DE4212143A1 - Fourierspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches oder Infrarot-Four­ ierspektrometer mit einem Zweistrahlinterfero­ meter, wobei genau zwei bewegliche Spiegel des Interferometers als Retroreflektoren ausgebildet sind und sich auf einem gemeinsamen, drehbar gelagerten, starren Pendel befinden.

Ein solches Spektrometer ist aus der DE-PS 30 05 520 bekannt.

Das Zweistrahlinterferometer des bekannten Spektro­ meters, das insbesondere zur Strahlungsmessung in Kryostaten an Bord von Raumflugkörpern eingesetzt werden soll, besteht aus einem im Meßstrahlengang angeordneten Strahlteiler, zwei Reflektorsystemen und einem Detektorsystem zur Registrierung der Meß­ strahlung, wobei beide Reflektorsysteme als drehbar gelagerte Retroreflektoren und als sowohl gegen räumliches Kippen als auch Querversatz unempfindliche optische Systeme ausgebildet sind und wobei jeweils ein Retroreflektor der beiden Reflektorsysteme an einem gemeinsamen starren Pendel befestigt ist. Vorzugsweise sind beide Retroreflektoren im gleichen Abstand vom Pendellager am Ende je eines Armes eines starren zweiarmigen Pendels angeordnet, dessen Arme orthogonal zueinander stehen. Am Ende eines Hilfsarms kann ein Auswuchtgewicht vorgesehen sein, so daß der Schwerpunkt der Pendelstruktur in die Pendelachse fällt. In einer Ausführungsform ist auch vorgesehen, daß das Pendel nur einen Pendelarm besitzt, an dem beide Retroreflektoren in unterschiedlichem Abstand von der Achse angeordnet sind.

Bei dem Zweistrahlinterferometer des eingangs ge­ nannten Spektrometers wird die Meßstrahlung durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlungen aufge­ teilt, die beide nach Durchlaufen eines ersten bzw. zweiten optischen Systems, jeweils bestehend aus einem Retroreflektor und einem feststehenden rück­ reflektierenden Spiegel, in sich selbst reflektiert werden und nach neuerlichem Durchgang durch den Strahlteiler miteinander zur Interferenz gelangen und die interferierende Teilstrahlung wird zur spektroskopischen Auswertung des Interferenz-Bildes zu einem Detektor geleitet. Die Retroreflektoren sind an einem oder zwei Pendelarmen eines Pendels befestigt, das um ein Pendellager innerhalb vorge­ gebener Toleranzgrenzen schwingen kann. Dieses Dop­ pelpendelinterferometer kann zur Erzeugung einer optischen Weglängendifferenz um eine Drehachse ver­ schwenken; dadurch wird der optische Weg der Teil­ strahlung im ersten Interferometerarm beim Ver­ schwenken im Uhrzeigersinn verkürzt, während der optische Weg der Teilstrahlung im zweiten Interfe­ rometerarm gleichzeitig verlängert wird, bzw. umge­ kehrt, je nach Richtung der Pendelbewegung.

Bei allen Doppelpendeln der DE-PS 30 05 520 liegt der Schwerpunkt des Pendels entweder außerhalb der Pendelachse, was Reibungskräfte erhöht, oder es ist ein Hilfsarm mit einem Ausgleichgewicht vorgesehen, was den Platzbedarf und das Trägheitsmoment des Pendels erhöht. Die Anwesenheit der rückreflektie­ renden Spiegel bewirkt, daß nur maximal der halbe Querschnitt der Retroreflektoren ausgenutzt werden kann. Zudem wirken sich Justierfehler dieser Spiegel, bzw. eine Dejustierung etwa durch thermische Verspannungen, oder auch ein optischer Fehler einer anderen optischen Komponente, beispielsweise des Strahlteilers nachteilig aus. Die DE-PS 30 05 520 spricht zwar davon, daß "man sich die feststehenden Spiegel des voll kompensierenden optischen Systems sparen kann, wenn man die Retroreflektoren im glei­ chen Abstand vom Pendellager an den beiden Pendel­ armen befestigt". Dies ist jedoch in keinem der ge­ zeigten und diskutierten Ausführungsbeispiele mög­ lich. Es sind keine Justiereinrichtungen explizit angesprochen, allerdings kann man wohl davon ausge­ hen, daß die fest montierten rückreflektierenden Spiegel justierbar ausgeführt werden können, was jedoch nicht möglich ist, wenn diese entfallen. Die verbleibende Möglichkeit wäre dann noch, die an den Pendelarmen befestigten Retroreflektoren mit je einer Justiereinrichtung zu versehen. Allerdings schaffen Justiereinrichtungen an beweglichen Elementen weitere Probleme. Zudem erhöht sich das Trägheitsmoment des Pendels. In allen Ausführungsbeispielen befinden sich alle optischen Komponenten in einer Ebene.

Aus der Patentschrift DD 2 87 098 A5 ist ein Mehrkanal-Fourier-Spektrometer bekannt mit einer Vielzahl von Winkelspiegeln mit parallelen Kanten als Reflektoren, die mit dem Antrieb verbunden, um den Mittelpunkt drehbar und symmetrisch zur Strahlteilerebene angeordnet sind, wobei die Kanten aller Winkelspiegel in einer Ebene liegen, deren Schnittlinie mit der Strahlteilerebene die Rotationsachse der Winkelspiegelanordnung bildet. Es sind zudem Umlenkspiegel vorgesehen, die symmetrisch zur Strahlteilerebene angeordnet sind. In der DD PS 02 87 098 geht es im wesentlichen darum, eine Mehrkanal -Fourier-Spektrometeranordnung durch zusätzliche Kanäle zu erweitern, wobei Winkelspiegel paarweise nach entgegengesetzten Seiten gerichtet sind. Ziel der DD PS 02 87 098 ist es, spektrale Messungen in einem breiten Wellenlängenbereich ohne einen mechanischen Austausch von Baugruppen zu ermöglichen. Es wird wie in der DE-PS 30 05 520 das Drehreflektorprinzip benutzt, allerdings mit einer 180 Grad-Anordnung der Pendelarme, ohne rückreflektierende Spiegel und mit Winkelspiegeln anstelle von dreidimensionalen Retroreflektoren. Damit sind die Reflektorsysteme der DD PS 02 87 098 nicht voll kompensierend. Alle Komponenten der in der Figur gezeigten Anordnung befinden sich in einer Ebene.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Spektrometer der eingangs genannten Art mit genau zwei dreidimensionalen Retroreflektoren dahingehend weiterzubilden, daß mehr als der halbe Querschnitt der Retroreflektoren ausgenutzt werden kann, daß der Schwerpunkt des Doppelpendels in guter Näherung auf der Achse liegt ohne daß das Trägheitsmoment we­ sentlich erhöht ist, daß das Spektrometer nur Spiegel enthält, gegen deren Dejustierung das Spektrometer unempfindlich ist und daß insbesondere eine kompakte Bauweise mit kurzem optischem Weg möglich ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die beiden Arme des Pendels unter etwa 180 Grad zueinander stehen, wobei die beiden Retroreflektoren so angeordnet, d. h. ggf. so verschoben oder gedreht, sind, daß der Schwerpunkt des Pendel einschließlich der massiven Retroreflektoren in der Pendelachse liegt und daß das Zweistrahlinterferometer des Spektrometers keine rückreflektierenden Spiegel enthält, sondern daß die von dem Strahlteiler kommenden Teilstrahlen durch je einen im Spektrometer fest montierten Umlenkspiegel auf die beiden Retrore­ flektoren geleitet werden, die sich in gleichem Ab­ stand von der Pendelachse an entgegengesetzten Armen des Pendels befinden, wobei die Umlenkspiegel so geneigt sind, daß die beiden vom Strahlteiler kommenden Teilstrahlen des Interferometers aus der durch sie gebildeten Ebene herausgelenkt werden, was wiederum bedeutet, daß die Pendelachse nicht auf dieser Ebene senkrecht steht. Vorzugsweise ist die Pendelachse parallel zu dieser Ebene, d. h. das Pendel schwingt in einer Ebene, die senkrecht auf der durch die vom Strahlteiler ausgehenden Teilstrahlen gebildeten Ebene steht. Dies hat weiterhin den Vorteil, daß der optische Weg der Teilstrahlen vom Strahlteiler bis zu den Retroreflektoren und zurück weiter minimiert werden kann bei gleichzeitiger Minimierung des Abstandes Retroreflek­ tor - Pendelachse und eine besonders kompakte Bauweise des Spektrometers möglich wird. Ein möglichst kurzer optischer Weg, bei gleichem Pendelhub, ist deswegen vorteilhaft, weil in die Fehler, die durch Dejustierungen der Bauteile entstehen, dieser Weg i.a. linear eingeht.

Dejustierungen, beispielsweise durch thermische Expansion eines Bauteils, erzeugen bei kürzerem optischem Weg entsprechend kleinere Fehler.

Die Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Umlenkspiegel justierbar. Dies hat den Vorteil, daß keine Justierungen an beweglichen Teilen vorgenommen werden müssen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Retroreflektoren des Doppelpendels gegeneinander verdreht und ihre Spitzen schließen mit der Pendelachse einen Winkel von mehr als 180 Grad ein.

Dies hat den Vorteil, daß bei extrem kompakter Bauweise der Pendelschwerpunkt unter Berücksichtigung der recht massiven Retroreflektoren genau in der Achse liegt.

In einer weiteren bevorzugten Erfindungsform liegt die Pendelachse waagrecht und der Strahlteiler ist seitlich versetzt über der Achse angeordnet, was einen platzsparenden Einbau in das Spektrometer­ gehäuse gestattet.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Abbil­ dungen näher erläutert werden.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigt

Fig. 1 ein Zweistrahlinterferometer eines Spek­ trometers mit zwei Retroreflektoren an einem Doppelpendel nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Ausführungsform des Zweistrahlinter­ ferometers eines erfindungsgemäßen Spektrome­ ters; a) Draufsicht, b) Seitenansicht;

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des Zwei­ strahlinterferometers eines erfindungs­ gemäßen Spektrometers; a) Querschnitt, b) Draufsicht, c) Seitenansicht; Im einzelnen zeigt Fig 1 schematisch ein bekanntes Zweistrahlinterferometer eines Fourierspektrometers, wie es aus der DE-PS 30 05 520 bekanntgeworden ist. Die Meßstrahlung S wird durch den Strahlteiler 1 in zwei Teilstrahlungen S1 und S2 aufgeteilt, die beide nach Durchlaufen der optischen Systeme T1 (Kombination des Retroreflektors 3 mit dem festen rückreflektierenden Spiegel 4) bzw. T2 (Kombination des Retroreflektors 12 mit dem rückreflektierenden Spiegel 13) in sich reflektiert. Nach erneutem Durchgang durch den Strahlteiler 1 gelangen sie miteinander zur Interferenz und die interferierende Teilstrahlung S1-2 wird zu einem Detektor 5 zur spektroskopischen Auswertung des Interferenzbildes geleitet.

Die Retroreflektoren 3, 12 sind jeweils am Ende der starren, senkrecht aufeinanderstehenden Arme 8, 10 des Pendels 20 befestigt. Das Pendel 20 kann inner­ halb Toleranzgrenzen um das Lager 7 schwingen. Der Antrieb erfolgt über Hubmagnete 9a, b.

Der Schwerpunkt des Pendels 20 liegt nicht in der Achse 7. Ein Verkippen der rückreflektierenden Spiegel, d. h. ein Abweichen von der 90 Grad Refle­ xion, etwa aufgrund thermischer Verspannungen, würde sich in einer Verkippung der rücklaufenden Teilstrahlungen S1, S2 äußern und damit Störungen des Interferogramms bewirken. Gegen ein Verkippen der rückreflektierenden Spiegel ist demnach das In­ terferometer nach Fig. 1 nicht unempfindlich. Zudem werden optische Störungen, die linear über den Strahlenbündeldurchmesser variieren, z. B. des Strahlteilers, grundsätzlich nicht kompensiert, da die Retroreflektoren von den einfallenden bzw. re­ flektierten Strahlenbündeln jeweils nicht symmetrisch ausgeleuchtet werden. Die Spiegel 4, 13 decken einen Teil (i.a. 50%) der Fläche der Retroreflektoren ab. In der Anordnung nach Fig. 1 ist es nicht möglich, die Spiegel 4, 13 wegzulassen, da dann offensichtlich die Teilstrahlenbündel S1 und S2 nicht mehr auf den gleichen Bereich des Strahlteilers 1 reflektiert werden. Allerdings läßt sich eine symmetrische Anordnung aufbauen, die das gestatten würde. Eine solche Anordnung ist z. B. in der EP-A 03 14 103 offenbart.

Fig. 2a zeigt in einer Draufsicht die wesentlichen Komponenten des Interferometers eines Ausführungs­ beispiels eines erfindungsgemäßen Spektrometers. Die Bezugszeichen entsprechen im wesentlichen denen der Fig. 1. Ausgehend vom Strahlteiler 1 gelangen die Strahlenteilbündel S1, S2 auf die Umlenkspiegel 34, 35, die oberhalb des Pendels 20 angeordnet sind und daher die Retroreflektoren weitgehend verdecken. Das Doppelpendel 20 mit den Armen 8, 10 ist um die horizontale Achse 7 drehbar. Fig. 2b zeigt denselben Aufbau in einer Seitenansicht. Zu beachten ist, daß sich der Strahlteiler 1 einerseits und die Umlenkspiegel 34, 35 und das Doppelpendel 20 mit den Retroreflektoren 3, 12 andererseits nicht in einer Ebene befinden. Die Teilstrahlenbündel S1, S2 werden von den Umlenkspiegeln 34, 35 unter 90 Grad reflektiert. Die Retroreflektoren 3, 12 sind so angeordnet und ggf. verschoben, daß der Schwerpunkt des Doppelpendels in seiner Achse 7 liegt.

Fig. 3a) bis c) zeigt in einer ebenfalls schematischen Darstellung das Interferometer einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spektrometers. Ein Meßstrahlenbündel S gelangt auf einen Strahlteiler 1. Die transmittierten bzw. reflektierten Teilstrahlenbündel S2, S1 werden von Umlenkspiegeln 34, 35 auf Retroreflektoren 3, 12 reflektiert. Die Retroreflektoren 3, 12 befinden sich an den Enden der Arme 8, 10 eines Pendels 20, das um eine Achse 7 drehbar ist. Die beiden Arme 8, 10 sind gleichlang und schließen einen Winkel von 180 Grad, bzw. etwas mehr, ein, d. h. die Verbindungslinien zwischen der Achse 7 und den Spitzen 6, 16 der Retroreflektoren schließen einen Winkel von etwas mehr als 180 Grad ein. Die Teilstrahlenbündel S1 und S2 verlaufen zwischen den Umlenkspiegeln 34 bzw. 35 und den Retroreflektoren 3 bzw. 12 nicht parallel zueinander sondern stehen im wesentlichen senkrecht auf den Verbindungslinien zwischen der Pendelachse 7 und den Spitzen 6, 16 der Retroreflektoren 12, 3. Sie leuchten die Retroreflektoren 3, 12 symmetrisch aus. Die Retroreflektoren 3, 12 sind jeweils etwas gedreht angeordnet, so daß sie in Ruhelage des Pendels 20 in Richtung der Umlenkspiegel 34, 35 orientiert sind. Die Teilstrahlenbündel S1, S2 werden von den Re­ troreflektoren 3, 12 in sich reflektiert und gelangen über die Umlenkspiegel 34, 35 wieder auf den Strahlteiler 1. Das interferierende Strahlenbündel S1-2 gelangt letztlich auf einen Detektor.

Im Vergleich mit dem Stand der Technik nach Fig. 1 entfallen bei Fig. 2 und 3 die rückreflektierenden Spiegel 4 und 13 und durch die spezielle Geometrie der Pendelarme 8, 10 und bei Fig 3 liegt durch die Verdrehung der doch recht massiven Retroreflektoren 3, 12 der Schwerpunkt des Pendels 20 praktisch auf der Achse 7, ohne daß ein Zusatzarm benötigt wird. Der Querschnitt der Retroreflektoren 3, 12 ist im Prinzip voll nutzbar, während dies im Stand der Technik nach der DE-PS 30 05 020 nur zu 50% möglich ist, da dort die rückreflektierenden Spiegel 4, 13 im Weg sind. Die symmetrische Ausleuchtung bewirkt, daß Fehler optischer Komponenten, wie z. B. des Strahlteilers 1, die über den Strahlenbündelquerschnitt linear variieren, in dieser Anordnung kompensiert werden.

Gegenüber Fig. 1 gibt es bei den Interferometern von Fig. 2 und 3 zwei zusätzliche Spiegel 34, 35, an denen die Strahlen S1 und S2 jeweils vor und nach Reflexion am Retroreflektor 3, 12 reflektiert werden und zwar nicht unter 180 Grad. Im Gegensatz zu den rückre­ flektierenden Spiegeln 4, 13 wirken sich kleine Verkippungen der Umlenkspiegel 34, 35 in erster Nä­ herung nicht als Verkippung der Teilstrahlen S1, S2 beim Zurücklaufen in Richtung Strahlteiler aus, stören also das Interferogramm nicht. Die Anordnungen nach Fig. 2 und 3 sind unempfindlich gegen kleine Verkippungen der feststehenden Umlenkspiegel 34, 35.

Während im Stand der Technik nach Fig. 1, aber auch nach der DD PS 02 87 098 A5, alle optischen Komponenten des Interferometers im wesentlichen in einer Ebene angeordnet waren, veranschaulichen Fig. 2 und 3, daß dies beim erfindungsgemäßen Spektrometer nicht mehr der Fall ist. In den Beispielen der Fig. 2 und 3 ist die Achse 7 horizontal und das Pendel 20 befindet sich unterhalb (oder oberhalb) der Umlenkspiegel 34, 35. Dies erlaubt eine besonders kompakte Bauweise mit einem kurzen optischen Weg zwischen Strahlteiler 1 und Retroreflektoren 3, 12. Vorzugsweise beträgt die Projektion der Reflexionswinkel an den Umlenkspiegeln 34, 35 auf die Zeichenebene von Fig. 3a etwas weniger als 90 Grad, d. h. die zunächst horizontalen parallelen Teilstrahlenbündel S1, S2 werden nahezu in die Vertikale umgelenkt. Die Projektion der Reflexionswinkel auf die Zeichenebene von Fig. 3c beträgt vorzugsweise genau 90 Grad.

Fig. 3a zeigt in einem Querschnitt, Fig. 3b in einer Draufsicht und Fig. 3c in einer Seitenansicht die wesentlichen Komponenten des Interferometers. Die Bezugszeichen entsprechen denen der Fig. 1 und 2. Ausgehend vom Strahlteiler 1 gelangen die Strahlteilbündel S1, S2 auf die Umlenkspiegel 34, 35, die oberhalb des Pendels 20 angeordnet sind und daher in Fig. 3b die Retroreflektoren weitgehend verdecken. Das Doppelpendel 20 mit den Armen 8, 10 ist um die horizontale Achse 7 drehbar. Zu beachten ist, daß sich der Strahlteiler 1 einerseits und die Umlenkspiegel 34, 35 und das Doppelpendel 20 mit den Retroreflektoren 3, 12 andererseits nicht in einer Ebene befinden. Insbesondere in Fig. 3b erkennt man, daß die Teilstrahlenbündel S1, S2 von dem in der Draufsicht seitlich gegen die Pendelebene versetzten Strahlteiler 1 aus horizontal verlaufen und auf die Umlenkspiegel 34, 35 treffen. Insbesondere aus Fig. 3a sieht man, daß sie dann nahezu in die Vertikale umgelenkt werden.

Claims (7)

1. Optisches oder Infrarot-Fourierspektrometer mit einem Zweistrahlinterferometer bei dem ein Meß­ strahl (S) durch einen Strahlteiler (1) in zwei Teilstrahlen (S1, S2) aufgespalten wird, die auf zwei bewegliche Retroreflektoren (3, 12) gelangen, welche sich auf zwei Armen (8, 10) eines drehbar gelagerten starren Pendels (20) in gleichem Abstand von der Pendelachse (7) befinden dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des Pendels (20) einschließlich der Retroreflektoren (3, 12) in der Pendelachse (7) liegt, daß die vom Strahlteiler (1) kommenden Teilstrahlen (S1, S2) durch je einen fest montierten Umlenkspiegel (34, 35) auf die beiden Retroreflektoren (3, 12) umgelenkt werden, wo sie in sich auf die Umlenkspiegel (34, 35) zurückreflektiert werden um wieder auf den Strahlteiler (1) zu gelangen, wobei die durch die Teilstrahlabschnitte zwischen dem Strahlteiler (1) und den Umlenkspiegeln (34, 35) definierte erste Ebene und die durch die Teilstrahlabschnitte zwischen den Umlenkspiegeln (34, 35) und den Retroreflektoren (3, 12) definierte zweite Ebene im wesentlichen senkrecht aufeinander stehen.

2. Spektrometer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslinien zwischen der Pendelachse (7) und den Spitzen (6, 16) der beiden Retroreflektoren (3, 12) einen Winkel von mehr als 180 Grad einschließen.

3. Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkspiegel (34, 35) justierbar sind.

4. Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Ebene senkrecht aufeinander stehen.

5. Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslinien zwischen der Pendelachse (7) und den Spitzen (6, 16) der Retroreflektoren (3, 12) einen Winkel zwischen 180 Grad und 210 Grad bilden.

6. Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlenbündel (S1, S2) zwischen den Umlenkspiegeln (34 bzw. 35) und den Retroreflektoren (4, 12) eine spitzen Winkel einschließen.

7. Spektrometer nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel zwischen den Teilstrahlenbündeln (S1, S2) zwischen 70 und 85 Grad beträgt.