DE19932807A1 - Eintrittsspalt für ein Spektrometer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Eintrittsspalt für ein Spektrometer, bestehend aus einer beweglichen Blende und einer feststehenden Blende. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen Eintrittsspalt für ein Spektrometer zur Verfügung zu stellen, mit dem die Spaltbreite periodisch moduliert werden kann. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Antrieb für die bewegliche Blende, mit dessen Hilfe die lichte Weite des Eintrittsspalts vorgebbar periodisch verändert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Eintrittsspalt für ein Spektrometer bestehend aus einer beweglichen Blende und einer feststehenden Blende.

Zur Detektion von Strahlung im IR-Bereich ist es aufgrund der Eigenschaften der zur Verfügung stehenden Detektoren (z. B. Blei­ salzdetektoren, Pyrodetektoren) notwendig, die einfallende Strahlung zu modulieren. Eine Modulation ermöglicht zusätzlich den Einsatz von hochempfindlichen und weitgehend driftfreien Verstärkern in der nachgeschalteten Signalaufbereitung, die z. B. auf Lock-in Technik basieren. Während bis heute der Ein­ satz von hochempfindlichen Mikrospektrometersystemen in Wellen­ längenbereichen, in denen ohne Modulation gearbeitet werden kann (bis 2 µm), demonstriert wurde, existieren für größere Wel­ lenlängen nur Mikrospektrometerkomponenten, die auf eine direkte Modulation der Strahlungsquelle angewiesen sind. Dies ist jedoch nur eingeschränkt möglich. Die Modulation der Strahlungsquelle hat den Nachteil, daß diese im System integriert sein muß. Die elektrische Modulation der Strahlungsquelle kann im allgemeinen nur niederfrequent erfolgen. Dies schränkt den Bau höchstemp­ findlicher Systeme ein, da in diesem Frequenzbereich das Eigen­ rauschen einer Reihe von Detektoren (PbS, PbSe, HgCdTe) erheb­ lich größer ist als bei einigen 100 Hz. Bei der Verwendung ther­ mischer Detektoren tritt bei niederfrequenter Modulation ein verstärktes Übersprechen des Signals zu Nachbardetektoren auf, was zu einer Reduzierung der Auflösung führt.

Aus der DE 44 34 814 ist ein infrarotspektrometrischer Sensor für Gase bekannt. Es handelt sich dabei um ein Mikrospektrometer mit integrierter Strahlungsquelle, wobei das Spektrometer selbst die Durchflußküvette zur Gasanalyse bildet. Die Anbringung einer thermischen Strahlungsquelle vor dem Spalt ohne jede Strahlungs­ modulation schränkt die mit einem derartigen System erreichbare Dynamik wesentlich ein, da nur eine sehr niederfrequente Modu­ lation der Strahlungsquelle von einigen Hz möglich ist. Diese Einschränkung ergibt sich aus deren großen thermischen Zeitkon­ stanten. Es findet keine Verbesserung der Auflösung durch die Modulation statt.

Ein ähnlicher Sensor ist aus der DE 195 28 919 bekannt. Hier wird anstelle der thermischen Strahlungsquelle über einen externen Spiegel die Strahlung einer Blitzlampe auf den Spalt des Spek­ trometers gelenkt. Die maximale Pulsfrequenz beträgt 10 Hz. Die­ se ist für den verwendeten Bleiselenid-Detektor nicht optimal. Durch den Wechsel auf höhere Modulationsfrequenzen, < 300 Hz, läßt sich die Dynamik des Systems mindestens um den Faktor 10 steigern. Eine Verbesserung der Auflösung wird ebenfalls nicht erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Eintrittsspalt für ein Spek­ trometer zur Verfügung zu stellen, mit dem die Spaltbreite pe­ riodisch moduliert werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, sowie deren vorteilhafte Verwendung.

Der erfindungsgemäße Eintrittsspalt weist folgende besondere Vorteile auf:
Er ermöglicht eine Steigerung der Empfindlichkeit von Mikrospek­ trometersystemen bei gleichzeitiger Verbesserung der Auflösung. Das Bauvolumen eines Mikrospektrometersystems wird durch die In­ tegration des als Chopper wirkenden Eintrittsspalts nicht we­ sentlicht vergrößert.

Die Verwendung beliebiger Strahlungsquellen wird ermöglicht.

Die Strahlungsquelle muß nicht im System integriert sein. Die höherfrequente Modulation ermöglicht geringeres Rauschen der Detektionselektronik inklusive Detektor.

Die Integration in planare Spektrometer durch Führungsstrukturen im Spektrometer wird vereinfacht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Hilfe der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen die

Fig. 1 und 2 die Auswirkungen des nahe der Blende integrier­ ten Choppers gegenüber einer externen Intensitätsmodulation bei­ spielhaft.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen mögliche Blendenanordnungen eines Eintrittsspalts und

die Fig. 6 und 7 dazugehörige Spektrometeranordnungen.

Die Fig. 8 und 9 zeigen einen Eintrittsspalt vor und nach dem Zusammenbau.

Zum Aufbau von Mikrospektrometersystemen ist neben der Mikro­ spektrometerkomponente und einem geeigneten Detektor auch ein Chopper notwendig. Eine systemtechnisch sinnvolle Integration kommerziell erhältlicher Chopper ist aufgrund deren Baugrößen nicht möglich. Diese Integration ist nur mit einem miniaturi­ sierten Chopper möglich. Die Integration im System erfolgt dabei erfindungsgemäß direkt am Eintrittsspalt des Mikrospektrometers, da dann nicht nur eine zeitliche Modulation erfolgt, sondern durch eine örtliche Modulation über der Spaltbreite eine zusätz­ liche Auflösungsverbesserung des Spektrometers resultiert.

Die Auswirkungen des nahe der Blende integrierten Choppers ge­ genüber einer externen Intensitätsmodulation zeigen beispielhaft die Fig. 1 und Fig. 2.

In Fig. 1 ist die durch einen Spalt mit fester Breite von 100 µm durch die typischen Abbildungseigenschaften des Mikrospektrome­ ters auf dem Detektor erzeugten Bestrahlungsstärkeverteilungen dargestellt, wenn bei gleicher Spaltbreite die einfallende Strahlungsleistung homogen über der Spaltfläche moduliert wird. Die flacher verlaufenden Kurven weisen die selbe Form wie die Maximalkurve auf. Lediglich die Amplitude ändert sich mit sich ändernder Bestrahlungsstärke am Eintrittsspalt.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Bestrahlungsstärke, wenn die von außen auf den Spalt mit variabler Breite auffallende Strah­ lungsleistung konstant gehalten wird. Eine Verringerung der ge­ samten durch den Spalt tretenden Strahlungsleistung erfolgt nun durch das Verkleinern der Spaltbreite. Dadurch ergeben sich für eine abnehmende Strahlungsleistung schmalere Verteilungen der Bestrahlungsstärke auf dem Detektor und somit eine höhere Auflö­ sung des gesamten Spektrometersystems.

Die möglichen Anordnungen von beweglicher und feststehender Blende sind in den Fig. 3 bis Fig. 5 dargestellt. In Fig. 3 be­ wegt sich die bewegliche Blende vor zwei feststehenden Blenden, die die maximale Spaltweite definieren. In Fig. 4 bewegen sich zwei Blenden gegenphasig symmetrisch zur Mitte zwischen zwei feststehenden Blenden, die die maximale Spaltweite definieren. Fig. 5 zeigt eine Anordnung von einer feststehenden und einer beweglichen Blende. Diese Variante hat den Vorteil, daß die ma­ ximale Spaltweite im Betrieb durch die Bewegungsamplitude der bewegten Blende verändert werden kann.

Der Abstand der beweglichen Blende zur engsten Stelle der fest­ stehenden Blende darf maximal dem 5-fachen der maximalen Spalt­ breite geteilt durch die maximale numerische Apertur des gesam­ ten optischen Aufbaus betragen, da mit zunehmenden Abstand der Vorteil der Auflösungsverbesserung durch die Integration in den Eintrittspalt verloren geht.

Die mögliche Anordnung im Spektrometer ist in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt. Bei beiden Darstellungen handelt es sich um klas­ sische Spektrometeraufbauten bestehend aus einer Kombination von abbildenen Spiegeln und Plangitter oder einem selbstfokusie­ renden Konkavgitter. Beim vorgeschlagenen Chopper (Eintritts­ spalt) handelt es sich um eine Struktur, die sich besonders für eine Integration in Mikrospektrometer, die durch planare Struk­ turierungstechniken wie das LIGA-Verfahren hergestellt werden. In solchen Mikrospektrometern bestehen die in den Abbildungen dargestellten optischen Elemente aus senkrechten Seitenwänden eines Wellenleiters. Geändert wird im Vergleich zum Stand der Technik nur der Einkoppelspalt 1.

In das Mikrospektrometer werden Haltestrukturen integriert, die ein Einsetzten des miniaturisierten Choppers ermöglichen. Die Führungsstrukturen werden parallel mit den optischen Elementen des planaren Wellenleiters, der das Gehäuse des Spektrometers bildet, strukturiert und sind damit auf dem Wellenleiter exakt vorgegeben. Der Chopper besteht aus einem mikromechanischen Ak­ tor mit elektromagnetischem, elektrostatischen, oder piezoelek­ trischen Antrieb. Er kann auch auf dem Fomgedächtnisef­ fekt basieren.

Die bewegliche Blende 8, bei den Fig. 3 bis 5, ist entweder über ein Federsystem 21 schwingend aufgehängt und wird linear bewegt. Es kann sich ebenfalls um eine rotierende oder um einen Drehpunkt schwingende Anordnung handeln. Die Anordnung des Chop­ pers ist dergestalt, daß sich eine oder zwei schwingende, ange­ triebene Blenden vor oder hinter dem Eintrittspalt des Mikro­ spektrometers befinden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 handelt es sich um einen schwingenden Eintrittsspalt 1, der elektromagne­ tisch angetriebenen wird.

Die Fig. 8 zeigt die zwei Hauptgruppen aus denen das Ausführungs­ beispiel besteht, zum einen sind dies die Führungsstrukturen mit den elektrischen Anschlüssen auf den Wellenleitern zum anderen der Chopper mit dem Antrieb. Die Fig. 9 zeigt die ineinander ge­ fügten Teile.

Die Justage der schwingenden Blende 8 und des Blendenantriebs in das Mikrospektrometer gewährleistet ein Justierrahmen 9. In die­ sem Rahmen ist ebenfalls die feststehende Spaltblende 7 struk­ turiert. Sie befindet sich am Ende eines Faserführungsgrabens 20, in dem die Einkoppelfaser 19 liegt.

Der Antrieb der schwingenden Blende 8 besteht aus dem Aktorkör­ per 10 und einer in diesen eingesetzten Spule 18. Diese besteht aus einer Wicklung aus Kupferlackdraht 17 auf dem Spulenkörper 12 und wird durch Rastnasen 11 am Aktorkörper 10 gehalten. Die Kontaktierung der Spule erfolgt über Klemmstellen 13, die den Draht 17 fixieren. Die externen Anschlußdrähte 16 werden eben­ falls über Klemmstellen 15 fixiert. Die elektrische Kontaktie­ rung zwischen beiden erfolgt durch Verfüllen des verbleibenden Raums 14 zwischen den Drahtenden mit Leitkleber.

Die Modulation der aus der feststehenden Blende 7 vor dem Fase­ rende austretenden Strahlung erfolgt durch die schwingende Blen­ de 8, den diese je nach Stellung die Spaltfläche entsprechend verkleinert. Die schwingende Blende 8 ist mit Hilfe der Blattfe­ dern 21 an einer Haltestruktur auf dem nicht dargestellten Substrat befestigt und bewegt sich im Luftspalt des Eisenkrei­ ses. Sie wird vom Aktorkörper 10 angezogen, wenn die Spule 18 von Strom durchflossen wird. Die Stromrichtung spielt hierbei keine Rolle. Bei periodischem Wechsel der Stromrichtung erfolgt somit das Anziehen der Blende mit der doppelten Frequenz des er­ regenden Stromes. Dies hat bei einer Bandpaßfilterung des opti­ schen Signals in der späteren Signalaufbereitung den Vorteil, daß eventuelle Störeinstreuungen durch den Antrieb nur bei des­ sen Harmonischen erfolgen können und somit geringer sind als bei einer Detektion auf oder in der Nähe der Fundamentalfrequenz.

Eine Änderung der Form der Strahlungsmodulation in Richtung ei­ ner Rechteckschwingung wird erreicht durch eine große Schwin­ gungsamplitude im Vergleich zur halben Breite der Spaltblende.

Bezugszeichenliste

1

Spalt

2

Hohlspiegel

3

Beugungsgitter

4

Hohlspiegel

5

Detektor

6

gekrümmtes Beugungsgitter

7

feststehende Blende

8

bewegliche Blende

9

Justierrahmen

10

Aktorkörper

11

Rastnase zur Spulenhalterung

12

Spulenkörper

13

Klemmstelle für Spulendraht

14

Kontaktierung

15

Klemmstelle für den Anschlußdraht

16

Anschlußdraht

17

Spulendraht

18

Spule

19

Einkoppelfaser

20

Faserführung

21

Blattfedern

Claims (13)

1. Eintrittsspalt für ein Spektrometer bestehend aus einer be­ weglichen Blende (8) und einer feststehenden Blende (7), wo­ bei die bewegliche Blende (8) mit Hilfe eines Antriebs die lichte Weite des Eintrittspalts vorgebbar periodisch verän­ dern kann.

2. Eintrittsspalt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Blende (7) eine einseitige Begrenzung des Eintrittsspalts ist und die bewegliche Blende (8) die Be­ grenzung des Eintrittsspalts auf der anderen Seite ist, wobei die beiden Blenden (7, 8) nahezu in der gleichen Ebene lie­ gen.

3. Eintrittsspalt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Blende (7) eine beidseitige Begrenzung des Eintrittsspalts ist und die bewegliche Blende (8) einteilig ausgebildet ist.

4. Eintrittsspalt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Blende (8) zweiteilig ausgebildet ist.

5. Eintrittsspalt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die bewegliche Blende (8) derart an Blatt­ federn (20) befestigt ist, daß nur Bewegungen parallel zum Eintrittsspalt möglich sind.

6. Eintrittsspalt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (20) als Rechteck-Parallelfedern angeordnet sind.

7. Eintrittsspalt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (20) symmetrisch zur beweglichen Blende angeordnet sind.

8. Eintrittsspalt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Antrieb einen Elektromagneten enthält.

9. Eintrittsspalt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Antrieb aus ineinander greifenden Kamm­ strukturen besteht, die elektrostatisch gegeneinander bewegt werden.

10. Eintrittsspalt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Antrieb ein piezoelektrischer Aktor ist.

11. Eintrittsspalt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Antrieb und die bewegliche Blende (8) mit den Blattfedern (20) so ausgebildet sind, daß die beweg­ liche Blende (8) mit einer Frequenz bis zu 10 kHz betrieben werden kann.

12. Eintrittsspalt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Antrieb und die bewegliche Blende mit den Blattfedern auf einem gemeinsamen Substrat strukturiert sind, wobei dieses gemeinsame Substrat in einem Justierrahmen (9), der die feststehende Blende (7) enthält, fixiert ist.

13. Verwendung des Eintrittsspalts gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem miniaturisierten Spektrometersystem.