DE19708913C1 - Optisches Spektrometer und Verfahren zur optischen Spektroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Optisches Spektrometer, ins­ besondere Fourier-Transformations(=FT)-Spektrometer, mit einem Interferometer mit einer Einrichtung zum Verändern des optischen Gangunterschieds, die einen Antrieb um­ faßt, und einem Detektor zur Aufnahme von optischen Sig­ nalen aus dem Interferometer und Umwandlung in elektri­ sche Analog-Signale, wobei dem Detektor eine Datenauf­ nahmeelektronik nachgeschaltet ist, die mindestens einen Analog-Digital-Wandler(=ADC), der die elektrischen Ana­ logsignale zeitäquidistant digitalisiert, und ggf. wei­ tere Signalverarbeitungselemente umfaßt.

Ein solches Spektrometer ist bekannt aus dem Zeitschrif­ tenartikel von J. W. Brault mit dem Titel "New approach to high-precision Fourier transform spectrometer de­ sign", Appl. Optics, Vol. 35, No. 16, Seiten 2891-2896, 01. Juni, 1996.

Die optische Spektroskopie, insbesondere die Infrarot-Fouriertransformations(IR-FT)-Spektroskopie ist eines der leistungsfähigsten Werkzeuge, die dem analytischen Chemiker in Forschung, Anwendung und Prozeßkontrolle zur Verfügung stehen. Übliche Aufnahmeverfahren derartiger optischer Spektren sind in allen Einzelheiten beispiels­ weise in einer Artikelserie von J. Gronholz und W. Her­ res unter dem Titel "Datenverarbeitung in der FT-IR-Spektroskopie" in der Zeitschrift Comp. Anw. Lab., Aus­ gabe 5/1984, Seiten 352-356, Ausgabe 6/1984, Sei­ ten 418-425 und Ausgabe 5/1985, Seiten 230-240 beschrie­ ben. Dabei werden Nulldurchgänge eines Referenzinterfe­ rogramms, das beispielsweise von einem HeNe-Laser aufge­ nommen wird, in ihrer zeitlichen Abfolge gemessen und an diesen Nullstellen das gleichzeitig aufgenommene Nutzin­ terferogramm digitalisiert.

Diese bisher übliche, bei optischen FT-Spektrometern vom infraroten bis zum ultravioletten Bereich angewandte Verfahrensweise einer bezogen auf die Position des In­ terferometerspiegels (bei einem Michelson-Interferome­ ter) ortsäquidistante Abtastung des Detektorsignals er­ laubt es jedoch nicht, den Amplituden- und Phasengang des Detektors exakt zu kompensieren, da die tatsächliche Geschwindigkeit des Interferometerspiegels nicht bekannt ist. Daher können Laufzeitunterschiede und -verzerrungen zwischen Nutzsignal und Referenzsignal aufgrund einer Apparatefunktion nicht ausgeglichen werden. Bei jegli­ cher Geschwindigkeitsschwankung des Spiegelantriebs ent­ steht dadurch bei den Spektrallinien eine Seitenbanden­ modulation. Deswegen sind derartige Betriebsverfahren für Spektrometer ungeeignet bei Systemen mit groben me­ chanischen Störungen, beispielsweise in der Nähe von vi­ brationserzeugenden Maschinen oder bei Spektrometern, die beispielsweise auf bewegliche Fahrzeuge aufmontiert sind.

In der eingangs zitierten Publikation von J. W. Brault ist demgegenüber ein Verfahren zur Kompensation des Am­ plituden- und des Phasenganges beschrieben, das beson­ ders effizient in einem System mit zeitäquidistanter Ab­ tastung des optischen Signals einsetzbar ist. Mit Hilfe einer "Vor"-Digitalisierung des Nutzsignals durch den ADC mit festen Zeitabständen kann dabei die Apparate­ funktion des Detektors und der weiteren Signalverarbei­ tungselemente im wesentlichen aus den Spektren herausge­ faltet werden.

Die zeitäquidistante Abtastung ermöglicht das Erfassen des zeitlichen Ablaufs des Detektorsignals. Auf dieses abgetastete Signal kann ein digitales Filter (genannt Kompensationsfilter) angewendet werden, das den rezipro­ ken komplexen Frequenzgang (bestehend aus Amplituden- und Phasengang) des Detektors und der weiteren Signal­ verarbeitungselemente aufweist. Am Ausgang dieses Fil­ ters erhält man Werte, die dem optischen Signal am Ein­ gang des Detektors multipliziert mit seiner spektralen Empfindlichkeit entsprechen, lediglich um eine konstante Zeitspanne verzögert. Das Signal ist unabhängig von der Antriebsgeschwindigkeit des Interferometerspiegels.

Um aus dem Detektorsignal ein Interferogramm zu erhal­ ten, das von den Geschwindigkeitsschwankungen des beweg­ lichen Spiegels im Interferometer unabhängig ist, ist eine ortskonstante Abtastung des IR-Detektorsignals not­ wendig. Damit aus dem zeitlich konstant abgetasteten Si­ gnal ein ortsgenau abgetastetes Signal wird, werden die Signalwerte mittels eines digitalen Filters mit konstan­ ter Verzögerung (genannt Interpolationsfilter) zu jenen Zeitpunkten berechnet, an welchen der optische Gangun­ terschied im Interferometer bestimmte Werte annimmt, d. h. an welchen der/die beweglichen Spiegel im Interfe­ rometer an bestimmten Orten sind. Da das Kompensations­ filter und das Interpolationsfilter jeweils im Zeitbe­ reich arbeiten, können sie hintereinander angewendet werden.

Die beiden Filter können, da sie hintereinander angewen­ det werden und beide Zeitbereichsfilter sind, zusammen­ gefaßt werden zu einem einzigen Filter, indem ihre Fil­ terkoeffizienten miteinander gefaltet werden. Dies redu­ ziert die Anforderungen an den Speicherbedarf und die Geschwindigkeit des Digitalfilter-Prozessors.

Auf die Ergebniswerte des kombinierten Kompensations- und Interpotionsfilters kann schließlich noch ein weite­ res digitales Filter (genannt Ortsfrequenzfilter) ange­ wendet werden, das eine Reduktion der Daten auf den ge­ wünschten Spektralbereich vornimmt. Dieses Filter kann mit dem kombinierten Filter nicht verknüpft werden, da es auf ortsäquidistante Abtastwerte angewendet werden muß; es kann jedoch vom gleichen Prozessor ausgeführt werden.

Das zeitäquidistante Abtastungsverfahren ermöglicht eine gleichzeitige Aufnahme des Zeitverlaufs und der absolu­ ten Positionen der Nulldurchgänge des Referenzsignals. Nach einer entsprechenden Umrechnung der ADC-Signale auf ortsäquidistante Positionen des Spiegels (Interpolati­ onsfilter) läßt sich eine zumindest gleiche Signalquali­ tät wie bei dem oben beschriebenen ortsäquidistanten Ab­ tastverfahren erzielen, wobei jedoch eine erheblich grö­ ßere Flexibilität für den Experimentator gegeben ist, weil nicht nur die Nulldurchgänge, sondern beliebige Zwischenwerte zur Digitalisierung herangezogen werden können. Ein weiterer, ganz erheblicher Vorteil des Brault'schen Verfahrens liegt in der möglichen Korrektur der Apparatefunktion durch das oben beschriebene Kompen­ sationsfilter, was einem Herausfalten der Übertragungs­ funktion des Detektors aus den Spektren entspricht.

Der apparative Aufwand bei bekannten Spektrometern, de­ ren Detektorsignal ortsgenau anstatt zeitäquidistant ab­ getastet wird, ist erheblich höher. Das Abtastsignal hat nämlich keine konstante Frequenz, sondern hängt von der Geschwindigkeit des Antriebs ab. Deshalb läßt sich mit dem Abtastsignal kein getaktetes Netzteil synchronisie­ ren. Um die erforderliche Meßgenauigkeit, die größer als 16 Bit sein soll, zu erreichen, muß das Produkt aus der Welligkeit und der Stördämpfung der Versorgungsspannung der Datenaufnahmeelektronik kleiner als 1/(2¹⁶) des Ver­ sorgungsspannungsbereiches sein. Eine solche Genauigkeit läßt sich mit den heute bekannten getakteten Netzteilen nicht erreichen. Deshalb muß bei Spektrometern mit orts­ genauer Signalabtastung der Datenaufnahmeteil mit einem separaten linearen Netzteil versorgt werden und außerdem galvanisch von der getakteten Versorgung der Ansteuer­ elektronik der Antriebseinrichtung getrennt sein. Die erforderlichen linearen Netzteile, die Verwendung von getrennten Spannungsversorgungen sowie die galvanische Trennung zwischen der Datenaufnahmeelektronik und der Ansteuerelektronik des linearen Antriebs erzeugen jedoch hohe Kosten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein op­ tisches Spektrometer mit den eingangs beschriebenen Merkmalen vorzustellen, auf dem ein auf dem Brault'schen Vorschlag basierendes Verfahren durchgeführt werden kann, wobei das Spektrometer im Gegensatz zu bekannten Spektrometern mit ortsgenauer Abtastung des Detektorsig­ nals im Bereich seiner Spannungsversorgungseinrichtun­ gen erheblich preisgünstiger und kompakter gestaltet werden kann und bei dem eine galvanische Trennung zwi­ schen der Datenaufnahme und der Ansteuerelektronik des Antriebs nicht erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in Verbindung mit den eingangs beschriebenen Verfahrensmerkmalen dadurch ge­ löst, daß die Datenaufnahmeelektronik von einem getakte­ ten Netzteil versorgt wird, dessen Takt aus demselben Referenzoszillator abgeleitet ist wie der Takt der Sig­ naldigitalisierung durch den ADC.

Durch die zeitäquidistante Abtastung des Detektorsignals ist es möglich, die Stromversorgung der Spektrometer­ elektronik von einem Schaltnetzteil erfolgen zu lassen, dessen Taktfrequenz starr mit der Taktfrequenz der Abta­ stung des Detektorsignals verknüpft ist. Durch die pha­ senstarre Ankopplung der Oberwellen an den ADC-Takt hat die zu diesem Takt synchrone Restwelligkeit der Aus­ gangsspannung des Schaltnetzteils somit keinen Einfluß mehr auf die Genauigkeit der Abtastwerte. Die durch das Netzteil erzeugten Störungen wirken nur als Offset und können daher vernachlässigt werden. Auf diese Weise er­ gibt sich eine sehr effektive und technisch einfach zu realisierende Unterdrückung der Störspitzen. Ein weite­ rer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich daraus, daß die verwendbaren Schaltnetzteile wesentlich billiger und kompakter sind als vergleichbare lineare Netzteile in bekannten Spektrometern und zudem eine er­ heblich geringere Abwärme produzieren, da sie mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen optischen Spektrometers, bei der das getak­ tete Netzteil zur Versorgung der Datenaufnahmeelektronik gleichzeitig auch den Antrieb mit Strom bzw. Spannung versorgt. Dadurch ist nur noch ein einziges Netzteil zur Spannungsversorgung des gesamten Spektrometers erforder­ lich, was die Herstellungskosten des Spektrometers noch weiter verringert.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform kann zwi­ schen dem Referenzoszillator und dem getakteten Netzteil ein Phasenschieber zur Verschiebung der Taktphase vorge­ sehen sein. Damit kann jedes beliebige Phasenverhältnis zwischen dem Taktsignal des ADC und der Restwelligkeit der Ausgangsspannung des Schaltnetzteils eingestellt werden.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der das ge­ taktete Netzteil und/oder der ADC ein in der Audiotech­ nik einsetzbarer Gerätetyp ist. Vorzugsweise wird als ADC ein CRYSTAL CS5390 und als Schaltnetzteil ein KNIEL DCM 1606/27/PFS verwendet.

Derartige in der Audiotechnik einsetzbare Geräte sind aufgrund der Massenfertigung besonders preisgünstig auf dem Markt erhältlich.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen optischen Spektrometers, bei der das getak­ tete Netzteil mit einer Batterie betreibbar ist. Auf­ grund des gegenüber linearen Netzteilen erheblich höhe­ ren Wirkungsgrades und der geringeren Abwärme von kom­ pakten Schaltnetzteilen sind derartige getaktete Netz­ teile wegen ihres sehr niedrigen Energieverbrauchs nicht auf eine Stromversorgung aus dem Netz angewiesen, son­ dern können mit handelsüblichen Batterien über einen längeren Zeitraum auch netzunabhängig betrieben werden.

Sehr vorteilhaft ist eine Weiterbildung dieser Ausfüh­ rungsform, bei der das optische Spektrometer mobil ein­ setzbar ist, beispielsweise im Umweltschutz für Kontrol­ len von möglicherweise schädlichen Emissionen an wech­ selnden Einsatzorten. Dabei kann das erfindungsgemäße Spektrometer z. B. auch auf Fahrzeuge montiert werden, da das verwendete Betriebsverfahren mit zeitäquisistanter Signalabtastung gegenüber grobmechanischen Störungen, insbesondere Vibrationen des Spektrometers relativ un­ empfindlich ist.

Der ADC des erfindungsgemäßen optischen Spektrometers kann mit einer Taktfrequenz in einem Bereich von 100 Hz bis 500 KHz, vorzugsweise mit der Taktfrequenz 48,8 KHz, arbeiten.

Das getaktete Netzteil des erfindungsgemäßen optischen Spektrometers arbeitet mit einer Taktfrequenz im Bereich von 20 KHz bis 1 MHz, vorzugsweise mit der Taktfrequenz 97,6 KHz.

Durch Zwischenschaltung eines starren Frequenzwandlers können die preisgünstig erhältlichen ADC's und die oben­ genannten, ebenfalls preisgünstig erhältlichen getakte­ ten Netzteile optimal aufeinander abgestimmt werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen optischen Spektrometers zeichnet sich da­ durch aus, daß dem ADC ein digitaler Signalprozessor (=DSP) nachgeschaltet ist, auf dem ein digitales Kompen­ sationsfilter implementiert ist, das den reziproken kom­ plexen Frequenzgang des Detektors und eventueller weite­ rer Signalverarbeitungselemente aufweist. Dadurch kann die Apparatefunktion von Detektor und Signalverarbei­ tungselementen aus den Spektren im wesentlichen heraus­ gefaltet werden.

In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Verfahren zur optischen Spektroskopie, bei dem in einem Interferometer ein optischer Gangunterschied mit näherungsweise zeit­ lich konstanter Rate verändert wird und aus dem Interfe­ rometer ein Meßsignal zur Erzeugung eines Interfero­ gramms mittels Detektor detektiert und in einer Daten­ aufnahmeelektronik digitalisiert wird. Das erfindungsge­ mäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Daten­ aufnahmeelektronik aus einem getakteten Netzgerät elek­ trisch versorgt wird, dessen Takt mit dem Takt der Digi­ talisierung des Meßsignals korreliert, vorzugsweise syn­ chronisiert ist. Damit lassen sich die oben beschriebe­ nen apparativen Vorteile bei der Konstruktion des Spek­ trometers erzielen.

Ganz besonders bevorzugt ist eine Variante des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens, bei der auf das detektierte Meßsignal ein digitales Kompensationsfilter angewendet wird, das den komplexen Frequenzgang bestehend aus Am­ plituden- und Phasengang des Detektors und sämtlicher weiterer Signalverarbeitungselemente kompensiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll bei FT-Spektrome­ tern, insbesondere im IR-Bereich eingesetzt werden. Die früher und auch jetzt noch übliche ortsäquidistante Ab­ tastung des Detektorsignales erlaubt es nicht, den Am­ plituden- und Phasengang des Detektors exakt zu kompen­ sieren, so daß bei jeglicher Geschwindigkeitsschwankung des Spiegelantriebs im Interferometer eine Seitenbandmo­ dulation bei den Spektrallinien entsteht. Mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren ist eine Kompensation des Ampli­ tuden- und Phasengangs aufgrund der zeitäquidistanten Abtastung des optischen Signals besonders effizient mög­ lich. Um dieses Kompensationsfilter nutzen zu können, muß es für jeden im FT-Spektrometer einzusetzenden De­ tektor und eventuelle weitere Signalverarbeitungselemen­ te mindestens einmal ermittelt werden.

Es wird jeweils ein Interferogramm beim Vorwärtslauf und beim Rückwärtslauf des Interferometerspiegels aufgenom­ men. Die Fouriertransformation wird nach Betrag und Pha­ se durchgeführt. Die Phasenspektren des Vorwärts- und des Rückwärtslaufs werden dann addiert und durch zwei geteilt (Mittelwertbildung). Die durch optische Einflüs­ se entstehende optische Phase kehrt sich mit der Lauf­ richtung um und hebt sich somit weg. Es wird also der reine elektrische Phasengang des Detektors einschließ­ lich der weiteren Signalverarbeitungselemente ermittelt, während die optischen Eigenschaften eliminiert sind.

Sodann wird ein mathematisches Modell der Übertragungs­ funktion der Signalverarbeitungselemente einschließlich Detektor aufgrund von deren elektrischen Eigenschaften aufgestellt, wobei die freien Parameter der Transfer­ funktion, also die charakteristischen Frequenzen, durch ein Fit-Verfahren an den gemessenen Phasengang ermittelt werden. Die so ermittelte, in der Regel analoge Trans­ ferfunktion wird in den diskreten Z-Bereich überführt und schließlich das Kompensationsfilter als Kehrwert der diskreten Transferfunktion ermittelt.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Verfahrensvariante schließlich besteht darin, daß die Implementierung des Kompensationsfilters sowie eventueller weiterer Filter, beispielsweise eines Interpolationsfilters und/oder ei­ nes Ortsfrequenzfilters, auf einem digitalen Signalpro­ zessor (DSP) erfolgt, und daß die Ausgangsdaten über di­ gitale Schnitt stellen an einen weiterverarbeitenden Rechner übertragen werden. Die Signale am Ausgang des DSP sind kompatibel zu den Signalen von üblichen Geräten mit ortsäquidistanter Abtastung, so daß bereits vorhan­ dene konventionelle Auswertesoftware problemlos verwend­ bar ist. Außerdem ist bei der Berechnung des oder der Filter keine Näherung erforderlich, wie dies beispiels­ weise bei Betrieb auf einem Personalcomputer zur Verkür­ zung der Rechenzeit erforderlich wäre.

Besonders bevorzugt ist schließlich eine Verfahrensvari­ ante, bei der die Veränderung des optischen Gangunter­ schieds durch Regelung eines Antriebs mit einem zum Ab­ tasttakt synchronen Takt erfolgt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorste­ hend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehre­ ren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines erfindungsgemäßen Fourier-Transformations-Spektrometers mit Mi­ chelson-Interferometer;

Fig. 2a ein Schema der Spannungsversorgung in einem op­ tischen Spektrometer mit ortsgenauer Signalab­ tastung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2b ein Schema der Spannungsversorgung des erfin­ dungsgemäßen optischen Spektrometers mit zeit­ äquidistanter Signalabtastung; und

Fig. 3 eine Schemadarstellung der Signalverläufe beim erfindungsgemäßen optischen Spektrometer.

Das in Fig. 1 in einem stark abstrahierten Funktions­ schema dargestellte FT-Spektrometer 1 enthält ein Michelson-Interferometer mit einem festen Spiegel 2 und einem mittels einem Antrieb 8 in Richtung des Doppel­ pfeils beweglichen Spiegel 3, die jeweils über einen Strahlteiler 4 aus einer optischen Quelle 5 mit Licht beschickt werden, welches nach Durchgang durch das In­ terferometer an einem Detektor 6 detektiert wird.

Ein Laser 11, in der Regel ein HeNe-Laser, beschickt das Interferometer mit Licht zur Aufnahme eines Referenzin­ terferogramms. Ein erster Laserdetektor 12 nimmt das aus dem Interferometer zurück reflektierte Referenzlicht auf, während ein zweiter Laserdetektor 13 das aus dem Interferometer in Richtung des Detektors 6 austretende Referenzlicht detektieren kann.

Die im Detektor 6 detektierten optischen Signale werden weiteren Signalverarbeitungselementen 7, die beispiels­ weise einen Verstärker umfassen können, zugeführt, an deren Ausgang dann ein analoges Nutzinterferogramm abge­ griffen werden kann. Dieses wird einem Analog-Digital- Wandler (ADC) 9 zugeführt, der mit einer festen Digita­ lisierungsfrequenz aus einem Referenzoszillator 16 ge­ taktet wird. Dieser taktet gleichzeitig in einem dazu festen Frequenzverhältnis das getaktete Netzteil 14, welches die Datenaufnahmeelektronik 17 und gleichzeitig auch den Antrieb 8 mit Spannung versorgt, wobei durch Zwischenschaltung eines Phasenschiebers 15 die Taktphase beliebig eingestellt werden kann.

Das entsprechende Ausgangssignal aus dem ADC 9 schließ­ lich wird einem Kompensationsfilter zugeführt, welches insbesondere in Form einer geeigneten Software vorhanden sein kann. Die von J.W. Brault aufgezeigte Möglichkeit der zeitäquidistanten Interferogrammabtastung leidet bei nicht-konstanter Vorschubgeschwindigkeit des Antriebs 8, wie bereits oben erwähnt, unter Seitenbandenmodulations­ verzerrungen im Spektrum. In der Praxis muß stets mit externen Störungen und damit Geschwindigkeitsschwankun­ gen gerechnet werden. Die Seitenbandenmodulationen las­ sen sich vermeiden, wenn der komplexe Frequenzgang des Detektors 6 und der weiteren Signalverarbeitungselemente 7 durch ein geeignetes Kompensationsfilter neutralisiert wird.

Generell ist es sinnvoll, die Implementierung des Kom­ pensationsfilters und des zur Umrechnung auf ortsäquidi­ stante Interferogrammpunkte notwendigen Interpolations­ filters auf einem digitalen Signalprozessor 10 vorzuneh­ men. Wegen der hohen Rechenleistung in Bezug auf Filter­ algorithmen kann die Datenverarbeitung dann in Echtzeit erfolgen. Die gefilterten Ausgangsinterferogramme können mit konventioneller Software weiterverarbeitet werden.

In Fig. 2a ist schematisch die Spannungsversorgung in einem herkömmlichen optischen Spektrometer mit ortsge­ nauer Signalabtastung nach dem Stand der Technik darge­ stellt.

Bei der konventionellen Methode wird das IR-Detektorsi­ gnal ortsgenau abgetastet, was dazu führt, daß das Ab­ tastsignal keine konstante Frequenz hat, sondern von der Geschwindigkeit des Antriebs 28 abhängt. Deshalb läßt sich mit dem Abtastsignal kein getaktetes Netzteil syn­ chronisieren. Um die erforderliche Meßgenauigkeit von <16 Bit zu erreichen, muß das Produkt aus Versorgungs­ spannungsripple und Versorgungsspannungsstördämpfung der Datenaufnahmeelektronik 29 kleiner 1/2¹⁶ des Versor­ gungsspannungsbereiches sein. Eine solche Genauigkeit läßt sich mit getakteten Netzteilen nicht erreichen. Deshalb muß der Datenaufnahmeteil mit einem separaten linearen Netzteil 25 versorgt werden und galvanisch über eine Trenneinrichtung 27 getrennt sein von der getakte­ ten Versorgung der Steuerelektronik des Antriebs 28, die aus einem getakteten Netzteil 24 erfolgt. Die Verwendung von getrennter Spannungsversorgung und galvanischer Trennung erzeugt hohe Kosten.

Demgegenüber ist in Fig. 2b schematisch die Spannungs­ versorgung des erfindungsgemäßen optischen Spektrometers 1 mit zeitäquidistanter Signalabtastung dargestellt. Bei der neuen Methode wird nicht mehr ortsgenau abgetastet, sondern mit einem konstanten Abtasttakt. Anschließend wird mit einem Prozessor auf die gewünschten ortsgenauen Abtastpunkte interpoliert. Auch die Regelung des An­ triebs 8 kann optional mit diesem Abtasttakt oder einem davon abgeleiteten, zum Abtasttakt synchronen Takt er­ folgen. Nun kann zusätzlich das getaktete Netzteil 14 auch mit einem vom Abtasttakt abgeleiteten, zum Abtast­ takt phasenstarren Takt synchronisiert werden. Die Fre­ quenz des Synchronisationstakts für das Netzteil 14 kann dabei in einem gebrochenen Verhältnis zum Abtasttakt stehen und seine Phase kann zusätzlich verschoben sein gegenüber dem Abtasttakt.

Durch die Synchronisation des Netzteiltaktes mit dem Ab­ tasttakt erscheinen die zum Netzteiltakt synchronen Stö­ rungen auf der Spannungsversorgung, die den Großteil der gesamten Störung auf der Versorgungsspannung ausmachen, als Gleichanteil im abgetasteten Detektorsignal. Dies wird in der Schemadarstellung von Fig. 3 verdeutlicht:

Das erste Signal zeigt die Netzteilstörung, ein typi­ sches Ripple-Signal, das synchron zu den Abtastzeitpunk­ ten ist, die durch die senkrechten Linien markiert sind. Das zweite Signal zeigt das abzutastende IR-Signal (nur stilisiert).

Unter der Annahme, daß sich die Netzteilstörung bei der Datenwandlung nicht auswirkt (Idealfall), ergäbe sich das dritte Signal, welches das abgetastete IR-Signal zeigt. Unter der Annahme, daß die Netzteilstörung sich zu 100% dem Meßsignal überlagert, ergäbe sich das vierte Signal.

Wie man sieht, unterscheiden sich das ideale dritte Si­ gnal und das vierte Signal, das den ungünstigst mögli­ chen Fall darstellt, lediglich in einem Offset. Da für die Spektralanalyse der Gleichanteil des IR-Signales ir­ relevant ist (er wird für die FFT sogar rechnerisch eli­ miniert), hat die Netzteilstörung, solange sie nur syn­ chron zum Abtasttakt ist, keine Auswirkung auf das Meß­ ergebnis des Spektrometers.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die Regelung des Antriebs 8 und der Datenaufnahmeteil (ADC 9) mit demselben Netz­ teil 14 betrieben werden können, das außerdem noch ein kostengünstiges, kompaktes getaktetes Netzteil mit ge­ ringer Verlustleistung ist. Die galvanische Trennung zwischen Datenaufnahmeelektronik und Scannersteuerelek­ tronik kann ebenfalls entfallen.

Claims (12)

1. Optisches Spektrometer, insbesondere Fourier-Transfor­ mations(=FT)-Spektrometer (1), mit einem Interferometer mit einer Einrichtung zum Verändern des optischen Gang­ unterschieds, die einen Antrieb (8) umfaßt, und einem Detektor (6) zur Aufnahme von optischen Signalen aus dem Interferometer und Umwandlung in elektrische Ana­ log-Signale, wobei dem Detektor (6) eine Datenaufnahme­ elektronik (17) nachgeschaltet ist, die mindestens ei­ nen Analog-Digital-Wandler =ADC (9), der die elektri­ schen Analogsignale zeitäquidistant digitalisiert, und ggf. weitere Signalverarbeitungselemente (7) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenaufnahmeelektronik (17) von einem getakte­ ten Netzteil (14) versorgt wird, dessen Takt aus dem­ selben Referenzoszillator (16) abgeleitet ist wie der Takt der Signaldigitalisierung durch den ADC (9).

2. Optisches Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das getaktete Netzteil (14) zur Versor­ gung der Datenaufnahmeelektronik (17) gleichzeitig auch den Antrieb (8) mit elektrischer Energie versorgt.

3. Optisches Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Referenzoszillator (16) und dem getakteten Netzteil (14) ein Phasenschieber (15) zur Verschiebung der Taktphase vorgesehen ist.

4. Optisches Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das getaktete Netzteil (14) und/oder der ADC (9) ein in der Audio­ technik einsetzbarer Gerätetyp ist.

5. Optisches Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das getaktete Netzteil (14) mit einer Batterie betreibbar ist.

6. Optisches Spektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Spektrometer (1) mobil einsetzbar ist.

7. Optisches Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ADC (9) mit einer Taktfrequenz im Bereich von 100 Hz bis 500 KHz, vorzugsweise mit der Taktfrequenz 48,8 KHz arbeitet.

8. Optisches Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das getaktete Netzteil (14) mit einer Taktfrequenz im Bereich von 10 KHz bis 1 MHz, vorzugsweise mit der Taktfrequenz 97,6 KHz arbeitet.

9. Optisches Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem ADC (9) ein digitaler Signalprozessor (10) nachgeschaltet ist, auf dem ein digitales Kompensationsfilter implementiert ist, das den reziproken komplexen Frequenzgang des De­ tektors (6) und eventueller weiterer Signalverarbei­ tungselemente (7) aufweist.

10. Verfahren zur optischen Spektroskopie, bei dem in einem Interferometer ein optischer Gangunterschied vorzugs­ weise mit näherungsweise zeitlich konstanter Rate ver­ ändert wird und aus dem Interferometer ein Meßsignal zur Erzeugung eines Interferogramms mittels Detek­ tor (6) detektiert und in einer Datenaufnahmeelektronik (17) digitalisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenaufnahmeelektronik (17) aus einem getakte­ ten Netzgerät (14) elektrisch versorgt wird, dessen Takt mit dem Takt der Digitalisierung des Meßsignals synchronisiert ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf das detektierte Meßsignal ein digitales Kompensati­ onsfilter angewendet wird, das den komplexen Frequenz­ gang bestehend aus Amplituden- und Phasengang des De­ tektors (6) und sämtlicher weiterer Signalverarbei­ tungselemente (7) kompensiert.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Veränderung des optischen Gangunter­ schieds durch Regelung eines Antriebs (8) mit einem zum Abtasttakt synchronen Takt erfolgt.