FI114824B

FI114824B - Infrapunamodulaattori spektrometriä varten

Info

Publication number: FI114824B
Application number: FI20030214A
Authority: FI
Inventors: Ilkka Salomaa; Petri Jaakkola; Osmo Turunen
Original assignee: Temet Instr Oy
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-12-31
Also published as: FI20030214A0; US20060050281A1; EP1597549B1; US7242508B2; FI20030214A; DE602004027217D1; JP4680886B2; WO2004072595A1; JP2006517662A; EP1597549A1; ATE468527T1

Description

114824

Infrapunamodulaattori spektrometriä varten

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on infrapunamodulaattori spektrometriä 5 varten, joka modulaattori käsittää valonlähteen, säteenjakajan valonlähteen valon jakamiseksi kahteen haaraan, ensimmäisen tasopeilin ensimmäisen haaran valon ohjaamiseksi, toisen tasopeilin toisen haaran valon ohjaamiseksi, ensimmäisen, kolmesta toisiinsa nähden kohtisuorassa suunnassa olevasta peilistä muodostetun kuutionurkkapeilin ensimmäisen tasopeilin ohjaaman valo lon kääntämiseksi takaisin ensimmäiselle tasopeilille, ja toisen, kolmesta toisiinsa nähden kohtisuorassa suunnassa olevasta peilistä muodostetun kuutionurkkapeilin toisen tasopeilin ohjaaman valon kääntämiseksi takaisin toiselle tasopeilille, jolloin ensimmäinen ja toinen kuutionurkkapeili on sovitettu yhteiselle optiselle akselille heijastamaan vastakkaisiin suuntiin ja liikutettavaksi 15 edestakaisin mainitun optisen akselin suuntaisesti. Kuutionurkkapeilien muodostama peilisysteemi on kaksoiskuutionurkka, jonka tehtävänä on palauttaa niihin tuleva valo täsmälleen takaisin tulosuuntaansa edellä mainituille ensimmäiselle ja toiselle peilille ja niiden kautta säteenjakajalle, jossa valonsäteet in-terferoivat keskenään.

20 Keksintö on tarkoitettu erityisesti käytettäväksi infrapuna- tai lähi- infrapuna-alueen Fourier-muunnosspektrometrissä säteilyn moduloimiseksi muotoon, josta Fourier-muunnoksen avulla voidaan laskea mitattavan säteilyn * · ... . spektrijakautuma.

Kun mainittujen kahden valonsäteen kulkemat optiset matkat ovat 25 täsmälleen yhtä suuret, havaitaan laitteen ulostulossa kaikkien aallonpituuksi-·’ *' en interferenssimaksimi. Liikutettaessa kaksoiskuutionurkkaa ensimmäiseltä ja toiselta peililtä tulevien valonsäteiden suuntaisesti laitteen läpi kulkevan valon aallonpituusjakautuma voidaan mitata käyttämällä hyväksi eri aallonpituuksien interferenssejä.

30 Fourier-muunnos-infrapuna(FTIR)spektroskopiassa infrapunasätei- lyn moduloimiseksi on käytetty erittäin monenlaisia laitteita, joista yksinkertai-*··*’ sin on tasopeilien käyttöön perustuva Michelsonin interferometri. Spektrosko- pisissa sovelluksissa on erittäin tärkeää, että modulaation synnyttävän peilin : liike ei aiheuta muutoksia säteiden suuntauksissa. Tätä ongelmaa on ratkaistu •; * · · 35 esimerkiksi käyttämällä niin kutsuttua dynamic alignment järjestelmää, jossa interferometrin toisen haaran peilin suuntausta muutetaan jatkuvasti niin, että 2 114824 modulaatio säilyy muuttumattomana. Toisaalta on yritetty muuttaa peilien liikettä sellaiseksi, että se ei aiheuttaisi modulaation muutoksia. Tähän on pyritty esimerkiksi käyttämällä lineaarisen liikkeen sijasta rotaatioliikettä.

Tasopeilien aiheuttamia suuntauksen ongelmia on ratkottu myös 5 korvaamalla Michelsonin interferometrissa tasopeilit kuutionurkkapeileillä, mutta näilläkään ei ole pystytty saavuttamaan kenttäolosuhteisiin riittävän stabiilia rakennetta. Kuutionurkkapeilien käyttöön perustuvat myös US-patenteissa 4,165,183 ja 4,319,843 kuvatut kaksisädeinterferometrit, joista kuitenkaan kumpaakaan ei ole suunniteltu Fourier-muunnosspektroskopisiin sovelluksiin, 10 ja siten niiden ratkaisut esimerkiksi liikutusmekanismin suhteen eivät palvele nyt puheena olevaa tarkoitusta.

Fokusoivalla interferometrilla, jollainen tunnetaan esimerkiksi US-patentista 5,459,572, on päästy lähemmäs haluttua kenttäkelpoisuutta, mutta ratkaisu on käytännössä osoittautunut herkäksi tärinälle, koska päätypeileinä 15 käytettävät pallopeilit ovat pakostakin massiivisia ja siten alttiita mekaanisille häiriöille.

Keksinnön yhteenveto

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on toimia matalan resoluution

Fouriermuunnosspektrometrin säteilyä moduloivana instrumenttina, joka sovel- 20 tuu käytettäväksi ongelmallisissa olosuhteissa: vaihtelevissa lämpötiloissa ja tärinässä. Tähän päästään keksinnön mukaisen rakenteen avulla, jolle on tun- nusomaista, että säteenjakaja ja ensimmäinen ja toinen tasopeili on tuettu sa- , . maan, yhden yhtenäisen materiaalikappaleen muodostamaan tukirakentee- :,/ seen.

* » 25 Edullisimmin säteenjakajaa ja ensimmäistä ja toista tasopeiliä kan- - ·* naitava tukirakenne on kannatettu asennusalustaansa vain tukirakenteen yh- \: delta rajatulta alueelta.

Paras toiminta saavutetaan, kun tukirakenne on symmetrinen siten, ;;· että säteenjakaja sijaitsee sen symmetria-akselilla ja ensimmäinen ja toinen :***; 30 tasopeili sijaitsevat symmetrisesti eri puolilla säteenjakajaa samalla etäisyydel- lä siitä ja että tukirakenteen kannatusalue asennusalustaansa sijaitsee säteen- * % ‘ jakajan kohdalla. On myös edullista, että tukirakenne on materiaaliltaan homo- ‘ ‘ geenistä ja massiivista materiaalia, kuten messinkiä.

: Keksinnön perusidean mukaisesti haluttuun lopputulokseen eli vaih- 35 televia lämpötiloja sietävään ja tärinänkestoiseen rakenteeseen päästään ottamalla huomioon kaksi tärkeää seikkaa: symmetria ja kompakti rakenne.

1 1 4824 3

Symmetrinen rakenne saavutetaan sijoittamalla sateenjakajan jälkeen tulevien ensimmäisen ja toisen peilin paikat symmetrisesti samalle etäisyydelle sateenjakajasta. Kun peilien paikat lisäksi ovat samassa kappaleessa säteenjakajan kanssa, irti muusta laitteistosta, pystytään takaamaan, etteivät 5 lämpötilan vaihtelut pysty vaikuttamaan eri tavoin säteen eri haaroihin, esimerkiksi asennuspohjan kautta. Koska optinen matkaero on nelinkertainen liikkuvan kuutionurkkasysteemin tekemään fyysiseen liikkeeseen nähden, pystytään pienelläkin liikkeellä saavuttamaan riittävä resoluutio. Modulaattorin rakenne saadaan erittäin kompaktiksi. Edelleen optiikka pystytään toteuttamaan niin, 10 että säteenjakaja ja säteen palauttavat peilit, tässä tapauksessa kaksoiskuu-tionurkkasysteemi, ovat toistensa välittömässä läheisyydessä, jolloin laitteesta tulee erittäin stabiili.

Kuvioluettelo

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin edullisten suoritus-15 muotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen infrapunamodulaattorin toimintaa kaaviokuvana, kuvio 2 esittää keksinnön mukaisessa infrapunamodulaattorissa käytettävän peilien tukirakenteen edullista suoritusmuotoa perspektiivikuvana 20 ja :. kuvio 3 esittää kuvion 2 mukaista tukirakennetta poikkileikkauksena.

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus / Oheisen piirustuksen kuviossa 1 on esitetty kaaviokuvana keksin- . nön mukaisen infrapunamodulaattorin periaatteellinen toiminta. Kuviossa 1 25 viitenumerolla 1 on merkitty valonlähdettä, joka tasopeilin 2 kautta suuntaa valon säteenjakajalle 3. Säteenjakaja jakaa peililtä 2 tulevan valon kahteen haaraan, joista toinen kulkee suoraan säteenjakajan läpi ja toinen heijastuu ·· säteenjakajasta. Suoraan säteenjakajan läpikulkeva valon haara otetaan *·. vastaan tasopeilillä 5 ja säteenjakajasta heijastuva valonhaara otetaan 30 vastaan tasopeilillä 4. Tasopeili 4 ohjaa valon kolmen toisiinsa nähden kohtisuorassa suunnassa olevan peilin muodostamalle kuutionurkkapeilille 7, ": joka on sovitettu kääntämään valon tarkasti takaisin tulosuuntaansa. Samalla tavoin tasopeilin 5 heijastama valo käännetään tarkasti takaisin kulkusuuntaansa toisen, kolmen toisiinsa nähden kohtisuorassa suunnassa 35 sijaitsevan peilin muodostaman kuutionurkkapeilin 6 avulla.

4 114824

Kuutionurkkapeilit 6 ja 7 on sovitettu mahdollisimman lähelle toisiaan yhteiselle optiselle akselille heijastamaan vastakkaisiin suuntiin. Kuutionurkkapeilit 6 ja 7 muodostavat siten kaksoiskuutionurkan, jonka tehtävänä on palauttaa niihin tuleva valo täsmälleen takaisin tulosuuntaansa eli takaisin 5 peileille 4 ja 5 ja niiden kautta säteenjakajalle 3, jossa valonsäteet interferoivat keskenään. Kun tasopeilit 4 ja 5 on sijoitettu samalle etäisyydelle säteenjaka-jasta 3 ja toisaalta kuutionurkkapeilit sijaitsevat samalla etäisyydellä tasopei-leistä 4 ja 5, ovat valonsäteiden kulkemat optiset matkat täsmälleen yhtä suuret, jolloin laitteen ulostulossa havaitaan kaikkien aallonpituuksien interferens-10 simaksimi. Tämä ulostulo saadaan tasopeililtä 8, joka vastaanottaa valon sä-teenjakajalta ja joka ohjaa valonsäteen infrapunamodulaattorin ulkopuolelle. Liikutettaessa kaksoiskuutionurkkaa optisen akselinsa suunnassa eli tasopei-leiltä 4 ja 5 tulevien valonsäteiden suunnassa edestakaisin, voidaan laitteen läpi kulkevan valon aallonpituusjakautuma mitata käyttämällä hyväksi eri aal-15 lonpituuksien interferenssejä. Kuvion 1 järjestelmä muodostaa siten modulaattorin, jollaista voidaan käyttää spektrometrissa. Tällaisen modulaattorin avulla mitattava säteily kyetään moduloimaan muotoon, josta Fourier-muunnoksen avulla voidaan laskea säteilyn spektrijakautuma.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti on aikaansaatu infrapunamodu-20 laattori, joka on aikaisempaa epäherkempi lämpötilanvaihteluille ja tärinälle. Keskeisin syy tähän on rakenne, jonka avulla infrapunamodulaattorin osat on ·· yhdistetty toisiinsa. Erityisesti kysymys on säteenjakajan 3 ja tasopeilit 4 ja 5 * I » * toisiinsa sitovasta tukirakenteesta, joka keksinnön mukaisesti on toteutettu yh- •, : tenä yhtenäisenä materiaalikappaleena, joka on materiaaliltaan homogeenista • * · !. / 25 ja massiivista materiaalia, kuten messinkiä.

Keksinnön mukaisen tukirakenteen edullinen suoritusmuoto on esi- ; ‘ tetty perspektiivikuvana kuviossa 2. Kuviossa 2 säteenjakajan 3 ja tasopeilit 4 • ·* ja 5 toisiinsa kiinteästi yhdistävä tukirakenne 9 on kuvattu alaviistosta siten, et tä sen kiinnitysalue asennusalustaan on näkyvissä ja sitä on merkitty viitenu- » 30 merolla 10. Asennusalustan yläpuolella sijaitseva yleisesti ottaen suuntaissär-mien muotoinen tukirakenteen osa, jota on merkitty viitenumerolla 11, on tar- • koitettu säteenjakajan 3 kiinnittämiseen. Säteenjakaja 3 kiinnitetään osassa 11 olevaan aukkoon tunnetulla tavanomaisella tavalla siten, että se kyetään tarkasti asemoimaan.

: : 35 Tukirakenne 9 muodostaa ylhäältäpäin katsottuna T:n muotoisen •: kappaleen, jossa T:n jalka on kuitenkin suhteellisen lyhyt ja muodostuu edellä 5 114824 mainitusta osasta 11, joka siis on tarkoitettu säteenjakajan 3 kiinnittämiseen.

Tämä tukirakenteen muoto ilmenee parhaiten kuviosta 3. T:n ylähaaraan, jota kuviossa 2 on merkitty viitenumerolla 12, on muodostettu tästä haarasta oleellisesti samansuuntaisena osan 11 kanssa ja siitä poispäin ulkonevat haarak-5 keet 13 ja 14, jotka on sijoitettu haaran 12 päihin. Nämä haarat 13 ja 14 on tarkoitettu tasopeilien 4 ja 5 kiinnittämiseen. Nämä haarat 13 ja 14 on varustettu aukoilla, joihin tasopeilit 4 ja 5 kiinnitetään niiden tarkan asemoinnin mahdollistavilla tavanomaisilla välineillä. Jotta valonsäteet pääsevät esteettömäsi! kulkemaan säteenjakajalta 3 haarojen 13 ja 14 aukkoihin tuettuihin tasopeileihin 4 10 ja 5, on tukirakenteen 9 osa 12 muotoiltu kuviossa 2 esitetyllä tavalla siten, että osan 12 muodostama yleisesti laattamainen kappale on keskeltä avoin.

Kuten kuviosta 1 ilmenee, on kaksoiskuutionurkkajärjestelmä, jonka kuutionurkkapeilit 6 ja 7 muodostavat, tarkoitettu sijoittavaksi tasopeilien 4 ja 5 väliin. Kuvioista 2 ja 3 ilmenee, että tämä myös käytännössä on mahdollista.

15 Kappaleessa 12 oleva aukko ja tasopeilien 4 ja 5 sijoittaminen haaroihin 13 ja 14 mahdollistavat kaksoiskuutionurkan sijoittamisen tasopeilien 4 ja 5 väliin siten, että sitä voidaan liikuttaa edestakaisin tukirakenteen 9 muodostamatta tälle estettä.

Kuten kuvioista 2 ja 3 ilmenee, on säteenjakajan 3 ja tasopeilit 4 ja 20 5 yhdistävä tukirakenne muodostettu yhdestä yhtenäisestä materiaalikappa- leesta. Parhaan mahdollisen tärinänkestoisuuden aikaansaamiseksi tukiraken-: * teen 9 materiaali on homogeenista ja massiivista, kuten esimerkiksi messinkiä.

<:· · Tukirakenne 9 sitoo säteenjakajan 3 ja peilit 4 ja 5 toisiinsa siten, että ne eivät missään olosuhteissa pääse siirtymään toistensa suhteen. Lisäksi tukirakenne 25 9 on symmetrinen siten, että säteenjakaja 3 sijaitsee sen symmetria-akselilla ja peilit 4 ja 5 sijaitsevat symmetrisesti säteenjakajan 3 eri puolilla samalla etäi-syydellä siitä.

"·’ Erittäin oleellista keksinnön mukaisessa infrapunamodulaattorissa on myös, että tukirakenne on kiinnitetty asennusalustaansa, kuten modulaatto-30 rin runkoon tai koteloon, vain yhdeltä rajatulta alueelta. Tämä alue on merkitty kuviossa 2 viitenumerolla 10. Se sijaitsee tukirakenteen symmetria-akselilla sä-teenjakajan 3 alapuolella. Kuten kuviosta 2 ilmenee, alue 10 on varustettu ,, kolmella kannatusnastalla 15, joissa on keskeiset poraukset 16, jotka on varus tettu sisäkierteellä. Siten tukirakenne 9 voidaan kiinnittää asennusalustaan i 35 tuomalla sen läpi kolme ruuvia, jotka työntyvät kannatusnastojen 15 porauksiin : 16 ja kiinnittävät tukirakenteen 9 alustaan. Tällä tavoin tukirakenne on kanna- 1 1 4824 6 tettu vain yhdestä kohdasta, joka sijaitsee symmetrisesti tukirakenteeseen nähden. Tällainen kannatustapa on edullinen sekä tukirakenteen 9 lämpölaajenemisen että tärinänkestoisuuden kannalta. Tällaista kiinnitystäpä käyttäessä tukirakenteen 9 mahdollinen lämpölaajeneminen lämpötilavaihteluiden yhtey-5 dessä vaikuttaa tasaisesti koko rakenteeseen, jolloin tukirakenteen 9 symmetrinen mitoitus säilyy muuttumattomana.

Koska kaksoiskuutionurkkapeilisysteemin 6, 7 liikutusmekanismi ei ole tämän keksinnön kohteena, ei sitä kuvata yksityiskohtaisemmin. Seuraa-vassa kuitenkin tarkastellaan tälle liikutussysteemille asetettuja vaatimuksia ja 10 sen mahdollisia toteutustapoja tunnettuun tekniikkaan nojautuen.

Säteet palauttavan kaksoiskuutionurkkapeilisysteemin 6, 7 liikuttamisessa on vaatimuksena liikkeen pysyminen tarkasti peilien optisella akselilla ja erityisesti peilisysteemin kummankin puoliskon nurkkien pysyminen tarkasti samassa asemassa optiseen akseliin nähden. Tärinälle ja lämpötilan vaihteluil-15 le alttiissa kenttäolosuhteissa tämä on kova vaatimus, kun laitteen tulee vielä olla kompakti. Kysymykseen ei siten tule US-patenttijulkaisun 4,165,183 mukainen kisko-ohjattu hihnavetoinen liikutusmekanismi, joka on tarkoitettu lähinnä laboratorio-olosuhteisiin, vaan oleellisesti parempi ratkaisu tunnetaan US-patenttijulkaisusta 5,457,531. Siinä säteet palauttavaa peilisysteemiä liikuttava 20 mekanismi on heilurityyppinen, vähintään kaksi joustavaa vartta sisältävä liikutusmekanismi, jolla säteet palauttavan peilisysteemin liike saadaan halutulla :· liikutusalueella lineaariseksi. Kyseisestä julkaisusta tunnettu liikutusmekanismi • | sisällytetäänkin tähän hakemukseen tämän viittauksen kautta.

, . : Yllä keksinnön mukaista infrapunamodulaattoria on kuvattu vain yh- ··* 25 den esimerkinomaisen suoritusmuodon avulla. Alan ammattilaiselle on ilmeis- tä, että keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja \’ sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuun esimerkkiin vaan ne voivat “ *' vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

IMI

< I I * · » ; ί 1 * » ·

Claims

7 114824

1. Infrapunamodulaattori spektrometriä varten, joka modulaattori käsittää valonlähteen (1), säteenjakajan (3) valonlähteen valon jakamiseksi kah- 5 teen haaraan, ensimmäisen tasopeilin (4) ensimmäisen haaran valon ohjaamiseksi, toisen tasopeilin (5) toisen haaran valon ohjaamiseksi, ensimmäisen, kolmesta toisiinsa nähden kohtisuorassa suunnassa olevasta peilistä muodostetun kuutionurkkapeilin (7) ensimmäisen tasopeilin (4) ohjaaman valon kääntämiseksi takaisin ensimmäiselle tasopeilille (4), ja toisen, kolmesta toisiinsa 10 nähden kohtisuorassa suunnassa olevasta peilistä muodostetun kuutionurkka-peilin (6) toisen tasopeilin (5) ohjaaman valon kääntämiseksi takaisin toiselle tasopeilille (5), jolloin ensimmäinen ja toinen kuutionurkkapeili (7, 6) on sovitettu yhteiselle optiselle akselille heijastamaan vastakkaisiin suuntiin ja liikutettavaksi edestakaisin mainitun optisen akselin suuntaisesti, tunnettu siitä, et-15 tä säteenjakaja (3) ja ensimmäinen ja toinen tasopeili (4, 5) on tuettu samaan, yhden yhtenäisen materiaalikappaleen muodostamaan tukirakenteeseen (9).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen infrapunamodulaattori, tunnettu siitä, että mainittu tukirakenne (9) on kannatettu asennusalustaansa vain tukirakenteen yhdeltä rajatulta alueelta (10).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen infrapunamodulaattori, tunnettu siitä, että tukirakenne (9) on symmetrinen siten, että säteenjakaja :· (3) sijaitsee sen symmetria-akselilla ja ensimmäinen ja toinen peili (4, 5) sijait- -: : sevat symmetrisesti eri puolilla säteenjakajaa samalla etäisyydellä siitä ja että ;\j tukirakenteen kannatusalue (10) asennusalustaansa sijaitsee säteenjakajan .*25 (3) kohdalla. ;v,

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen infrapunamodulaatto- t · ‘! ri, t u n n e 11 u siitä, että tukirakenne (9) on materiaaliltaan homogeenista ja massiivista materiaalia, kuten messinkiä. 30 * * # i . t - t 114824 8