DE19612794A1 - Fourier-Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fourier-Spektrometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Fourier-Spektrometer sind bekannt. Beispielsweise wird in dem "Lehrbuch der Experimentalphysik" Band III Optik, Bergmann/Schaefer auf Seite 319 auf die Fourier-Spektroskopie verwiesen.

In dem Lehrbuch wird ausgeführt, daß ein Spiegel des Interferometers durch einen Präzisionsantrieb verschoben wird. Die Bewegung des Spiegels wird zusammen mit den gemessenen Interferenzen in einem Rechner ausgewertet.

Wie schon in dem bekannten Lehrbuch ausgeführt wird, muß die Bewegung des Spiegels mit hoher Präzision erfolgen. Der Aufwand an Präzisionsmechanik ist nicht unerheblich und erfordert genaue Justierarbeiten.

Es ist wünschenswert, ein Fourier-Spektrometer mit einem geringeren Aufwand an Präzisionsmechanik zu schaffen.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fourier-Spektrometer zu schaffen, daß ohne mechanisch bewegte Teile auskommt.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Üblicherweise werden ebene Spiegel verwendet, die exakt im rechten Winkel zu den optischen Achsen liegen. Demgegenüber geht die Erfindung die Weg, einen der Spiegel um einen bestimmten Betrag aus der Ebene üblicher Anordnung heraus zu neigen.

Erfindungsgemäß führt die Spiegelneigung zu der erwünschten Wirkung, daß ein statisches Fourier-Spektrometer geschaffen wird, das vollkommen ohne bewegte Teile auskommt. Die Spiegelneigung weist einen sehr kleinen Wert auf und im liegt im Bereich der Fertigungsfehler der Strahlteilerwürfel. Bei üblichen Strahlteilerwürfeln wird ein Spiegel an einer Seite nur um 10 bis 100 µm angehoben.

Der Aufbau eines Fourier-Spektrometers nach der Erfindung ist somit wesentlich kostengünstiger und robuster.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit der Erfindung neue Wege in der Analyse elektromagnetischer Felder möglich sind. Dabei werden Untersuchungsmöglichkeiten über fast das gesamte elektromagnetische Spektrum eröffnet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze der Erfindung;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 1, und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Strahlteilertrapezoiden.

Fig. 1 zeigt einen um 45° geneigten Strahlteiler 1 eines Fourier- Spektrometers, dem aus Richtung der optischen Achse X Licht in bekannter Weise von einer Strahlenquelle (nicht gezeigt) zugeführt wird.

Weiter ist ein erster Spiegel 2 und ein zweiter Spiegel 3 vorgesehen. Spiegel 2 steht senkrecht zu der zweiten optischen Achse Y, die wiederum im rechten Winkel zu der Achse X verläuft. Wesentlich ist, daß einer der beiden Spiegel 2, 3 um einen kleinen Winkel "a" aus seiner Lage senkrecht zu den Hauptachsen geneigt ist. In Fig. 1 ist Spiegel 3 um eine gedachte Schwenkachse aus der Ebene 4 verschwenkt. Die Schwenkachse verläuft parallel zu der Ebene des Strahlteilers 1. Der Winkel "a" liegt je nach Wellenlänge usw. in einem Bereich von z. B. 0,05 bis 0,5°. Berechnungen haben Winkel "a" von z. B. 0,166075° und 0,2431° ergeben.

In Fig. 1 ist der Spiegel 3 bezogen auf die Achse Y mit Blick auf die Blattebene nach links geschwenkt. Aufgrund der Spiegelneigung kommt es zu den gezeigten Strahlengängen, die eine optische Linse 5 durchlaufen und anschließend auf einen Detektor 6 treffen.

Im Bereich des Detektors 6 kommt es zu einem Interferenzmuster, welches per digitaler Fourier-Transformation auf einem Computer in das entsprechende Spektrum umgewandelt wird.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein erstes und zweites Prisma 7, 8 einen Strahlteilerwürfel bilden. Die Würfelflächen, die senkrecht bzw. parallel zu den Achsen X, Y stehen, sind mit 9, 10, 11, 12 bezeichnet. Die in Fig. 2 gezeigten Maße entsprechen nicht den konkreten Verhältnissen und sind nur zum besseren Verständnis, wie gezeigt dargestellt. Auch die Abstände zwischen den Spiegeln 2, 3 mit den Spiegelschichten 13 (nur an Spiegel 2 bezeichnet) zu den Würfelflächen 10,11 können entfallen. Folglich kann z. B. der Spiegel 2 direkt auf der Fläche 10 aufgedampft sein.

Weiter weicht Fig. 2 von Fig. 1 darin ab, daß der Spiegel 3 nunmehr nach rechts geschwenkt ist.

Der Kippwinkel, d. h. der Winkel "a", des Spiegels 3 kann durch ein Abstandselement 14 erzeugt werden. Hierzu ist das Abstandselement 14, das in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist, an einer Außenseite des Spiegels 2 bzw. eine Ecke des Würfels angeordnet und dort befestigt. Die Spiegelseite, die dem Abstandselement 14 gegenüber liegt, liegt dann bevorzugt auf dem Würfel auf. Bei dem Abstandselement handelt es sich bevorzugt um eine Folie, z. B. mit dem Handelsnamen "Mylar" mit einer Dicke von beispielsweise 10 bis 100 µm.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der das eine Prisma 8 (vgl. Fig. 2) mit zwei rechtwinkligen zueinander stehenden Seiten durch ein dreieckigförmiges Prisma ersetzt ist, so daß sich insgesamt ein Strahteilertrapezoid 15 ergibt, dessen Fläche 11 die Spiegelfläche selbst bildet oder auf den der Spiegel 3 direkt aufgedampft ist. Die Neigung der Fläche 11 um den Winkel "a" kann je nach Anwendungsfall auch nach links geschwenkt sein (vgl. Fig. 1).

Während die Fig. 2 einen geneigten Spiegel 3 zeigt, handelt es sich in Fig. 3 um einen Keil, der direkt an dem Strahlteiler ausgebildet ist.

Weiter unterscheidet sich Fig. 3 von der Ausführungsform nach Fig. 2 darin, daß anstelle des Spiegels 2 ein abgestuftes Spiegelsystem vorgesehen ist, das aus den Spiegeln 16, 17, 18, 19 besteht. Die Spiegel 16, 17, 18, 19 sind parallel und hinter einander angeordnet.

Fig. 4 zeigt die Seitenansicht des Fourier-Spektrometers aus Fig. 3 in der um die Achse Y um 90° gedrehten Ansicht. In dieser Ansicht nach Fig. 4 sind treppenartige Abstufungen der Spiegel 16, 17, 18, 19 erkennbar. Der Spiegel 19 mit der größten Breite besitzt den größten Abstand zu der Fläche 10. Der kürzeste Spiegel 16 liegt an der Fläche 10 direkt an. Auf diese abgestufte Weise behindern sich die Spiegel 16, 17, 18, 19 nicht gegenseitig.

Den Spiegeln 16, 17, 18, 19 stehen an der Würfelfläche 12 Zylinderlinsen 20, 21, 23, 24 gegenüber. Die Zylinderlinsen 20, 21, 22, 23 entsprechen der Linse 5 in den Fig. 1 und 2.

Fig. 5 zeigt gegenüber Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der eine treppenartige Abstufung 24 direkt in den Strahlteilerwürfel eingearbeitet sind. Die Spiegel können wiederum direkt aufgedampft sein.

Die Anzahl der treppenartigen Abstufungen 24 bzw. Spiegel 16, 17, 18, 19 ist nur beispielhaft gewählt und kann je nach Anwendungsfall das n- fache von einem Spiegel betragen.

Der Zweck der treppenartigen Anordnung besteht darin, es wird ein etwa n-fach längeres Interferogramm und eine entsprechend erhöhte spektrale Auflösung nach der Fourier-Transformation erzielt.

Claims (11)

1. Fourier-Spektrometer mit einem Strahlteiler, einem ersten Spiegel, einem zweiten Spiegel und einem Auswertesystem, dadurch gekennzeichnet,
daß beide Spiegel (2, 3) ortsfest zu dem Strahlteiler (1) angeordnet sind,
daß einer der Spiegel (2, 3) um einen bestimmten Winkel "a" bezogen auf die zugehörige optische Hauptachse gekippt ist, und
daß sich die gedachte Schwenkachse des verschwenkten Spiegels (2, 3) parallel zu der Ebene des Strahlteilers (1) erstreckt.

2. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kippen eines der Spiegel (2, 3) mittels eines Abstandselementes (14) erfolgt, das an der Seite des Spiegels (2, 3) angeordnet ist, die der gedachten Schwenkachse gegenüberliegt.

3. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement (14) eine Folie, vorzugsweise eine Mylarfolie ist.

4. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelneigung mittels eines Keiles erfolgt.

5. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil einstückiger Bestandteil eines Strahlteilerwürfels ist.

6. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil an dem Strahlteilerwürfel angeschliffen ist.

7. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteilerwürfel einen Strahlteilertrapezoid bildet (15).

8. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 1 bis 7, daß an der Austrittsfläche (12) des Strahlteilerwürfels mehrere Zylinderlinsen (20, 21, 22, 23) angeordnet sind, die eng parallel nebeneinander in einer Ebene liegen und mit ihrer Längsachse senkrecht zu der Eintrittsfläche (9) des Strahlteilerwürfels stehen, und daß den Zylinderlinsen (20, 21, 22, 23) auf der gegenüberliegenden Fläche (10) des Strahlteilerwürfels eine gleiche Anzahl von einzelnen Spiegeln (16, 17, 18, 19) zugeordnet sind, die treppenartig in unterschiedlichen Höhen bezogen auf die Ebene der Zylinderlinsen (20, 21, 22, 23) angeordnet sind.

9. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrere Spiegel (16, 17, 18, 19) unterschiedliche Breiten aufweisen, daß die Breitenabstufungen den Abständen der nebeneinander liegenden Zylinderlinsen (20, 21, 22, 23) entsprechen, daß die Spiegel (16, 17, 18, 19) mit einer Seite in einer gemeinsamen Ebene liegen, und daß die Spiegel (16, 17, 18, 19) planparallel übereinander geschichtet sind.

10. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlteilerwürfel eine treppenartige Abstufung (24) eingearbeitet ist, die mit den Spiegeln (16, 17, 18, 19) belegt ist.

11. Fourier-Spektrometer nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (2, 3, 16, 17, 18, 19) auf dem Strahlteilerwürfel direkt aufgedampft sind.