WO2004008092A1 - Vorrichtung und verfahren zur optischen spektroskopie und optischen sensorik sowie verwendung der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur optischen spektroskopie und optischen sensorik sowie verwendung der vorrichtung Download PDF

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WO2004008092A1
WO2004008092A1 PCT/EP2002/007861 EP0207861W WO2004008092A1 WO 2004008092 A1 WO2004008092 A1 WO 2004008092A1 EP 0207861 W EP0207861 W EP 0207861W WO 2004008092 A1 WO2004008092 A1 WO 2004008092A1
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interference pattern
spatial
detector
optical
interference
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PCT/EP2002/007861
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Inventor
Thilo Weitzel
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Campus Technologies Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes

Definitions

  • the invention relates to devices and methods for optical spectroscopy and optical sensors.
  • Optical spectrometers can be divided into dispersive or diffractive spectrometers and Fourier transform spectrometers.
  • Dispersive (from prism) or diffractive (grating) spectrometers break down the incident light beam into its spectral components due to the wavelength dependence of a diffraction or reflection angle.
  • the different spectral components are thereby spatially separated and the spectral component to be determined can be selected (monochromator).
  • a spectrum is then recorded with the help of moving parts, in that the various spectral components are selected and measured in succession.
  • the most common are monochromators with a Czerny-Turner beam path, ie with a rotatable plane grating (diffraction grating in reflection) between an entrance and an exit slit and mutually independent collimator or collector mirrors. Collimator and collector create an image of the entry gap in the plane of the exit gap.
  • the diffraction grating is located in the Fourier transform plane of this imaging system.
  • CCD spatially resolving detectors
  • Fourier transform spectrometers are based on an interferometer, in which the difference in the optical path lengths of the partial beams brought into interference can be set with high precision.
  • the spectrum can be determined from a measurement of the interference signal over a suitable range of path length differences by Fourier transformation.
  • Devices are usually constructed in the manner of a Michelson or Twyman Green interferometer.
  • the mechanical components for adjusting the optical path lengths by means of movable mirrors or tiltable mirror pairs as well as the necessary collimator for generating flat wavefronts are particularly demanding.
  • spectrometers uses static interference patterns generated by light beams which are brought to interference at a certain angle, e.g. Fizeau interferometer.
  • the spectrum can be calculated by counting the interference fringes or by determining the spatial frequencies of the interference pattern with the aid of a numerical Fourier transformation.
  • a disadvantage of these interferometric spectrometers is the fact that the relative spectral resolution is determined directly by the number of line pairs measured in the interference pattern (Fizeau stripes) is determined. Become N line pairs for counting a certain wavelength ⁇ , the spectral resolution is on the order of ⁇ / N.
  • spatial heterodyne spectrometer uses dispersive or diffractive optical elements (diffraction gratings) to change the angle between two collimated partial beams of a static interferometer depending on the wavelength and thus to increase the spectral resolution ,
  • Such arrangements are further based on the translational invariance of the optical Fourier transform.
  • the incident light is first collimated by a collimator.
  • the collimated beam (flat wavefronts) is split (amplitude division) and guided over spectrally dispersive or diffractive elements, e.g. a diffraction grating.
  • the spectrally dispersive optical element lies in the Fourier plane of the collimator.
  • the again superimposed partial beams are then imaged by a collector and a further Fourier transform lens in such a way that a spatially resolving detector comes to rest in a Fourier transform plane of the entrance aperture.
  • Such arrangements like Fourier transform spectrometers or conventional monochromators, are therefore dependent on high-quality imaging optical systems. In particular, relatively large focal lengths of the optical systems are required.
  • dispersive or diffractive spectrometers The possible performance of dispersive or diffractive spectrometers is dependent on certain parameters, in particular the dimensions of inlet or Exit slit, the focal length and aperture of the imaging elements and the Properties of the dispersive or diffractive element itself. Modern devices almost reach these physically set limits.
  • the possible performance of Fourier transform spectrometers is correspondingly determined by certain parameters and here in particular by the distance and the step size for the variation of the optical path lengths.
  • the performance of Fourier transform spectrometers far exceeds the possibilities of dispersive or diffractive spectrometers.
  • Fourier transform spectrometers can also almost reach the physical limits of their performance, but the technical effort may be very high. Since Fourier transform spectrometers are based on an interferometer, all optical components and especially the moving parts must be manufactured and positioned with a precision of fractions of the wavelengths to be measured.
  • Spatially heterodyne spectrometers are technically less complex, but also require high quality imaging as well as dispersive or diffractive optical components.
  • the spectrometric arrangement In order to achieve a certain spectral resolution, the spectrometric arrangement must generate defined differences in the optical path lengths of at least length I.
  • the collimator is an imaging optical element of a certain focal length f, for example a concave mirror or a lens.
  • the entry opening of the spectrometer is at the focal point of the collimator.
  • the spectrometers now explicitly use the special properties of the optical Fourier transformation, in particular the translational invariance of the Fourier transformation, i.e. the transformation of a translation in the focal plane to a change in the direction of propagation in the Fourier plane of the collimator.
  • Monochromators (4f system): entrance slit - f - collimator - f - diffraction grating - f - collector - f - exit slit) influence the direction of light propagation in the Fourier plane of the imaging system through a diffraction grating and thus generate the desired spectral dispersion without the image to be significantly disturbed from the entrance slit to the exit slit or detector (I is defined by the geometry of the grating in the beam path, f »I).
  • the collimator carries out an optical Fourier transformation, the collector takes over the optical inverse transformation and thus brings about the optical imaging of the entrance slit in the plane of the exit slit or of the detector.
  • the numerical Fourier transform replaces the optical inverse transform used in the monochromator.
  • spatial heterodyne spectrometer Fourier transform spectrometers with dispersive elements that evaluate a spatial interference pattern (spatial heterodyne spectrometer) require the collimator explicitly in the context of an optical Fourier transformation, on the one hand to avoid smearing the interference pattern despite a finally large entrance opening (translation invariance), on the other hand to the defined and clear attribution to establish the relationship between the optical spectrum and proportions of spatial frequencies in the resulting pattern, which forms the basis of the numerical back transformation.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method for realizing spectrometers with high spectral resolution and at the same time substantially lower demands on the quality of the optical components.
  • the object is achieved by an interferometric device according to claim 1 and by the use and method claims.
  • the coupling of the light via defined spatial modes or a mono-mode coupling is essential for the implementation of an inexpensive and spectrally high-resolution spectrometer or sensor according to the invention.
  • the aperture broadening disappears, in particular the interference pattern remains recognizable by a collimator even without optical Fourier transformation and can be evaluated with the aid of the methods shown.
  • Such an optical spectrometer in combination with dispersive or diffractive optical elements for wavelength-dependent influencing of the wavefronts allows much more compact and flexible designs than previous approaches with imaging optical elements.
  • Preferred embodiments of the invention result from the subclaims 2 to 34 following the main claim. Uses according to the invention result from claims 35 to 38 and a method according to the invention and preferred variants of variants derive from claims 39 to 48.
  • the invention comprises a device which combines dispersive or diffractive optical elements with an interferometer with the coupling of individual spatial modes and with a detector which can measure the intensity of the resulting interference pattern at a plurality of spatial positions, and a method which it allows the spectrum of the incident light or directly measured values that can be derived from such a spectrum to be reconstructed from an interference pattern measured in this way.
  • the device according to the invention is designed in such a way that the interference patterns of different spectral components of the spectral range to be examined differ greatly from one another.
  • Such an interference pattern assigned to a specific spectral component is referred to below as the basic pattern.
  • the patterns can be viewed one-dimensionally or two-dimensionally.
  • An interference pattern generated by a device according to the invention is considered to be a superimposition of a number of different basic patterns.
  • the interference pattern is recorded by the detector by measuring the intensities at a large number of discrete spatial positions. An interference pattern is therefore always in the form of a fixed number of (measured) values. Accuracy and representable spatial frequencies follow from the sampling theorem.
  • an interference pattern is interpreted as a series of (measurement) values and thus in the context of linear algebra as a vector or in particular as an element of a sequence space of the corresponding dimension.
  • the basic patterns introduced above are initially interpreted as linearly independent basic vectors of this sequence space.
  • the method according to the invention is based on the possibility of determining the respectively required basic pattern for a device according to the invention either by calculation or by measurement.
  • the spectrum of the incident light can then be obtained by breaking down the interference pattern into these basic patterns.
  • the particular advantages of the device and method for the realization of high-resolution or very compact optical spectrometers result from the optical mono-mode coupling, which allows the translational invariance of the optical transformation to be dispensed with and thus a collimator to be dispensed with.
  • the device can therefore be implemented entirely without the use of imaging optical elements. This is possible in combination with the described methods, which use the fact that at least approximately a numerical inverse transformation of the interference signal measured at the detector to the sought spectrum can be found for almost any, sufficiently complicated optical transformations.
  • s be a spectrum represented by discrete spectral components of a certain intensity, ie as a vector with the components s n n: 1..N.
  • s comprises a certain spectral range of the optical spectrum, the individual components are spectrally close to the spectral resolution under consideration.
  • i be the interference pattern measured at the detector, i is therefore a vector which, for example, represents the individual elements of an array detector with the components i m m: 1..M
  • Te n t n
  • e n the unit vectors of the spectral components.
  • the optical transformation is an exact Fourier transformation
  • only one component of the expression F "1 (t n ) will be non-0, namely that which represents the respective spatial frequency and thus directly a spectral component of the spectrum.
  • the base vectors t n are not only linearly independent but also orthogonal and also form the unit vectors of the spatial frequencies, so for this special case the calculation from o is reduced to the Fourier transform of i.
  • optical transformation may be similar to those of a Fourier transform, or the optical transformation may be completely irregular, i.e. e.g. Form so-called “speckle patterns" ("granulation").
  • the first case can be represented by a grossly faulty optical Fourier transformation, for example generated by an optical arrangement according to the invention without a collimator and with very inexpensive optical elements. Due to the systematic generation, the basic patterns are still linearly independent but only approximately orthogonal.
  • the second case can be represented by an optical arrangement according to the invention with an interferometer based on a scratched piece of broken glass (extremely inexpensive).
  • the base vectors can be assumed to be statistically distributed here.
  • the method represents a correction, ie the poor quality of the optical transformation can be largely compensated for by an adapted reverse transformation.
  • the spectrum is determined by a purely statistical correlation of the measured values with the base vectors.
  • a high number of elements of the detector should be assumed, in particular it is favorable to choose M very much larger than N, for example by using a two-dimensional detector array.
  • the basic patterns are not linearly independent due to their statistical nature. Nevertheless, the correlation for large N shows good results. Very good results are obtained for very large M, because in this case, i.e. the statistical distribution of N base vectors in an M-dimensional space, the base vectors become at least approximately linearly independent.
  • correlation functions for the method can also be considered, in particular stochastic correlations.
  • a further calculation or refinement of the results by deconvolution is particularly advantageous if the selected method can be applied to a set of different transfer functions.
  • the arrangement according to the invention is used as a sensor, it may be advantageous to aim for the results of the calculations and not the spectrum, but rather the measured values sought.
  • the base vectors are then determined not by measuring spectral components but by recording spectra of the substances sought.
  • a base vector and thus a component of the result vector thus does not represent a single spectral component but directly the measured value sought, ie, for example, the concentration of a specific substance in accordance with an absorption spectrum.
  • This adaptive approach allows the implementation of optical sensors for a variety of applications.
  • the evaluation of the measurements by correlation with previously recorded basic patterns allows the desired quantities to be determined directly without having to go through an analysis of the optical spectrum.
  • the respective spectral components of the incident light and thus the spectrum can be determined by correlating the respective basic pattern with the recorded interference pattern.
  • the required set of basic patterns can be calculated.
  • the "perfect" interference patterns recorded are linearly independent (superposition of sinusoidal components) and the Fourier transformation represents an orthogonalization method.
  • the individual Fourier coefficients represent the spectral components of the measured spectrum.
  • a direct Fourier transformation of the patterns recorded with an arrangement according to the invention is pointless, but orthogonalization with respect to spectral components is possible after a suitable transformation of the recorded interference patterns. For this purpose, the relative path length difference of the partial beams brought to interference must be determined for each measuring point.
  • the interference pattern can be generated by dividing the amplitude of the incident light field with the aid of a semitransparent mirror or a suitable grating (optionally in more than two partial beams) and then superimposing the partial fields on the location of the detector.
  • All classical interferometers come into question here, which may be supplemented by dispersive or diffractive elements, for example: Michelson, Mach-Zehnder, Sagnac, Fabry-Perot or shear interferometers. Any arrangement that generates interference patterns with spatial periods that the respective detector can resolve is also suitable.
  • the spatial frequencies occurring at the detector can be selected independently of the wavelength range to be examined in each case.
  • the generation of the partial fields by dividing the wavefront is also possible, for example by means of a Fresnell biprism, other combinations of prisms or mirrors, with the help of irregularly shaped surfaces or also with the help of diffractive ones Elements.
  • the required spectral dispersion can in all cases be introduced by a suitable design of the beam splitter itself or by additional optical elements.
  • the detector can be moved through the interference pattern with a suitably small aperture (scan). It is also possible by moving other components of the device or with the help of an additional movable one Spiegel to record the different measuring points one after the other. This method is particularly suitable for extremely high-resolution measurements or in wavelength ranges for which no suitable spatially resolving detectors are available.
  • a suitable diode array or a CCD line is suitable as a spatially resolving detector.
  • Figure 1 shows an extremely compact arrangement according to claim 1, wherein the optical components are integrated in a monolithic glass block.
  • the light coupling (M) takes place directly from a monomode glass fiber into the block, so that the field initially develops as a spherical wave.
  • a diffraction structure (G) applied directly to the glass block divides the amplitude of the wave according to claim 2 into a diffracted and a reflected component, which each run to one of the mirrors (S1, S2) applied directly to the glass block.
  • the diffraction structure acts according to claim 27 both as a beam splitter and as a spectrally highly dispersive optical element which changes the wavefront of the diffracted beam in a spectrally dependent manner.
  • the detector (D) has a small spatial extension or has a suitable aperture and is located on a movable arm, shown with a pivot point (P).
  • the detector is moved by the light field and records its intensity at a number of spatial positions one after the other.
  • the arm is moved by means of an eccentric (X) which is driven by a motor (R).
  • a set of such measurements i.e. a set of measured values recorded at defined positions forms a pattern which can be evaluated with the aid of the methods according to claims 39-48.
  • An arrangement according to Figure 2 using a separate beam splitter (S) for dividing the amplitude of the waves according to claim 2 and two dispersive elements (G1, G2) in the arms of the interferometer is possible by a monomode coupling (M) according to claim 4.
  • An aperture diaphragm (A) as shown is advantageous.
  • Such an arrangement does not require Fourier transform optics or completely without imaging optical elements, since the translational invariance of the Fourier transform can be dispensed with.
  • the evaluation of the interference pattern which such an arrangement produces cannot therefore be carried out directly by means of a numerical Fourier transformation, but rather requires one of the methods presented in claims 39 to 48.
  • the arrangement shown in Figure 2 uses a spatially resolving detector (CCD) according to claim 9.
  • a phase modulator (P) according to claim 14 has a particularly advantageous effect, for example in the form of the piezo actuator symbolized in the figure.
  • a monomode coupling in particular also permits interferometric arrangements based on a division of the wavefront according to claim 3. In addition to dispensing with imaging optical elements, this also allows dispensing with a beam splitter as a discrete optical element.
  • Figure 3 shows an arrangement according to claims 1 and 3.
  • the prerequisite is a coupling (M), for example according to claim 4.
  • the coupled light field propagates from M as a spherical wave.
  • the mirror (S) has a suitable opening through which the coupled field can pass.
  • Part of the wave hits a diffraction grating (G1), another part hits a diffraction grating (G2), so the wavefront is divided.
  • G1 diffraction grating
  • G2 diffraction grating
  • An aperture diaphragm (A) as shown is advantageous.
  • the gratings deflect the light back onto the movable mirror (S) with the highest possible efficiency, where the wave fields are superimposed.
  • the movable mirror reflects the resulting field onto the detector (D) which, depending on the position of the mirror, can record the intensity of the field at a number of different positions.
  • phase modulator according to claim 14, for example in the form of the piezo actuator (P) shown.
  • the performance of the device and of the method described below can be significantly improved if the relative phase position of the partial beams can be suitably influenced.
  • This can be done, for example, by using a mirror which can be displaced linearly over a distance of the order of the wavelength, by means of which the relative phase position of the reflected light can be changed with great accuracy, or e.g. in the case of a shear interferometer or e.g. in the case of a grating with several spatial frequency components as a beam splitter by means of a suitable "lateral" displacement of the components.
  • the interferometric devices shown can also be designed or developed in such a way that the differences in the optical path lengths under which the partial beams are brought to interference differ by a degree introduced by the dispersive element or elements.
  • the interference is then limited to components of the incident light with a correspondingly high coherence length or small bandwidth.
  • An interference signal is only generated when the incident radiation shows coherence properties or autocorrelation properties in the region of the optical path length differences.
  • line spectra can be recorded selectively in this way. In this case, only spectrally narrow-band components of the incident radiation with correspondingly large coherence lengths contribute to the measured signal.
  • the arrangement has the particular advantage that the spectral resolution (spectroscopy) or bandwidth (data transmission) can be set independently of the line width to be selected (spectroscopy) or autocorrelation length (data transmission).
  • Figure 4 shows an extremely compact and inexpensive possibility of realizing an arrangement according to the invention.
  • a diffracting optical element (D) according to claim 11 is used in a function according to claim 27, in this case a diffuser with a granularity of a suitable size.
  • a prerequisite for operation is that the light field (M) is coupled in the form of only one or fewer spatial modes according to claims 4 to 6.
  • a suitable aperture diaphragm (A) as shown is advantageous.
  • the variant shown expediently has an imaging detector (CCD) according to claim 10.
  • the diffuser can be replaced by diffractive elements which can generate a highly structured interference field.
  • a variant of the Talbot or Lau effect can also be used, in particular the ability of certain structures to map themselves. If necessary, different interference fields can be generated by spatially displacing the coupling or displacing or tilting the diffuser according to claim 15.
  • This arrangement is advantageously operated with a very large number of measuring points for the interference field in combination with the statistical methods shown.
  • FIG. 5 shows an arrangement according to the invention according to claim 16 with this property.
  • the light field (M) must be coupled in according to one of claims 4 to 6 in order to generate recognizable interference fields.
  • a suitable aperture diaphragm (A) as shown is advantageous.
  • the resonator is formed according to claim 17 by the beam splitter (S) and a diffractive element (G) which simultaneously serves as a beam splitter via different diffraction orders.
  • the field is coupled into the resonator via the beam splitter (S), and the resulting interference field is coupled out towards the detector (CCD) via the diffractive element (G). Further multiple reflected partial beams also contribute to the interference.
  • multiplex gratings in addition to simple gratings on the one hand and complex diffraction structures on the other hand, multiplex gratings (superimposition of several spatial frequencies) or multiply divided gratings, for example as shown in Figure 6, are suitable diffractive element (G) in the form shown is realized by stripes lying next to one another with different lattice constants.
  • the part of the field reflected by the respective gratings (0th diffraction order) leaves the resonator, while the part of the light field diffracted by the gratings (provided a suitable wavelength is provided) initially remains in the resonator and partly again the diffractive element via the beam splitter (S) reached.
  • resonator The technical design of the resonator is of minor importance. In addition to simple resonators with only two components, all types of resonators, in particular ring cavities, are also possible.
  • a further embodiment according to the invention provides that the device has means for rotating the interferometer or means for changing or selecting the angle of incidence, which enable the spatial frequency or the spatial frequencies of the generated interference pattern to be set.
  • the wavelength range that the arrangement can detect without moving parts is given by the ability of the detector to detect the corresponding spatial frequencies in the interference pattern. It can be particularly advantageous for a technical implementation of the arrangement to select a wavelength range, i.e. in this case, the setting of the interferometer such that the spatial frequencies resulting for this wavelength range can be detected by the detector by rotating the interferometer as a whole or by a suitable change in the angle of incidence.
  • the interferometer itself does not need any movable elements, apart from the means that may be required for phase modulation, and can nevertheless be used for different wavelength ranges.
  • the components of the interferometer can be fixed against each other, which has an advantageous effect on the stability of the adjustment.
  • a prerequisite for the wavelength adjustment via the angle of incidence is that the angle at which the subfields are superimposed in the interferometer shows a suitable dependence on the angle of incidence. This is e.g. the case when the subfields are superimposed in mirror image, i.e. the subfields must be guided in an asymmetrical interferometer in this regard over a number of mirrors that is different by 1 in each case.
  • Figure 7 shows a particularly advantageous arrangement according to claim 30.
  • the light field is coupled in according to one of claims 4 to 6 (M).
  • the aperture diaphragm (A) limits the solid angle to avoid stray light.
  • the light field then strikes a diffractive structure according to claim 27 or 28 (diffraction grating), preferably designed as a grating or multiplex grating. Holographic optical elements can be used very advantageously at this point.
  • the reflected part of the field hits a mirror (S2), the diffracted part of the field hits another mirror (S1). Portions of the respective subfields are reflected back from the mirrors to the diffractive element and are superimposed there by partial reflection and diffraction to form two interference fields.
  • One of these interference fields reaches the detector (CCD) as described in claim 30.
  • the patterns recorded by the detector can then be processed numerically in the manner already shown. Other parts of the fields leave the arrangement unused.
  • the actuator (phase shifter) shown in one of the mirrors (S2) enables interference patterns to be recorded at different relative phase positions of the subfields.
  • a particularly advantageous combination is the arrangement shown in Figure 8.
  • an aperture diaphragm (A), mirror (S1, S2), a diffractive element (diffraction grating) and the detector (CCD) can be used.
  • the exit aperture limits the variability of the interference patterns that occur.
  • the diffractive element is a diffraction grating
  • the exit aperture can also restrict the wavelength range of the fields that can reach the detector.
  • the correlation of a measured interference pattern required for a measurement with the interference pattern known for a specific spectral component or a group of spectral components can very advantageously be immediate optically with the aid of a mask and, if appropriate, suitable phase modulation or other detuning of the interferometer.
  • the interference pattern of a spectral fingerprint with many spectral components can already be contained in a single mask.
  • the multiple recording of the interference pattern through the mask upstream of the detector with different relative phase positions of the partial beams shows a strong dependence of the respectively measured integrated total intensity of the signal on the relative phase position only for those spectral components of the incident light with the resulting interference patterns the mask correlates.
  • a direct optical correlation is far superior to numerical methods under favorable circumstances.
  • This design of the arrangement becomes particularly interesting when using a variable mask, such as an LCD screen (spatial light modulator, SLM).
  • a variable amplitude mask (SLM) which can represent different patterns for optical correlation, is relatively easy to implement, since the mask is no longer part of the actual interferometer.
  • the change in the relative phase position of the interfering subfields and the change in the spatial frequency or the spatial frequencies of the generated interference pattern are carried out jointly by moving at least one component of the device.
  • the rotation of one of the optical elements around a base P outside the beam path causes not only the change in the angle and thus the setting of the selected wavelength, but also a change in the optical path length and thus a modulation of the relative phase position.
  • the spectrally dispersive or diffractive element is a multiplex grating, a multiplex hologram, a holographic-optical element or a computer-generated hologram (CGH).
  • holographic elements can also be considered here, which can, for example, bend entire groups of different spectral lines at the same angle. This variant can be particularly favorable when using a detector that uses a mask to recognize patterns (optical correlation method).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Spektroskopie und optischen Sensorik sowie die Verwendung der Vorrichtung.Eine Vorrichtung mit hoher spektraler Auflösung bei gleichzeitig vergleichsweise geringen Ansprüchen an die Qualität der optischen Komponenten wird dadurch geschaffen, dass die Vorrichtung zur optischen Spektroskopie Mittel zur Erzeugung eines Interferenzmusters, Mittel zur Einkopplung des zu untersuchenden Lichtfeldes dergestalt, dass nur eine oder einzelne räumliche Moden des Feldes zugelassen werden, und einen Detektor umfasst, der die Intensität des erzeugten Interferenzmusters an einer Vielzahl räumlich unterschiedlicher Positionen aufnehmen kann, wobei durch spektral dispersive bzw. diffraktive optische Elemente die Wellenfronten und/oder die Ausbreitungsrichtung mindestens eines der am Interferenzmuster beteiligten Lichtfelder abhängig von der Wellenlänge verändert werden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung des optischen Spektrums und/oder von durch ein optisches Spektrum kodierten bzw. übertragenen Messwerten durch Analyse des mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung oder unter Verwendung einer erfindungsgemässen Vorrichtung gemessenenen Interferenzmusters.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur optischen Spektroskopie und optischen Sensorik sowie Verwendung der Vorrichtung
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur optischen Spektroskopie sowie optische Sensoren.
Optische Spektrometer können eingeteilt werden in dispersive bzw. diffraktive Spektrometer und Fourier-Transform-Spektrometer.
Dispersive (aus Prismen-) bzw. diffraktive (Gitter-) Spektrometer zerlegen den einfallenden Lichtstrahl durch die Wellenlängenabhängigkeit eines Beugungs- bzw. Reflexionswinkels in seine spektralen Komponenten. Die verschiedenen spektralen Komponenten werden dadurch räumlich getrennt und die zu bestimmende spektrale Komponente kann selektiert werden (Monochromator). Die Aufnahme eines Spektrums erfolgt dann mit Hilfe beweglicher Teile, indem die verschiedenen spektralen Komponenten nacheinander selektiert und gemessen werden.
Am gebräuchlichsten sind Monochromatoren mit einem Strahlengang nach Czerny- Turner, d.h. mit einem drehbaren Plangitter (Beugungsgitter in Reflektion) zwischen einem Eintritts- und einem Austritts-Spalt und voneinander unabhängigen Kollimator- bzw. Kollektor-Spiegeln. Kollimator und Kollektor bewirken eine Abbildung des Eintrittsspaltes in die Ebene des Austrittsspaltes. Das Beugungsgitter befindet sich in der Fourier-Transform-Ebene dieses abbildenden Systems.
Die Entwicklung ortsauflösender Detektoren (CCD, Diodenarray) erlaubt inzwischen die gleichzeitige Messung aller spektralen Komponenten, indem für jede spektrale Komponente ein eigenes Element des Detektors vorgesehen wird. Eine derartige Anordnung kommt ohne bewegliche Teile aus und nutzt das zur Verfügung stehende einfallende Licht wesentlich effizienter.
Fourier-Transform-Spektrometer basieren auf einem Interferometer, bei dem die Differenz der optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen mit hoher Präzision eingestellt werden kann. Aus einer Messung des Interferenzsignals über einen geeigneten Bereich von Weglängendifferenzen kann durch Fourier- Transformation das Spektrum bestimmt werden.
Geräte werden in der Regel nach Art eines Michelson- bzw. Twyman-Green- Interferometers aufgebaut. Technisch anspruchsvoll sind hier vor allem die mechanischen Komponenten zur Einstellung der optischen Weglängen durch verschiebbare Spiegel oder kippbare Spiegelpaare sowie der erforderliche Kollimator zur Erzeugung ebener Wellenfronten.
Eine weitere Variante von Spektrometern verwendet statische Interferenzmuster erzeugt durch Lichtstrahlen, die unter einem bestimmten Winkel zur Interferenz gebracht werden, z.B. Fizeau-Interferometer. Durch Auszählen der Interferenzstreifen oder über eine Bestimmung der Raumfrequenzen des Interferenzmusters mit Hilfe einer numerischen Fouriertransformation kann das Spektrum berechnet werden.
Nachteilig für diese interferometrischen Spektrometer (sowohl für Michelson- Twyman-Green-Interferometer mit veränderlichen Weglängen als auch für statische Interferometer mit räumlichen Interferenzmustern) ist die Tatsache, dass die relative spektrale Auflösung unmittelbar durch die Anzahl der im Interferenzmuster gemessenen Linienpaare (Fizeau-Streifen) bestimmt ist. Werden N Linienpaare für eine bestimmte Wellenlänge λ gezählt, liegt die spektrale Auflösung in der Größenordnung von λ/N.
Eine neuere Variante von Fourier-Transform-Spektrometem ("spatial heterodyne spectrometer") verwendet dispersive bzw. diffraktive optische Elemente (Beugungsgitter), um den Winkel zwischen zwei kollimierten Teilstrahlen eines statischen Interferometers abhängig von der Wellenlänge zu verändern und so die spektrale Auflösung zu erhöhen.
Zwingend wird hier die Überlagerung ebener Wellenfronten vorausgesetzt, um In- terferogramme nach Fizeau zu erhalten (Fizeau-Streifen), welche nach der Messung durch eine numerische Fourier-Transformation in ihre spektralen Komponenten zerlegt werden können.
Derartige Anordnungen basieren weiter auf der Translationsinvarianz der optischen Fourier-Transformation. Das einfallende Licht wird zunächst durch einen Kollimator kollimiert. Der kollimierte Strahl (ebene Wellenfronten) wird geteilt (Amplitudenteilung) und über spektral dispersive oder diffraktive Elemente geführt, z.B. ein Beugungsgitter. Das spektral dispersive optische Element liegt hierbei in der Fourier- Ebene des Kollimators. Die wieder überlagerten Teilstrahlen werden dann durch einen Kollektor und eine weitere Fourier-Transformlinse derart abgebildet, dass ein ortsauflösender Detektor wieder in eine Fourier-Transform-Ebene der Eintrittsapertur zu liegen kommt.
Derartige Anordnungen sind daher wie Fourier-Transform-Spektrometer oder konventionelle Monochromatoren auf abbildende optische Systeme hoher Qualität angewiesen. Insbesondere sind relativ große Brennweiten der optischen Systeme erforderlich.
Die mögliche Leistungsfähigkeit dispersiver bzw. diffraktiver Spektrometer ist abhängig von bestimmten Parametern, insbesondere den Abmessungen von Eintrittsbzw. Austrittsspalt, der Brennweite und Apertur der abbildenden Elemente und den Eigenschaften des dispersiven bzw. diffraktiven Elementes selbst. Moderne Geräte erreichen fast diese physikalisch gesetzten Grenzen.
Entsprechend ist die mögliche Leistungsfähigkeit von Fourier-Transform- Spektrometern durch bestimmte Parameter und hier insbesondere durch die Strek- ke und die Schrittweite für die Variation der optischen Weglängen bestimmt. Die Leistungsfähigkeit von Fourier-Transform-Spektrometern übersteigt bei weitem die Möglichkeit von dispersiven bzw. diffraktiven Spektrometern.
Auch Fourier-Transform-Spektrometer können die physikalischen Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit beinahe erreichen, jedoch ist der technische Aufwand gegebenenfalls sehr hoch. Da Fourier-Transform-Spektrometer auf einem Interferometer basieren, müssen alle optischen Komponenten und insbesondere auch die beweglichen Teile mit einer Präzision von Bruchteilen der zu messenden Wellenlängen gefertigt und positioniert werden.
Spatial heterodyne Spektrometer sind technisch weniger aufwendig, benötigen aber gleichfalls sowohl abbildende als auch dispersive bzw. diffraktive optische Komponenten hoher Qualität.
Die spektrale Auflösung dλ bei einer Wellenlänge λ aller genannten Spektrometer steht in direktem Zusammenhang zu einer entsprechenden Kohärenzlänge I = λ2/dλ.
Um eine bestimmte spektrale Auflösung zu erreichen, muss die spektrometrische Anordnung definierte Differenzen der optischen Weglängen von mindestens der Länge I erzeugen.
Allen genannten Spektrometern gemeinsam ist somit die Notwendigkeit einer Kol- limation des einfallenden Lichtes. Der Kollimator ist dabei ein abbildendes optisches Element einer gewissen Brennweite f, z.B. ein Hohlspiegel oder eine Linse. Die Eintrittsöffnung des Spektrometers befindet sich im Brennpunkt des Kollimators.
Die Spektrometer nutzen nun explizit die speziellen Eigenschaften der optischen Fouriertransformation, insbesondere die Translationsinvarianz der Fouriertransfor- mation, d.h. die Transformation einer Translation in der Brennebene zu einer Änderung der Ausbreitungsrichtung in der Fourierebene des Kollimators.
Monochromatoren ("4f-System": Eintrittsspalt - f - Kollimator - f - Beugungsgitter - f - Kollektor - f - Austrittsspalt) beeinflussen durch ein Beugungsgitter die Ausbreitungsrichtung des Lichtes in der Fourierebene des abbildenden Systems und erzeugen so die gewünschte spektrale Dispersion ohne die Abbildung vom Eintrittsspalt auf den Austrittsspalt bzw. Detektor wesentlich zu stören (I ist dabei durch die Geometrie des Gitters im Strahlengang definiert, f» I). Der Kollimator führt eine optische Fourier-Transformation aus, der Kollektor übernimmt die optische Rücktransformation und bewirkt so die optische Abbildung des Eintrittsspaltes in die Ebene des Austrittsspaltes bzw. des Detektors.
Fourier-Transform-Spektrometer (2f-System) benötigen zwingend den Kollimator (in der Regel mit f wesentlich größer als I), um die Interferenz trotz unterschiedlich langer optischer Wege aufrechtzuerhalten, d.h. die Wellenfronten am Detektor passend zusammenzuführen. Hier wird insbesondere die Translationsinvarianz der Fourier-Transformation genutzt.
Bei einem Fourier-Transform-Spektrometer ersetzt die numerische Fouriertransformation die beim Monochromator verwendete optische Rücktransformation.
Fourier-Transform-Spektrometer mit dispersiven Elementen, die ein räumliches Interferenzmuster auswerten (spatial heterodyne spectrometer) benötigen den Kollimator explizit im Kontext einer optischen Fouriertransformation, einerseits um ein Verschmieren der Interferenzmuster trotz endlich großer Eintrittsöffnung zu vermeiden (Translationsinvarianz), andererseits um den definierten und eindeutigen Zu- sammenhang zwischen optischem Spektrum und Anteilen an Raumfrequenzen im resultierenden Muster herzustellen, der die Grundlage der numerischen Rücktransformation bildet.
Diese Spektrometer erfordern überdies eine zusätzliche abbildende Optik ( "6f- System": Eintrittsspalt - f - Kollimator - f - Interferometer mit Beugungsgitter - f - Kollektor - f - Austrittsblende - f - abbildendes Element - f -Detektor-Ebene)
Da sowohl interferometrische Anordnungen als auch hochauflösende abbildende Systeme durch hochwertige Optiken mit ggf. großen Brennweiten realisiert werden müssen und eine Mindestgrösse der Komponenten bzw. Weglängen - abhängig von der jeweiligen genauen Anordnung - durch den o.g. Wert I fest vorgegeben ist, steigt der technische Aufwand mit wachsenden Anforderungen an die spektrale Auflösung schnell an. Eine kennzeichnenden Größe ist hier die trotz Kollimation auftretende sogenannte spektrale Apertur-Verbreiterung (aperture broadening).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen zur Realisierung von Spektrometern mit hoher spektraler Auflösung bei gleichzeitig wesentlich niedrigeren Ansprüchen an die Qualität der optischen Komponenten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch die Verwendungs- und Verfahrensansprüche gelöst.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Realisierung eines preiswerten und spektral hochauflösenden Spektrometers oder Sensors ist die Einkopplung des Lichts über definierte räumliche Moden bzw. eine Mono-Mode-Einkopplung. Unter diesen Umständen verschwindet die Aperturverbreiterung, insbesondere bleibt das Interferenzmuster auch ohne optische Fouriertransformation durch einen Kollimator erkennbar und kann mit Hilfe der dargestellten Verfahren ausgewertet werden. Ein derartiges optisches Spektrometer erlaubt in Kombination mit dispersiven oder diffraktiven optischen Elementen zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung der Wellenfronten sehr viel kompaktere und flexiblere Aufbauten als bisherige Ansätze mit abbildenden optischen Elementen.
Voraussetzung für die Funktion derartiger Aufbauten ist das dargestellte Messverfahren, bzw. die dargestellte Methode zur Orthogonalisierung der gemessenen Interferenzmuster, da diese nicht unmittelbar mit Hilfe einer numerischen Fouriertransformation ausgewertet werden können.
Vorzugsweise Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen 2 bis 34. Erfindungsgemäße Verwendungen ergeben sich aus den Ansprüchen 35 bis 38 und ein erfindungsgemäßes Verfahren und bevorzugte Vertan rensvarianten ergeben sich aus den Ansprüche 39 bis 48.
Die Erfindung umfaßt eine Vorrichtung, die dispersive bzw. diffraktive optische E- lemente mit einem Interferometer mit Einkopplung einzelner räumlicher Moden und mit einem Detektor, der die Intensität des resultierenden Interferenzmuster an einer Vielzahl räumlicher Positionen messen kann, kombiniert, sowie ein Verfahren, das es erlaubt das Spektrum des einfallenden Lichtes oder unmittelbar Messwerte, die aus einem solchen Spektrum ableitbar sind, aus einem so gemessenen Interferenzmuster zu rekonstruieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgelegt, daß sich die Interferenzmuster jeweils verschiedener spektraler Komponenten des zu untersuchenden spektralen Bereichs stark voneinander unterscheiden. Ein derartiges einer bestimmten spektralen Komponente zugeordnetes Interferenzmuster wird im folgenden als Basismuster bezeichnet. Die Muster können eindimensional oder zweidimensional betrachtet werden. Ein durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugtes Interferenzmuster wird als Überlagerung einer Reihe von jeweils unterschiedlichen Basismustern betrachtet. Die Aufnahme des Interferenzmusters erfolgt durch den Detektor durch Messung der Intensitäten an einer großen Anzahl diskreter räumlicher Positionen. Ein Interfe- renzmuster liegt also jeweils in Form einer fixen Anzahl von (Meß-) Werten vor. Genauigkeit und darstellbare Raumfrequenzen folgen aus dem Sampling-Theorem.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Interferenzmuster als Reihe von (Mess-)Werten und damit im Kontext der linearen Algebra als Vektor interpretiert oder insbesondere als Element eines Folgenraumes der entsprechenden Dimension. Die oben eingeführten Basismuster werden im Kontext der linearen Algebra zunächst als linear unabhängige Basisvektoren dieses Folgenraumes interpretiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Möglichkeit, für eine erfindungsgemäße Vorrichtung die jeweils erforderlichen Basismuster entweder rechnerisch oder durch Messung zu bestimmen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann dann das Spektrum des einfallenden Lichtes durch Zerlegung des Interferenzmusters in diese Basismuster gewonnen werden.
Die besonderen Vorteile von Vorrichtung und Verfahren für die Realisierung hochauflösender oder sehr kompakter optischer Spektrometer resultieren aus der optischen Mono-Mode Einkopplung, die einen Verzicht auf die Eigenschaft der Translationsinvarianz der optischen Transformation und damit den Verzicht auf einen Kollimator erlaubt. Die Vorrichtung kann daher völlig ohne die Verwendung abbildender optischer Elemente realisiert werden. Dies wird möglich in Kombination mit den beschriebenen Verfahren, welche die Tatsache nutzen, dass wenigstens näherungsweise eine numerische Rücktransformation des am Detektor gemessenen Interferenzsignals zum gesuchten Spektrum für fast beliebige, ausreichend komplizierte optische Transformationen gefunden werden kann.
Das Verfahren kann in verschiedenen Varianten realisiert werden, zur Diskussion führen wir folgende Definitionen ein: s sei ein Spektrum, dargestellt durch diskrete spektrale Komponenten bestimmter Intensität, d.h. als ein Vektor mit den Komponenten sn n:1..N.
s umfasst einen bestimmten spektralen Bereich des optischen Spektrums, die einzelnen Komponenten liegen spektral dicht bezogen auf die betrachtete spektrale Auflösung.
i sei das am Detektor gemessene Interferenzmuster, i ist damit ein Vektor, der z.B. die einzelnen Elemente eines Array-Detektors repräsentiert mit den Komponenten im m:1..M
o sei das durch das Verfahren als Messergebnis rekonstruierte Spektrum oder ein Vektor, der unmittelbar die aus einem Spektrum abgeleiteten Messwerte repräsentiert, dargestellt entsprechend s durch Komponenten O k:1..K. Falls o ein Spektrum repräsentiert in der Regel mit K=N.
Die optische Transformation T kann dargestellt werden als Matrix durch T s = i . Die Auswertung wird zunächst dargestellt als Rücktransformation R durch R i = o .
Unter sehr günstigen Umständen (gutes Signal/Rauschverhältnis, fixe Phasenlage, "spektral dicht" liegende Basismuster) könnte eine direkte (näherungsweise) Berechnung von R als inverse von T erfolgen, o wird dann (näherungsweise) gleich s.
Die Komponenten (Vektoren) der Matrix T können anhand der Beziehung Ten = tn bestimmt werden, die en sind dabei die Einheitsvektoren der spektralen Komponenten. Besonders interessant ist nun die Möglichkeit, die spektralen Komponenten en etwa mit Hilfe einer monochromatischen Referenzlichtquelle tatsächlich zu erzeugen und die tn und damit die Matrix T experimentell zu bestimmen (Referenz bzw. Eichmessung).
In der Regel ist eine Bestimmung von R durch Inversion der (gemessenen) Matrix T nicht möglich, die Rücktransformation kann bei bekannten tn jedoch näherungs- weise durch eine Korrelation erfolgen. Verschiedene Korrelationsverfahren sind möglich, ein gängiges Verfahren ist "cross-correlation" basierend auf dem Skalar- produkt der diskreten Fouriertransformierten der jeweils zu vergleichenden Folgen bzw. Vektoren. Mit der diskreten Fouriertransformation F kann o und damit näherungsweise s berechnet werden als on = ', F(i) F"1(tn) ] .
Für den Fall, dass die optische Transformation eine exakte Fouriertransformation ist, wird nur eine Komponente des Ausdrucks F"1(tn) ungleich 0 sein, nämlich diejenige, welche die jeweils entsprechende Raumfrequenz und damit unmittelbar eine spektrale Komponente des Spektrums darstellt. Hier sind die Basisvektoren tn nicht nur linear unabhängig sondern auch orthogonal und bilden überdies die Einheitsvektoren der Raumfrequenzen. Für genau diesen Spezialfall reduziert sich also die Berechnung von o auf die Fouriertransformation von i.
Besonderes Interesse verdienen jedoch folgende zwei Möglichkeiten:
Die Eigenschaften der optischen Transformation können Ähnlichkeit mit denen einer Fouriertransformation aufweisen oder die optische Transformation kann völlig irregulär sein, d.h. z.B. sogenannte "speckle pattern" bilden ("Granulation").
Der erste Fall kann repräsentiert werden durch eine grob fehlerhafte optische Fourier-Transformation, etwa erzeugt durch eine erfindungsgemäße optische Anordnung ohne Kollimator und mit sehr preiswerten optischen Elementen. Die Basismuster sind durch die systematische Erzeugung damit noch linear unabhängig aber nur noch näherungsweise orthogonal.
Der zweite Fall kann repräsentiert werden durch eine erfindungsgemäße optische Anordnung mit einem Interferometer basierend auf einer zerkratzten Glasscherbe (extrem preiswert). Die Basisvektoren können hier als statistisch verteilt angenommen werden. Für den ersten Fall stellt das Verfahren eine Korrektur dar, d.h. die schlechte Qualität der optischen Transformation kann durch eine angepasste Rücktransformation weitestgehend kompensiert werden.
Im zweiten Fall wird das Spektrum durch eine rein statistische Korrelation der Messwerte mit den Basisvektoren bestimmt. In diesem Fall sollte von einer hohen Anzahl an Elementen des Detektors ausgegangen werden, insbesondere ist es günstig M sehr viel größer als N zu wählen, etwa durch Verwendung eines zweidi- mensionalen Detektorarrays. Die Basismuster sind aufgrund ihrer statistischen Natur nicht linear unabhängig. Trotzdem zeigt die Korrelation für große N gute Ergebnisse. Sehr gute Ergebnisse werden erzielt für sehr große M, da in diesem Fall, d.h. der statistischen Verteilung von N Basisvektoren in einem M-dimensionalen Raum, die Basisvektoren wenigstens näherungsweise linear unabhängig werden.
In diesem Kontext kommen auch andere Korrelationsfunktionen für das Verfahren in Frage, insbesondere stochastische Korrelationen.
Besonders vorteilhaft ist eine weitergehende Berechnung bzw. Verfeinerung der Ergebnisse durch Dekonvolution, sofern das gewählte Verfahren auf einen Satz unterschiedlicher Transferfunktionen angewandt werden kann.
Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Sensor kann es vorteilhaft sein, als Ergebnis der Berechnungen nicht das Spektrum sondern unmittelbar die gesuchten Messwerte anzustreben.
Für einen Chemosensor werden die Basisvektoren dann nicht durch Messung spektraler Komponenten sondern durch Aufnahme von Spektren der gesuchten Substanzen bestimmt. Ein Basisvektor und damit eine Komponente des Ergebnisvektors repräsentiert damit nicht eine einzelne spektrale Komponente sondern unmittelbar den gesuchten Messwert, d.h. z.B. die Konzentration einer bestimmten Substanz entsprechend einem Absorptionsspektrum. Entsprechendes gilt etwa für die Messung von Schichtdicken anhand der charakteristischen spektralen Modulation von durch dünne Schichten transmittiertem oder reflektiertem Licht.
Diese adaptive Vorgehensweise erlaubt die Realisierung von optischen Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Auswertung der Messungen durch Korrelation mit zuvor aufgenommenen Basismustern erlaubt die direkte Bestimmung der gesuchten Größen ohne den Umweg über eine Analyse des optischen Spektrums.
Soweit die Interferenzmuster, d.h. die Basismuster für die in Frage kommenden spektralen Komponenten, im Rahmen der Auflösung und Genauigkeit der Messung linear unabhängig sind, können die jeweiligen spektralen Komponenten des einfallenden Lichtes und damit das Spektrum durch Korrelation der jeweiligen Basismuster mit dem aufgenommenen Interferenzmuster bestimmt werden.
Soweit die Eigenschaften aller Komponenten der Vorrichtung ausreichend präzise bestimmt sind, kann der erforderliche Satz Basismuster berechnet werden.
Besonders interessant ist die Möglichkeit, mit Hilfe einer geeigneten einstellbaren monochromatischen Referenzlichtquelle einen Satz von Basismustern für den jeweiligen konkreten Aufbau der Vorrichtung zu messen. Da die Basismuster in diesem Fall alle Arten von in der jeweiligen Vorrichtung auftretenden optischen Aberrationen bereits enthalten, sind die Ansprüche an die optische Qualität der Komponenten der Vorrichtung relativ gering, soweit die Basismuster näherungsweise linear unabhängig bleiben.
Bei Fouriertransform-Spektrometem sind die aufgenommenen "perfekten" Interferenzmusters linear unabhängig (Superposition von sinusoidalen Komponenten) und die Fouriertransformation stellt ein Orthogonalisierungsverfahren dar. Die einzelnen Fourierkoeffizienten stellen die spektralen Komponenten des gemessenen Spektrums dar. Eine direkte Fouriertransformation der mit einer erfindungsgemäßen Anordnung aufgenommenen Muster ist sinnlos, jedoch ist eine Orthogonalisierung bzgl. spektraler Komponenten möglich nach einer geeigneten Transformation der aufgenommenen Interferenzmuster. Hierzu muss für jeden Messpunkt die relative Weglängendifferenz der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Interferenzmuster durch Teilung der Amplitude des einfallenden Lichtfeldes mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels oder eines geeigneten Gitters (gegebenenfalls in mehr als zwei Teilstrahlen) und anschließender Überlagerung der Teilfelder am Ort des Detektors erzeugt werden. Hier kommen alle klassischen Interferometer in Frage, die gegebenenfalls durch dispersive oder diffraktive Elemente ergänzt werden, beispielsweise: Michelson-, Mach-Zehnder-, Sagnac-, -Fabry-Perot oder Scherungs- Interferometer. Weiterhin kommt jede Anordnung, die Interferenzmuster mit räumlichen Perioden erzeugt, die der jeweilige Detektor auflösen kann, in Frage. Durch geeignete Dimensionierung der Vorrichtung können die am Detektor auftretenden Raumfrequenzen unabhängig vom jeweils zu untersuchenden Wellenlängenbereich gewählt werden.
Weiterhin kommt - besonders begünstigt durch die Beschränkung auf einzelne räumliche Moden des Lichtfeldes - auch die Erzeugung der Teilfelder durch Teilung der Wellenfront in Frage, etwa durch ein Fresnellsches Biprisma, andere Kombinationen von Prismen oder Spiegeln, mit Hilfe unregelmäßig geformter Oberflächen oder ebenfalls mit Hilfe diffraktiver Elemente.
Die erforderliche spektrale Dispersion kann in allen Fällen durch geeignete Ausführung des Strahlteilers selbst oder durch zusätzliche optische Elemente eingebracht werden.
Der Detektor kann versehen mit einer geeignet kleinen Blende durch das Interferenzmuster bewegt werden (scannen). Es ist auch möglich durch Bewegung anderer Komponenten der Vorrichtung oder mit Hilfe eines zusätzliche beweglichen Spiegels, die verschiedenen Messpunkte nacheinander aufzunehmen. Dieses Verfahren bietet sich besonders an für extrem hochauflösende Messungen oder in Wellenlängenbereichen für die keine geeigneten ortsauflösenden Detektoren verfügbar sind.
Als räumlich auflösender Detektor bietet sich im eindimensionalen Fall ein geeignetes Diodenarray oder eine CCD-Zeile an.
Besonders interessant ist die Verwendung zweidimensionaler Detektoren (CCD oder andere), da in diesem Fall mit der Erhöhung der Anzahl der Messwerte erheblich größerer Spielraum für die Eigenschaften der Basisfunktionen besteht und bei "besser" linear unabhängigen Funktionen die jeweiligen Korrelationen entsprechend schärfer berechnet werden können.
Die Abbildungen zeigen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung in jeweils unterschiedlichen Kombinationen der verschiedenen Ansprüche.
Abbildung 1 zeigt eine außerordentlich kompakte Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die optischen Komponenten in einem monolithischen Glasblock integriert sind. Die Lichteinkopplung (M) erfolgt gemäss Anspruch 6 unmittelbar aus einer Mono- mode Glasfaser in den Block, so dass sich das Feld zunächst als Kugelwelle entwickelt. Durch eine unmittelbar auf den Glasblock aufgebrachten Beugungsstruktur (G) wird die Amplitude der Welle gemäss Anspruch 2 geteilt in eine gebeugte und eine reflektierte Komponente, welche zu jeweils einem der direkt auf den Glasblock aufgebrachten Spiegel (S1 , S2) laufen. Die Beugungsstruktur wirkt dabei gemäss Anspruch 27 sowohl als Strahlteiler als auch als spektral hoch dispersives optisches Element, das die Wellenfront des gebeugten Strahls spektral abhängig verändert. Im weiteren Verlauf werden die Teilfelder reflektiert und wieder überlagert. Die abgebildete Anordnung arbeitet hier gemäss der Ansprüche 28 bis 30. Das resultierende Feld verlässt den Glasblock über die freie Fläche. Ein aus nicht verwendeten gebeugten Anteilen bestehendes zweites Feld trifft im wesentlichen auf diejenige Fläche des Glaskörpers über welche die Einkopplung der Kugelwelle er- folgte. Dieser Anteil sollte durch geeignete Beschichtung dieser Fläche absorbiert werden.
Der Detektor (D) hat eine kleine räumliche Ausdehnung bzw. verfügt über eine geeignete Blende und befindet sich gemäß Anspruch 7 auf einem beweglichen Arm, dargestellt mit einem Drehpunkt (P). Der Detektor wird durch das Lichtfeld bewegt und nimmt dessen Intensität an einer Vielzahl von räumlichen Positionen nacheinander auf. In der dargestellten Anordnung erfolgt die Bewegung des Arms mit Hilfe eines Exzenters (X) der durch einen Motor (R) angetrieben wird.
Ein Satz derartiger Messungen, d.h. eine Menge von an definierten Positionen aufgenommenen Messwerten bildet ein Muster, das mit Hilfe der Verfahren gemäss Anspruch 39-48 ausgewertet werden kann.
Eine Anordnung nach Abbildung 2 unter Verwendung eines separaten Strahlteilers (S) zur Teilung der Amplitude der Wellen gemäß Anspruch 2 und zwei dispersiven Elementen (G1 ,G2) in den Armen des Interferometers wird möglich durch eine Mo- nomode-Einkopplung (M) gemäß Anspruch 4. Vorteilhaft ist eine Aperturblende (A) wie dargestellt. Eine derartige Anordnung kommt ohne Fouriertransformoptik bzw. ganz ohne abbildende optische Elemente aus, da auf die Translationsinvarianz der Fouriertransformation verzichtet werden kann. Die Auswertung der Interferenzmuster, welche eine derartige Anordnung erzeugt, kann somit auch nicht unmittelbar durch eine numerische Fouriertransformation erfolgen, sondern erfordert eines der in den Ansprüchen 39 bis 48 dargestellten Verfahren. Die in Abbildung 2 dargestellte Anordnung verwendet einen ortsauflösenden Detektor (CCD) gemäß Anspruch 9. Besonders vorteilhaft wirkt sich ein Phasenmodulator (P) gemäß Anspruch 14, etwa in Form des in der Abbildung symbolisierten Piezoaktuators, aus.
Die Möglichkeit, Interferenzmuster bei einer Vielzahl unterschiedlicher relativer Phasenlagen der beteiligten Felder aufzunehmen, bietet den dargestellten Verfahren erhebliche Vorteile. ln diesem Fall bildet die Menge der jeweils vom ortsauflösenden Detektor aufgenommenen Intensitäten ein Muster, das mit Hilfe der Verfahren gemäss Anspruch 39-48 ausgewertet werden kann.
Neben den Vorteilen von Anordnungen nach Anspruch 1 , die aus dem möglichen völligen Verzicht auf abbildende optische Elemente erwachsen, erlaubt eine Mo- nomoden-Einkopplung insbesondere auch interferometrische Anordnung, die auf einer Teilung der Wellenfront gemäß Anspruch 3 basieren. Dies erlaubt über den Verzicht auf abbildende optische Elemente hinaus auch noch den Verzicht auf einen Strahlteiler als diskretes optisches Element.
Abbildung 3 zeigt eine Anordnung gemäß Anspruch 1 und 3. Voraussetzung ist eine Einkopplung (M) etwa nach Anspruch 4. Das eingekoppelte Lichtfeld breitet sich von M ausgehend als Kugelwelle aus. In der dargestellten Anordnung verfügt der Spiegel (S) über eine geeignete Öffnung, die das eingekoppelte Feld passieren kann. Ein Teil der Welle trifft auf ein Beugungsgitter (G1 ), ein anderer Teil trifft auf ein Beugungsgitter (G2), damit ist die Wellenfront geteilt. Vorteilhaft ist eine Aperturblende (A) wie dargestellt. Die Gitter beugen das Licht mit möglichst hoher Effizienz zurück auf den beweglichen Spiegel (S), wo es zu einer Überlagerung der Wellenfelder kommt.
Der bewegliche Spiegel reflektiert gemäss Anspruch 8 das resultierende Feld auf den Detektor (D), welcher in Abhängigkeit von der Stellung des Spiegels die Intensität des Feldes an einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen aufnehmen kann.
Es ist günstig aber nicht unbedingt notwendig einen Phasenmodulator gemäß Anspruch 14 vorzusehen, etwa in Form des dargestellten Piezoaktuators (P).
Eine alternative Möglichkeit nach Anspruch 15 zur Erzeugung unterschiedlicher Interferenzmuster, welche in den dargestellten Verfahren nutzbar sind, kann in einer derartigen Anordnung einfach durch räumliche Versetzung des Einkopplers realisiert werden. ln diesem Fall ist das durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 39 bis 48 auszuwertende Muster durch einen Satz Messwerte, die für unterschiedliche Positionen des Spiegels S gemessen wurden gegeben.
Die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung und des im folgenden beschriebenen Verfahrens kann wesentlich verbessert werden, wenn die relative Phasenlage der Teilstrahlen geeignet beeinflusst werden kann. Dies kann geschehen etwa durch die Verwendung eines über eine Strecke in der Größenordnung der Wellenlänge linear verschiebbaren Spiegels, durch den die relative Phasenlage des reflektierten Lichtes mit großer Genauigkeit verändert werden kann oder z.B. im Falle eines Aufbaus nach Art eines Scherungs-Interferometers oder z.B. im Falle eines Gitters mit mehreren Raumfrequenzkomponenten als Strahlteiler durch eine geeignete "seitliche" Verschiebung der Komponenten.
Die dargestellten interferometrischen Vorrichtungen können weiter derart ausgeführt oder weitergebildet werden, dass die Differenzen der optischen Weglängen, unter denen die Teilstrahlen zur Interferenz gebracht werden, über ein durch das oder die dispersiven Elemente eingebrachtes Maß hinaus differieren. Die Interferenzen werden dann auf Komponenten des einfallenden Lichtes mit entsprechend hoher Kohärenzlänge bzw. kleiner Bandbreite begrenzt.
Es wird nur dann ein Interferenzsignal erzeugt, wenn die einfallende Strahlung im Bereich der optischen Weglängendifferenzen Kohärenzeigenschaften bzw. Autokorrelationseigenschaften zeigt. Bei einer Anwendung im Bereich der optischen Spektroskopie können auf diese Weise selektiv Linienspektren aufgenommen werden. In diesem Fall tragen nur spektral schmalbandige Komponenten der einfallenden Strahlung mit entsprechend großen Kohärenzlängen zum gemessenen Signal bei.
Bei einer Anwendung im Bereich der optischen Datenübertragung können selektiv Träger mit definierten Autokorrelationseigenschaften aufgenommen bzw. vermes- sen werden. Dies ist insbesondere interessant für eine Anwendung im Bereich des Kohärenzlängen-Multiplexing.
Für beide Anwendungsbereiche besteht der besondere Vorteil der Anordnung darin, dass die spektrale Auflösung (Spektroskopie) bzw. Bandbreite (Datenübertragung) unabhängig von der zu selektierenden Linienbreite (Spektroskopie) bzw. Autokorrelationslänge (Datenübertragung) eingestellt werden kann.
Eine ganz außerordentlich kompakte und preiswerte Möglichkeit, eine erfindungsgemäße Anordnung zu realisieren, zeigt Abbildung 4. Verwendet wird ein diffrakti- ves optisches Element (D) nach Anspruch 11 in einer Funktion gemäss Anspruch 27, in diesem Fall ein Diffusor mit einer Körnigkeit geeigneter Größenordnung. Voraussetzung für den Betrieb ist wiederum eine Einkopplung des Lichtfeldes (M) in Form nur eines oder weniger räumlichen Moden gemäss Anspruch 4 bis 6. Vorteilhaft ist eine geeignete Aperturblende (A) wie gezeigt. Die dargestellte Variante verfügt zweckmäßigerweise über einen bildgebenden Detektor (CCD) nach Anspruch 10. An die Stelle des Diffusors können je nach Anwendung diffraktive Elemente nach Anspruch 25 treten, welche ein hoch strukturiertes Interferenzfeld erzeugen können. Genutzt werden kann in diesem Kontext auch eine Variante des Talbot- bzw. Lau-Effektes, insbesondere die Fähigkeit bestimmter Strukturen, sich selbst abzubilden. Gegebenenfalls können unterschiedliche Interferenzfelder erzeugt werden durch eine räumliche Versetzung der Einkopplung oder Versetzung bzw. Verkippung des Diffusors gemäss Anspruch 15.
Diese Anordnung wird zweckmäßigerweise mit einer sehr hohen Anzahl von Messpunkten für das Interferenzfeld in Kombination mit den dargestellten statistischen Verfahren betrieben.
Die Selektivität der Anordnungen kann verbessert werden, indem Teile mehrfach mit den Lichtfeldern wechselwirken, insbesondere wenn die Anordnung vielfache Reflexionen erlaubt bzw. einen Resonator bildet. Abbildung 5 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung nach Anspruch 16 mit dieser Eigenschaft. Wiederum ist eine Einkopplung des Lichtfeldes (M) nach einem der Ansprüche 4 bis 6 erforderlich, um erkennbare Interferenzfelder zu erzeugen. Vorteilhaft ist eine geeignete Aperturblende (A) wie gezeigt. Der Resonator wird gemäß Anspruch 17 gebildet durch den Strahlteiler (S) und ein diffraktives Element (G), welches gleichzeitig über unterschiedliche Beugungsordnungen selbst als Strahlteiler dient. Über den Strahlteiler (S) wird das Feld in den Resonator eingekoppelt, über das diffraktive Element (G) das resultierende Interferenzfeld in Richtung Detektor (CCD) ausgekoppelt. Weitere mehrfach reflektierte Teilstrahlen tragen ebenfalls zur Interferenz bei.
Als diffraktives Element eigenen sich neben einfachen Gittern einerseits und komplexen Beugungsstrukturen andererseits auch Multiplex-Gitter (Überlagerung mehrerer Raumfrequenzen) oder mehrfach unterteilte Gitter, etwa wie dargestellt in Abbildung 6. In diesem Beispiel ist der Strahlteiler (S) als halbdurchlässiger Spiegel realisiert, während das diffraktive Element (G) in der dargestellten Form durch streifenartig nebeneinaderliegende Gitter mit unterschiedlichen Gitterkonstanten realisiert ist. Der von den jeweiligen Gittern reflektierte Teil des Feldes (0-te Beugungsordnung) verlässt den Resonator, während der von den Gittern gebeugte Teil des Lichtfeldes (geeignete Wellenlänge vorausgesetzt) zunächst im Resonator verbleibt und zum Teil über den Strahlteiler (S) wieder das diffraktive Element erreicht.
Die technische Ausführung des Resonators ist dabei von untergeordneter Bedeutung. Neben einfachen Resonatoren mit nur zwei Bauelementen kommen alle Arten von Resonatoren insbesondere auch Ring-Kavitäten in Frage.
Durch die Mehrfachreflexionen ergeben sich sehr komplexe Muster, die vorzugsweise mit Hilfe der in den Verfahrensansprüchen genannten statistischen Methoden (cross correlation) mit sehr vielen Messwerten behandelt werden. Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung Mittel zur Drehung des Interferometers bzw. Mittel zur Veränderung oder Auswahl des Einfallswinkels aufweist, welche eine Einstellung der Raumfrequenz bzw. der Raumfrequenzen des erzeugten Interferenzmusters ermöglichen.
Der Wellenlängenbereich, den die Anordnung ohne bewegliche Teile erfassen kann, ist gegeben durch die Fähigkeit des Detektors, die entsprechenden Raumfrequenzen im Interferenzmuster nachzuweisen. Von besonderem Vorteil für eine technische Realisierung der Anordnung kann es sein, die Auswahl eines Wellenlängenbereichs d.h. in diesem Fall die Einstellung des Interferometers dergestalt, dass die für diesen Wellenlängenbereich resultierenden Raumfrequenzen vom Detektor erfasst werden können, durch eine Drehung des Interferometers als Ganzes bzw. durch eine geeignete Veränderung des Einfallswinkels zu erreichen. Für diese Bauform kommt das Interferometer selbst - abgesehen von den gegebenenfalls erforderlichen Mitteln zur Phasenmodulation - ohne bewegliche Elemente aus und kann trotzdem für verschiedene Wellenlängenbereiche eingesetzt werden.
In diesem Fall können die Komponenten des Interferometers gegeneinander fixiert werden, was sich vorteilhaft auf die Stabilität der Justierung auswirkt. Voraussetzung für die Wellenlängenabstimmung über den Einfallswinkel ist, dass der Winkel, unter dem die Teilfelder im Interferometer überlagert werden eine geeignete Abhängigkeit vom Einfallswinkel zeigt. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Teilfelder spiegelbildlich überlagert werden, d.h. die Teilfelder müssen in einem diesbezüglich asymmetrischen Interferometer über eine jeweils um 1 verschiedene Anzahl von Spiegeln geführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann diese Situation bei symmetrischen Interferometern durch Einsatz eines Dieders oder Retrore- flektors erreicht werden. Abbildung 7 zeigt eine besonders vorteilhafte Anordnung gemäß Anspruch 30. Das Lichtfeld wird gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6 eingekoppelt (M). Die Aperturblende (A) begrenzt den Raumwinkel zur Vermeidung von Streulicht.
Das Lichtfeld trifft dann auf eine diffraktive Struktur nach Anspruch 27 oder 28 (Beugungsgitter), vorzugsweise ausgeführt als Gitter oder Multiplexgitter. Sehr vorteilhaft eingesetzt werden können an dieser Stelle holographisch optische Elemente. Der reflektierte Teil des Feldes trifft auf einen Spiegel (S2), der gebeugte Teil des Feldes trifft auf einen weiteren Spiegel (S1 ). Anteile der jeweiligen Teilfelder werden von den Spiegeln zum diffraktiven Element zurück reflektiert und dort durch jeweils teilweise Reflektion und Beugung zu zwei Interferenzfeldern überlagert. Eines dieser Interferenzfelder erreicht den Detektor (CCD), wie in Anspruch 30 beschrieben. Die von Detektor aufgenommenen Muster können dann in der bereits dargestellten Weise numerisch weiter bearbeitet werden. Andere Teile der Felder verlassen die Anordnung ungenutzt. Der bei einem der Spiegel (S2) dargestellte Aktuator (Phasenschieber) ermöglicht die Aufnahme von Interferenzmustem bei unterschiedlichen relativen Phasenlagen der Teilfelder.
Eine besonders vorteilhafte Kombination bildet die in Abbildung 8 dargestellte Anordnung. Über das bereits in Abbildung 7 dargestellten Element zur Einkopplung des Lichtfeldes (M), eine Aperturblende (A), Spiegel (S1 ,S2), ein diffraktives Element (Beugungsgitter) und den Detektor (CCD) hinaus, kann gemäß Anspruch 31 ein abbildendes optisches Element (L) und eine Austrittsapertur (A2) verwendet werden. Die Austrittsapertur schränkt Variabilität der auftretenden Interferenzmuster ein. Für den Fall, dass das diffraktive Element ein Beugungsgitter ist, kann die Austrittsapertur auch den Wellenlängenbereich, der Felder, die den Detektor erreichen können einschränken.
Die für eine Messung erforderliche Korrelation eines gemessenen Interferenzmusters mit dem für eine bestimmte spektrale Komponente oder eine Gruppe spektraler Komponenten bekannten Interferenzmuster kann sehr vorteilhaft unmittelbar optisch mit Hilfe einer Maske und ggf. geeigneter Phasenmodulation oder anderweitiger Verstimmung des Interferometers erfolgen.
Insbesondere können in einer einzelnen Maske bereits die Interferenzmuster eines spektralen Fingerprints mit vielen spektralen Komponenten enthalten sein.
Die mehrfache Aufnahme des Interferenzmusters durch die dem Detektor vorgelagerte Maske hindurch bei unterschiedlichen relativen Phasenlagen der Teilstrahlen zeigt eine starke Abhängigkeit der jeweils gemessenen integrierten gesamten Intensität des Signals von der relativen Phasenlage nur für diejenigen spektralen Komponenten des einfallenden Lichtes mit deren resultierenden Interferenzmustern die Maske korreliert.
Eine direkte optische Korrelation ist unter günstigen Umständen numerischen Verfahren bei weitem überlegen. Besonders interessant wird diese Ausformung der Anordnung, bei Verwendung einer variablen Maske, etwa eines LCD-Schirms (spatial light modulator, SLM). Eine variable Amplituden-Maske (SLM), welche unterschiedliche Muster zur optischen Korrelation darstellen kann, ist relativ einfach zu realisieren, da die Maske nicht mehr Teil des eigentlichen Interferometers ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Veränderung der relativen Phasenlage der interferierenden Teilfelder und die Veränderung der Raumfrequenz bzw. der Raumfrequenzen des erzeugten Interferenzmusters gemeinsam durch Bewegung mindestens eines Bauelements der Vorrichtung.
Es ist vorteilhaft, Messungen bei unterschiedlichen relativen Phasenlage der Teilfelder vorzunehmen. Sind die optischen Weglängen der Teilfelder ungleich und/oder führt die Verkippung der optischen Elemente zu einer Veränderung der Differenz der optischen Weglängen der Teilfelder, dann ändert sich bei der Einstellung der Wellenlänge auch die relative Phasenlage des Interferenzmusters. Dieser Effekt kann unmittelbar zur Messung bei verschiedenen Phasenlagen genutzt wer- den. Dies ist für eine technische Ausführung besonders vorteilhaft, da ein separater Mechanismus für die Modulation der Phasenlage dann entfallen kann.
Die Drehung eines der optischen Elemente um einen Stützpunkt P außerhalb des Strahlengangs bewirkt neben der Veränderung des Winkels und damit der Einstellung der selektierten Wellenlänge gleichzeitig eine Veränderung der optischen Weglänge und damit eine Modulation der relativen Phasenlage.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das spektral dispersive bzw. diffraktive Element ein Multiplex-Gitter, ein Multiplex-Hologramm, ein holografisch-optisches Element oder ein computergeneriertes Hologramm (CGH).
Bei Verwendung eines zweidimensional auflösenden Detektors kann es besonders vorteilhaft sein, spektral dispersive Elemente zu verwenden, welche nicht nur eine einfache Ablenkung des jeweiligen Teilstrahls bewirken. Insbesondere im Zusammenhang mit den dargestellten Korrelationsverfahren erscheint die Erzeugung komplizierterer Interferenzmuster vorteilhaft. Derart komplexe Muster zeigen gegebenenfalls ein schärfer definiertes Korrelationssignal als einfache Streifenmuster.
Bei Verwendung eines periodischen Beugungsgitters liegen (im Gegensatz zu einem normalen Fourier-Transform-Spektrum !) die Positionen gleicher optischer Weglänge und damit maximaler Amplitude bzw. Modulation für die verschiedenen Wellenlängen an unterschiedlichen Stellen des Detektors. Dies wirkt sich günstig auf den erforderlichen dynamischen Bereich der Detektorelemente aus.
Für spezielle Anwendungen, etwa in der Chemometrie der Nachweis einer Substanz durch die Bestimmung spektraler "Fingerprints" in bestimmten Bereichen eines Absorptionsspektrums, oder die gleichzeitige Bestimmung bestimmter spektraler Linien, können - wie auch in den anderen erfindungsgemäßen Anordnungen - spezielle Beugungsgitter verwendet werden. Neben räumlich getrennten oder räumlich überlagerten Mehrfachgittern und gegebenenfalls einer Anordnung mit mehreren Detektoren, kommen hier auch holographische Elemente in Betracht, die z.B. ganze Gruppen von unterschiedlichen Spektrallinien unter dem gleichen Winkel beugen können. Diese Variante kann besonders günstig sein bei Verwendung eines Detektors, der eine Maske zur Erkennung von Mustern verwendet (optisches Korrelationsverfahren).

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur optischen Spektroskopie mit Mitteln zur Erzeugung eines Interferenzmusters und mit Mitteln zur Einkopplung des zu untersuchenden Lichtfeldes dergestalt, dass nur eine oder einzelne räumliche Moden des Feldes zugelassen werden, und mit einem Detektor, der die Intensität des erzeugten Interferenzmusters an einer Vielzahl räumlich unterschiedlicher Positionen aufnehmen kann, wobei durch spektral dispersive bzw. diffraktive optische Elemente die Wellenfronten und/oder die Ausbreitungsrichtung mindestens eines der am Interferenzmuster beteiligten Lichtfelder abhängig von der Wellenlänge verändert werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung des Interferenzmusters eine Teilung der Amplitude des einfallenden Lichtes umfassen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung des Interferenzmusters eine Teilung der Wellenfront des einfallenden Lichtes umfassen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Einkopplung des zu untersuchenden Lichtes nur genau eine definierte räumliche Mode (spatial Single mode) zulassen.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Einkopplung des zu untersuchenden Lichtes ein Raumfilter (spatial filter) umfassen.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Einkopplung des zu untersuchenden Lichtes einen Mono-Mode Lichtleiter (single mode fibre) umfassen.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor, bezüglich einem oder zwei räumlichen Freiheitsgraden durch das Interferenzmuster bewegt werden kann (scannender Detektor).
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzmuster über bezüglich einem oder zwei räumlichen Freiheitsgraden bewegliche optische Elemente auf den Detektor abgebildet werden kann (scannender Detektor).
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen räumlich eindimensional auflösenden Detektor aufweist (Array Detektor).
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen räumlich zweidimensional auflösenden Detektor aufweist (Array Detektor).
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein diffraktives optisches Element, das über nicht periodische Beugungsstrukturen verfügt.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Strahlteiler die Wellenfront wenigstens eines der Teilstrahlen bzw. Lichtfelder abhängig von der Wellenlänge beeinflussen (spektral dispersiver Strahlteiler).
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente die Wellenfront und/oder die optische Weglänge wenigstens eines der Teilstrahlen bzw. Lichtfelder abhängig von der Wellenlänge beeinflussen (spektral dispersive optische Elemente).
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel, die eine Veränderung bzw. Modulation der relativen Phasenlage (Phasenschieber / Phasenmodulator) mindestens eines der Teilstrahlen bzw. Lichtfelder erlauben.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel, die eine Veränderung bzw. Modulation der räumlichen Lage (Translation und/oder Verkippung) mindestens eines der Teilfelder und/oder des einfallenden Lichtfeldes erlauben.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung oder Teile der Vorrichtung einen optischen Resonator bilden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere wellenlängenabhängige Elemente im Inneren des Resonators angeordnet sind oder mindestens ein Element des Resonators wellenlängenabhängig ausgeführt ist (spektral dispersives Element).
18. Vorrichtung nach einem -oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung oder Teile der Vorrichtung mehrfach ausgeführt sind.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Strahlen bzw. Lichtfelder verändert werden kann.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Einstellung der Weglängendifferenz der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen bzw. Lichtfelder aufweist, wodurch eine Selektion der zur Interferenz beitragenden Lichtkomponenten entsprechend ihren Kohärenzeigenschaften (Kohärenzlänge) durchführbar ist.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer einen Retroreflektor bzw. Dieder umfasst.
22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Drehung des Interferometers bzw. Mittel zur Veränderung oder Auswahl des Einfallswinkels aufweist, welche eine Einstellung der Raumfrequenz bzw. der Raumfrequenzen des erzeugten Interferenzmusters ermöglichen.
23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zur Lageveränderung von Bauelementen der Vorrichtung, insbesondere Mittel zur Drehung der Bauelemente, aufweist, welche eine Einstellung der Raumfrequenz bzw. der Raumfrequenzen des erzeugten Interferenzmusters ermöglichen.
24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der relativen Phasenlage der interferierenden Teilstrahlen bzw. Lichtfelder und die Veränderung der Raumfrequenz bzw. der Raumfrequenzen des erzeugten Interferenzmusters gemeinsam durch Bewegung mindestens eines Bauelements der Vorrichtung erfolgt.
25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral dispersive bzw. diffraktive Element ein Multiplex-Gitter, ein Multiplex-Hologramm, ein holographischoptisches Element oder ein Computergeneriertes Hologramm ist.
26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das resultierende Interferenzmuster oder Teile des Interferenzmusters eine Vielzahl von Raumfrequenzen umfassen und/oder ein kontinuierliches Spektrum von Raumfrequenzen umfassen.
27. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein diffraktives optisches Element gleichzeitig als Strahlteiler und als wellenlängendispersives Element verwendet wird.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27 mit einem als Strahlteiler verwendeten diffraktiven optischen Element, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung des Interferenzmusters genau dieses oder ein gleichartiges Element zur Rekombination der geteilten Strahlen bzw. Lichtfelder umfassen.
29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen bzw. Lichtfelder durch ein Beugungsgitter unter verschiedenen Beugungsordnungen und gegebenenfalls einschließlich des ungebeugten bzw. reflektierten Teilstrahls bzw. Lichtfeldes ("0-te Ordnung") erzeugt werden, durch geeignete Mittel zum Beugungsgitter zurückreflektiert werden und von dort durch Beugung unterschiedlicher Ordnungen wieder überlagert werden.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spiegel vorgesehen sind, durch die von dem Beugungsgitter bzw. diffraktiven optischen Element ausgehende Teilfelder zu eben diesem Beugungsgitter bzw. diffraktiven optischen Element zurückreflektiert werden, wobei wenigstens einer der Spiegel derart verschiebbar angeordnet ist, dass die relative Phasenlage des reflektierten Lichtes veränderbar ist und, wobei das eingekoppelte Lichtfeld zunächst dergestalt am Beugungsgitter bzw. diffraktiven optischen Element geteilt wird, dass ein reflektierter Anteil einen der Spiegel erreicht während ein gebeugter Anteil den anderen Spiegel erreicht und wobei die von den Spiegeln zum Beugungsgitter bzw. diffraktiven optischen Element zurückreflektierten Anteile der Felder derart wieder durch das Beugungsgitter bzw. diffraktive optische Element am Detektor überlagert werden, dass ein Anteil des zuvor am Beugungsgitter bzw. diffraktiven optischen Element reflektierten Teilfeldes durch Beugung den Detektor erreicht während ein Anteil des zuvor am Beugungsgitter bzw. diffraktiven optischen Element gebeugten Teilfeldes durch Reflektion den Detektor erreicht.
31. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine abbildende Optik und eine Blende in der Bildebene des Strahlengangs vorgesehen ist.
32. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor über eine räumliche Maske verfügt, die mit mindestens einem zu erkennenden Interferenzmuster korreliert (optischer Korrelator), wobei die Maske fest oder veränderbar (spatial light modulator) gestaltet sein kann.
33. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fähigkeit des Detektors, eine räumliche Modulation zu erkennen, dergestalt realisiert wird, das ein primär nicht ortsauflösender Detektor mit einer geeigneten räumlichen, gegebenenfalls beweglichen, Maske kombiniert wird.
34. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche in Kombination mit einem spektral selektiven Filter und/oder einem spektral selektiven Detektor.
35. Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche als optisches Spektrometer.
36. Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche zur optischen Spektroskopie, wobei entsprechend der jeweils eingestellten Weglängendifferenz der interferierenden Teilstrahlen Komponenten des einfallenden Lichts entsprechend ihren Kohärenzlängen bzw. Kohärenzeigenschaften selektiv gemessen werden.
37. Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche als chemometrischer Sensor.
38. Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche als Schichtdickenmessgerät bzw. Abstandssensor.
39. Verfahren zur Bestimmung des optischen Spektrums und/oder von durch ein optisches Spektrum kodierten bzw. übertragenen Messwerten durch Analyse des mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 34 oder unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 35 bis 38 gemessenen Interferenzmusters.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Fourier- Transformation des Interferenzmusters umfasst bzw. die Darstellung des Interferenzmusters als Linearkombination von Sinus- und/oder Kosinus- Funktion (z.B. Hartley-Transformation).
41. Verfahren nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Spektrums die Zerlegung des oder der gemessenen Interferenzmuster in einem Satz vorrichtungsabhängiger Basismuster umfasst, insbesondere die Bestimmung einer spektralen Komponente durch Korrelation des oder der Interferenzmuster mit einem für die jeweilige Vorrichtung und die zu bestimmende spektrale Komponente erstellten Basismusters.
42. Verfahren nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des oder der spektral kodierten Messwerte die Zerlegung des oder der gemessenen Interferenzmuster in einem Satz vorrichtungsabhängiger Basismuster umfasst, insbesondere die Bestimmung des oder der spektral kodierten Messwerte durch Korrelation des oder der Interferenzmuster mit einem für die jeweilige Vorrichtung und den oder die zu messenden Werte erstellten Basismuster.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bestimmung der spektralen Komponenten oder spektral kodierten Messwerte erforderlichen Basismuster durch eine Messung gewonnen werden.
44. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Spektrums bzw. des oder der spektral kodierten Messwerte die Aufnahme verschiedener Interferenzmuster bei verschiedenen relativen Phasenlagen und/oder ausgehend von unterschiedlichen räumlichen Moden umfasst, insbesondere unter Nutzung mindestens eines der in den Ansprüchen 14, 15, 19, 20, 22, 23 oder 24 genannten Mittel zur Variation der erzeugten Interferenzmuster.
45. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Basismuster die Aufnahme verschiedener Interferenzmuster bei verschiedenen relativen Phasenlagen und/oder ausgehend von unterschiedlichen räumlichen Moden umfasst, insbesondere unter Nutzung mindestens eines der in den Ansprüchen 14, 15, 19, 20, 22, 23 oder 24 genannten Mittel zur Variation der erzeugten Interferenzmuster.
46. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 41 bis 45 dergestalt, dass anstelle eines gemessenen Interferenzmusters bzw. Basismusters jeweils numerische Transformationen bzw. Funktionen eines oder mehrer Interferenzmuster verwendet werden.
47. Verfahren zur Erstellung von Mustern gemäss dem Verfahren nach Anspruch 46 dergestalt, dass das Verfahren die Bestimmung bzw. Messung der Differenz der optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilfelder für die einzelnen Messpunkte der Muster umfasst sowie eine Sortierung oder Indizierung der einzelnen Messwerte abhängig von der jeweilig für den Messpunkt festgestellten Differenz der optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilfelder.
48. Verfahren zur Erstellung von Basismustern gemäss dem Verfahren nach Anspruch 46 dergestalt, dass in der Folge einer Transformation nach Anspruch 47 eine Fourier- oder Hartley- Transformation durchgeführt wird (Orthogonalisierungsverfahren für Basismuster).
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