DE4420074A1 - Anordnung zur Spektralanalyse mit planarem Wellenleiterelement in mehreren Kanälen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Messens der spektralen Zusammensetzung elektromagnetischer Strahlungen und kann in Geräten für die Spektralphotometrie und Farbmessung angewendet werden.

Bekannte Anordnungen bestehen im wesentlichen aus einem planaren Licht­ wellenleiterelement, welches eine Einrichtung zum Einkoppeln der zu analysierenden Strahlung mittels einer applizierten Faser, ein Re­ flexionsgitter sowie Einrichtungen zur Auskopplung des räumlich aufge­ weiteten Spektrums der zu analysierenden Strahlung auf eine unmittelbar applizierte matrixförmige Detektoreinheit aufweist.

Die Verwendung von planaren Lichtwellenleitern gestattet deren Herstel­ lung durch Mikroabformung, wodurch die Gleichartigkeit der optischen Eigenschaften, wie z. B. exakt fixierte wellenlängenabhängige Lage der Brennpunkte (Foci) des selbstfokussierenden Gitters, gesichert ist. Setzt man ferner voraus, daß die inneren geometrischen Abmaße einer Detektoreinheit bis auf vernachlässigbare Toleranzen konstant sind, hängt die Zuordnung der Foci zu den Einzeldetektoren nur von der Montage des planaren Wellenleiters relativ zur Detektoreinheit ab. Es sind somit nur translatorische Zuordnungsfehler (Verschiebung und Drehung in einer Ebene) möglich; sie können bestimmt werden, indem mindestens für zwei ausgewählte Foci (zweckmäßigerweise von zwei sehr verschiedenen Wellen­ längen) die entsprechenden Einzeldetektoren ermittelt werden. Anhand dieser gemessenen Zuordnung kann die Zuordnung der anderen Foci zu den Einzeldetektoren anschließend z. B. durch Interpolation erfolgen, wobei auf Tabellen einer für alle Wellenlängen exakt vermessenen Musteranord­ nung zurückgegriffen wird.

Notwendig für diese Kalibration ist die Verfügbarkeit von Strahlung von zwei genau bekannten Wellenlängen.

Nachteilig ist weiterhin der geringe geometrische Abstand dieser genann­ ten beiden Foci, wodurch sich der Winkel zwischen Detektoranordnung und Wellenleiter nur mit geringer Genauigkeit bestimmen läßt.

Der Einsatz von mehreren einzelnen Spektrometern in Analysegeräten, z. B. für Meß- und Referenzkanal, hat den Nachteil der unterschiedlichen Beein­ flussung der Analysekanäle durch die jeweiligen Umwelteinwirkungen.

Temperaturschwankungen beeinflussen elektronische Parameter der Detektor­ einrichtungen; ferner werden Längen- und Brechzahländerungen der Wellen­ leiterelemente bewirkt, die optische Abweichungen bewirken. Aufgrund von Justage- und Kalibrationsfehlern verbleiben in jeder einzel­ nen Spektrometeranordnung unbekannte Translations- und Winkelfehler. Die daraus resultierenden Wellenlängen- und Intensitätsfehler zweier Spektro­ meter sind jeweils zufälliger Art, und Meßwerte verschiedener Kanäle sind untereinander nicht vergleichbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die mehrere Spektrometerkanäle in sich vereinigt und gleichzeitig unter Verwendung bekannter Mittel deren beschriebene Nachteile beseitigt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch angegebene Anordnung gelöst.

Nachstehend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläu­ tert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung für ein Doppelspektrometer mit einem komplexen planaren Wellenleiterelement und einer zeilenförmigen Detektoreinheit;

Fig. 2 eine geometrische Umordnung der Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Erweiterung der Anordnungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 für vier Spektrometer.

In Fig. 1 ist eine Anordnung dargestellt, bestehend aus einem monolithi­ schen komplexen planaren Wellenleiterelement WLE mit zwei Fasereinkopp­ lungen FE1; FE2 , zwei selbstfokussierenden Reflexionsgittern SRG1; SRG2 und zwei Einrichtungen zur Strahlungsauskopplung auf ein monolithisches lineares Detektorarray LDA. Die zweckmäßige, aber nicht zwingende, geo­ metrische Lage dieser Elemente ist aus der Fig. 1 ersichtlich.

Die zu analysierende polychromatische Strahlung des Kanals 1 kann, aus­ gehend von der Fasereinkopplung FE1 als Quellpunkt, dabei nur das Reflexionsgitter SRG1 bestrahlen. An den wellenlängenabhängigen Foci des selbstfokussierenden Reflexionsgitters SRG1 ist eine Einrichtung zur Strahlungsauskopplung angeordnet, an welche sich ein Bereich der Detek­ toreinheit LDA unmittelbar anschließt. Jeder Einzeldetektor dieses Bereichs kann somit im wesentlichen nur Strahlung einer bestimmten Wellenlänge der vom Gitter SRG1 reflektierten und gebeugten Strahlung empfangen. Analoges gilt für Kanal 2, wobei der über die Fasereinkopp­ lung FE2, das Gitter SRG2 und die entsprechende zweite Strahlungsauskopp­ lungseinrichtung mit der zu analysierenden Strahlung beaufschlagte Bereich ein und derselben Detektoreinheit LDA von oben genanntem Bereich verschieden ist.

Fig. 2 enthält ein monolithisches komplexes planares Wellenleiterelement WLE mit den Elementen gemäß Fig. 1, deren vorteilhafte Lage aus Fig. 2 ersichtlich ist. An die beiden Einrichtungen zur Strahlungsauskopplung schließen sich jeweils ein einer gemeinsamen monolithischen mehrzeiligen Detektoreinheit DE zugehöriges, lineares Detektorarray LDA1; LDA2 an. Das lineare Array LDA1 empfängt über die erste Strahlungsauskopplungseinrich­ tung nur die von der Fasereinkopplung FE1 ausgehende, vom Gitter SRG1 reflektierte und gebeugte Analysestrahlung; analoges gilt für Kanal 2.

Fig. 3 beschreibt ein monolithisches komplexes planares Wellenleiter­ element WLE, welches vier Fasereinkopplungseinrichtungen FE1; . . . ; FE4, vier selbstfokussierende Reflexionsgitter SRG1; . . . ; SRG4 und vier Strah­ lungsauskopplungseinrichtungen umfaßt. Unmittelbar an diese Auskopplungs­ einrichtungen schließt sich eine monolithische matrixförmige Detektor­ anordnung MDA an. Eine zweckmäßige mögliche geometrische Anordnung dieser genannten Elemente geht aus Fig. 3 hervor. Die funktionalen Eigenschaften der Elemente untereinander sind analog zu den Anordnungen gemäß Fig. 1 und Fig. 2. Die über die vier Strahlungsauskopplungseinrichtungen mit den jeweiligen gebeugten Analysestrahlungen beaufschlagten Bereiche der matrixförmigen Detektoranordnung MDA sind dabei voneinander räumlich ver­ schieden.

Sinngemäß sind auch entsprechende Anordnungen für eine andere Anzahl von Kanälen möglich.

Jede dieser beschriebenen Anordnungen müssen geeignete, in das komplexe Wellenleiterelement WLE integrierte Einrichtungen zur Vermeidung des Übersprechens zwischen den Analysekanälen aufweisen.

Die vorteilhafte Wirkung der beschriebenen Anordnungen besteht neben einer kleinen und kompakten Bauform u. a. darin, daß für die Fertigung eines solchen Mehrfachspektrometers nur einmal die Arbeitsschritte Gitterabfor­ mung und Detektormontage und -justierung nötig sind. Die Verwendung eines monolithischen Detektors gestattet eine erhebliche Reduzierung der not­ wendigen Detektoransteuer- und -ausleseelektronik. Durch die monolithi­ sche Einheit des Wellenleiterelements sowie der Detektoranordnung sind vergleichbare bzw. gleiche Meßbedingungen für alle integrierten Analyse­ kanäle gesichert, sowohl in bezug auf die optischen Eigenschaften der Monochromatoren sowie elektronischen Eigenschaften der Detektoranordnung als auch in bezug auf die weitere gemeinsame Ausleseelektronik.

Ferner ist die Anordnung nach Fig. 1 besonders vorteilhaft in bezug auf die Winkeltreue der Justage der Detektoranordnung relativ zum Wellen­ leiterelement, da eine längere Basisbreite zur Winkelbestimmung zur Ver­ fügung steht.

Die im Anspruch genannten Anordnungen sichern die Vergleichbarkeit der aus den integrierten Spektrometerkanälen gewonnenen Meßdaten trotz unbe­ kannter Justagefehler, da diese Fehler für alle Kanäle exakt gleich sind. Aus Verschiebungen resultierende Zuordnungsfehler wirken sich insbesonde­ re bei Anordnungen gemäß Fig. 3 gleichsinnig in bezug auf Wellenlängenzu­ ordnung für die Kanäle 1 und 3 sowie 2 und 4 aus. Ähnliches gilt für auf Drehung beruhende Zuordnungsfehler insbesondere für Anordnungen nach Fig. 2 und Fig. 3.

Weiterhin verringert sich für die neuartigen Anordnungen der Kalibra­ tionsaufwand wesentlich, da grundsätzlich nur zwei Zuordnungen zwischen jeweils einem Focus und dem entsprechenden Einzeldetektor bestimmt werden müssen. Insbesondere für die Anordnung gemäß Fig. 3 wären für herkömmliche vier getrennte Spektrometeranordnun­ gen insgesamt mindestens 8 solcher Zuordnungen zu bestimmen.

Allen beschriebenen Anordnungen ist gemeinsam, daß zur Bestimmung dieser zwei Focus-Detektor-Zuordnungen während der Kalibration nur Strahlung einer einzigen Wellenlänge (z. B. Laserstrahlung) benötigt wird, wobei zweckmäßigerweise eine solche Wellenlänge gewählt wird, daß der geometri­ sche Abstand der dieser Wellenlänge entsprechenden Foci der Analysekanäle eine möglichst maximale Basisbreite ergibt.

Claims (1)

1. Anordnung zur Spektralanalyse mit mindestens zwei Analysekanälen, jeweils bestehend aus einem komplexen planaren Wellenleiterelement mit Faser­ einkopplung, selbstfokussierendem Reflexionsgitter und Einrichtungen zur Strahlungsauskopplung auf eine zeilen- oder matrixförmige Detektor­ einheit, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wellenleiterelemente ein monolithisches Gesamtbauelement bilden, und alle Detektoreinheiten eine monolithische Detektoranordnung bilden.