DE4438905A1 - Verfahren und Filteranordnung zur Bestimmung der spektralen Intensität einer Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Intensität der von einer Lichtwelle ausgesandten Strahlung in vorgegebenen Wellenlängenberei­ chen, bei welchem die Strahlung mittels einer Filteranordnung in diese Wellenlängenbereiche zerlegt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung ei­ ne Filteranordnung die zur Durchführung dieses Verfahrens besonders geeig­ net ist.

Für viele Anwendungen kann es erforderlich sein, Strahlungsintensitäten in Abhängigkeit von der Wellenlänge zu bestimmen, beispielsweise zur Untersu­ chung der Strahlung selbst oder zur Bestimmung optischer Eigenschaften (wie Transmission, Absorption usw.) von in einem Strahlengang befindlichen Proben oder auch für analytische Zwecke. Eine übliche Meßanordnung hierzu kann beispielsweise aus einer Lichtquelle, einer Filteranordnung zur Zer­ legung der Strahlung nach Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen, einem Strahlungsempfänger, einer Elektronik für die Signalverarbeitung und ggf. einer Anzeige für den Meßwert bestehen.

Die Filteranordnung weist in der Regel optische Lichtfilter auf, die meist unter Ausnutzung der Lichtabsorption das Licht in seiner spektralen Zusam­ mensetzung ändern. Man unterscheidet je nach den Transmissionseigenschaf­ ten sog. Kantenfilter, die ab einer bestimmten Wellenlänge (Kantenlage) entweder ungewünschte kurzwellige (Langpaßfilter) oder langwellige Berei­ che (Kurzpaßfilter) sperren sowie Bandpaßfilter oder Linienfilter, die ge­ wünschte Bereiche bzw. Wellenlängen selektiv durchlassen. Darüber hinaus sind z. B. noch Neutral- und Konversionsfilter bekannt, die in gewissen Bereichen mehr oder weniger selektiv schwächen. Einen Überblick über diese und weitere Filtertypen und ihre optischen Eigenschaften gibt beispiels­ weise der Katalog "Optische Glasfilter" der Firma SCHOTT Glaswerke, Mainz, Nr. 3555/1d IX/88.

Die oben bezeichneten Lichtfilter können entweder einzeln oder in Kombina­ tion eingesetzt werden, wobei bei Verwendung einer Kombination von Licht­ filtern die Strahlung üblicherweise die einzelnen Lichtfilter nacheinander passiert und dabei sukzessive in ihrer spektralen Zusammensetzung geändert wird.

Lichtfilter können z. B. aus Farbgläsern bestehen oder aber auch aus einem Substrat mit einer Interferenzbeschichtung. Unter den Interferenzfiltern sind insbesondere die Verlauf-Interferenzfilter von Interesse, bei denen sich die spektrale Lage des Durchlaßbereiches stetig über die Länge des Filterstreifens ändert. Interferenz-Verlauffilter sind Interferenzfilter mit keilförmigen Schichten. Ihre Herstellung ist kompliziert und aufwen­ dig, weshalb diese Filter relativ teuer sind.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zuschaffen, das einfach und kostengünstig durchführbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Filteranordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, die aus einfachen preiswerten Bauteilen besteht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Filteran­ ordnung gemäß Anspruch 4 gelöst.

Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß für viele Anwendungen bei einem Verfahren zur Bestimmung der Intensität der von einer Lichtwelle ausgesandten Strahlung in vorgegebenen Wellenlängenbereichen, bei welchem die Strahlung mittels einer Filteranordnung in diese Wellenlängenbereiche zerlegt wird, selbst wenn eine komplizierte Durchlaßcharakteristik der Filteranordnung gefordert ist, einfache und preiswerte Lichtfilter zu Ein­ satz kommen können, wenn man eine Verfahrensführung wie in Anspruch 1 be­ schrieben wählt. Nach Anspruch 1 wird die zu untersuchende Strahlung durch eine Filteranordnung geschickt, die aus Lichtfiltern (wenigstens zwei) mit unterschiedlichen Durchlaßcharakteristiken besteht, die so gewählt sind, daß sich jeder der vorgegebenen Wellenlängenbereiche als Differenz und/oder Summe der Durchlaßbereiche der einzelnen Lichtfilter darstellen läßt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedes einzelne Filter unabhängig von den anderen mit der zu untersuchenden Strahlung beaufschlagt und die Intensität der jeweils durchgelassenen Strahlung erfaßt. Entsprechend der Darstellung eines vorgegebenen Wellenlängenbereiches als Differenz und/ oder Summe der Durchlaßbereiche der einzelnen Lichtfilter wird zur Ermitt­ lung der Intensität der Strahlung in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich die Differenz und/oder Summe der an den jeweiligen Lichtfiltern erfaßten Intensitäten gebildet.

Die oben beschriebene Vorgehensweise hat den Vorteil, daß kostengünstige, einfach aufgebaute Lichtfilter, wie z. B. Kantenfilter, anstelle von teu­ ren, aufwendig herzustellenden Filtertypen, wie Verlauffilter eingesetzt werden können. Dies ist insbesondere beim Einsatz in Massenprodukten von Interesse. Die bei den einfachen Filtern nicht vorhandenen zusätzlichen Funktionen, wie z. B. obere Begrenzung des Durchlaßbereichs, auf dem Fil­ ter örtlich variierende Durchlaßbereiche u. a., werden durch die sich an die Messung anschließende Umrechnung der an den einzelnen Filtern gemesse­ nen Intensitäten simuliert. Auf diese Art und Weise können beispielsweise zwei Kantenfilter anstelle eines Bandpaßfilters oder N Kantenfilter mit in Richtung anwachsender Wellenlänge jeweils gegeneinander verschobenen Kan­ tenlagen als sog. "Stufenverlauffilter" verwendet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren und am Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, dem oben erwähnten "Stufenver­ lauffilter", näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 als bevorzugte Ausführungsform in Seitenansicht und Aufsicht ein Stufenverlauffilter gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in Seitenansicht einen typischen Meßaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 3 u. 4 jeweils die Transmissionskurven zweier Kantenfilter und die sich nach der Erfindung jeweils ergebenden Durchlaßbereiche bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen (1) ein Stufenverlauffilter nach der Erfindung gekennzeichnet. Das Stufenverlauffilter (1) besteht aus N ein­ zelnen Lichtfiltern (2), die in der Reihenfolge wachsende zentraler Durch­ laßwellenlänge nebeneinander angeordnet und an den jeweils aneinander an­ grenzenden Seitenlängen miteinander verbunden, z. B. verkittet sind. Vor­ zugsweise sind die Filter (2) Kantenfilter, wobei die Kantenlagen von 1 nach N jeweils in Richtung anwachsender (oder fallender) Wellenlänge suk­ zessive um ein Δλ,- gegeneinander verschoben sind. Die Δλ,- stellen, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, die Differenz zwischen den Durchlaßbe­ reichen jeweils zweier benachbarter Filter (2) dar. Die Kantenfilter sind nach der Erfindung so gewählt, daß die Δλ,-, die selbstverständlich nicht notwendigerweise gleich sein müssen, den vorgegebenen Wellenlängenberei­ chen entsprechen, in die die Strahlung zerlegt werden soll. Es liegt auf der Hand, daß steilkantige Kantenfilter bevorzugt sind, da die Intensität der Strahlung in dem Intervall zwischen den Kanten bei engem Abstand der Kanten um so größer ist, je steiler die Kanten sind. Dies erkennt man deutlich bei Vergleich der Transmissionskurven in den Fig. 3 und 4. Dargestellt sind in den Fig. 3 und 4 jeweils die Transmissionskurven von je zwei Kantenfiltern. (Die Kurven wurden dem eingangs aufgeführten SCHOTT-Katalog entnommen - die in der Darstellung angegebenen Filtertypbe­ zeichnungen beziehen sich jeweils auf die Angaben in diesem Katalog) sowie die resultierenden Transmissionskurven, die sich aus der Bildung der Dif­ ferenz der Transmissionskurven der jeweils einander zugeordneten Kanten­ filter ergibt. Man erkennt, daß die Intensität der resultierenden Kurve um so geringer wird, je geringer der Abstand zwischen den Kantenlagen ist und je flacher die Kanten ausgebildet sind. Die resultierenden Kurven geben den Wellenlängenbereich an, für den gemäß der Erfindung aus den an den Kantenfiltern jeweils gemessenen Einzelintensitäten die zugehörige Inten­ sitätskurve bzw. integrale Intensität berechnet werden kann.

Es ist selbstverständlich, daß bei der vorliegenden Erfindung sowohl Kurz- als auch Langpaßfilter Anwendung finden können.

Die in Fig. 1 dargestellte Filteranordnung ist nur beispielhaft. Prinzi­ piell ist es nach der Erfindung nicht erforderlich, die einzelnen Filter zu einem kompakten Bauteil zusammenzufassen. Ebensowenig ist eine bestimm­ te räumliche Anordnung der einzelnen Filter relativ zueinander zwingend notwendig. Die in der Figur dargestellte Ausführungsform hat jedoch den Vorteil, daß das Verlauffilter als solches einfach handhabbar und auch der Meßaufbau einfach und kompakt ausführbar ist.

Die einzelnen Filter (2) des Stufenverlauffilters (1) können, wie oben be­ reits erwähnt wurde, ohne Beeinträchtigung der Funktion des Verlauffilters räumlich getrennt und unabhängig voneinander in dem Meßaufbau angeordnet werden. Es ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich erforderlich, daß jedes der Filter ,mit der von der Lichtquelle ausgesand­ ten Strahlung beaufschlagbar und daß die Intensität der durchgelassenen Strahlung für jedes Filter separat erfaßbar ist. Die Durchlaßcharakteri­ stik der erfindungsgemäßen Filteranordnung wird nicht durch die räumliche Anordnung der Filter relativ zueinander, sondern ausschließlich durch die Kombination der einzelnen Intensitätswerte bei der Auswertung der Messung bestimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch nicht auf die Verwendung der oben beschriebenen Kantenfiltern beschränkt. Es können beispielsweise auch Bandpaßfilter oder je nach gewünschter Durchlaßcharakteristik beliebige Filtertypen bzw. Kombinationen von unterschiedlichen Filtertypen verwendet werden.

Vorzugsweise weist der Kitt, mit dem in Fig. 1 die einzelnen Filter (2) miteinander verklebt sind, eine nur geringe Transmission auf. Die Bereiche geringer Transmission zwischen den Kantenfiltern erlauben in einfacher Weise eine Kanaltrennung beim abtasten des Filters. Die Filter (2) können auch miteinander verklebt werden, die optische Trennung kann bei Verwen­ dung eines Kitts oder Klebers aus transparentem Material in einfacher Wei­ se durch Zwischenlegen z. B. einer Metallfolie o. ä. realisiert werden.

Typische Abmessungen für das in Fig. 1 dargestellte Stufenverlauffilter sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit:
Höhe H 1-5 mm
Dicke D 1-3 mm
Länge L < 10 mm (abhängig von Anwendung und Nachweis).

Diese Abmessungen garantieren eine ausreichende mechanische Haltbarkeit und damit Handhabbarkeit des Filters sowie eine gute Transmission. Es kön­ nen jedoch jederzeit andere, an einen speziellen Anwendungszweck angepaßte Abmessungen gewählt werden.

Die Kantenfilter werden nach ihren Durchlaßbereichen so ausgewählt, daß sich die vorgegebenen aufeinanderfolgenden Wellenlängenbereiche, in die die Strahlung zerlegt werden soll, jeweils durch Bildung der Differenz zwischen den Durchlaßbereichen zweier benachbarter (bzw. bei nicht kompak­ ter Bauweise zugeordneter) Filter ergeben. Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung sog. Steilkantenfilter Bandbreiten von typischerweise 20 nm oh­ ne weiteres möglich sind. Engere Bandbreiten können durch Sortierung bzw. spezielle Anlaufprogramme (Temperaturbehandlung) der Filtergläser erzielt werden.

Jedes Filter läßt die Strahlung, die in ihren mit der Kante beginnenden Durchlaßbereich fällt, ungehindert passieren. Werden nun zwei Filter ver­ wendet, deren Kanten um den zu messenden Wellenlängenbereich gegeneinander verschoben sind, so ergibt sich die auf diesen Bereich fallende Intensität in einfacher Weise durch Subtraktion der Intensität der von dem einen Fil­ ter durchgelassenen Strahlung von der Intensität der von dem anderen Fil­ ter durchgelassenen Strahlung. Die Differenz zwischen beiden Intensitäten ergibt somit die Intensität der Strahlung, die in das Intervall zwischen den beiden Kantenlagen fällt.

Eine typische Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens zeigt ohne Beschränkung der Allgemeinheit Fig. 2. Die Strahlung ei­ ner Lichtquelle (3) fällt durch einen Spalt (4) auf das in Fig. 1 darge­ stellte Stufenverlauffilter. Das Abtasten der einzelnen Filtersegmente kann auf vielerlei Art und Weise erfolgen. Welche Teile des Meßaufbaus hierzu relativ zueinander zweckmäßigerweise bewegt werden bzw. ob über­ haupt Teile bewegt werden, bleibt dem Fachmann überlassen. Handelt es sich bei der im Strahlengang hinter dem Stufenverlauffilter (1) angeordneten Nachweiseinrichtung (5), beispielsweise um eine CCD-Zeile, welche längs des gesamten Filters angeordnet ist, so bietet es sich an, den zu untersu­ chenden Lichtstrahl mittels einer geeigneten Optik aufzuweiten und durch alle Filtersegmente gleichzeitig zu schicken. Hierbei müssen die Teile nicht bewegt werden.

Für die meisten Anwendungen reicht die Erfassung der "integralen" Intensi­ tät aus. Diese entspricht der Fläche unter einer gemessenen spektralen In­ tensitätskurve. Die Berechnung der gewünschten Intensitätswerte aus den gemessenen Intensitäten erfolgt vorzugsweise rechnergestützt.

Nachfolgend werden die Vorteile eines erfindungsgemäßen Stufenverlauffil­ ters gegenüber bekannten Interferenzverlauffiltern aufgeführt, wobei aber zu beachten ist, daß bei einem Stufenverlauffilter sich die zentrale Durchlaßwellenlänge nicht kontinuierlich, sondern in Stufen ändert, wo­ durch sich möglicherweise Beschränkungen in den Anwendungsmöglichkeiten ergeben:

• - Einfache Eichung, da die örtliche Lage der "Stufen" genau definiert und leicht ausmeßbar ist.
• - Höhere Transmission gegenüber Interferenz-Verlauffilter
  Durch die Wahl von Kantenfiltern mit größerem Abstand der Kantenlagen kann die Transmission weiter erhöht werden (siehe Fig. 4 im Vergleich zu Fig. 3).
• - Anwendungsspezifische Filterkonstruktion mit speziellen Kantenlagen (durch Temperaturbehandlung der Anlaufgläser) möglich
  Auf diese Weise können sehr enge Bandpaßfilter aufgebaut werden.
• - Möglichkeit der Miniaturisierung
  Vom aktuellen Entwicklungsstand sind Interferenz-Verlauffilter kaum kleiner als 60 mm×10 mm×5 mm (Länge×Breite×Dicke) zu realisie­ ren. Mit der heutigen Fertigungstechnik können Stufenverlauffilter in kleineren Abmessungen hergestellt werden. Im Handel sind derzeit Ver­ lauffilter mit den Abmessungen 12,5 mm×5,5 mm×3,0 mm (ungeblockt) bzw. 1,5 mm (geblockt) erhältlich.
• - Es ist keine Beschichtung erforderlich, es können volumengefärbte Gläser verwendet werden. Hieraus resultiert eine langsamere Alterung. Darüber hinaus ist im Gegensatz zu Interferenzfiltern keine Winkelabhängigkeit gegeben.
  Weitere Vorteile sind in der Produktqualität zu sehen, da bei Interfe­ renz-Verlauffiltern weiche Schichten eingesetzt werden, die besonders zu schützen sind.
• - Kostengünstigere Fertigung gegenüber Interferenz-Verlauffiltern.

Eine Anwendungsmöglichkeit für ein erfindungsgemäßes Stufenverlauffilter ist z. B. die Verwendung als Grundbaustein für Monochromatoren z. B. für Umweltschutz, Analysetechnik usw. Hierzu kann das Filter mit einer CCD-Zeile verbunden werden und so ein Standard-Bauteil bilden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung der Intensität der von einer Lichtwelle aus­ gesandten Strahlung in vorgegebenen Wellenlängenbereichen,
bei welchem die Strahlung mittels einer Filteranordnung in diese Wel­ lenlängenbereiche zerlegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Filteranordnung aus Lichtfiltern mit unterschiedlichen Durch­ laßcharakteristiken verwendet wird, die so gewählt sind, daß sich je­ der der vorgegebenen Wellenlängenbereiche als Differenz und/oder Summe der Durchlaßbereiche der einzelnen Lichtfilter darstellen läßt,
daß jedes dieser Lichtfilter mit der von der Lichtquelle ausgesandten Strahlung beaufschlagt wird,
daß hinter jedem Lichtfilter jeweils die Intensität der von diesem Filter durchgelassenen Strahlung erfaßt wird und
daß entsprechend der Darstellung eines vorgegebenen Wellenlängenberei­ ches als Differenz und/oder Summe der Durchlaßbereiche der einzelnen Lichtfilter die Differenz und/oder Summe der an diesen Lichtfiltern erfaßten Intensitäten gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der erfaßten Intensitäten rechnerunterstützt er­ folgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Intensität erfaßt wird.

4. Filteranordnung zur Zerlegung der von einer Lichtquelle ausgesandten Strahlung nach vorgegebenen Wellenlängenbereichen, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Lichtfilter mit unterschiedlichen Durchlaßcharakteri­ stiken, die so gewählt sind, daß die vorgegebenen Wellenlängenbereiche als Differenz und/oder Summe der Durchlaßbereiche der einzelnen Lichtfilter darstellbar sind.

5. Filteranordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch N Lichtfilter (2), deren Durchlaßcharakteristiken so gewählt sind, daß sie ein Stufenverlauffilter (1) mit N-1 vorgegebenen aufeinanderfol­ genden Wellenlängenbereichen bilden.

6. Filteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lichtfilter (2) des Stufenverlauffilters (1) neben­ einander so angeordnet sind, daß die zentrale Durchlaßwellenlänge auf der Filteranordnung ortsabhängig vom einen zum anderen Ende hin an­ wächst.

7. Filteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfilter (2) Kantenfilter sind, deren Kanten jeweils um einen vorgegebenen Wellenlängenbereich gegeneinander verschoben sind.

8. Filteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfilter (2) miteinander verbunden sind.

9. Filteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lichtfilter (2) durch ein Material mit möglichst ge­ ringer Transmission optisch voneinander getrennt sind.

10. Filteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stufenverlauffilter (1) auf der der Lichtquelle (3) abge­ wandten Seitenfläche mit einer Sensoreinrichtung (5) verbunden ist.

11. Filteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (5) eine CCD-Zeile ist.