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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft einen Hochleistungs-Kollimator und ein kompaktes
Spektrophotometer, welches fähig
ist, Spektrophotometrie ohne Verwendung eines Prismas oder Beugungsgitters durchzuführen.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein
Verfahren zum Messen der spektralen Intensität mittels Leitens von Licht
in eine unterschiedliche Richtung für jede Wellenlänge unter
Verwendung eines Prismas oder Beugungsgitters, zum Abstrahlen des
Lichts auf einen linearen Sensor oder Ähnliches und zum Messen der
Ausgabe der Elemente des linearen Sensors wird herkömmlich im
Allgemeinen zum Durchführen
von Spektrophotometrie verwendet. Jedoch wird eine gewisse Menge
an Platz benötigt,
um das gebeugte Licht zu separieren und gemäß der Wellenlänge in verschiedene
Richtungen zu lenken, wenn ein Prisma, ein Beugungsgitter oder Ähnliches
verwendet wird. Daraus resultiert ein inakzeptabel großes Spektrophotometer.
Andere Nachteile schließen
die Tatsache ein, dass die Lichtintensität auf Grund dessen abnimmt,
dass das gemessene Licht durch einen Schlitz hindurch geschleust
wird, wenn es auf das Prisma oder Beugungsgitter abgestrahlt wird,
und dass Hochgeschwindigkeits-Messung schwierig durchzuführen waren,
da die für
den linearen Sensor benötigte
Speicherzeit erheblich war.
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Mehrere
Verfahren mit einem linear veränderlichen
Filter (nachfolgend gelegentlich mit LVF bezeichnet) wurden vorgeschlagen
und entwickelt mit dem Ziel, die oben genannten Nachteile zu beseitigen.
Beispielsweise sind die in der japanischen Anmeldungs-Offenlegungsschrift
Nr. H5-322653 offenbarte Technik und die in US-Patent Nr. 5,872,655
offenbarte Technik weithin bekannt und ein Spektrophotometer, welches
ein verschiedenes System linear veränderlicher Filter verwendet,
wird in US-Patent Nr. 6,057,925 offenbart und ist kommerziell erhältlich. Bei
diesen Techniken wird von einem linear veränderlichen Filter ausgestrahltes
gebeugtes Licht auf einen linearen Sensor fokussiert, indem zwischen
das lineare veränderliche
Filter und den linearen Sensor ein optisches System zum Errichten
eines gleichgroßen Bildes
eingebracht wird, und eine GRIN-(Gradienten-Index)Linse oder ein
Mikro-Linsen-Array als ein kompaktes Fokussierungssystem für das errichtete gleichgroße Bild
verwendet wird.
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Jedoch
existieren die folgenden Probleme in dem in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr.
H5-322653 offenbarten System und in dem in dem US-Patent Nr. 5,872,655
offenbarten Verfahren. Insbesondere treten Mehrfach-Reflexionen zwischen dem
linear veränderlichen
Filter und dem linearen Sensor auf Grund dessen auf, dass diese
Verfahren derart ausgeführt
sind, dass der linear veränderliche Filter
an dem linearen Sensor angebracht ist und dass sich daher die spektrale
Charakteristik verschlechtert.
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Obwohl
diese Probleme in dem in dem US-Patent Nr. 6,057,925 offenbarten
Verfahren beseitigt wurden, traten nichtsdestoweniger andere Probleme
auf. Insbesondere weist die GRIN-Linse in Summe 28 in zwei Reihen
angeordnete zylindrische Linsen auf. Wenn folglich ein Oberflächenbild ähnlich einem
linearen veränderlichen
Filter projiziert wird, treten exakt 28 spitze Unregelmäßigkeiten
in der Ausgabe des linearen Sensors auf, da ein von den 28 zylindrischen
Linsen gebildetes zusammengesetztes Bild auf dem linearen Sensor
gebildet wird. Die dimensionsgerechte Genauigkeit der spektralen
Wellenlängen-Ausgabe
wird daher abnehmen, auch wenn die Positionsgenauigkeit der spektralen
Wellenlänge
verbessert wird.
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Mittlerweile
werden konventionell mechanische Kollimatoren zum Übertragen
von Licht in einer parallelen Weise verwendet. Insbesondere wird
in großen
optischen Systemen, beispielsweise Kantenortungssystemen und Entfernungsmessgeräten für gewebeförmige Messobjekte,
ein großer
Kollimator verwendet. Diese Art von mechanischem Kollimator kann
auch bei der Übertragung
von Licht zwischen einem linear veränderlichen Filter und einem
linearen Sensor verwendet werden. Jedoch haben solche Kollimatoren
voluminöse
Strukturen und es wurde geglaubt, dass es unmöglich sei, ein kompaktes Produkt
herzustellen, das Anforderungen hinsichtlich einer hohen Auflösung befriedigt
und fähig
ist, bei der Übertragung
von Licht zwischen einem linear veränderlichen Filter und einem
linearen Sensor verwendet zu werden.
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US-Patent
Nr. 6,000,270 offenbart einen Kollimator, der bei der Herstellung
von Halbleiter-Vorrichtungen verwendet wird, der eine im Wesentlichen Honigwaben-artige
Form hat und aus Folien aus dünnem
Metall hergestellt ist.
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In
der Absicht, ein Verfahren zum Beseitigen der oben genannten Probleme
zu entwickeln, gelang es den Erfindern, spektrale Ergebnisse mit
hoher Wellenlängen-Auflösung und
ohne jegliche Unregelmäßigkeiten
zu erhalten, indem sie einen faseroptische Folie (nachfolgend mit
FOP abgekürzt)
zwischen dem linear veränderlichen
Filter und dem linearen Sensor oder an der nach vorne gerichteten Oberfläche des
linear veränderlichen
Filters platzierten, und haben zur Erlangung eines Patents die Patentanmeldung
2001-078176 (nachfolgend als „die frühere Anmeldung" bezeichnet) eingereicht.
Ein FOP mit hoher Richtfähigkeit
(NA = 0,35) wird in den Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung insbesondere zum Verbessern der Wellenlängen-Auflösung verwendet.
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Ein
strukturelles Diagramm davon ist in 16 dargestellt.
Faseroptische Folien 33a und 33b sind oberhalb
des Sensorpakets 32 eines linearen Sensors 31 in
der in der Figur dargestellten Weise bereitgestellt und ein linear
veränderlicher
Filter 34 ist auf die faseroptische Folie 33a auf
der Oberseite davon gebondet. Der Raum zwischen dem linearen Sensor 31 und
der faseroptischen Folie 33b ist mit einem transparenten
Harz 35 gefüllt
und ist ungefähr
0,01 mm breit. Die numerische Apertur (NA) der faseroptischen Folien 33a und 33b wird
in diesem Ausführungsbeispiel
mit 1 angenommen.
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Der
Grund für
das Aufteilen der faseroptischen Folien 33a und 33b in
zwei Schichten ist, dass die faseroptische Folie 33a statt
dem Oberflächen-bedeckenden
Glas des Sensorpakets 32 des linearen Sensors 31 verwendet
wird; und wenn dies unnötig
ist, kann eine einzelne faseroptische Folie verwendet werden, oder 33a und 33b können in
einer integrierten Weise hergestellt werden.
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Für in den
linear veränderlichen
Filter 34 vom oberen Abschnitt der Figur aus eintretendes
Licht wird lediglich Licht mit einer Wellenlänge, die durch die Eintrittsstelle
in den linear veränderlichen
Filter 34 bestimmt wird, transmittiert, gemäß der Position
des linear veränderlichen
Filters 34 spektral aufgeteilt, von den faseroptischen
Folien 33a und 33b geführt und durch das transparente
Harz 35 hindurch auf den zugehörigen Pixel des linearen Sensors 31 gerichtet. Daher
kann eine spektrale Messung durchgeführt werden, indem die Ausgabe
eines jeden Pixels des linearen Sensors verarbeitet wird.
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Da
der linear veränderliche
Filter 34 und die faseroptische Folie 33a miteinander
verbunden sind, gibt es im Raum dazwischen keine Lichtstreuung, aber
ein geringer Grad an Lichtstreuung tritt trotzdem zwischen der faseroptischen
Folie 33b und dem linearen Sensor 31 auf, auch
wenn die numerische Apertur der faseroptischen Folien 33a und 33b gleich
1 ist. Dies stellt jedoch kein großes Problem dar, da deren Intervall
ungefähr
0,01 mm beträgt.
Die Licht-Übertragungsrate
von dem linear veränderlichen
Filter zu dem linearen Sensor beträgt in diesem Ausführungsbeispiel
ungefähr
60–70%,
was offensichtlich ganz und gar nicht minderwertig ist, wenn dieser
Wert mit dem herkömmlichen
Beispiel, bei dem ein linear veränderlicher
Filter und ein linearer Sensor aneinander angrenzen, verglichen
wird.
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Bei
diesem Verfahren existieren dennoch auch Probleme. Insbesondere
reicht der effektive Wellenbereich der FOP, in der die tatsächliche
NA 0,35 beträgt,
nur von 400 bis 800 nm. Folglich können von längeren Wellenlängen (800
nm oder größer) keine
hoch aufgelösten
spektralen Ergebnisse erhalten werden. Zur gleichen Zeit wird gesagt,
dass linear veränderliche
Filter für
eine Wellenlänge
von 0,4 μm
bis 20 μm
hergestellt werden können.
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Um
eine FOP bei größeren Wellenlängen zu verwenden,
muss eine Faser für
diesen Wellenbereich neu hergestellt werden. Es ist teuer und unpraktisch,
eine optische Faser entsprechend einer jeden Wellenlänge herzustellen.
Ein anderer Nachteil ist, dass die Lichtdurchlässigkeit vermindert wird, wenn NA
= 0,35, selbst in einer FOP im sichtbaren Bereich.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung, die angesichts der obigen Situation entwickelt
wurde, ist, einen Wellenlängen-unabhängigen kompakten
Kollimator mit hoher Wellenlängen-Auflösung bereitzustellen
und ein kompaktes Spektrophotometer bereitzustellen, das diesen
Kollimator verwendet und eingerichtet ist, mit hoher Geschwindigkeit
und hoher Genauigkeit spektral zu messen.
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Diesbezüglich stellt
die Erfindung einen Kollimator mit den Merkmalen des Anspruchs 1
und einen Kollimator mit den Merkmalen des Anspruchs 2 bereit. Außerdem wird
ein entsprechendes Spektrophotometer mit den Merkmalen des Anspruchs
5 bereitgestellt. Weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
erklärt.
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Die
Erfindung betrifft einen Kollimator, bei dem der Licht-Transmissionspfad
Luft ist.
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Da
der Licht-Transmissionspfad in dieser Erfindung Luft aufweist, ist
es möglich,
einen Wellenlängen-unabhängigen Kollimator
mit geringer Verminderung von infrarotem Licht zu erzielen. Insbesondere
beträgt
die optische Weglänge
für einen
gewöhnlichen
Kollimator ungefähr
0,5–5
mm, und es gibt fast keine Notwendigkeit, Wellenlängen-Abhängigkeit
zu berücksichtigen,
wenn die Vorrichtung vom Ultraviolett-Bereich bis zum fernen Infrarot-Bereich verwendet
wird.
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Der
gemäß einem
ersten Aspekt dieser Erfindung hergestellte Kollimator ist derart
konfiguriert, dass eine Mehrzahl von Löchern, deren Breite gleich der
Dicke der zuvor genannten ersten Metallfolien ist, parallel zueinander
hergestellt wird, wobei ein Intervall offen gelassen wird, das der
Dicke der zuvor genannten zweiten Metallfolien gleicht. Insbesondere wird
ein Kollimator mit einer Anzahl von Öffnungen gleich der Anzahl
von ersten Metallfolien hergestellt. Die ersten Metallfolien und
die zweiten Metallfolien sind mittels Diffusions-Bonden basierend
auf Thermokompressions-Bonden gebondet und können daher ausreichend dünn gemacht
werden (insbesondere kann deren Dicke in der Größenordnung von einigen zehn
Mikrometern liegen), und ein Kollimator kann daher hergestellt werden,
in dem eine große Anzahl
von Löchern
einige zehn Mikrometer breit in Intervallen von einigen zehn Mikrometern
verteilt sind.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt dieser Erfindung wird ein zweidimensionaler Kollimator
hergestellt, indem alternierend erste Metallfolien mit parallelen
Löchern
in einer Mehrzahl von Reihen und zweite Metallfolien ohne Löcher gestapelt
werden, gegenüber
liegende Seiten davon mit Pressfolien gepresst werden, diese Teile
mittels Diffusions-Bonden basierend auf Thermokompressions-Bonden
integriert werden und die Abschnitte, die den Abschnitten entsprechen,
in denen Löcher
in den ersten Metallfolien existieren, in der Stapelrichtung der
Metallfolien geschnitten werden. Die zuvor genannten parallelen Löcher sind
in einem Intervall in einer einzelnen Richtung angeordnet, und die
Löcher
sind gemäß der Anzahl
der ersten Metallfolien in der dazu senkrechten Richtung angeordnet,
wie in dem zuvor beschriebenen ersten Mittel. Es ist daher möglich, einen
zweidimensionalen Kollimator mit der gleichen Struktur wie den zuvor
genannten Kollimator zu konstruieren.
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Gemäß einem
dritten Aspekt dieser Erfindung werden Löcher in der zweiten Metallfolie
in den Schnitt-Abschnitten der zweiten Metallfolien geöffnet. Die
Länge der
Löcher
in den Schnittebenen ist gleich oder größer als die Breite der Löcher in
den Schnittebenen der ersten Metallfolien, und die Löcher in
den zweiten Metallfolien bedecken die Löcher in den ersten Metallfolien
in den Schnittebenen.
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Aufgrund
dessen kann Schneiden durchgeführt
werden, bis der Schnitt-Abschnitt die Durchgangslöcher in
den ersten Metallfolien während
des Schneidens erreicht, und es gibt keine Notwendigkeit, die Abschnitte
der zweiten Metallfolien, die die Barrieren der Kollimator-Löcher (die
Löcher
wurden zuvor erzeugt) in den zweiten Metallfolien aufweisen, zu
schneiden. Diese Abschnitte erfahren daher keine Verformung durch
die Schneidekraft oder durch Hitze während des Schneidens.
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Die
in den ersten Metallfolien erzeugten Durchgangslöcher in diesem Mittel können in
Längsrichtung
hergestellte Gitterelemente aufweisen, insbesondere in der Richtung
orthogonal bezüglich
deren Schnittebenen. Diese Gitterelemente dienen als Streben zum
Tragen der zweiten Metallfolien, die die Barrieren der Kollimator-Löcher aufweisen,
und verhindern Deformation der zweiten Metallfolien, wenn der Kollimator
fertig gestellt wird, wie später
im Detail in dem Abschnitt mit den Ausführungsbeispielen unter Verwendung
der Figuren beschrieben wird. Es ist daher möglich, einen Kollimator zu
erzielen, dessen Löcher
eine regelmäßige Form
haben.
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Die
Konfiguration dieser Erfindung ist im Wesentlichen identisch zu
der Konfiguration der Erfindung aus der im Stand der Technik beschriebenen „früheren Anmeldung", unterscheidet sich
jedoch dadurch, dass an Stelle einer faseroptischen Platte (FOP)
ein Kollimator gemäß irgendeinem
der oben genannten Mittel verwendet wird. Eine FOP ist also eine
Art von Kollimator, jedoch breitet sich das Licht innerhalb einer
Faser aus und die Wellenlängen-Abhängigkeit
des Brechungsindex der Faser beeinträchtigt die Ausbreitungs-Charakteristik. Im
Gegensatz dazu weist der Licht-Transmissions-Weg
in irgendeinem der in dieser Erfindung verwendeten Kollimatoren
Luft auf, so dass es keine Wellenlängen-Abhängigkeit gibt und dass Licht
im Bereich von infrarotem Licht bis zu ultraviolettem Licht spektral aufgespaltet
werden kann.
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Ein
linearer Objektiv-Element-Sensor, der ein Beispiel für ein Spektrometer
ist, in dem ein linear veränderlicher
Filter verwendet wird, ist extrem schmal, hat eine Länge von
12,5 mm und weist 265 Wellenlängen-Detektionselemente
auf, die jeweils 50 μm
breit sind (Breite: 2.500 μm).
Außerdem
sollte die Abstands-Dimension des Kollimator-Zwischenraums vorzugsweise
ungefähr
10–100 μm betragen,
da das linear veränderliche
Filter und der lineare Sensor die gleichen Dimensionen haben (1
: 1).
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Diagramm, das einen konzeptionellen Umriss eines Kollimators
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung illustriert;
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2 ist
ein Diagramm zum Beschreiben eines beispielhaften Herstellungsverfahrens
des in 1 dargestellten Kollimators;
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3 ist
ein Diagramm zum Beschreiben eines beispielhaften Herstellungsverfahrens
des in 1 dargestellten Kollimators;
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4 ist
ein Diagramm, das ein Bespiel für eine
Struktur von Bauelementen zum Herstellen eines zweidimensionalen
Kollimators und ein Beispiel eines Querschnitts durch den zweidimensionalen Kollimator
illustriert;
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5 ist
ein Diagramm, das ein Bespiel für eine
Struktur von Bauelementen zum Herstellen eines Gitters als ein Verstärkungs-Bauelement
und ein Beispiel eines Querschnitts durch einen eindimensionalen
Kollimator mit dem Gitter illustriert;
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6 ist
ein Diagramm, das die Struktur von Bauelementen zum Vermeiden von
Deformation während
des Schneidens illustriert;
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7 ist
ein Diagramm, das einen strukturellen Umriss eines Spektrophotometers
als ein Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung illustriert;
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8 ist
ein Diagramm, das einen Umriss einer als Kollimator verwendeten
Kapillarenplatte illustriert;
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9 ist
ein Diagramm, das einen Umriss einer zum Untersuchen der Charakteristik
des Spektrophotometers gemäß einem
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung verwendeten Vorrichtung illustriert;
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10 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse direkter spektraler Zerlegung von
Licht illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle emittiert
wurde;
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11 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht
illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle durch ein Didymium-Filter hindurch
emittiert wurde;
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12 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht
illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle über eine
Streuplatte emittiert wurde;
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13 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht
illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle über eine
Streuplatte und ein Didymium-Filter emittiert wurde;
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14 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht
illustriert, das unter Verwendung einer Infrarot-Lichtquelle als
eine parallele Lichtquelle durch ein Didymium-Filter transmittiert
wurde;
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15 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse spektraler Zerlegung von Licht
illustriert, das von einer parallelen Lichtquelle durch ein Didymium-Filter in
der Erfindung der „früheren Anmeldung" emittiert wurde,
wobei eine FOP als ein Kollimator verwendet wird; und
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16 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel einer Konfiguration der spektralen
Vorrichtung der Erfindung der „früheren Anmeldung" illustriert.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung werden nun nachfolgend unter Verwendung der Figuren beschrieben. 1 ist
ein Diagramm, das einen konzeptionellen Umriss eines Kollimators
gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung illustriert. In 1 ist (a)
eine Aufsicht, (b) eine Frontansicht, (c) eine A-A-Querschnitts-Ansicht
und (d) eine B-B-Querschnitts-Ansicht. Da diese Figur ein konzeptioneller
Umriss zum Beschreiben der Struktur ist, entsprechen die gezeigten
Dimensionen nicht den tatsächlichen
Dimensionen.
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Wie
in dem Diagramm offensichtlich ist, wird der Kollimator erhalten
aus einem alternierenden aufeinander Schichten von Metallfolien 1 (40 μm dick), die
Löcher 4 mit
einer Breite von 2.200 μm
in deren Mitte aufweisen, und von Metallfolien 2 (10 μm dick) ohne
Löcher
(hier beschreibt „Metallfolien 1 mit
Löchern 4" den Zustand, der
existiert, bevor sie in der unten beschriebenen Weise geschnitten
sind, wobei der obere Abschnitt und der untere Abschnitt der Metallfolien 1 in
der Figur (in dem fertiggestellten Produkt) nicht miteinander verbunden
sind). Beide Seiten werden mittels Pressfolien 3 gehalten,
die 2 mm dick sind. Diese Metallfolien und Pressfolien sind mittels
Diffusions-Bonden basierend auf Thermokompressions-Bonden gebondet.
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Die
Abschnitte mit den vertikalen Durchgangslöchern 4 (40 μm × 2.000 μm) werden
daher Licht-transmittierende Abschnitte, wobei die Metallfolien 2 als
Barrieren zwischen benachbarten Löchern 4 dienen, und
auf eine Breite von 40 μm
kollimiertes Licht breitet sich letzten Endes durch diese hindurch aus.
Die verwendete dünne
Metallfolie kann irgendeine photoätzbare dünne Metallfolie sein, solange
diese Folie gestapelt und unter Verwendung von Thermokompressions-Bonden
Diffusions-gebondet
werden kann. In diesem Fall wird jedoch eine SUS-Folie verwendet. Diese Folie hat eine
hohe Festigkeit und ist vergleichsweise billig und weit verbreitet
verfügbar.
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Aluminium
ist ein anderes effektives Material, aber SUS ist hinsichtlich Festigkeit überlegen.
Die Struktur des in der Figur mittels einer gepunkteten Linie dargestellten
Abschnitts ist identisch zu den Abschnitten links und rechts davon
und wird in dem Diagramm daher nicht dargestellt. 256 Metallfolien
1 und 255 Metallfolien 2 sind aufeinander gestapelt und 256 Lichtdurchgänge sind
in diesem Ausführungsbeispiel
ausgebildet.
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Wegen
der Neuheit dieses Kollimators wird ein Beispiel des Herstellungsverfahrens
dafür beschrieben.
Wie in 2 dargestellt, werden dünne SUS-Folien 1 mit
einer Länge
von 100 mm, einer Breite von 8 mm und einer Dicke von 40 μm, dünne SUS-Folien 2 mit
einer Länge
von 100 mm, einer Breite von 8 mm und einer Dicke von 10 μm sowie eine
dünne SUS-Folie 3 mit
einer Länge
von 100 mm, einer Breite von 8 mm und einer Dicke von 2 mm hergestellt,
und werden Löcher 4 mit
den Maßen
40 μm × 2.200 μm in den
Mittenabschnitten der dünnen SUS-Folien 1 mittels
Photolithographie und Ätzen
erzeugt. Photolithographie und Ätzen
werden auch für jede
der dünnen
SUS-Folien 1 und der dünnen SUS-Folien 2 verwendet,
elektro-erosive
Bearbeitung wird für
die SUS-Folien 3 verwendet, um zwei Löcher 5 mit einem Durchmesser
von 2 mm darin zu erzeugen. Der Grund dafür, Ätzen als ein Herstellungsverfahren
zu verwenden, ist das Ausschließen des
Auftretens von Schweiß-Blitzen.
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Eine
40 μm dünne SUS-Folie 1 wird
als nächstes über der
2 mm dicken SUS-Folie 3 platziert und eine 10 μm dünne SUS-Folie 2 wird
darauf gestapelt. 40 μm
und 10 μm
dünne SUS-Folien
werden dann alternierend gestapelt. In diesem Beispiel werden 256
40 μm SUS-Folien 1 und
255 10 μm SUS-Folien 2 aufeinander
gestapelt und eine 2 mm dicke SUS-Folie 3 wird darauf platziert.
Die Folien werden dann unter Verwendung der Löcher 5 mit den 2 mm
Durchmessern ausgerichtet.
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Die
gestapelten Folien müssen
miteinander verbunden werden, da sie in diesem Zustand nicht gesichert
sind. Eine Thermokompressions-Bond-Technik kann hierin verwendet
werden, um die Kontakt-Oberflächen
der SUS-Folien miteinander zu verbinden. Um dies zu erreichen, wird
mit Hilfe von Pressfolien (unter Verwendung von mit dem SUS nicht
verbundenem Material) Druck von oberhalb und unterhalb der gestapelten
Abschnitte auf den gestapelten Abschnitt ausgeübt, wobei der Aufbau in diesem
Zustand in einem Unterdruck-Heizungs-Ofen angeordnet ist, wobei
die Temperatur von Raumtemperatur auf 1.000°C erhöht wird und auf dieser Höhe gehalten
wird, und wobei die Temperatur reduziert wird, wenn das Diffusions-Bonden
als beendet erachtet wird. Dieser Schritt benötigt ungefähr 24 Stunden. Auf diese Weise
wird, wie in 3 dargestellt, eine gebondete
mehrschichtige Folie fertig gestellt. In 3 ist (a)
eine Aufsicht und (b) eine Seitenansicht.
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Die
gebondete mehrschichtige Folie wird dann in ihrer Stapel-Richtung geschnitten.
Die Schneide-Position zum Abschneiden eines einzelnen Kollimators
wird in 3 mittels der gestrichelten
Linie angezeigt. Schneiden wird unter Verwendung von drahtschneidender
elektro-erosiver Bearbeitung durchgeführt. Eine saubere Schnittfläche wird
erhalten, da die Folien Diffusions-gebondet sind. Ein in 1 dargestellter
Kollimator der Höhe
L ist somit hergestellt (die Ansicht von rechts und links in 3 entspricht
(a) in 1). Die Höhe
L des Kollimators wird aus der Länge
ermittelt, wenn die Vorrichtung wie in 3 dargestellt
geschnitten wird. Ein Vorteil dieses Herstellungsverfahrens ist,
dass die Höhe
des Kollimators auf jeden beliebigen Wert in dem letzten Schritt
gefertigt werden kann. L wird für
Anwendungen größer, die
hohe Wellenlängen-Auflösung erfordern.
Anwendungen, die eine große
Geschwindigkeit benötigen,
können
unter Verwendung eines kleineren L-Wertes angepasst werden.
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Oben
wurde ein eindimensionaler Kollimator beschrieben und nun wird ein
zweidimensionaler Kollimator gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung beschrieben. Lediglich ein einzelnes Loch 4 wurde
in der Metallfolie 1 in 2 geöffnet, aber
wie in 4(a) dargestellt, ist in diesem
Ausführungsbeispiel
eine Mehrzahl (sechs sind in der Figur dargestellt, aber eine beliebige
Anzahl davon kann enthalten sein) von rechteckigen Löchern 4 mit
einem vorgegebenen Zwischenraum parallel ausgebildet. Die Metallfolien 2 und
Pressfolien 3 sind entsprechend den Metallfolien 1 dimensioniert
und ein Kollimator ist mittels des gleichen Verfahrens wie das zum
Herstellen des in 1 dargestellten Kollimators
verwendete hergestellt.
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Dies
stellt einen zweidimensionalen Kollimator fertig, bei dem der Querschnitt
entsprechend (c) in 1 in einen Querschnitt wie beispielsweise
denjenigen, der in 4(b) dargestellt
ist, konvertiert wird.
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Bei
dem auf diese Weise hergestellten Kollimator erfahren die Metallfolien 2 manchmal
Wärme-Deformation
und können
nicht parallel zueinander gehalten werden, wenn die in den 1 und 2 dargestellten
Löcher 4 (vertikale
Länge in
der Figur) eine beträchtliche
Länge haben.
In diesen Fällen
wird ein Gitter als eine Verstärkung
der Löcher 4 ausgebildet.
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Insbesondere
wird ein linearer Abschnitt mit einer Breite von ungefähr 100 μm in dem
Loch 4 in der Metallfolie 1 übrig gelassen, wenn ein einzelnes Loch 4 mittels Ätzens hergestellt
wird, wie in 5(a) dargestellt, so
dass ein enges Gitter 6 gebildet wird. Wenn ein Kollimator
mittels solch eines Verfahrens unter Verwendung dieses Typs von
Metallfolie hergestellt wird, wird dieser Kollimator derart gebildet,
dass der Querschnitt entsprechend (c) in 1 in einen Querschnitt,
beispielsweise den in 5(b) dargestellten,
konvertiert wird. Insbesondere kann ein zuverlässiger Kollimator ohne Biegen
der Metallfolien 2 hergestellt werden, da das Gitter 6 derart
gebildet ist, dass es die Metallfolien 1 in diesem Kollimator
verstärkt.
Die Lichttransmissions-Effizienz nimmt leicht ab, da sich Licht
nicht durch den Abschnitt des Gitters 6 hindurch ausbreitet,
aber ungefähr
drei Gitter sind tatsächlich
ausreichend. Auch wenn die Breite (vertikale Richtung in 5)
2.200 μm
beträgt
und das Gitter 6 drei Teile aufweist und eine Breite von
100 μm hat,
summiert sich die Abnahme der Transmissions-Effizienz auf ungefähr 3/22, was kein signifikantes
Problem darstellt. Es ist offensichtlich, dass das gleiche Verfahren
für den
oben erwähnten
zweidimensionalen Kollimator ebenso verwendet werden kann.
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Da
die Abschnitte der Metallfolien 2, die auf keiner Seite
mittels der Metallfolien 1 gehalten werden (insbesondere
die den Löchern 4 entsprechenden
Abschnitte), eine geringe Festigkeit (das ist die Festigkeit einer
Folie mit ungefähr
40 μm Dicke)
aufweisen, wenn in irgendeinem der oben beschriebenen Verfahren
drahtschneidende elektro-erosive Bearbeitung durchgeführt wird,
deformieren sich diese Abschnitte der Metallfolien 2 manchmal
als Ergebnis von Wärme-Deformation
oder mechanische Spannung während
des Schneidens. Die Metallfolien 2 haben zum Vermeiden
dieses Phänomens
die in 6 dargestellte Form. Insbesondere werden zuvor
mittels Ätzens
oder Ähnlichem
Löcher 8 im
Mittenabschnitt der Metallfolien 2 an Positionen gebildet,
die mit mittels drahtschneidender elektro-erosiver Bearbeitung gebildeter
Schnittebenen 7 ausgerichtet sind. Die Löcher sind
derart dimensioniert, dass sie die Breitenrichtung (vertikale Richtung
in 6) der in den Metallfolien 1 gebildeten
Löcher 4 vollständig bedecken,
wenn die Metallfolien 1 und 2 aufeinander gelegt
werden. Insbesondere ist deren Höhe
gleich oder größer als
die Breite der Löcher 4. Übrigens
ist es vorteilhaft, wenn die Breite der Löcher 4 und die Höhe der Löcher 8 im
Wesentlichen identisch ist und wenn beide Typen von Löchern nahezu
vollständig aufeinander
gelegt sind.
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Auf
diese Weise kann der mittels drahtschneidender elektro-erosiver Bearbeitung
geschnittene Abschnitt sich bis zu beiden Löchern 4 und 8 erstrecken
und fast kein Abschnitt der Metallfolien 2, der die Seitenfläche der
Löcher 4 bildet,
wird einer drahtschneidenden elektro-erosiven Bearbeitung unterzogen.
Dieser Abschnitt erfährt
daher keine Wärme-Deformation und ein
genauer Schlitz wird darin gebildet.
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In
einem beliebigen der oben beschriebenen Kollimatoren werden die
Metallfolien 1 zunächst
als eine Einzelfolie verbunden, werden aber nach dem Unterziehen
einer drahtschneidenden elektro-erosiven Bearbeitung in hauchfeine
Abschnitte aufgeteilt. Die in diesem Schritt aufgeteilten Abschnitte
bleiben jedoch zusammen, da sie mittels Diffusions-Bonden basierend
auf Thermokompressions-Bonden an die Metallfolien 2 gebondet
sind.
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7 ist
ein Diagramm, das einen strukturellen Umriss eines Spektrophotometers
als ein Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung illustriert. Dieses Spektrophotometer ist eine
eindimensionale spektrale Vorrichtung und ist um ein linear veränderliches
Filter 11, eine Kollimator 12, ein linearer-Semsor-Paket 13 und
einen linearen Sensor 14 herum strukturiert. Licht, das
von dem linear veränderlichen
Filter 11 spektral aufgeteilt wird, breitet sich durch
den Kollimator 12 hindurch aus und wird zu dem linearen
Sensor 14 innerhalb des linearer-Sensor-Pakets 13 geführt. Der
linear veränderliche
Filter 11, der Kollimator 12 und das linearer-Sensor-Paket 13 sind
derart strukturiert, dass sie gegenseitig im Kontakt stehen. Der
lineare Sensor 14 ist innerhalb des linearer-Sensor-Pakets 13 befestigt
und hat die Funktionalität, Licht
von dem Kollimator 12 durch ein Glasfenster (nicht dargestellt)
hindurch zu empfangen und das Licht in elektrische Signale zu konvertieren.
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Die
Wellenlänge
des sich durch das linear veränderliche
Filter 11 hindurch ausbreitenden Lichts wird gemäß der Position
in der Breitenrichtung des linear veränderlichen Filters 11 ermittelt.
Der Kollimator 12 führt
das von jeder Position in der Breitenrichtung des linear veränderlichen
Filters 11 emittierte Licht zu dem linearen Sensor 14,
ohne das Licht mit von anderen Positionen emittierten Licht zu vermischen.
Die spektrale Charakteristik des auf das linear veränderliche
Filter 11 einfallenden Lichts kann daher ermittelt werden,
indem die Ausgabe eines jeden Elements des linearen Sensors 14 detektiert
wird.
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Von
dem linear veränderlichen
Filter 11 emittiertes Licht kann in einem Zustand geringer
Schwächung
des linearen Sensors 14 transmittiert werden und die Sensitivität kann in diesem
Ausführungsbeispiel
verbessert werden, da der Kollimator 12 zum Übertragen
von emittiertem Licht von dem linear veränderlichen Filter 11 zu
dem linearen Sensor 14 mit einem Luftraum als ein Medium
eingerichtet ist.
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8 stellt
ein erstes Beispiel eines in dem in 7 gezeigten
Ausführungsbeispiel
verwendeten Kollimators dar. In diesem Beispiel wird die auf der
Homepage von Hamamatsu Photonics beschriebene Kapillarenplatte als
Kollimator verwendet. Diese Kapillarenplatte weist Löcher mit
Durchmessern von einigen wenigen Mikrometern bis mehrere hundert
Mikrometer auf, die in einer regelmäßigen Weise in Glas ausgebildet
sind, und kann mit einer Dicke von 0,5 mm bis zu mehrere zehn Mikrometer
hergestellt werden.
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Die
Kapillarenplatte kann als ein Kollimator verwendet werden, indem
eine Beschichtung zur vollständigen
Absorption von Licht auf der Innenfläche der Löcher in der Platte aufgebracht
wird. Die von dem linear veränderlichen
Filter 11 emittierte spektrale Wellenlänge wird mit Hilfe dieses Kollimators
zu dem linearen Sensor 14 übertragen.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
hat jedoch Nachteile, wonach das Öffnungsverhältnis der Kapillarenplatte
gering ist, bei maximal 55% liegt, und die Lichttransmissions-Effizienz
ist ebenso gering, da die Löcher
kreisförmig
sind. Besonders wenn die verwendete Vorrichtung ein eindimensionales
Spektrometer ist, nimmt die Anzahl an unbrauchbaren Abschnitten
auf Grund der insgesamt kreisförmigen Form
der Kapillarenplatte zu.
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Diese
Probleme können
unter Verwendung eines Kollimators, wie er beispielsweise in 1 dargestellt
ist, oder eines modifizierten Beispiels (mit einem Gitter) eines
Kollimators, wie beispielsweise der oben beschriebene, welche Ausführungsbeispiele dieser
Erfindung sind, überwunden
werden. Da die Öffnungen
in diese Kollimatoren rechteckig sind, kann insbesondere der Übertragungs-Oberflächenbereich
für Licht
für die
Kapillarenplatte vergrößert werden,
wodurch es möglich
gemacht wird, die Lichttransmissions-Effizienz zu erhöhen.
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7 stellt
eine eindimensional aufteilende Vorrichtung dar, aber wenn für das linear
veränderliche
Filter 11 eine breite Vorrichtung verwendet wird, kann
leicht eine zweidimensionale spektrale Vorrichtung konfiguriert
werden, indem der Kollimator 12 in einen zweidimensionalen
Kollimator konvertiert wird und der lineare Sensor 14 als
eine zweidimensionale Vorrichtung konstruiert wird.
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Auch
wenn eine Kapillarenplatte für
den Kollimator 12 verwendet wird, können in diesem Fall Nachteile
bis zu einem gewissen Grad eliminiert werden, wenn mit dem Fall
einer eindimensionalen spektralen Vorrichtung verglichen wird, aber
eine Abnahme der Lichttransmissions-Effizienz kann nicht vermieden
werden, da die Löcher
kreisförmig
sind. Folglich kann die Lichttransmissions-Effizienz erhöht werden,
wenn ein zweidimensionaler Kollimator, beispielsweise der in 4 dargestellte
oder ein modifiziertes Beispiel mit dem Gitter, verwendet wird.
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Ein
eindimensionaler Kollimator mit einem Gitter wie in 5(b) dargestellt
wurde hergestellt. SUS wurde für
die Metallfolien 1, die Metallfolien 2 und die
Pressfolien 3 verwendet; die Metallfolien 1 waren
90 μm dick,
die Metallfolien 2 waren 10 μm dick und die Pressfolien waren
2 mm dick; und die mittels Photolithographie und Ätzen erzeugten
Löcher 4 waren
2.200 μm
breit. Wie in 5(a) dargestellt, wurde
ein fünfteiliges
Gitter mit einer Breite von 100 μm
mit regelmäßigen Zwischenräumen innerhalb
des 2.200 μm-Raumes
gebildet. Wie in 6 dargestellt, wurden in der
Mitte der Metallfolien 1 mittels Photolithographie und Ätzen Löcher 8 mit
einer Breite (horizontale Richtung in der Figur) von 1 mm und einer
Länge (vertikale
Richtung in der Figur) von 2.400 μm
mit 4 mm Zwischenräumen
in der Querrichtung der Figur gebildet. 128 Metallfolien 1 und 127 Metallfolien 2 wurden
alternierend aufeinander auf einer Pressfolie 3 gestapelt,
eine andere Pressfolie 3 wurde schließlich darauf aufgebracht, der
Aufbau wurde mittels Thermokompressions-Bondens gemäß dem in
den Ausführungsbeispielen
beschriebenen Verfahren Diffusions-gebondet, und der Abschnitt mit den
darin geöffneten
Löchern 8 wurde
mittels drahtschneidender elektro-erosiver Bearbeitung geschnitten.
Ein Kollimator mit einer Dicke von 3 mm, einer Breite von 2.200 μm und einer
Länge von
ungefähr 15,8
mm wurde dabei fertig gestellt. 128 Löcher mit einer Dicke von 90 μm und einer
Länge von
2.200 μm wurden
in diesem Kollimator gebildet.
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Die
spektrale Charakteristik der in 7 dargestellten
und unter Verwendung dieses Kollimators erhaltenen eindimensionalen
spektralen Vorrichtung wurde unter Verwendung einer Vorrichtung,
wie beispielsweise in 9 dargestellt, untersucht. Ein
von einer parallelen Lichtquelle 21 emittierter paralleler Lichtstrahl
mit einem kontinuierlichen Spektrum wurde mittels einer Streuplatte 22 gestreut
und mittels eines Wellenlängen-Kalibrierungsfilters 23 übertragen, und
die Wellenlängen-Verteilung
wurde mittels einer eindimensionalen spektralen Vorrichtung, wie
beispielsweise der in 7 dargestellten, gemessen.
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10 zeigt
die Ergebnisse direkter spektraler Zerlegung von Licht, das von
der parallelen Lichtquelle 21 ohne Verwendung der Streuplatte 22 oder des
Wellenlängen-Kalibrierungsfilters 23 emittiert wurde;
und 11 zeigt die Ergebnisse direkter spektraler Zerlegung
von Licht, das erhalten wurde, wenn ein Didymium-Filter als Wellenlängen-Kalibrierungsfilter
ohne Verwendung der Streuplatte 22 verwendet wurde. Die
theoretische Lichtabsorptions-Peak-Wellenlänge für ein Didymium-Filter beträgt 580 nm
und dessen theoretisches Licht-Absorptionsvermögen beträgt 1,80, aber, wie aus 11 offensichtlich
wird, gibt es einen Peak bei einer Wellenlänge, die 580 nm entspricht
(in der Figur als Pixel-Einheiten
eines linearen Sensors dargestellt), und dessen Licht-Absorptionsvermögen beträgt 1,769.
Es ist nun offensichtlich, dass die Auflösung der spektralen Vorrichtung
besonders hoch ist. Wie vorhin schon bemerkt, wird eine solch hohe
Wellenlängen-Auflösung erreicht,
auch wenn ein Zwischenraum von ungefähr 2 mm zwischen dem Kollimator 12 und
dem linearen Sensor 14 bereitgestellt wird, da ein in der
oben beschriebenen Weise kalibrierter Kollimator eine extrem gute
Kollimations-Charakteristik aufweist.
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Im
Gegensatz hierzu mussten in der Erfindung der „früheren Anmeldung" die FOP und der
lineare Sensor befestigt werden und musste das linearer-Sensor-Paket 13 maschinell
bearbeitet werden. In diesem Ausführungsbeispiel wurde auch eine
adäquate
Charakteristik auf Grund solcher Charakteristiken erreicht, wenn
der Kollimator 12 mit dem linearer-Sensor-Paket 13 verbunden
wird.
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Eine
Streuplatte 22 wurde vor dem Didymium-Filter bereitgestellt
und die gleiche Art von Experiment wurde zum weiteren Untersuchen
der Kollimator-Leistung durchgeführt. 12 stellt
die Ergebnisse des Messens der spektralen Charakteristik dar, die
erhalten wird, wenn die Streuplatte 22 alleine, ohne irgendein
Didymium-Filter, vorgesehen ist. Gemäß einem Vergleich zwischen 10 und 12 bleiben
beide Charakteristiken ohne Rücksicht
auf die vorhergesagte Abnahme der Wellenlängen-Auflösung in 12 im
Wesentlichen unverändert,
da in 12 Licht auf das linear veränderliche
Filter 11 aus verschiedenen Winkeln einfällt. Diese
wird der Tatsache zugeschrieben, dass, da der Kollimator 12 eine
adäquate
Kollimations-Charakteristik aufweist, nur sich geradlinig ausbreitendes
Licht zu dem linearen Sensor 14 übertragen wird, auch wenn das
Streulicht auf das linear veränderliche
Filter 11 einfällt.
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13 zeigt
die Ergebnisse, die erhalten wurden, wenn ein Didymium-Filter als
ein Wellenlängen-Kalibrierungsfilter 23 hinter
der Streuplatte 22 eingefügt wurde und da hindurch sich
ausbreitendes Licht spektral aufgeteilt wird. Es erscheint in 13 auch
ein Absorptions-Peak an einer Position, die 580 nm entspricht, was
die theoretische Lichtabsorptions-Peak-Wellenlänge eines Didymium-Filters
ist, und der Absorptions-Kurvenverlauf ist fast identisch zu dem
in 11 dargestellten. Jedoch beträgt das Absorptionsvermögen 1,65,
was etwas geringer ist als in dem Fall, bei dem die Streuplatte
fehlt.
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Es
ist aus den obigen Ergebnissen offensichtlich, dass hohe Wellenlängen-Auflösung unter Verwendung
des oben erwähnten
Kollimators erreicht wird, auch wenn das Licht Streulicht aufweist und
es einen Zwischenraum zwischen dem Kollimator und dem linearen Sensor
gibt.
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Die
oben beschriebenen Experimente betrafen sichtbares Licht, aber 14 zeigt
die Ergebnisse, die mittels spektralen Aufteilens von transmittiertem
Licht unter Verwendung einer Infrarot-Lichtquelle als die parallele
Lichtquelle 21 und unter Verwendung von lediglich einem
Didymium-Filter ohne Einsetzen einer Streuplatte 22 erhalten
wurden. Der Absorptions-Peak des Didymium-Filters für infrarotes
Licht ist 800 nm und dessen theoretisches Licht-Absorptionsvermögen beträgt 1,20,
und es gab in dem Spektrometer auch einen Absorptions-Peak bei 800
nm, und das gemessene Licht-Absorptionsvermögen von 1,201
lag äußerst nahe
bei dem theoretischen Wert. Es ist daher offensichtlich, dass das
Spektrometer auch für
die spektrale Zerlegung von infrarotem Licht ebenso verwendet werden
kann.
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15 stellt
die spektrale Charakteristik eines vergleichbaren Beispiels dar,
welche unter Verwendung einer spektralen Vorrichtung (dargestellt
in 16), die die in der Erfindung der „früheren Anmeldung" beschriebene faseroptische
Platte nutzt, und unter Verwendung der Streuplatte 22 und
des Didymium-Filters erhalten wurde. Der Lichtabsorptions-Peak für die Didymium-Filter-Absorptions-Wellenlänge von
580 nm fällt
auf 1,30 ab und die Wellenform lässt
allgemein nach. Der Grund dafür
ist, dass die Kollimator-Leistung im Vergleich mit den Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung schlecht ist.