FI109149B - Spektrometri ja menetelmä optisen spektrin mittaamiseksi - Google Patents

Description

109149

Spektrometri ja menetelmä optisen spektrin mittaamiseksi

Keksinnön ala

Keksintö kohdistuu spektrin mittaukseen. Erityisesti keksinnön kohteena on menetelmä optisen spektrin mittaamiseksi ja spektrometri.

5 Keksinnön tausta

Spektrometrejä käytetään optisen säteilyn intensiteetin aallonpituus-jakauman analysointiin. Skannaavissa hila- ja prismamonokromaattoreissa mitattava säteily tuodaan laitteen sisään ns. tuloraosta ja säteily hajotetaan eli dispersoidaan hilan ja prisman avulla niin, että yksi aallonpituuskaista kerral-10 laan johdetaan yksittäiselementtidetektorille ja mitattavan säteilyn intensiteetti-spektri rekisteröidään suoraan hilan tai peilin liikkeen funktiona. Laite mittaa vain yhtä aallonpituuskaistaa kerrallaan ja näin ollen hukkaa suurimman osan käytettävissä olevasta optisesta tehosta ja laitteessa tarvittava erittäin tarkka mekaaninen liike ja sen mittaus on kallis toteuttaa, ikääntyy käytössä, on herk-15 kä lämpölaajenemiselle, lialle ja tärinälle. Hilan liikkeen epämääräisyys ja siitä johtuva aallonpituusasteikon ryömintä on suurin virhetekijä käytettäessä laitteita pitkäaikaisesti näytteiden kemiallisen koostumuksen kvantitatiiviseen tai kvalitatiiviseen analyysiin NIR alueella (Near InfraRed).

Fourier Transform Infra Red (FTIR) -laitteissa mitattava säteily joh-20 detaan Michelson-interferometrin lävitse, jonka optisten haarojen määräämää optista matkaeroa muutetaan liikkuvan peilin avulla mittauksen aikana. Interfe-rometrin läpäisseen säteilyn intensiteetti mitataan optisen matkaeron funktiona v”: yksittäiselementtidetektorin avulla ja näin saatua intensiteettijakaumaa optisen matkaeron funktiona kutsutaan interferogrammiksi. Säteilyn intesiteettispektri 25 lasketaan interferogrammista Fourier-muunnoksella. FTIR-laite mittaa kaikki • aallonpituudet samanaikaisesti. Tämän ns. multipleksausetunsa vuoksi FTIR-laite tuottaa merkittävästi skannaavaa hilamonokromaattoria paremman sig- • · · naalikohinasuhteen, mikäli detektorin kohina on dominoiva kohinalähde, kuten . . se lähes aina IR-alueella on. Koska tekniikka vaatii liikkuvan peilin sisältämän • · · 30 interferometrin, on se äärimmäisen herkkä ympäristön tuottamille häiriöille kuten tärinälle ja lämpötilan vaihteluille. Lisäksi näytteen liikkeestä johtuva modu-:' ·. · laatio tuottaa häiriötä liikkuvaa näytettä mitatessa.

·"*. Skannaava hilamonokromaattori voidaan toteuttaa ilman mekaani- • · sen liikkeen ongelmia luomalla hila akustisen aallon avulla ns. AOTF-kompo- * » · 35 nentissa (Acusto Optical Tunable Filter). Skannaus suoritetaan muuttamalla 2 109149 hilavakiota ja siten sen kulmadispersiota akustisen aallon taajuutta muuttamalla. Tämä tekniikka on kuitenkin kallista, sen lävitse saatava optisen tehon määrä on pieni eikä sillä saavuteta multipleksausetua.

Hilaspektrografissa tulorako kuvataan hilan kautta monielementti-5 sen (esim. 16 - 1024) rividetektorin pinnalle niin, että tuloraon kuvan paikka rividetektorilla siirtyy rivin pituussuunnassa (elementiltä toiselle) aallonpituuden funktiona, jolloin detektorin elementit rekisteröivät kukin omaa aallonpituus-kaistaansa. Näin toteutetussa spektrogratissa ei tarvita liikkuvia osia ja sillä saavutetaan multipleksausetu. Kuitenkin IR-alueella tekniikan tarvitsema rivi-10 detektori on kallis, minkä lisäksi tarvitaan signaalin ilmaisuun kallis ja vaativa lukuelektroniikka. Aallonpituusalueen tai resoluutiovaatimuksen muuttuessa joudutaan usein kalliiseen uuden rividetektorin kehityskierrokseen. Absorptio-spektroskopiaan perustuvissa pitoisuusmittalaitteissa sovelletaan ns. suhde-mittausta, jolla eliminoidaan säteilylähteen lämpötilan, mittausgeometrian, siis ronnan ja detektorin vasteen muutoksia laskemalla ennuste mitattavan aineen pitoisuudelle mitattavan aineen absorptioaallonpituudella ja sen vierestä valitulla referenssiaallonpituudella mitattujen intensiteettien suhteesta, jolloin aallonpituudesta riippumattomat ’’kerrointyyppiset” virheet eliminoituvat jakolaskussa. Koska rividetektorin eri elementtien aallonpituusvasteet ovat valmistus-20 prosessin epätäydellisyydestä johtuen erilaiset, niiden lämpötilat vaihtelevat hieman eri tahtiin, syntyy tästä aallonpituudesta ja ajasta riippuvaa virhettä.

Tämän vuoksi rividetektorin lämpöstabilointi on huomattavasti yksittäisele-menttidetektorin stabilointia vaikeampaa ja tämä johtaa kalliisiin ja raskaisiin ratkaisuihin laitetoteutuksessa.

• · · *;'/ 25 Uudentyyppisiä, halpaan hintaan tähtääviä spektrometrejä on toteu- tettu moduloimalla aallonpituusselektiivisesti eri aallonpituuskanavia hila- • t spektrografin rividetektorin tilalle sijoitetulla piimikromekaanisella peilimatriisilla v : (DMD, Deformable Micromirror Device) tai muun tyyppisellä spatiaaliseen mo- dulointiin soveltuvalla komponentilla. Moduloidut optiset signaalit kuvataan 30 detektorille ja mitattavien aallonpituuskanavien intensiteetit ilmaistaan demo-: duloimalla detektorin mittaamasta signaalista. Koska aallonpituudet toisistaan .···’ erottava hila levittää tuloraon kuvan modulaattorin pinnalle, on myös siitä edelleen muodostettava kuva suuri, joten toteutettava laite vaatii suuren pinta-alan • · omaavan detektorin, joka on kallis, usein vaikeasti saatavissa ja jonka ka-35 pasitanssi on myös suuri, mikä johtaa hitaaseen detektorin toimintaan. Myös tässä ratkaisussa detektorin lämpötilariippuvuus on ongelma ja lämpötilastabi- • » · 3 109149 lointia tarvitaan. Tällaista ratkaisua on kuvattu tarkemmin julkaisussa Batchelor, J., D., Jones, B., T.: Development of a Digital Micromirror Spectrometer for j Analytical Atomic Spectrometry, Analytical Chemistry, Voi. 70, No. 23, s. 4907 - 4914, December 1, 1998, joka otetaan tähän viitteeksi.

5 Erittäin halpoja miniatyyrispektrografeja on toteutettu suurissa sar joissa massatuotantotekniikoilla (LIGA yms. ), mutta niiden ongelmana on heikkolaatuisista optisista pinnoista siroava, kaikkia aallonpituuksia sisältävä hajavalo, joka leviää rividetektorin pinnalle ja muodostaa tason, jota pienempiä optisia tehoja ei voida luotettavasti havaita. Tämä rajoittaa mitattavissa olevaa 10 absorboivan aineen pitoisuuden vaihtelualuetta. LIGA-teknikkaa on selitetty tarkemmin esimerkiksi julkaisussa P. Kripper, J. Mohr, C. Möller, C. Van der | Sei, Microspectrometer for the Infrared Range, SPIE voi. 2783, pages 277 - ! 282, 1996, mikä otetaan tähän viitteeksi. Lisäksi LIGA-tekniikkaa on selitetty tarkemmin myös julkaisussa Handbook of Microlitography, Micromachining, 15 and Microfabrication, P. Rai-Choudhury, editor, voi. 2 Micromachining, and Microfabrication, pages 237 - 377, 1997.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on siten toteuttaa menetelmä ja menetelmän toteuttava spektrometri siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua.

20 Tämän saavuttaa johdannossa esitetyn tyyppinen menetelmä optisen säteilyn spektrin mittaamiseksi spektrometrillä. Menetelmässä valaistaan spektrometrin tulorako optisella säteilyllä; kuvataan tulorako optiselle modulaattorille; hajote-taan dispersiivisellä komponentilla tuloraon kuva spektriksi; moduloidaan opti- • · · : sella modulaattorilla spektriä, joka koostetaan dispersiivisellä elementillä mit- * · · 25 taussignaaliksi, jota spektrometri mittaa. Menetelmässä edelleen kuvataan tulorako optiselle DMD-modulaattorille, joka käsittää moduloivia mikropeiliele-menttejä; hajotetaan dispersiivisellä komponentilla tuloraon kuva spektriksi siten, että kukin spektrin aallonpituus muodostaa tuloraosta oman kuvansa, jonka paikka optisen modulaattorin mikropeilielementeillä riippuu aallon-; 30 pituudesta; moduloidaan dispersoitua tuloraon kuvaa ainakin yhdellä optisen DMD-modulaattorin mikropeilielementillä, jolloin muodostuu ainakin yksi tulo- * · raon kuvasta moduloitu aallonpituuskaista; kohdistetaan ainakin yksi moduloi-tu aallonpituuskaista dispersiiviselle komponentille, jolla koostetaan ainakin yhdestä moduloiduista aallonpituuskaistasta dispersioton mittaussäteily siten, .j. 35 että kuvaa muodostettaessa kaikilla eri aallonpituuksilla tuloraon kuvat muo- * . dostuvat samaan paikkaan aallonpituudesta riippumatta; kuvataan dispersiot- 4 109149 toman mittaussäteilyn avulla tulorako lähtörakoon; ja spektrin mittausta varten detektoidaan lähtöraosta saatava mittaussäteily yhdellä detektorilla, joka muuntaa mittaussäteilyn sähköiseksi mittaussignaaliksi; ja demoduloidaan sähköinen mittaussignaali eri aallonpituuskaistojen aikaansaamien signaali-5 komponenttien erottamiseksi toisistaan ja mitataan ainakin yhtä aallonpituus-kaistaa ainakin yhden signaalikomponentin avulla.

Keksinnön kohteena on myös spektrometri optisen spektrin mittaamiseksi. Spektrometri käsittää tuloraon, ainakin yhden dispersiivisen komponentin, ainakin yhden kuvaavan komponentin, optisen modulaattorin ja lähiö töraon; ja spektrometrissa tulorako on sovitettu rajoittamaan spektrometriin tulevan optisen säteilyn; kuvaava komponentti on sovitettu kuvaamaan tuloraon optiselle modulaattorille; ainakin yksi dispersiivinen komponentti on sovitettu muodostamaan tuloraon kuvasta spektrin, jota modulaattori on sovitettu moduloimaan, ja koostamaan moduloidun spektrin mittaussäteilyksi; spektro-15 metri on sovitettu mittaamaan lähtöraosta mittaussäteilyä. Edelleen spektrometri käsittää vain yhden detektorin ja optinen modulaattori on DMD-modu-laattori, joka käsittää mikropeilielementtejä; ja dispersiivinen komponentti on i sovitettu hajottamaan tuloraon kuvan spektriksi siten, että kukin spektrin aal lonpituus muodostaa tuloraosta oman kuvansa, jonka paikka optisen DMD-20 modulaattorin mikropeilielementeillä riippuu aallonpituudesta; optinen DMD-modulaattori on sovitettu moduloimaan dispersoitua tuloraon kuvaa ainakin yhdellä optisen DMD-modulaattorin mikropeilielementillä ainakin yhden tuloraon kuvasta moduloidun aallonpituuskaistan muodostamiseksi; dispersiivinen • ♦» komponentti on sovitettu koostamaan ainakin yhdestä moduloidusta aallonpi- * · · ;*,* 25 tuuskaistasta dispersiottoman mittaussäteilyn siten, että kuvaa muodostetta-’ essa kaikilla eri aallonpituuksilla tuloraon kuvat muodostuvat samaan paikkaan aallonpituudesta riippumatta; kuvaava komponentti on sovitettu kuvaamaan ♦ · · v : mittaussäteilyn avulla tulorako lähtörakoon; spektrometrin ainoa detektori on :, i ’: sovitettu detektoimaan lähtöraosta tulevaa mittaussäteilyä ja muuntamaan mit- 30 taussäteilyn sähköiseksi mittaussignaaliksi; ja spektrin mittausta varten spekt-rometri on sovitettu demoduloimaan sähköisen mittaussignaalin eri aallonpi- * · .···, tuuskaistojen aiheuttamien signaalikomponenttien erottamiseksi toisistaan ja mittamaan ainakin yhtä aallonpituuskaistaa ainakin yhden signaalikomponen- ‘ · *: tin avulla.

35 Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patentti- ; *: \ vaatimusten kohteena.

5 109149

Keksintö perustuu siihen, että käytetään yhtä pientä detektoria spektrin sarjamuotoiseen detektointiin. Pientä detektoria voidaan käyttää, koska dispersoitu spektri koostetaan dispersiivisellä komponentilla siten, että eri aallonpituuskomponenteilla tulorako kuvautuu samaan paikkaan, ja koostettu 5 mittaussignaali voidaan fokusoida pienelle detektorille. Lisäksi näytteen kuvaamisen sijasta tulorako kuvataan modulaattorille ja modulaattorilta tulorako kuvataan lähtörakoon.

Keksinnön mukaisen menetelmällä ja järjestelmällä saavutetaan useita etuja. Koska ratkaisussa käytetään dispersoivaa komponenttia kahdes-10 ti, mittaussignaali voidaan koostaa dispersoituneesta spektristä ja kuvata lähtörakoon hyvin pieneksi tuloraon kuvaksi, mikä mahdollistaa yhden, pinta-alaltaan pienen detektorin käytön. Pienen detektorin kapasitanssi on pieni ja nopeus suuri, mikä mahdollistaa suuren sarjamuotoisen analysointinopeuden.

Myös aallonpituusvaste yhdellä detektorilla on eri aallonpituuksilla ajallisesti 15 muuttumaton. Koska makroskooppisesti liikkuvia osia ei tarvita, spektrometrin rakenne ja toiminta on stabiilia ja ympäristösietoista ja spektrometri voidaan toteuttaa käyttäen hinnaltaan edullisia komponentteja, jotka ovat kulumatto-. mia. Keksinnön mukainen ratkaisu on mahdollista integroida miniatyyrispek- troskoopiksi, jossa spektrometrin rakenteen avulla hajavalon vaikutusta on te-20 hokkaasti vähennetty.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh- * · • * f teydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa V ’’ kuvio 1A esittää spektrometrin lohkokaaviota, .25 kuvio 1B esittää spektrometrin lohkokaaviota, ;' ·, kuvio 2A esittää spektrometrin konfiguraatiota, ;‘ j . kuvio 2B esittää spektrometrin konfiguraatiota, kuvio 3 esittää spektrometrin konfiguraatiota, * · * kuvio 4A esittää optisten kuitujen käyttöä spektrometrissä, , . 30 kuvio 4B esittää kuitukimpun päätä,

* t I

, : kuvio 5A esittää kuvaavan linssin ja hilan sijoittelua spektrometris- * » sa, : ' kuvio 5B esittää kuvaavan linssin ja hilan yhdistämistä spektromet- rissa, 35 kuvio 6 esittää läpäisevän optisen modulaattorin käyttöä spektro- S ! * •' ‘ metrissä, t f i r t t | 6 109149 kuvio 7A esittää optista modulaattoria, joka heijastaa optista säteilyä, ja kuvio 7B esittää optista modulaattoria, joka läpäisee optista säteilyä.

5 Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Keksinnön mukainen mittausmenetelmä ja spektrometri soveltuvat erityisesti läpäisy- ja heijastusmittauksiin, joilla määritetään esimerkiksi aineiden pitoisuuksia, paksuuksia tai lämpötilaa, näihin kuitenkaan rajoittumatta. Keksinnön mukaisella ratkaisulla voidaan toteuttaa sähköisesti ohjattava, halu-10 tulla tavalla valittavat, jyrkkäreunaiset päästö- ja estokaistat omaava suodatin, jollaista tarvitaan esimerkiksi tutkimuslaitteissa. Lisäksi keksinnöllistä ratkaisua voidaan soveltaa esimerkiksi automaattisissa prosessianalysaattoreissa ja sensoreissa, joissa tärkeää on muun muassa edullinen hinta, pieni koko ja < immuniteetti ympäristön vaikutuksille.

15 Tarkastellaan aluksi keksinnön mukaista ratkaisua kuvion 1A avulla.

Se, tarvitseeko spektrometri optisen tehonlähteen 100, riippuu sovelluksesta.

Jos näyte 102 on esimerkiksi itsesäteilevä, optista teholähdettä 100 ei vält- i tämättä tarvita. Optisena tehonlähteenä voidaan käyttää laajakaistaista tehon-lähdettä kuten aurinkoa, päivänvaloa, hehkulankalamppua, halogeenilamppua, 20 kaasupurkauslamppua jne. Joissain sovelluksissa voidaan käyttää myös ka- * · ·.*·: peampaa optista kaistaa, joka saavutetaan suodattamalla laajakaistasäteilyä • * · : tai käyttämällä optisena tehonlähteenä esimerkiksi erilaisia lasereita ja ledejä.

Optisella säteilyllä tässä hakemuksessa tarkoitetaan sellaista säteilyä aallonpi-;*·.· tuusalueella, joka tyhjössä alkaa ultraviolettisäteilystä (noin 40 nm) ja jatkuu 25 kaukoinfrapuna-alueelle (noin 1 mm).

Näyte 102 sijaitsee tässä ratkaisussa tuloraon 104 edessä. Näytteestä 102 säteily emittoituu, heijastuu tai siroaa spektrometrin tulorakoon 104, . . joka rajoittaa spektrometriseen mittaukseen tulevaa säteilyä. Rako 104 on tyy-• » · pillisesti suorakaiteen muotoinen kooltaan esimerkiksi 20 pm - 1000 pm x 1 *;·* 30 mm - 15 mm, vaikka aukon 104 muoto ja koko eivät olekaan keksinnön kan-naita erityisen oleellisia. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa rako 104 kuva-taan kuvaavalla elementillä, jonka optinen komponentti 106 käsittää, optiselle • * * modulaattorille 108. Kuvauksen lisäksi aukosta 104 tuleva säteily hajotetaan ‘ spektriksi dispersiivisellä komponentilla, jonka myös optinen komponentti 106 ‘ : 35 käsittää. Dispersiivisenä komponenttina voi toimia prisma tai hila. Dispersiossa hilalle pätee likimain, että lähtökulman ja tulokulman erotus kerrottuna hilava- 109149 j 7 i i kiolla on aallonpituuden kertaluku eli kaavana a(sin0m-sin0j) = ιηλ, missä a on hilavakio, 0m on lähtökulma, 0, on tulokulma. Prisman dispersio perustuu siihen, että prisman suhteellinen taitekerroin n on aallonpituuden λ funktio. Prisman taittumislaista sina-n(X)sinp = 0 nähdään, että tulokulman sinifunk- 5 tion sinä suhde lähtökulman sinifunktioon sinp on sama kuin suhteellinen taitekerroin n, joka riippuu aallonpituudesta. Näin dispersoiva komponentti suuntaa eri aallonpituisen optisen säteilyn eri kulmiin. Kuvaavana elementtinä voi toimia linssi, linssiyhdistelmä, peili, peiliyhdistelmä tai linssi(e)n ja peili(e)n yhdistelmä sinänsä tunnetulla tavalla.

10 Modulaattorina 108 on edullisesti sähköisesti ohjattava spatiaalinen optisen säteilyn modulaattori, jota on tarkemmin kuvattu kuviossa 7. Modulaattori 108 käsittää esimerkiksi pieniä läpäiseviä tai heijastavia elementtejä, joiden läpäisyä tai heijastusta voidaan erikseen muuttaa. Optisen komponentin 106 dispersiiviseltä komponentilta kohdistuu kullekin läpäisevälle tai heijasta-15 valle elementille tietty kapea spektrin osa eli aallonpituuskaista. Modulaattorilla 108 voidaan aallonpituuskaistoja moduloida eli tietyllä ajanhetkellä modulaattorilla 108 voidaan valita muita aallonpituuskaistoja vaimentamalla ainakin yksi optisen komponentin 106 dispersiivisen komponentin tuottama aallonpituus-kaista, joka etenee edelleen optisen komponentin 106 dispersiiviselle kom-20 ponentille. Dispersiivisellä komponentilla spektraalisiin komponentteihin . . hajotetun optisen säteilyn osuessa toistamiseen samaan tai ainakin toiseen '*'"· samanlaiseen dispersiiviseen komponenttiin säteilyn dispersiivisyys poistuu eli : spektraalisten komponenttien dispersiosta johtuva suunnan kulmajakauma ·.,.· poistuu. Tällä tavalla keksinnön mukaisessa ratkaisussa dispersiivinen kom-V·· 25 ponentti ensin dispersoi optisen säteilyn ja sama tai eri dispersiivinen kompo-nentti koostaa yhdestä tai useammasta aallonpituuskaistasta mittaussäteilyn. Mittaussäteilyllä muodostetussa kuvassa eri aallonpituuksien kuvat tuloraosta ovat oleellisesti samassa paikassa. Lohkossa 106 modulaattorilta 108 tuleva ,·. ; optinen mittaussäteily myös kuvataan lähtörakoon 104, joka voi olla sama tai 30 eri kuin tulorako. Tuloraosta 104 optinen säteily etenee detektorille ja edelleen *:* mittauslaitteisiin detektointi- ja mittauslohkossa 110. Modulaattorin 108 ja de-:. * j tektointi- ja mittauslohkon 110 toimintaa ohjaa ohjausyksikkö 112.

Kuviossa 1B on muutoin samanlainen keksinnöllisen spektrometrin .•j·, lohkokaavio, mutta tässä ratkaisussa näytteen 102 ja tuloraon 104 sijainti on 35 eri. Näyte 102 sijaitsee tässä esimerkissä tuloraon 104 edessä. Tässä ratkai- 8 109149 sussa ei voida käyttää itsesäteilevää näytettä. Muutoin mittaustoiminta ja spektrometrin osat ovat oleellisesti samanlaiset.

Kuviossa 2A on kuvattu keksinnön mukaista ratkaisua, jossa näyte ei ole itsesäteilevä. Optisesta tehonlähteestä 200 optinen säteily kohdistetaan 5 näytteen 202 pintaan. Näytteestä 202 optinen säteily heijastuu ja siroaa tulo-rakoon 204, josta optinen säteily edelleen kohdistuu koveraan peiliin 206, joka käsittää hilan 2062. Hila 2062 on esimerkiksi kuvioitu esimerkiksi holografises-ti, fotolitografialla tai suoraan mekaanisesti työstämällä peilin 206 pintaan sinänsä tunnetulla tavalla. Peili 206 kuvaa tuloraon 204 tasopeilin 208 kautta 10 optiselle modulaattorille 210. Optinen modulaattori 210 valikoi tai moduloi aika,- taajuus- tai koodijakoisesti aallonpituuskaistat, jotka optinen modulaattori 210 heijastaa tasopeilin 212 kautta takaisin koveraan peiliin 206. Optinen modulaattori 210 on esimerkiksi pieniä peilielementtejä käsittävä DMD-komponentti. Poikkeutusoptiikkana tarvitaan peilejä 208 ja 212, jotka mahdol- j 15 listavat samanlaisen optiikan (dispersoiva komponentti 2062 ja kuvaava optinen komponentti 206) käyttämisen optisen modulaattorin 210 molemmin puolin niin, että tuloraon 204 kuva muodostuu tuloraon 204 vieressä olevaan läh-törakoon 214. Peilejä 208 ja 212 tarvitaan, jotta tulorako 204 ja lähtörako 214 voitaisiin fyysisesti erottaa toisistaan heijastuskulman avulla. Koverassa peilis-20 sä 206 oleva hila koostaa aallonpituuskaistat mittaussäteilyksi ja kovera peili . . 206 heijastaa ja fokusoi mittaussäteilyn lähtörakoon 214, jossa oleva detektori 216 ottaa mittaussäteilyn vastaan ja muuntaa optisen mittaussäteilyn sähköi-v : seksi mittaussignaaliksi. Keksinnön kaikille toimintamuodoille on yhteistä, että ·...· hilaviivojen on oltava tulo- ja lähtörakojen kanssa samansuuntaisia, jotta ·/-: 25 spektrometri toimisi oikein, koska spektri jakautuu hilaviivojen suuntaa vastaan : i‘: kohtisuoraan. Kuviossa 2A tämä tarkoittaa sitä, että optisella modulaattorilla aallonpituusjakauma on paperin pinnan normaalin suuntainen. Keksinnöllisessä ratkaisussa on oleellista myös se, että vaikka detektorin detektointipinta-ala : on pieni, tavallisesti korkeitaan muutamia mm2, tuloaukko kuvataan oleellisesti 30 kokonaan detektorille. Tällä tavalla keksinnöllinen ratkaisu ei hukkaa optista *;’* tehoa ohi detektorin. Keksinnöllisessä ratkaisussa eroteltavien aallonpituus-kaistojen määrä N on tavallisesti N = 4 - 1000. Yhden aallonpituuskaistan le-veys keksinnöllisessä ratkaisussa on tyypillisesti nanometristä muutamaan , kymmeneen nanometriin siihen kuitenkaan rajoittumatta. Saavutettava aallon- ' , 35 pituusresoluutio Δλ on näinollen hyvä. Detektorioptiikan puoliavauskulma on noin 35°, mikä on ainakin yhtä hyvä kuin parhaimmilla tunnetuilla spektromet- 109149 i 9 reillä. Detektorille saatava irradianssi eli tehotiheys on verrannollinen tuloon L* Δλ*Ω missä L = mitattavan säteilyn spektraalinen radianssi, Δλ = aallonpituus-kaistan (kanavan) leveys (nm), Ω = avaruuskulma, jonka tuleva säteily detektorista katsottuna täyttää. L ja Δλ määräytyvät sovellukselle ominaisista rajoi-5 tuksista, mutta käytettävä laitetekniikka määrää maksimiarvon Ω:ΙΙβ. Koska Ω on verrannollinen tulevan säteilyn puoliavaumakulmaan, detektorille saatava tehotiheys riippuu voimakkaasti käytetystä optiikkaratkaisusta.

Sähköinen mittaussignaali siirretään edelleen automaattiseen signaalinkäsittely- ja analysointilaitteeseen (ei esitetty kuviossa 2A), jossa mit-10 taussignaalia suodatetaan ja aallonpituuskaistatietoja käsitellään automaattisella tietojenkäsittelylaitteistolla. Näytteestä 202 voidaan mitata spektrianalyysin avulla esimerkiksi pinnoitteen paksuutta. Tällöin voidaan mitata esimerkiksi paperin pinnassa olevan kaoliinin tms. paksuutta. Modulaattorin 210 toimintaa ohjaa ohjausyksikkö 218, joka on toiminnallisesti yhdistetty muuhun mittaus- | 15 laitteistoon.

Kuviossa 2B on esitetty mittausjärjestelyn periaate, jossa näyte 230 on itsesäteilevä. Näytteen 230 säteilemä optinen säteily etenee tuloraon 232 kautta peilin 234 ja hilan 2062 yhdistelmälle. Aallonpituuskaistoikseen hajotettu optinen säteily muodostaa tuloraon kuvan peilin 236 kautta modulaattorille 20 238, joka moduloi optista säteilyä ja heijastaa moduloidut aallonpituuskaistat peilin 240 kautta peilin 234 ja hilan 2062 yhdistelmälle. Hilan 2062 koostama ’ · ': ja peilin 234 fokusoima optinen mittaussignaali kuvautuu lähtörakoon 242, jos- ; sa detektori 244 detektoi optisen mittaussignaalin ja muuntaa sen sähköiseksi tietojen käsittelyä varten. Vaikka keksinnöllisessä ratkaisussa on luonnollisesti 25 aina lähtörako 242, erillistä lähtörakokomponenttia ei välttämättä tarvita, vaan :T: lähtörakona 242 voi toimia detektori 244 esimerkiksi siten, että detektoiva pin- ta tms. määrittää lähtöraon. Myös tässä spektrometrijärjestelyssä mittausta ohjaa mittausyksikkö 246.

; Kuviossa 3 keksinnön mukaista järjestelyä on kuvattu hieman tar- * * · 30 kemmin käyttäen esimerkkinä läpivalaistavaa näytettä. Optisen tehonlähteen ·;·* 300 säteilyä kerätään optisella elementillä 302, joka voi olla linssi, linssiyhdis- · , ' ·· telmä, peili tai peiliyhdistelmä, ja kohdistetaan kerätty optinen säteily näyttee-seen 304. Näytteestä heijastunut, läpimennyt ja/tai sironnut säteily kerätään tulorakoon 308 optisella elementillä 306, joka myös voi olla linssi, linssiyhdis-' . 35 telmä, peili tai peiliyhdistelmä. Keksinnöllisessä ratkaisussa optinen elementti 306 on toteutettu edullisesti Köhler-optiikalla. Tässä ratkaisussa tuloraosta 308 10 109149 tuleva optinen säteily kollimoidaan eli yhdensuuntaistetaan koveran peilin 310 avulla ja heijastetaan hilalle 312. Hila 312 heijastaa spektriksi hajotetun optisen säteilyn toiselle koveralle peilille 314, joka kuvaa tuloraon tasopeilin 316 kautta optiselle modulaattorille 318. Optisesta modulaattorista 318 moduloitu 5 optinen säteily heijastetaan toisen tasopeilin 320 kautta takaisin koveralle peilille 314, joka kollimoi hajaantuvan optisen säteilyn hilalle 312. Hila 312 koostaa aallonpituuskaistoista mittaussäteilyn ja heijastaa mittaussäteilyn koveralle peilille 310, joka lopulta kuvaa tuloraon 308 lähtörakoon 322. Optinen elementti 324 kuvaa tuloraon 322 detektorille 326, joka detektoi optisen mittaussignaa-10 Iin.

Kuviossa 4A ja 4B on esitetty ratkaisu, jossa tulorako ja lähtörako ovat kuitukimpun pää. Tämä ratkaisu yksinkertaistaa oleellisesti tulo- ja lähtö-raon ja optisen modulaattorin välistä optiikkaa, mahdollistaa suuren numeerisen aukon käytön ja se on helposti sovellettavissa näkyvän valon ja lähi-15 infrapunan alueille. Kuitukimpusta 400 optinen säteily kohdistetaan koveraan peiliin 402, joka käsittää myös hilan 401. Peili 402 kuvaa kuitukimpun pään optiselle modulaattorille 404. Kukin optisen modulaattorin 404 elementti 406 näkee eri aallonpituuskaistan muodostaman kuvan kuitukimpun päästä (kaksi eri aallonpituuskaistaa on esitetty kuvassa yhtenäisellä viivalla ja katkoviivalla).

20 Optisen modulaattorin 404 elementit 406 heijastavat moduloidun kuvan takaisin koveralle peilille 402, jonka hila 401 koostaa modulaattorilta 404 heijastuneesta optisesta säteilystä mittaussäteilyä. Mittaussäteily heijastetaan takaisin : kuitukimpun päähän, jolloin kuitukimpun kuva (tulorako) kuvautuu kuitukimpun •«· ·...·’ päähän (lähtörako).

25 Kuviossa 4B on kuvattu kuitukimpun 400 päätä. Kuitukimppu 400 käsittää optista säteilyä lähettäviä kuituja 408 ja optista säteilyä vastaanottavia kuituja 410. Optinen teho syötetään lähettäviin kuituihin 408 optisesta tehon-lähteestä 420 esimerkiksi optisen elementin 422 avulla, joka on linssi tai peili.

; Vastaanottokuiduista 410 optinen teho kohdistetaan detektorille 424 optisen * · · 30 elementin 426 avulla, joka on linssi tai peili. Lähettävät kuidut 408 ja vastaanottavat kuidut 410 on sekoitettu keskenään.

:.*·· Kuviossa 5A on esitetty keksinnöllinen ratkaisu, jossa on hyödyn- netty linssejä. Tuloraosta 500 optinen säteily osuu linssiin 502, joka kollimoi optisen säteilyn. Hila 504 dispersoi optisen säteilyn ja linssi 506 kuvaa tulora-35 on peilin 508 kautta optiselle modulaattorille 510. Moduloitu optinen säteily heijastuu peilin 512 kautta takaisin linssille 506, joka kollimoi optisen säteilyn.

11 109149

Hila 504 koostaa optisesta säteilystä mittaussäteilyn ja linssi 502 kuvaa optisen säteilyn lähtörakoon 514, johon muodostuu tuloraon 500 kuva. Mittaussäteilyn käsittely tästä eteenpäin on samanlaista kuin muiden kuvioiden tapauksessa.

5 Kuvio 5B on muutoin samanlainen kuin kuvio 5A, mutta tässä rat kaisussa kaksi linssiä 502, 506 ja hila 504 on yhdistetty. Linssin 516 pinnalla on tällöin hila 504, joka on valmistettu holografisesti tai fotoIitografiaiIa. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa on tärkeää, että hila dispersoi yhdensuuntaista optista säteilyä, mikä on mahdollista, kun optinen säteily kollimoidaan tai kun 10 hila sijaitsee tulorakoa modulaattorille kuvaavan linssin taittavassa pinnassa tai tulorakoa modulaattorille kuvaavan peilin heijastavassa pinnassa kuten kaikissa hakemuksen kuvioissa on esitetty.

Kuviossa 6 on esitetty keksinnön mukainen ratkaisu, jossa optisen modulaattorin toiminta perustuu siihen, että optisen modulaattorin moduloivien 15 elementtien optisen säteilyn läpäisyä muutetaan. Tässä ratkaisussa tuloraosta 600, joka on tässä esimerkissä kuitukimpun pää, optinen säteily kohdistetaan peiliin 602, joka käsittää myös dispersiivisen komponentin 601. Tuloraon spektriksi hajotettu optinen säteily kuvataan koveralla peilillä 602 optiselle modulaattorille 604. Moduloitu optinen säteily läpäisee optisen modulaattorin 604 20 ja optinen säteily hajaantuu toiselle dispersiiviselle komponentille 605, joka on samanlainen kuin ensimmäinen dispersiivinen komponentti 602. Dispersiivinen * · · komponentti 605 on samassa yhteydessä kuin kovera peilikin 606, koostaa vastaanottamastaan ainakin yhdestä aallonpituuskaistasta mittaussäteilyä, jonka avulla peili 606 kuvaa tuloraon 600 kuvan modulaattorilta 604 lähtöra-25 koon 608, joka tässä esimerkissä myös on kuitukimpun pää.

Kuviossa 7A ja 7B on esitetty heijastavan ja läpäisevän optisen mo-dulaattorin periaatekuvat. Heijastavana optisena modulaattorina voi toimia esimerkiksi DMD. DMD-modulaattorin käyttö yhdessä dispersiivisen kom- ; ponentin kanssa, joka sekä dispersoi että koostaa optista säteilyä, saa aikaan * ·« 30 erittäin pienen hajasäteilytason detektorilla ja näin erittäin pienten optisten tehojen detektointi on mahdollista. Kuviossa 7A esitetty DMD-modulaattori käsit-:.··· tää joukon matriisimuodossa olevia mikropeilielementtejä 700, joita voidaan kutakin liikuttaa itsenäisesti. Mikropeilien koko on esimerkiksi 16 pm x 16 pm ja peilejä voi olla vaaka- ja pystysuunnassa satoja. Kun peilien suuntaa muute- • * · ‘ . 35 taan, peileihin osunut optinen säteily heijastuu eri suuntiin kuten kohta 702 ha vainnollistaa tilannetta. Näin voidaan saada modulaattorille tullut optinen sätei- 12 109149 ly heijastumaan halutulta osin detektorille. Kullakin modulaattorin elementillä on kaksi ääriarvoista tilaa, joihin elementti voidaan kytkeä: tila, jolloin elementti minimaalisesti vaimentaa detektorille menevää optista säteilyä, ja tila, jolloin elementti vaimentaa maksimaalisesti detektorille menevää optista säteilyä.

5 Elementti voidaan yleensä kytkeä myös mihin tahansa tilaan näiden ääritilojen välissä. Kullakin elementillä voidaan siis moduloida detektorille menevää optista säteilyä ajan suhteen epäjatkuvalla tai jatkuvalla funktiolla. Kuviossa 7A olevassa esimerkissä aallonpituus λ1 on suunnattu niin, että se etenee detektorille. Muut aallonpituudet λ2 - λΝ on suunnattu niin, etteivät ne etene detektoril-10 le. DMD-komponenttia on kuvattu tarkemmin US-patenttijulkaisussa 5504575, joka otetaan tähän viitteeksi.

Läpäisevänä optisena modulaattorina voi toimia esimerkiksi LC-komponentti (Liquid Crystal) kuten kuviossa 7B on esitetty. LC-komponentin toiminta perustuu optisen säteilyn polarisaatioon. Muuttamalla sähkökentän ! 15 avulla nestekiteen kidemäistä rakennetta polarisoidun optisen säteilyn polari saation suuntaa voidaan kiertää, mikä sinänsä on ammattimiehelle ilmeistä eikä sitä sen vuoksi tarvitse tässä yhteydessä selittää enempää. LC-modulaat-torissa elementtien tiloja voidaan ohjata siten, että kunkin modulaattorin elementin vaimennus muuttuu ajan suhteen epäjatkuvana, diskreettiarvoisena tai 20 jatkuvana funktiona. Kuviossa 7B elementit 720 läpäisevät hyvin optista sätei-. . lyä ja elementit 722 taas vaimentavat voimakkaasti optista säteilyä. Tällöin i * · parittomat aallonpituudet λ1, λ3, ... pääsevät detektorille, kun taas parilliset '·’ : aallonpituudet λ2, λ4, ... eivät pääse detektorille. Erityisesti intensiteettimodu- laattoreina voidaan käyttää myös magneto-optisia, akusto-optisia ja mekaani- » » '·,'·{ 25 siä modulaattoreita. Mekaaninen modulaattori voi olla esimerkiksi pyörivä kiekko, jossa on kutakin aallonpituuskaistaa varten läpäisevä alue eri etäisyy-della kiekon keskipisteestä.

Nestekidemodulaattorilla, jossa ei tällöin tarvitse käyttää hyväksi po-: larisaatiota, voidaan muuttaa myös kunkin elementin aallonpituuskaistan vai- 30 hetta. Aallonpituuskaistan sähkökentän vaihe muuttuu, kun nestekiteen kide- ! * * mäistä rakennetta muutetaan sähkökentällä, jolloin nestekiteen taitekerroin V : muuttuu. Taitekertoimen muuttuminen vaikuttaa suoraan optisen säteilyn no- peuteen nestekiteessä, mikä saa aikaan sen, että kuljettuaan saman matkan . - · ·. eri nopeudella optisen säteilyn vaihe on muuttunut. Eri aallonpituuskaistat ero- ♦ * * , ‘ . 35 tetaan toisistaan ilmaisun yhteydessä vaiheen perusteella.

i 109149 I 13

Vaihetta voidaan moduloida myös optisen modulaattorin elementtinä olevan liikkuvan peilin avulla, jolloin kutakin elementtiä siirretään eri matka siten, että kunkin aailonpituuskaistan kulkema matka detektorille muuttuu aallonpituuden osan verran. Vaihe detektoidaan interferenssin avulla ammatti-5 miehelle sinänsä ilmeisellä tavalla.

Optisen modulaattorin elementillä voidaan aailonpituuskaistan optista säteilyä moduloida siis siten, että muutetaan optisen säteilyn jotain ominaisuutta ajanfunktiona, jolloin eri elementtien moduloimat aallonpituuskaistat voidaan erottaa toisistaan vastaavalla tavalla demoduloimalla. Muutettavana 10 ominaisuutena voi olla detektorille tulevan optisen säteilyn intensiteetti tai vaihe. Yksinkertaisimmillaan modulaatio on sellainen, että keksinnöllisessä ratkaisussa käytettävälle yhdelle detektorille ohjataan yksi aallonpituuskaista kunakin ajanhetkenä. Tällainen ratkaisu toiminnan kannalta kuitenkin melko hidas.

15 Toisena vaihtoehtona on aaltomuotomodulaatio. Tällöin optisen modulaattorin eri elementtejä ohjataan siten, että eri aallonpituuskaistojen intensiteetit vaihtelevat detektorilla erilaisen jatkuvan tai epäjatkuvan funktion mukaan. Yksi näistä ratkaisuista on moduloida eri elementtejä eri taajuuksilla.

Tällöin kyseessä on taajuusjakoinen multipleksaus. Kutakin aallonpituuskais-20 taa moduloidaan silloin eri taajuudella, mikä suoritetaan siten, että kukin modulaattorin elementti ohjataan värähtelemään tilasta toiseen eri modulointitaa-'· · juudella. Modulointitaajuus saa aailonpituuskaistan kohdistumaan modulointi-V : taajuudella aallonpituuskaistojen yhteiseen detektoriin. Detektoinnin jälkeen aallonpituuskaistojen sähköiset signaalit erotetaan toisistaan demoduloimalla.

25 Demodulointi voidaan suorittaa esimerkiksi erottamalla eritaajuiset modulaa-tiotaajuudet suodattamalla toisistaan tai demodulointi suoritetaan käänteis-; Fourier-muunnoksella (IFFT, Inverse Fast Fourier Transform).

Eritaajuisten ohjausfunktioiden sijasta voidaan eri elementtejä ohja-, ; ta erilaisilla jaksollisilla funktioilla. Tällöin jakson aikana eri elementtien aallon- 30 pituuskaistat voidaan erottaa toisistaan funktion aaltomuodon perusteella. Yh-’ ’ tenä esimerkkinä tällaisesta on binaarinen koodimultipleksaus, joka on epäjat-:‘ * kuva funktio. Tällöin kukin aallonpituuskaista koodataan modulaattorissa omal-la koodillaan, mikä suoritetaan siten, että kutakin modulaattorin elementtiä kyt-ketään ääritilasta toiseen esimerkiksi binäärikoodin mukaisesti. Yhdellä detek- I I , * . 35 torilla detektoinnin jälkeen kukin aallonpituuskaista voidaan erikseen analysoi da purkamalla koodaus. Esimerkkinä tällaisesta modulaatiosta on sinänsä 109149 I 14 tunnettu Hadamard-multipleksaus. Hadamard-muunnosta hyödyntävässä spektrometriassa käytetään tavallisesti monirakoriviä, mutta keksinnön mukaisessa ratkaisussa tarvitaan vain yksi lähtörako. Hadamard-multipleksausta on selitetty tarkemmin esimerkiksi patenttijulkaisuissa US 4615619, US 3859515 5 ja kirjassa Hadamard Transform Optics, Martin Harwit, Neil J. A. Sloane, Academic Press, 1979, jotka otetaan tähän viitteeksi.

Aallonpituuskaistojen multipleksaus vaatii paljon detektorin dynamiikalta. Tilannetta voidaan helpottaa useilla tavoilla. Taajuus- ja koodimulti-pleksauksessa eri aallonpituuskaistat voidaan vaiheistaa siten, että yhden sig-10 naalin tehon laskiessa toisen mittaussignaalin teho nousee. Sellaiseen spek-triosaan kuuluvat aallonpituuskaistat, joita spektrin analysoinnissa ei tarvita, voidaan jättää moduloimatta, jolloin niiden pääsy detektorille estyy. Dynamiik-kavaatimus pienenee myös silloin, kun varataan mittauksen kannalta tärkeille aallonpituuskaistojen viereen yksi tai useampi vapaa modulaation taajuuskais-15 ta. Erilaisia modulaatioita ja demodulaatioita ohjaa ohjausyksikkö 112.

Keksinnöllistä ratkaisua voidaan soveltaa esimerkiksi ainepitoi-suusmittauksessa. Mitattavina aineina voivat olla nesteiden ja kaasujen lisäksi kiinteät aineet. Optisen säteilyn läpäisy T kullakin aallonpituudella λ riippuu yhden tai useamman aineen konsentraatiosta Cj ja absorptiokertoimesta ccj ja 20 absorptiomatkasta I seuraavan kaavan mukaisesti * '. f N Λ 1η[Γ(Λ)]=

\j=1 J

'missä j on ainekohtainen indeksi. Koska kukin modulaattorin moduloima aal-. ’ lonpituuskaista on keksinnön mukaisessa ratkaisussa kapeakaistainen, vastaa v : 25 aallonpituus λ aallonpituuskaistaa. Kapeakaistaisuus tarkoittaa UV - VIS - IR -: V; alueella (UltraVioletti - Visible - InfraRed) tavallisesti korkeintaan muutamien kymmenien nanometrien kaistaa. Kaista on kapea myös silloin, kun yhden aal-| : lonpituuskaistan kaista on vain osa (esim. alle 2 %) koko mitattavasta aallonpi- tuusalueesta. Mittaamalla läpäisy T ennalta tunnetulla matkalla I ja käyttämällä ‘ · * 30 taulukoituja tietoja aineiden absorptiokertoimista a.j voidaan kaavasta ratkaista . i ainekohtainen konsentraatio Cj. Mittalaite saadaan myös toimimaan siten, että :...: laite kalibroidaan aluksi ainepitoisuuksiltaan tunnetulla näytesarjan mittauksilla ·;·, ammattimiehelle sinänsä ilmeisellä tavalla. Tällöin absorptiokertoimia ctj ja .,,,; matkaa I ei tarvitse tuntea. Tyypillisiä pitoisuusmittauksia ovat esimerkiksi vil- 15 109149 jän proteiinipitoisuus, mittauskohteen kosteus (erityisesti paperin kosteus) ja kaasupitoisuus (esim. metaanipitoisuus).

Keksinnön mukaisella ratkaisulla voidaan mitata myös ainekerrok-sen paksuutta. Tyypillinen sovellus on esimerkiksi kaoliinikerroksen paksuus 5 paperin päällä. Koska kaoliinilla on kapeakaistainen intensiteettihuippu ja paperin sellulla laajakaistainen tasainen intensiteettijakauma, kaoliinin paksuutta voidaan mitata vertaamalla kaoliinin intensiteettihuipun korkeutta tasaiseen sellun intensiteettijakaumaan ajan funktiona. Kun suhde muuttuu, muuttuu myös kaoliinikerroksen paksuus. Suhteen muutoksen suuruus ilmaiseen kao-10 liinikerroksen paksuuden muutoksen. Vastaavalla tavalla voidaan mitata monenlaisten ainekerrosten paksuutta kuten muovikalvon paksuutta.

Sekä ainepitoisuuden että aineen paksuuden mittauksessa aallon-pituuskaistojen intensiteettiasteikon 0-pisteen virhe riippuu laitetyypistä ja määrää alueen, jolla spektrografin mittaama vaimennus on lineaarisessa suh-15 teessä todelliseen vaimennukseen. Spektrografeilla luonnollisesti tavoitellaan mahdollisen suurta konsentraation vaihtelualueen mittauskykyä ja tämä alue on suoraan verrannollinen alueeseen, jolla spektrografin mittaama absorptio on lineaarinen. Hilan tai muiden optisten komponenttien tuottaman hajavalon merkitys on erityisen suuri miniatyyritekniikoiden tapauksessa, sillä halvoilla 20 massatuotantotekniikoilla valmistetut optiikat tuottavat korkean hajavalotason, . , mikä pienentää aallonpituuskaistojen intensiteetin mittauksessa dynamiikka-• » '· '·' aluetta. Keksinnöllisessä ratkaisussa spektrometrin rakenne (samanlaisen V ‘ dispersoivan komponentin käyttö kahteen kertaan) vähentää hajavalon haitta-·...·* vaikutuksia huomattavasti.

25 Keksinnöllisellä ratkaisulla voidaan mitata myös lämpötilaa. Tällöin seurataan mustan kappaleen säteilyn Wienin lain mukaista käyttäytymistä.

;T; Musta kappale säteilee suurimmalla intensiteetillä aallonpituudella Xmax, joka riippuu lämpötilan T neljännestä potenssista eli kaavan muodossa ilmaistuna . . = ST4, missä δ on Stefan-Boltzmannin vakio. Mittaamalla aallonpituuskais- 30 tojen teho detektorilla aallonpituuden funktiona ja etsimällä suurin teho tiede-tään suurimman intensiteetin aallonpituus λίΤ,3χ, josta voidaan laskea lämpötila (Am ^0 kaavalla T = ^r-J ammattimiehelle sinänsä tunnetulla tavalla. Erilaisia : ’ ‘; spektrin analyysejä ja mittauksia suorittaa detektointi- ja mittausyksikkö 110.

Käytetyt optiset komponentit voivat perustua tavanomaiseen taitta-35 vaan optiikkaan (kuperat ja koverat linssit ja peilit) tai diffraktio-optiikkaan 16 109149 (Fresnel-linssit ja binaarioptiset komponentit). Spektrometrin tuotannossa suurin osa hinnasta syntyy kuitenkin lasista valmistetuista optisista komponenteista. Spektrometrin valmistuskustannuksia ja kokoa voidaan pienentää toteuttamalla spektrometri tasoaaltojohteella, LIGA-tekniikalla ja puristemuovioptiikal-5 la. LIGA-tekniikka perustuu röntgen-litografiaan, elektroformaukseen ja valamiseen ja LIGA-tekniikalla valmistettuja spektrografin optisia komponentteja voidaan käyttää erityisesti lähi-infrapuna-alueella. Näin saadaan aikaan mi-niatyyrispektrometri, joka voidaan valmistaa yhdelle integroidulle piirille ja integroida helposti osaksi lähes mitä tahansa tutkimus- tai mittalaitetta. Keksin-10 nön mukaisessa ratkaisussa voidaan hajasäteilyn vaikutusta oleellisesti vähentää, mikä johtuu spektrometrin rakenteesta, jossa yhdenlaista dispersoi-vaa komponenttia käytetään sekä optisen säteilyn hajottamiseen spektriksi että eri aallonpituisten optisen säteilyn aallonpituuskaistojen kokoamiseen samansuuntaisiksi ja optisen modulaattorin käytöstä.

15 Elektroniset piirit voidaan toteuttaa kovoratkaisuna piirilevyllä, joka käsittää erillisiä elektroniikkakomponentteja, tai edullisemmin esimerkiksi VLSI-komponenteilla (Very Large Scale Integrad circuit) tai ASIC-piiriteknii-kalla (Application Specific Integrated Circuit). Automaattinen tietojenkäsittely voidaan keksinnön mukaisessa ratkaisussa suorittaa PC-tietokoneessa tai to-20 teuttaa muuten ohjelmana, joka suoritetaan prosessorissa.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaiseen esimerkkiin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esittämän «,: keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

« · • · · • «» • · • * · • I t • · · * * · • * · • » t # · • * · • · · • · « ( · • · > • I • » · » I · • · • I > > · * · • » · I I · * * * f f » *» » * »

Claims (29)

109149

1. Menetelmä optisen säteilyn spektrin mittaamiseksi spektrometrillä, jossa menetelmässä valaistaan spektrometrin tulorako (104, 204, 232, 308, 500, 600) optisella säteilyllä; kuvataan tulorako (104, 204, 232, 308, 500, 600) 5 optiselle modulaattorille (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604); hajotetaan dis-persiivisellä komponentilla (106, 2062, 312, 401, 504, 601) tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600) kuva spektriksi; moduloidaan optisella modulaattorilla spektriä, joka koostetaan dispersiivisellä elementillä (106, 2062, 312, 401, 504, 605) mittaussignaaliksi, jota spektrometri mittaa, tunnettu siitä, että 10 - kuvataan tulorako (104, 204, 232, 308, 500, 600) optiselle DMD- modulaattorille (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604), joka käsittää moduloivia mikropeilielementtejä; - hajotetaan dispersiivisellä komponentilla (106, 2062, 312, 401, 504, 601) tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600) kuva spektriksi siten, että 15 kukin spektrin aallonpituus muodostaa tuloraosta (104, 204, 232, 308, 500, 600. oman kuvansa, jonka paikka optisen modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) mikropeilielementeillä riippuu aallonpituudesta; - moduloidaan dispersoitua tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600) kuvaa ainakin yhdellä optisen DMD-modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, .*·.· 20 510, 604) mikropeilielementillä, jolloin muodostuu ainakin yksi tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600) kuvasta moduloitu aallonpituuskaista; - kohdistetaan ainakin yksi moduloitu aallonpituuskaista dispersiivi-selle komponentille (106, 2062, 312, 401, 504, 605), jolla koostetaan ainakin * · · yhdestä moduloiduista aallonpituuskaistasta dispersioton mittaussäteily siten, 25 että kuvaa muodostettaessa kaikilla eri aallonpituuksilla tuloraon (104, 204, " 232, 308, 500, 600) kuvat muodostuvat samaan paikkaan aallonpituudesta riippumatta; - kuvataan dispersiottoman mittaussäteilyn avulla tulorako (104, 204, 232, 308, 500, 600) lähtörakoon (104, 214, 242, 322, 514); ja .[ ; 30 - spektrin mittausta varten detektoidaan lähtöraosta (104, 214, 242, 322, 514) saatava mittaussäteily yhdellä detektorilla (110, 216, 244, 326, 424), joka muuntaa mittaussäteilyn sähköiseksi mittaussignaaliksi; ja demoduloi- v : daan sähköinen mittaussignaali eri aallonpituuskaistojen aikaansaamien sig- naalikomponenttien erottamiseksi toisistaan ja mitataan ainakin yhtä aallonpi-35 tuuskaistaa ainakin yhden signaalikomponentin avulla. 109149

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valaistaan tulorako (104, 204, 232, 308, 500, 600) näytteestä (102, 202, 230, 304) tulevalla optisella säteilyllä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että valaistaan näyte (102, 202, 230, 304) mittaussäteilyllä ja kuvataan näytteestä (102, 202, 230, 304) tulevan mittaussäteilyn avulla tulorako (104, 204, 232, 308, 500, 600) lähtörakoon (104, 214, 242, 322, 514).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että moduloidaan optisen modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) 10 elementtien optisia ominaisuuksia ajan funktiona siten, että eri aallonpituus-kaistoja moduloidaan erilaisilla aaltomuodoilla ja mittauksen yhteydessä eri aallonpituuskaistat erotetaan toisistaan modulaatiota vastaavalla demodulaati-olla.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että moduloidaan optisen modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) elementtien optisia ominaisuuksia ajan funktiona siten, että eri aallonpituus-kaistoja multipleksataan aikajakoisesti ja mittauksen yhteydessä eri aallonpituuskaistat erotetaan toisistaan modulaatiota vastaavalla demoduiaatiolla. • «

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 20 että moduloidaan optisen modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) elementtien optisia ominaisuuksia ajan funktiona siten, että eri aallonpituus-kaistoja multipleksataan taajuusjakoisesti ja mittauksen yhteydessä eri aallon-: pituuskaistat erotetaan toisistaan modulaatiota vastaavalla demoduiaatiolla tai • · · : ; suodattamalla taajuudet erilleen toisistaan. ; 25

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että moduloidaan optisen modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) elementtien optisia ominaisuuksia ajan funktiona siten, että eri aallonpituus-·. ·: kaistoja multipleksataan koodijakoisesti ja mittauksen yhteydessä eri aallonpi- :[[[: tuuskaistat erotetaan toisistaan koodausta vastaavalla dekoodauksella. : 30

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, ‘:että mittauksessa käytetään vain yhtä dispersiivistä komponenttia (106, 2062, 312, 401,504, 601). i 109149

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään mitatun ainakin yhden aallonpituuskaistan avulla ainakin yhden aineen pitoisuus näytteessä (102, 202, 230, 304).

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että määritetään mitatun ainakin yhden aallonpituuskaistan avulla ainekerrok- sen paksuus näytteessä (102, 202, 230, 304).

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään mitatun ainakin yhden aallonpituuskaistan avulla näytteen (102, 202, 230, 304) lämpötila.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että detektori (110, 216, 244, 326, 424) muodostaa lähtöraon (104, 214, 242, 322, 514).

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että spektrometri on valmistettu integroidulle piirille.

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että spektrometri on valmistettu käyttäen tasoaaltojohdetta, LIGA-tekniikaa ja . . puristemuovioptiikaa.

: 15. Spektrometri optisen spektrin mittaamiseksi, joka spektrometri käsittää tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600), ainakin yhden dispersiivisen • I I j 20 komponentin (106, 2062, 312, 401, 504, 601, 605), ainakin yhden kuvaavan komponentin (106, 206, 234, 314, 402, 506, 516, 602, 606), optisen modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) ja lähtöraon (104, 214, 242, 322, 514); ja spektrometrissa tulorako (104, 204, 232, 308, 500, 600) on sovitettu •'· 25 rajoittamaan spektrometriin tulevan optisen säteilyn; kuvaava komponentti (106, 206, 234, 314, 402, 506, 516, 602) on sovitettu kuvaamaan tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600) optiselle modu-. ' ·! laattorille (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604); ainakin yksi dispersiivinen komponentti (106, 2062, 312, 401, 504, ‘ ‘ 30 601) on sovitettu muodostamaan tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600) ku- : ·’ vasta spektrin, jota modulaattori (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) on sovi tettu moduloimaan, ja koostamaan moduloidun spektrin mittaussäteilyksi; 109149 spektrometri on sovitettu mittaamaan lähtöraosta (104, 214, 242, 322, 514) mittaussäteilyä, tunnettu siitä, että - spektrometri käsittää vain yhden detektorin (110, 216, 244, 326, 424. ja optinen modulaattori on DMD-modulaattori, joka käsittää mikropeilie- 5 lementtejä; ja - dispersiivinen komponentti (106, 2062, 312, 401, 504, 601) on sovitettu hajottamaan tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600) kuvan spektriksi siten, että kukin spektrin aallonpituus muodostaa tuloraosta (104, 204, 232, 308, 500, 600) oman kuvansa, jonka paikka optisen DMD-modulaattorin (108, 10 210, 238, 318, 406, 510, 604) mikropeilielementeillä riippuu aallonpituudesta; - optinen DMD-modulaattori (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) on sovitettu moduloimaan dispersoitua tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600) kuvaa ainakin yhdellä optisen DMD-modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) mikropeilielementillä ainakin yhden tuloraon (104, 204, 232, 308, 15 500, 600) kuvasta moduloidun aallonpituuskaistan muodostamiseksi; - dispersiivinen komponentti (106, 2062, 312, 401, 504, 605) on sovitettu koostamaan ainakin yhdestä moduloidusta aallonpituuskaistasta dis-persiottoman mittaussäteilyn siten, että kuvaa muodostettaessa kaikilla eri aallonpituuksilla tuloraon (104, 204, 232, 308, 500, 600) kuvat muodostuvat 20 samaan paikkaan aallonpituudesta riippumatta; ·.'·· - kuvaava komponentti (106, 206, 234, 314, 402, 506, 516, 606) on :T: sovitettu kuvaamaan mittaussäteilyn avulla tulorako (104, 204, 232, 308, 500, 600. lähtörakoon (104, 214, 242, 322, 514); * ♦ ♦ - spektrometrin ainoa detektori (110, 216, 244, 326, 424) on sovi-25 tettu detektoimaan lähtöraosta (104, 214, 242, 322, 514) tulevaa mittaussätei- .·;· lyä ja muuntamaan mittaussäteilyn sähköiseksi mittaussignaaliksi; ja - spektrin mittausta varten spektrometri on sovitettu demoduloimaan . . sähköisen mittaussignaalin eri aallonpituuskaistojen aiheuttamien signaali- " komponenttien erottamiseksi toisistaan ja mittamaan ainakin yhtä aallonpi-30 tuuskaistaa ainakin yhden signaalikomponentin avulla.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu ’·;· siitä, että spektrometri on sovitettu valaisemaan tulorako (104, 204, 232, 308, 500, 600) näytteestä (102, 202, 230, 304) tulevalla optisella säteilyllä.

17. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu 35 siitä, että spektrometri on sovitettu valaisemaan näyte (102, 202, 230, 304) 109149 mittaussäteilyllä ja kuvaamaan näytteestä (102, 202, 230, 304) tuleva mittaus-säteily lähtörakoon (104, 214, 242, 322, 514).

18. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että spektrometri on sovitettu moduloimaan optisen modulaattorin (108, 5 210, 238, 318, 406, 510, 604) elementtien optisia ominaisuuksia ajan funktiona siten, että eri aallonpituuskaistoja moduloidaan erilaisilla aaltomuodoilla ja spektrometri on sovitettu erottamaan eri aallonpituuskaistat toisistaan modulaatiota vastaavalla demodulaatiolla.

19. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu 10 siitä, että spektrometri on sovitettu moduloimaan optisen modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) elementtien optisia ominaisuuksia ajan funktiona siten, että eri aallonpituuskaistoja multipleksataan aikajakoisesti ja spektrometri on sovitettu erottamaan eri aallonpituuskaistat toisistaan modulaatiota vastaavalla demodulaatiolla.

20. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että spektrometri on sovitettu moduloimaan optisen modulaattorin (108, 210, 238, 318, 406, 510, 604) elementtien optisia ominaisuuksia ajan funktiona siten, että eri aallonpituuskaistoja multipleksataan taajuusjakoisesti ja spektrometri on sovitettu erottamaan eri aallonpituuskaistat toisistaan modu-. ·: ·. 20 laatiota vastaavalla demodulaatiolla tai suodatuksella.

21. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu ♦ · siitä, että spektrometri on sovitettu moduloimaan optisen modulaattorin (108, v : 210, 238, 318, 406, 510, 604) elementtien optisia ominaisuuksia ajan funktio- na siten, että eri aallonpituuskaistoja multipleksataan koodijakoisesti ja spek-25 trometri on sovitettu erottamaan eri aallonpituuskaistat toisistaan koodausta | .·. ; vastaavalla dekoodauksella.

22. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että spektrometri käsittää vain yhden dispersiivisen komponentin (106, 2062,312,401,504,601).

23. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu ·: · ·· siitä, että spektrometri on valmistettu yhdelle integroidulle piirille. 109149

24. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että spektrometri on sovitettu määrittämään mitatun ainakin yhden aal-ionpituuskaistan avulla ainakin yhden aineen pitoisuus näytteessä (102, 202, 230, 304).

25. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että spektrometri on sovitettu määrittämään mitatun ainakin yhden aal-lonpituuskaistan avulla ainekerroksen paksuus näytteessä (102, 202, 230, 304).

26. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu 10 siitä, että spektrometri on sovitettu määrittämään mitatun ainakin yhden aal- lonpituuskaistan avulla näytteen (102, 202, 230, 304) lämpötila.

27. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että detektori (110, 216, 244, 326, 424) on lähtörako (104, 214, 242, 322, 514).

28. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että spektrometri on valmistettu integroidulle piirille.

. . 29. Patenttivaatimuksen 15 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että spektrometri on valmistettu käyttäen tasoaaltojohdetta, LIGA-I '·1 ' tekniikaa ja puristemuovioptiikaa. • 1 · • · » ♦ · ♦ ♦ 109149