DE10257190A1

DE10257190A1 - Fourier-Transform-Spektrometer und Verfahren zur Ermittlung von Wellenlängen von Schwingungen

Info

Publication number: DE10257190A1
Application number: DE2002157190
Authority: DE
Inventors: Albrecht Brandenburg
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-12-07
Also published as: DE10257190B4; AU2003294758A1; WO2004053437A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von Wellenlängen von Schwingungen, wobei ein Strahlenbündel auf zwei divergierende Strahlenbündel aufgeteilt, diese auf einer Detektorzeile unmittelbar überlagert und zur Interferenz gebraucht und die zu ermittelnden Wellenlängen durch Fourier-Transformation eines bei der Interferenz der überlagerten, divergierenden Strahlenbündel entstehenden Interferenzmuster bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fourier-Transform-Spektrometer und ein Verfahren zur Ermittlung von Wellenlängen von Schwingungen.

Die Spektroskopie stellt ein universell einsetzbares optisches Verfahren zur spektralen Analyse verschiedenster Stoffe dar. Die Spektroskopie ist insbesondere im infraroten und ultravioletten Spektralbereich eine wichtige Methode zur Bestimmung der Zusammensetzung von Gasen und Flüssigkeiten. Häufig wird die Spektroskopie mit hochauflösenden Labor- und Prozeßspektrometem durchgeführt. Inzwischen finden aber auch miniaturisierte Geräte zunehmend Anwendungsfelder, beispielsweise bei der Farbanalyse, in der Diagnostik und in der Umweltanalytik.

Die wesentlichen physikalischen Prinzipien, die zur spektralen Trennung optischer Strahlung eingesetzt werden können, sind

(a) die Materialdispersion in einem Prisma,
(b) die Gitterbeugung und
(c) die interterometrische Analyse, wobei die interterometrische Analyse mit einer Fourier-Transformation des gewonnenen Signals gekoppelt ist.

Die heute gebräuchlichsten Prinzipien zur spektralen Trennung optischer Strahlung für die verschiedenen spektroskopischen Techniken sind die Gitterbeugung oder die interferometrische Analyse.

Das auf der spektralen Trennung mittels Gitterbeugung beruhende Gitterspektrometer ist heute in vielen verschiedenen Variationen erhältlich. Bekannt ist insbesondere die klassische Czerney-Turner-Anordnung, die in Labor- und Prozeßspektrometern Einsatz findet (siehe beispielsweise die Veröffentlichung "Optische Spektroskopie" von W. Schmidt, erschienen bei der VCH Verlagsgesellschaft GmbH in Weinheim, 1994). Zudem sind als Gitterspektrometer auch Diodenzeilenspektrometer bekannt, welche keine beweglichen Bauelemente aufweisen und miniaturisierbar sind.

Bei Fourier-Transform-Spektrometer, deren Meßprinzip auf der spektralen Trennung mittels spektrometrischer Analyse beruht, entspricht der Strahlengang im Prinzip dem des bekannten Michelson-Interferometers, welches in 1 schematisch dargestellt ist.

Wie aus 1 ersichtlich, trifft bei dem Michelson-Interferometer ein Eingangsstrahlenbündel P unter einem Winkel auf einen Strahlteiler 102. Ein bestimmter Anteil des Eingangsstrahlenbündels P wird an der Oberfläche des Strahlteilers 102 entsprechend dem Betrag des Einstrahlwinkels in Richtung eines ersten Spiegels 100 reflektiert. Ein weiterer Anteil des Eingangsstrahlenbündels P durchläuft den Strahlteiler 102 ohne Brechung in Richtung eines zweiten Spiegels 101. Beide Teilstrahlen werden an den Spiegeln 100,101 in Richtung des Strahlteilers 102 totalreflektiert. Die von den Spiegeln 100,101 totalreflektierten Teilstrahlen überlagern sich und interterieren am Strahlteiler 102. Einer der Spiegel 100,101 ist mittels eines Schrittmotors bewegbar. Das entstehende Interterenzmuster ist über jedes der Ausgangsstrahlenbündel P_a ₁ und P_a2 ermittelbar.

Beide Ausgangsstrahlenbündel P_a ₁, P_a2 enthalten die gesamte Spektralinformation zur Analyse der Strahlung, da jede spektrale Komponente mit einer charakteristischen Signalperiode zum gesamten Interterogramm beiträgt. Durch eine Fourier-Transformation des Interferogramms wird das Spektrum der Strahlung gewonnen.

Diese spektrale Analyse ist von Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Brechzahlen zu unterscheiden, da eine charakteristisch andere Signalauswertung durchzuführen ist.

In 2 ist der Aufbau eines konventionellen Fourier-Transform-Spektrometers schematisch dargestellt, wobei Strahlung von einer Strahlungsquelle 104 emittiert und über einen fokussierenden Spiegel M1 dem Strahlteiler 102 zugeleitet wird. Vergleichbar dem (schon im Zusammenhang mit 1 erläuterten) prinzipiellen Aufbau des Michelson-Interterometers sind benachbart und in einer bestimmten relativen geometrischen Anordnung zum Strahlteiler 102 zwei Planspiegel 100 und 101 angeordnet. Dabei ist der Planspiegel 100 über den Scan-Mechanismus 103 bewegbar. Das Ausgangssignal P_a mit dem Interferenzmuster wird über den fokussierenden Spiegel M2 in Richtung der Apparaturblende 105 gespiegelt und nachfolgend über die weiteren fokussierenden Spiegel M3 und M4 an den Detektor 107 weitergeleitet. Zwischen den fokussierenden Spiegeln M2 und M3 durchläuft das Ausgangssignal P_a den Probenraum 108, somit wird die zu detektierende Probe erst nach Erzeugung der Interterenz durchlaufen.

Das aus dem Ausgangssignal P_a gewonnene InterFerenzbild ist Grundlage der Bestimmung des Spektrums, wobei das Interterogramm mit einer mathematischen Fourier-Transformation der Form

in das zu bestimmende Spektrum umgewandelt wird. Dabei ist S das Spektrum, ν die Wellenzahl (Kehrwert der Strahlungsfrequenz in 1/cm), 1 die Strahlungsintensität des Interferogramms und x die Spiegelposition.

Anhand verschiedener Beispiele ist der Zusammenhang zwischen Spektrum und zugehörigem Interterenzbild in den 3A bis 3D näher dargestellt.

Dabei ist in 3A ein Spektrum einer monochromatischen Strahlung, in 3B ein Spektrum mit zwei schmalbandigen Emissionslinien, in 3C ein Spektrum einer bandpaßgefilterten thermischen Strahlung und in 3D ein Spektrum einer breitbandigen thermischen Strahlung jeweils mit den entsprechenden Interterogrammen dargestellt.

Die Schrittweite Δx der Verschiebung des Scanspiegels 100 über den Scanmechanismus 103 bestimmt u.a. den detektierbaren Bereich der Wellenzahl ν_max – ν_min, gemäß der Formel νmax – νmin – 1/(2ΔX).

Die Verschiebung erfolgt um die Spiegelposition herum, in welcher die Abstände der beiden Interterometerspiegel (der Planspiegel 100 und 101) vom Strahlteiler 102 identisch sind. Der Scanbereich x_max, also die maximale Abweichung des Scanspiegels 100 von dieser Mittelposition, bestimmt die spektrale Auflösung des Spektrometers Δν gemäß der Formel Δν = 1/(2xmax)

Als Strahlungsquellen 104 kommen -je nach interessierendem Wellenlängenbereich-Halogenlampen, Quecksilber-Hochdrucklampen, Globare oder Nemst-Stifte in Frage. Der Detektor kann sowohl ein thermischer Detektor (pyroelektrischer Detektor, Bolometer, fotoakustischer Detektor), ein Fotoleitungsdetektor oder ein pn-Übergangsdetektor (innerer Fotoeffekt) umfassen.

Im Vergleich zum Gitterspektrometer hat das Fourier-Transform-Spektrometer den Vorteil des größeren Lichtleitwertes, so daß den Detektoren beim Fourier-Transform-Spektrometer anteilsmäßig mehr Licht zugeführt werden kann und damit auch geringere Lichtleistungen noch zuverlässig analysiert werden können (Jacquinot-Vorteil).

Bei der Fourier-Transform-Spektrometer kommt hinzu, daß das gesamte Spektrum gleichzeitig auf den Detektor fällt (Multiplex-Vorteil) und daß die Bewegung des Spiegels mit einem Helium-Neon-Laser parallel zur spektralen Analyse kalibriert wird. Damit ist die Wellenlängenskala des Fourier-Transform-Spektrometers äußerst stabil (Connes-Vorteil), wie in der Veröffentlichung "IR-Spektroskopie" von N. Günzler und H.M. Heise, erschienen bei der VCH Verlagsgesellschaft GmbH in Weinheim, 1996 dargelegt.

Allerdings sind Fourier-Transform-Spektrometer heute noch sehr aufwendig konstruiert und relativ teuer. Insbesondere muss die Bewegung des Scanspiegels (also des bewegbaren Spiegels) mit hoher Präzision durchgeführt werden.

Könnte auf diese Bewegung des Scanspiegels verzichtet werden, ergäbe sich ein einfacherer Aufbau für das Spektrometer, wodurch neue Anwendungsfelder erschließbar wären, welche heute aufgrund der Baugröße und des Preises der Geräte am Markt nicht realisierbar sind.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fourier-Transform-Spektrometer mit einem vereinfachten Aufbau zu schaffen, dessen Meßprinzip nicht auf einem bewegten Scan-Spiegel beruht und dessen vereinfachter Aufbau eine Miniaturisierung zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch ein Fourier-Transform-Spektrometer mit einem Strahlteiler und einer Detektorzeile gelöst, wobei der Strahlteiler zur Erzeugung zweier divergenter Ausgangsstrahlenbündel aus einem Eingangsstrahlenbündel vorgesehen ist und die divergenten Ausgangsstrahlenbündel auf der Detektorzeile überlagerbar sind, zur Erzeugung eines Interterogramms, aus dem ein zu detektierendes Spektrum als Fourier-Transformierte ermittelbar ist.

Ein ganz wesentlicher Vorteil des Meßprinizps des erfindungsgemäßen Fourier-Transform-Spektrometers beruht darauf, daß sich die beiden divergenten Strahlenbündel ohne weitere optische Elemente auf dem Detektor überlagern. Da die beiden divergierenden Strahlenbündel von derselben Strahlenquelle erzeugt wurden, interferieren diese Strahlenbündel bei dieser Überlagerung. Es entsteht ein Interterogramm, dessen Fourer-Transformierte das zu detektierende Spektrum ergibt. Das erfindungsgemäße Fourier-Transform-Spektrometer benötigt daher keine bewegliche Bauelemente zur Detektierung des Spektrums für eine spektrale Analyse der interferierten Strahlung. Insbesondere kann auf aufwendige Verstelleinrichtungen, über welche eine Spiegelverstellung bewirkt wird, verzichtet werden. Somit ergibt sich ein äußerst einfacher und komprimierter Aufbau.

Da der Aufbau des erfindungsgemäßen Fourier-Transform-Spektrometers erheblich vereinfacht ist gegenüber konventionellen Fourier-Transform-Spektrometem, ist auch eine Baugröße des erfindungsgemäßen Fourier-Transform-Spektrometers wesentlich freier skalierbar, wodurch insbesondere die Miniaturisierung ermöglicht ist. Zudem ist mit dem erfindungsgemäßen Fourier-Transform-Spektrometer auch eine erhebliche Kostenersparnis gegenüber bekannten Fourier-Transform-Spektrometern erzielbar.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine zu detektierende Probe im Strahlengang vor dem Strahlteiler angeordnet.

In dieser Ausgestaltung durchläuft das Eingangsstrahlenbündel die zu detektierende Probe, die Probe wird also nicht (wie konventionell üblich) von einem der divergenten Ausgangsstrahlenbündel durchstrahlt, die vom Strahlteiler erzeugt werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen, bei denen das Licht die zu analysierende Probe außerhalb des Spektrometers durchläuft, da die spektrometrische Anordnung auf den Strahlteiler und die Detektorzeile reduziert ist. Dies erschließt der Fourier-Transform-Spektroskopie auch neue Anwendungsfelder, wie insbesondere die Farbmeßtechnik, die Produktionsüberwachung, die Umweltmeßtechnik und diagnostische Anwendungen. Auch die Analyse von Flammenfärbungen kann eine weitere Anwendung dieser Art sein. Demgegenüber ist die Probe bei herkömmlichen Fourier-Transform-Spektrometern in einem der divergenten Ausgangsstrahlenbündel angeordnet, weshalb bei derartigen Spektrometem ein erheblicher Aufwand zur Anordnung eines Probenraumes zur Aufnahme der zu analysierenden Probe aufzuwenden ist. Daher führt die Anordnung der Probe im Eingangsstrahlenbündel zu einer noch weitergehenden Vereinfachung des Aufbaues des Fourier-Transform-Spektrometers gegenüber bekannten Systemen.

Insbesondere kann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Probenraum, in dem die zu bestimmende Probe aufnehmbar ist, im Strahlengang vor dem Strahlteiler angeordnet sein.

Weiterhin ist die Detektorzeile bevorzugterweise als Diodenzeile mit Photodioden, als CCD-Zeile, als Detektorzeile mit Pyrodetektoren, insbesondere auf Basis von Lithiumtantalat, oder als Detektorzeile mit Halbleiterdetektoren, insbesondere auf Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Basis, ausgebildet.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Strahlteiler als ein transmittierendes Bauelement ausgebildet, wobei das Eingangsstrahlenbündel in den Strahlteiler einkoppelbar und die beiden divergenten Ausgangsstrahlenbündel aus dem Stahlteiler auskoppelbar sind. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere für den Einsatz im sichtbaren, ultravioletten und nah-infraroten Spektralbereich vorteilhaft, da sich eine einfache und kosteneffektive Ausgestaltung ergibt.

Dabei kann der Strahlteiler ein Strahlteilerprisma, eine Anordnung aus mehreren Prismen, eine Anordnung aus mehreren Linsen (Sammellinsen und/oder Streulinsen), ein integriert-optisches Element oder ein faseroptisches Verteilerelement umfassen. Zudem kann im Strahlengang nach dem Strahlteiler ein Doppelspalt oder eine doppelte Blende angeordnet sein.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Strahlteiler als ein Doppelspalt oder eine doppelte Blende ausgebildet.

Alternativ kann der Strahlteiler auch als eine Reflexionsoptik ausgebildet sein. Dies ist insbesondere bei Infrarot-Spektrometem von großem Vorteil, da die für das mittlere Infrarot transparenten Materialien teilweise sehr teuer und schwerer zu handhaben sind, als die für den sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich bekannten Materialien.

Diese Reflexionsoptik kann eine Anordnung aus zwei zueinander geneigten, ebenen Flächen aufweisen. Zudem kann ein fokussierendes Bauelement, insbesondere ein zylindrischer Hohlspiegel vorgesehen sein, der zur Bündelung der von der Reflexionsoptik reflektierten Strahlung in einer Richtung senkrecht zur Ausrichtung der Detektorzeile vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise die Fokussierung des Lichtes auf die Detektorzeile, wodurch eine maximale Ausnutzung des verfügbaren Lichtes vorhanden ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Einrichtung zur Erzeugung einer Strahlung, insbesondere eine Lichtquelle, zur Bildung des Eingangsstrahlenbündels vorgesehen sein.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ergibt sich, wenn eine Einrichtung zur Kollimation von Strahlung, insbesondere eine Sammellinse oder eine Anordnung aus mehreren Linsen, vorgesehen ist, mittels deren das Eingangsstrahlungsbündel dem Strahlteiler zuführbar, insbesondere in den Strahlteiler einkoppelbar, ist. Dabei kann der Probenraum zwischen der Einrichtung zur Kollimation von Strahlung und dem Strahlteiler angeordnet sein.

Zudem ergibt sich ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, wenn eine Lichtleitfaser oder eine Eingangsöffnung zur Zuführung von Licht zum Strahlteiler vorgesehen ist. Dabei kann die Lichtleitfaser im Strahlengang vor der Einrichtung zur Kollimation von Strahlung angeordnet sein.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes und einfaches Verfahren zur Ermittlung von Wellenlängen von Schwingungen anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ermittlung von Wellenlängen von Schwingungen gelöst, bei dem ein Strahlenbündel auf zwei divergierende Stahlenbündel aufgeteilt, diese auf einer Detektorzeile unmittelbar überlagert und zur Interterenz gebraucht und die zu ermittelnden Wellenlängen durch Fourier-Transformation eines bei der Interterenz der überlagerten, divergierenden Strahlenbündel entstehenden Interterenzmusters bestimmt werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn das Eingangsstrahlenbündel eine zu detektierende Probe vor dessen Aufteilung auf die divergierenden Strahlenbündel durchläuft.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehöngen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Prinzips des Michelson-Interterometers,
2 eine schematische Darstellung eines bekannten Fourier-Transform-Spektrometers (Perkin Elmer Paragon 1000),
3A ein Spektrum einer monochromatischen Strahlung mit dem entsprechenden Interferogramm,
3B ein Spektrum einer Strahlung mit zwei schmalbandigen Emissionslinien mit dem entsprechenden Interterogramm,
3C ein Spektrum einer bandpaßgefilterten thermischen Strahlung mit dem entsprechenden Interterogramm,
3D ein Spektrum einer breitbandigen thermischen Strahlung mit dem entsprechenden Interterogramm,
4 ein Ausführungsbeispiel des vorliegenden Spektrometers mit einem Kösters-Prisma als Strahlteiler,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorliegenden Spektrometers mit einer Lichtleitfaser zur Einkopplung des Lichtes in die optische Anordnung,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorliegenden Spektrometers mit Reflektionsoptik, und
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorliegenden Spektrometers mit einem planaren, integriert-optischen Element als Strahlteiler.
Die Verschiebung des Scan-Mechanismus, also des bewegbaren Interferometerspiegels, muss bei dem in 2 gezeigten konventionellen Fourier-Transform-Spektrometer außerordentlich präzise erfolgen, da hiervon die Präzision der Aufnahme des Interferogramms abhängt. Üblich ist daher der Einsatz von Schrittmotoren zur Bildung des Scan-Mechanismus 103.
Die exakte Position des über den Scan-Mechanismus positionierbaren Strahlteilers 102 wird mittels eines Laserstrahles L bestimmt, wobei der Laserstrahl L von einem Helium-Neon-Laser 110 erzeugt und von einem Laserdetektor 111 gemessen wird.
2 zeigt dabei insbesondere den komplexen Aufbau zur Kalibrierung des Scanweges mit dem Helium-Neon-Laser 110 und den ebenfalls komplexen Aufbau der abbildenden Spiegeloptiken zur Kollimation der Strahlung der Lichtquelle 104 und zur Fokussierung des Lichtstrahles auf den Detektor 107.
Demgegenüber beruht das vorliegende Ausführungsbeispiel des Fourier-Transform-Spektrometers auf einer rein statischen Anordnung mittels deren ein Strahlenbündel L1 zunächst eine zu messende Probe durchläuft, dann auf zwei divergierende Strahlenbündel L2, L3 aufgeteilt, diese divergierenden Strahlenbündel L1, L2 anschießend überlagert und zur Interferenz gebracht und die zu ermittelnden Wellenlängen durch Fourier-Transformation eines bei der Interferenz der überlagerten divergierenden Strahlenbündel L1, L2 entstehenden Interferenzmusters bestimmt werden.
Gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die statische Anordnung des vorliegenden Fourier-Transform-Spektrometers („FT"-Spektrometer) ein Strahlteilerprisma 2A als (stationären) Strahlteiler auf, wobei das Strahlteilerprisma als ein Kösters-Prisma ausgebildet ist. Das Eingangsstrahlenbündel L1 durchläuft eine Probe, die im Probenraum 8 angeordnet ist, wird anschließend in das Strahlteilerprisma 2A eingekoppelt und mittels des Strahlteilerprismas 2A auf zwei divergierende Ausgangsstrahlenbündel L2 und L3 mit den Brennpunkten F2 und F3 aufgeteilt. Im Überlagerungsbereich der beiden divergierenden Ausgangsstrahlenbündel L2 und L3 entsteht das Interterogramm ΔI.
Gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Lichtquelle 5 zur Erzeugung der dem optischen Aufbau zugeführten Strahlung vorgesehen. Die von der Lichtquelle 5 erzeugte Strahlung wird von der Einrichtung zur Kollimation der Strahlung 6 gebündelt und als Eingangsstrahlenbündel L1 auf das Strahlteilerprisma 2A fokussiert. Dabei ist die Einrichtung zur Kollimation der Strahlung 6 vorliegend als Sammellinse mit zwei konvexen Flächen ausgebildet.
Das Eingangsstrahlenbündel L1 durchläuft vor der Einkopplung in das Strahlteilerprima 2A den Probenraum 8, in dem (bei einer Messung) die zu detektierende Probe angeordnet ist.
Im Strahlteilerprisma 2A erfolgt die Aufteilung des Eingangsstrahlenbündels L1 auf die beiden Ausgangsstrahlenbündel L2, L3. An der Grundfläche des Kösters-Prismas werden die beiden Ausgangstrahlenbündel L2,L3 ausgekoppelt und in Richtung der Detektorzeile 3 divergent abgestrahlt. Auf der Detektorzeile 3 (vorliegend einer Diodenzeile 3) entsteht ein Überlagerungsbereich dieser beiden divergenten Ausgangsstrahlenbündel L2, L3.
Da die Ausgangsstrahlenbündel L2,L3 aus dem gleichen Eingangsstrahlenbündel L1 erzeugt wurden, ergibt sich im Überlagerungsbereich der beiden divergenten Ausgangsstrahlenbündel L2 und L3 auf der Diodenzeile 3 ein Interferogramm ΔI, ähnlich dem Interterogramm beim Michelson-Interterometer.
Wie nachstehend erläutert, ist die Ortsabhängigkeit der Interferenzfunktion durch die geometrische Anordnung von Kösters-Prisma 2A und Detektorzeile 3 und durch einen Pixelabstand der Diodenzeile 3 fest vorgegeben, wobei der Pixelabstand den Abstand zweier benachbarter Detektoren der Detektorzeile 3 beschreibt.
Für den Spezialfall monochromatischen Lichtes, dessen Spektrum beispielsweise aus der Abbildung in 3A ersichtlich ist, entstehen Interterenzlinien einer näherungsweise über die Diodenzeile 3 konstanten Periode. Wird die Haupterstreckung der Diodenzeile 3 über die Laufvariable x charakterisiert, so folgt der Intensitätsverlauf des Interterenzmusters in Abhängigkeit vom Ort x auf der Diodenzeile 3 einer cos²-Funktion. Die Phasendifferenz der Teilstrahlen φ ist durch ϕ(x) = 2π d x / (fλ) (4)gegeben, wobei d ein Abstand zwischen den beiden Austrittsöffnungen (Abstrahlungspunkten) der divergierenden Ausgangsstrahlenbündel L2, L3 und f den Abstand zwischen den Abstrahlungspunkten (vorliegend also der Grundfläche des Kösters-Primas) und der Diodenzeile 3 beschreibt.
Zudem kann die Periode p des Signals bestimmt werden, indem eine Positionsänderung Δx für eine Phasendifferenz von Δϕ(x) = 2π bestimmt wird zu p = (fλ)/d (5).
Beispielsweise findet sich für die Wellenlänge 10 μm (Wellenzahl = 1000/cm) bei einem Abstand der Abstrahlungspunkten der divergenten Ausgangsstrahlenbündel L2, L3 aus dem Strahlteilerprisma 2A von d = 3 mm und einem Abstand f zwischen diesen Abstrahlungspunkten und der Detektorzeile 3 von f = 60 mm eine Periode von 200 um. Wird der Abstand der einzelnen Detektoren der Detektorzeile 3 (der Dioden der Diodenzeile 3) zu 100 um gewählt, ist das Abtasttheorem, gemäß dem die Abtastung mit der Hälfte der Signalperiode zu erfolgen hat, erfüllt.
Wie sich aus den 3C und 3D zeigt, nimmt eine Breite des Interferogramms ΔI auf der Diodenzeile 3 mit zunehmender spektraler Breite des Signals ab. Dabei ist das Interferogramm mit dem Spektrum über die Fourier-Transformation verknüpft, wobei eine Linearität der Ortsskala des Interferogramms in guter Näherung gegeben ist, wenn das Verhältnis f/d groß ist. Falls die Bedingung, daß das Verhältnis f/d groß ist, nicht erfüllt ist, wird eine Korrektur der Zuordnung der Messwerte zur Ortsskala durchgeführt.
Unabhängig von der Größe des Verhältnisses f/d ist die Ortsabhängigkeit der Interferenzfunktion durch die geometrische Anordnung und den Pixelabstand der Diodenzeile 3 fest vorgegeben. Somit werden Schwankungen bezüglich dieser Zuordnung, wie sie bei einer konventionellen bewegten Anordnung eines Fourier-Transform-Spektrometers bisher üblicherweise vorkamen, mit dem Messprinzip des vorliegenden Spektrometers ausgeschlossen.
Als Lichtquelle 5 für die Beleuchtung des Spektrometers gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel können Halogenlampen, Quecksilber-Hochdrucklampen, Globare oder Nernst-Stifte eingesetzt werden.
Bei dem vorliegenden Spektrometer ist auch der Einsatz von einem Laser zur Beleuchtung des Spektrums möglich, wobei sich der Anwendungsbereich der Beleuchtung mittels eines Lasers wegen des begrenzten Spektralbereiches des Lasers auf die Analyse einzelner Stoffkomponente beschränken wird.
Daneben können auch mehrere Laser gemeinsam zur Beleuchtung des Spektrums eingesetzt werden. Dann ergeben sich auch mehrere spektrale Hauptlinien, wodurch ein weiterer Spektralbereich untersucht werden kann.
Gemäß dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Teilung des Eingangsstrahlenbündels L1 mittels des Strahlteilerprismas 2A (Kösters-Prisma), nachdem das Eingangsstrahlenbündel L1 die Probe durchlaufen hat. Das Meßprinzip des vorliegenden Fourier-Transform-Spektrometers ist jedoch nicht auf die Ausgestaltung des Strahlteilerprismas 2A als Kösters-Prisma beschränkt. Vielmehr sind auch andere Strahlteiler mit gleicher Wirkung einsetzbar. Daher steht das Kösters-Prisma beispielhaft für eine Vielzahl an möglichen transmittierenden Bauelementen zur Aufteilung des Eingangsstrahlenbündels L1, wie verschiedene Strahlteilerprismen und Linsen, wobei die transmittierenden Bauelemente insbesondere für den sichtbaren, den ultravioletten und den nah-infraroten Spektralbereich einsetzbar sind. Beispielsweise kann auch eine entsprechend gestaltete Sammellinse bzw. mehrere Sammellinsen und auch Streulinsen verwandt werden.
Abhängig von der vorliegend gewählten Ausgestaltung des Kösters-Prismas 2A sind (wie in 4 dargestellt) die Brennpunkte F1, F2 der beiden Ausgangsstrahlenbündel L2, L3 im Strahlengang nach dem Kösters-Prismas 2A und vor der Detektorzeile 3 angeordnet. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig notwendig. Es ist ebenfalls möglich, daß – abhängig vom eingesetzten Strahlteiler und von der vorliegend gewählten Ausgestaltung dieses Strahlteilers – die Brennpunkte F1, F2 im Strahlengang vor dem Strahlteiler 2A oder im Bereich des Strahlteilers 2A angeordnet sind. Ebenso kann ein Strahlteiler ganz ohne Brennpunkte) verwandt werden, da lediglich das divergente Abstrahlen vom Ausgangsstrahlenbündel aus dem Strahlteiler entscheidend ist.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorliegenden Fourier-Transform-Spektrometers, welches insbesondere für Anwendungen einsetzbar ist, bei denen das Licht die zu analysierende Probe außerhalb des Spektrometers durchläuft.
Bei derartigen Anwendungen handelt es sich z.B. um Anwendungen, bei denen die Probe sehr weit ausgedehnt ist, Fragestellungen aus der Umweltmesstechnik diagnostische Anwendungen oder die Farbmesstechnik. Die Analyse von Flammenfärbungen ist eine weitere Anwendung in dieser Art.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist ebenfalls bei Fragestellungen anwendbar, bei denen das zu vermessende Objekt schnell zu bewegen ist. Eine derartige Anwendungen ist insbesondere die Farbmessung im Rahmen einer Produktionsüberwachung, beispielsweise die Messung einer Farbe einer Oberfläche eines auf einem Transportband an dem vorliegenden Fourier-Transform-Spektrometer vorbeilaufenden Gegenstandes.
Gemäß dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Licht über eine optische Faser 7 dem Spektrometer zugeführt. Das aus der optischen Faser 7 divergent ausgekoppelte Licht wird mittels der Einrichtung 6 zur Kollimation von Strahlung (einer Sammellinse) gebündelt und als Eingangsstrahlenbündel L1 dem Strahlteilerprisma 2A zugeführt. Dabei durchläuft das Eingangsstrahlenbündel L1 die zu analysierende Probe bevor es in das Strahlteilerprisma 2A eingekoppelt wird. Die beiden aus dem Strahlteilerprisma 2A ausgekoppelten divergenten Ausgangsstrahlenbündel L2, L3 werden auf der Detektorzeile 3, die insbesondere als Diodenzeile ausgebildet ist, überlagert und interferieren dort.
Die weiteren, nicht näher ausgeführten Merkmale des in 5 gezeigten Ausführungsbeispieles entsprechen denen des in 4 gezeigten Ausführungsbeispieles.
Alternativ zur optischen Faser 7 (gemäß dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel) kann das Licht auch über eine Eingangsöffnung der Einrichtung 6 zur Kollimation von Strahlung (der Sammellinse) zugeführt werden, wobei auch in diesem weiteren Ausführungsbeispiel die spektrometrische Anordnung auf den Strahlteiler 2A und die Diodenzeile 3 reduziert ist. Die weiteren Merkmale dieses (nicht gezeigten) Ausführungsbeispieles entsprechen denen des in 5 gezeigten Ausführungsbeispieles.
Wie vorstehend und insbesondere im Zusammenhang mit den in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen erläutert, kann die spektrometrische Anordnung auf den Strahlteiler 2A, 2B und die Detektorzeile 3 (Diodenzeile 3) reduziert werden, wobei sich die beiden divergenten Ausgangsstrahlenbündel L2, L3 ohne weitere optische Elemente und insbesondere ohne bewegte Elemente unmittelbar auf der Diodenzeile 3 überlagern und dort interferieren, da sie von derselben Strahlungsquelle erzeugt wurden. Dabei werden die divergierenden Ausgangsstrahlenbündel L2, L3 aus einem Eingangsstrahlenbündel L1 erzeugt, das die zu analysierende Probe durchlaufen hat. Aus der Überlagerung der divergierenden Ausgangsstrahlenbündel L2, L3 ergibt sich ein Interterogramm, dessen Fourier-Transformierte das zu detektierende Spektrum ergibt.
Neben dem vorstehend beschriebenen Strahlteilerprisma 2A (z.B. dem Kösters-Prisma) ist die Aufteilung des Eingangsstrahlenbündels L1 auch mittels eines Faserverteilers, eines faseroptischen Verteilerelements oder eines integriert-optischen Elements 2B möglich.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel mit einem integriert-optischen Element 2B als Strahlteiler ist in 6 dargestellt.
Wie in 6 gezeigt, ist zur Erzeugung des Eingangsstrahlenbündels L1 wiederum eine Lichtquelle 5 zur Erzeugung der Strahlung in Verbindung mit einer Einrichtung 6 zur Kollimation der Strahlung (einer Sammellinse) vorgesehen. Vor der Einkopplung in das – vorliegend planare – integriert-optische Element 2B durchläuft das Eingangsstrahlenbündel L1 die zu detektierende Probe.
Das Eingangsstrahlenbündel L1 wird von der Sammellinse auf einen ersten Lichtwellenleiter 20 des in 6 dargestellten integriert-optischen Bauelementes 2B fokussiert.
Das integriert-optische Bauelement 2B weist wie aus 6 ersichtlich drei optische Lichtwellenleiter 20, 21, 22 in einer Y-Anordnung auf, wobei die Lichtbündel L1,L2,L3 in den entsprechenden optischen Lichtwellenleitern 20, 21, 22 im sogenannten Wellenleiterkern dieser Lichtwellenleiter 20, 21, 22 geführt sind. Die Führung der Lichtbündel L1, L2, L3 beruht darauf, daß der Wellenleiterkem durch eine totalreflektierende Übergangsfläche von der Umgebung abgegrenzt ist. Die in 6 dargestellte symmetrische Y-Verzweigung mit dem primären Lichtwellenleiters 20 und einer Verzweigung auf zwei sekundäre Lichtwellenleiter 21, 22 stellt eine einfache Lösung eines „1 × 2" – Teilers mit einem symmetrischen Intensitätsverhältnis (50 % – 50 %) zwischen den sich in den sekundären Lichtwellenleitern ausbreitenden Lichtbündeln.
Das auf den primären Lichtwellenleiter 20 der Y-Anordnung fokussierte Eingangsstrahlenbündel L1 wird über die Y-Anordnung auf die zwei Teilstrahlenbündel L2, L3 aufgeteilt, welche an den Ausgängen der Y-Anordnung (den Endflächen der sekundären Lichtwellenleiter 21, 22) als divergierende Ausgangsstrahlenbündel L2, L3 ausgekoppelt werden.
Die ausgekoppelten divergenten Ausgangsstrahlenbündel L2, L3 interterieren auf der Diodenzeile 3 und erzeugen derart das Interterenzmuster ΔI. Aus diesem Interterenzmuster ist die Fourier-Transformierte FT ermittelbar, aus der sich das Spektrum ergibt.
Neben der Aufteilung über ein transmittierendes Bauelement 2A, 2B, wie insbesondere das beschriebene Strahlteilerprisma 2A oder das integriert-optische Element 2B kann die Strahlteilung auch durch eine Spiegelanordnung 2C realisiert werden, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 dargestellt.
Bei Infrarotspektrometem sind derartige Reflektionsoptiken zu bevorzugen, da die für das mittlere Infrarot transparente Materialien teilweise teuer und schwerer zu handha ben sind als transparente Materialien für den sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich.
Dementsprechend werden die Prismen- oder Linsenanordnung für Infrarot-Spektrometer, wie in 7 dargestellt, durch eine Spiegelanordnung aus einem Strahlteiler-Spiegel 2C und einem fokussierenden Hohlspiegel 4 ersetzt.
Der Strahlteiler-Spiegel 2C weist gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Anordnung aus zwei zueinander geneigten, ebenen Flächen auf. Die Fokussierung auf die Diodenzeile 3 senkrecht zur Ausrichtung der Diodenzeile 3 erfolgt mit dem zylindrischen Hohlspiegel 4, der die Struktur des Interterenzmusters nicht beeinflusst, aber die Strahlung in der Richtung senkrecht zur Ausrichtung der Diodenzeile 3 bündelt, wodurch praktisch das gesamte eingestrahlte Licht der Detektorzeile 3 zuführbar ist.
Obwohl der zylindrische Hohlspiegel 4 für die grundsätzliche Funktion des Spektrometers nicht erforderlich ist, stellt die möglichst vollständige Ausnutzung des vertügbaren Lichtes einen ganz wesentlicher praktischer Nutzen dar. Daher ermöglicht das fokussierende Element 4 eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung des vorliegenden Founer-Transform-Spektrometers.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den 4 und 5 erzeugen jeweils zwei Brennpunkte F2, F3 nach dem Auskoppeln aus der Grundfläche des Strahlteilerprismas 2A. Dadurch ergibt sich ein relativ hoher Streulichtanteil. Falls eine Verringerung eines Streulichtanteiles in einem konkreten Anwendungsfall notwendig erscheint, ist die Verwendung eines Doppelspaltes oder einer doppelten Blende von Vorteil. Dieses Prinzip lässt sich auch in eine reflektierende Optik integrieren, wenn ein fokussierender Spiegel bei der Beleuchtungseinrichtung, also einer Lampe oder eine beleuchtende Faser, vorgesehen wird.

Claims

Fourier-Transform-Spektrometer mit einem Strahlteiler (2A, 2B, 2C) und einer Detektorzeile (3), wobei der Strahlteiler (2A, 2B, 2C) zur Erzeugung zweier divergenter Ausgangsstrahlenbündel (L2, L3) aus einem Eingangsstrahlenbündel (L1) vorgesehen ist und die divergenten Ausgangsstrahlenbündel (L2, L3) auf der Detektorzeile (3) überlagerbar sind, zur Erzeugung eines Interferogramms (ΔI), aus dem ein zu detektierendes Spektrum als Fourier-Transformierte (FT) ermittelbar ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zu detektierende Probe (P) im Strahlengang vor dem Strahlteiler (2A, 2B, 2C) angeordnet ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Probenraum (8), in dem die zu bestimmende Probe aufnehmbar ist, wobei der Probenraum (8) im Strahlengang vor dem Strahlteiler (2A, 2B, 2C) angeordnet ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorzeile (3) als Diodenzeile mit Photodioden, als CCD-Zeile, als Detektorzeile mit Pyrodetektoren, insbesondere auf Basis von Lithiumtantalat, oder als Detektorzeile mit Halbleiterdetektoren, insbesondere auf Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Basis, ausgebildet ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (2A, 2B) als ein transmittierendes Bauelement ausgebildet ist, wobei das Eingangsstrahlenbündel (L1) in den Strahlteiler (2A, 2B) einkoppelbar und die beiden divergenten Ausgangsstrahlenbündel (L2, L3) aus dem Stahlteiler (2A, 2B) auskoppelbar sind.
Fourier-Transform-Spektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler ein Strahlteilerprisma (2A), eine Anordnung aus mehreren Prismen, eine Anordnung aus mehreren Linsen, ein integriert-optisches Element (2B) oder ein faseroptisches Verteilerelement umfaßt.
Fourier-Transform-Spektrometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang nach dem Strahlteiler (2A, 2B) ein Doppelspalt oder eine doppelte Blende angeordnet ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler als ein Doppelspalt oder eine doppelte Blende ausgebildet ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler als eine Reflexionsoptik (2C) ausgebildet ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsoptik (2C) eine Anordnung aus zwei zueinander geneigten, ebenen Flächen aufweist.
Foureer-Transform-Spektrometer nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein fokussierendes Bauelement (4), insbesondere einen zylindrischen Hohlspiegel, der zur Bündelung der von der Reflexionsoptik (2C) reflektierten Strahlung in einer Richtung senkrecht zur Ausrichtung der Detektorzeile (3) vorgesehen ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (5) zur Erzeugung einer Strahlung, insbesondere eine Lichtquelle, zur Bildung des Eingangsstrahlenbündels (L1).
Fourier-Transform-Spektrometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (6) zur Kollimation von Strahlung, insbesondere eine Sammellinse oder eine Anordnung aus mehreren Linsen, mittels deren das Eingangsstrahlungsbündel (L1) dem Strahlteiler (2) zuführbar, insbesondere in den Strahlteiler (2A, 2B) einkoppelbar, ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenraum zwischen der Einrichtung (6) zur Kollimation von Strahlung und dem Strahlteiler (2A, 2B, 2C) angeordnet ist.
Fourier-Transform-Spektrometer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Lichtleitfaser (7) oder eine Eingangsöffnung zur Zuführung von Licht zum Strahlteiler (2A, 2B, 2C).
Fourier-Transform-Spektrometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (7) im Strahlengang vor der Einrichtung (6) zur Kollimation von Strahlung angeordnet ist.
Verfahren zur Ermittlung von Wellenlängen von Schwingungen, wobei ein Strahlenbündel (L1) auf zwei divergierende Stahlenbündel (L2, L3) aufgeteilt, diese auf einer Detektorzeile (3) unmittelbar überlagert und zur Interferenz gebraucht und die zu ermittelnden Wellenlängen durch Fourier-Transformation eines bei der Interferenz der überlagerten, divergierenden Strahlenbündel (L2, L3) entstehenden Interferenzmusters bestimmt werden.
Verfahren zur Ermittlung von Wellenlängen von Schwingungen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsstrahlenbündel (L1) eine zu detektierende Probe vor dessen Aufteilung auf die divergierenden Strahlenbündel (L2, L3) durchläuft.