DE4107549A1 - Verfahren zur triggerung der digitalisierung von interferogrammen und zur wellenzahlkalibrierung von interferometern nach michelson und einrichtung zu dessen durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Triggerung der Di­ gitalisierung von Interferogrammen und zur Wellenzahlkali­ brierung von Interferometern nach Michelson gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens.

In Interferometern nach Michelson wird eine Wegmessung und daraus abgeleitet, die Wellenzahlkalibrierung gegenwärtig mittels einer Strahlung z. B. eines HeNe-Lasers durchgeführt. Die Strahlung des HeNe-Lasers durchläuft das Interferometer, und aus dem resultierenden Interferenzsignal ergeben sich über die Kenntnis der Wellenlänge der Laserstrahlung die Wegdifferenzen. Diese Wegdifferenzen wiederum dienen bei einer Fouriertransformation zur korrekten Wellenzahlkali­ brierung des resultierenden Spektrums.

Nachteilig bei dieser Methode einer Wegmessung und einer daraus abgeleiteten Wellenzahlkalibrierung ist, daß es dazu entweder notwendig ist, ein Referenzinterferometer für die Laserstrahlung mit einem Signalinterferometer zu koppeln, oder die Laserstrahlung durch das Signalinterferometer zu führen. In dem zweiten Fall muß sich ein gesonderter Bereich des Strahlteilers für die Laserstrahlung eignen. Dadurch wird entweder der Bereich für die Signalstrahlung eingeengt oder es müssen größere Komponenten, wie Strahlteiler, Spie­ gel, Linsen u. a. verwendet werden. Ferner ist die Herstel­ lung eines Strahlteilers aufwendig, welcher in zwei geome­ trisch getrennten Bereichen unterschiedliche, optische Eigenschaften aufweist, da die Signalstrahlung meist im In­ frarot-Bereich liegt, und der üblicherweise verwendete HeNe-Laser eine Wellenlänge von 632,8 nm aufweist.

Außerdem ist als Nachteil anzusehen, daß bei der Digitali­ sierung die Schrittweite durch die Wellenlänge der Laser­ strahlung vorgegeben wird. Nach dem bekannten Abtasttheorem wird eine Schrittweite gefordert, die etwas geringer ist als die Hälfte der kürzesten Meßwellenlänge. Liegt diese Meßwel­ lenlänge im Bereich von ganzzahligen Vielfachen der Laser­ wellenlänge bzw. etwa darunter, so muß die Abtastschrittwei­ te nahezu um die Hälfte kleiner gewählt werden, als eigent­ lich notwendig wäre, da sie vom Laser-Interferogramm abge­ leitet wird, welches keine anderen, insbesondere feineren Abstufungen zuläßt.

Folglich müssen nahezu doppelt so viele Datenpunkte, wie nö­ tig, aufgezeichnet und verarbeitet werden. Außerdem ist die dabei notwendige elektrische Bandbreite nahezu doppelt so groß, und damit ist das erreichte Signal-Rausch-Verhältnis schlechter als theoretisch erreichbar. Das heißt, die Dimen­ sionierung richtet sich nach dem verwendeten Laser und nicht nach der zu untersuchenden Strahlung, was bei einer Optimie­ rung eigentlich der Fall sein sollte.

Ferner ist nachteilig, daß preiswerte Laserröhren in der Re­ gel eine geringe Lebensdauer aufweisen, daß jedoch langlebi­ ge Röhren teuer sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter möglichst weitge­ hender Vermeidung der vorstehend angeführten Nachteile eine Wellenzahlkalibrierung ohne eine direkte Wegmessung im In­ terferometer welcher mit geringem Aufwand und hoher Zuver­ lässigkeit zu erreichen. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zur Wellenzahlkalibrierung von Interferome­ tern nach Michelson nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Verfahrensschritte in dessen kennzeichnenden Teil gelöst. Ferner ist dies bei einer Einrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der auf die Ansprüche 1 und 3 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind optische Interfero­ meter nach Michelson vorausgesetzt, bei denen Wegunterschie­ de durch eine Hin- und Herbewegung eines Spiegels mit gere­ geltem Antrieb erzeugt werden. Im Unterschied zu der ein­ gangs beschriebenen Wegmessung mittels eines HeNe-Lasers und den dort vorhandenen und vorstehend im einzelnen angeführten Nachteilen ist gemäß der Erfindung eine Wellenzahlkalibrie­ rung für ein Interferometer nach Michelson erreicht, ohne daß dazu eine Wegmessung durchgeführt wird, und ohne daß hierzu eine Laserquelle in dem Interferometer vorgesehen sein muß.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus­ führungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeich­ nungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch in Form eines Blockdiagramms einer bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung zur Triggerung der Digitalisierung von Interferogram­ men und zur Wellenzahlkalibrierung eines Interfe­ rometers nach Michelson;

Fig. 2 ein Absorptionsspektrum von Polystyrol und

Fig. 3 eine grafische Darstellung von Absorptionswellen­ längenbereichen verschiedener Gase.

In Fig. 1 ist in einem gestrichelt wiedergegebenen Block ein Interferometer 1 dargestellt, das einen Detektor, vorzugs­ weise einen Infrarotdetektor 10, eine Linsenanordnung 11, einen unter 45° zum Strahlengang 13 angeordneten Strahltei­ ler 12 und einen feststehenden Spiegel 14 aufweist. Ein in Fig. 1 senkrecht nach unten verlaufender Strahlengang 15 trifft auf ein bewegbares Spiegelelement 16, welchem ein ge­ regelter Antrieb 17 zugeordnet ist; hierdurch wird in be­ kannter Weise eine konstante Geschwindigkeit, d. h. eine na­ hezu konstante Hin- und Herbewegung des Spiegelelements 16 erzeugt. Ferner ist in Fig. 1 dem Detektor 10 des Interfero­ meters 1 in bekannter Weise ein Analog-Digital-Umsetzer 2 nachgeschaltet, welchem gemäß der Erfindung ein hochgenauer, frequenzstabiler Impulsgeber 3 zugeordnet ist, dessen Fre­ quenz so eingestellt ist, daß sie dem bekannten Abtasttheo­ rem nach Shannon oder Nyquist mit Sicherheit genügt. Hierbei ergibt sich diese Frequenz in bekannter Weise aus der Ge­ schwindigkeit des Spiegelelements 16 und der kürzesten, zu messenden Wellenlänge.

Ferner ist gemäß der Erfindung zwischen der Linsenanordnung 11 und dem Strahlteiler 12 eine dünne Folie, eine dünne Scheibe oder ein dünnes Plättchen 5 aus Polyethylen, Polyvi­ nylchlorid oder Polystyrol im Strahlengang 13 des Interfero­ meters angeordnet. Die im Strahlengang 13 angeordnete dünne Folie, Scheibe oder das dünne Plättchen aus Polyethylen, Polyvinylchlorid oder Polystyrol sind in weiten Bereichen strahlungsdurchlässig und haben bei bekannten diskreten Wel­ lenzahlen im gemessenen Spektrum ausgeprägte Absorptionsli­ nien. Ferner ist gemäß der Erfindung dem bewegbaren Spiegel 16 eine Lichtschranke 4 zugeordnet.

Mittels des Impulsgebers 3 wird der Analog-Digital-Umsetzer 2 zur digitalen Aufzeichnung des vom Detektor 10 des Inter­ ferometers 1 gelieferten Interferogramms getriggert. Hierzu kann beispielsweise der Takt eines zur Datenerfassung und -verarbeitung ohnehin vorhandenen (nicht näher dargestell­ ten) Rechners verwendet werden, welcher quarzgesteuert ist und beispielsweise eine Frequenz von 25 MHz hat. Von dieser Frequenz läßt sich dann in bekannter Weise ein Takt von 100 bis 200 KHz zur Triggerung des Analog-Digital-Umsetzers 2 ableiten, was durch einen an dem Analog-Digital-Umsetzer 2 vorgesehenen Pfeil angedeutet ist.

Der Beginn einer Bewegung des Spiegelelements 17 und damit der Beginn der Messung wird mittels eines dem bewegten Spie­ gelelement 17 zugeordneten Lichtschranke 4, welche bei­ spielsweise durch eine lichtemittierende Diode (LED) und ein entsprechendes photoelektrisches Empfangselement gebildet ist, festgestellt. Somit ist durch die konstante Geschwin­ digkeit des Spiegelelements 17 und die konstante Triggerfre­ quenz eine weg-äquidistante Spiegelabtastung sichergestellt.

Obwohl sich die Schrittweite aus der Geschwindigkeit des Spiegelelements 17 und der Frequenz des hochgenauen Impuls­ gebers ergeben würde, ist deren Kenntnis zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich. Bei der Erfindung wird vielmehr für die Fourier-Transformation die Schrittweite eins gesetzt. Damit ergibt sich ein Spektrum dessen Abszissenwerte, welche der Wellenzahlskala entspre­ chen, bezogen auf die tatsächlichen (korrekten) Werte mit einem konstanten Faktor multipliziert sind. Zur Ermittlung der korrekten Abszissenwerte ist bei jedem Meßvorgang dafür gesorgt, daß Spektrallinien oder -banden genau bekannter Wellenzahl im Spektrum vorhanden sind. Diese Spektrallinien oder -banden werden nach ihrer Berechnung aufgesucht, und zwar automatisch durch ein bekanntes Vergleichsprogramm oder interaktiv vom Bediener am Bildschirm des steuernden Rech­ ners; sie werden dann zur Wellenzahlkalibrierung verwendet, indem aus den bekannten Wellenzahlen dieser Spektrallinien oder -banden und den (inkorrekten) sich aus der Fourier-Trans­ formation ergebenden Wellenzahlen ein Streckungsfak­ tor ermittelt wird, und mit dem Abszissenwert multipliziert werden, wodurch die gesamte Wellenzahlskala korrigiert wird.

Für diesen Zweck eignen sich beispielsweise die Spektralli­ nien von Wasserdampf, Kohlendioxid oder anderen Gasen, wel­ che in der natürlichen Atmosphäre ausgeprägt vorhanden und damit bekannt sind und somit auch bei jeder Messung im Spek­ trum vorhanden sind. Bei Messungen an gasförmigen oder flüs­ sigen Proben in Küvetten oder Probekammern werden zusätzlich zu der zu untersuchenden Probe Gase bzw. Flüssigkeiten mit bekannten Spektrallinien in das Probenvolumen eingebracht, deren Spektrum in der vorstehend beschriebenen Weise zur Wellenzahlkalibrierung verwendet wird.

Wie in dem schematischen Blockdiagramm der Fig. 1 angedeutet ist, können im Strahlengang des Interferometers auch dünne Folien, Scheiben oder Plättchen 5 aus Polyethylen, Polyvi­ nylchlorid, Polystyrol oder aus ähnlichen Materialien ange­ ordnet werden; diese Folien, Scheiben oder Plättchen 5 sind in weiten Spektralbereichen strahlungsdurchlässig und haben bei diskreten Wellenzahlen ausgeprägte Absorptionslinien, so daß sie sich für eine Wellenzahlkalibrierung gemäß der Er­ findung eignen.

Ferner können in dem Strahlengang des Interferometers 1 auch lichtemittierende Dioden (LED) oder auch Laserdioden vorge­ sehen werden. Hierbei wird, wie in dem schematischem Block­ schaltbild nicht näher dargestellt, die Strahlung der licht­ emittierenden Dioden oder der Laserdioden in bekannter Weise in den Strahlengang des Interferometers 1 eingekoppelt. Da­ durch erscheint dann deren Emissionsspektrum im gemessenen Spektrum und kann für die Wellenzahlkalibrierung gemäß der Erfindung verwendet werden.

In Fig. 2 ist ein Absorptionsspektrum von Polystyrol wieder­ gegeben, welches im Bereich von 3,3 bis 11,027 µm einige scharfe Absorptionslinien aufweist, welche sich zur Wellen­ zahlkalibrierung von Spektren eignen. Hierbei sind in dem in Fig. 2 wiedergegebenen Absorptionsspektrum auf der Ordinate die Durchlässigkeit in Prozent (%), und auf der Abszisse Wellenzahlen in cm^-1 und dem oberen Teil in Fig. 2 - auf der Höhe einer Durchlässigkeit von 100% - die Wellenlängen in µm eingetragen.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen, wird eine derartige Polystyrol-Fo­ lie 5 in den Strahlengang des Interferometers 1 eingebracht, wodurch dann zusätzlich zu dem zu untersuchenden Proben-Spektrum ein in Fig. 2 wiedergegebenes Spektrum, allerdings mit relativen Abszisseneinheiten, erzeugt wird.

Anhand der bekannten Lage der Absorptionslinien beispiels­ weise einer Polystyrol-Folie 5 wird dann eine Wellenzahlka­ librierung durchgeführt. Hierzu sind zwei unterschiedliche Betriebsarten möglich, nämlich

• 1) Die Folie 5 ist ständig im Strahlengang 13 des Interfero­ meters 1 angeordnet (siehe Fig. 1). In diesem Fall ist dann jede Messung an einem Meßobjekt, beispielweise einer chemi­ schen Probe, mit Kalibrierdaten versehen. Allerdings können die durch die Polystyrol-Folie 5 erhaltenen Absorptionslini­ en störend wirken, wenn das Objekt Absorptionslinien in dem­ selben Wellenlängenbereich aufweist.
• 2) Eine Folie, beispielsweise die in Fig. 1 angedeutete Po­ lystyrol-Folie 5 wird im Anschluß an jede Messung in den Strahlengang eingebracht, und die Kalibrierung wird geson­ dert durchgeführt und auf die Objektmessung übertragen. In diesem Fall stören sich die Kalibrierung und die Objektmes­ sung nicht; allerdings erfolgen sie nicht zeitgleich, was bei Parameterdriften des zur Messung verwendeten Interfero­ meters zu Fehlern führen kann.

In Fig. 3 sind auf der Ordinate verschiedenen Gase und auf einer zu der Ordinate parallelen und dieser gegenüberliegen­ den Linie die sogenannten Gascode-Nummern eingetragen, wäh­ rend auf der Abszisse die Wellenzahlen in cm^-1 und an der in Fig. 3 obersten, zu der Abszisse parallelen Linie die Wellen­ längen in um eingetragen sind. Hierbei ist in Fig. 3 in ana­ loger Weise wie in Fig. 2 mit Gasen verfahren, die in Küvet­ ten bzw. Probenkammern zur Anwendung kommen, in denen die Spektren unbekannter Gase bzw. Gasgemische gemessen werden sollen. Auch hier sind die beiden vorstehend genannten Be­ triebsarten möglich.

Das Analoge gilt für die Untersuchung von Flüssigkeiten, wo­ bei zur Kalibrierung geeignete Spektren von Flüssigkeiten aus bekannten Spektren-Katalogen zu entnehmen sind, so bei­ spielsweise die Sadtler-Spektren, jedoch ist gemäß der Er­ findung die eingangs angeführte Methode am vorteilhaftesten, nämlich im Objektspektrum bereits vorhandene, bekannte Spek­ trallinien zur Kalibrierung und damit auch zur Wellenzahlka­ librierung zu verwenden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Triggerung der Digitalisierung von Interfe­ rogrammen und zur Wellenzahlkalibrierung eines Interferome­ ters (1) nach Michelson, dessen Detektor (10) ein Analog-Di­ gital-Umsetzer (2) nachgeschaltet ist, in welchem Interfero­ meter (1) eine Linsenanordnung (11), ein unter 45° angeord­ neter Strahlteiler (12), ein fester Spiegel (14) und ein an­ derer, um 90° hierzu versetzter bewegbarer Spiegel (16) vor­ gesehen sind, dessen Antrieb für eine (nahezu) konstante Spiegelgeschwindigkeit geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zur Triggerung des Analog-Digital-Umsetzers (2) zur Digi­ talisierung eines Interferogramms die Frequenz eines hochge­ nauen, frequenzstabilen Impulsgebers (3) so eingestellt wird, daß dem Abtasttheorem genügt ist,
• b) ein Beginn der Bewegung des Spiegels (16) und damit des Meßvorgangs festgestellt wird, wobei durch eine konstante Spiegelbewegung und eine konstante Triggerfrequenz eine äquidistante Signalabtastung sichergestellt wird;
• c) daß die Schrittweite für eine Fouriertransformation zu eins gesetzt wird, und
• d) Spektrallinien oder -banden genau bekannter Wellenzahl im Spektrum nach der Spektrum-Berechnung aufgesucht werden so­ wie zur Wellenzahlkalibrierung aus den Wellenzahlen der Spektrallinien oder -banden ein Streckungsfaktor ermittelt wird, mit welchem die errechneten Abzsissenwerte multipli­ ziert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Verwendung eines IR-Detektors (10) bei Messungen im Infraroten die Spektrallinien von Gasen der natürlichen Atmosphäre (Wasserdampf, Kohlendioxid usw.) ver­ wendet werden.

3. Einrichtung zur Triggerung der Digitalisierung von Inter­ ferogrammen und zur Wellenzahlkalibrierung eines Interfero­ meters (1) nach Michelson, dessen Detektor (10) ein Analog- Digital-Umsetzer (2) nachgeschaltet ist, in welchem Interfe­ rometer (1) eine Linsenanordnung (11), ein unter 45° ange­ ordneter Strahlteiler (12), ein fester Spiegel (14) und ein anderer, um 90° hierzu versetzter bewegbarer Spiegel (16) vorgesehen sind, dessen Antrieb für eine (nahezu) konstante Spiegelgeschwindigkeit geregelt wird, gekennzeichnet durch
einen hochgenauen Impulsgeber (3) zur Triggerung des Analog- Digital-Umsetzers (2) und
durch eine am bewegbaren Spiegel (16) vorgesehene Licht­ schranke (4) zum Feststellen des Beginns der Bewegung des Spiegels (16) und damit des Meßvorgangs.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch im Strahlengang (13) des Interferometers (1) vorgese­ hene dünne Folien, Scheiben oder Plättchen (5) aus Polyethy­ len, Polyvinylchlorid oder Polystyrol, welche in weiten Spektralbereichen strahlungsdurchlässig sind und im gemesse­ nen Spektrum bei bekannten diskreten Wellenzahlen ausgepräg­ te Absorptionslinien haben.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlung von lichtemittierenden Dioden (LED) oder Dioden-Lasern bekannter Wellenzahl mit ausgeprägten Emissionslinien im gemessenen Spektrum in den Strahlengang des Interferometers (1) einkoppelbar ist.