WO2019175002A1 - Fourier-transform-spektrometer, verfahren zum herstellen eines fourier-transform-spektrometers und verfahren zur darstellung eines elektromagnetischen spektrums - Google Patents

Fourier-transform-spektrometer, verfahren zum herstellen eines fourier-transform-spektrometers und verfahren zur darstellung eines elektromagnetischen spektrums Download PDF

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fourier transform
transform spectrometer
plate
light
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Matteo KAMMERER
Martin HUSNIK
Eugen BAUMGART
Marc Schmid
Benedikt Stein
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01J3/2823—Imaging spectrometer
    • G01J2003/2826—Multispectral imaging, e.g. filter imaging

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • reflective or absorbing polarizers can be used. Both types of polarizers are available in various designs. For miniaturized consumer products, thin absorbent or reflective polarizing films are often used. at
  • polarization component In the case of absorbing polarizers, a polarization component whose transmission is not desired is absorbed by the material of the polarizer and converted predominantly into heat. In reflective polarizers, the unwanted polarization component is reflected, i. H. back in the
  • Origin direction or a direction other than the transmission direction of the light sent back When a polarizer is used as intended, at least 50 percent of the incident light output can be lost.
  • a diffuser may be used in front of a polarizer and a second polarizer, also referred to as an analyzer, later in the optical path. Since reflective polarizers are cheaper and thinner than absorptive polarizers and, moreover, for Polarization recycling can be used, these are preferably used here.
  • a Fourier transform spectrometer which comprises a birefringent optical component, wherein a first polarizer is arranged in the beam path in front of the birefringent optical component and a second polarizer is arranged in the beam path behind the birefringent component.
  • the polarizers are designed as polaroid layers, with the polaroid layers acting as absorbing polarizers.
  • a Fourier transform spectrometer which has the following features: a diffuser element for diffusing light; a first polarizer element for polarizing light exiting the diffuser element; a birefringent splitting element for splitting light emerging from the first polarizer element into differently polarized radiation beams; a second polarizer element functioning as an analyzer for polarizing beams emerging from the cleavage element, wherein the first polarizer element and the second polarizer element use different polarization methods; and a detector element for detecting out of the second one
  • a Fourier transform spectrometer hereinafter referred to as spectrometer for short, can be understood to mean a device for displaying an electromagnetic spectrum.
  • the spectrometer can be designed as a microspectrometer.
  • a diffuser element for example in the form of a diffuser
  • an optical filter for the non-directional distribution of light can be understood.
  • a polarizer element Under a polarizer element, a
  • Polarizer can be understood, which filters an incident radiation so that only radiation with a certain polarization direction leaves the polarizer. This can be achieved with different physical effects, for example by directing that portion of the radiation which has an inappropriate polarization direction to a second output or by absorption of this portion. For example, it may be at the first
  • Polarizer element to act around a polarizer, the unwanted
  • Filtering direction deviates filtering direction, while it may be a polarizer in the second polarizer element, which filters out unwanted radiation components by absorption of these beam components.
  • An analyzer may be understood to mean a polarizer for detecting or measuring an existing polarization.
  • a birefringent cleavage element may be understood to mean an optical component of two or more birefringent crystals.
  • the cleavage element may be a so-called Savart element or Savart polariscope.
  • a detector element can be understood as an optical sensor element. For example, that can
  • Detector element can be designed as an array of a plurality of light-sensitive pixels. Exiting light can be understood to mean a transmitted radiation component.
  • the approach presented here is based on the finding that a Fourier transform spectrometer, for example in the form of a static Fourier transform microspectrometer, with polarizers based on different physical filter principles can be realized in a beam path before or after a birefringent splitting element.
  • Embodiments becomes brighter and has a better signal-to-noise ratio or allows shorter measurement times.
  • a splitter element is connected upstream of a first polarizer
  • Polarizer and under a second polarizer to understand the splitting element downstream polarizer. Since a reflective polarizer is used as the first polarizer and such a polarizer generally has a low angular dependence, a better interference pattern and thus a better spectrum can be generated. Will the reflective polarizer
  • the light efficiency of the spectrometer can be significantly increased without disturbing reflections being caused.
  • interfering multiply reflected signals in the interference pattern can be suppressed by avoiding the use of an absorbing polarizer as a second polarizer, reflecting light from the second polarizer to the birefringent crystals of the cleavage element, then splitting it back, reflecting it back and finally on the detector element as the power the interference of the spectrometer interfering signal is mapped.
  • the first polarizer element may be embodied as a reflective polarizer and the second polarizer element as an absorbing polarizer. This can improve the light efficiency and
  • the spectrometer can be any suitable spectrometer. According to a further embodiment, the spectrometer can be any suitable spectrometer.
  • Imaging element for imaging the emerging from the second polarizer element light on a predetermined portion of the detector element.
  • the imaging element may be a single lens, a lens system, an objective or one or more microlenses. As a result, it can be ensured that all or at least a majority of the light beams emerging from the second polarizer element are directed onto one and the same section of the detector element.
  • the imaging element may comprise at least one lens element or, additionally or alternatively, at least one mirror element. Thereby, the imaging element can be provided inexpensively.
  • the first polarizer element or, additionally or alternatively, the second polarizer element is designed as a polarizing film, hard plastic, glass element or wire grid polarizer or as a combination of at least two of said polarizer forms.
  • the first or second polarizer element can be provided inexpensively.
  • the design of the spectrometer can be kept as compact as possible.
  • the cleavage element may be implemented as a Savart element.
  • a Savart element also known as Savart polariscope, can be composed of at least two birefringent crystals with differently oriented major axes
  • Such a Savart element points particularly favorable optical properties when splitting light into differently polarized beam components.
  • the Savart element can be designed according to an embodiment as a plate composite of at least one birefringent first plate and a birefringent second plate. This allows the Savart element to be designed in a flat design.
  • the first plate and the second plate can be different in thickness.
  • an asymmetric Savart element can be realized.
  • At least one retardation plate for example a K / 2 plate, may be arranged between the first plate and the second plate. This allows the optical axes of the two plates to be in one and the same plane.
  • the first plate or, additionally or alternatively, the second plate may be made of vanadate, calcite, rutile or a combination of at least two of said materials.
  • the splitting element can be produced inexpensively.
  • the approach presented herein further provides a method of manufacturing a Fourier transform spectrometer according to any one of the above
  • Polarizer element in a beam path between the cleavage element and the detector element to produce the Fourier transform spectrometer.
  • the approach presented here provides a method for displaying an electromagnetic spectrum, the method comprising the following steps:
  • This method can be carried out, for example, by using a spectrometer according to any one of the above embodiments.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a spectrometer according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a spectrometer according to an embodiment
  • FIG. 3 is a flowchart of a method for manufacturing a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a spectrometer 100 according to an exemplary embodiment.
  • a spectrometer in the form of a static Fourier transform microspectrometer based on a Savart polariscope is shown by way of example.
  • the spectrometer 100 comprises a diffuser element 102 for diffusing light, also referred to as diffuser, into the spectrometer 100 via the light whose spectrum is to be displayed by means of the spectrometer 100.
  • the diffuser element 102 is followed by a first polarizer element 104 for polarizing the light emerging and scattered from the diffuser element 102, here in the form of a reflective polarizer.
  • the light polarized by the first polarizer element 104 strikes a birefringent cleavage element 106 acting as the Savart polariscope and configured to polarize the polarized light differently
  • the splitting element 106 is designed as a plate assembly comprising a first plate 108 and a second plate 110.
  • the plates 108, 110 are each a birefringent crystal plate.
  • the two plates 108, 110 in FIG. 1 are substantially the same thickness, with the respective optical axes of the plates 108, 110 being differently oriented.
  • Polarizer element 104 polarized light impinges on the first plate 108.
  • the second plate 110 Opposite the second plate 110 is a functioning as an analyzer second polarizer element 112 is arranged, which is formed from the
  • the second polarizer element 112 in contrast to the first polarizer element 104, is designed as an absorbing polarizer. The from the second
  • Detector array which is designed to represent the spectrum of the incident light into the spectrometer 100 in a corresponding interference pattern.
  • a beam path is present between the second polarizer element 112 and the detector element 114
  • Imaging element 116 is arranged, which is exemplified here as a single lens. Imaging member 116 is configured to impart the light exiting second polarizer element 112 to a particular one
  • Section of the detector element 114 to steer Section of the detector element 114 to steer.
  • all components of the spectrometer 100 can be arranged one behind the other along a common axis 118. As a result, the light paths through the spectrometer 100 can be kept as short as possible. However, other arrangements of the components of the spectrometer 100 are also conceivable.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a spectrometer 100 according to an exemplary embodiment.
  • the two plates 108, 110 are designed differently thick according to the embodiment shown in FIG. 2, wherein the second plate 110 has a smaller thickness than the first plate 108.
  • exemplary four light paths 1, 2, 3, 4 are drawn by the spectrometer 100.
  • the spectrometer 100 is, for example, as a static Fourier transform microsphere spectrometer with the diffuser element 102, the first polarizer element 104, the splitting element 106 in the form of a Savart element, which is formed by two birefringent crystals with differently oriented major axes, optionally with additional wave plate the second
  • Polarizer element 112 realized as an analyzer or analyzing polarizer, the imaging element 116 in the form of a lens and the detector element 114 in the form of a 2 D photodetector arrays.
  • the spectrometer 100 first of all a very homogeneous intensity and angular distribution of the incident light is generated by the diffuser element 102. Then, the light is polarized with the first polarizer element 104, for example at an angle of 45 degrees to an x and y axis, and then split by the Savart element into a horizontally polarized and a vertically polarized beam. Depending on their polarization and angle of incidence, both beams travel through a different length of light path in the crystals of the Savart element.
  • the optical polarizer element 104 for example at an angle of 45 degrees to an x and y axis
  • the imaging element 116 images all the light beams with the same propagation direction, ie the same angle of incidence i, onto one and the same narrow area on the detector element 114.
  • the light interferes constructively or destructively.
  • a 2D interference image is generated on the detector element 114, from which a spectrum can be determined by means of Fourier transformation.
  • Part of this light which has been decomposed again into a horizontal and vertical polarization component, can finally transmit through the second polarizer element 112, as illustrated by the light paths 3, 4 drawn in FIG. 2.
  • passing the Savart element several times can cause massive interference to the interference pattern.
  • an absorbing polarizer is used as the analyzer, which is somewhat thicker than a reflective polarizer, for example avoiding that light from the second polarizer element 112 is reflected back into the Savart element. Only the desired light beams then contribute to the interference pattern.
  • the effect of the back reflection interfering with the second polarizer element 112 can be converted into a positive effect with respect to the first polarizer element 104 by using a reflective polarizer as the first polarizer element 104 and thus reusing a non-usable, non-transmitted portion of the incident light.
  • the first polarizer element 104 reflects the incident light back onto the diffuser element 102. A portion of the reflected light is thrown back onto the examined scene or sample by the diffuser element 102 and is initially lost. This is shown in Fig. 2 by the light path 1.
  • a significant portion of the reflected light is scattered by the diffuser element 102 again in the direction of the spectrometer 100 and falls a second time on the first polarizer element 104, as illustrated by the light path 2.
  • the polarization is mixed up, so that part of the actually already lost light is finally transmitted to the first polarizer element 102 during the second incidence.
  • the second polarizer element 112 is, for example, as an absorptively polarizing film or as an absorptive polarizer made of a thin hard plastic or
  • the first polarizer element 104 is embodied for example as a reflexively polarizing film, as a reflective polarizer made of a thin hard plastic or glass plate or as a reflective wire grid polarizer.
  • the Savart element is made up of two equally thick birefringent plates 108, 110 with the optical axis of one plate aligned at 45 degrees to the x and z axes and the optical axis of the other plate at an angle of 45 degrees to the y and z axis is aligned. It is also conceivable alignment with reversed axes.
  • birefringent plates 108, 110 a retardation plate, for example a 1/2 plate, is arranged, the optical axes of both plates 108, 110 being aligned in one plane.
  • the Savart element is realized asymmetrically from two different thickness plates 108, 110 with the optical axis of one plate aligned at 45 degrees to the x and z axes and the optical axis of the other plate oriented in the y direction -Axis points. It is also conceivable one
  • the diffuser element 102 is depending on the embodiment as a diffuser film, Diffusorhardplastik or
  • the imaging element 116 is realized, for example, as a single lens, lens system, objective, such as a catadioptric objective, or microlens.
  • the detector element 114 is realized, for example, from silicon, germanium or InGaAs.
  • FIG. 3 shows a flowchart of a manufacturing method 300 according to one exemplary embodiment.
  • the method 300 can be carried out, for example, to produce a spectrometer, as described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the various components of the spectrometer are provided, i. H. the diffuser element, the first and second polarizer element, the
  • Diffuser element and the cleavage element arranged while the second Polarizer element is arranged in a beam path between the splitting element and the detector element.
  • FIG. 4 shows a flow chart of a method 400 for displaying an electromagnetic spectrum according to an exemplary embodiment.
  • the method 400 may be carried out, for example, by means of a spectrometer, as described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • a first step 410 the light incident into the spectrometer is scattered by means of the diffuser element.
  • a second step 420 the light emerging from the diffuser element is polarized by means of the first polarizer element.
  • Polarizer element again polarized to superimpose them together.
  • the polarization of the beam is carried out on the basis of a
  • the polarization in step 440 is done by absorbing unwanted beam portions, while the polarization in the second step 420 is not desired by reflection, for example
  • the beam components transmitted by the second polarizer element are detected in a fifth step 450 by means of the detector element.
  • an interference image representing the spectrum of the light incident in the spectrometer is generated.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fourier-Transform-Spektrometer (100) mit einem Diffusorelement (102) zum Streuen von Licht, einem ersten Polarisatorelement (104) zum Polarisieren von aus dem Diffusorelement (102) austretendem Licht, einem doppelbrechenden Aufspaltungselement (106) zum Aufspalten von aus dem ersten Polarisatorelement (104) austretendem Licht in unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel, einem als Analysator fungierenden zweiten Polarisatorelement (112) zum Polarisieren von aus dem Aufspaltungselement (106) austretenden Strahlenbündeln und einem Detektorelement (114) zum Detektieren von aus dem zweiten Polarisatorelement (112) austretendem Licht. Dabei verwenden das erste Polarisatorelement (104) und das zweite Polarisatorelement (112) voneinander abweichende Polarisationsverfahren.

Description

Beschreibung
Titel
Fourier-Transform-Spektrometer, Verfahren zum Herstellen eines Fourier-
Transform-Spektrometers und Verfahren zur Darstellung eines
elektromagnetischen Spektrums
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Zur Einstellung eines Polarisationszustandes von Licht in einem Fourier- Transform-Spektrometer können reflektierende oder absorbierende Polarisatoren verwendet werden. Beide Arten von Polarisatoren gibt es in verschiedensten Ausführungen. Bei miniaturisierten Consumerprodukten werden häufig dünne absorbierende oder reflektierende Polarisationsfolien eingesetzt. Bei
absorbierenden Polarisatoren wird eine Polarisationskomponente, deren Transmission nicht erwünscht ist, vom Material des Polarisators absorbiert und überwiegend in Wärme umgewandelt. Bei reflektierenden Polarisatoren wird der nicht erwünschte Polarisationsanteil reflektiert, d. h. wieder in die
Herkunftsrichtung oder eine andere Richtung als die Transmissionsrichtung des Lichts zurückgesendet. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz eines Polarisators können so mindestens 50 Prozent der eingestrahlten Lichtleistung verloren gehen.
Bei einem statischen, auf einem Savart-Polariskop basierenden Fourier- Transform- Mikrospektrometer kann ein Diffusor vor einem Polarisator und einem später im optischen Pfad folgenden zweiten Polarisator, der auch als Analysator bezeichnet wird, eingesetzt werden. Da reflektive Polarisatoren billiger und dünner als absorptive Polarisatoren sind und darüber hinaus zum Polarisationsrecycling genutzt werden können, werden diese hier bevorzugt verwendet.
In der WO 95/02171 ist beispielsweise ein Fourier-Transform-Spektrometer beschrieben, das eine doppelbrechende optische Komponente umfasst, wobei ein erster Polarisator im Strahlengang vor der doppelbrechenden optischen Komponente angeordnet ist und ein zweiter Polarisator im Strahlengang hinter der doppelbrechenden Komponente angeordnet ist. Die Polarisatoren sind als Polaroidschichten ausgeführt, wobei die Polaroidschichten als absorbierende Polarisatoren wirken.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Fourier- Transform-Spektrometer, ein Verfahren zum Herstellen eines Fourier-Transform- Spektrometers und ein Verfahren zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Fourier-Transform-Spektrometer mit folgenden Merkmalen vorgestellt: einem Diffusorelement zum Streuen von Licht; einem ersten Polarisatorelement zum Polarisieren von aus dem Diffusorelement austretendem Licht; einem doppelbrechenden Aufspaltungselement zum Aufspalten von aus dem ersten Polarisatorelement austretendem Licht in unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel; einem als Analysator fungierenden zweiten Polarisatorelement zum Polarisieren von aus dem Aufspaltungselement austretenden Strahlenbündeln, wobei das erste Polarisatorelement und das zweite Polarisatorelement voneinander abweichende Polarisationsverfahren verwenden; und einem Detektorelement zum Detektieren von aus dem zweiten
Polarisatorelement austretendem Licht.
Unter einem Fourier-Transform-Spektrometer, nachfolgend kurz Spektrometer genannt, kann eine Vorrichtung zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums verstanden werden. Beispielsweise kann das Spektrometer als Mikrospektrometer ausgeführt sein. Unter einem Diffusorelement, beispielsweise in Form einer Streuscheibe, kann ein optischer Filter zur ungerichteten Verteilung von Licht verstanden werden. Unter einem Polarisatorelement kann ein
Polarisator verstanden werden, der eine einfallende Strahlung so filtert, dass nur Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung den Polarisator verlässt. Dies lässt sich mit unterschiedlichen physikalischen Effekten erreichen, beispielsweise durch Lenken desjenigen Anteils der Strahlung, der eine unpassende Polarisationsrichtung hat, an einen zweiten Ausgang oder durch Absorption dieses Anteils. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten
Polarisatorelement um einen Polarisator handeln, der unerwünschte
Strahlenanteile durch Reflexion dieser Strahlenanteile in eine von einer
Transmissionsrichtung abweichende Richtung herausfiltert, während es sich bei dem zweiten Polarisatorelement um einen Polarisator handeln kann, der unerwünschte Strahlenanteile durch Absorption dieser Strahlenanteile herausfiltert. Unter einem Analysator kann ein Polarisator zum Feststellen oder Messen einer vorhandenen Polarisation verstanden werden. Unter einem doppelbrechenden Aufspaltungselement kann ein optisches Bauteil aus zwei oder mehreren doppelbrechenden Kristallen verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Aufspaltungselement um ein sogenanntes Savart- Element oder Savart- Polariskop handeln. Unter einem Detektorelement kann ein optisches Sensorelement verstanden werden. Beispielsweise kann das
Detektorelement als ein Array aus einer Mehrzahl lichtsensitiver Pixel ausgeführt sein. Unter austretendem Licht kann ein transmittierter Strahlenanteil verstanden werden. Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Fourier- Transform-Spektrometer, etwa in Form eines statischen Fourier-Transform- Mikrospektrometers, mit auf unterschiedlichen physikalischen Filterprinzipien basierenden Polarisatoren in einem Strahlengang vor bzw. nach einem doppelbrechenden Aufspaltungselement realisiert werden kann.
Beispielsweise kann durch Nutzung eines reflektierenden Polarisators als erster Polarisator und eines absorbierenden Polarisators als zweiter Polarisator, d. h. als Analysator, bei einem statischen Fourier-Transform- Mikrospektrometer erreicht werden, dass eine eigentlich falsche, d. h. reflektierte Polarisation recycelt wird, wodurch das Spektrometer im Vergleich zu anderen
Ausführungsformen lichtstärker wird und ein besseres Signal-zu-Rausch- Verhältnis aufweist oder auch kürzere Messzeiten ermöglicht. Dabei ist unter einem ersten Polarisator ein dem Aufspaltungselement vorgeschalteter
Polarisator und unter einem zweiten Polarisator ein dem Aufspaltungselement nachgeschalteter Polarisator zu verstehen. Da als erster Polarisator ein reflexiver Polarisator genutzt wird und ein solcher Polarisator im Allgemeinen eine geringe Winkelabhängigkeit aufweist, kann ein besseres Interferenzbild und somit ein besseres Spektrum erzeugt werden. Wird der reflektive Polarisator
beispielsweise hinter einem Diffusorelement eingesetzt, so kann durch Nutzung von Polarisationsrecycling, d. h. durch eine erneute Nutzung von eigentlich verlorenem Licht, die Lichteffizienz des Spektrometers deutlich gesteigert werden, ohne dass störende Reflexionen verursacht werden.
Zudem können störende mehrfach reflektierte Signale im Interferenzbild unterdrückt werden, indem durch Nutzung eines absorbierenden Polarisators als zweiter Polarisator vermieden wird, dass Licht vom zweiten Polarisator zu den doppelbrechenden Kristallen des Aufspaltungselementes reflektiert, dort wieder aufgespalten, rückreflektiert und schließlich auf dem Detektorelement als ein die Leistung des Spektrometers beeinträchtigendes Störsignal abgebildet wird.
Ebenfalls vorteilhaft ist, dass durch den absorbierenden zweiten Polarisator eventuell auftretende störende Doppelaufspaltungen halbiert werden. Schließlich ergibt sich durch den hier vorgestellten Ansatz auch eine Kosten- und Platzersparnis.
Gemäß einer Ausführungsform kann das erste Polarisatorelement als reflektierender Polarisator und das zweite Polarisatorelement als absorbierender Polarisator ausgeführt sein. Dadurch kann die Lichteffizienz und
Darstellungsqualität des Spektrometers deutlich gesteigert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Spektrometer ein
Abbildungselement zum Abbilden des aus dem zweiten Polarisatorelement austretenden Lichts auf einen vorbestimmten Abschnitt des Detektorelements aufweisen. Bei dem Abbildungselement kann es sich je nach Ausführungsform um eine Einzellinse, ein Linsensystem, ein Objektiv oder eine oder mehrere Mikrolinsen handeln. Dadurch kann sichergestellt werden, dass alle oder zumindest ein Großteil der aus dem zweiten Polarisatorelement austretenden Lichtstrahlen auf ein und denselben Abschnitt des Detektorelements gelenkt werden.
Beispielsweise kann das Abbildungselement zumindest ein Linsenelement oder, zusätzlich oder alternativ, zumindest ein Spiegelelement aufweist. Dadurch kann das Abbildungselement kostengünstig bereitgestellt werden.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn das erste Polarisatorelement oder, zusätzlich oder alternativ, das zweite Polarisatorelement als polarisierende Folie, Hardplastik, Glaselement oder Drahtgitterpolarisator oder als eine Kombination aus zumindest zwei der genannten Polarisatorformen ausgeführt ist. Dadurch kann das erste oder zweite Polarisatorelement kostengünstig bereitgestellt werden. Ferner kann dadurch die Bauform des Spektrometers möglichst kompakt gehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Aufspaltungselement als Savart- Element ausgeführt sein. Unter einem Savart- Element, auch als Savart- Polariskop bekannt, kann ein aus zumindest zwei doppelbrechenden Kristallen mit unterschiedlich ausgerichteten Hauptachsen zusammengesetztes
Aufspaltungselement verstanden werden. Ein solches Savart- Element weist besonders günstige optische Eigenschaften beim Aufspalten von Licht in unterschiedlich polarisierte Strahlenanteile auf.
Das Savart- Element kann gemäß einer Ausführungsform als Plattenverbund aus zumindest einer doppelbrechenden ersten Platte und einer doppelbrechenden zweiten Platte ausgeführt sein. Dadurch kann das Savart- Element in flacher Bauform ausgeführt werden.
Dabei können die erste Platte und die zweite Platte unterschiedlich dick sein. Dadurch kann ein asymmetrisches Savart- Element realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte zumindest eine Verzögerungsplatte, beispielsweise eine K/2- Platte, angeordnet sein. Dadurch können sich die optischen Achsen der beiden Platten in ein und derselben Ebene befinden.
Je nach Ausführungsform kann die erste Platte oder, zusätzlich oder alternativ, die zweite Platte aus Vanadat, Kalzit, Rutil oder einer Kombination aus zumindest zwei der genannten Werkstoffe gefertigt sein. Dadurch kann das Aufspaltungselement kostengünstig hergestellt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Fourier-Transform-Spektrometers gemäß einer der vorstehenden
Ausführungsformen, wobei das Verfahren zumindest den folgenden Schritt umfasst:
Anordnen des ersten Polarisatorelements in einem Strahlengang zwischen dem Diffusorelement und dem Aufspaltungselement und des zweiten
Polarisatorelements in einem Strahlengang zwischen dem Aufspaltungselement und dem Detektorelement, um das Fourier-Transform-Spektrometer herzustellen.
Zudem schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Streuen von Licht mittels eines Diffusorelements; Polarisieren von aus dem Diffusorelement austretendem Licht mittels eines ersten Polarisatorelements;
Aufspalten von aus dem ersten Polarisatorelement austretendem Licht in unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel mittels eines doppelbrechenden Aufspaltungselementes;
Polarisieren von aus dem Aufspaltungselement austretenden Strahlenbündeln mittels eines als Analysator fungierenden zweiten Polarisatorelements, wobei das erste Polarisatorelement und das zweite Polarisatorelement voneinander abweichende Polarisationsverfahren verwenden; und
Detektieren von aus dem zweiten Polarisatorelement austretendem Licht mittels eines Detektorelements, um das elektromagnetische Spektrum darzustellen.
Dieses Verfahren kann beispielsweise unter Verwendung eines Spektrometers gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen ausgeführt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines
Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Darstellung eines
elektromagnetischen Spektrums gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielhaft gezeigt ist ein Spektrometer in Form eines statischen Fourier-Transform- Mikrospektrometers auf Basis eines Savart- Polariskops. Das Spektrometer 100 umfasst ein Diffusorelement 102 zum Streuen von Licht, kurz auch Diffusor genannt, über das Licht, dessen Spektrum mittels des Spektrometers 100 dargestellt werden soll, in das Spektrometer 100 einfällt. Dem Diffusorelement 102 ist ein erstes Polarisatorelement 104 zum Polarisieren des aus dem Diffusorelement 102 austretenden und gestreuten Lichts nachgeschaltet, hier in Form eines reflektierenden Polarisators. Das vom ersten Polarisatorelement 104 polarisierte Licht trifft auf ein als das Savart- Polariskop fungierendes doppelbrechendes Aufspaltungselement 106, das ausgebildet ist, um das polarisierte Licht in unterschiedlich polarisierte
Strahlenbündel aufzuspalten. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Aufspaltungselement 106 als Plattenverbund aus einer ersten Platte 108 und einer zweiten Platte 110 ausgeführt. Bei den Platten 108, 110 handelt es sich je um eine doppelbrechende Kristallplatte. Beispielhaft sind die beiden Platten 108, 110 in Fig. 1 im Wesentlichen gleich dick, wobei die jeweiligen optischen Achsen der Platten 108, 110 unterschiedlich ausgerichtet sind. Das vom ersten
Polarisatorelement 104 polarisierte Licht trifft dabei auf die erste Platte 108. Gegenüber der zweiten Platte 110 ist ein als Analysator fungierendes zweites Polarisatorelement 112 angeordnet, das ausgebildet ist, um die aus dem
Aufspaltungselement 106 austretenden Strahlenbündel durch erneute
Polarisierung zur Interferenz zu bringen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das zweite Polarisatorelement 112 im Gegensatz zum ersten Polarisatorelement 104 als absorbierender Polarisator ausgeführt. Die aus dem zweiten
Polarisatorelement 112 austretenden Lichtstrahlen treffen schließlich auf ein Detektorelement 114, beispielsweise in Form eines zweidimensionalen
Detektorarrays, das ausgebildet ist, um das Spektrum des in das Spektrometer 100 einfallenden Lichts in einem entsprechenden Interferenzbild darzustellen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in einem Strahlengang zwischen dem zweiten Polarisatorelement 112 und dem Detektorelement 114 ein Abbildungselement 116 angeordnet, das hier beispielhaft als Einzellinse ausgeführt ist. Das Abbildungselement 116 ist ausgebildet, um das aus dem zweiten Polarisatorelement 112 austretende Licht auf einen bestimmten
Abschnitt des Detektorelements 114 zu lenken.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, können alle Komponenten des Spektrometers 100 entlang einer gemeinsamen Achse 118 hintereinander angeordnet sein. Dadurch können die Lichtwege durch das Spektrometer 100 möglichst kurz gehalten werden. Denkbar sind jedoch auch andere Anordnungen der Komponenten des Spektrometers 100.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu Fig. 1 sind die beiden Platten 108, 110 gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel unterschiedlich dick ausgeführt, wobei die zweite Platte 110 eine geringere Dicke als die erste Platte 108 aufweist. Eingezeichnet sind zudem beispielhaft vier Lichtwege 1, 2, 3, 4 durch das Spektrometer 100.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes anhand der Figuren 1 und 2 nochmals mit anderen Worten
beschrieben.
Das Spektrometer 100 ist beispielsweise als statisches Fourier-Transform- Mikrospektrometer mit dem Diffusorelement 102, dem ersten Polarisatorelement 104, dem Aufspaltungselement 106 in Form eines Savart- Elements, das durch zwei doppelbrechende Kristalle mit unterschiedlich ausgerichteten Hauptachsen, gegebenenfalls mit zusätzlicher Wellenplatte, gebildet ist, dem zweiten
Polarisatorelement 112 als Analysator oder analysierendem Polarisator, dem Abbildungselement 116 in Form einer Linse und dem Detektorelement 114 in Form eines 2 D- Fotodetektor- Arrays realisiert.
Bei dem Spektrometer 100 wird durch das Diffusorelement 102 zunächst eine möglichst homogene Intensitäts- und Winkelverteilung des einfallenden Lichts erzeugt. Dann wird das Licht mit dem ersten Polarisatorelement 104 polarisiert, beispielsweise unter einem Winkel von 45 Grad zu einer x- und y-Achse, und dann durch das Savart- Element in ein horizontal polarisiertes und ein vertikal polarisiertes Strahlenbündel aufgespalten. Beide Strahlenbündel durchlaufen je nach Polarisation und Einfallswinkel einen unterschiedlich langen Lichtweg in den Kristallen des Savart- Elements. Somit ist der optische
Weglängenunterschied zwischen den Lichtstrahlen unterschiedlicher Polarisation vom jeweiligen Einfallswinkel i des Lichts abhängig. Anschließend projiziert der Analysator, d. h. das zweite Polarisatorelement 112, die beiden
Polarisationszustände wieder auf einen Polarisationszustand, hier unter einem Winkel von 45 Grad zur x- und y-Achse, damit das Licht miteinander interferieren kann. Im Anschluss bildet das Abbildungselement 116 alle Lichtstrahlen mit der gleichen Ausbreitungsrichtung, also dem gleichen Einfallswinkel i, auf ein und denselben eng begrenzten Bereich auf dem Detektorelement 114 ab.
Je nach Phasenunterschied interferiert das Licht konstruktiv oder destruktiv.
Dabei wird auf dem Detektorelement 114 ein 2D-lnterferenzbild erzeugt, aus dem mittels Fourier-Transformation ein Spektrum bestimmt werden kann.
Bei Nutzung eines reflektierenden Polarisators als Analysator können störende Lichtreflexionen entstehen. Nach dem Durchlaufen des Savart- Elements treffen alle aufgespaltenen Lichtstrahlen, jeweils horizontal oder vertikal polarisiert, auf den Analysator. Dort wird nur ein bestimmter Polarisationszustand transmittiert, normalerweise mit einem Winkel von 45 Grad zur x- und y-Achse. Das Licht des senkrecht darauf stehenden Polarisationszustandes wird bei Nutzung eines reflektierenden Polarisators als Analysator wieder in das Savart- Element zurückgelenkt. Nach dem erneuten Durchlaufen des Savart- Elements, bei dem die Lichtstrahlen wieder aufgespalten werden, wird ein Teil des Lichts vom ersten Polarisatorelement 104 vor dem Savart- Element erneut auf das Savart- Element reflektiert. Ein Teil dieses Lichts, das wieder in eine horizontale und vertikale Polarisationskomponente zerlegt wurde, kann schlussendlich durch das zweite Polarisatorelement 112 transmittieren, wie dies die in Fig. 2 eingezeichneten Lichtwege 3, 4 verdeutlichen. Somit können durch das mehrmalige Passieren des Savart- Elements massive Störungen des Interferenzbildes entstehen.
Wird hingegen ein absorbierender Polarisator als Analysator verwendet, der beispielsweise etwas dicker als ein reflektierender Polarisator ist, so kann vermieden werden, dass Licht vom zweiten Polarisatorelement 112 zurück ins Savart- Element reflektiert wird. Nur die gewünschten Lichtstrahlen tragen dann zum Interferenzbild bei.
Der beim zweiten Polarisatorelement 112 störende Effekt der Rückreflexion kann bezüglich des ersten Polarisatorelements 104 in einen Nutzeffekt gewandelt werden, indem ein reflektierender Polarisator als erstes Polarisatorelement 104 verwendet wird und somit ein nicht nutzbarer, nicht transmittierter Anteil des einfallenden Lichtes wiederverwendet wird. In diesem Fall reflektiert das erste Polarisatorelement 104 das einfallende Licht zurück auf das Diffusorelement 102. Ein Anteil des reflektierten Lichts wird durch das Diffusorelement 102 zurück auf die untersuchte Szene oder Probe geworfen und ist zunächst verloren. Dies ist in Fig. 2 durch den Lichtweg 1 dargestellt. Ein signifikanter Anteil des reflektierten Lichts wird durch das Diffusorelement 102 wieder in Richtung des Spektrometers 100 gestreut und fällt ein zweites Mal auf das erste Polarisatorelement 104, wie dies der Lichtweg 2 verdeutlicht. Bei der Streuung im Diffusorelement 102 kommt es zu einem Aufmischen der Polarisation, sodass ein Teil des eigentlich schon verlorenen Lichts beim zweiten Einfall auf das erste Polarisatorelement 102 schließlich transmittiert wird.
Mit einem reflektierenden Polarisator als erstem Polarisatorelement 104 ist demnach ein Recycling desjenigen Lichtanteils möglich, der beim ersten
Lichteinfall vom ersten Polarisatorelement 104 reflektiert, vom Diffusorelement 102 aufgemischt und zurück auf das Spektrometer 100 gestreut wurde. Hieraus resultiert eine besonders hohe Lichteffizienz oder Lichtstärke.
Das zweite Polarisatorelement 112 ist beispielsweise als absorptiv polarisierende Folie oder als absorptiver Polarisator aus einer dünnen Hardplastik oder
Glasplatte oder als absorptiver Drahtgitterpolarisator ausgeführt.
Das erste Polarisatorelement 104 ist beispielsweise als reflexiv polarisierende Folie, als reflexiver Polarisator aus einer dünnen Hardplastik oder Glasplatte oder als reflexiver Drahtgitterpolarisator ausgeführt. Das Savart- Element ist beispielsweise aus zwei gleich dicken doppelbrechenden Platten 108, 110 realisiert, wobei die optische Achse der einen Platte unter einem Winkel von 45 Grad zur x- und z-Achse ausgerichtet ist und die optische Achse der anderen Platte unter einem Winkel von 45 Grad zur y- und z-Achse ausgerichtet ist. Denkbar ist auch eine Ausrichtung mit vertauschten Achsen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen den beiden
doppelbrechenden Platten 108, 110 eine Verzögerungsplatte, beispielsweise eine l/2-Platte, angeordnet, wobei die optischen Achsen beider Platten 108, 110 in einer Ebene ausgerichtet sind.
Alternativ ist das Savart- Element asymmetrisch aus zwei unterschiedlich dicken Platten 108, 110 realisiert, wobei die optische Achse der einen Platte unter einem Winkel von 45 Grad zur x- und z-Achse ausgerichtet ist und die optische Achse der anderen Platte in Richtung der y-Achse weist. Denkbar ist auch eine
Ausrichtung mit vertauschten Achsen.
Andere, ähnliche Savart- Elemente zur Verwendung als Aufspaltungselement 106 sind ebenfalls denkbar. Als Materialien für das Savart- Element eignen sich besonders Vanadat, Kalzit und Rutil. Das Diffusorelement 102 ist je nach Ausführungsbeispiel als Diffusorfolie, Diffusorhardplastik oder
Diffusorglaselement ausgeführt. Das Abbildungselement 116 ist beispielsweise als Einzellinse, Linsensystem, Objektiv, etwa als katadioptrisches Objektiv, oder Mikrolinse realisiert. Das Detektorelement 114 ist beispielsweise aus Silizium, Germanium oder InGaAs realisiert.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 300 kann beispielsweise zur Herstellung eines Spektrometers, wie es vorangehend anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben ist, ausgeführt werden. Dabei werden in einem optionalen ersten Schritt 310 die verschiedenen Komponenten des Spektrometers bereitgestellt, d. h. das Diffusorelement, das erste und zweite Polarisatorelement, das
Aufspaltungselement und das Detektorelement. In einem zweiten Schritt 320 wird das erste Polarisatorelement in einem Strahlengang zwischen dem
Diffusorelement und dem Aufspaltungselement angeordnet, während das zweite Polarisatorelement in einem Strahlengang zwischen dem Aufspaltungselement und dem Detektorelement angeordnet wird.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 kann beispielsweise mittels eines Spektrometers, wie es vorangehend anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben ist, ausgeführt werden. Dabei wird in einem ersten Schritt 410 das in das Spektrometer einfallende Licht mittels des Diffusorelements gestreut. In einem zweiten Schritt 420 wird das aus dem Diffusorelement austretende Licht mittels des ersten Polarisatorelements polarisiert. In einem dritten Schritt 430 wird das aus dem ersten
Polarisatorelement austretende Licht mittels des doppelbrechenden
Aufspaltungselementes in unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel, beispielsweise in ein horizontal und ein vertikal polarisiertes Strahlenbündel, aufgespalten. In einem vierten Schritt 440 werden die aus dem
Aufspaltungselement austretenden Strahlenbündel mittels des zweiten
Polarisatorelements erneut polarisiert, um diese miteinander zu überlagern. Die Polarisierung der Strahlenbündel erfolgt dabei auf der Basis eines
Filterverfahrens, das von einem vom ersten Polarisatorelement verwendeten Filterverfahren abweicht. Insbesondere erfolgt die Polarisierung im Schritt 440 durch Absorption nicht erwünschter Strahlenanteile, während die Polarisation im zweiten Schritt 420 beispielsweise durch Reflexion nicht erwünschter
Strahlenanteile erfolgt. Die vom zweiten Polarisatorelement transmittierten Strahlenanteile werden in einem fünften Schritt 450 mittels des Detektorelements detektiert. Dabei wird ein das Spektrum des in das Spektrometer einfallenden Lichts repräsentierendes Interferenzbild erzeugt.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Fourier-Transform-Spektrometer (100) mit folgenden Merkmalen: einem Diffusorelement (102) zum Streuen von Licht; einem ersten Polarisatorelement (104) zum Polarisieren von aus dem Diffusorelement (102) austretendem Licht; einem doppelbrechenden Aufspaltungselement (106) zum Aufspalten von aus dem ersten Polarisatorelement (104) austretendem Licht in unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel; einem als Analysator fungierenden zweiten Polarisatorelement (112) zum Polarisieren von aus dem Aufspaltungselement (106) austretenden Strahlenbündeln, wobei das erste Polarisatorelement (104) und das zweite Polarisatorelement (112) voneinander abweichende
Polarisationsverfahren verwenden; und einem Detektorelement (114) zum Detektieren von aus dem zweiten Polarisatorelement (112) austretendem Licht.
2. Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Polarisatorelement (104) als reflektierender Polarisator ausgeführt ist und das zweite Polarisatorelement (112) als absorbierender
Polarisator ausgeführt ist.
3. Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß einem der
vorangegangenen Ansprüche, mit einem Abbildungselement (116) zum Abbilden des aus dem zweiten Polarisatorelement (112) austretenden Lichts auf einen vorbestimmten Abschnitt des Detektorelements (114).
4. Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß Anspruch 3, bei dem das Abbildungselement (116) zumindest ein Linsenelement und/oder zumindest ein Spiegelelement aufweist.
5. Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß einem der
vorangegangenen Ansprüche, bei dem das erste
Polarisatorelement (104) und/oder das zweite Polarisatorelement (112) als polarisierende Folie und/oder Hardplastik und/oder Glaselement und/oder Drahtgitterpolarisator ausgeführt ist.
6. Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß einem der
vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Aufspaltungselement (106) als Savart- Element ausgeführt ist.
7. Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß Anspruch 6, bei dem das Savart- Element als Plattenverbund aus zumindest einer
doppelbrechenden ersten Platte (108) und einer doppelbrechenden zweiten Platte (110) ausgeführt ist.
8. Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß Anspruch 7, bei dem die erste Platte (108) und die zweite Platte (110) unterschiedlich dick sind.
9. Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß Anspruch 7 oder 8, mit zumindest einer zwischen der ersten Platte (108) und der zweiten Platte (110) angeordneten Verzögerungsplatte.
10. Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die erste Platte (108) und/oder die zweite Platte (110) aus Vanadat und/oder Kalzit und/oder Rutil gefertigt ist.
11. Verfahren (300) zum Herstellen eines Fourier-Transform- Spektrometers (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (300) zumindest den folgenden Schritt umfasst: Anordnen (320) des ersten Polarisatorelements (104) in einem
Strahlengang zwischen dem Diffusorelement (102) und dem
Aufspaltungselement (106) und des zweiten Polarisatorelements (112) in einem Strahlengang zwischen dem Aufspaltungselement (106) und dem Detektorelement (114), um das Fourier-Transform-Spektrometer (100) herzustellen.
12. Verfahren (400) zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums, wobei das Verfahren (400) folgende Schritte umfasst:
Streuen (410) von Licht mittels eines Diffusorelements (102);
Polarisieren (420) von aus dem Diffusorelement (102) austretendem Licht mittels eines ersten Polarisatorelements (104);
Aufspalten (430) von aus dem ersten Polarisatorelement (104) austretendem Licht in unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel mittels eines doppelbrechenden Aufspaltungselementes (106);
Polarisieren (440) von aus dem Aufspaltungselement (106)
austretenden Strahlenbündeln mittels eines als Analysator fungierenden zweiten Polarisatorelements (112), wobei das erste
Polarisatorelement (104) und das zweite Polarisatorelement (112) voneinander abweichende Polarisationsverfahren verwenden; und
Detektieren (450) von aus dem zweiten Polarisatorelement (112) austretendem Licht mittels eines Detektorelements (114), um das elektromagnetische Spektrum darzustellen.
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