DE69432600T2

DE69432600T2 - Abstimmbares filter mit variabler spektraler auflösung

Info

Publication number: DE69432600T2
Application number: DE69432600T
Authority: DE
Inventors: W. Theodore HILGEMAN
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1994-11-04
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2014-11-05
Also published as: WO1995013559A1; IL111575A; US5452121A; EP0728323B1; DE69432600D1; JPH09505141A; IL111575A0; EP0728323A1; CA2175919A1; EP0728323A4

Description

Die Erfindung betrifft ein abstimmbares Filter mit veränderlicher spektraler Auflösung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Filter dieses Typs wird in einem dispersiven Spektrometer eingesetzt.
Die Spektroskopie ist eine analytische Methode, die sich mit der Messung der Interaktion (üblicherweise der Absorption oder Emission) von Strahlungsenergie mit Materie befaßt. Ein dispersives Spektrometer ist ein Gerät, welches Wellenlängen von Strahlungsenergie für spektroskopische Zwecke mißt, und welches im allgemeine eine Strahlungsquelle, ein Dispersionsbauelement und einen Detektor erfordert.
Für zahlreiche analytische Zwecke ist es wünschenswert, die spektrale Auflösung des Spektrometers zu variieren, beginnend mit der Suche bei breiter spektraler Auflösung, und die spektrale Auflösung steigernd, wenn die interessierende Zone geortet ist. Bei sich zeitlich ändernden Proben muß die spektrale Auflösung allerdings sehr rasch erhöht werden. Konventionelle dispersive Spektrometer eignen sich für diesen Zweck deshalb nicht, weil sie zwar für eine veränderliche spektrale Auflösung ausgerüstet sind, die Änderung der spektralen Auflösung aber jedoch gering ist und mit einer Änderung der räumlichen Auflösung einhergeht.
Weitere bekannte Spektrometer eignen sich ebenfalls nicht für eine solche Spektralanalyse von sich zeitlich ändernden Proben. Fouriertransformations-Spektrometer beispielsweise können eine veränderliche spektrale Auflösung unter Beibehaltung der räumlichen Abbildung aufweisen, sie erfordern aber ei ne endliche Zeitspanne, in der das Signal sich nicht ändert oder in der spektrale Verzerrungen auftreten. Spektrometer mit Fabry-Perot-Filtern hingegen können veränderliche Mittenwellenlängen und räumliche Abbildung besitzen, sie sind aber auf eine feste spektrale Auflösung beschränkt. Damit erreicht keiner der bekannten Spektrometertypen sowohl eine variable Mittenwellenlänge als auch eine sich rasch ändernde spektrale Auflösung unter Beibehaltung der räumlichen Darstellung. Darüber hinaus besitzt jeder bekannte Spektrometertyp mit Ausnahme des Fabry-Perot-Spektrometers sich bewegende Teile, was für zahlreiche Anwendungen unvorteilhaft sein kann, beispielsweise bei dem Einsatz auf Langzeitmissionen im Weltraum.
Gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt die US-A-4 448 486 ein Filter, bei dem eine Mittenwellenlänge mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers einstellbar ist. Bei einer ersten Ausführungsform ist dies die einzige Möglichkeit zum Ändern der Mittenwellenlänge. Darüber hinaus gibt es eine Ausführungsform, bei der die Finesse sich durch eine hintere Spinne oder unter Einsatz von veränderlichem reflektierendem Material für Beschichtungen auf der Oberfläche eines Drehfensters variieren läßt.
Die vorliegende Erfindung löst diese Probleme durch Schaffung einer rasch justierbaren Mittenwellenlänge ohne das Erfordernis beweglicher Teile unter Verwendung einer Optik ähnlich derjenigen, wie sie in einem Fabry-Perot-Spektrometer eingesetzt wird, wobei dennoch eine sofort einstellbare spektrale Auflösung erreichbar ist. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß eine elektrisch veränderliche reflektierende Beschichtung auf mindestens einer Innenfläche eines ansonsten konventionell ausgebildeten Fabry-Perot-Filters vorgesehen wird.
Der Einsatz von elektrisch varüerbarem Reflexionsvermögen ist natürlich bekannt. Ein Beispiel ist in dem US-Patent 4 923 273 von Taylor dargestellt, der in einer optischen Faser plazierte optische Reiter mit veränderlichem Reflexionsvermögen offenbart. Die optischen Reiter arbeiten als Spiegel in einem Fabry-Perot-Interferometer. Allerdings ist dieses Bauelement bedingt durch seine Bauart ein eindimensionales Gerät, welches nicht in der Lage ist, ein Bild zu erzeugen, es ist vorgesehen für den Einsatz bei nur einer einzigen Wellenlänge. Daher entspricht es nicht einem Wellenlängenfilter oder Spektrometer variabler Auflösung des hier beschriebenen und beanspruchten Typs.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein erstes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines abstimmbaren Filters mit veränderlicher spektraler Auflösung, welches eine sofort einstellbare spektrale Auflösung besitzt.
Ein zweites Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines abstimmbaren Filters mit veränderlicher spektraler Auflösung, welches sowohl eine unmittelbar einstellbare spektrale Auflösung als auch eine rasch einstellbare Mittenwellenlänge besitzt.
Ein drittes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines abstimmbaren Filters mit veränderlicher spektraler Auflösung, welches sowohl eine sofort einstellbare spektrale Auflösung ohne das Erfordernis mechanischer Bewegung als auch eine rasch einstellbare Mittenwellenlänge unter Verwendung eines zuverlässigen piezoelektrischen Aktuators aufweist.
Das Erreichen dieser Ziele vermeidet die oben erläuterten Schwierigkeiten bei herkömmlichen Spektrometern und bietet außerdem den Vorteil, daß ein abstimmbares Filter mit veränderlicher spektraler Auflösung vor einer zweidimensionalen Abbildungs-Brennebene eingesetzt werden kann, während ein herkömmliches dispersives Spektrometer auf ein eindimensionales Linienbild beschränkt ist.
Erreicht werden die erfindungsgemäßen Ziele durch Verwendung einer Optik ähnlich jener eines Fabry-Perot-Spektrometers, bei der die Mittenwellenlänge abgestimmt wird durch Ändern des freien spektralen Bereichs unter Verwendung piezoelektrischer Aktuatoren, indem eine Mosaik-Abbildungsbrennebene hinter dem Filter plaziert wird, um räumliche Auflösung zu erreichen, insbesondere durch Schaffung einer Einrichtung zum Ändern der Finesse des Systems, um die veränderliche spektrale Auflösung zu gewinnen.
Die Finesse eines Fabry-Perot wird durch das Reflexionsvermögen seiner Flächen beherrscht, so daß gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die erfindungsgemäßen Ziele dadurch erreicht werden, daß man eine oder beide Innenflächen dazu bringt, ein elektrisch veränderliches Reflexionsvermögen zu besitzen.
Die Erfindung schafft also eine Kombination aus einer elektrisch veränderlichen reflektierenden Fläche mit einer Optik vom Fabry-Perot-Spektrometerryp, um unabhängig eine veränderliche spektrale Auflösung und Mittenwellenlängen zu erzeugen, während die Fähigkeit zur räumlichen Abbildung in zwei Dimensionen erhalten bleibt. Die Verwendung des bevorzugten abstimmbaren Filters mit veränderlicher spektraler Auflösung beinhaltet die bildgebende Spektromie, wenn das Filter kombiniert wird mit einer Mosaik-Brennebene, die Ferndetektion und -Identifikation unbekannter chemischer Spezies, die Prozeßsteuerung, das heißt das Erfassen und Identifizieren unbekannter Verunreinigungen, und die Fernidentifikation unbekannter Laserlinien.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungsfigur zeigt ein abstimmbares Filter mit variabler spektraler Auflösung, welches nach den Prinzipien einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie in der Figur dargestellt, basiert das bevorzugte abstimmbare Filter mit veränderlicher spektraler Auflösung auf einer Optik, die einem Fabry-Perot-Spektrometer ähnelt, allerdings unter Hinzufügung einer sofort einstellbaren spektralen Auflösung. Das bevorzugte Filter enthält ein poliertes durchlässiges Frontfenster 1, ein poliertes durchlässiges Rückfenster 2 und ein Paar piezoelektrischer Aktuatoren 3 und 4, die in bekannter Weise über elektrische Verbindungen 5 mit einem Steuersystem verbunden sind, damit die piezoelektri- schen Aktuatoren die Mittenwellenlänge durch Ändern des freien Spektralbereichs des Filters, das heißt der Entfernung zwischen den Fenstern 1 und 2, ändern.
Jedes der Fenster 1 und 2 enthält eine Antireflexionsbeschichtung 6 auf seiner Außenfläche. Auf einer Innenfläche des einen der Fenster befindet sich eine teilweise reflektierende Beschichtung 8. Sowohl die Antireflexionsbeschichtungen als auch die teilweise reflektierende Beschichtung sind von bekannter Art und werden üblicherweise bei Fabry-Perot-Filtern eingesetzt.
Besonders allerdings enthält das Filter zum Ändern der Finesse und damit der spektralen Auflösung des Filters auf einer Oberfläche des einen Fensters ein Material 10 mit elektrisch veränderlichem Reflexionsvermögen, außerdem eine elektrische Verbindung 11 zum Steuern des elektrisch veränderlichen Reflexionsvermögens dieses Materials. Eine geeignete Beschichtung ist Vanadium oxid, welches früher in optischen Anzapfungen der im US-Patent 4 923 273 von Taylor beschriebenen Art verwendet wurde. Andere geeignete elektrisch veränderliche reflektierenden Beschichtungen können ebenfalls eingesetzt werden.
Schließlich sieht der Fachmann, daß beide Innenfensteroberflächen anstatt nur einer einzigen Oberfläche mit einer elektrisch veränderlichen reflektierenden Beschichtung und zugehörigen elektrischen Verbindungen ausgestattet werden können.
Nachdem eine spezielle Ausführungsform der Erfindung im einzelnen beschrieben wurde, ist zu erkennen, daß diejenigen, die die Erfindung anhand der obigen Offenbarung in die Praxis umsetzen, von der Beschreibung auf zahlreichen Wegen abweichen können, wobei aber immer noch von der Erfindung Gebrauch gemacht wird. Folglich soll die obige Beschreibung und die Zeichnungsfigur in keiner Weise beschränkend zu verstehen sein, die Erfindung wird ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Abstimmbares Filter mit veränderlicher spektraler Auflösung, umfassend: ein Paar Fenster (1, 2), die mindestens teilweise für elektromagnetische Strahlung transparent sind; und eine Abstimmeinrichtung zum Einstellen einer optischen Weglänge zwischen den Fenstern, um dadurch eine Mittenwellenlänge des Filters zu ändern, wobei das Filter eine Finesse-Änderungseinrichtung zum Variieren einer Finesse des Filters zwecks Änderung seiner spektralen Auflösung aufweist, wobei die Finesse-Änderungseinrichtung eine teilweise reflektierende Beschichtung (8) auf einem der Fenster aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch veränderliches Reflexionsmaterial auf einer Oberfläche des anderen Fensters vorgesehen ist, die der teilweise reflektierenden Beschichtung (10) zugewandt ist; und eine Einrichtung (11) vorgesehen ist, um das Reflexionsvermögen des elektrisch veränderlichen reflektierenden Materials zu steuern, um so die spektrale Auflösung des Filters zu variieren.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung einen piezoelektrischen Aktuator (3, 4) und eine Einrichtung (5) zum Steuern einer an den Aktuator angelegten elektrischen Spannung aufweist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch veränderliche reflektierende Material Vanadiumoxid ist.
Filter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Antireflexionsbeschichtungen (6) auf Oberflächen der Fenster, die der ersten und der zweiten Oberfläche abgewandt sind.