DE4345225A1 - Anordnung zur Analyse von Substanzen an der Oberfläche eines optischen Sensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Anordnungen werden nach dem Stand der Technik zur Analyse von Substanzen nahe der Sensor-Oberfläche eingesetzt. Sie finden vielfältige Anwendung bei der Bestimmung physikalischer oder chemischer Meßgrößen [3-5, 10-11]. Die Wirkungsweise der Sensoren beruht auf der Wechselwirkung der geführten Lichtwellen mit dem Medium an und nahe der Sensor-Oberfläche. Auf dieser Basis sind solche Sensoren in Kombination mit einer Anordnung zum Betrieb als universelle Spektrometer einsetzbar, da Brechzahl und Absorption des Mediums in der Nähe der Sensor-Oberfläche bestimmbar sind. Bekannt sind auch Anwendungen in der Affinitäts-Sensorik [5], hier binden die nachzuweisenden Moleküle selektiv an die Sensoroberfläche und werden über die Wechselwirkung mit der geführten Welle nachgewiesen.

Der Einsatz von einem oder mehreren Gitterkopplern zum Ein- und/oder Auskoppeln der geführten Wellen ist Stand der Technik [1, 2].

In [8] ist die Verwendung eines Gitterkopplers beschrieben, welcher zur Einkopplung dient, die bei Erreichen der Resonanz auftretenden geführten Wellen werden durch Detektion des seitlich aus dem WL austretenden Lichts nachgewiesen. Dieses Verfahren stellt hohe Anforderungen an die Planarität des Wellenleiters und die Genauigkeit der Winkelverstellung, was für eine wirtschaftlich günstige Anwendung von Nachteil ist. Auch die in [6] beschriebene Ausführung dieses Verfahrens mit Bestimmung des Autokollimationswinkels erfordert eine sehr genaue mechanische Winkelverstellung.

Eine Winkelverstellung kann entfallen, wenn ein Gitter zur Auskopplung verwendet wird und die austretende Strahlung auf einen oder zwei ortsempfindliche Detektoren geführt wird, wie in [7] beschrieben. Bei diesem Verfahren ist jedoch eine Einkopplung der geführten Wellen über die Endfläche des Wellenleiters notwendig. Dies ist wegen der notwendigen Präparation der Endflächen sowie Genauigkeit der Positionierung des Sensors bei der Einkopplung von Nachteil. Auch bei der in [14] beschriebenen Ausführung dieses Verfahrens sind diese Nachteile anzuführen.

Weiterhin ist beim Verfahren nach [14] die Einkopplung von zwei Lichtquellen aus unterschiedlichen Richtungen notwendig. Damit wird der Aufwand für die Endflächen-Kopplung noch erhöht. Darüber hinaus ist der Einfluß von Temperatur-Veränderungen auf die Meßwerterfassung von Nachteil, wenn die geführten Wellen den Sensor in unterschiedlicher Richtung durchlaufen.

Eine Spektrometer auf Basis von optischen Wellenleitern mit Gitterkopplern wird in [9, 13] beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Änderungen des Absorptionseigenschaften an der Wellenleiter-Oberfläche für verschiedene Wellenlängen bestimmt. Nachteilhaft ist hier, daß nicht direkt die Dämpfungskonstante der geführten Wellen bestimmt wird, sondern die Intensität der durch den Wellenleiter transmittierten und wieder ausgekoppelten Wellen.

Eine bekannte vorteilhafte Ausführung eines Gitterkopplers ist der multi-diffraktive Koppler [11], speziell der bidiffraktive [15]. Mit einem solchen Verfahren können die ausgekoppelten Wellen hintergrundfrei detektiert werden.

Es ist bereits bekannt [7], zum Nachweis chemischer Substanzen eine die nachzuweisende Substanz enthaltende Probe mit der wellenleitenden Schicht eines optischen Schichtwellenleiters in Kontakt zu bringen, kohärentes Licht in die wellenleitende Schicht einzukoppeln, als Lichtwelle in diesem zu führen und wieder aus der Schicht auszukoppeln, wobei in der Ebene der wellenleitenden Schicht ein Beugungsgitter zum Ein- und Auskoppeln des Lichts vorgesehen ist.

Es können zwei kohärente (z. B. orthogonal polarisierte) Lichtstrahlen simultan in den Schichtwellenleiter eingekoppelt werden und durch Interferenz von zwei ausgekoppelten Teilstrahlen, welche von den beiden im Wellenleiter gemeinsam geführten (orthogonal polarisierten) Lichtwellen erzeugt werden, die relative Phasenlage in Form einer Phasendifferenz der beiden eingekoppelten Lichtfelder gemessen werden, bzw. die relative Intensität der ausgekoppelten Lichtfelder bestimmt werden [11].

Mit Gitterkopplern läßt sich ein kohärentes Lichtfeld auf einfache Weise in einen Wellenleiter ein- bzw. auskoppeln, wobei man ohne eine fokussierende Optik auskommt. Das Lichtfeld wird eingekoppelt, wenn es unter einem bestimmten, von der Gitterperiode und der effektiven Modenbrechzahl abhängenden Einfallswinkel auf die mit dem Gitterkoppler versehene Region des Wellenleiters auftrifft.

Wird die Ein- und Auskopplung mit einer sog. multidiffraktiven Gitterstruktur vorgenommen, können die Beugungswinkel und die Intensitäten der einzelnen Beugungsordnungen unabhängig voneinander variiert werden. Der im Wellenleiter geführte, ausgekoppelte Teilstrahl kann von reflektierten, transmittierten oder direkt gebeugten Teilstrahlen separiert werden, obwohl die Regionen auf der wellenleitenden Schicht, in denen das Ein- und Auskoppeln der Lichtfelder erfolgt, teilweise überlappen.

Sieht man nun, wie bereits vorgeschlagen [11, 16] ein Detektionssystem zur (vorzugsweise) hochauflösenden Messung der ausgekoppelten Lichtverteilung vor, wobei zur Erfassung der ausgekoppelten Lichtverteilung ein Abbildungssystem vorgesehen sein kann, so kommt es im Bereich der ein- und ausgekoppelten Strahlung zu einer Engstelle, die einer Miniaturisierung der Gesamtanordnung im Wege steht, da aus optischen Gründen die Forderung besteht, das abbildende Objektiv nahe an den Auskoppelort zu legen.

Eine Vergrößerungsoptik in diesem Bereich würde die sich kreuzende ein- und ausfallende Strahlung behindern. Der zur Platzersparnis, aber auch zur Optimierung der interferometrischen Anordnung erforderlichen Miniaturisierung sind daher Grenzen gesetzt.

Mögliche Ausführungsformen des Sensors sind in [11, 16] beschrieben. In den Sensor sind zwei Lichtfelder einzukoppeln, abhängig von der Ausführung mit unterschiedlicher oder gleicher Polarisation.

In [12] wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein in den Sensor integriertes Gitter sowohl zur Ein- wie auch zur Auskopplung dient. Notwendig sind eine fächerförmige Beleuchtung zur Einkopplung sowie eine mechanische Blende im Auskoppelstrahlengang zur Unterdrückung des reflektierten Lichts. Von Nachteil ist hier die notwendige Positionierungs-Genauigkeit der Blende, die von der Flächennormalen stark abweichenden Ein- und Auskoppelrichtungen sowie die unterschiedliche Beugungsintensität in den verschiedenen Ordnungen der geführten Wellen. Beschrieben wird in [12] auch die Verwendung eines nach der Linse angeordneten Spiegelsystems vor dem Detektor zur Verkürzung des Strahlengangs.

Dabei ist es von Nachteil, daß nur eine begrenzte Verkürzung des Strahlengangs erreicht werden kann. Dies gilt analog auch für die in [7] beschriebene Umlenkung. Das oben beschriebene Engstellen-Problem wird dadurch nicht gelöst.

Die Erfindung geht nunmehr von der Aufgabe aus, eine Verkleinerung der gattungsgemäßen Anordnung zur Ein- und Auskopplung kohärenter Strahlung vornehmen zu können, so daß in einem integrierten Modul alle zur Verwendung des Sensors notwendigen Lichtfelder eingekoppelt sowie die vom Sensor ausgekoppelten Lichtfelder detektiert werden können.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 4.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Besonders vorteilhafte Lösungen sind in den Ansprüchen 16 und 17 beschrieben.

Als Lichtquelle kommt vorzugsweise eine Halbleiter-Laserdiode oder eine Superlumineszenz-Diode zum Einsatz, da diese direkt in den Auslesekopf integriert werden können. Beim Einbau ist eine Montage an der Außenseite des Auslesekopfes besonders vorteil­ haft, so daß bei einem Defekt der Lichtquelle die Halbleiter- Einheit ohne Öffnen des Gehäuses ausgetauscht werden kann. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung der Strahlungsdiode zusammen mit den notwendigen Einheiten zur Stabilisierung von Wellenlänge und Leistung (Referenz-Diode, Temperaturstabili­ sierung) in einem gemeinsamen Gehäuse. Dadurch kann die Tem­ peraturstabilisierungs-Einheit mit geringer Wärmekapazität aus­ geführt werden, so daß eine preiswerte Ausführung der notwendigen Versorgungs-Elektronik ausreicht.

Alternativ zu einer Laser- oder Superlumineszenz-Diode kann auch eine andere kohärente Lichtquelle zum Einsatz kommen, z. B. eine Spektrallampe. Um unabhängig von den Dimensionen der Lichtquelle die kompakte Bauform des Auslesekopfes beibehalten zu können, wird das Licht in diesem Fall dem Auslesekopf über einen Lichtleiter zugeführt. Bei Verwendung einer Lichtquelle mit Lichtleiter-Zuführung an den Auslesekopf ist bei Verwendung einer Standard-Lichtleiterkupplung auch ein schneller Wechsel der Lichtquelle und Wellenlänge möglich.

Ein Teil der für die Strahlformung notwendigen optischen Elemente kann direkt in das Gehäuse der Laser- bzw. Superlumineszenz-Diode integriert werden, alternativ in die Steckkupplung für den Licht­ leiter. Darüber hinaus können noch weitere Elemente zur Anpassung der Strahlparameter im Auslesekopf angebracht werden, so auch hinter dem Strahlteiler. Durch die Verwendung zylindrischer Ein­ heiten mit unterschiedlicher Brennweite für saggitale und meri­ dionale Ebene sind astigmatische Strahlprofile realisierbar.

Die Aufteilung auf zwei unabhängige Lichtfelder zur Einkopplung der geführten Wellen in den Sensor erfolgt durch einen Strahl­ teiler, z. B. in Form eines teildurchlässigen Spiegels oder eines holografischen Elements. Vorteil eines holografischen Elementes ist, daß beim nachfolgenden Strahlführungs-System Spiegel-Elemente eingespart werden können. Das Strahlführungs-System besteht aus mehreren Spiegeln, die das Licht für beide Einkoppelarme der Anordnung auf den Sensor leiten. Besonders vorteilhaft für die Miniaturisierung des Aufbaus ist es, eine Faltung im Einkoppelstrahlengang einzu­ bringen, so daß dieser nicht vollständig in einer Ebene liegt. Diese Faltung kann durch Schrägstellung mindestens einer der Umlenkspiegel für jeden Einkoppelarm realisiert werden. Alternativ kann die Strahlteilung durch ein Glasfaser-Verzweigungs-Element realisiert werden.

Die Einstellung der Strahlparameter beider Einkoppelarme in der Sensorebene erfolgt durch eine fokussierende Optik. Dabei kann für die Fokussierung der beiden einzukoppelnden Lichtfelder eine gemeinsame Optik oder zwei separate Optiken eingesetzt werden. Durch die Verwendung zylindrischer Optiken sind unterschiedliche Strahlparameter senkrecht und parallel zur Einfallsebene realisierbar.

Zum Betrieb des optisch-wellenleitenden Sensors sind die Einkop­ pelbedingungen für beide einfallenden Lichtfelder einzuhalten:

sin (alphaTE) = NTE-Iba/Ibaa,
sin (alphaTM) = NTM-Iba/Ibab.

Änderungen der Einkoppelwinkel alphaTE bzw. alphaTM sind wegen der limitierten Chip-to-Chip Reproduzierbarkeit des Sensors not­ wendig, weiterhin bei Änderung der effektiven Modenbrechzahlen, bedingt durch Substanzen in der Nähe der Sensoroberfläche. Die Verstellung der Einkoppelwinkel kann durch Einbringen einer ortsveränderlichen Spaltblende in den jeweiligen Einkoppel­ strahlengang durchgeführt werden. Eine Bewegung der Blende innerhalb der Einfallsebene läßt aus dem durch die Strahldiver­ genz vorgegebenen Winkelbereich einen Einkoppelwinkel auswählen. Alternativ zu einer mechanisch linear bewegten Spaltblende kann ein bewegtes Filter mit räumlich variabler Transmission eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich diese Blende durch ein Flüssig­ kristall-Element mit zeilenförmig angeordneten, stabförmigen Bildelementen, Zeilenrichtung innerhalb der Einfallsebene, reali­ sieren: Die jeweils transmittierenden Bildelemente definieren den Einkoppelwinkel. Bei dieser Lösung sind keine bewegten Teile für die Winkeleinstellung notwendig. Die Verstellung der Koppelwinkel ist für die beiden Einkoppelstrahlengänge unabhängig vorzunehmen, dazu können zwei separate oder ein gemeinsames Element zum Ein­ satz kommen. Bei Verwendung eines gemeinsamen Elementes sind unterschiedlich ansteuerbare Bereiche für die beiden Einkoppel­ strahlengänge vorzusehen, vorteilhaft für die Miniaturisierung und einen einfachen Aufbau ist hier, daß nur eine Halterung notwendig ist.

Vorzugsweise werden die LCD-Einheiten in der Nähe des Fokus­ sierungs-Elementes positioniert, damit können Abweichungen des Strahlprofils in der Sensorebene von einer Gaußverteilung minimal gehalten werden. Vorteilhaft für ein Gauß-ähnliches Strahlprofil ist weiterhin, bei den stabförmigen Bildelementen der Flüssig­ kristall-Einheit mehr als zwei verschiedene Transmissionswerte einzustellen. Durch eine solche abgestufte Transmissions-Charak­ teristik können die durch Beugung an der Blende bedingten Neben­ maxima in der Sensorebene reduziert werden.

Alternativ zu den LCD-Einheiten können auch einfache mechanische Verstelleinheiten verwendet werden. Überraschenderweise reicht zur Verstellung der Einkoppelwinkel eine einfache Drehbewegung aus, falls drehbare, im wesentlichen planparallele Platten in Kombination mit nachfolgenden torischen Spiegeln eingesetzt werden. Die Platten transformieren die Drehbewegung in einen Strahlversatz, der wiederum von den torischen Spiegeln in eine Verstellung der Einkoppelstrahlen auf eine Kreisbahn transfor­ miert wird. Vorzugsweise ist für eine möglichst gute Approxima­ tion einer Kreisbahn die Drehachse der Platten um einen kleinen Winkel gegen die Senkrechte zur Einfallsebene zu neigen. Diese Einstellung der Koppelwinkel durch eine einfache Drehung läßt eine preisgünstigere Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung zu, da nur sehr einfache Verstelleinheiten notwendig sind und die LCD-Einheit sowie die notwendige Ansteuerungs- Elektronik entfallen können.

Für eine einfache und preiswerte Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei der die zur Verstellung der Einkoppelwinkel notwendigen LCD- oder mechanischen Elemente vollständig entfallen können.

Voraussetzungen für diese einfache Ausführung sind, daß durch enge Toleranzen des Sensors sowie beschränkte Änderungen der effektiven Modenbrechzahlen beim Betrieb des Sensors sichergestellt ist, daß mögliche Änderungen der Einkoppelwinkel innerhalb des Konvergenzwinkels der einfallenden Lichtfelder liegen. Zur Fokussierung dieser einfallenden Lichtfelder auf den Sensor wird dabei vorzugsweise ein holografisches optisches Element eingesetzt.

Bei optisch-wellenleitenden Sensoren mit einem oder mehreren integrierten optischen Beugungsgittern definiert die Ausrichtung der Gitterlinien die Ausbreitungsrichtung der geführten Wellen.

Zusammen mit der Wahl eines Ortes für die Einkopplung wird dadurch die Einfalls- und Ausfallsebene für die ein- und ausgekoppelten Lichtfelder festgelegt.

Diese gemeinsame Ebene erfordert es, daß eine Anordnung zum Betrieb solcher Sensoren ein- und ausgekoppelte Lichtfelder in einer gemeinsamen Ebene führen muß. Da bei der Dimensionierung der Anordnung eine gegenseitige Abschattung der Bauelemente vermieden werden muß, sind entsprechend lange Strahlwege für eine sichere Separation der ein- und ausfallenden Lichtfelder notwendig. Dies ist für eine kompakte Ausführung der Anordnung mit kleinen Außenabmessungen von Nachteil.

Überraschenderweise können lange Strahlwege zur Separation der Lichtfelder durch eine optische Teilung der ein- und ausgekoppelten Lichtfelder vermieden werden. Dabei erfolgt die Strahlteilung mit Vorteil auf derselben Seite des Sensors wie die Beleuchtung und besonders vorteilhaft in unmittelbarer Nähe der Sensorebene.

Besonders vorteilhaft ist die räumliche Trennung von ein- und ausgekoppelten Lichtfeldern, wenn die ausgekoppelten Lichtwellen aus der durch die einfallenden Lichtbündel beschriebenen Ebene heraus umgelenkt werden.

Die Ein- und Auskopplung von Licht auf der der Sensoroberfläche abgewandten Seite des Wellenleiters ist besonders vorteilhaft, weil damit das Heranführen der zu analysierenden Substanz an die Sensoroberfläche stark vereinfacht wird. Die Anordnung zum Betrieb des Sensors kann somit einfach von der Vorrichtung zum Heranführen der Substanzen getrennt werden.

Die optische Strahlteilung läßt sich z. B. mit einem teildurchlässigen Spiegel oder einem anderen Strahlenteiler realisieren.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung werden die ausgekoppelten Lichtfelder mit einem abbildenden System auf einen ortsauflösenden Empfänger geführt. Die Abbildung ist vorteilhaft, da sich geringe Richtungsänderungen der ausgekoppelten Lichtstrahlen nicht auf die Meßgröße auswirken.

Für diese Abbildung können eine oder mehrere Linsen verwendet werden. Die Ausführung mit einer Linse ist besonders einfach. Bei Verwendung von zwei oder mehreren Linsen, vorzugsweise zwei Linsen als doppelte Kollimatoranordnung, können Teilbereiche des Strahlengangs mit im wesentlichen parallelen Licht realisiert werden, Filterelemente können vorteilhaft dort eingebracht werden. Besonders vorteilhaft für geringe Abmessungen des Auskoppelstrahlengangs ist die Kombination einer Kollimator- mit einer Kameraoptik. Durch die Verwendung von abbildenden Elementen mit negativer Brennweite in der Kameraoptik kann die Baulänge gegenüber einer Einzel-Linse oder einer doppelten Kollimator- Optik deutlich reduziert werden. Der Abbildungsmaßstab kann senkrecht und parallel zur Ausfallsebene unterschied­ lich gewählt werden. Der Maßstab in der Ebene ist auf die Orts­ auflösung des Detektors abzustimmen, der Maßstab senkrecht zur Ausfallsebene auf die Höhe der Bildelemente des Detektors. Da Änderungen des Abbildungsmaßstabs parallel zur Ausfallsebene die Genauigkeit der Meßwerterfassung vermindern, ist bei der Auswahl der Materialien für den Auskoppelstrahlengang ein Abgleich der thermischen Ausdehnung der einzelnen Bauelemente vorteilhaft. Durch diese homologe Ausdehnung wird eine optimale Temperaturstabilität des Abbildungsmaßstabs erreicht.

Die für die Abbildung notwendigen Elemente können als Linsen, Fresnel-Linsen oder holografische optische Elemente ausgeführt werden.

Eine Auswertung der Phasendifferenz zwischen TE- und TM-Mode der im Sensor geführten und ausgekoppelten Wellen mit Hilfe eines ortsauflösenden Detektors erfordert wie bereits vorgeschlagen das Einbringen eines polarisierenden Elements, z. B. eines Polarisationsfilters, in den Auskoppelstrahlengang, um die beiden Moden zur Interferenz zu bringen.

Alternativ zur Phasendifferenz-Bestimmung können mit der Abbildung des ausgekoppelten Lichtfeldes auf den ortsauflösenden Detektor Absorptionsmessungen durchgeführt werden. Bei dieser Meßmethode erlaubt die Messung der Dämpfungseigenschaften der geführten Welle Rückschlüsse auf Substanzen nahe der Sensor­ oberfläche. In diesem Fall ist es ausreichend, das ausgekoppelte Licht für einen der beiden Moden der geführten Welle auszumessen. Während der Messung ist jeweils nur die Einkopplung eines Modes notwendig.

Eine besonders einfache Messung der Phasendifferenz zwischen TE- und TM-Mode ist möglich, falls statt der Abbildung auf einen ortsauflösenden Detektor eine Fokussierung der ausgekoppelten Lichtstrahlen auf einen oder mehrere ortsempfindliche Detektoren (PSD) erfolgt. Dabei erzeugt der TE- und TM-Mode je einen Fokus in der Detektorebene. Gemessen wird der Abstand der beiden Foki. Dieses Meßprinzip hat den Vorteil, daß Richtungsänderungen der ausgekoppelten Lichtstrahlen, welche durch kleine Verkippungen des Sensors hervorgerufen werden, keinen Einfluß auf die Meßgröße haben.

Durch Verwendung von PSD′s ist eine einfachere und preiswertere Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, da sowohl die Kosten für die Detektoren als auch für die notwendige Elektronik deutlich geringer sind als für die Ausführung mit ortsauflösenden Detektor. Mit diesem reduzierten Aufwand läßt sich nur eine gegenüber der ortsauflösenden Ausführung reduzierte Empfindlichkeit realisieren.

Bei Verwendung von einem einzelnen PSD ist zur Messung der Phasendifferenz von TE- und TM-Mode eine alternierende Einkopp­ lung der beiden Lichtfelder notwendig. Dies erfordert eine der oben beschriebenen Möglichkeiten zur Verstellung der Einkoppel­ winkel, so daß wahlweise die Einkoppelbedingung nur für eine der beiden Moden erfüllt wird. Bei Verwendung von mehr als einer PSD- Einheit kann durch die Dimensionierung des Gitterkopplers sicher­ gestellt werden, daß die ausgekoppelten Lichtfelder auf verschie­ denen PSD′s liegen. In diesem Fall kann kontinuierlich für beide Moden der Abstand der Schwerpunkte der beiden Foki gemessen werden, so daß keine Zeitdifferenzen bei der Messung z. B. durch das Umschalten der Einkopplung auftreten.

Die zur Fokussierung notwendigen Elemente können als Linsen, Fresnel-Linsen oder holografische optische Elemente ausgeführt werden. Verschiedene Brennweiten der Fokussierung parallel und senkrecht zur Einfallsebene des Detektors können zweckmäßig verwendet werden, um einen für die räumliche Auflösung des Detektors optimalen Durchmesser des Strahlflecks einzustellen.

Alle oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung bieten gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß die Anforderungen an die Temperatur-Stabilisierung deutlich reduziert sind. Die geführten Wellen durchlaufen den Sensor in derselben Richtung, so daß durch die differentielle Messung der effektiven Modenbrechzahlen Temperaturdrifts in guter Näherung kompensiert werden. Weiterhin sind die Anforderungen an die Positionierung und mechanische Stabilität des Sensors deutlich geringer als bei Gitterkopplern nach dem Stand der Technik, da keine Winkelmessungen der ausgekoppelten Lichtstrahlen relativ zur Wellenleiterebene erfolgen.

Ein weiterer Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Verkippungen des Sensors relativ zur erfindungsgemäßen Anordnung. Die kompakte Bauweise ist vorteilhaft, weil dadurch eine geringe Empfindlichkeit gegen Temperaturänderungen und Vibrationen erreicht wird und die erfindungsgemäße Anordnung als Modul einfach in Analysensysteme zu integrieren ist. Es können Außenabmessungen unter 150 _* 150 _* 150 mm³, bevorzugt unter 50 _* 50 _* 50 mm³, realisiert werden.

Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Anordnung speziell bei der Verwendung eines bidiffraktiven Kopplers den Vorteil, daß keine Endflächen-Einkopplung notwendig ist und daß eine kleine Verschiebung des Sensors in der Ebene des Wellenleiters keinen Einfluß auf die Koppeleigenschaften und die Meßwerterfassung hat.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachstehend an folgenden schematischen Darstellungen erläutert:

Fig. 1: Strahlengang der erfindungsgemäßen Anordnung in räumlicher Darstellung, separate Elemente zur Fokussierung, Winkelverstellung und Umlenkung für beide Einkoppelwege, Strahlteiler zur Umlenkung der ausgekoppelten Strahlen.

Fig. 2: Strahlengang der erfindungsgemäßen Anordnung in räumlicher Darstellung, gemeinsame Elemente zur Fokussierung, Winkelverstellung und Umlenkung für beide Einkoppelwege, Strahlteiler zur Umlenkung der ausgekoppelten Strahlen.

Fig. 3: Strahlengang der erfindungsgemäßen Anordnung in räumlicher Darstellung, Strahlteiler zur Umlenkung der eingekoppelten Strahlen.

Fig. 4: Strahlengang der Einkopplung mit Lichtleiter-Zuführung der Lichtquelle, Verstellung der Einkoppelwinkel über eine verstellbare Spaltblende.

Fig. 5: Strahlengang der Einkopplung mit integrierter Lichtquelle, Verstellung der Einkoppelwinkel über eine verstellbare Spaltblende, separate Elemente zur Fokussierung, Winkelverstellung und Umlenkung für beide Einkoppelwege.

Fig. 6: Strahlengang der Einkopplung mit integrierter Lichtquelle, Verstellung der Einkoppelwinkel über eine verstellbare Spaltblende, gemeinsame Elemente zur Fokussierung, Winkelverstellung und Umlenkung für beide Einkoppelwege.

Fig. 7: Strahlengang der Einkopplung mit integrierter Lichtquelle, Verstellung der Einkoppelwinkel über drehbare Platten in Kombination mit torischen Spiegeln.

Fig. 8: Strahlengang der Einkopplung mit integrierter Lichtquelle, Verstellung der Einkoppelwinkel über drehbare Platten, gemeinsame Elemente zur Fokussierung und Umlenkung für beide Einkoppelwege.

Fig. 9: Strahlengang der Einkopplung mit integrierter Lichtquelle, Einkoppelung über holografische optische Elemente.

Fig. 10a: Räumliche Trennung von Ein- und Auskoppelstrahlengang durch optische Teilung, Umlenkung der ausgekoppelten Lichtstrahlen.

Fig. 10b: Räumliche Trennung von Ein- und Auskoppelstrahlengang durch optische Teilung, Umlenkung der eingekoppelten Lichtstrahlen.

Fig. 11a: Strahlengang der Auskopplung auf ortsauflösenden Detektor, mit einfacher Linse.

Fig. 11b: Strahlengang der Auskopplung auf ortsauflösenden Detektor, mit zwei Linsen/Kollimatoren und teilweise quasiparallelem Strahlengang.

Fig. 12: Strahlengang der Auskopplung auf ortsauflösenden Detektor, mit Kombination aus Kollimator- und Kamera-Optik und teilweise quasiparallelem Strahlengang.

Fig. 13: Strahlengang der Auskopplung auf einen ortsempfindlichen Detektor, Fokussierung des ausgekoppelten Lichtfeldes.

Fig. 14: Strahlengang der Auskopplung auf zwei ortsempfindliche Detektoren, Fokussierung des ausgekoppelten Lichtfeldes mit zwei Linsen.

Fig. 15: Strahlengang der Auskopplung auf zwei ortsempfindliche Detektoren, Fokussierung des ausgekoppelten Lichtfeldes mit einer Linse.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung in räumlicher Darstellung. Die Lichtquelle (3) ist ein Halbleiterlaser, eine Optik (4) dient zur Anpassung der Strahlparameter und ist direkt nach der Lichtquelle angeordnet. Nachfolgend wird das Licht mit einem Strahlteiler (5) auf zwei Einkoppelstrahlengänge aufgeteilt. Diese beiden Einkoppelwege dienen zur Anregung der TE- und TM-polarisierten geführten Wellen im Sensor. Ein Strahlführungs-System aus Spiegeln (6) lenkt das Licht durch fokussierende Elemente (7) und verstellbare Spaltblenden (8) in die Sensorebene (9). Die beiden Einkoppelwege im Bereich zwischen den Bauelementen (3, 4) und der Umlenkung (6) in die Chipebene definieren die Beleuchtungsebene.

Die Spaltblenden separieren aus dem auftreffenden Lichtbündel jeweils Teilbündel. Eine Verschiebung der Spaltblenden senkrecht zum Strahlquerschnitt führt zu einer Verschiebung der Teilbündel, die über die Fokussierung (7) eine Verstellung der auf die Sensorebene bezogenen Einkoppelwinkel nach sich zieht. Die Fokussierung (7) in Verbindung mit den Spaltblenden (8) dient zur Einstellung der Strahlparameter in der Sensorebene, die Verstellung der Spaltblenden erfolgt für die gezeigte Anordnung senkrecht zu den Strahlen in der Beleuchtungsebene. Jeweils ein Spiegel (6) lenkt die Strahlengänge aus der Beleuchtungsebene heraus auf die Sensorebene (9) um.

Die Reihenfolge von Fokussierung (7), Spaltblende (8) und Umlenkung (6) aus der Beleuchtungsebene ist beliebig permutierbar. Die Einkoppelwege für die beiden Strahlengänge sind mit möglichst gleicher Länge auszuführen, abhängig von der Kohärenzlänge der Lichtquelle. Maximale Differenzen der optischen Wege für beide Einkoppelstrahlengänge müssen kleiner als die Kohärenzlänge der Lichtquelle sein, um die Interferenzfähigkeit der ausgekoppelten Moden sicherzustellen.

Vor Erreichen der Sensorebene durchtreten beide Einkoppelstrahlengänge einen Strahlteiler (13). Dieser Teiler (13) hat die Funktion, das aus der Sensorebene heraus gekoppelte Licht nach möglichst kurzer Laufstrecke umzulenken. Dadurch wird die Beleuchtungsebene mit den Elementen (3, 4, 5, 6, 7, 8) - im unteren Teil der Figur - von der Detektionsebene mit den Elementen (14, 15) - im oberen Teil der Figur - räumlich getrennt. Speziell die Optik (15) für die Abbildung der ausgekoppelten Strahlung von der Sensorebene in die Detektorebene (14) schattet in dieser Anordnung nicht die Einkoppelstrahlen zwischen dem letzten Umlenkspiegel (6) und der Sensorebene (9) ab. Die Apertur der Optik (15) ist nur noch durch die Außenabmessungen sowie den Abstand der Einkoppel- und Detektionsebene limitiert. Vor dem ortsauflösenden Detektor (14) ist ein hier nicht dargestelltes polarisierendes Filter anzubringen, um die ausgekoppelten TE- und TM-Felder zur Interferenz zu bringen. In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die für den jeweiligen Einkoppelstrahlengang erforderlichen Bauelemente (6, 7, 8) zur Winkelverstellung, Fokussierung und Umlenkung jeweils paarweise zu einem für beide Strahlen gemeinsamen Element (6, 7, 8) zusammengefaßt sind.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der Strahlteiler auch zur Umlenkung der einfallenden Lichtstrahlen aus der Beleuchtungsebene auf die Sensorebene dient. In diesem Fall durchtritt die ausgekoppelte Strahlung den Teiler (13) und wird direkt oder über umlenkende Spiegel (6b) sowie eine Optik (15) auf den Detektor (14) geführt.

Die nachfolgenden Figuren zeigen Teile des Strahlengangs der erfindungsgemäßen Anordnung, für diese Teile werden unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben.

Fig. 4 gibt einen Einkoppel-Strahlengang mit Zuführung der Strahlung von einer externen Lichtquelle über einen Lichtleiter sowie Verstellung der Einkoppelwinkel über eine verstellbare Spaltblende an. Die verstellbare Spaltblende kann dabei sowohl aus mechanisch verstellbaren Blenden als auch aus LCD-Blenden ausgeführt werden, die jeweils eine Ausschnitt des Lichtbündels freigeben und damit die Winkelorientierung des einfallenden Lichtfelds festlegen.

Die Lichtquelle (1) wird der Anordnung über einen Lichtleiter (2) zugeführt. Abhängig von der Art der Lichtquelle - Laser oder Spektrallampe - ist in der Lichtquelle (1) eine Kollimatoroptik zu integrieren. Die optischen Komponenten für Ein- und Auskopplung in den Lichtleiter sind zweckmäßig in den Endstücken des Lichtleiters integriert. Nach Auskopplung aus dem Lichtleiter durchläuft die Strahlung eine Optik (4) zur Anpassung der Strahlparameter und wird vom Strahlteiler (5) auf zwei Einkoppelstrahlengänge geteilt. Ein Strahlführungs-System (6) aus Spiegeln leitet die Strahlung durch fokussierende Elemente (7) und verstellbare Spaltblenden (8) in die Sensorebene. Die Umlenkung der Einkoppel-Strahlen aus der Beleuchtungsebene in die Sensorebene ist in dieser Figur nicht dargestellt.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführung zu Fig. 4, hier wird eine Lichtquelle (3) verwendet, die direkt in der erfindungsgemäßen Anordnung integriert ist. Lichtquellen mit entsprechend kleinen Abmessungen sind Halbleiterlaser oder Superlumineszenzdioden. Ein Teil der notwendigen Strahlformungsoptik kann bei diesen Lichtquellen in unmittelbarer Nähe zum Bauelement (3) integriert werden. Der nachfolgende Strahlengang bis zur Sensorebene entspricht dem bei Fig. 4 beschriebenen.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die für den jeweiligen Einkoppelstrahlengang erforderlichen Bauelemente (6, 7, 8) zur Winkelverstellung, Fokussierung und Umlenkung jeweils paarweise zu einem für beide Strahlen gemeinsamen Element (6, 7, 8) zusammengefaßt sind.

Fig. 7 stellt eine alternative Ausführung der Verstellung der Einkoppelwinkel dar. Statt der verstellbaren Spaltblenden wie in Fig. 4, 5 oder 6 werden hier drehbare Platten (10) in Kombination mit torischen Spiegeln (11) verwendet. Die Drehung der Platten (10) erfolgt um eine Achse, die im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene liegt, und führt zu einem Parallelversatz des jeweiligen Strahls.

Die nachfolgenden torischen Spiegel (11) haben zwei Funktionen, sie dienen zur Fokussierung auf die Sensorebene (9) sowie zur Umlenkung von der Beleuchtungsebene in die Sensorebene (9). Die torische Oberflächenform stellt sicher, daß der durch die Drehung der Planplatten (10) erzeugte Parallelversatz in eine Bewegung auf einer Kreisbahn transformiert wird, in deren Mittelpunkt der Auftreffpunkt der eingekoppelten Strahlen in der Sensorebene (9) liegt. Um eine möglichst gute Näherung der Bewegung auf einer Kreisbahn zu erhalten, ist eine schwache Neigung der Drehachse der Planplatten (10) relativ zur Senkrechten zur Beleuchtungsebene sinnvoll.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform mit gemeinsamer Linse (7) oder daraus abgeleitenden Teillinsen für die fokussierende Wirkung in der Sensor-Oberfläche im Austausch gegen torische Spiegel. Hier wird auch ein gemeinsamer Umlenkspiegel (6) für beide Einkoppelstrahlen verwendet.

Fig. 9 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Einkopplung. In diesem Fall erfolgt keine Verstellung der Einkoppelwinkel, sondern es wird für beide Einkoppelstrahlengänge ein ausreichend großer Winkelbereich angeboten. Der Öffnungswinkel der konzentrischen Lichtbündel entspricht der erforderlichen Winkeländerung bei Änderung des Sensors. Durch holografisch-optische Elemente (12) wird der Strahldurchmesser im Fokus etwas vergrößert. Möglich ist auch, daß eine Abbildung nur durch die holografisch-optischen Elemente erfolgt, wobei diese die Linsenwirkung der Bauelemente (7) zusätzlich mit übernehmen.

Fig. 10a stellt die räumliche Trennung von Einkoppel- und Auskoppelstrahlengang durch eine optische Teilung dar. Das einzukoppelnde Licht für beide Strahlengänge durchtritt den Strahlteiler (13) auf dem Weg in die Sensorebene. Das aus der Sensorebene auf die Seite der Einkopplung ausgekoppelte Licht wird vom Strahlteiler in eine Detektionsebene umgelenkt, die von der Beleuchtungsebene verschieden ist.

Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen ein vollständig reflektierender Umlenkspiegel so dimensioniert ist, daß er zwischen den Strahlengängen der einfallenden Lichtfelder angeordnet ist und über ihn das ausgekoppelte Licht in die Detektorebene umgeleitet wird.

In analoger Form wird die optische Teilung in Fig. 10b durch Umlenkung der einzukopplenden Lichtstrahlen durchgeführt. Hier durchtreten die ausgekoppelten Lichtfelder den Strahlteiler.

Fig. 11 gibt zwei verschiedene Ausführungsformen für den Auskoppelstrahlengang an. Für beide wird als Meßgröße die Änderung des räumlichen Interferenz-Musters von TE- und TM-Mode aufgenommen und ausgewertet. In Fig. 11a wird eine einfache Linse (15) zur Abbildung des aus der Sensorebene ausgekoppelten Lichts auf einen ortsauflösenden Detektor (14) eingesetzt. Vor dem Detektor ist ein Polarisationsfilter anzubringen, welches die für das Meßverfahren notwendige Interferenz von TE- und TM-Anteilen bewirkt. Weiterhin kann zur Unterdrückung von Fremdlicht ein spektral selektives Filter vor dem Detektor angebracht werden. Eine alternative Ausführung der Anwendung ist in Fig. 11b gezeigt, hier wird eine Kombination aus zwei Kollimator-Optiken für die Abbildung von der Sensorebene (9) auf den ortsauflösenden Detektor (14) verwendet. Zwischen den beiden Kollimator-Optiken ist das Licht quasi-parallel, an dieser Stelle ist das Einbringen von Filtern vorteilhaft möglich (z. B. Spektralfilter).

Zwischen der Sensorebene (9) und dem ersten optischen Bauelement der erfindungsgemäßen Anordnung kann zum Schutz vor Umwelteinflüssen ein Fenster (20) angeordnet werden. Dieses ist vorzugsweise als beidseitig entspiegelte Platte auszuführen.

Fig. 12 stellt eine weitere alternative Ausführungsform des Auskoppelstrahlengangs dar. Eine Kombination aus Kollimator- (16) und Kamera-Optik (17) wird in diesem Fall zur Abbildung der Sensorebene (9) auf den ortsauflösenden Detektor (14) herangezogen. Auch in dieser Anordnung liegt zwischen Kollimator- (16) und Kameraoptik (17) ein quasi-paralleler Strahlengang vor, in dem das Einbringen von Filtern vorteilhaft möglich ist (z. B. Spektralfilter). Der Vorteil der Verwendung einer Kamera-Optik statt einer zweiten Kollimator-Optik liegt in der verkürzten geometrischen Länge des Auskoppelstrahlengangs.

Fig. 13 zeigt einen Auskoppelstrahlengang, in dem das austretende Licht durch eine Linse (19) auf einen ortsempfindlichen Detektor (18) fokussiert wird. In dieser Ausführungsform des Auskoppelstrahlengangs erzeugt der TE- und der TM-Mode je einen Fokus in der Detektorebene. Zur Auswertung des Abstands der beiden Foki auf dem Detektor müssen in dieser Ausführung die Einkoppelstrahlengänge alternativ geschaltet werden.

Fig. 14 und 15 geben alternativen Auskoppelstrahlengänge mit ortsempfindlichen Detektoren an. Die aus der Sensorebene ausgekoppelten Lichtstrahlen werden durch eine gemeinsame (s. Fig. 15) oder zwei verschiedene (s. Fig. 14) Linsen (19) auf zwei ortsempfindliche Detektoren (18) fokussiert. Eine ausreichende Winkeldifferenz kann bei Verwendung eines Sensors mit bidiffraktivem Gitterkoppler durch die Wahl der Gitterkonstanten einfach erreicht werden. In dieser Anordnung können die Winkel der ausgekoppelten TE- und TM-Felder parallel erfaßt werden, so daß ein Umschalten der Einkoppelstrahlen entfallen kann, wie es bei der Ausführungsform nach Fig. 13 notwendig ist.

Claims (81)

1. Anordnung zur Analyse von Substanzen an der Oberfläche eines optischen Sensors mit mindestens einer wellenleitenden Schicht, in den mindestens ein Lichtbündel eingekoppelt wird, einem Gitterkoppler zur Auskopplung der in der wellenleitenden Schicht geführten Lichtwellen sowie einem Detektionssystem zur Erfassung der ausgekoppelten Lichtverteilung, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein, die Strahlrichtung der ein- oder ausgekoppelten Strahlen änderndes, optisches Umlenkelement unmittelbar der Sensorebene nachgeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umlenkung der ausgekoppelten Lichtfelder in Richtung des Detektionssystems erfolgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umlenkung der eingekoppelten Lichtfelder in Richtung der Sensorebene erfolgt.

4. Anordnung zur Analyse von Substanzen an der Oberfläche eines optischen Sensors mit mindestens einer wellenleitenden Schicht, in den mindestens ein Lichtbündel eingekoppelt wird, einem Gitterkoppler zur Auskopplung der in der wellenleitenden Schicht geführten Lichtwellen sowie einem Detektionssystem zur Erfassung der ausgekoppelten Lichtverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtbündel mit einem bidiffraktiven Gitter eingekoppelt werden und eine Umlenkung der ausgekoppelten Lichtwellen aus der durch die Lichtbündel beschriebenen Ebene heraus erfolgt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Polarisation der beiden einfallenden Lichtbündel.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch eine gleiche Polarisation der beiden einfallenden Lichtbündel.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement ein Strahlteiler ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler ein teildurchlässiger Spiegel ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement ein Vollspiegel ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Umlenkelement zumindest teilweise innerhalb eines von den einfallenden Strahlbündeln begrenzten Winkels befindet.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einfallenden Lichtbündel einen teildurchlässigen Spiegel durchlaufen, der das ausgekoppelte Licht auf das Detektionssystem umlenkt.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einfallenden Strahlen über einen teildurchlässigen Spiegel auf die Sensorebene umgelenkt werden und die ausgekoppelte Strahlung durch den teildurchlässigen Spiegel hindurch in Richtung des Detektionssystems geführt wird.

13. Anordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein im Bereich der einfallenden Lichtbündel teildurchlässiges, ansonsten vollständig reflektierendes Element.

14. Anordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein im Bereich der einfallenden Lichtbündel vollständig reflektierendes und ansonsten teildurchlässiges Element.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkoppelwinkel der einfallenden Lichtbündel verstellbar ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-15, bestehend aus einer Lichtquelle (1, 2, 3), einem optischen Strahlformungssystem (4) zur Anpassung der Strahlparameter, einer Strahlteilung (5), einem ersten Strahlführungssystem und einer Fokussierung (7), einer Umlenkung (13) für die Einkopplung in die Sensorebene (9) sowie einem hinter dem Umlenkelement (13) angeordneten zweiten Strahlführungssystem (15, 16, 17, 19) und einem Detektionssystem (14, 18).

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-15, bestehend aus einer Lichtquelle (1, 2, 3), einem optischen Strahlformungssystem (4) zur Anpassung der Strahlparameter, einer Strahlteilung (5), einem ersten Strahlführungssystem (6a) und einer Fokussierung (7) vor dem Umlenkelement (13), sowie einem Strahlführungssystem (15, 6b) nach dem Umlenkelement (13) und einem Detektionssystem (14).

18. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch ein in Strahlrichtung vor der Sensorebene angeordnetes Winkelverstellsystem für die einfallenden Lichtbündel.

19. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß als integrierte Lichtquelle (3) ein Halbleiterlaser verwendet wird.

20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser frequenz-stabilisiert ist.

21. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als integrierte Lichtquelle (3) eine Superlumineszenz-Diode verwendet wird.

22. Anordnung nach Anspruch 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laser- oder Spektrallampen-Lichtquelle (1) der Anordnung über einen Lichtleiter (2) zugeführt wird.

23. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlteilung (5) in zwei Lichtfelder erfolgt.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilung (5) mit einem teildurchlässigen Spiegel durchgeführt wird.

25. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilung (5) mit einem holografischen Element erfolgt.

26. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilung (5) mit einem Glasfaser- Verzweigungselement erfolgt.

27. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlformungs-System (4) unterschiedliche Eigenschaften parallel und senkrecht zur Einfallsebene hat.

28. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlformungs-System (4) mit einer oder mehreren Linsen ausgeführt wird.

29. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen als holografische Elemente ausgeführt sind.

30. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen als Fresnel-Linsen ausgeführt sind.

31. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlführungs-System Glasfasern zur Lichtführung verwendet.

32. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlführungs-System mit Spiegeln realisiert wird.

33. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenkelement auf die Sensorebene (9) ein Spiegel für beide Einkoppelwege ist.

34. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlführungs-System Glasfasern in Kombination mit Spiegeln zur Lichtführung verwendet.

35. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fokussierung (7) der einfallenden Lichtfelder in die Sensorebene erfolgt.

36. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung (7) auf die Sensorebene durch eine Linse erfolgt.

37. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung (7) auf die Sensorebene durch zwei Linsen für die beiden Einkoppelwege erfolgt.

38. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse oder Linsen (7) zur Fokussierung auf die Sensorebene unterschiedliche Brennweite parallel und senkrecht zur Einfallsebene haben.

39. Anordnung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel der fokussierten Lichtbündel der erforderlichen Winkeländerung beim Wechsel des Sensors entspricht.

40. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 39, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokusdurchmesser der fokussierten Lichtbündel durch die holografischen Elemente (12) aufgeweitet wird.

41. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 39, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Planplatten im Strahlengang vor der Linse oder den Linsen (7) zur Fokussierung auf die Sensorebene.

42. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse oder Linsen (7) zur Fokussierung auf die Sensorebene als holografische Elemente ausgeführt sind.

43. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse oder Linsen (7) zur Fokussierung auf die Sensorebene als Fresnel-Linsen ausgeführt sind.

44. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein ortsauflösender Detektor (14) in der Bildebene der Sensoroberfläche verwendet wird.

45. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der Sensor-Ebene (9) auf den ortsauflösenden Detektor (14) mit einer Linse (15) erfolgt.

46. Anordnung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (15) unterschiedliche Brennweite parallel und senkrecht zur Einfallsebene hat.

47. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (15) als holografisches Element ausgeführt wird.

48. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (15) als Fresnellinse ausgeführt wird.

49. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der Sensor-Ebene (9) auf den ortsempfindlichen Detektor (14) durch zwei Linsen oder Kollimatoren (16) mit parallelem oder quasiparallelem Strahlengang zwischen den beiden Einheiten erfolgt.

50. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen oder Kollimatoren (16) unterschiedliche Brennweite parallel und senkrecht zur Ausfallsebene haben.

51. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen oder Kollimatoren (16) als holografische Elemente ausgeführt werden.

52. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen oder Kollimatoren (16) als Fresnel-Linsen ausgeführt werden.

53. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Sensor-Ebene (9) und Detektor (14) ein polarisierendes Filter im Strahlengang befindet.

54. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der Sensor-Ebene (9) auf den ortsempfindlichen Detektor (14) durch eine Kombination aus Kollimator(16)- und Kameraoptik (17) mit parallelem oder quasiparallelem Strahlengang zwischen den Linsen erfolgt.

55. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimator(16)- oder Kameraoptik (17) unterschiedliche Brennweite parallel und senkrecht zur Ausfallsebene haben.

56. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimator(16)- oder Kameraoptik (17) als holografische Elemente ausgeführt werden.

57. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimator(16)- oder Kameraoptik (17) als Fresnel-Linsen ausgeführt werden.

58. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Sensor-Ebene (9) ausgekoppelte Licht mit einer Linse (19) auf einen ortsempfindlichen Detektor (18) fokussiert wird.

59. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (19) unterschiedliche Brennweite parallel und senkrecht zur Einfallsebene der Detektoren hat.

60. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 59, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (19) als holografisches Element ausgeführt wird.

61. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 59, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (19) als Fresnel-Linse ausgeführt wird.

62. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Sensor-Ebene (9) ausgekoppelte Licht mit einer Linse (19) auf zwei ortempfindliche Detektoren (18) fokussiert wird.

63. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (19) unterschiedliche Brennweite parallel und senkrecht zur Einfallsebene der Detektoren hat.

64. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 63, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (19) als holografisches Element ausgeführt wird.

65. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 63, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (19) als Fresnel-Linse ausgeführt wird.

66. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelverstellung (8) durch steuerbare Spaltblenden erfolgt.

67. Anordnung nach Anspruch 18 oder 66, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltblenden als LCD-Einheiten ausgeführt werden.

68. Anordnung nach Anspruch 18 oder 66, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltblenden als linear mechanisch verstellbare Blenden ausgeführt werden.

69. Anordnung nach Anspruch 18 oder 66, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltblenden als linear mechanisch verstellbare Filter mit ortsveränderlicher Transmissions-Charakteristik ausgeführt werden.

70. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelverstellung durch Drehung planparalleler oder quasi-planparalleler Platten (10) erfolgt.

71. Anordnung nach Anspruch 18 oder 70, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der Platten (10) senkrecht zur Strahlrichtung ist.

72. Anordnung nach Anspruch 18 oder 70, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der Platten (10) relativ zur Senkrechten zur Strahlrichtung geneigt ist.

73. Anordnung nach Anspruch 18 oder 70, dadurch gekennzeichnet, daß torische Spiegel für die Umlenkung der Strahlen auf die Sensorebene (9) verwendet werden.

74. Anordnung nach einem der Ansprüche 16-73, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung zur Ein- und Auskopplung in einem gemeinsamen Gehäuse enthalten ist.

75. Anordnung nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Anordnung weniger als 150_*150_*150 mm³, vorzugsweise weniger als 50_*50_*50 mm³ betragen.

76. Anordnung nach Anspruch 74 oder 75, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle in das Gehäuse integriert ist.

77. Anordnung nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) ein Halbleiterlaser oder eine Superlumineszenzdiode ist.

78. Anordnung nach Anspruch 74 oder 75, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Lichtquelle außerhalb des Gehäuses.

79. Anordnung nach Anspruch 78, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Laser oder eine Spektrallampe ist.

80. Anordnung nach einem der Ansprüche 16-79, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Sensorebene ein optisches Fenster, vorzugsweise entspiegelt, zum Schutz vor Umwelteinflüssen angeordnet ist.

81. Anordnung nach einem der Ansprüche 16-80, dadurch gekennzeichnet, daß Bauelemente mit angepaßter thermischer Ausdehnung für einen Temperatur-stabilen Abbildungsmaßstab verwendet werden.