DE19626969A1 - Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelösten Spektralanalyse - Google Patents
Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelösten SpektralanalyseInfo
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Description
Die Neuerung betrifft ein Spektrometersystem zur räumlich und
zeitlich aufgelösten Spektralanalyse gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1, der in den Unteransprüchen weiter präzisiert wird.
Zum breiten Einsatz in verschiedenen spektroskopischen Analy
seaufgaben (z. B. Fotofinishing, Analysesysteme) wurden in den
letzten Jahren miniaturisierte Spektrometersysteme vorge
stellt. Diese Systeme bestehen neben dem diffraktiven Teil aus
einer Photodiodenzeile, mit der das spektral zerlegte Licht in
seiner Intensität als Funktion der Wellenlänge detektiert
wird. In der Regel wird das Licht in den optischen Aufbau über
eine Glasfaser, einen Querschnittswandler oder einen recht
eckigen Spalt eingekoppelt. Konstruktionsbedingt ist mit die
sen Systemen die Bestimmung der spektralen Zusammensetzung des
Lichtes eines Leuchtflecks nur integral über der gesamten Flä
che möglich.
Ein Beispiel eines solchen einkanaligen miniaturisierten Spek
trometersystems ist das mit dem bekannten LIGA-Verfahren [1]
hergestellte LIGA-Mikrospektrometer [2-5]. Dabei wird in ei
nem planaren Wellenleiter (Polymer oder Luft) ein selbstfoku
sierendes Reflexionsgitter, eine Faserführungsgrube für eine
Einkoppelfaser (F), sowie gegebenenfalls ein Auskoppelspiegel
in einem Schritt durch Abformtechnik hergestellt [6]. Durch
die dadurch vorgegebene feste Position der optischen Elemente
entfällt eine Kalibrierung des optischen Aufbaus. Je nach Art
des zu verwendenden Photodetektors (D), z. B. Diodenarray,
CCD, Streak-Kamera, Einzeldiode oder Photomultiplier, kann die
Fokuszeile konstruktionsbedingt innerhalb oder außerhalb des
Gittermikrospektrometers (GMS) liegen.
Für die Ankopplung an Faserplatten (FP) mit dahinterliegender
Photokathode (PHC) oder anderer Photodetektoren kann die Ein
kopplungsgeometrie durch eine integrierte Spiegelfläche in
der Kernebene des Lichtwellenleiters so modifiziert werden,
daß sich eine freie Auskoppelebene ergibt. Fig. 1 zeigt als
Beispiel ein einkanaliges GMS dieser Konstruktion mit seitli
chem Fasereingang und freiem Auskoppelbereich.
Eine wesentliche Erweiterung des Anwendungspotentials von Git
termikrospektrometern für Absorptions-, Emissions- und Refle
xionsmessungen bietet ein mehrkanaliger Aufbau von GMS, so daß
eine zeitlich und räumlich parallele spektroskopische Analyse
eines mehr oder weniger großen Lichtflecks möglich wird, oder
mehrere lichtemittierende Quellen wellenlängen- und zeitabhän
gig parallel diagnostiziert werden können. Dabei können die
Gitter gleiche oder verschiedene Eigenschaften haben (Gitter
konstante, Ordnung, Spektralbereich, spektrale Auflösung, Blaze
wellenlänge). Fig. 2 zeigt Anwendungsbeispiel schematisch
die Schmierbilder, wie man sie mit einer sogenannten Spektro-
Streak-Anordnung erhalten kann, wobei hier in ein 3-kanaliges
GNS mit versetzt geschichteten Spektrometersystemen verwendet
wird.
Fig. 3 zeigt den Aufbau eines mehrkanaligen GMS am Beispiel
eines 2 kanaligen GNS. Dabei wechseln sich auf einem gemeinsa
men Substrat Schichten mit niedrigem Brechungsindex mit licht
leitenden Kernschichten mit höherem Brechungsindex, welche das
LIGA-Gitter enthalten, ab. Somit sind die das Licht führende
und in seinen spektralen Anteilen abstrahlende Schichten, mit
einer Stärke von etwa 10 µm bis einige 100 µm durch "dunkle"
Schichten mit einer Stärke von einigen Mikrometer bis einige
100 µm getrennt. Zur Detektion des Lichtes in den einzelnen
Ebenen werden Detektorarrays (z. B. CCD) verwendet.
Die Abb. 4 bis 7 zeigen weitere mögliche Aufbauten für
mehrkanalige GMS.
Eine 2-kanalige Anordnung mit lateral und vertikal versetzten
Fokuslinien (bzw. Austrittsfenstern) kann nach Fig. 4 dadurch
realisiert werden, daß zwei um 180° gegeneinander verdrehte
einkanalige GMS gestapelt und gebondet werden. Daraus resul
tieren dann allerdings gegenläufige Spektralbereiche, die je
doch mit Hilfe der Systemsoftware miteinander korreliert wer
den können.
Fig. 5 zeigt ein 2-kanaliges GMS auf gemeinsamen Substrat wo
bei die Fokuslinien vertikal gegeneinander verschoben sind.
Dieses System ist besonders geeignet für die Verwendung einer
linearen Detektorzeile. Es erlaubt z. B. bei Aufteilung in
Meß- und Referenzkanal die empfindliche stationäre oder zeit
aufgelöste Messung von Differenzspektren.
In den Aufbauten in Fig. 6 und 7 werden einkanalige Systeme zu
2-kanaligen Systemen kombiniert, so daß sich in der LIGA-Ebene
hintereinander bzw. nebeneinander liegende Fokuszeilen erge
ben, und somit eine problemlose ebene Ankopplung von Photode
tektoren möglich ist.
Spektren mehrkanaliger LIGA-Mikrospektrometer nach Fig. 3-7
in Verbindung mit einem entsprechenden Detektor lassen sich
mit Hilfe der Systemsoftware auch zu einem zusammenhängenden
Spektrum kombinieren. Damit kann der zu messende Spektralbe
reich vergrößert werden oder - falls die optische Auflösung
nicht schon vom Querschnitt der zuleitenden Signalfaser be
stimmt wird - bei gegebenem meßbarem Gesamtspektralbereich,
Gitter mit höherer Auflösung gewählt werden.
Die aufgezeigten mehrkanaligen GNSs sind wegen des zugrunde
liegenden planaren Wellenleiterprinzips völlig frei von opti
schem Übersprechen der Kanäle.
Selbstverständlich kann die Einkopplung des Lichtes zur Erhö
hung des Signal-Rausch-Abstandes unter Anwendung von Lock-In-
Verfahren erfolgen. So erhält man ausgehend von der Anordnung
nach Fig. 3-7 ein Double-Beam Spektrometer (Differenzspek
trometer), wie in Fig. 8 schematisch gezeigt. Die Abschattung
der Eingangsfasern (2F) durch Chopper C erfolgt wechselseitig
mit einer Frequenz des Choppers im Bereich von 10 Hz. Die Aus
koppelfasern führen zum gemeinsamen Detektor mit phasen
empfindlicher Messung des Differenzsignales als Funktion von
(λvar-λRef).
Ein Doppelmonochromator zur Reduzierung des Streulichtanteils,
d. h. zur Erhöhung der spektralen Reinheit, zeigt Fig. 9.
Hierfür eignen sich die 2-kanaligen Anordnungen nach Fig. 4
bis 7 oder zwei einkanalige GMS in Tandemanordnung.
[1] E.W. Becker et al.
icroelectr. Eng. 4 (1986) 35-56
LIGA = Lithographie, Galvanoformung und Abformung
[2] J. Mohr, B. Anderer and W. Ehrfeld Sensors and Actuators (Elsevier, Nem York, 1991), Vol. 27, S. 571-575
[3] C. Müller, H. Hein, J. Mohr KfK-Bericht 5238 (1993), S. 103-108
[4] C. Müller and J. Mohr Interdisciplinary Sc. Rev. 18, 273 (1993)
[5] DE Patent 37 71 553
[6] A. Wiessner and H. Staerk Rev. Sci. Instrum. 64 (1993) 3430
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[5] DE Patent 37 71 553
[6] A. Wiessner and H. Staerk Rev. Sci. Instrum. 64 (1993) 3430
Claims (9)
1. Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelö
sten, Spektralanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß ein
lichtführender Raum in mehrere Teilbereiche aufgeteilt ist,
die an einem ihrer Enden eine Gitterstruktur, an der das
Licht gebeugt und reflektiert und somit in seine spektralen
Anteile aufgeteilt wird, sowie am anderen Ende eine Vor
richtung zur Lichteinkopplung- und Auskopplung enthalten.
2. Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelösten
Spektralanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß das aus den
lichtführenden Räumen ausgekoppelte und in seine spektralen
Anteile aufgeteilte Licht unterschiedlichen Bereichen einer
Detektoreinheit zugeordnet wird.
3. Spektrometersystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn
zeichnet, daß der lichtführende Raum des Spektrometers in
übereinandergeschichtete, durch Grenzschichten voneinander
getrennte lichtführende Räume aufgeteilt wird, die getrennt
auslesbaren Zeilen eines Detektorarrays zugeordnet sind.
4. Spektrometersystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn
zeichnet, daß die Lichtführung in den getrennten Räumen
durch Reflektion an metallischen Schichten erfolgt und die
metallischen Schichten auf eine, die Räume trennende Platte
aufgesputtert oder aufgedampft sind.
5. Spektrometersystem nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtführenden Räume als planare Wellenleiter aus
gelegt sind und es sich bei den Trennschichten um Schichten
handelt, deren Brechungsindex kleiner ist, als der Bre
chungsindex des planaren Wellenleiters.
6. Spektrometersystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn
zeichnet, daß die lichtführenden Räume in einer Ebene ange
ordnet sind und das aus den lichtführenden Räumen ausgekop
pelte und in seine spektralen Anteile aufgeteilte Licht un
terschiedlichen Bereichen einer linearen Detektorzeile zu
geordnet wird.
7. Spektrometersystem nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtführenden Räume gegenüberliegend angeordnet
sind.
8. Spektrometersystem nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet,
daß die lichtführenden Räume nebeneinander angeordnet sind.
9. Spektrometersystem nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die lichtführenden Räume seriell gekop
pelt werden, wobei der Ausgang des vorhergehenden Spektro
meters über einen Lichtwellenleiter mit dem Eingang des
nächsten Spektrometers verbunden ist.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19626969A DE19626969C2 (de) | 1996-07-04 | 1996-07-04 | Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelösten Spektralanalyse |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19626969A Expired - Fee Related DE19626969C2 (de) | 1996-07-04 | 1996-07-04 | Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelösten Spektralanalyse |
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DE (1) | DE19626969C2 (de) |
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-
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- 1996-07-04 DE DE19626969A patent/DE19626969C2/de not_active Expired - Fee Related
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US8868156B1 (en) | 1999-12-01 | 2014-10-21 | Deutsche Telekom Ag | Optical spectroscopy device and method for its manufacture |
DE102008019600A1 (de) | 2008-04-18 | 2009-10-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Optische Vorrichtung in gestapelter Bauweise und Verfahren zur Herstellung derselben |
US8045159B2 (en) | 2008-04-18 | 2011-10-25 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. | Optical apparatus of a stacked design, and method of producing same |
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DE19626969C2 (de) | 1998-08-13 |
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8381 | Inventor (new situation) |
Free format text: MOHR, JUERGEN, DR., 75056 SULZFELD, DE KRIPPNER, PETER, 74889 SINSHEIM, DE MUELLER, CLAAS, DR., 79232 MARCH, DE STAERK, HUBERT, DR., 37120 BOVENDEN, DE STAERK, WILFRIED, 23564 LUEBECK, DE |
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