DE19932807A1 - Entry gap for spectrometer has movable stop for periodically varying free gap width with drive, is bounded by fixed, movable stops on opposite sides; stops are approximately in same plane - Google Patents
Entry gap for spectrometer has movable stop for periodically varying free gap width with drive, is bounded by fixed, movable stops on opposite sides; stops are approximately in same planeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Eintrittsspalt für ein Spektrometer bestehend aus einer beweglichen Blende und einer feststehenden Blende.The invention relates to an entry slit for a spectrometer consisting of a movable screen and a fixed one Cover.
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.It is due to the detection of radiation in the IR range Properties of the available detectors (e.g. lead salt detectors, pyrodetectors) necessary, the incident Modulate radiation. Modulation also enables the use of highly sensitive and largely drift-free Amplifiers in the downstream signal processing, the e.g. B. based on lock-in technology. While still the one set of highly sensitive microspectrometer systems in waves length ranges in which you can work without modulation (up to 2 µm), has been demonstrated for larger worlds only microspectrometer components that point to a direct Modulation of the radiation source are instructed. However, this is only possible to a limited extent. The modulation of the radiation source has the disadvantage that it must be integrated in the system. The electrical modulation of the radiation source can in general only take place at low frequency. This limits the construction extremely sensitive systems, because in this frequency range the Eigen noise from a number of detectors (PbS, PbSe, HgCdTe) is greater than some 100 Hz. When using ther Mixer detectors occur with low-frequency modulation increased crosstalk of the signal to neighboring detectors, which leads to a reduction in resolution.
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.DE 44 34 814 is an infrared spectrometric sensor for Gases known. It is a microspectrometer with integrated radiation source, the spectrometer itself the Flow cell for gas analysis forms. The attachment of a thermal radiation source in front of the gap without any radiation modulation limits what can be achieved with such a system Dynamic is essential, since only a very low-frequency mod lation of the radiation source of a few Hz is possible. This Restriction results from their large thermal time con aunt. There is no improvement in resolution through the Modulation instead.
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.A similar sensor is known from DE 195 28 919. Here will instead of the thermal radiation source via an external one Reflect the radiation of a flash lamp on the crack of the spotting trometer steered. The maximum pulse frequency is 10 Hz se is not optimal for the lead selenide detector used. By changing to higher modulation frequencies, <300 Hz, the dynamics of the system can be increased by at least a factor of 10 increase. An improvement in resolution is also not reached.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Eintrittsspalt für ein Spek trometer zur Verfügung zu stellen, mit dem die Spaltbreite pe riodisch moduliert werden kann.The object of the invention is to provide an entry slit for a specter To provide trometer with which the gap width pe can be modulated periodically.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, sowie deren vorteilhafte Verwendung.This object is achieved by the features of the patent claim 1. The subclaims describe advantageous refinements the invention, and its advantageous use.
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.The entry gap according to the invention has the following particular advantages:
It enables the sensitivity of microspectrometer systems to be increased while at the same time improving the resolution. The construction volume of a microspectrometer system is not significantly increased by the integration of the entry gap, which acts as a chopper.
Die Verwendung beliebiger Strahlungsquellen wird ermöglicht.The use of any radiation sources is made possible.
Die Strahlungsquelle muß nicht im System integriert sein. Die höherfrequente Modulation ermöglicht geringeres Rauschen der Detektionselektronik inklusive Detektor. The radiation source does not have to be integrated in the system. The higher frequency modulation enables less noise from the Detection electronics including detector.
Die Integration in planare Spektrometer durch Führungsstrukturen im Spektrometer wird vereinfacht.Integration in planar spectrometers through management structures in the spectrometer is simplified.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels mit Hilfe der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen dieThe invention is illustrated below with the aid of an embodiment game explained in more detail with the help of the figures. The show
Fig. 1 und 2 die Auswirkungen des nahe der Blende integrier ten Choppers gegenüber einer externen Intensitätsmodulation bei spielhaft. Fig. 1 and 2, the effects of the BUILT-IN near the aperture chopper against an external intensity modulation in way of example.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen mögliche Blendenanordnungen eines Eintrittsspalts und FIGS. 3 to 5 illustrate possible arrangements of a shutter entrance slit and
die Fig. 6 und 7 dazugehörige Spektrometeranordnungen. FIGS. 6 and 7 associated spectrometer arrangements.
Die Fig. 8 und 9 zeigen einen Eintrittsspalt vor und nach dem Zusammenbau. FIGS. 8 and 9 illustrate an entrance slit before and after assembly.
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.To build microspectrometer systems is next to the micro spectrometer component and a suitable detector Chopper necessary. A systematically sensible integration commercially available chopper is due to their size not possible. This integration is only with a miniaturi choppers possible. The integration in the system takes place according to the invention directly at the entrance slit of the microspectrometer, because then not only a temporal modulation takes place, but by additional local modulation across the gap width improved resolution of the spectrometer results.
Die Auswirkungen des nahe der Blende integrierten Choppers ge genüber einer externen Intensitätsmodulation zeigen beispielhaft die Fig. 1 und Fig. 2.The effects of the integrated near the aperture Choppers ge genüber an external intensity modulation show examples of the FIG. 1 and 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.In Fig. 1, the irradiance distributions generated by a slit with a fixed width of 100 microns by the typical imaging properties of the microspectrometer age on the detector is shown when the incident radiation power is homogeneously modulated over the slit surface at the same slit width. The flatter curves have the same shape as the maximum curve. Only the amplitude changes with changing irradiance at the entrance slit.
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. Fig. 2 shows the course of the irradiance when the radiant power striking from the outside on the gap with variable width radiation power is kept constant. A reduction in the total radiation power passing through the gap is now achieved by reducing the gap width. This results in narrower distributions of the irradiance on the detector for a decreasing radiation power and thus a higher resolution of the entire spectrometer system.
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.The possible arrangements of movable and fixed aperture are shown in Fig. 3 to Fig. 5. In Fig. 3, the movable diaphragm moves in front of two fixed diaphragms that define the maximum gap width. In Fig. 4, two diaphragms move in opposite phase symmetrically to the center between two fixed diaphragms which define the maximum gap width. Fig. 5 shows an arrangement of a fixed and a movable diaphragm. This variant has the advantage that the maximum gap width can be changed during operation by the movement amplitude of the moving diaphragm.
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.The distance of the movable panel to the narrowest point of the fixed standing aperture may be a maximum of 5 times the maximum gap width divided by the maximum numerical aperture of the total th optical structure, because with increasing distance the Advantage of the resolution improvement through the integration into the Entry gap is lost.
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.The possible arrangement in the spectrometer is shown in Fig. 6 and Fig. 7. Both representations are classic spectrometer assemblies consisting of a combination of imaging mirrors and plane gratings or a self-focusing concave grating. The proposed chopper (entry gap) is a structure which is particularly suitable for integration into microspectrometers which are produced by planar structuring techniques such as the LIGA process. In such microspectrometers, the optical elements shown in the figures consist of vertical side walls of a waveguide. Only the coupling gap 1 is changed compared to the prior art.
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.Holding structures are integrated into the microspectrometer enable insertion of the miniaturized chopper. The Management structures become parallel with the optical elements of the planar waveguide, which is the housing of the spectrometer forms, structures and are therefore exact on the waveguide given. The chopper consists of a micromechanical Ak Gate with electromagnetic, electrostatic, or piezoelectric trical drive. He can also on the form memory based.
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.The movable screen 8 , in FIGS. 3 to 5, is either suspended in a swinging manner via a spring system 21 and is moved linearly. It can also be a rotating or pivoting arrangement. The arrangement of the Chop pers is such that there are one or two vibrating, driven diaphragms in front of or behind the entry gap of the micro spectrometer.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 handelt es sich um einen schwingenden Eintrittsspalt 1, der elektromagne tisch angetriebenen wird.In the embodiment according to FIGS. 8 and 9, it is a vibrating entrance gap 1 , which is electromagnetic table driven.
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. Fig. 8 shows the two main groups that make up the execution example, on the one hand these are the guide structures with the electrical connections on the waveguides and on the other hand the chopper with the drive. Fig. 9 shows the parts inserted into one another.
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.The adjustment of the vibrating diaphragm 8 and the diaphragm drive into the microspectrometer is ensured by an adjustment frame 9 . In this frame, the fixed slit 7 is also structured. It is located at the end of a fiber guide trench 20 in which the coupling fiber 19 is located.
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.The drive of the vibrating diaphragm 8 consists of the Aktorkör 10 and a coil 18 inserted therein. This consists of a winding of enamelled copper wire 17 on the coil body 12 and is held on the actuator body 10 by locking lugs 11 . The coil is contacted via clamping points 13 , which fix the wire 17 . The external connection wires 16 are just fixed if via clamping points 15 . The electrical Kontaktie tion between the two takes place by filling the remaining space 14 between the wire ends with conductive adhesive.
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.The modulation of the radiation emerging from the fixed diaphragm 7 in front of the chamfer is carried out by the oscillating blades de 8 , which reduces the gap area accordingly, depending on the position. The swinging aperture 8 is fixed with the help of Blattfe countries 21 to a holding structure on the substrate, not shown, and moves in the air gap of the Eisenkrei ses. It is attracted to the actuator body 10 when current flows through the coil 18 . The direction of the current is irrelevant. When the current direction changes periodically, the diaphragm is thus tightened at twice the frequency of the exciting current. This has the advantage in a bandpass filtering of the optical signal in the subsequent signal processing that any interference from the drive can only occur at the sen harmonic and are therefore less than with a detection at or near the fundamental frequency.
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. A change in the shape of the radiation modulation towards egg A square wave is achieved by a large vibration amplitude compared to half the width of the slit diaphragm.
11
Spalt
gap
22nd
Hohlspiegel
Concave mirror
33rd
Beugungsgitter
Diffraction grating
44th
Hohlspiegel
Concave mirror
55
Detektor
detector
66
gekrümmtes Beugungsgitter
curved diffraction grating
77
feststehende Blende
fixed aperture
88th
bewegliche Blende
movable aperture
99
Justierrahmen
Adjustment frame
1010th
Aktorkörper
Actuator body
1111
Rastnase zur Spulenhalterung
Latch for the coil holder
1212th
Spulenkörper
Bobbin
1313
Klemmstelle für Spulendraht
Clamping point for coil wire
1414
Kontaktierung
Contacting
1515
Klemmstelle für den Anschlußdraht
Clamping point for the connecting wire
1616
Anschlußdraht
Connecting wire
1717th
Spulendraht
Coil wire
1818th
Spule
Kitchen sink
1919th
Einkoppelfaser
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1999
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8131 | Rejection |