FI119830B - Spektrometri ja inferferometrinen menetelmä - Google Patents

Description

119830

Spektrometri ja interferometrinen menetelmä

Keksintö liittyy optiseen interferometriaan. Erityisesti keksintö koskee uutta interferometrista menetelmää ja spektrometriä. Tällaisessa spektrometrissa valo ohjataan esimerkiksi Fabry-5 Perot-tyyppiseen interferenssielementtiin ja edelleen havainnointielementtiin interferenssikuvion havaitsemiseksi. Spektrometri soveltuu näkyvän valon lisäksi UV-ja IR-aallonpituuk-sille, ja sen avulla voidaan ottaa spektraalisia kuvia kohteesta käyttäen ympäristön valoa tai valaisten kohdetta erillisillä valonlähteillä. Keksintö koskee myös uutta käyttöä, 10 Kuvaavia spektrometrejä voidaan toteuttaa monilla tunnetuilla dispersiivisillä komponenteil la, joista tyypillisimmät on lueteltu seuraavassa: 1. Perinteinen interferenssiin perustuva kaistanpäästösuodatin, jossa suodattimen transmissio muuttuu lineaarisesti suodatinta Uikutettaessa. Toinen mahdollisuus on asettaa eri päästö-kaistat pyörivään pitimeen.

15 2. Fabry-Perot -kaviteetti, joista yleisimmät ovat nestekide Fäbry-Perot -suodatin (optisen matkan muutos tapahtuu muuttamalla kiteen taitekerrointa sähkökentäUä) ja mikromekaaninen Fabry-Perot -suodatin (kaviteetin paksuutta muutetaan mikromekaanisesti).

3. Akusto-optinen säädettävä suodatin (AOTF), jossa kahtaistaittavaa Te02 -kidettä moduloidaan sopivalla taajuudella, joUoin eri aallonpituudet diffiaktoituvat detektorin suuntaan.

* · *. *. * 20 Detektorin suuntaan diffraktoituva aallonpituus riippuu moduloinnin taajuudesta.

• * · • · · ϊ 4. Nestekidefiltteri (LCTF), jossa aallonpituuskaista valitaan nestekiteen kahtaistaittavuutta • · · : ·’ hyväksikäyttäen.

• · ···· 5. LTCC-materiaaliin yhdistetty pietsosähköinen ominaisuus ja tätä kautta tapahtuva disper- * · · ’ siivisen Fabry-Perot -elementin aktuointi.

· • · — — 25 , Kuvaavat spektrometrit mittaavat tyypillisesti kohteesta viivamaisen alueen. Tällöin kaksidi- * · · • · · 11mensioiselle detektorille muodostetaan kuva, jonka toinen dimensio vastaa paikkaa kohteessa • · '" ja toinen aallonpituutta. Kaksidimensioisen kuvan kohteesta yhdellä aallonpituudella ottavia • · · :** : kuvaavia spektrometrejä on toteutettu Akusto-optista suodinta tai Fabry-Perot interferometrin • · * ·; · * 30 yhtä kertalukua käyttäen. Molempien tekniikoiden haittana on spektraalisen kuvan mittaami- sen hitaus, koska joko kohteesta kuvataan vain viiva tai vain yksi aallonpituuskaista kerral-laan.

119830 2

Ylläluetelhiilla tekniikoilla toteutettuja kuvaavia spektrometrejä ovat esimerkiksi CRI Instrumentsin LTCF-teknikkaan perustuva VariSpec™ tunable imaging filters (http://www.cri-inc.com/products/index.asp) ja AOTF:ään pemstuva Brimrose Ltd:n Lu-minar NIR-spektrometrisaqä (ref. http://www.brimrose.com/nirspec.html).

5

Tunnetut kuvaavat spektrometrit ovat periaatteeltaan skannaavia, eli niiden interferenssiele-menttiä moduloidaan tai muuten muutetaan mittauksen aikana siten, että koko haluttu aallonpituusalue tulee läpikäydyksi. Vaihtoehtoisesti spektri hajotetaan prismassa ilmaisimelle yhdessä dimensiossa, jolloin ilmaisimen toinen dimensio joudutaan uhraamaan spektri tiedolle.

10 Niinpä perinteinen mittaus on hidas tai siitä saatava tietomäärä suhteellisen pieni. Kuvaavien spektrometrien merkitys on kuitenkin lisääntymässä sekä elinympäristömme tutkimuksessa (kaukokartoitus) lentokoneista ja satelliiteista käsin, että teollisuudessa tuotteiden ja prosessien analysoinnissa. On siis olemassa tarve saada aikaan tehokkaampia spektrometreja.

15 Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan spektrometri, joka mahdollistaa kohteen nopeamman spektroskooppisen kuvaamisen tai suuremman tietomäärän saamisen kohteesta yhdellä hetkellisellä mittauksella.

Keksinnön tarkoituksena on myös saada aikaan uusi spektrometrinen menetelmä kohteen • · ::: 20 heijastuksen, absorption, transmission tai emission mittaamiseksi.

1»«· • · · : *. * Keksinnön perusaj atuksena on käyttää spektraalisesti liuskoittuneen interferometrin, kuten • m • · · '·'· · Fabry-Perot interferometrin, useaa kertalukua yhtä aikaa erottamalla ne eri aallonpituuksien * · · * ·: · * erotteluun kykenevällä ilmaisimella.

! 25

Keksinnön mukaisessa spektrometrissä on interferenssielementti, johon on ohjattavissa valoa • · · " ·;; * tutkittavasta kohteesta spektraalisesti vähintään kahdelle erilliselle aallonpituuskaistalle Uus- • · • · *;* koittuneen interferenssikuvan tuottamiseksi, sekä ilmaisin, johon interferenssikuva on kohdis- · ! tettavissa. Spektrometrin ilmaisimessa interferenssikuvan aallonpituuskaistat voidaan erotella • · · « · 30 toisistaan.

• · • · · · * * ·/·· Keksinnön mukaisessa menetelmässä ohjataan valoa kohteesta vähintään kahdella eri aallon- pituuskaistalla läpäisyltään spektraalisesti liuskoittuneeseen interferenssielementtiin interfe- 3 119830 renssikuvion tuottamiseksi, ja kohdistetaan syntynyt interferenssikuvio edelleen ilmaisimelle, jossa interferenssikuvion vähintään kaksi aallonpituuskaistaa erotellaan paikallisesti.

Halutut aallonpituuskaistat voidaan valita interferenssielementin ominaisuuksien avulla. Esi-5 merkiksi käytettäessä Fabry-Perot -interferometriä, kaistojen valinta tapahtuu säätämällä Fab-ry-Perot -elementin peiliväliä, ja siten valon vapaata matkaa interferometrissä.

Valolla tarkoitamme optisen säteilyn kaikkia aallonpituuksia, menetelmän soveltuessa näkyvän valon lisäksi etenkin UV-, NIR-ja IR-aallonpituuksille.

10

Spektraalisesti liuskoittuneen läpäisyn omaavalla interferometrisellä elementillä tarkoitamme interferometrejä, joiden läpäisyssä on havaittavissa selviä maksimeita (konstruktiivinen interferenssi) tietyillä aallonpituuksilla (tietyn kertaluvun läpäisy). Tyypillisimpiä tällaisia interferometrejä ovat Fabry-Perot -interferometrit (joiden peiliytimestä käytetään joskus myös ni-15 meä etalon), jotka soveltuvat spektraalisen erottelukykynsä ja säädettävyytensä vuoksi keksinnön tarkoitukseen erityisen hyvin.

Interferenssikuvan aallonpituuksien paikallisella ilmaisemisella tarkoitamme sitä, että ilmaisin on sovitettu säilyttämään tieto kunkin interferenssikuvan muodostavan ilmaisimelle osuvan : *; *; 20 säteen paikasta kuvassa kullakin valitulla aallonpituuskaistalla erikseen. Paikkatiedon tark- • · V kuus riippuu toki aina ilmaisimen paikkaerotuskyvystä.

·* * • · * • · • · * ·,· · Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle spektrometrille on tunnusomaista se, mitä ·,·,·’ on sanottu patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

· * 25

Keksinnön mukaiselle menetelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mitä on sanottu patent- • · *. *. * tivaatimuksen 10 tunnusmerkkiosassa.

• · · • · • · * · · ·· : Keksinnön mukaiselle käytölle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksessa :***: 30 17.

• · · ··· • · * • · ·

Keksinnön avulla saavutetaan monia etuja. Se mahdollistaa kohteen kuvaamisen samanaikai- ·«« sesti usealla, eli vähintään kahdella, aallonpituuskaistalla. Tunnistamalla kaistat soveltuvalla aallonpituuksien erotteluun kykenevällä ilmaisimella, joita kuvataan tarkemmin myöhemmin, 119830 4 saadaan hyödynnettyä interferometrin useita kertalukuja, mikä lisää huomattavasti mittauksesta saatavan tiedon määrää. Kaksidimensioisen ilmaisimen toista fyysistä dimensiota ei siten tarvitse käyttää spektraaliseen erotteluun. Niinpä kohteen yhtä elementtiä vastaava säde-kimppu säilytetäänkin edullisesti oleellisesti kollimoituna (yhdensuuntaisena) kuvausoptiikal-5 ta ilmaisimelle asti, eli hajoitusprismoja tai -hiloja ei tarvita. Lisäksi, monessa sovelluksessa ollaan kiinnostuneita vain tietyistä aallonpituusalueista, jolloin yhdellä mittauksella saadaan kaikki tarvittava tieto hetkessä. Näin vältytään myös ajallisesti peräjälkeen tehtäviltä useilta mittauksilta, erityisesti koko aallonpituusalueen skannaamiselta. Menetelmä ja laite voidaan toki toteuttaa skannaavana, mutta koska yhdellä mittauksella saadaan vähintään kahta aallon-10 pituutta vastaava spektraalinen tieto, on skannattava alue huomattavasti pienempi.

Keksintö soveltuu kohteen luonnollisen emission, indusoidun (viivästyneen) emission tai ulkopuolisen valonlähteen tai usean ulkopuolisen valonlähteen aiheuttaman absorptio-, heijastus- tai transmissiospektrin mittaamiseen. Jos kohteen valaisu tehdään suhteellisen kapeakais-15 täisillä valolähteillä, kuten LED-valaisimilla, spektraalista erotuskykyä voidaan kuitenkin parantaa.

Tällaista kuvaavan spektrometrin rakennetta voidaan käyttää esimerkiksi kaukokartoitusso-velluksissa, jossa sen etuna on suuri valonläpäisy valituilla kuvausaallonpituuskaistoilla. Toi- • · V.: 20 nen iso sovellusalue ovat erilaiset väri- japitoisuusmittaukset teollisuudessa. Erityistä etua .. ’·' saavutetaan mittauksissa, jotka perustuvat tutkittavan aineen absorptiokaistalla ja referenssi- • · : *, · kaistalla samanaikaisesti tehtyyn mittaukseen. Kolmas sovellusalue ovat erilaisten biologisten • · :.: : testien lukulaitteet ja erityisesti fluoresenssiin perustavat testiformaatit. Fluoresenssin mitta- *.:. uksessa esillä olevalla menetelmällä voidaan mitata yhtä aikaa fluoresenssin herättävän valon • · • · *·..* 25 ja fluoresoidun valon intensiteetti. Keksinnön avulla olisi mahdollista tehdä kustannuksiltaan edullinen testilukija, joka soveltuisi hyvin monille sovellusalueille. Spektroskooppia on myös • · » *·:·* mahdollista valmistaa massatuotantomenetelmin.

• ♦ · • · • ♦ * · · » • · •. · · Erityistä etua saavutetaan sellaisissa mittauksissa, joissa useaa aallonpituuskaistaa mitataan ··· •... * 30 yhtäaikaisesti mittaus- ja referenssikaistan intensiteettien suhteen selvittämiseksi, esim. j onkin •: · aineen pitoisuuden määrittämiseksi. Yhtä aikaa tehtävä mittaus sekä lisää mittausnopeutta että φ · · · : \: parantaa luotettavuutta, koska toistoilta vältytään. Tietyissä irreversiibeleissä tai muuten vai keasti toistattavissa prosesseissa usean kaistan yhtäaikainen mittaus on jopa välttämättömyys.

119830 5

Esillä oleva spektrometri voidaan yksinkertaisuutensa takia myös osittain tai kokonaan integroida muovirakenteisiin Optoelektroniikan ja -mekaniikan keinoin. Erityisesti integroimalla interferenssielementti mahdollisine pietsomateriaaleineen ja tarvittavia elektroniikkapiirejä, kuten ilmaisin ja tämän käyttöelektroniikka, muoviin voidaan teollisesti valmistaa hyvin pie-5 niäkin spektroskooppeja tai näiden moduuleita erityisesti teollisuuden tarpeisiin. Esimerkiksi biologisten testien lukemiseen (mm. mikrotiitterilevyiltä) tarvitaan kompakteja ja edullisia spektroskopiamoduuleita. Lentokone- tai satelliittikaukokartoitussovelluksissa tulevat kyseeseen taas hyvän paikkaerottelukyvyn omaavat suuremmat spektroskoopit. Tarvetta nopeille ja tehokkaille spektroskoopeille on myös prosessiautomaatiosovelluksissa ja turvallisuustekno-10 logiassa. Keksinnön mukainen spektroskooppi soveltuu käytettäväksi eri kokoluokkien ja etäisyyksillä sij aitsevien kohteiden tutkimiseen aina mikroskooppitason tutkimuksista useiden kilometrien, jopa satojen kilometrien päässä kohteesta tehtäviin kaukokartoituksiin.

Keksintö ei rajoitu näkyvän valon alueelle, vaan se soveltuu mille tahansa aallonpituusalueel-15 le, jos on mahdollista tehdä tälle aallonpituusalueelle sensorielementti, Tyypillisesti senso- rielementti käsittää vähintään valoherkistä kuvaelementeistä muodostuvan tiheän matriisin. Tyypillisessä ratkaisussa kuvaelementtejä on vähintään kahdenlaisia. Ratkaiseva tekijä on kuvaelementtien toisistaan poikkeava aallonpituusvaste. Esimerkiksi vierekkäisten kuvaelementtien aallonpituusvasteet voivat olla erilaiset. Toisenlaisessa ratkaisussa käytetään interfe- * *. *. * 20 rometrin j älkeen aallonpituudet optisesti erottelevaa elementtiä, ja aallonpituuskaistat ohjataan • · · • · · t fyysisesti eri paikoissa sijaitseville sensorielementeille. Molemmissa ratkaisutyypeissä on * * * · ; · * toteutettavissa interferenssikuvan valittujen aallonpituuksien korkean resoluution spatiaalinen • * · • ·: ^: tunnistaminen ja erottelu toisistaan.

* * · • · * • · · • · · • · * * * * 25 Erityisen tehokkaaksi on havaittu sellainen toteutusmuoto, jossa käytetään Fabry-Perot inter- . ferometrin useaa kertalukua yhtä aikaa erottamalla ne sähköisesti elektronisella sensoriele- • · · • · · ;!; mentillä, jossa on useille aallonpituuksille herkkiä pikseleitä. Tällainen sensorielementti ky- • · ’* kenee erottamaan erilaiset aallonpituusvasteet RGB-tyyppisen kuvasensorin tapaan, • · • ♦ * • · · ·*· · • · · • · ’···* 30 Seuraavassa keksinnön eri sovellutusmuotoja tarkastellaan yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa • · kuvio 1 esittää värikuvailmaisimeen, Fabry-Perot suotimeen ja LED-valolähteisiin perustuvan kuvaavan spektrometrin periaatteen, 119830 6 kuvio 2 esittää aallonpituuskaistojen erotteluprismaan, laajakaistaisiin kuvailmaisuniin, Fab-ry-Perot suotimeen ja kapeakaistaisiin valolähteisiin perustuvan kuvaavan spektrometrin periaatteen,

Kuvio 3 esittää graafisesti keksintöön soveltuvan esimerkinomaisen dielektrisen peilin (Vira-5 tee EM97.45.600-97%) spektraalisen heijastavuuden ja kahdesta tällaisesta peilistä muodostetun Fabry-Perot kaviteetin spektraalinen transmissio 1.35 pm peilivälille,

Kuvio 4 esittää graafisesti esimerkinomaisen kuvasensorin (Micron CMOS sensor MT9V022177ATC Color) Sinisten (B), vihreiden (G) ja punaisten (R) pikselien kvantti-hyötysuhteet aallonpituuden funktiona, 10 Kuvio 5 esittää keksinnön yhteydessä käytettäväksi soveltuvien sinisten, vihreiden, punaisten ja valkoisten LED-lähteiden tyypillisiä suhteellisia emissiospektrejä,

Kuvio 6 esittää sinisten (470 nm), vihreiden (525 nm) ja punaisten (650 nm) LED-lähteiden, Fabry-Perot kaviteetin (Viratec EM97.45.600-97% peilit ja 1.35 pm:n peiliväli) ja Micronin CMOS-sensorin MT9V022177ATC Sinisten (B), vihreiden (G) ja punaisten (R) pikselien 15 yhdistetyn suhteellisen spektraalisen vasteen,

Kuvio 7 esittää valkoisen LED-lähteen referenssispektrometrillä mitatun suhteellisen intensiteetin ja peilivälejä 1,3,1.4 ja 1.5 pm vastaavat Fabry-Perot spektrometrin transmissiot (Viratec EM97.45.600-97% peilit), ja

Kuvio 8 esittää valkoisen LED-lähteen referenssispektrometrillä mitatun ja simuloitua kalib- • a ’.:.: 20 rointia ja kaavaa 10 käyttäen simuloidun suhteellisen intensiteetin.

• · ·*·· • i · t * » ϊ · * Kuvio 1 havainnollistaa yhden sovellutusmuodon mukaisen kuvaavan spektrometrin. Tutkit- • · · • ·: : tavaa kohdetta on merkitty viitenumerolla 100. Spektrometri käsittää kuvausoptiikan 110, • · · jonka tehtävänä on koota haluttu sädekimppu kohteesta 100 ja ohjata se edelleen interferomet- • · * * * * * 25 rille 120. Kuvion Fabry-Perot -interferometrissä on optisesti läpäisevien elementtien 121 vas- , takkain asetetut pinnat varustettu puoliläpäisevillä peilipinnoilla 128. Pinnoitteena käytetään • · · • · · • * * tyypillisesti dielektristä tai metallista pinnoitetta. Elementtien 121 pinnoilla on myös vastak- • · • · * I * käin asetetut mittauselektrodit 126, joiden avulla peilien etäisyys toisistaan (peiliväli, kuilun • · t * » ··! ! pituus) voidaan mitata kapasitiivisesti. Lisäksi interferometri 120 käsittää rungon 122 ja run- • · · • ' · · ·' 30 gon 122 j a toisen optisen elementin 121 väliin sovitetun pietsoaktuaattorirenkaan 124 tai vas- ,, * j* taavan peilivälin säätöelimen. Niinpä peiliväli voidaan säätää halutuksi peilin pintaan tehtyjen • · ;,*·· metalloitujen elektrodien 126 keskinäisen kapasitanssimittauksen ja rengasmaisen pietsoaktu- aattorin 124 avulla. Vaihtoehtoisesti peiliväliä voidaan säätää elektrostaattisesti.

119830 7

Kohteesta saatava sädekimppu on ohjattavissa interferometrin läpi kollimointiasteella, joka on riittävä tuottamaan spektraalisen liuskoittuneen interferenssikuvan. Etenkin Fabry-Perot inter-eferometrin aallonpituuskaistan leveys riippuu voimakkaasti sen läpi kulkevan valon kolli-mointiasteesta.

5

Havainnointielementtinä, eli ilmaisimena 130 kuvion 1 havainnollistamassa sovellutusmuo-dossa käytetään puolijohdesensoria tai vastaavaa, joka on herkkä kullekin valitulle aallonpi-tuuskaistalle erikseen. Tällaisessa sensorissa on tiheä matriisi joko vierekkäin tai valon kulkusuunnassa päällekkäin asetettuja ilmaisinelementtejä, jolloin matriisin kustakin alkiosta saa-10 daan sähköinen vaste kyseiseen alkioon kohdistuneen valon intensiteetistä kullakin valitulla aallonpituuskaistalla erikseen. Tämä mahdollistaa interferometrin usean kertaluvun hyödyntämisen käytännöllisellä tavalla.

Kuvion 1 spektrometriin on esimerkinomaisesti liitetty myös valonlähde 140 joi laisena tässä 15 toimii saija eri emissioaallonpituuskaistan omaavia LED-valoja. Identtiset sarjat 140 ja 142 on sijoitettu eri puolille spektrometrin optista akselia tasaisen valaisun aikaansaamiseksi. Tällaisessa mittauskonfiguraatiossa kohteesta otetaan kuvat valitulla Fabry-Perot kaviteetin peili-välillä valaistuna kunkin valitun aallonpituuskaistan LEDillä.

: 1: 1: 20 Kuviossa 2 esitetään toisen sovellutusmuodon mukaista kuvaavaa spektrometriä. Siinä ilmai- · V sin on toteutettu aallonpituuskaistojen erotteluprisman 230 avulla, joka jakaa valon spatiaali- : sesti kolmeen erilliseen kaistaan. Erotellut aallonpituuskaistat kohdistetaan kukin erikseen • · ·,· ί omalle ilmaisimelleen 232,234,236. Ilmaisimina voivat tällöin toimia myös laajakaistaiset :. ·. I elementit. Niinpä tässä sovellutusmuodossa voidaan hyödyntää puolijohdesensorien lisäksi • · · 25 myös esimerkiksi resistiivisiä vafoilmaisinpintoja tai muita valoherkkiä komponentteja. Edullisesti käytetään erotteluprismaa 230, joka säilyttää tarkasti tulevan sädekimpun muodon • · *. V myös erotelluissa aallonpituuskaistoissa, jolloin eri kaistojen intensiteetin paikkatieto voidaan • · · • · * ·.. 1 myöhemmin yhdistää.

• · • · • · · 1 1 30 Myös muita ilmaisutekniikoita, kuten perinteistä filmikuvausta tai erilaisia suodatinratkaisuja * ;1·1· voidaan soveltaa keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

• · 1 • 1 • · • · ·

Spektrometri voidaan varustaa yksi- tai kaksidimensionaalisen kuvaamisen mahdollistavilla komponenteilla, eli optiikalla, interferometrillä, ilmaisimella. Kuvaaville spektrometreille on 119830 8 tyypillistä, että valo johdetaan kohteesta interferometrille vähintään yhden linssin, usein kameran objektiivia vastaavan linssistön, läpi. Optiikan avulla pyritään kokoamaan kohteesta kuva, jossa kutakin kohteen fyysistä pistettä vastaa yksi fyysinen kuva-alkio ilmaisimella (optista erottelijaa käytettäessä aina kullakin aallonpituudella). Tarvittaessa myös interferometrin 5 ja ilmaisimen välissä voi olla linssi- tai prismaoptiikkaa, mutta tämä ei ole välttämätöntä.

Spektrometrin optiikka voi olla vaihdettavissa ja/tai säädettävissä, mikä mahdollistaa zoomauksen ja/tai tarkentamisen kohteeseen.

Spektrometrin yllä kuvatut elementit on kiinnitetty runkoon, joka asettaa ne täsmällisesti 10 määriteltyihin tai säädettävissä oleviin asemiin toistensa suhteen.

Pietsoaktuaattoreiksi 124,224 kuvavaan Fabry-Perot -spektrometriin soveltuu esimerkiksi Noliac CMA-R ring, jonka paksuus on 2-3 mm, ulkohalkaisija 15 mm, vapaan reiän halkaisija 9 mm, liike noin 3 pm (ks. http://www.noliac.com). Fabry-kaviteetti näkyvän valon alueella 15 voidaan toteuttaa kahdella peilillä, jotka on päällystetty esim. Viratec EM97.45.600 - 97% reflective enhanced mirror coating-menetelmällä. (ks. http://www.viratec.com/pr_mirrors. html).

Kuvio 3 esittää Viratecin EM97.45.600-97% dielektrisen peilin spektraalisenheijastavuuden • · ::: 20 (ylempi käyrä) ja kahdesta tälläisestä peilistä muodostetun Fabry-Perot kaviteetin ..!:' spektraalisen transmission (alempi käyrä) peilivälille 1.35 pm. Nähdään, että interferenssi on »* * : *. * voimakkaasti liuskoittunut. Aallonpituuskaistat osuvat lisäksi hyvin punaisen, sinisen ja • · ϊ. ϊ : vihreän valon kohdille, jolloin ilmaisimena voidaan käyttää hyvin yleisiä RGB-CCD tai 1 ί·* RGB-CMOS -sensoreita.

• · · 25

Interferometrin aallonpituuskaistat valitaan edullisesti siten, että niillä on huomattava yhteinen • · · peitto käytetyn ilmaisimen aallonpituuskaistojen kanssa. Huomattavalla peitolla tarkoitamme * · pääasiassa sitä, että interferometrin valittujen aallonpituuskaistojen maksimit osuvat ilmai- • · : simen vastaavien aallonpituuskaistojen puoliarvoleveyden, edullisesti -3 dB -leveyden, • · · 30 sisään. Pyrkimyksenä on, että muut kertaluvut eivät häiritse tietyn ilmaisimen kaistan vastesignaalia merkittävästi. Niinpä ilmaisimella vierekkäisten kaistoj en välinen isolaatio : tietyn onkin tässä suhteessa mielellään vähintään 5:1, edullisesti vähintään 10:1, tyypillisesti ainakin 100:1.

119830 9

Kuviossa 4 esitetään yhden mahdollisen ilmaisimen (Micronin CMOS Sensor MT9V022177ATC Color) sinisten, vihreiden ja punaisten pikselien kvanttihyötysuhteet aallonpituuden funktiona. Nähdään, että hyötysuhteiden näkyvän valon aallonpituuden maksimit vastaavat 10 %, jopa alle 5 % tarkkuudella kuvion 3 interferometrin 5 kertalukumaksimeita.

Kuvio 5 esittää mitattuja sinisten, vihreiden, punaisten ja valkoisten ledien suhteellisia emissiospektrejä. Tästä nähdään, että on mahdollista löytää kuvioiden 3 ja 4 aallonpituuskaistoja vastaavat LED-lähteet. Tällaisten kapeakaistaisten valonlähteiden 10 käyttäminen parantaa esillä olevan laitteen j a menetelmän tarkkuutta entisestään mm.

vähentämällä ei-kiinnostavien aallonpituuksien aiheuttaman kohinavaikutuksen. Aktiivinen valaisu tehdäänkin edullisesti tällaisilla kapeakastaisilla valonlähteillä. Erityisesti menetelmällä, jossa yhdistetään Fabry-Perot interfcrometri, LED-valaisu ja RGB-värisensori, voidaan tehdä tutkittavan kohteen heijastus-, transmissio- tai sirontaspektrin mittaus koko 15 kuva-alueelta yhdellä kertaa. Kuten myöhemmin esitetään, menetelmä soveltuu kuitenkin myös passiivisessa, laajakaistaisessa valaisussa käytettäväksi ja mille tahansa aallonpituusalueelle, jos on mahdollista valmistaa tällä aallonpituusalueella usean aallonpituusvasteen ku-vailmaisinj äij estely.

• *. *. 20 Kuvio 6 esitetään graafisesti tapaus, jossa on kiinnitetty Micronin CMOS-sensorin eteen • · • * · Fabry-Perot kaviteetti, jonka peiliväli on 1.35 pm ja otettu kuvat valaisemalla kohdetta • · · · •' · *: sinisillä (huippuaallonpituus = 470 nm), vihreillä (huippuaallonpituus = 525 nm) ja · : punaisilla (huippuaallonpituus = 650 nm) ledeillä. Lasketut suhteelliset spektraaliset vasteet 1C sinisille, vihreille ja punaisille pikseleille on piirretty jokaisen ledin valaisulle. Kuvion ϊ..φϊ 25 käyristä nähdään, että sinisellä ledillä valaistaessa sinisten pikselien signaalin spektraalinen vaste on pääosin Fabry-Perot kaviteetin yhden kertaluvun (kertaluku 6 tässä tapauksessa) • » ·.·.· määräämä ja korkemmat kertaluvut eivät häiritse sinisten pikseleiden signaalia. Vastaavasti «·· vihreällä ledillä valaistaessa vihreiden pikselien signaalin spektraalinen vaste on myös pääosin Fabry-Perot kaviteetin yhden kertaluvun (kertaluku 5 tässä tapauksessa) määräämä ja :[**: 30 korkemmat kertaluvut eivät myöskään häiritse vihreiden pikseleiden signaalia. Sama ilmiö toistuu punaisten pikselien kohdalla, kun valaisu tehdään punaisilla ledeillä. Niinpä ♦ .*··. yhtäaikainen mittaus on hyvin mahdollinen.

• M

119830 ίο

Keksintö soveltuu käytettäväksi myös useamman kuin kahden tai kolmen kertaluvun yhtäaikaiseen mittaamiseen. Ratkaisevina tekijöinä on interferometrin spektraaiinen erotuskyky (transmissiopiikkien hyvyys) ja kyseisille kaistoille erikseen herkän ilmaisimen saatavuus ja hyvyys. Useampien kaistojen mittaamiseksi voidaan rakentaa ilmaisimia, jotka 5 hyödyntävät useita eri erotustekniikoita, kuten aallonpituuden erotteluprismoja, suodattimia ja useita monikanavaisia puolijohdeihnaisinelementtejä.

Edellä on kuvattu, kuinka esillä oleva spektrometri toimii aktiivisen suhteellisen kapeakaistaisen valaisun tapauksessa. Spektrometri toimii myös laajakaistaisen valolähteen 10 tai passiivisen valaisun tapauksessa. Toiminta vaatii tässä tapauksessa kalibroinnin, jossa määritetään kuvaavan spektrometrin vaste Fabry-Perot kaviteetin peilivälin funktiona kullekkin pikselityypille (R-, G- ja B-pikseleille RGB-sensorin tapauksessa). Alla esitetään lyhyesti kalibroinnin vaiheet matemaattisesti.

15 Fabry-Perot kaviteetin spektraaiinen transmissio Tfpi(X) peilivälin dgap ja tulevan valokimpun maksimi puoliavaumakulman Omax funktiona voidaan laskea kaavalla 1: J---T"W ---— 1 .·.·. “ 11 l + R.(Xf^'COsW) • « /1 • · · ♦ *·· M · : .· 20 missä Tm(X) on yhden Fabry-Perot kaviteetin peilin transmissio aallonpituudella λ, Rm(X) on · · * *:* yhden Fabry-Perot kaviteetin peilin heijastuvuus aallonpituudella λ.

• · · • · · • ft· ··· • ·

Yhtälöillä 2-4 voidaan laskea RGB-sensorin eri pikseleiden vasteet, kun tunnetaan Fabry-Perot kaviteettiin tulevan valon spektraaiinen intensiteetti on 8(λ) ja peili väli dgaP.

• · · ··· 25 • t · AJ • · • · ··· • *· γ : SB (,dgBp) = j Vb . Tm ^ ). S(Ä). άλ Kaava 2 ·«· * «·* ···· « · • · · ·. ·: γ so(dw)= ^G(X).TFPl(Ä,dgap)-S(Ä)-dÄ Kaava 3 π 119830 ^η»χ SR(dgap)= \vRW-TFPI{^dgap)-S{X)-dX. Kaava 4 ΛηΙη

Yhtälöissä 2-4 ηΒ(λ), η0(λ) ja ηβ(λ) ovat B-, G- ja R-pikseleiden kvanttihyötysuhteet 5 aallonpituudella λ.

Valitsemalla dgap siten, että aallonpituusvälille λπώ, < λ < osuu Fabry-Perot kaviteetin kolmen kertaluvun maksimiaallonpituudet, B-, G-ja R-pikseleiden vasteet yhtälöiden 2-4 mukaan koostuvat yhteen laskeutusta signaaleista näillä kolmella kapealla päästökaistalla.

10 Valittua peiliväliä dgap vastaa kolmen kertaluvun päästökaistat, j oiden likimääräiset keskiaallonpituudet λη, λ,,+ι ja λη+2 saadaan yhtälöllä 5: 2-d Ä„=-S2-, Kaava 5 n missä dgap on peiliväli ja n Fabry-Perot-kaviteetin kertaluku.

• · • · * • · • · 15 Kalibrointinuttauksilla määritetään B-, G-ja R-pikseleiden vasteet yhtälöiden 6-8 mukaan ·· · j V Fabry-Perot kaviteetin kolmea kertalukua vastaavilla kapeilla päästökaistoilla.

• · ·· * * · · *·· · • ft · · • ft · ftft* • •ft S Bn (Agap »J V B (Ό ' ^FPI dgap) ’ dX KSUVU 6 :: j id <i—!—) ··· ** « 2«(a+l) • •ft ft ft ft ft ft·· ft • ft • ft ft • ft ft ··· ft ·**·. ---) w « 2-n-(n—l)"' \lt 20 SGn(dgapin) = J Vg (%) · TFPI (λ, dgap) · dX Kaava7 • 1 1 • · · · %A ·(—--------- -.Λ . . w « iM*+\r • · · ' • ·· • · 119830 12 SRn(dgap,n) = {η,(λ) · Tm (l,dgap)· dk, Kaava 8 missä dgap on peiliväli ja n Fabry-Perot-kaviteetin kertaluku, Tfpi(^) on Fabry-Perot kaviteetin spektraalinen transmissio ja ηβ(λ), Τ|ο(λ) ja T|r(X) ovat Β-, G- ja R-pikseleiden 5 kvanttihyötysuhteet.

Kalibrointitiedosto koostuu peiliväliarvosta, sitä vastaavasta mittauselektrodien välisestä kapasitanssista ja Fabry-Perot-kaviteetin kertalukuja n, n+1 ja n+2 vastaavista vasteista SBn, Sbd+Is ^Bn i 2, Son, S(',nt1, f 2, Srh, Sru+j ja SRn 12 10

Mittauksessa halutaan määrittää Fabry-Perot kaviteettiin tulevan valon spektraalinen intensiteetti S(X). Asetetulla peilivälilllä dgaP saadaan yhtälöiden 2-4 mukaiset B-, G- ja R-pikseleiden signaaliarvot SBm, SGm ja Sr,„. Käyttämällä kalibroinnissa määriteltyjä asetettua peiliväliä vastaavia kertoimia SBn, Sbd+i, SBn+2, Son, Son+i, Sgh+2, Sr,,, Sr„+i ja Srh+2 voidaan 15 laskea vasteet kullakin kolmella kapealla päästökaistalla. Mitatut signaalit koostuvat kolmen kertaluvun päästökaistoilta yhtälön 9 mukaisesti: • · • · · * * * ,·, SBn+2 SBn+1 SBn Sn+2 SBm ^Gn+i SGn+l SGn S„+l = SGm , Kaava 9 * i _Sf(n+2 Srb+1 SRn _ _+>Rm .

• · # • · · *·· · • · · • * · .***. 20 missä S„+2, Sn+i ja Sn ovat tuntemattomat intesiteetit kertalukujen n+2, n+1 ja n päästökaistoilla. Ne voidaan ratkaista matriisiyhtälöstä 9 ja tulokseksi saadaan: • » · · • · · • · ^ n+2 $Bn+2 ^Bn+1 ^ Bn ^ Bm i*. $n+1 = $Gn+2 ^Gn+l $Gn ‘ ^Gm · Kaava 10 • ·· .·*·. _ βκη+2 $Κη+\ Sr«_ Rm _ • · *·· I·· • · · f » 25 Kaavoja 6-8 käyttäen tehtiin simuloitu kalibrointi määrittämällä peiliväliä vastaavat * · kertoimet SBn, SBnti, Sbh+2, Som Scm+i» Scn+2, Srd, Sr„ii ja Sr^+2 kaavalla 1 lasketuille Fabry-Perot kaviteetin transmissioille ja Micronin RGB-kuvasensorin RGB-pikseleidcn (ks.

119830 13 transmissio 1.35 pm peilivälille, Kuvio 4) kvanttihyötysuhteille kertaluvuille n=6, n=5 ja n=4 ja peilivälilalueelle 1,2- 1,5 pm.

Keksinnön menetelmän mukaista mittausta simuloitiin käyttäen kaavoja 2-4 jokaiselle 5 peilivälille ja pikselityypille. Simuloidun mittauksen tulos kolmea Fabry-Perot:n kertalukua vastaaville aallonpituuksille laskettiin kaavalla 10 käyttäen kaavoilla 6-8 laskettuja kertoimia t Ssn, Sbd+i, Sbh+2, Son, Son+i, Sgh+2, Srh, Srji+i ja Srd+2· Kuviossa 7 esitetään valkoisen LEDin referenssispektrometrillä mitattu suhteellinen intensiteetti ja peilivälejä 1,3, 1,4 ja 1,5 pm vastaavat Fabry-Perot spektrometrin transmissio (Viratec EM97.45.600-97% 10 peilit). Kuvio 8 esittää valkoisen ledin referenssispektrometrillä mitattua suhteellista intensiteettiä ja simuloidun mittauksen tuloksen. Tämän simuloinnin mukaan onkin edullista, jos ennalta tiedetään kuvasensorin eri pikselityyppien kvanttihyötysuhteet, Fabry-Perot spektrometrin heijastuvuus aallonpituuden funktiona ja peiliväli kullekkin rekisteröidylle kuvalle.

15 • · * · i • · • · ΦΦΦ • ΦΦΦΦ ΦΦ Φ * · · • ♦ • · • Φ • · · ♦ · ♦ • ®* · • · · • φ Φ ΦΦΦ ··· • · • · ··· • · • · · • · «

• Φ IM

• Φ

• Φ III

m

Ml • * φ • Φ Φ φ φ φ φ • Φ • Φ • M Φ ΦΦ Φ Φ • Il • Φ • f

Claims (18)

1. Kohdetta (100,200) yhdessä tai kahdessa dimensiossa kuvaava spektrometri, joka käsittää interferometrin (120,220), johon on ohjattavissa valoa tutkittavasta kohteesta (100, 5 200) interferenssikuvan tuottamiseksi, ja - ilmaisimen (130,230), johon interferenssikuva on kohdistettavissa, jossa spektrometrissä interferometri (120,220) on Fabry-Perot -tyyppinen, läpäisyltään spektraalisesti vähintään kahdelle erilliselle aallonpituuskaistalle liuskoittunut, ja sen peiliväli on sää-10 dettävissä haluttujen aallonpituuskaistojen valitsemiseksi, ja - ilmaisin (130,230) käsittää valoherkistä kuvaelementeistä muodostetun matriisin ja on sovitettu ilmaisemaan interferenssikuvan vähintään kaksi erillistä aallonpituus-kaistaa paikallisesti, tunnettu siitä, että 15. ilmaisin on sovitettu ilmaisemaan mainitut aallonpituuskaistat samanaikaisesti, jol loin ilmaisimen kuvaelementtien vaste on kalibroitu interferometrin peilivälin funktiona.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että ilmaisin (130) käsittää 20 puolijohdematriisin, esimerkiksi CCD- tai CMOS-kennon, jonka kussakin alkiossa on kulle- . 1. *. kin mainitulle aallonpituuskaistalle herkkä kuvaelementti. • · • · • •e

:***: 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että ilmaisin (230) käsit- • ♦ ; tää välineet mainittujen aallonpituuskaistojen optiseksi erottelemiseksi sekä välineet eroteltu- 25 jen säteiden paikalliseksi ilmaisemiseksi. ··« • e • ···

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että interfero- ♦ ♦ • 1·· metri (120,220) on säädettävissä pietsosähköisesti tai sähköstaattisesti haluttujen aallonpi- ··· :: tuuskaistojen valitsemiseksi. 30

··· •: · · · 5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että kohteesta : )·, (100,200) saatava sädekimppu on ohjattavissa interferometrin (120,220) läpi kollimoidusti. • φ « ··· · · 15 1 1 9830

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että se käsittää edelleen valonlähteen tai useita valonlähteitä (140,142,240,242), kuten LED-valoja, vähintään kahden mainituilla aallonpituuskaistoilla olevan kapeakaistaisen valosignaalin tuottamiseksi. 5

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että interfero-metrin (120,220) aallonpituuskaistat on sovitettu tai sovitettavissa vastaamaan ilmaisimen (130.230) aallonpituuskaistoja, edullisesti siten, että interferometrin (120,220) aallonpituus-kaistojen maksimit jäävät ilmaisimen (130,230) vastaavien kaistojen puoliarvoleveyden si- 10 sään.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että valonlähde tai valonlähteet (140,142,240,242) on edelleen sovitettu tai sovitettavissa tuottamaan valoa kaistoilla, jotka vastaavat ilmaisimen (130,230) aallonpituuskaistoja, edullisesti siten, että valonlähteen 15 tai valonlähteiden (140,142,240,242) aallonpituuskaistojen maksimit jäävät ilmaisimen (130.230) vastaavien kaistojen puoliarvoleveyden sisään.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen spektrometri, tunnettu siitä, että ainakin osa siitä on integroitu optomekaaniseen muovirakenteeseen. 20 . *.·, 10. Menetelmä kohteen (100,200) spektrometriseksi kuvaamiseksi yhdessä tai kahdessa di- • · .;. mensiossa, jossa menetelmässä • · · · •' *: - ohjataan valoa kohteesta (100,200) interferometriin (120,220) interferenssikuvan • · : tuottamiseksi, ja ··· · 25. kohdistetaan syntynyt interferenssikuva edelleen ilmaisimelle (130,230), - jolloin käytetään Fabry-Perot -tyyppistä interferometriä (120,220), joka on käytetyn valon aallonpituuskaistalla läpäisyltään vähintään kahdelle erilliselle aallonpituus- • · : '** kaistalle spektraalisesti liuskoittunut ja jonka peiliväli on säädettävissä, ja * · · :: - ilmaisimella (130,230) interferenssikuvan vähintään kaksi aallonpituuskaistaa tun- : : 30 nistetaan paikallisesti valoherkistä kuvaelementeistä muodostetun matriisin avulla, tunnettu siitä, että • .*. - ilmaisimella mainitut aallonpituuskaistat ilmaistaan käyttämällä hyväksi ilmaisimen ··· S • · · · I kuvaelementtien interferometrin peilivälin funktiona kalibroitua vastetta vähintään kahden interferenssin eri kertaluvun tunnistamiseksi samanaikaisesti. 119830

10 CCD- tai CMOS-kennon.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohdetta valaistaan vähintään kahdella kapealla aallonpituuskaistalla esimerkiksi LED-valojen avulla.

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohdetta valais taan laajakaistaisella valonlähteellä.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 10-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään ilmaisinta (130), joka käsittää usealle aallonpituusalueelle herkkiä kuvaelementtejä käsittävän

14. Jonkin patenttivaatimuksen 10-13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään ilmaisinta (230), joka käsittää välineet aallonpituuskaistojen optiseksi erottelemiseksi ja välineet eroteltujen säteiden havainnoimiseksi. 15

14 1 1 9830

15. Jonkin patenttivaatimuksen 10-14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään esimerkiksi pietsosähköisesti tai sähköstaattisesti säädettävää interferometriä (120,220).

16. Jonkin patenttivaatimuksen 10-15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ;*·*· 20 - kootaan kohteesta valoa optisella elementillä (110,210), kuten linssillä tai objektii- • · *1* villa, ···♦ - ohjataan koottu valo kollimoidusti interferometrin (120,220) läpi, ja : : : - ilmaistaan vähintään kahden interferometrin (120,220) läpäisevän aallonpituuskais- • · i tan tuottama vaste erikseen sähköisesti. ·«· ··· : Σ 25

17. Vähintään kahden eri optisen aallonpituuskaistan paikalliseen tunnistamiseen kykenevän • · *.*.* valoherkkiä kuvaelementtejä matriisimuodossa käsittävän ilmaisimen (130, 230) ja liuskoittu- φ » *...* neen spektraalisen läpäisyn omaavan säädettävän Fabry-Perot -tyyppisen interferometrin : (120,220) käyttö kohdetta (100,200) yhdessä tai kahdessa dimensiossa kuvaavassa spektro- 30 metrissä kohteesta (100,200) saatavan valon vähintään kahden erillisen aallonpituusalueen ·*·*· yhtäaikaiseksi ilmaisemiseksi ilmaisimen kuvaelementtien interferometrin peilivälin funktio- • * * * · na suoritetun kalibroinnin avulla. *· n 119830

18. Patenttivaatimuksen 17 mukainen käyttö kaukokartoituksessa, prosessiautomaatiossa, pitoisuusmittauksissa tai värianalyysissä. * · • · · « · · • * • m m m ···« ·· · • t · • · • * • · « · · • · · ·«· · e « · · • · ·«· ·· • m ♦ » · · ·· • · • ·« ··· • « • « tl· • · • · ·· · « · * • ♦ • tl • t t • M t • Λ 119830