Die Erfindung betrifft einen Strahlungsmodulator gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.The invention relates to a radiation modulator according to the preamble of the protection claim. 1
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem derartigen Strahlungsmodulator.The invention further relates to a device for spectral analysis with such a radiation modulator.
Ein Strahlungsmodulator der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem derartigen Strahlungsmodulator sind aus EP 1 090 276 B1 bekannt. Der vorbekannte Strahlungsmodulator ist mit einer zweidimensionalen Modulationsstruktur ausgebildet, die in verschiedenen radialen Abständen von einem Mittelpunkt in Umfangsrichtung um den Mittelpunkt eine Abfolge von Modulationsbereichen unterschiedlicher Transmissions/Rückwerfeigenschaften aufweist. Die Modulationsbereiche sind durch konzentrisch um den Mittelpunkt angeordnete Bereiche hoher beziehungsweise niedrigerer Transmission gebildet. Die Periodizität der Modulationsbereiche ist in verschiedenen radialen Abständen unterschiedlich und weist in Umfangsrichtung ebenfalls eine wechselnde Periodizität auf. Eine mit einem derartigen Strahlungsmodulator ausgestattete Vorrichtung zur Spektralanalyse zeichnet sich durch eine verhältnismäßig einfache Codierung, Datenaufnahme und Demodulation aus.A radiation modulator of the type mentioned above and a device for spectral analysis with such a radiation modulator are made EP 1 090 276 B1 known. The prior art radiation modulator is formed with a two-dimensional modulation structure having a sequence of modulation regions of different transmission / reflection characteristics at different radial distances from a center point in the circumferential direction about the center. The modulation regions are formed by areas of high or low transmission arranged concentrically around the center. The periodicity of the modulation regions is different at different radial distances and also has a varying periodicity in the circumferential direction. A device for spectral analysis equipped with such a radiation modulator is characterized by a relatively simple coding, data acquisition and demodulation.
Aus US-A-4,575,243 sind ein Strahlungsmodulator sowie eine zugehörige Vorrichtung zur Spektralanalyse bekannt, gemäß der der Strahlungsmodulator mit einem sich spiralförmig um einen Mittelpunkt von radial innen nach radial außen erstreckenden Schlitz ausgebildet ist. Bei Drehen des Strahlungsmodulators treten bei einer Vorrichtung zur Spektralanalyse spektral zerlegte Anteile breitbandiger Strahlung jeweils in einem bestimmten Spektralbereich durch den Schlitz, so dass eine verhältnismäßig wenig aufwendige Spektralanalyse durchführbar ist.Out US-A-4,575,243 are known a radiation modulator and an associated apparatus for spectral analysis, according to which the radiation modulator is formed with a spiral around a center from radially inward to radially outwardly extending slot. When the radiation modulator is rotated, in a spectral analysis apparatus spectrally dispersed components of broadband radiation pass through the slot in a specific spectral range, so that a relatively inexpensive spectral analysis can be carried out.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsmodulator anzugeben, mit dem mit einem verhältnismäßig geringen apparativen Aufwand eine effiziente, kostengünstige und hochaufgelöste Spektralanalyse durchführbar ist.The invention has for its object to provide a radiation modulator, with an efficient, inexpensive and high-resolution spectral analysis is feasible with a relatively low cost of equipment.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Spektralanalyse anzugeben, mit der mit einem verhältnismäßig geringem Aufwand eine effiziente, kostengünstige und hochaufgelöste Spektralanalyse durchführbar ist.The invention is further based on the object to provide a device for spectral analysis, with an efficient, inexpensive and high-resolution spectral analysis is feasible with a relatively low cost.
Die den Strahlungsmodulator betreffende erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einem Strahlungsmodulator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst.The object of the invention relating to the radiation modulator is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1 in a radiation modulator of the type mentioned in the introduction.
Die die Vorrichtung zur Spektralanalyse betreffende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Spektralanalyse gemäß Schutzanspruch 9 gelöst.The object concerning the device for spectral analysis is achieved according to the invention with a device for spectral analysis according to protection claim 9.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Strahlungsmodulator die Modulationsbereiche in Gestalt von durchgehenden Bahnen angeordnet sind, die sich unter Änderung der Anzahl in Umfangsrichtung von radial außen nach radial innen erstrecken, ergibt sich neben einem hohen nutzbaren Strahlungsdurchsatz eine von radial außen nach radial innen ändernde Periodizität der Modulationsbereiche, was somit einer der vom Abstand von dem Mittelpunkt abhängigen unterschiedlichen Anzahl von Modulationsbereichen in Umfangsrichtung entsprechende Anzahl von Modulationsfrequenzen mit entsprechenden Detektionskanälen entspricht. Dadurch ist mit einem verhältnismäßig einfachen körperlichen Aufbau eine umfangreiche Datenbasis zur Spektralanalyse geschaffen. Die Position eines Maximums eines Detektionskanales lässt sich durch sogenanntes ”Zero-Filling”, das heißt einem Fortsetzen der Datenbasis beidseitig eines Detektionskanales mit Nullwerten in einer in der Spektralanalyse einem quasi-unendlichen Fortsetzen des Spektrums entsprechenden Anzahl, auch unterhalb der durch die Breite des Maximums gegebenen Auflösungsgrenze lokalisieren.Due to the fact that, in the radiation modulator according to the invention, the modulation regions are arranged in the form of continuous webs which extend from radially outward to radially inward with a change in the number in the circumferential direction, in addition to a high usable radiation throughput, the periodicity changes from radially outward to radially inward Modulation areas, which thus corresponds to one of the dependent on the distance from the center different number of modulation areas in the circumferential direction corresponding number of modulation frequencies with corresponding detection channels. As a result, a comprehensive database for spectral analysis is created with a relatively simple physical structure. The position of a maximum of a detection channel can be defined by so-called "zero-filling", ie a continuation of the database on both sides of a detection channel with zero values in a number corresponding to a quasi-infinite continuation of the spectrum in the spectral analysis, also below that by the width of the maximum locate the given resolution limit.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Strahlungsmodulatoren beziehungsweise Vorrichtungen zur Spektralanalyse sind Gegenstand der Unteransprüche.Further expedient embodiments of radiation modulators according to the invention or devices for spectral analysis are the subject matter of the subclaims.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung.Further expedient refinements and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the figures of the drawing.
Es zeigen:Show it:
1 in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem Ausführungsbeispiel eines Strahlungsmodulators, 1 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a device for spectral analysis with an embodiment of a radiation modulator,
2 in einer Draufsicht einen Strahlungsmodulator in einer ersten Ausgestaltung, 2 in a plan view a radiation modulator in a first embodiment,
3 in einer Draufsicht einen Strahlungsmodulator in einer zweiten Ausgestaltung, 3 in a plan view a radiation modulator in a second embodiment,
4 in einer schematischen Darstellung einen Teilbereich eines einen Strahlungsmodulator beaufschlagenden Strahlengangs, 4 FIG. 2 shows a schematic representation of a partial region of a beam path acting on a radiation modulator, FIG.
5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem Strahlungsmodulator, 5 A second embodiment of a device for spectral analysis with a radiation modulator,
6 in einer schematischen Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem Strahlungsmodulator, 6 3 is a schematic representation of a third exemplary embodiment of a device for spectral analysis with a radiation modulator;
7 in einer schematischen Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem Strahlungsmodulator, 7 1 is a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of a device for spectral analysis with a radiation modulator;
8 in einer schematischen Darstellung ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem Strahlungsmodulator und 8th in a schematic representation of a fifth embodiment of a device for spectral analysis with a radiation modulator and
9 in einer schematischen Darstellung eine Ausgestaltung eines Datenverarbeitungsbereichs bei einer Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem Strahlungsmodulator. 9 in a schematic representation of an embodiment of a data processing area in a device for spectral analysis with a radiation modulator.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spektralanalyse, die über eine breitbandige, beispielsweise thermisch arbeitende Strahlungsquelle 1 verfügt, mit der breitbandige, zunächst noch unmodulierte Ausgangsstrahlung 2 erzeugbar ist. Weiterhin ist die Vorrichtung gemäß 1 mit einer hier schematisch durch eine erste Linse 3 und eine zweite Linse 4 dargestellte Kollimationsoptik 5 ausgestattet, die von der Ausgangsstrahlung 2 beaufschlagbar ist und diese auf ein dispersiv wirkendes erstes Gitter 6 wirft. Mit dem ersten Gitter 6 ist die breitbandige Ausgangsstrahlung 2, wie durch einen ersten Randstrahl 7 und einen zweiten Randstrahl 8 dargestellt, räumlich in die Spektralanteile zerlegbar. In Ausbreitungsrichtung der Ausgangsstrahlung 2 ist dem ersten Gitter 6 ein ebenfalls dispersiv wirkendes zweites Gitter 9 nachgeordnet, mit dem die spektral zerlegte Ausgangsstrahlung 2 in ein paralleles, strichartig zwischen den Randstrahlen 7, 8 ausgerichtetes Strahlenbündel umwandelbar ist. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a device for spectral analysis, via a broadband, for example, thermally operating radiation source 1 has, with the broadband, initially unmodulated output radiation 2 can be generated. Furthermore, the device is according to 1 with a schematic here through a first lens 3 and a second lens 4 illustrated collimation optics 5 equipped by the output radiation 2 can be acted upon and this on a dispersively acting first grid 6 throws. With the first grid 6 is the broadband output radiation 2 as by a first edge beam 7 and a second edge beam 8th represented, spatially separable into the spectral components. In the propagation direction of the output radiation 2 is the first grid 6 an equally dispersive second grating 9 downstream, with which the spectrally decomposed output radiation 2 in a parallel, line between the marginal rays 7 . 8th aligned beam is convertible.
In Ausbreitungsrichtung der Ausgangsstrahlung 2 ist dem zweiten Gitter 9 als Strahlungsmodulator ein flaches, scheibenartiges Modulationsrad 10 nachgeordnet, das in einem Mittelpunkt mit einer Drehachse 11 verbunden ist, die rechtwinklig zu der Ebene des Modulationsrades 10 ausgerichtet und kinematisch mit einem Drehantrieb 12 verbunden ist, mit dem die Drehachse 11 und somit das Modulationsrad 10 zu einer Drehbewegung mit einer vorbestimmten Drehfrequenz antreibbar ist.In the propagation direction of the output radiation 2 is the second grid 9 as a radiation modulator a flat, disk-like modulation wheel 10 downstream, that in a center with a rotation axis 11 is perpendicular to the plane of the Modulationsrades 10 aligned and kinematically with a rotary drive 12 is connected to the axis of rotation 11 and thus the modulation wheel 10 can be driven to a rotational movement with a predetermined rotational frequency.
Auf der dem zweiten Gitter 9 abgewandten Seite des Modulationsrades 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Rückreflektionsspiegel 13 angeordnet, mit dem die durch das Modulationsrad 10 durchgetretenen und somit frequenzmodulierten Anteile der Ausgangsstrahlung 2 als modulierte Messstrahlung 14 durch das Modulationsrad 10 hindurch über das zweite Gitter 9 und das erste Gitter 6 in die Kollimationsoptik 5 rückwerfbar ist. Dabei ist der Rückreflektionsspiegel 13 so verkippt ausgerichtet, dass nach Beaufschlagen des ersten Gitters 6 die Messstrahlung 14 räumlich von der Ausgangsstrahlung 2 getrennt ist.On the second grid 9 opposite side of the modulation wheel 10 in this embodiment is a back reflection mirror 13 arranged, with which by the Modulationsrad 10 penetrated and thus frequency-modulated components of the output radiation 2 as modulated measuring radiation 14 through the modulation wheel 10 through the second grid 9 and the first grid 6 in the collimation optics 5 is recoverable. Here is the back reflection mirror 13 tilted so that after applying the first grid 6 the measuring radiation 14 spatially from the output radiation 2 is disconnected.
In Ausbreitungsrichtung der Messstrahlung 14 ist nach dem ersten Gitter 6 im Bereich der Kollimationsoptik 5 ein Auskoppelspiegel 15 angeordnet, mit dem die von der Ausgangsstrahlung 2 räumlich separierte Messstrahlung 14 in eine als Absorptionszelle wirkende Messzelle 16 lenkbar ist, in der eine spektral zu analysierende Substanz vorhanden ist. Auf der dem Auskoppelspiegel 15 abgewandten Seite der Messzelle 16 ist eine Fokussieroptik 17 angeordnet, mit der die durch die Messzelle 16 durchgetretene Messstrahlung 14 auf einen Strahlungsdetektor 18 als Detektoreinheit zum integralen Messen der Intensität der durch die Messzelle 16 durchgetretenen Messstrahlung 14 fokussierbar ist. Der Strahlungsdetektor 18 ist an eine Auswerteeinheit 19 angeschlossen, mit der das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 18 erfassbar und damit die spektrale Intensität der durch die Messzelle 16 durchgetretenen Messstrahlung 14 bestimmbar ist.In the propagation direction of the measuring radiation 14 is after the first grid 6 in the field of collimation optics 5 a Auskoppelspiegel 15 arranged with that of the output radiation 2 spatially separated measuring radiation 14 in a measuring cell acting as an absorption cell 16 is steerable, in which a spectrally analyzed substance is present. On the Auskoppelspiegel 15 remote side of the measuring cell 16 is a focusing optics 17 arranged, with which through the measuring cell 16 transmitted measuring radiation 14 on a radiation detector 18 as a detector unit for integrally measuring the intensity of the through the measuring cell 16 penetrated measuring radiation 14 is focusable. The radiation detector 18 is to an evaluation unit 19 connected to the output of the radiation detector 18 detectable and thus the spectral intensity of the through the measuring cell 16 penetrated measuring radiation 14 is determinable.
2 zeigt in einer Draufsicht eine Ausführung eines Modulationsrades 10, das insbesondere zur Verwendung mit einer Vorrichtung gemäß 1 vorgesehen ist. Das Modulationsrad 10 gemäß 2 weist einen konzentrisch um einen einen Mittelpunkt aufweisenden kreisförmigen Mittenbereich liegenden Außenrand 21 auf, von dem aus sich nach radial innen ein Randring 22 als Außenrandbereich mit einer im Wesentlichen vollständigen Absorption erstreckt. Über einen verhältnismäßig kleinen Umfangsabschnitt ist in dem Randring 22 ein Referenzpositionsmarkierungsbereich 23 mit einer im Wesentlichen vollständigen Durchlässigkeit für Strahlung eingebracht. 2 shows an embodiment of a modulation wheel in a plan view 10 in particular for use with a device according to 1 is provided. The modulation wheel 10 according to 2 has an outer edge concentric about a central region having a central center region 21 on, from which a radially inward edge ring 22 extends as an outer edge region with a substantially complete absorption. Over a relatively small peripheral portion is in the edge ring 22 a reference position marking area 23 introduced with a substantially complete transmission of radiation.
Um den Mittenbereich 20 herum ist das Modulationsrad 10 mit einem ebenfalls eine im Wesentlichen vollständige Absorption aufweisenden Innenring 24 als Innenrandbereich ausgebildet, in den eine Anzahl von Befestigungsöffnungen 25 zum Befestigen des Modulationsrades 10 beispielsweise an einer Drehachse 11 eingebracht sind. Die Befestigungsöffnungen 25 weisen dabei einen Abstand von dem dem Randring 22 zugewandten Randbereich des Innenringes 24 auf.Around the middle area 20 around is the modulation wheel 10 with also an essentially complete absorption having inner ring 24 formed as an inner edge region in which a number of mounting holes 25 for fixing the modulation wheel 10 for example, on a rotation axis 11 are introduced. The mounting holes 25 have a distance from the edge ring 22 facing edge region of the inner ring 24 on.
Zwischen den einander zugewandten Randbereichen des Randringes 22 und des Innenringes 24 erstrecken sich von radial außen nach radial innen entlang durchgehender Bahnen eine Vielzahl von Modulationsbereichen 26, 27, wobei bei der Ausgestaltung gemäß 2 beidseitig des Referenzpositionsmarkierungsbereiches 23, wo sich die Modulationsbereiche 26, 27 zwischen den aufeinander zugewandten Randbereichen des Randringes 22 und des Innenringes 24 in radialer Richtung gerade erstrecken, mit zunehmendem Abstand von dem Referenzpositionsmarkierungsbereich 23 eine bezüglich der Radialrichtung schräge Ausrichtung mit einer in Richtung des Innenringes 24 zunehmenden Krümmung aufweisen.Between the mutually facing edge regions of the edge ring 22 and the inner ring 24 extend from radially outward to radially inward along continuous tracks a plurality of modulation areas 26 . 27 , wherein in the embodiment according to 2 on both sides of the reference position marking area 23 where the modulation areas 26 . 27 between the mutually facing edge regions of the edge ring 22 and the inner ring 24 extend radially in the radial direction, with increasing distance from the reference position marking area 23 one with respect to the radial direction oblique orientation with one in the direction of the inner ring 24 have increasing curvature.
Weiterhin lässt sich 2 entnehmen, dass bei dieser Ausgestaltung in einem dem Referenzpositionsmarkierungsbereich 23 gegenüber liegenden Umfangsabschnitt die Modulationsbereiche 26, 27, die sich von dem Randring 22 in Richtung des Innenringes 24 erstrecken, in einem radialen Abstand von dem Innenring 24 im Bereich einer in radialer Richtung ausgerichteten geraden Abbruchlinie 28 enden, so dass ausgehend von dem Innenring 24 mit einer minimalen Anzahl von dort endenden Modulationsbereichen 26, 27 in einer Richtung radial nach außen in Richtung des Randringes 22 in Umfangsrichtung eine zunehmende Anzahl von Modulationsbereichen 26, 27 mit einer sich ändernden Periodizität vorhanden sind, wobei entlang der Abbruchlinie 28 in den Periodizitäten in Umfangsrichtung ein Phasensprung auftritt.Furthermore, it is possible 2 see that in this embodiment in a reference position marking area 23 opposite circumferential portion of the modulation areas 26 . 27 extending from the edge ring 22 in the direction of the inner ring 24 extend, at a radial distance from the inner ring 24 in the region of a straight line aligned in the radial direction 28 ending so that starting from the inner ring 24 with a minimum number of modulation areas ending there 26 . 27 in a direction radially outward in the direction of the edge ring 22 in the circumferential direction an increasing number of modulation areas 26 . 27 are present with a changing periodicity, being along the demolition line 28 in the periodicities in the circumferential direction, a phase jump occurs.
Die Modulationsbereich 26, 27 sind durch eine erste Gruppe von Modulationsbereichen 27 mit einer im Wesentlichen vollständigen Transmission als einer Transmissions/Rückwerfeigenschaft und durch eine zweite Gruppe von Modulationsbereichen 26 mit einer im Wesentlichen vollständigen Absorption als weiterer Transmissions/Rückwerfeigenschaft gebildet. Die Flächenanteile der ersten Gruppe und der zweiten Gruppen von Modulationsbereichen 26, 27 sind bei dieser Ausgestaltung gleich.The modulation range 26 . 27 are through a first group of modulation areas 27 having a substantially complete transmission as a transmission / rejection property and a second group of modulation regions 26 formed with a substantially complete absorption as another transmission / rejection property. The area proportions of the first group and the second groups of modulation areas 26 . 27 are the same in this embodiment.
Mit einer derartigen, durch die Modulationsbereiche 26, 27 gebildeten Modulationsstruktur ist bei Drehen des Modulationsrades 10 einem in radialer Richtung spektral zerlegter Ausgangsstrahlung 2 ein sich in radialer Richtung in der Modulationsfrequenz sprunghaft veränderliches Modulationsmuster aufprägbar.With such, through the modulation areas 26 . 27 formed modulation structure is when turning the Modulationsrades 10 a spectrally decomposed in the radial direction output radiation 2 a modulation pattern which changes in the radial direction in the modulation frequency can be impressed.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Modulationsrades 10, bei dem abweichend von der Ausgestaltung gemäß 2 die Modulationsbereiche 26, 27 in einem wesentlich geringeren umfänglichen Abstand von dem Referenzpositionsmarkierungsbereich 23 ausgehend von dem Randring 22 in Richtung des Innenringes 24 gekrümmt verlaufen und wesentlich mehr Modulationsbereiche 26, 27 entlang der Abbruchlinie 28 enden, ohne in den Innenring 24 zu münden. Die in 3 dargestellte Modulationsstruktur zeichnet sich in Ergänzung zu den Eigenschaften der in 2 erläuterten Modulationsstruktur dadurch aus, dass eine lineare Abhängigkeit der Modulationsfrequenz von dem radialen Abstand von dem Mittelpunkt gegeben ist. 3 shows a further embodiment of a modulation wheel 10 in which deviating from the embodiment according to 2 the modulation areas 26 . 27 at a much smaller circumferential distance from the reference position marking area 23 starting from the edge ring 22 in the direction of the inner ring 24 curved and much more modulation areas 26 . 27 along the demolition line 28 end without missing the inner ring 24 to flow into. In the 3 shown modulation structure is in addition to the properties of in 2 explained modulation structure characterized in that a linear dependence of the modulation frequency is given by the radial distance from the center.
In einer Ausführung sind die Modulationsbereiche 27 mit im Wesentlichen vollständiger Absorption durch geschwärzte Bereiche eines Trägermateriales des Modulationsrades 10 gebildet, während die eine im Wesentlichen vollständige Transmission aufweisenden Modulationsbereiche 27 entweder durch transparente und unbehandelte Bereiche des Trägermateriales oder durch Ausnehmungen in dem Trägermaterial gebildet sind.In one embodiment, the modulation areas are 27 with substantially complete absorption by blackened areas of a carrier material of the modulation wheel 10 formed during the substantially complete transmission having modulation areas 27 are formed either by transparent and untreated areas of the carrier material or by recesses in the carrier material.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung die geometrischen Verhältnisse beim Beaufschlagen eines Modulationsrades 10 mit Ausgangsstrahlung 2 über beispielsweise das zweite Gitter 9, das eine Gitterkonstante d aufweist. In 4 steht eine Normale 29 rechtwinklig sowie mittig auf dem Gitter 9 und auf dem Modulationsrad 10. Der Abstand zwischen dem Gitter 9 und dem Modulationsrad 10 in Richtung der Normalen 29 hat den Wert I. Die Ausgangsstrahlung 2 fällt in Bezug auf die Normale 29 unter dem Einfallswinkel 30 mit dem Wert α0 ein. Ein minimal gebeugter Ausgangsstrahl 31 fällt unter einem minimalen Ausfallswinkel 32 zu der Normalen 29 mit dem Wert βmin auf das Modulationsrad 10 und beaufschlagt dieses unter einem Minimalradius 33 in einem Abstand rmin von der Drehachse 11. Ein maximal gebeugter Ausgangsstrahl 34 wiederum fällt unter einem maximalen Ausfallswinkel 35 mit dem Wert βmax zu der Normalen 29 in Richtung des Modulationsrades 10 und beaufschlagt dieses bei einem Maximalradius 36 in einem maximalen Abstandswert rmax von der Drehachse 11. Die zwischen rmin und rmax liegenden Abstandswerte werden mit r bezeichnet. Zwischen der Drehachse 11 und dem Auftreffpunkt 37 der Normalen 29 bei mittiger Ausrichtung zu dem Gitter 9 ist ein Achsversatz mit dem Wert r0 vorhanden. 4 shows a schematic representation of the geometric conditions when applying a modulation wheel 10 with output radiation 2 over, for example, the second grid 9 having a lattice constant d. In 4 is a normal 29 right-angled and centered on the grid 9 and on the modulation wheel 10 , The distance between the grid 9 and the modulation wheel 10 in the direction of the normal 29 has the value I. The output radiation 2 falls in relation to the normal 29 at the angle of incidence 30 With the value α 0 . A minimally diffracted output beam 31 falls below a minimum angle of reflection 32 to the normal 29 with the value β min on the modulation wheel 10 and acts on this under a minimum radius 33 at a distance r min from the axis of rotation 11 , A maximum diffracted output beam 34 in turn falls below a maximum angle of reflection 35 with the value β max to the normal 29 in the direction of the modulation wheel 10 and acts on this at a maximum radius 36 in a maximum distance value r max from the axis of rotation 11 , The distance values between r min and r max are denoted by r. Between the axis of rotation 11 and the point of impact 37 the normal 29 centered on the grid 9 there is an axis offset with the value r 0 .
Somit ergibt sich mit den Konstanten c1 und c2 für einen linearen Zusammenhang zwischen der gebeugten Wellenlänge und der Modulationsfrequenz der Ausdruck: Thus, with the constants c 1 and c 2 for a linear relationship between the diffracted wavelength and the modulation frequency, the expression:
Es versteht sich, dass die die Modulationsstruktur bildenden Modulationsbereiche 26, 27 auch so ausgestaltet sein können, dass ein nichtlinearer Frequenzgang in Abhängigkeit der Wellenlänge vorliegt. Beispielsweise können langwellige oder kurzwellige Randbereiche der Ausgangsstrahlung 2 bezüglich der Modulationsfrequenz höher oder niedriger aufgelöst werden, um im Bereich mit höherer Frequenzauflösung genauere Messungen vornehmen zu können.It is understood that the modulation areas forming the modulation structure 26 . 27 may also be configured so that a nonlinear frequency response is present as a function of the wavelength. For example, long-wave or short-wave edge regions of the output radiation 2 be resolved higher or lower with respect to the modulation frequency in order to be able to make more accurate measurements in the area with higher frequency resolution.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spektralanalyse mit einem Modulationsrad 10 als Strahlungsmodulator, wobei sich bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 5 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und im Weiteren zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Strahlungsquelle 1 halbseitig von einem Ellipsoidspiegel 38 umgeben, mit dem die Ausgangsstrahlung 2 einem Gitter 9 zuführbar ist. Mit dem Gitter 9 ist die Ausgangsstrahlung 2 entsprechend den anhand 4 erläuterten Strahlengängen auf das Modulationsrad 10 werfbar. 5 shows a schematic representation of a second embodiment of a device for spectral analysis with a Modulationsrad 10 as a radiation modulator, wherein in the embodiments according to 1 and 5 Corresponding elements provided with the same reference numerals and are not further explained in more detail below. In the embodiment according to 5 is the radiation source 1 halfway from an ellipsoidal mirror 38 surrounded, with which the output radiation 2 a grid 9 can be fed. With the grid 9 is the output radiation 2 according to the 4 explained beam paths on the modulation wheel 10 possibility of throwing.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind eine Referenzpositionsstrahlungsquelle 39 und ein Referenzpositionsstrahlungsdetektor 40 vorhanden, zwischen denen der Randring 22 mit dem Referenzpositionsmarkierungsbereich 23 durchläuft, so dass mit dem Referenzstrahlungsdetektor 40 ein mit der Drehfrequenz des Modulationsrades 10 getaktetes Ausgangssignal erzeugbar ist. Das Ausgangssignal des Referenzstrahlungsdetektors 40 ist der Auswerteeinheit 19 einspeisbar.In the embodiment according to 5 are a reference position radiation source 39 and a reference position radiation detector 40 present, between which the edge ring 22 with the reference position marking area 23 goes through, so with the reference radiation detector 40 one with the rotational frequency of the modulation wheel 10 clocked output signal can be generated. The output signal of the reference radiation detector 40 is the evaluation unit 19 fed.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 verfügt die Vorrichtung auf der dem Gitter 9 abgewandten Seite des Modulationsrades 10 über eine Zylinderlinse 41 und über eine Fokussierlinse 42, mit denen die durch das Modulationsrad 10 in den verschiedenen Spektralbereichen unterschiedlich frequenzmodulierte Messstrahlung 14 in eine Messzelle 16 mit einem spektroskopisch zu untersuchenden Analyten einkoppelbar ist. In der Messzelle 16 ist ein Druckfluktuationsdetektor 43 als Detektionseinheit beispielsweise in der Gestalt eines Mikrofons angeordnet, mit dem die durch die anfallende Messstrahlung 14 generierten Druckfluktuationen in der Messzelle 16 detektierbar und der Auswerteeinheit 19 einspeisbar sind.In the embodiment according to 5 the device has on the grid 9 opposite side of the modulation wheel 10 via a cylindrical lens 41 and a focusing lens 42 with which through the modulation wheel 10 different frequency-modulated measuring radiation in the different spectral ranges 14 into a measuring cell 16 can be coupled with an analyte to be examined spectroscopically. In the measuring cell 16 is a pressure fluctuation detector 43 arranged as a detection unit, for example in the form of a microphone, with which by the resulting measuring radiation 14 generated pressure fluctuations in the measuring cell 16 detectable and the evaluation unit 19 can be fed.
In einem Messwertspeicher 44 der Auswerteeinheit 19 sind der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals 45 des Druckfluktuationsdetektors 43 als Ausgangssignalverlauf 45 und das Ausgangssignal des Referenzstrahlungsdetektors 40 als Ausgangssignalverlauf dargestellt. Der Ausgangssignalverlauf 45 des Druckfluktuationsdetektors 43 entspricht einem verhältnismäßig stark mit der Periode des Ausgangssignalverlaufs 46 des Referenzstrahlungsdetektors 40 periodisch fluktuierenden Signal, welches unter Eliminieren der durch die Abbruchlinie 28 induzierten, phasenstarr an das Ausgangssignal 46 des Referenzstrahlungsdetektors 40 gekoppelten Phasensprünge fouriertransformierbar und in einem Ergebnisspeicher 47 als in einem Graphen anschaulich dargestelltes, hoch aufgelöstes Fourierspektrum 48 der Auswerteeinheit 19 abspeicherbar ist.In a measured value memory 44 the evaluation unit 19 are the timing of the output signal 45 the pressure fluctuation detector 43 as output signal curve 45 and the output of the reference radiation detector 40 represented as output signal waveform. The output signal course 45 the pressure fluctuation detector 43 corresponds to a relatively strong with the period of the output signal waveform 46 the reference radiation detector 40 periodically fluctuating signal, which eliminates the through the demolition line 28 induced, phase locked to the output signal 46 the reference radiation detector 40 coupled phase jumps Fourier transformable and in a result memory 47 as graphically represented in a graph, high-resolution Fourier spectrum 48 the evaluation unit 19 is storable.
Durch die auf der Grundlage der durch das Modulationsrad 10 über die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung 2 aufgeprägten Modulationsfrequenzen lässt sich aus dem Fourierspektrum 48 ein hoch aufgelöstes wellenlängenabhängiges Absorptionsspektrum des in der Messzelle 16 vorhandenen Analyten berechnen.By on the basis of the through the modulation wheel 10 over the wavelength of the output radiation 2 impressed modulation frequencies can be from the Fourier spectrum 48 a high-resolution wavelength-dependent absorption spectrum of the in the measuring cell 16 calculate existing analytes.
Ist hingegen der Beitrag einer bestimmten Komponente in dem in der Messzelle 16 vorhandenen Analyten mit einem bekannten Absorptionsspektrum gesucht, lässt sich eine derartige Konzentrationsmessung mit hoher Genauigkeit direkt auch ohne Fouriertransformation durchführen, was für zeitkritische Messaufgaben von besonderem Vorteil ist.On the other hand, is the contribution of a particular component in the in the measuring cell 16 If existing analytes with a known absorption spectrum were sought, such a concentration measurement can be included high accuracy directly perform without Fourier transform, which is for time-critical measurement tasks of particular advantage.
6 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei sich bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 5 und 6 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und im Weiteren zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Der grundsätzliche Aufbau zum Erzeugen und Zuführen von Messstrahlung 14 entspricht dem des Ausführungsbeispieles gemäß 1. In Abwandlung von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 verfügt das Ausführungsbeispiel gemäß 6 als dispersive Elemente über ein erstes Prisma 49 und über ein zweites Prisma 50, die zwischen der Strahlungsquelle 1 und dem Modulationsrad 10 angeordnet sind. Abweichend von den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 5 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ein Referenzarmauskoppelspiegel 51 vorhanden, mit dem Messstrahlung 14 wechselwirkungsfrei mit zu untersuchenden Medien in einem Referenzarm 52 über einen Umlenkspiegel 53 einem Referenzstrahlungsdetektor 54 zuführbar ist. 6 shows a schematic representation of another embodiment of a device according to the invention, wherein in the embodiments according to 1 . 5 and 6 Corresponding elements provided with the same reference numerals and are not further explained in more detail below. The basic structure for generating and supplying measuring radiation 14 corresponds to that of the embodiment according to 1 , In a modification of the embodiment according to 1 has the embodiment according to 6 as dispersive elements over a first prism 49 and a second prism 50 that is between the radiation source 1 and the modulation wheel 10 are arranged. Notwithstanding the embodiments according to 1 and 5 is in the embodiment according to 6 a Referenzarmauskoppelspiegel 51 available, with the measuring radiation 14 interaction-free with media to be examined in a reference arm 52 via a deflection mirror 53 a reference radiation detector 54 can be fed.
Die über den Referenzarmauskoppelspiegel 51 in einen Messarm 55 eingekoppelte Messstrahlung 14 beaufschlagt zum einen eine als Absorptionszelle, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 vorhanden ist, eingerichtete Messzelle 16 und über einen Messarmteilerspiegel 56 sowie über einen weiteren Umlenkspiegel 57 eine als photoakustische Messzelle ausgebildete weitere Messzelle 16, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 vorhanden ist.The over the Referenzarmauskoppelspiegel 51 in a measuring arm 55 coupled measuring radiation 14 acts on the one hand as an absorption cell, as in the embodiment according to 1 is present, equipped measuring cell 16 and via a measuring arm divider 56 as well as another deflecting mirror 57 a further measuring cell designed as a photoacoustic measuring cell 16 , as in the embodiment according to 5 is available.
Das Ausgangssignal des Referenzstrahldetektors 54 ist einem Referenzwertspeicher 58 der Auswerteeinheit 19 einspeisbar und als Ausgangssignalverlauf 59 abspeicherbar. Entsprechend ist das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 18 einem weiteren Messwertspeicher 60 der Auswerteeinheit 19 einspeisbar und als weiterer Ausgangssignalverlauf 61 abspeicherbar. In dem Referenzwertspeicher 58 und in dem weiteren Messwertspeicher 60 sind ebenfalls der Ausgangssignalverlauf 46 des Referenzstrahlungsdetektors 40 einspeisbar, um die im Zusammenhang mit 5 erläuterten Operationen durchzuführen. Zusätzlich zu dem anhand 5 erläuterten Ausführungsbeispiel ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 durch den Ausgangssignalverlauf 59 des Referenzstrahlungsdetektors 54 eine Kalibrierung der Ausgangssignalverläufe 45, 61 des Strahlungsdetektors 18 beziehungsweise des Druckfluktuationsdetektors 43 geschaffen.The output signal of the reference beam detector 54 is a reference value memory 58 the evaluation unit 19 einspeisbar and as output signal curve 59 stored. Accordingly, the output signal of the radiation detector 18 another measured value memory 60 the evaluation unit 19 einspeisbar and as another output signal course 61 stored. In the reference value memory 58 and in the further measured value memory 60 are also the output signal curve 46 the reference radiation detector 40 feedable to the related 5 perform explained operations. In addition to that 5 explained embodiment is in the embodiment according to 6 through the output signal course 59 the reference radiation detector 54 a calibration of the output waveforms 45 . 61 of the radiation detector 18 or the pressure fluctuation detector 43 created.
7 zeigt in einer schematischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spektralanalyse, wobei sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und im Weiteren zum Teil nicht näher erläutert sind. Der optische Aufbau des Ausführungsbeispieles gemäß 7 entspricht im Wesentlichen dem des Ausführungsbeispieles gemäß 6, wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 auf einem Wafer 62 ausgebildete Konzentratorsolarzellen 63 mit der modulierten Messstrahlung 14 beaufschlagbar sind, um mit in unmittelbarer Nähe einer Konzentratorsolarzelle 63 über Elektroden 64, 65 als Detektoreinheit abgegriffene, einen Messwertspeicher 66 der Auswerteeinheit 19 eingespeisten elektrischen Signale als Ausgangssignalverlauf 67 insbesondere auch während der Herstellung in Produktionsvorstufen die spektrale Sensitivität zu entnehmen. 7 shows a schematic view of another embodiment of a device for spectral analysis, wherein in the embodiment according to 6 and in the embodiment according to 7 Corresponding elements provided with the same reference numerals and will be explained in more detail below in part. The optical structure of the embodiment according to 7 essentially corresponds to that of the embodiment according to 6 , wherein in the embodiment according to 7 on a wafer 62 trained concentrator solar cells 63 with the modulated measuring radiation 14 can be acted upon, in the immediate vicinity of a concentrator solar cell 63 over electrodes 64 . 65 tapped as a detector unit, a measured value memory 66 the evaluation unit 19 fed electrical signals as output signal curve 67 especially during manufacture in production precursors to extract the spectral sensitivity.
8 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Spektralanalyse, das im Bereich des Erzeugens der modulierten Messstrahlung 14 entsprechend den Ausführungsbeispielen gemäß 6 und 7 und im Detektionsbereich grundsätzlich entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 aufgebaut ist, so dass sich bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 6, 7 und 8 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und im Weiteren zum Teil nicht näher erläutert sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 durchläuft die Messstrahlung 14 über eine sehr lange Wegstrecke einen ausgedehnten Analyten 68 wie beispielsweise Luft in der freien Atmosphäre und beaufschlagt einen Strahlungsdetektor 18, der in ein frei bewegliches, steuerbares Objekt 69 wie beispielsweise einen Hubschrauber integriert ist. Der Strahlungsdetektor 18 ist an einen Messwertwandler 70 angeschlossen, der mit einer Sendeantenne 71 in Verbindung steht, über die das gewandelte Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 18 an eine Empfangsantenne 72 der Auswerteeinheit 19 drahtlos beispielsweise durch eine Funkverbindung übermittelbar ist. Dadurch ist der Analyt 68 über eine verhältnismäßig lange Wegstrecke integriert oder auch insbesondere auch an ansonsten nur schwer zugänglichen Stellen lokal untersuchbar. 8th shows in a schematic representation of another embodiment of a device for spectral analysis, in the region of generating the modulated measuring radiation 14 according to the embodiments according to 6 and 7 and in the detection area basically according to the embodiment according to 1 is constructed so that in the embodiments according to 1 . 6 . 7 and 8th Corresponding elements provided with the same reference numerals and will be explained in more detail below in part. In the embodiment according to 8th goes through the measuring radiation 14 over a very long distance an extensive analyte 68 such as air in the free atmosphere and exposes a radiation detector 18 which is a freely movable, controllable object 69 such as a helicopter is integrated. The radiation detector 18 is to a transducer 70 connected to a transmitting antenna 71 communicates via which the converted output signal of the radiation detector 18 to a receiving antenna 72 the evaluation unit 19 wirelessly, for example, by a radio link can be transmitted. This is the analyte 68 integrated over a relatively long distance or even in particular in otherwise hard to reach places locally examined.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 erfolgt in einer Ausgestaltung die Auswertung direkt in dem Messwertwandler 70, wobei hier ein Referenzsignal entweder durch Autokorrelation aus der Zeitreihe rekonstruierbar oder über die drahtlose Verbindung von der Auswerteeinheit 19 bereitstellbar ist. Falls die Auswertung in der Auswerteeinheit 19 stattfindet, ist das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors entweder mit einem Zeitstempel versehen oder direkt über die drahtlose Verbindung zu der Auswerteeinheit 19 übertragbar.In the embodiment according to 8th In one embodiment, the evaluation takes place directly in the measured value converter 70 , in which case a reference signal can be reconstructed either by autocorrelation from the time series or via the wireless connection from the evaluation unit 19 is available. if the Evaluation in the evaluation unit 19 takes place, the output signal of the radiation detector is either provided with a time stamp or directly via the wireless connection to the evaluation unit 19 transferable.
9 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Auswerteeinheit 19, die grundsätzlich wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß 5 und 8 aufgebaut ist, wobei bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 jedoch anstelle eines einzelligen Strahlungsdetektors 18 ein zweidimensionaler Strahlungsdetektor 73 vorhanden ist, mit dem mit einer verhältnismäßig kurzen Verschlusszeit, mit der die maximale Modulationsfrequenz, das heißt die maximale Drehfrequenz, des Modulationsrades 10 noch auflösbar und die entsprechenden Bilder in einer Anzahl von Bildstapeln 74 bis 78 zyklisch abspeicherbar und zur Auswertung jeder einzelnen Zelle 79 zum Gewinnen eines Ausgangssignalverlaufs 45 in dem durch die betreffende Zelle 79 erfassten Bildbereiches einen Messwertspeicher 44 der Auswerteeinheit 19 einspeisbar ist. Dadurch ist ein multispektrales Abbilden in der Fläche geschaffen. 9 shows a schematic view of an evaluation unit 19 , in principle, as in the embodiments according to 5 and 8th is constructed, wherein in the embodiment according to 9 but instead of a single-cell radiation detector 18 a two-dimensional radiation detector 73 is present, with the with a relatively short shutter speed, with the maximum modulation frequency, that is, the maximum rotational frequency of the modulation wheel 10 still resolvable and the corresponding images in a number of image stacks 74 to 78 cyclically storable and for evaluation of each cell 79 for obtaining an output signal waveform 45 in the cell concerned 79 captured image area a measured value memory 44 the evaluation unit 19 can be fed. This creates a multi-spectral imaging in the area.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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EP 1090276 B1 [0003] EP 1090276 B1 [0003]
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US 4575243 A [0004] US 4575243 A [0004]
