DE4212143C2 - Fourierspektrometer - Google Patents
FourierspektrometerInfo
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/45—Interferometric spectrometry
- G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
- G01J3/4532—Devices of compact or symmetric construction
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches oder Infrarot-
Fourierspektrometer mit einem Zweistrahlinterfero
meter, bei dem ein Meßstrahl durch einen
Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgespalten
wird, die auf zwei bewegliche Retroreflektoren
gelangen, welche sich auf zwei Armen eines drehbar
gelagerten starren Pendels in gleichem Abstand von
der Pendelachse befinden, wobei der Schwerpunkt des
Pendels einschließlich der Retroreflektoren in der
Pendelachse liegt.
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 287 098 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
287 098 A5 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 287 098 A5 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 287 098 A5
nicht voll kompensierend. Alle Komponenten der in der
Figur gezeigten Anordnung befinden sich in einer
Ebene.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer der
eingangs genannten Art
dahingehend
weiterzubilden, daß mehr als der halbe Querschnitt
der Retroreflektoren ausgenutzt werden kann, daß der
Schwerpunkt des Doppelpendels auf
der Pendelachse liegt ohne daß das Trägheitsmoment we
sentlich erhöht ist
und daß insbesondere eine kompakte
Bauweise mit kurzem optischem Weg möglich ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die beiden Arme
des Pendels einen Winkel von etwa 180 Grad einschließen,
daß zwei Umlenkspiegel derart angeordnet sind, daß die
vom Strahlteiler kommenden Teilstrahlen durch je einen
der Umlenkspiegel auf die beiden Retroreflektoren
umgelenkt werden, wo sie in sich so auf die Umlenkspiegel
zurückreflektiert werden, daß sie wieder auf
den Strahlteiler gelangen, und daß die beiden Umlenkspiegel
derart geneigt sind, daß sie durch die Teilstrahlabschnitte
zwischen dem Strahlteiler und den Umlenkspiegeln
definierte erste Ebene und die durch die
Teilstrahlabschnitte zwischen den Umlenkspiegeln und
den Retroreflektoren definierte zweite Ebene im wesentlichen
senkrecht aufeinander stehen.
Dies hat den Vorteil, daß der optische Weg der Teilstrahlen
vom Strahlteiler zu den Retroreflektoren und
zurück minimiert werden kann bei gleichzeitiger Minimierung
des Abstands Retroreflektor-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.
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 etwas 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.
Im folgenden soll die Erfindung anhand der Abbil
dungen näher erläutert werden.
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.
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
liegt
der Schwerpunkt des Pendels 20 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 287 098 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
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 (3)
1. Optisches oder Infrarot-Fourierspektrometer mit
einem Zweistrahlinterferometer, bei dem ein Meßstrahl
(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, wobei der Schwerpunkt des Pendels (20)
einschließlich der Retroreflektoren (3, 12) in der
Pendelachse (7) liegt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Arme (8, 10) des Pendels (20) einen
Winkel von etwa 180 Grad einschließen, daß zwei
Umlenkspiegel (34, 35) derart angeordnet sind, daß die
vom Strahlteiler (1) kommenden Teilstrahlen (S1, S2)
durch je einen der Umlenkspiegel (34, 35) auf die
beiden Retroreflektoren (3, 12) umgelenkt werden, wo
sie in sich so auf die Umlenkspiegel (34, 35)
zurückreflektiert werden, daß sie wieder auf den
Strahlteiler (1) gelangen, und daß die beiden
Umlenkspiegel (34, 35) derart geneigt sind, daß 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 Umlenkspiegeln (34, 35) justierbar
sind.
3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, 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.
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1992
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