsaperturen dann die Eintrittsaperturen des optischen Spektrometers bilden. Dadurch können bei Nutzung eines entsprechenden flächigen Detektors, also eines Detektors mit mehreren übereinander liegenden Zeilen von Detektorelementen, gleichzeitig Messungen mit unterschiedlichen optischen Strahlen oder - im Falle einer Eintrittslinie - unterschiedlichen Anteilen des als Linie eintretenden optischen Strahls erfolgen. Die eventuell noch im Spektrometer vorhandenen optischen Komponenten, insbesondere Linsen, sind in der Regel ausreichend groß, um sämtliche Strahlen oder Strahlanteile entsprechend kollimieren und/oder fokussieren zu können.
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Das vorgeschlagene optische Spektrometer lässt sich für die jeweilige Anwendung dimensionieren. Typische (Zentral-)Wellenlängen, für die das optische Spektrometer eingesetzt und dimensioniert werden kann, sind 835 nm, 850 nm, 1064 nm, 1300 nm, 1500 nm und 1550 nm. Das Spektrometer ist aber auch für andere Wellenlängen optischer Strahlung in den Spektralbereichen UV, VIS, NIR und MIR mit Wellenlängen zwischen 130 nm bis 10 µm geeignet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene optische Spektrometer wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen optischen Spektrometers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen optischen Spektrometers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
- 3 eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen optischen Spektrometers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das vorgeschlagene optische Spektrometer umfasst eine Anordnung aus wenigstens einem Transmissionsgitter und wenigstens einem Prisma sowie einen optischen Detektor, der ein oder mehrere Zeilen von Detektorelementen aufweist. Transmissionsgitter und Prisma sind dispersive Elemente, die bei Durchgang des optischen Strahls zu einer Zerlegung in spektrale Komponenten führen, die dann mit den unterschiedlichen Detektorelementen der Detektorzeile entsprechend detektiert werden. 1 zeigt hierzu ein Beispiel, bei der das optische Spektrometer eine Kollimationslinse 3, das Transmissionsgitter 4, das Prisma 5, eine Fokussierlinse 6 sowie den Detektor 7 aufweist. Der über die Eintrittspupille 1 eintretende optische Strahl 2 wird mit der Kollimationslinse 3 kollimiert und auf das Transmissionsgitter 4 gerichtet. Das Transmissionsgitter 4 ist in diesem Beispiel mit einer Eintrittsfläche des Prismas 5 verklebt. Der aus der Einfallsrichtung 8 einfallende Strahl 2 tritt nach Durchgang durch das Transmissionsgitter 4 an einer ersten Fläche in das Prisma 5 ein, wird an einer zweiten Fläche 5a innen reflektiert und tritt an einer dritten Fläche in der Austrittsrichtung 9 wieder aus dem Prisma 5 aus. Der durch die Dispersion in seine spektralen Komponenten zerlegte optische Strahl 2 wird dann mit der Fokussierlinse 6 auf die entsprechende Detektorzeile des Detektors 7 abgebildet.
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Bei dem vorgeschlagenen optischen Spektrometer erfolgt eine Strahlumlenkung durch Innenreflexion an einer Fläche des Prismas. Durch die Nutzung dieser Innenreflexion wird eine besonders kompakte Anordnung erreicht, da auf ein zusätzliches Umlenkelement außerhalb der Anordnung aus Transmissionsgitter und Prisma verzichtet werden kann. Das Prisma umfasst dabei drei funktionsrelevante Flächen, zwei Flächen zur Realisierung einer vorzugsweise nahezu k-linearen Abbildung (in Verbindung mit dem Transmissionsgitter) und eine dritte Fläche zur Strahlumlenkung.
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Die Ausgestaltung der 1 zeigt schematisiert die Funktionsweise des vorgeschlagenen optischen Spektrometers, führt allerdings aufgrund der langgestreckten Ausgestaltung nicht zur kompaktesten Form des Spektrometers.
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2 zeigt hierzu eine Ausgestaltung, mit der eine kompaktere Form realisiert werden kann. Bei dieser Ausgestaltung bilden Eintrittsrichtung 8 und Austrittsrichtung 9 einen Winkel von etwa 90° zueinander. Dies kann in einfacher Weise durch geeignete Ausbildung der Form des Prismas 5 erreicht werden, wie dies aus der 2 ersichtlich ist. Das Transmissionsgitter 4 ist wiederum auf die Eintrittsfläche des Prismas 5 aufgeklebt bzw. mit dieser verbunden.
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Eine besonders kompakte Anordnung wird erreicht, wenn Eintrittsrichtung 8 und Austrittsrichtung 9 einen Winkel von etwa 180° zueinander aufweisen, durch die Kombination aus Transmissionsgitter 4 und Prisma 5 also eine 180°-Umlenkung des optischen Strahls 2 erfolgt, wie dies in dem Beispiel der 3 dargestellt ist. Auch hier umfasst das optische Spektrometer wiederum die gleichen Komponenten wie bei der Ausgestaltung der 1 und 2.
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Die Dimensionierung von Transmissionsgitter 4 und Prisma 5 für eine derartige Ausgestaltung kann über eine vorab durchgeführte Simulation mit numerischer Optimierung erfolgen. Gewichtete Zielgrößen der Optimierung können insbesondere der gewünschte Spektralbereich des Spektrometers, die Abweichung der Abhängigkeit der Kreiswellenzahl der jeweils auf ein Detektorelement auftreffenden spektralen Komponente des optischen Strahls 2 von einer linearen Abhängigkeit, sowie die Punktspreizfunktion bzw. die Modulationstransferfunktion der Abbildung sein. Die Bedingungen für die Totalreflexion an der Innenfläche 5a des Prismas und der gewünschte Winkel zwischen Eintrittsrichtung 8 und Austrittsrichtung 9, bspw. 180°, sowie gewünschte Längendimensionen können als Randbedingungen in die Optimierung eingehen. Mögliche Parameter der Optimierung sind insbesondere Gitterkonstante des Transmissionsgitters 4, Einfallswinkel am Gitter, Eintritts- und Austrittswinkel am Prisma 5 sowie das Material des Prismas 5. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass bei Verwendung einer Kollimationsoptik 3 und einer Fokussieroptik 6 diese zum Erreichen der gewünschten Abbildungsqualität auf dem Detektor 7 ebenfalls geeignet gewählt bzw. ausgelegt werden müssen. Computerprogramme zur Durchführung derartiger Simulationen und Optimierungen für die Auslegung von Optiken sind dem Fachmann bekannt, insbesondere auch kommerziell erhältlich, und Stand der Technik.
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Für eine derartige Ausgestaltung, wie sie beispielhaft in 3 dargestellt ist, kann auch ein vorzugsweise monolithischer Halter bereitgestellt werden, in den das Prisma mit dem darauf aufgebrachten Transmissionsgitter einsetzbar ist und entsprechend spielfrei gelagert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eintrittsapertur
- 2
- optischer Strahl
- 3
- Kollimationslinse
- 4
- Transmissionsgitter
- 5
- Prisma
- 5a
- Fläche für Innenreflexion
- 6
- Fokussierlinse
- 7
- Detektor
- 8
- Einfallsrichtung
- 9
- Austrittsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20090040521 A1 [0003]
- WO 2012129466 A1 [0003]
- DE 102015200034 A1 [0003]
