DE2814006A1

DE2814006A1 - Abtastinterferometer

Info

Publication number: DE2814006A1
Application number: DE19782814006
Authority: DE
Inventors: Walter Michael Dr Doyle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-25
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1978-11-09
Also published as: GB1588280A; US4190366A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft sin Abtastinterferometer, bei dem mittels des Vergleichs zweier Lichtkomponenten, die entlang eines ersten Weges mit fester Länge bzw. eines zweiten Weges mit variabler Länge laufen, ein Interferenzbild erzeugt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abtastinterferometer zur Verwendung bei der Infrarotspektrometrie und insbesondere bei der Infrarot-Fourier-Transformationsspektroskopie zu schaffen. Es soll ermöglicht werden, die Fourier-Transformationsannäherung für einen weiten Bereich praktischer Aufgaben einschließlich der Stapelüberwachung, der medizinischen Gasanalyse, der Flüssigkeits- und Gasprozeßsteuerung und der Analyse von Gaschromatographiefraktionen zu erlauben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Abtastinterferometer der eingangs beschriebenen Art, welches gekennzeichnet ist durch einen ersten stationären Reflektor zum Festlegen der Länge des ersten Weges, einen zweiten stationären Reflektor am Ende des zweiten Weges, ein einzelnes keilförmiges Prismenelement in dem zweiten Weg und eine Einrichtung zum Bewegen des Prismas quer zum zweiten Weg zum Erzeugen der Weglängenabtastung.

Das Michelson-Interferometer ist in seinen Einzelheiten in dem Buch "Chemical Infrared Fourier Transform Spectroscopy" von Griffith, herausgegeben von John Wiley & Sons, beschrieben. Im folgenden wird aus den Seiten 9 und 10 unter Bezugnahme auf eine dort gezeigte Figur zitiert:

"Das Michelson-Interferometer ist eine Vorrichtung, die einen Strahl in zwei Zweige aufteilt und dann diese so rekombiniert, daß die Intensitätsänderung des Ausgangsstrahls mit Hilfe eines Detektors gemessen werden kann als eine Funktion der Wegdifferenz. Die einfachste Form des Interferometers ist in Figur 1.1 gezeigt. Es besteht aus zwei zueinander senkrechten Planspiegeln, von denen einer entlang der gezeigten Achse bewegbar ist. Der bewegbare Spiegel wird entweder mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt oder in äquidistanten Punkten für eine feste kurze Zeit-

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Periode gehalten und in schnellen Schritten zwischen diesen Punkten bewegt. Zwischen dem festen Spiegel und dem beweglichen Spiegel ist ein Strahlenteiler vorgesehen, mit Hilfe dessen ein Strahl von einer äußeren Quelle teilweise zu dem festen Spiegel (bei Punkt F) reflektiert und teilweise zu dem beweglichen Spiegel (bei Punkt M) transmittiert werden kann. Nachdem jeder Strahl zu dem Strahlenteiler zurückreflektiert worden ist, werden sie wieder teilweise reflektiert und teilweise durchgelassen. Auf diese Weise erreicht ein Teil der Strahlen, die in dem Weg zu dem festen und dem bewegbaren Spiegel gelaufen sind, den Detektor, während Teile von jedem Strahl auch zu der Quelle zurücklaufen".

Haben die beiden Wege oder Zweige des Interferometers gleiche Längen und sind die Spiegel geeignet relativ zum Strahlenteiler orientiert, dann vereinigen sich die zu dem Detektor fortgepflanzten Strahlen zu einer überlagerung, und es wird am Detektor ein Maximalsignal erhalten. Das bei nichtgleichen Weglängen erhaltene Signal hängt in komplexer Weise von der Spektralnatur der Strahlung ab. Beispielsweise gibt monochromatische Strahlung, wie sie von einem Einwellen-Laser erhalten wird, eine Erhöhung zu einer Sinuswelle mit einer Amplitude in Abhängigkeit von der Position, worin die erforderliche Versetzung zum Durchlaufen eines Zyklus gleich einer halben Wellenlänge der Strahlung ist. Eine Strahlung, die zwar nicht monochromatisch ist aber doch auf ein spezifisches Wellenlängenband beschränkt ist, ergibt eine gedämpfte Sinuswelle, bei der der Mittenpeak gleichen Weglängen entspricht.

Das Bild, welches aufgezeichnet wird, wenn die Länge eines Interferometerzweiges abgetastet wird, ist die Fourier-Transformation des Wellenlängenspektrums. Wird ein Computer zum Durchführen der erforderlichen mathematischen Transformation verwendet, kann daher das Michelson-Interferometer die Basis

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eines hochentwickelten Spektrometers bilden. Ein solches Fourier-Spektrometer hat Vorteile gegenüber herkömmlichen Spektrometern bezüglich der Geschwindigkeit und der Empfind-1 i dike it.

Die meisten bisher bekannten Michelson-Interferometer werden durch die tatsächliche mechanische Versetzung eines der Spiegel abgetastet. Dieses Verfahren ist äußerst kostspielig und empfindlich, weil die Spiegelposition auf einen Bruchteil einer Wellenlänge der zu untersuchenden Strahlung (also in der Größenordnung von 2 Mikrometern bei den meisten Instrumenten) genau gesteuert werden muß.

Wegen dieser Abtastschwierigkeiten bei bekannten Interferometern ist die Benutzung derselben bei der Spektroskopie beschränkt. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Beschränkung zu beseitigen.

Es soll auf einigen Stand der Technik Bezug genommen werden, obwohl dieser nicht die Abtastbewegung in Interferometern sondern das durch den begrenzten Bildwinkel des Instrumentes betreffende Problem betrifft. In einem Artikel von Ring und Schofield, März 1972 in "Applied Optics" (Seite 507) ist eine Anzahl von Interferometerausführungen beschrieben, in denen sowohl ein sich bewegender Keil aus brechendem Material als auch ein sich bewegender Spiegel zum Abtasten verwendet werden. In all diesen Fällen dient das zum Verbessern des Bildwinkels des Instrumentes (d.h. zum Verbreitern des Blickwinkels). Da dieses Ziel sowoh] ein sich bewegendes brechendes Element als auch einen bewegenden Spiegel erfordert, werden keine Verbesserungen bezüglich Kosten oder Einsteil !Schwierigkeiten erreicht.

Ein einfaches Beispiel eines Interferometers mit verbreitertem Blickwinkel ist in dem Artikel von Ring und Schofield "Mertz's erstes System" beschrieben. Dieses System verwendet ein Paar Keile, die so angeordnet sind, daß sie annähernd ein recht-

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winkliges Parallelepiped bilden. Wird ein Keil in der angezeigten Richtung versetzt, dann ändert sich die Dicke des Parallelepipeds. Das gibt eine Änderung in der optischen Weglänge infolge der Tatsache, daß die optische Weglänge in dem Parallelepiped gleich d=nt ist, wobei t die Dicke und η der Brechungsindex ist.

In dem Mertz-System wird die Abtastung bewerkstelligt durch gleichzeitiges Bewegen des Keiles und des Spiegels in der Weise, daß das größtmögliche Blickfeld oder der größtmögliche Bildwinkel über die volle Abtastdistanz erreicht wird. Das geeignete Verhältnis zwischen Geschwindigkeiten der Bewegungen ist in dem Artikel diskutiert. Das darin gezeigte rechteckige Kompensationselement ist für die Operation des Systems nicht wesentlich, liefert aber eine verbesserte Wirkungsweise durch Kompensation der Durchschnittsdicke der Keilelemente.

Ein ähnliches Konzept ist in dem Artikel von Despain, Brown, Steed und Baker in "Proceedings of the Aspen International Conference on Fourier Spectroscopy", 1970 (siehe Seite 295), gezeigt, worin ein bewegbarer Keil und Spiegel in einem Element kombiniert sind durch Versilbern der Rückfläche des keilförmigen Prismas.

Wie bereits ausgeführt ist, erfordert das Erreichen eines maximal großen Bildwinkels sowohl einen sich bewegenden Keil als auch einen sich bewegenden Spiegel. Eine wesentliche Reduktion bezüglich der Bewegungsschwierigkeiten und daher der Kosten kann erreicht werden, wenn der Spiegel stationär bleibt und nur das brechende Element bewegt wird. Das brechende Element kann so ausgebildet werden, daß eine große mechanische Bewegung

eine verhältnismäßig kleinen Änderung in der optischen Weglänge ergibt, wodurch die Notwendigkeit für kritische Positionstoleranzen der sich bewegenden Teile entfällt. Ein auf dieser Basis beruhendes Prinzip wird diskutiert. (Siehe Barringer U.S. Patent Nr. 3 482 919). Diese Vorrichtung ver-

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wendet eine flache brechende Platte in einem Zweig, deren
Winke .!position mechanisch schwingt, um so die optische Weglänge in der Platte zu variieren. Ein Nachteil dieser Lösung bestellt in der Tatsache, daß die schwingende Bewegung Ursache für eine wesentliche Versetzung des optischen Strahls ist.
Das ergibt ziemliche Beschränkungen in der Ausführung und im Abgleich des Spiegels in dem abgetasteten Arm.

Ein kostengünstigeres Interferometer ist das nur von Aaron Kassel, einem Berater, im Januar 1976 vorgeschlagene "Keil-Platten"-Design. Diese Ausführung ist von der Funktion her identisch mit dem
ersten Mertz-System mit der wesentlichen Ausnahme, daß beide Spiegel stationär sind. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit der Bewegung reduziert, ohne daß eine so starke Strahlversetzung während des Abtastens auftritt wie bei der schwingenden Platte von Barringer. Sie hat jedoch wie auch das Mertz-System den Nachteil, daß die Transmission durch wenigstens
4 brechende Oberflächen für jede Richtung der Lichtfortpflanzung in dem abgetasteten Arm erforderlich ist. Ist die Transmission an jeder Oberfläche gleich T, dann ist die gesamte Transmission

gleich T . Das kann zu einer beachtlichen Reduktion der Leistung führen, da es unmöglich ist, einen kleinen Reflexionsverlust über die gesamte optische Bandbreite zu erreichen, die bezüglich der Benutzung interessant ist. Beträgt T beispielsweise 0,7,

dann ist die Gesamttransmission gleich (0,7) = 0,05 7. Andererseits wäre, wenn die Anzahl der brechenden Oberflächen von
2 auf 4 reduziert werden könnte, die Transmission in diesem
Beispiel vergößert auf (0,7) = 0,24.

Ks besteht also eine Beziehung zwischen der vorliegenden Erfindung und der Verwendung von Rückstrahlern (anstelle flacher Spiegel), und diese Hintergrunddiskussion zeigt auch, daß Rückstrahler an sich nicht neu sind. Derartige Vorrichtungen sind in Diehr-ÜS-Patent 3 419 331 und Hubbard-üS-Patent 3 409 375 beschrieben. In diesen beiden Patenten ist es jedoch erforderlich,

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daß ein Rückstrahler zum Abtasten bewegt wird. Wegen ihrer Ausdurch ^

dehnung ergeben/sich bewegende Rückstrahler weitere Schwierigkeiten beim Erhalten einer zuverlässig gesteuerten Abtastbewegung.

Zur Vervollständigung der Liste von Publikationen auf diesem Gebiet sei noch auf die folgenden Druckschriften hingewiesen: GIRARD US-Patent 3 684 379, BARR et al US-Patent 3 217 591, HUBBARD US-Patent 3 409 375, MERTZ US-Patent 3 469 9 23, GIRARD US-Patent 3 432 238 und MERTZ US-Patent 3 246 557.

Die Erfindung liefert also ein Abtastinterferometer vorzugsweise vom Michelson-Typ, welches weder die mit der Bewegung der Spiegel zusammenhängende Schwierigkeit bei der mechanischen Bewegung noch die große Strahlversetzung, die für die schwingende Platte charakteristisch ist, aufweist. Darüberhinaus wird die Anzahl der brechenden Oberflächen, durch die die optische Strahlung hindurchgeht auf ein Minimum begrenzt. Es wird auf diese Weise ein Interferometer geschaffen, welches kompakt, empfindlich, zuverlässig und billig in der Herstellung ist.

Bei dem erfindungsgemäßeη Interferometer wird die Abtastung bewirkt durch ein einzelnes nichtkompensiertes brechendes Element, vorzugsweise eines mit keilförmigem Querschnitt, welches in Zusammenwirkung mit stationären Spiegeln Verwendung findet. Eine befriedigende Leistung wird aber nur erreicht, wenn bezüglich der Spiegelausführung einige Einschränkungen vorgenommen werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Interferometer, bei dem die stationären Reflektoren ebene Spiegel sind;

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Fig. 2 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, in der die stationären Reflektoren rückstrahlende Spiegel sind;

Ficr. 3 eine Darstellung möglicher Strahlungsdiagramme von monochromatischer Strahlung und Breitbandstrahlung, wobei die Strahlungsintensität gegen die Stellung der brechenden Einrichtung abgetragen ist;

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein keilförmiges Abtastprisma kombiniert mit einem Moire-Skalenpositionssensor;

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Interferometer, bei dem Doppeldetektoren verwendet werden, um den dynamischen Bereich zu reduzieren, der bei der Fourier-Transformations-Rechnerausrüstung erforderlich ist;

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Strahlenteiler zum Darstellen der Dicke im Verhältnis zur Durchschnittsdicke des keilförmigen Abtastprismas; und

Fig. 7 drei Formen von Rückstrahlern, die jeder mit dem keilförmigen Abtastprisma zum Erzeugen optimaler Ergebnisse kombiniert werden können.

In dem in Figur 1 gezeigten Interferometer geht ein Strahl von einer Strahlungsquelle 12, die vorzugsweise im Infrarotbereich emittiert, zu einem Strahlenteiler 14, der bewirkt, daß ein reflektierter Strahl 16 entlang eines Weges und ein durchgelassener Strahl 18 entlang eines anderen Weges verläuft.

Ein i'ur.kt in dem sich die Erfindung von den meisten bekannten Vorrichtungen unterscheidet, ist die Verwendung eines stationären Spiegels oder Reflektors am Ende eines jeden Weges in dem Interferometer. Der Strahl 16 wird wie gezeigt zu dem Strahlenteiler durch einen stationären Reflektor 20 reflektiert, der in dem Ausführungsbeispiel ein ebener Spiegel ist. Dieser

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Reflektor bestimmt die Weglänge des Strahls in dem Zweig des Interferometers, der eine unveränderte Weglänge liefert.

Der andere Strahl 18 wird durch einen stationären Reflektor 22, der auch als ebener Spiegel gezeigt ist, ebenfalls zu dem Strahlenteiler zurückreflektiert. Die Weglänge des Strahls in diesem Zweig des Interferometers wird jedoch durch ein brechendes Element geändert, welches ein primäres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist.

Ein einzelnes keilförmiges Element 24 wird als ein Skanning-Prisma (Abtast- bzw. Analysierprisma) in den Weg des Strahls 18 zwischen Strahlenteiler 14 und Spiegel bzw. Reflektor 22 angeordnet. Dieses keilförmige Element ist quer zu dem Weg des Strahls in der durch den Pfeil gezeigten Richtung zum Zweck der Variation der Weglänge durch Ändern der Dicke des brechenden Materials, durch welches der Strahl hindurchgeht, bewegbar. Ein geeignetes Antriebsmittel 26 wirkt mit dem keilförmigen Element 24 zusammen und bewegt dieses vor- und rückwärts quer zum !tfeg des Strahls 18, wodurch die effektive Strahlweglänge abgetastet bzw. überstrichen wird.

Die reflektierten Strahlen 16 und 18 werden an dem Strahlenteiler 14 wieder vereint, und ein Teil der rekombinierten Strahlung pflanzt sich zu einem geeigneten Detektor 28 hin fort, der auf die Strahlungsintensität anspricht. Die Intensität variiert, wenn der brechende Keil quer zum Strahlungsweg in dem Interferometer 2 bewegt wird, wodurch das Phasenverhältnis zwischen der Strahlung in diesem Zweig und der Strahlung in dem anderen Inter ferometerzweig mit unveränderter Länge verändert wird.

Wird das Interferometer zur Spektrometrie verwendet, dann kann ein Probestück 30 aus dem zu analysierenden Material entweder zwischen dem Detektor 28 und dem Strahlenteiler oder zwischen der Lichtquelle 12 und dem Strahlenteiler angeordnet werden.

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Das einfache gerade beschriebene Konzept der Kombination eines einzelnen nichtkompensierten brechenden Keiles mit stationären Reflektoren in beiden Interferometerzweigen liefert wesentliche funktionelle Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.

Die mit den Problemen der mechanischen Bewegung eines Reflektors zusammenhängenden Schwierigkeiten und die durch diese Schwierigkeiten hervorgerufenen Benutzungsbeschränkungen sind auf diesem Gebiete bekannt. Beispielsweise werden in Griffiths Buch/ a.a.O. Seiten 36 - 40 die Wirkungen der Reflektorpositionssteuerungsprobleme unter den Überschriften "Effect of Mirror Misalignment" und "Effect of a Poor Mirror Drive" diskutiert. In einigen Fällen sind die Konstrukteure auf große Längen übergegangen, um ausreichend präzise und zuverlässige Reflektorbewegungssteuerungen schaffen zu können. Eine präzise gesteuerte Bewegung ist nicht nur ein von Natur aus schwieriges und teueres Problem wegen der kleinen sich ergebenden Abstände, sondern die Bewegung des Reflektors vergrößert auch stark die Wahrscheinlichkeit seiner Dejustierung.

Die Verwendung fester Spiegel kombiniert mit einem einzelnen sich bewegenden Keil reduziert stark das kritische Element der mechanischen Bewegung. Nicht nur, daß das Keilelement einfacher als der Spiegel zu bewegen ist, sondern seine Querbewegung bringt einen besonderen mechanischen Vorteil. Durch Verwenden eines schmalen engen Keilwinkels wird das Verhältnis der mechanischen Bewegung zur Änderung des Brechungsweges verhältnismäßig groß, wodurch eine sehr einfache aber präzise Steuerung der spektralen Abtastung ermöglicht wird.

Die Verwendung eines sich bewegenden Keiles als eine Abtasteinrichtung ergibt im Effekt eine mechanische Verstärkung der Änderung der optischen Weglänge. Beispielsweise kann eine Änderung des gesamten optischen Weges von einem Millimeter

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typischerweise einer Keilbewegung von 25 Millimetern entsprechen, über den Vorteil einer Verminderung der kritischen Bewegung/liefert dieser Faktor die Möglichkeit der Verwendung eines billigen Verfahrens zum Spurhalten der Abtastposition.

Die Verwendung eines einzelnen sich bewegenden keilförmigen Prismas ist trotz seiner Einfachheit und seiner hervorragenden Vorteile nicht vorgeschlagen worden. Wahrscheinlich wurde ein solcher Aufbau deshalb nicht in Erwägung gezogen, weil man annahm, daß ein Kompensationskeil erforderlich sein müßte, um eine seitliche Ablenkung oder Verschiebung des Strahls bei der Bewegung des Prismas zu verhindern und daß ein solcher Kompen.-sationskeil wegen des Reflexionsverlustes die Leistung beträchtlich vermindern würde, wie oben diskutiert. Tatsächlich ist ein solcher Kompensationskeil aber nicht nötig, und die Vorteile der Bewegung eines keilförmigen Prismas anstelle eines Spiegels können die Anwendung der Fourier-Transformationsspektroskopie wesentlich verbessern.

Es bestehen jedoch Probleme bei der in Figur 1 gezeigten Anordnung, in der das Interferometer mit einzelnem Keil flache stationäre Spiegel hat. Die Ablenkung eines Lichtstrahls an den Keiloberflächen ergibt sich nach dem Snellius'sehen Brechungsgesetz η · sin θ = η¹ · sin θ¹, mit θ und θ' als dem Einfallswinkel und dem Brechungswinkel an einer gegebenen Oberfläche und η und n¹ als dem Brechungsindex auf den beiden Seiten der Oberfläche. Für einen schmalen Keilwinkel wird die Totalreflexion durch zwei Oberflächen ungefähr durch den vereinfachten Ausdruck § = (n¹ - 1)<£ , wobei n' der Brechungsindex des Keiles und öC der Keilwinkel ist.

Damit das Interferometer wirksam wird, müssen die beiden Strahlen in den beiden Zweigen in dem Strahlenteiler überlagert werden, so daß sie sich überlappen und daß ihre Wellenfronten parallel

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zueinander sind innerhalb eines Bruchteils einer Wellenlänge quer zum Überlappungsbereich. Das erfordert einen präzisen AbuLoich der Spiegel relativ zur Fortpflanzungsrichtung in den beiden Zweigen.

In dem in Figur 1 gezeigten System ist erkennbar, daß der richtige Spiegelabgleich von dem Keilwinkel cfi und dem Brechungsindex n' abhängt. Das stellt bei dem abgebildeten Ausführungsbeispiel· ein Problem dar, weil der Brechungsindex von der Wellenlänge abhängig ist. Ein geeigneter Abgleich wird daher nur für ein enges Band von Wellenlängen erreicht.

Die Lösung dieses durch die Wellenlängen-abhängigkeit (oder Dispersion) vom Brechungsindex sich ergebenden Problems erfolgt durch das Ersetzen der ebenen Spiegel durch Retroreflektoren wie "Kubische Ecken" oder "Katzenaugen". Diese Ausführungsform ist in Figur 2 gezeigt, in der kubische Ecken 20a und 20b anstelle der ebenen Spiegel 20 und 22 von Figur 1 vorgesehen sind.

Die Retroreflektoren bzw. Rückstrahler haben die Eigenschaft, einen einfallendeu Strahl in einer Richtung parallel zur Einfallsrichtung unabhängig von dieser Richtung zu reflektieren. Dadurch wird, obwohl Licht verschiedener Wellenlängen an dem Keil verschiedene Ablenkungen erfährt, wie es durch die durchgezogenen und gestrichelten Linien gezeigt ist, jedes Wellenlängensignal von dem Retrospiegel auf einem Wege reflektiert, der eine richtige Wellenfront-Superposition ergibt. Es ergibt sich -WH eine gewissse Variation in der transversalen Strahlvt: ι Se-t zung mit der Wellenlänge, aber dieser Effekt wiegt wesentlich weniger schwer als der infolge von Wellenfrontkippung.

Die Verwendung von Ketroreflektoren im Interferometerbau wurde oben diskutiert. Bei einem Interferometer mit einem einzelnen

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Keil wird ihr Gebrauch durch die oben diskutierten Dispersionseffekte bestimmt. Da bei der erfindungsgemäßen Ausführung kein bewegbarer Spiegel erforderlich ist, ist die Verwendung der verhältnismäßig sperrigen Retrospiegel wesentlich praktischer als in dem Fall eines herkömmlichen Interferometers. Die Verwendung der Retroreflektoren löst also ein Problem bei dem Interferometer mit einzelnem Keil, und das Konzept mit dem einzelnen Keil löst ein Problem, welches durch die Verwendung von Retrospiegeln entsteht, weil es die Notwendigkeit der Bewegung eines derselben zu Austastbzw. Analysierzwecken überflüssig macht.

Zusätzlich zu dem Herabsetzen der Dispersionseffekte auf ein Minimum bewirkt die Verwendung der Retrospiegel den Vorteil, daß die kritische Wirkung der Abgleichung stark vermindert wird. Das ist für das Gesamtziel und besonders für die Reduktion der Kosten sehr wichtig. Ein anderer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß die Retroreflektoren erlauben, daß die sich überlagernden Strahlen am Strahlenteiler gegenüber dem Einfallsstrahl versetzt werden können. Das ermöglicht es, den zur Quelle hin sich fortpflanzenden vereinten St-rahl zu beobachten, ohne daß die Quelle abgedunkelt wird.

Figur 3 zeigt typische Spektralanalysenaufnahmen der Strahlungsintensität gegen die Keilposition. Diese Kurven werden aufgenommen, wenn das Austasten durch Änderung der optischen Weglänge in einem Zweig und dann das Rekombinieren der Strahlen in den zwei Zweiqc;n erfolgt. Kurve (A) in der Figur zeigt das Sinuswelleninter'c roqraiiim, welches mit monochromatischer Strahlung, wie sie von einem Einwellen-Laser erhalten wird, erzielt wird. Die Strahlung, die nicht monochromatisch ist, sondern noch auf ein spezifisches Wellenlängenband beschränkt ist, ergibt eine gedämpfte Sinuswelle, wie sie in Kurve (B) der Figur dargestellt ist.

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Wie oben ausgeführt, ist die aufgenommene Kurve in dem Fall, in dem die Länge von einem Interferometerzweig ausgetastet wird, die Fourier-Transformation des Wellenlängenspektrums. Verwendet man einen Computer zum Ausführen der erforderlichen mathematischen Transformation, dann kann das Interferometer die Basis eines hochentwickelten Spektrometers sein, welches gegenüber herkömmlichen Spektrometern bezüglich Geschwindigkeit und Empfindlichkeit große Vorteile aufweist.

Ein solches verbessertes Fourier-Transformationsspektrometer, welches mit dieser Erfindung ermöglicht wird, ist das erste Instrument, welches die Lücke zwischen den gegenwärtigen verhältnismäßig billigen aber eine niedrige Leistung erbringenden On-Line-Analysatoren und den hochentwickelten, eine große Leistung vollbringenden und sehr teueren Laboratoriums-Fourier-Spektrometern schließt. Obwohl die sich ergebende Spektralauflösung nicht so hoch ist wie die von den Höchstleistungs-Fourier-Instrumenten ist sie doch um Größenordnungen besser als die von herkömmlichen Prozeßanalysatoren und mehr als ausreichend für die meisten Anwendungszwecke. Die Kombination dieser wirksamen optischen Anordnung mit der modernen billigen Mikroprozessortechnologie macht die Verwendung der Fourier-Annäherung für einen weiten Bereich praktischer Aufgaben möglich, einschließlich der Stapelüberwachung, der medizinischen Gasanalyse, der Flüssigkeits- und Gasprozeßsteuerung und der Analyse von Gaschromatographiefraktionen.

Verglichen mit On-Line-Instrumenten wie nichtdispersiven Filteranalysatoren, zirkularvariablen Filterspektrometern und Luftanalysatoren bietet ein derart verbessertes Spektrometer eine Zahl von Vorteilen, die typischerweise einschließen:

(1) eine Mehrfachkomponentenidentifikation und Analyse,

(2) eine stark vergoßerte Spezifizität und Empfindlichkeit,

(3) eine Feldprogrammierbarkeit,

(4) einen weiten Spektralbereich,

(5) eine schnelle Ansprechbarkeit und

(6) Vielseitigkeit.

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Figur 4 zeigt einen wichtigen Vorteil des keilförmigen Ablenkprismas. Wegen seiner vergrößerten Bewegung im Vergleich zur Änderung der Strahlenweglänge kann eine einfache Verschiebungsanzeigevorrichtung, die als Moire-Skala bezeichnet wird, verwendet werden, um die Spur der Abtastposition zu erhalten.

Ein Paar Glasplatten 32 und 34 wird zur Anzeige der Position des brechenden Keiles 24b verwendet. Jede Glasplatte hat ein mikroskopisches Muster von Linien 36 (Ronchi-Furchen), die stark vergrößert dargestellt sind. Eine Platte 32 ist stationär, und die andere Platte 34 ist an dem bewegbaren Keil befestigt. Eine Quelle 38 sendet Licht zu den Platten, und ein Detektor 40 dient zum Erfassen der Transmission des Lichtes durch die Platten. Eine Bewegung um eine Strecke gleich dem Abstand zwischen einer dunklen und einer hellen Linie bewirkt, daß sich die Gesamttransmission von Dunkel nach Hell ändert. Wenn sich der Keil bewegt, ändert sich die Lichtdurchlässigkeit periodisch, was ein elektronisches Zählsignal in dem Detektorausgang ergibt.

Diese Art einer Verschiebungsanzeigevorrichtung wird üblicherweise bei Maschinenwerkzeugen verwendet. Die mechanische Verstärkungseigenschaft der Keilabtastung macht es auch für die Interferometrie anwendbar.

Figur 5 zeigt ein Gesamtspektrometer-Blockschaltbild, welches ein Dualdetektorinterferometersystem enthält. Eine solche Anordnung, die funktioneile Vorteile gegenüber einem System mit einem einzelnen Detektor aufweist, wird durch die Substitution der Retrospiegel anstelle der ebenen Spiegel, deren Ersetzung oben beschrieben worden ist, sehr viel praktischer durch die Tatsache, daß beide Spiegel stationär ausgebildet sind, in der Figur sendet die Lichtquelle 12 Strahlen zu dem Strahlenteiler 14, der die Strahlung zu den Retrospiegeln 20c und 22c leitet. Der Keil 24 hat dieselbe Funktion wie oben bereits beschrieben. Zusätzlich zu dem Detektor 28, der mit den rekom-

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binierten Strahlen von dem Strahlenteiler beaufschlagt wird, empfängt ein separater Detektor 50 die Strahlung, die bei einem Interferometer mit ebenem Spiegel zu der Lichtquelle 12 zurücklaufen würde (siehe Figur 1). Werden beide Strahlen erfaßt und die daraus resultierenden elektrischen Signale geeignet bemessen und subtrahiert, dann kann das sich ergebende Signal auf Null gebracht werden (d.h.: ein Null-Ausgangssignal wird erhalten für gleiche Detektorweglängen und ohne Probe). Wird eine zu untersuchende Materialprobe zwischen Strahlenteiler und einen der Detektoren gebracht, dann hängt das Signal allein von den Eigenschaften der Probe ab. Diese "Dualdetektor"-Lösung vermindert den erforderlichen dynamischen Bereich bei der Fourier-Transformations-Rechnerausrüstung stark. Dieses System wird möglich, weil der Weg des zu der Lichtquelle zurückgehenden Strahls zwar parallel aber nicht koinzident mit dem Weg des von der Lichtquelle kommenden Ausgangsstrahls ist.

Figur 5 zeigt auch blockschaltartig Komponenten eines elektronischen Systems, welches in einem Fourier-Transformationsspektrometer verwendet wird, welches einen Summierverstärker 52, einen Rechner und eine Spektraldarstellungsanzeige 56 umfaßt.

Figur 6 dient zur Erläuterung des optimalen Dimensionsverhältnisses zwischen der Dicke des Strahlenteilers und der Dicke des ablenkenden keilförmigen Elementes 24. Bei der Auswahl des Strahlenteilers ist es wünschenswert, daß sein Material und seine Dicke so gewählt werden, daß sich eine optische Weglänge innerhalb des Strahlenteilers ergibt, die gleich der Durcl richnittsweglänge in dem umsetzenden Keil ist. Das optimiert das Winkelgesichfcsfeld bzw. den Bildwinkel für gleiche Weglängen in den beiden Zweigen, d.h. in der Nähe des zentralen Maximums des Interferogramms. Dadurch werden zusätzliche Kompensationselemente wie die bei dem oben erwähnten Mertz'sehen Konzept überflüssig.

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Mit Hilfe des Snell¹sehen Brechungsgesetz und der Anforderung, daß die durchschnittliche Keildicke t gleich der Weglänge 1 in dem Strahlenteiler sein soll, kann gezeigt werden, daß die optimale Strahlenteilerdicke gegeben wird durch

t = t_w \j\ - (sin² e)/n²j

/2

worin η der Brechungsindex des Strahlenteilers ist. Für den in Figur 6 gezeigten Fall ist θ = 45°, so daß sin θ = 0,707 ist. Nimmt man ferner η = 4,01 (Germanium), dann ergibt sich t = 0,9 84 t . Wird diese Bedingung erfüllt, dann wird das maximale Gesichtsfeld bei der gleichen Weglängenposition erreicht, und man kann sagen, daß der Keil die Dicke des Strahlenteilers kompensiert.

Figur 7 zeigt drei verschiedene Typen von Retrospiegeln, von denen jeder mit einem einzelnen Keilbrechungselement verwendet werden kann. (A) zeigt einen "Kubische Ecke"-Retroreflektor, der aus drei reflektierenden Oberflächen besteht, die so gegeneinander gesetzt sind, daß sie 90° Winkel miteinander bilden. (B) zeigt ein "Katzenaugen"-Retroreflektor, bei dem ein optisches Element (Linse oder gekrümmter Spiegel) die Strahlung auf die Oberfläche eines Spiegels hin fokusiert. (C) zeigt einen "Dachfirsf'-Retrospiegel, der aus zwei einen Winkel von 90° einschließenden reflektierenden Oberflächen besteht.

Wenn im Zusammenhang mit der Beschreibung oder den Ansprüchen von "nichtkompensiert" die Rede ist, soll das heißen, daß kein entgegengesetzt gerichteter Keil erforderlich ist, der den Lichtstrahl in seiner Originalrichtung zurücklenkt, unter dem Wort "Keil" soll jedes brechende Element verstanden werden, welches die Länge des Lichtweges ändert, wenn der "Keil" quer zum Lichtweg bewegt wird.

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Claims

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PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 9O

PD 1-912 P/ro

Dr. Walter Michael Doyle Laguna Beach, Kalifornien/U.S.A.

Abtastinterferometer

Patentansprüche

HJ Abtastinterferometer bei dem mittels des Vergleichs zweier Lichtkomponenten, die entlang eines ersten Weges mit fester Länge bzw. eines zweiten Weges mit variabler Länge laufen, ein Interferenzbild erzeugt wird, gekennzeichnet durch einen ersten stationären Reflektor (20, 20a, 20c) zum Festlegen der Länge des ersten Weges, einen zweiten stationären Reflektor (22, 22a, 22c) am Ende des zweiten Weges, ein einzelnes keilförmiges Prismenelement (24) in dem zweiten Weg und eine Einrichtung (26) zum Bewegen des Prismas quer zum zweiten Weg zum Erzeugen der Weglängenabtastung.
2. Abtastinterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite stationäre Reflektor (20a, 20c) ein Rückstrahlelement ist, welches auf ihn auffallende Strahlen parallel zu den einfallenden Strahlen zurückreflektiert.

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN ΘΟ · WILLROIDERSTR. 8 · TEL. (Ο8Θ) 64O64O

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3. Abtastinterferometer nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Einrichtung zum Messen der Abtastposition des keilförmigen Prismas, gekennzeichnet durch ein Paar paralleler Platten (32, 34) mit parallelen Markierungen (36) darauf, von denen eine fixiert und die andere zusammen mit dem Prisma (24) bewegbar ist, und eine Lichtquellen- und Detektoreinrichtung (38, 40), die Licht durch die Platten zum Messen der Relativbewegung der Markierungen (36) auf der festen und der bewegten Platte (32, 34) hindurchsendet.
4. Interferometer mit einem Strahlenteiler zur Aufteilung der von einer Lichtquelle kommenden Strahlung in zwei divergierende optische Lichtwegzweige des Interferometers mit einem ersten stationären Reflektor (20, 20a, 20c) am Ende des einen Interferometerzweiges, gekennzeichnet durch einen zweiten stationären Reflektor (22, 22a, 22c) am Ende des anderen Interferometerzweiges, ein einzelnes brechendes Element (24) in einem der Interferometerzweige zum Variieren der optischen Weglänge in diesem Zweig und eine Einrichtung (26) zum Erzeugen einer Querbewegung des brechenden Elementes (24) quer zum optischen Weg.
5. Interferometer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine erste Meßeinrichtung (28, 5 0) zum Messen der von den Interferometerzweigen reflektierten Strahlungen, eine zweite Meßeinrichtung (32, 34, 36, 38, 40) zum Messen der Positionen des brechenden Elementes (24) während seiner Querbewegung und eine Einrichtung zum Kombinieren der Meßergebnisse von den ersten und ^Wl-J. ten Meßeinrichtungen zum Erzeugen eines Interferogramms.
6. Interferometer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären Reflektoren als Rückstrahlelemente ausgebildet sind.

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7. Interferometer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Messen der Abtastposition des brechenden Elementes mit einem Paar Platten mit Markierungen darauf, von denen eine Platte fixiert ist und die andere sich mit dem brechenden Element zusammenbewegt, und eine lichtaussendende und -empfangende Einrichtung, die Licht durch die Platten hindurchsendet und die Relativbewegung der Markierungen auf der festen und der sich bewegenden Platte mißt, vorgesehen sind.
8. Michelson-Interferometer, gekennzeichnet durch zwei stationäre reflektierende Elemente und eine Abtasteinrichtung mit einem nicht kompensierten sich bewegenden Keil aus brechendem Material zur Variation der Lichtweglänge zu und von einem der stationären reflektierenden Elemente-
9. Michelson-Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die stationären reflektierenden Elemente Rückstrahlelemente sind, durch die die chromatische Dispersion in dem nicht kompensierten Keil reduziert wird.
10. Michelson-Interferometer nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Strahlenteiler, dessen optische Weglänge etwa gleich der durchschnittlichen Weglänge in dem Keilelement ist.
11. Michelson-Interferometer nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung des abtastenden Keils mit Hilfe einer Moire-Skala meßbar ist.
12. Michelson-Interferometer nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch eine erste auf das durch eine Probe hindurchgegangene Interferometerlicht ansprechende Detektoreinrichtung, eine zweite auf das nicht durch eine Probe hindurchgegangene Interferometerlicht ansprechende Detektoreinrichtung und eine Einrichtung zum Vergleichen der Ausgangssignale der ersten und zweiten Detektoreinrichtung.

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