DE19955759A1 - Spektrometer mit mikromechanischem Spiegel - Google Patents
Spektrometer mit mikromechanischem SpiegelInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft Anordnungen zur optischen Spektroskopie einer Strahlung vermöge eines Monochromators mit Einzelsensoren, wobei zur sequentiellen Selektion der zu analysierenden Wellenlängen ein mikromechanischer Spiegel benutzt wird. Diese Anordnung gestattet mit besonders einfachen Mitteln ein schnelles Scannen des gewünschten Wellenlängenbereichs. DOLLAR A In weiteren Anordnungen wird die gemeinsame Nutzung dieses Spiegels in Doppelmonochromatoren vorgeschlagen. DOLLAR A Ferner wird in einer zusätzlichen Anordnung die Integration des Beugungsgitters direkt auf die Oberfläche des mikromechanischen Spiegels angegeben. Eine vorteilhafte Ausführung besteht dabei in einer hologrammförmigen Ausprägung dieses ebenen Gitters, welche zusätzliche abbildende Elemente erübrigt. DOLLAR A In einem besonderen Verfahren zum Betrieb dieser Anordnung wird eine hohe spektrale Auflösung erreicht, indem der mikromechanische Spiegel bei seiner mechanischen Resonanzfrequenz betrieben wird und somit ein extrem stabiler Bewegungsablauf eine genaue Wellenlängenreproduzierbarkeit gestattet.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Spektroskopie und betrifft eine Anordnung zur
Vereinfachung des Aufbaus von mechanisch parametrisierbaren Gittermonochromatoren.
Gegenstand der Erfindung sind speziell Monochromatoren, die aus mindestens einem feststehenden
Raumfilter zur Begrenzung des Raumwinkelbereichs der einfallenden polychromatischen Strahlung,
einem dispersiven Element zur spektral abhängigen Raumwinkeländerung dieser Strahlung sowie
mindestens einem weiteren feststehenden Raumfilter zur Entnahme der in den betreffenden
Raumwinkelbereich geleiteten monochromatischen Strahlungsanteile bestehen, wobei zusätzliche
Mittel zur steuerbaren strahlengeometrischen Raumwinkeländerung der Strahlung vorhanden sind.
Üblicherweise bestehen die dispersiven Elemente aus Prismen oder Beugungsgittern.
Der eingangsseitige Raumfilter wird meist durch eine Spaltblende in Verbindung mit abbildenden
Elementen (z. B. Linsensysteme und/oder Hohlspiegel) realisiert und dient i. allg. zur Parallelisierung
der einfallenden polychromatischen Strahlung innerhalb eines engen Winkelbereichs. Oft wirkt das
dispersive Element selbst strahlenoptisch abbildend (z. B. Konkavgitter).
Analog besteht der ausgangsseitige Raumfilter aus abbildender Optik in Verbindung mit einer
Ausgangsspaltblende und begrenzt den Raumwinkelbereich, aus welchem die Strahlungsanteile mit
der entsprechenden richtungsspezifischen Wellenlänge dem Monochromator entnommen werden
können.
Spektrometeranordnungen auf Grundlage dieser Art von Monochromatoren sind hinlänglich bekannt;
ein einfaches Beispiel ist in DE 198 60 021 ersichtlich.
Die steuerbare Raumwinkeländerung der Strahlung wird erreicht durch mechanische
Drehbewegungen des Beugungsgitters bzw. Dispersionsprismas und/oder durch Drehung zusätzlich
im Strahlengang angeordneter Spiegel. Nach dem Stand der Technik erfolgt der Antrieb derselben
durch Schrittmotoren. Die Winkelauflösung korreliert dabei mit der geeignet unterteilten
Schritteinteilung des Motors. Weitergehende Feinunterteilungen bzw. -korrekturen werden mittels
zusätzlicher Piezoaktuatoren erreicht.
Lange Scanzeiten bzw. lange Ansprechzeiten sowie großvolumige, mechanisch aufwendige und
störanfällige Aufbauten sind die Folge.
Einige dieser Nachteile wurden teilweise umgangen mit schweren ballistischen Aufbauten, bei denen
für jeden Sensorwert die tatsächliche mechanische Winkelposition bestimmt und darüber den
Meßwerten die jeweilige Wellenlänge zugeordnet wird. So ist in DE 43 17 948 ein gefedert gelagerter
Schwingspiegel als besonderes Merkmal aufgeführt, dessen spezieller Nachteil der erhebliche
Aufwand zur Winkelsteuerung bzw. -messung ist.
Allgemein haben die mechanisch bewegten Bauteile genannter Monochromatoren den Nachteil, daß
deren Lebensdauer bei geforderter Präzision begrenzt ist und/oder die Lagerung dieser Teile einen
hohen Fertigungs- und Justageaufwand bedingt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Anordnung für nach dem mechanischen Selektionsprinzip
arbeitende Monochromatoren anzugeben, die oben aufgeführte Nachteile umgeht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegeben Anordnungen mit den
erfindungsgemäßen Merkmalen. Weitere vorteilhafte Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung
sowie bevorzugte Verfahren zum Betrieb derselben sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist im Strahlengang des Monochromators nach dem Oberbegriff des ersten
Anspruchs ein monolithischer mikromechanischer Drehspiegel angeordnet, mit dessen Hilfe in
Abhängigkeit von seiner Winkelposition die Strahlung der jeweiligen Wellenlänge selektiert werden
kann.
Die Verwendung derartiger monolithischer mikromechanischer Spiegel ist bislang nur im
Zusammenhang mit dem Laserfernsehen bekannt; die Herstellung und der Betrieb desselben ist in
den Anmeldungen DE 41 00 358 und DE 42 24 599 hinreichend beschrieben. Der Antrieb dieser Spiegels
erfolgt galvanisch oder vorzugsweise elektrostatisch; die tatsächliche Winkelposition wird bevorzugt
kapazitiv gemessen.
Der Vorteil dieser Anordnung ist ein besonders einfacher, preiswerter, kompakter und robuster Aufbau
des Monochromators bei gleichzeitiger kurzer Ansprechzeit. Ferner ist eine stufenlose
Winkeleinstellung erreichbar. Der monolithische einkristalline Aufbau des Kippspiegels bewirkt zudem
eine theoretisch unbegrenzte Lebensdauer bei beliebig wiederholten Bewegungsabläufen.
Eine Kombination mehrerer Monochromatoren unter Verwendung eines einzigen mikromechanischen
Spiegels bietet neben einem konstruktiv einfachen Aufbau insbesondere den Vorteil des exakten
Wellenlängen-Gleichlaufs der eigenständigen Kanäle, was z. B. für Referenzmessungen einer
Strahlungsquelle oder für Monochromatorreihenschaltungen von Bedeutung ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Beugungsgitter direkt auf der
Oberfläche des mikromechanischen Spiegels anzuordnen. Neben der baulichen Vereinfachung der
Monochromatoranordnung liegt der besondere Vorteil in der technologisch durchgängigen
Herstellbarkeit der Spiegel-Gitter-Kombination.
Eine vorteilhafte Variante der Erfindung beinhaltet die geeignete Gestaltung dieses integrierten
Beugungsgitters in der Weise, daß durch eine hologrammartig gestaltete ortsabhängige Orientierung
der Gitterlinien zusätzlich abbildende Eigenschaften des ansonsten ebenen Gitters erzielt werden.
Gegebenenfalls können hierdurch Linsen bzw. Konkavspiegel zur Strahlformung ersetzt werden.
Die erfindungsgemäße Monochromatoranordnung läßt sich insbesondere für
Spektrometeranwendungen verwenden, bei denen entsprechende Strahlungsdetektoren dem
Austrittsspalt direkt oder hinter zusätzlichen Probenanordnungen indirekt nachgeschaltet sind oder
diesen gar ersetzen.
Bei einem Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Monochromators wird die Tatsache
ausgenutzt, daß der monolithische mikromechanische Spiegel aufgrund seiner hysteresefreien
Torsionsbänder in Verbindung mit seinem Trägheitsmoment eine Resonanzfrequenz mit besonders
hoher Resonanzgüte aufweist, und folglich eine Schwingungsanregung bei dieser Frequenz eine
extrem hohe Stabilität und Vorhersagbarkeit des Bewegungsablaufs bewirkt. Der Vorteil ist eine hohe
Genauigkeit der zeitlichen Wellenlängenauflösung trotz diskreter und/oder ungenauer
Spiegelwinkelmessungen. Zusätzlich steht durch die Resonanzüberhöhung ein größerer
Auslenkbereich und damit ein größerer nutzbarer Wellenlängenbereich zur Verfügung.
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Monochromatoranordnung,
Fig. 2 eine Variante dieses Monochromators auf Basis eines Beugungsgitters,
Fig. 3 eine Monochromatoranordnung mit einem auf dem Kippspiegel integriertem Beugungsgitter,
Fig. 4 einen Doppelmonochromator mit einem gemeinsamen Beugungsgitter auf dem Kippspiegel,
Fig. 5 einen Monochromator mit abbildendem Beugungsgitter auf dem Kippspiegel.
Zur Formung des Strahlenganges in einem beispielhaften Monochromator gemäß Fig. 1 und 2
sind angeordnet:
- - ein eingangsseitiger Raumfilter, bestehend aus einer spaltförmigen Strahlungseinkopplung vermöge einer Blende (1) oder einer Fasereinkopplung (10), sowie aus optisch abbildenden Elementen wie beispielsweise einem Kollimatorspiegel (3) oder einem Linsensystem (7),
- - ein dispersives Element aus Prisma (4) oder Beugungsgitter (8),
- - ein mikromechanischer Kippspiegel (5) inklusive Spiegelantrieb (6) für die räumlich sequentielle Wellenlängenselektion mit typischen lateralen Abmaßen von 5 mm.5 mm,
- - ein ausgangsseitiger Raumfilter aus Abbildungsoptik (3; 7) mit einer spaltförmigen Blende (2) oder einem genügend schmal dimensionierten Sensor (11) in deren Brennebene.
Die in den Monochromator der Fig. 1 eingekoppelte polychromatische Strahlung wird mit Hilfe des
Raumfilters (1,3) parallelisiert. Die nun gerichtete Strahlung durchläuft das Dispersionsprisma (4) und
erfährt eine erste wellenlängenabhängige Richtungsaufspaltung. Die Strahlrichtung einer jeden
Wellenlängenkomponente der polychromatischen Strahlung wird durch den mikromechanischen
Spiegel (5) derart abgelenkt, daß die so umgelenkte Strahlung wiederholt das Prisma (4) passiert und
einer erneuten wellenlängenabhängigen Richtungsänderung unterworfen wird. Mit Hilfe des
ausgangsseitigen Raumfilters (3, 2) werden die parallelen Teilstrahlungen fokussiert und je nach
Winkelstellung des Spiegels (5) wellenlängenselektiv ausgekoppelt.
Die räumliche Anordnung dieser optischen Elemente kann geeignet wahlfrei variiert werden,
beispielsweise als Autokollimationsspektrograph gemäß Fig. 1 bis 5.
Die Aufstellung nach Fig. 1 und 2 nutzt zudem den bekannten Vorteil der optischen
Winkelverdopplung des mechanischen Spiegelausschlags aus.
Die Fig. 3 zeigt eine Monochromatoranordnung mit einem eingangs- und ausgangsseitigem
Raumfilter (1, 7; 7, 2) sowie einem Kippspiegel (5) und einem Beugungsgitter (9), wobei dieses
Beugungsgitter gemäß den Methoden der Mikrostrukturierung erfindungsgemäß direkt auf der
Oberfläche des mikromechanischen Kippspiegels angeordnet ist, und zwar mit Parallelität zwischen
Gitterlinien und Spiegeldrehachse. Im Ausführungsbeispiel ist das Beugungsgitter beispielhaft als
Phasengitter ausgeprägt; je nach gefordertem Beugungswirkungsgrad kann das Beugungsgitter mit
anderen geeigneten gitterperiodischen Oberflächenstrukturen versehen werden, sofern diese im
Rahmen der üblichen Fertigungstechnologien realisierbar sind. Die besondere Wirkung dieser
mikromechanischen Integration des Beugungsgitters liegt in der Möglichkeit zur Verkürzung des
optischen Strahlenganges und zur daraus resultierenden Miniaturisierung des Monochromators.
Außerdem bietet die technologisch durchgängige Herstellbarkeit der Spiegel-Gitter-Kombination
wesentliche preisliche Vorteile auch in der Montage eines Monochromators. Die mit üblichen
Fertigungsmethoden erzielbaren Gitterkonstanten in der Größenordnung von 1 µm gestatten
insbesondere Wellenlängenintervalle der Monochromatoren im VIS und NIR-Bereich.
Eine weitere Vereinfachung des Monochromatoraufbaus wird anhand Fig. 5 schematisch gezeigt.
Das auf dem mikromechanischen Kippspiegel (5) integrierte Beugungsgitter (13) weist eine derartige
Ortsabhängigkeit seiner lateralen Gitterperiodizität auf, daß es diffraktiv-optisch abbildend wirkt. Der
eingangs- und ausgangsseitige Raumfilter beinhaltet lediglich Spaltblenden (1; 2).
Die hologrammartige Beugungsgitterstruktur erhält man für die erste Beugungsordnung konstruktiv
beispielsweise aus dem Schnittbild der Kippspiegeloberfläche mit einer Schar von Rotationsellipsoiden
um zwei geeignete Konstruktionspunkte als Ellipsoidfoci, wobei die optischen Gesamtweglängen vom
ersten Konstruktionspunkt zum jeweiligen Ellipsoidaufpunkt und zurück zum zweiten
Konstruktionspunkt sich jeweils um eine konstante Wellenlänge unterscheiden.
Jeder durch den Eintrittsspalt eingekoppelte divergente Teilstrahl wird nach dem Auftreffen auf der
Gitterstruktur je nach seiner Wellenlänge und insbesondere je nach der lokalen Gitterperiode und
-orientierung zu einem definierten wellenlängenabhängigen Focus gebeugt, wobei der Austrittsspalt
einen dieser Foci für die Strahlungsauskopplung selektiert.
Je nach Relativwinkel des Beugungsgitters zu den Spalten ergeben sich nach dem Schema eines
Rowlandkreises geringfügige Aberrationen der wellenlängenabhängigen Foci von der fixen Spaltebene
(1, 2); die daraus resultierende Verschlechterung der spektralen Auflösung kann jedoch bei geringen
Auslenkwinkeln je nach Anwendungsfall zugunsten der vereinfachten Bauweise toleriert werden, da
zusätzliche abbildende Elemente entfallen.
Fig. 4 demonstriert die zweckmäßige Anordnung eines gemeinsamen mikromechanischen
Kippspiegels (5) - hier beispielhaft mit integriertem Beugungsgitter (9) - als Ablenk- bzw.
Dispersionseinheit für zwei vorzugsweise baugleiche Monochromatorteilanordnungen gleichzeitig. Die
in der Seitenansicht dargestellten Monochromatoren sind hier durch subtraktive Reihenschaltung zu
einem streulichtarmen Doppelmonochromator kombiniert, indem der Strahlungsaustritt (2) des ersten
Monochromators duch einen Hilfsspiegel (12) mit der Strahlungseinkopplung (2) des zweiten
Monochromators verbunden wurde. Die zwangsläufig synchrone Wellenlängenselektion garantiert
einen exakt reproduzierbaren spektralen Durchsatz des Doppelmonochromators auch bei eventuell
geringer Spiegelwinkelreproduzierbarkeit.
Allgemein lassen sich durch diese erfindungsgemäße Vereinfachung zusätzliche Spiegelantriebs- und
-kontrolleinheiten einsparen. Ferner bietet diese exakte Synchronisation zweier baugleicher
unabhängiger Monochromatorkanäle erhebliche Vorteile für Meßanordnungen, in denen vermöge
eines Referenzkanals eine Strahlungsquelle in ihrem spektralen und zeitlichen Verlauf kontrolliert
werden muß.
Die in den Figuren schematisch gezeigten Kippspiegel (5) besitzen beispielhaft eine rückwärtige
Elektrodeneinheit (6) zum Zweck des elektrostatischen Antriebs. Aus der Literatur ist ferner bekannt,
die aktuelle Winkelposition der Kippspiegel kapazitiv über selbige Elektroden zu bestimmen. Diese mit
einfachen mechanischen Mitteln realisierbare Winkelmessung hat jedoch den Nachteil einer geringen
Winkelauflösung, bedingt durch eine geringe Linearität und eines hohen Rauschanteils wegen der nur
kleinen nutzbaren Elektrodenfläche.
Die aus einkristallinem Silizium bestehenden Kippspiegel sind monolithisch über Torsionsbänder mit
einem fixen Träger verbunden; daraus resultiert eine hysteresefreie Federkonstante c. Im
Zusammenwirken mit dem Flächenträgheitsmoment J des Spiegels ergibt sich eine mechanische
Schwingungsfrequenz f = 2.π.c/J. Die Eigenschwingungen bei dieser Frequenz besitzen eine hohe
Resonanzgüte, da durch die Hysteresefreiheit die Dämpfung der mechanischen Schwingung sehr
klein ist. Bei externer Schwingungsanregung des Kippspiegels bei eben dieser Eigenfrequenz ω
lassen sich auch mit den relativ schwachen elektrostatischen Antriebskräften hohe Auslenkwinkel γ0
um ca. 2.3° erzielen; die Resonanzschwingung ist zudem relativ unempfindlich gegenüber externen
mechanischen Störungen. Unter Einbezug der adiabatischen Kompressionskräfte des Luftpolsters
zwischen Elektroden und Spiegel ergibt sich die Schwingungsgleichung
M = c.γ = J.d2γ/dt2 + Fadiab(γ) + Fext(γ,sin(ω.t + ϕ)),
deren Lösung näherungsweise mit
γ(t) = γ0.sin(ω.t + ϕ)
angegeben werden kann.
Im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum vorzugsweisen Betrieb des mikromechanischen
Kippspiegels wird der Kippspiegel mit periodisch bei seiner Resonanzfrequenz (üblicherweise
zwischen 100 Hz und 1 kHz) mechanisch angeregt, wobei der momentane Auslenkwinkel γi des
Spiegels wahlweise quasikontinuierlich oder zu geeigneten diskreten Zeitpunkten ti gemessen
wird. Die so erhaltenen Winkelmeßwerte werden mit der theoretisch erhaltenen Lösung der
Bewegungsgleichung korreliert, um die Parameter Schwingungsamplitude γ0, Phase ϕ und
gegebenenfalls genaue Resonanzfrequenz ω mittels einer numerischen Auswerteeinheit bestmöglich
zu bestimmen.
Anhand dieser Parameter errechnet die Auswerteeinheit mittels obiger Lösung der
Bewegungsgleichung zu jedem beliebigen Zeitpunkt t den tatsächlichen Auslenkwinkel γ(t) und ferner
über die Winkelbeziehung der Brechung die tatsächlich selektierte Wellenlänge λ(t) gemäß
sin(α + γ(t)) = sin(β-γ(t)) + N.λ(t)/g;
mit N als Beugungsordnung, g als Gitterkonstante, α und β als Einfalls- und Beugungswinkel des
Beugungsgitters bei Nullstellung des Kippspiegels.
Bei getrennter Anordnung von Kippspiegel und Beugungsgitter nach Fig. 2 ist die optische
Verdopplung des Ablenkwinkels in bezug auf den Auslenkwinkel des Spiegels sinngemäß zu
berücksichtigen.
Nach dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren lassen sich insbesondere Triggerpunkte tk für eine
monochromatische Strahlungsmessung Sk bei vorgegebenen Wellenlängen λk ableiten; ferner läßt
sich so der Spiegelantrieb zur Erhaltung der Resonanzschwingung exakt phasensynchron steuern.
Umgekehrt kann einem jeden Strahlungsmeßwert Sk seine jeweilige Wellenlänge λk zugeordnet
werden, was eine nachträgliche numerische Interpolation der Meßwerte zu vorgegebenen
Wellenlängen gestattet.
Dieses Betriebsverfahren erhöht somit die Genauigkeit der Wellenlängenbestimmung und damit
allgemein die spektrale Auflösung des erfindungsgemäßen Spektrometers wesentlich; für eine
geforderte Auflösung kann also die primäre Winkelmessung des Kippspiegels mit einfachsten und
relativ ungenauen Mitteln realisiert werden.
Claims (6)
1. Monochromator mit mindestens einem feststehenden Raumfilter zur Begrenzung des
Raumwinkelbereichs der einfallenden polychromatischen Strahlung, einem dispersiven Element zur
spektral abhängigen Raumwinkeländerung dieser Strahlung sowie wenigstens einem weiteren
feststehenden Raumfilter zur Entnahme der in den betreffenden Raumwinkelbereich geleiteten
monochromatischen Strahlungsanteile, sowie mit einem Mittel zur steuerbaren strahlengeometrischen
Raumwinkeländerung der Strahlung, dadurch gekennzeichnet,
daß dieses Mittel zur Richtungsänderung des Strahlenganges ein monolithischer mikromechanischer
Kippspiegel ist.
2. Monochromator nach Anspruch 1 mit mehreren strahlengeometrisch unabhängigen Kanälen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger gemeinsamer mikromechanischer Kippspiegel angeordnet
ist.
3. Monochromator nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Oberfläche des mikromechanischen Kippspiegels ein ebenes Beugungsgitter integriert ist.
4. Monochromator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das ebene Beugungsgitter auf der Oberfläche des mikromechanischen Kippspiegels eine
geeignete ortsabhängige Gitterperiode und Gitterorientierung aufweist, so daß das Beugungsgitter als
Teil der Raumfilter strahlengeometrische Abbildungseigenschaften besitzt.
5. Spektrometer mit Strahlungsdetektoren und Monochromator gemäß Ansprüchen 1 bis 4.
6. Verfahren zum Betrieb einer Spektrometeranordnung nach Anspruch 5 mit einer numerischen
Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kippbewegungen des mikromechanischen Kippspiegels in Übereinstimmung mit seiner
mechanischen Resonanzfrequenz angeregt werden,
daß zu diskreten Zeitpunkten die Spiegelwinkelposition gemessen wird,
daß die gemessenen Spiegelwinkelpositionen mit der parametrisierten Lösung der
Bewegungsgleichung des mikromechanischen Spiegels zum Zwecke der Gewinnung der
Bewegungsparameter numerisch korreliert werden,
daß anhand dieser Bewegungsparameter numerisch auf den exakten periodischen Zeitverlauf der
jeweils detektierbaren Wellenlängen geschlossen wird,
wobei entweder den Strahlungsdetektormeßwerten die jeweilig ermittelte Wellenlänge zugeordnet
und/oder die Strahlungsdetektion bei Erreichen von vorgegebenen Wellenlängen getriggert wird,
und ferner wahlweise die Anregung des Kippspiegels phasensynchron gesteuert wird.
Priority Applications (1)
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| DE1999155759 DE19955759A1 (de) | 1999-11-20 | 1999-11-20 | Spektrometer mit mikromechanischem Spiegel |
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