DE4433753A1 - Anordnung zur Analyse von Substanzen an der Oberfläche eines optischen Sensors - Google Patents
Anordnung zur Analyse von Substanzen an der Oberfläche eines optischen SensorsInfo
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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.
Ein 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.
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. orthognonal polarisierte)
Lichtstrahlen simultan in den Schichtwellenleiter eingekoppelt
werden und durch Interferenz von zwei ausgekoppelten Teilstrahlen,
welche von den beiden im Wellenleiter gemeinsam geführten
(z. B. 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. mulitdiffraktiven 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.
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 Gitters 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 Flächen normalen stark abweichenden Ein-
und Auskoppelrichtungen sowie die stark unterschiedliche
Beugungsintensität in den verschiedenen Ordnungen der geführten
Wellen. Beschrieben wird in [12] auch die Verwendung eines nach
der Linse angeordneten Planspiegelsystems vor dem Detektor zur
Verringerung der Baulänge.
Die Erfindung geht nunmehr von der Aufgabe aus, eine Winkelseparation der ein-und
ausgekoppelten Strahlen sowie eine Trennung der ausgekoppelten Strahlen von am
Sensor reflektierten Strahlen zu erzielen.
Die Aufgabe wird mittels einer Anordnung gelöst, die die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche 1, 27, 34 und 36 aufweist. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
Die ausgekoppelten Strahlen sind nach langen Strahlenwegen winkelmäßig separiert
und gut auswertbar.
Lange Strahlenwege werden beispielsweise durch Faltung erzeugt.
Überraschend stellte sich heraus, daß die erfindungsgemäßen Winkelkonfigurationen
Winkelkonfiguration, insbesondere bei kleinen Differenzen der Winkel der
ausgekoppelten Strahlen, besonders unempfindlich gegen leichte Verkippungen des
Sensors um die Horizonzalebene ist, was vor allem bei einem Sensorwechsel von großer
Bedeutung ist.
Die Winkelverstellung wird durch leichte Strahlkonvergenz der eingekoppelten Strahlen
deutlich erleichtert.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die kompakte Ausführung
des Strahlführungssystems in einem integrierten Modul, in dem alle zur Verwendung
des Sensors notwendigen Lichtstrahlen eingekoppelt, ausgekoppelt und detektiert
werden können.
Die ermöglichte Miniaturisierung ist auch aus Gründen der Stabilität gegen
Umwelteinflüsse vorteilhaft (z. B. thermische Effekte, Vibrationen).
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 eines die übrige Anordnung enthaltenden Gehäuses
besonders vorteilhaft, 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 (z. B. Referenz-Diode, Temperaturstabili
sierung) in einem gemeinsamen Gehäuse.
Dadurch kann die Temperaturstabilisierungs-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. ein He-Ne-Laser.
Um unabhängig von den Dimensionen der Lichtquelle
die kompakte Bauform des Auslesekopfes beibehalten zu können,
wird das Licht in diesem Fall dem Auslesekopf vorteilhaft über einen
Lichtleiter zugeführt. Bei Einsatz 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 innerhalb eines die Anordnung enthaltenden Gehäuses
angebracht werden, so auch hinter dem Strahlteiler. Durch die Verwendung
zylindrischer Einheiten mit unterschiedlicher Brennweite senkrecht und parallel zur
Einfallsebene sind z. B. auch 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.
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.
Diese sind durch die effektiven Modenbrechzahlen der geführten Wellen und die
verwendeten Perioden des Gitterkopplers festgelegt.
Änderungen der Einkoppelwinkel sind wegen
der limitierter 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 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 Elemtentes 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-Elemtentes 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.
Besonders vorteilhaft sind schwenkbare planparallele Glasquader als strahlversetzende
Einheiten, deren Strahlversatz nach Durchlaufen eines Abbildungselementes zu einer
Strahlrichtungsänderung führt.
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.
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.
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.
Besonders vorteilhaft ist es, die ein- und ausgekoppelten Strahlungsanteile in
unterschiedlichen Quadranten der Ein- und Auskoppelebene zu führen.
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 oder Spiegel verwendet werden.
Die Ausführung mit einem abbildenden Element ist besonders einfach.
Bei Verwendung von zwei oder mehreren abbildenden Elementen, vorzugsweise als
doppelte Kollimatoranordnung, können Teilbereiche des
Strahlengangs mit im wesentlichen parallelen Licht realisiert
werden, Filterelemente können vorteilhaft dort eingebracht
werden.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Kombination aus Faltung und Abbildung
über abbildende Spiegel.
Die teleskopische, vorzugsweise telezentrische Ausführung des Abbildungssystems ist
vorteilhaft, da auf diese Art eine geringe Empfindlichkeit bezüglich
Abstandsänderungen zwischen Sensor und Anordnung erzielt werden kann.
Diese Abbildung kann hierbei durch sphärische, asphärische oder zylindrische Spiegel
oder ihre Kombination erzeugt 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 Spiegel, 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 durch 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 den
ausgekoppelten Lichtfeldern auf dem 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 kann das ausgekoppelte Licht für einen der beiden Moden der geführten
Welle ausgemessen werden. Während der Messung ist jeweils nur ein Mode
eingekoppelt. Es sind jedoch auch Relativmessungen bei Einkopplung und Messung
beider Moden möglich.
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
ortsauflösendem 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, wie oben beschrieben, als
abbildende Spiegel, 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.
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.
Die Erfindung und weitere Wirkungen und Vorteile werden nachstehend anhand der
schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Einen Schichtwellenleiter als Bestandteil eines optischen Sensors mit
eingekoppelten, ausgekoppelten und reflektierten Strahlungskomponenten
Fig. 2 Den gesamten Strahlengang der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 3 Den Einkoppelstrahlengang,
Fig. 4 Eine weitere Ausführung der Einkopplung,
Fig. 5 Eine Ausführung der Winkeljustierung der Einkoppelstrahlen,
Fig. 6 Eine weitere Ausführung der Winkeljustierung,
Fig. 7 Den Auskoppelstrahlengang bei Interferenzauswertung,
Fig. 8 Den Auskoppelstrahlengang mit PSD-Auswertung,
Fig. 9 Die Einkopplung mit drehbaren strahlversetzenden Einheiten,
Fig. 10 Einen gemeinsamen Träger für die optische Anordnung,
Fig. 11 Eine Variante der Strahlführung bei Absorptionsauswertung.
In Fig. 1 ist schematisch ein Schichtwellenleiter 1 auf einem Substrat 1a dargestellt, der
in bekannter Weise eine bidiffraktive Gitteranordnung 2 trägt.
In den Schichtwellenleiter 1 werden zwei kohärente, orthogonal polarisierte
Strahlenbündel Te, Tm eingekoppelt, die zueinander einen Winkel α einschließen und in
einem ersten Quadranten Q₁ der substratseitigen, von ein-
und ausfallenden Strahlen aufgespannten Ebene liegen.
Die über die Gitteranordnung ausgekoppelten Strahlen Tea, Tma liegen im
Quadranten Q₂ und schließen zueinander einen Winkel ϕ ein, der deutlich kleiner als
der Winkel α ist.
Die ausgekoppelten Strahlen Tea, Tma liegen vorteilhaft beide innerhalb eines von den
reflektierten Strahlanteilen Tmr, Ter gebildeten Winkelbereiches, wodurch eine
Separation der reflektierten Strahlungsanteile von den ausgekoppelten
Strahlungsanteilen erreicht wird.
Der Winkel ϕ beträgt bei Interferenzauswertung weniger als 6 Grad, bevorzugt etwa
0,2-3 Grad und der Winkel α mehr als 6 Grad und liegt vorzugsweise in einem Bereich
um 26 Grad plus/minus 20 Grad, besonders vorzugsweise in einem Bereich um 16
plus/minus 10 Grad.
Bei einem Winkel α größer 3 Grad, vorzugsweise 23 plus/minus 20 Grad oder 13
plus/minus 10 Grad
beträgt ϕ weniger als 3 Grad, vorzugsweise 0.2-3 Grad oder 0.2-2 Grad.
Bei der Messung mittels eines ortsempfindlichen Detektionssystems liegt α oberhalb 2
Grad, vorzugsweise 22 plus/minus 20 Grad oder 12 plus/minus 10 Grad
und ϕ bei weniger als 20 Grad, vorzugsweise von 0-12 Grad oder 0-8 Grad
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Gesamtanordnung.
Das Licht einer Laserlichtquelle 3 wird über ein Einkoppelelement 5 in einen Lichtleiter
eingekoppelt und gelangt über ein Auskoppel- und Strahlformungselement 6 auf einen
ersten Spiegel 7 und von diesem auf einen Polarisationsstrahlteiler 8, der das Licht in
zwei Teilstrahlengänge Te und Tm aufspaltet, die über Spiegel 9, 10, strahlversetzende
Einheiten 11, 12 sowie Abbildungssysteme 13, 14 in den Schichtwellenleiter
eingekoppelt werden.
Zwischen der Sensorebene 1 und der übrigen Anordnung ist ein optisches Fenster 33
zum Schutz vor äußeren Einflüssen vorgesehen.
Die Reihenfolge von Fokussierung 13, 14 sowie strahlversetzenden Einheiten 11, 12 ist
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.
Die ausgekoppelten Strahlmoden Tea und Tma werden über eine gestrichelt
dargestellte Abbildungseinheit 15, die beispielsweise, wie anhand Fig. 7 näher erläutert,
aus mehreren abbildenden Spiegeln besteht, einen Polarisator 16 und einen
Interferenzfilter 17 auf einen ortsauflösenden Empfänger 18, beispielsweise eine CCD-
oder Diodenzeile, abgebildet.
In Fig. 3 ist der Einkoppelstrahlengang vergrößert dargestellt.
Der Laserstrahl der Lichtquelle 3 wird mittels des Auskoppelelementes 6 so fokussiert,
daß die Strahltaille in den Punkten P₁, P₂ in einem Abstand im wesentlichen der
Brennweite f von den Abbildungslinsen 13, 14 liegt.
Die strahlversetzenden Einheiten 11, 12 sind vorzugsweise schwenkbare planparallele
Glasquader- oder Platten und bewirken in Abhängigkeit von ihrem Drehwinkel β einen
Strahlversatz V, der nach Durchlaufen der Linsen 13, 14 zu einer
Strahlrichtungsänderung führt, wobei der Einkoppelpunkt in der Sensorebene
weitgehend stabil bleibt.
Zur Vermeidung störender Reflexionen ist eine leichte Neigung der Drehachsen gegen
die Einfallsebene zweckmäßig.
Die eingekoppelten Strahlenbündel weisen dabei eine leichte Konvergenz auf.
Die Linsen 13, 14 sind hierbei ebenfalls etwa im Abstand f vom Schichtwellenleiter
angeordnet.
Der Strahlteiler 8 ist vorzugsweise als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet. Die
Strahlteilung kann jedoch auch über einen teildurchlässig beschichteten
Strahlteilerwürfel, ein holografisches Element oder ein Glasfaser-Verzweigungselement
erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist eine (nicht dargestellte) Integration der Strahlumlenkung 7
sowie der Strahlteilung 8 in einem Polygonprisma mit ggf. reflektierenden Flächen oder
in einem integriert optischen Element
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform zu Fig. 3, wobei über eine große Linse 19
beide Strahlkomponenten Te, Tm eingekoppelt und in analoger Weise in ihrem
Einkoppelwinkel verändert werden.
Hierbei ist es erforderlich, durch geeignete optische Umlenkung (nicht dargestellt) die
auf die Elemente 11, 12 auftreffenden Teilstrahlen Te, Tm zueinander im wesentlichen
parallel zu führen.
Fig. 5 zeigt eine weitere Methode der Winkelverstellung der eingekoppelten Strahlen.
Die durch Linsen 22 aufgeweiteten Strahlenbündel Te,Tm leuchten den Querschnitt der
Linsen 13, 14 voll aus. Diesen sind steuerbare Spaltblenden 20, 21 nachgeordnet, die
jeweils nur ein Teilstrahlenbündel passieren lassen, das je nach Blendenstellung einen
veränderlichen Einkoppelwinkel hat.
Diese steuerbaren Spaltblenden können sowohl mechanisch als auch als LCD-Einheiten
ausgeführt sein, bzw. als linear mechanisch verstellbare Blenden oder Filter mit
ortsveränderlicher Transmissionscharakteristik.
Über die Veränderung der Brennweite der Linsen 13, 14 und/oder die Spaltbreite oder
ein variables optisches System wird die Einstellung der Fokusgröße in der Sensorebene
vorgenommen.
Durch die Abmessungen und die Form des Spaltes wird die Form des Fokus beeinflußt.
Zum Ausgleich der in zueinander senkrechte Richtungen unterschiedlichen Fokusgröße
wird in den Strahlengang vor der Spaltblende eine Korrektionsoptik, beispielsweise eine
zylindrische Optik, eingefügt oder die Linsen 13, 14, sind entsprechend ausgebildet.
Der Lichtquelle 3 kann auch ein entsprechendes Strahlformungssystem zur Anpassung
der Strahlparameter nachgeordnet sein, das aus einer oder mehreren abbildenden
Elementen besteht, die reflektiv, refraktiv, holografisch oder als Fresnellinsen
ausgebildet sein können.
In Fig. 6 sind die Linsen 13, 14 aus Fig. 5 durch eine gemeinsame Linse 19 ersetzt,
wobei die Blenden 20, 21 in einer gemeinsamen Anordnung, jedoch getrennt
ansteuerbar, vorgesehen sind.
Analog Fig. 4 werden hier zueinander im wesentlichen parallele Teilstrahlenbündel Te,Tm
durch geeignete optische Mittel erzeugt und durchlaufen die Linse 19.
Fig. 7 zeigt vergrößert die in Fig. 2 dargestellte Abbildung der ausgekoppelten
Strahlanteile Tea und Tma auf einen ortsauflösenden Empfänger 18.
Als Meßgröße wird wie bekannt die Änderung des räumlichen Interferenzmusters von
Te und Tm Mode aufgenommen und ausgewertet.
Das am Austrittsort entstandene Interferenzbild der ausgekoppelten Strahlanteile wird
über zylindrische Spiegel 23, 24 sowie sphärische Spiegel 25, 26 als in der Zeichenebene
vergrößertes Abbild auf den Zeilenempfänger projiziert.
Die zylindrischen Spiegel bewirken gleichzeitig eine Verkleinerung des Interferenzbildes
senkrecht zur Zeichenebene und damit eine optimale Anpassung an die Detektor-
Geometrie.
Die optische Abbildung auf die Empfängerzeile kann auch mit einem Linsensystem oder
einer Kombination aus refraktiver und reflektiver abbildender Optik realisiert werden.
Die refraktiven Elemente können als holografische Elemente oder Fresnellinsen
ausgeführt werden, die unterschiedliche Abbildungseigenschaften in verschiedenen
Richtungen haben können. Dadurch kann eine Anpassung an die Zeilengeometrie
erzielt werden.
Vor dem Detektor 18 ist ein Polarisationsfilter 16 anzubringen, welcher die für das
Meßverfahren notwendige Interferenz der ausgekoppelten Moden bewirkt.
Weiterhin kann zur Unterdrückung von Fremdlicht ein spektral selektives Filter 17 vor
dem Detektor angebracht werden.
Zwischen Sensorebene und allen optischen Bauelementen kann ein (nicht dargestelltes)
Fenster zum Schutz vor Umwelteinflüssen angeordnet sein, das vorzugsweise eine
beidseitig entspiegelte Platte ist.
Durch die innerhalb der Abbildungseinheit gefalteten Strahlengänge kann die Baugröße
der Anordnung reduziert und der Empfänger von unerwünschter
Strahlungsbeeinflussung ferngehalten werden.
Aus dem Interferenzbild auf der Zeile wird der Abstand der Interferenzlinien als Maß des
Differenzwinkels zwischen den ausgekoppelten Strahlkomponenten Tea, Tma bestimmt
der wiederum durch die auf dem Schichtwellenleiter 1 befindliche
Untersuchungssubstanz und ihre Brechzahl beeinflußt wird.
Durch die innerhalb der Abbildungseinheit gefalteten Strahlengänge kann die Baugröße
der Anordnung reduziert und der Empfänger von unerwünschter
Strahlungsbeeinflussung ferngehalten werden.
Durch Ausbildung der optischen Elemente aus Quarzglas, verbunden mit einem
mechanischen Träger aus bezüglich seines Ausdehnungskoeffizienten angepaßtem
Material, beispielsweise Invar, wird für des Abbildungsteil 15 eine hohe thermische
Stabilität der Vergrößerung erreicht.
Die abbildenden optischen Elemente werden in den Trägerblock 31 aufgenommen, der
Bohrkanäle 32 für die optischen Strahlengänge aufweist.
Zur Kompensation von thermischen Beeinflussungen der auf der Zeile abgebildeten
Interferenzstruktur und des Empfängers 18 ist eine Buchse 34 aus einem Material mit
geeignet vorgewähltem Ausdehnungskoeffizienten zwischen Trägerblock 31 und dem
Empfänger 18 angeordnet.
Der Ausdehnungskoeffizient der Buchse 24 bestimmt sich aus der Differenz des
Ausdehnungskoeffizienten der abbildenden Elemente und des Trägerblocks 31 sowie
dem Längenverhältnis der in dem Trägerblock 31 und in den Bohrungen verlaufenden
Strahllängen.
Dies wird ergänzend anhand Fig. 7a erläutert:
Zwei Bauteile 34 und 35 unterschiedlichen Materials, die nur an den Punkten 36 und 37
miteinander verbunden sind, sind ansonsten gegeneinander beweglich.
Durch die gegenläufige thermische Ausdehnung der Bauteile 34 und 35 ist es möglich,
einen bestimmten "effektiven" thermischen Ausdehnungskoeffizienten für die gesamte
Halterung durch Wahl der Einzellängen und einzelnen Ausdehnungskoeffizienten
einzustellen. Somit kann eine thermische Drift zwischen optischen Bauteilen und
Gehäuse gegen den Detektor praktisch vollständig kompensiert werden.
Wird die Änderung des Differenzwinkels ϕ der ausgekoppelten Strahlmoden nicht über
das Interferenzbild bestimmt, ist wie in Fig. 8 ein positionsempfindlicher Detektor 27
vorgesehen, auf den über eine Linse 28 und ein Spiegelsystem 29 abgebildet wird,
wobei der Detektor 27 im Abstand der Brennweite von der Linse 28 entfernt ist.
Anhand der Differenz der Position der Auftreffpunkte wird die Winkeldifferenz
bestimmt.
Die Linse 28 kann auch durch mehrere Linsen ersetzt werden, die auch als holografische
Elemente oder Fresnellinsen ausgebildet sein können.
In einer alternativen Ausgestaltung des Auskoppelstrahlenganges wird für beide
ausgekoppelte Lichtfelder ein Fokus in der Detektorebene erzeugt
geeignete optische Mittel, beispielsweise Verschlüsse, alternativ geschaltet
werden.
Weiterhin können die ausgekoppelten Lichtstrahlen werden durch eine gemeinsame
oder zwei verschiedene Linsen auf zwei
ortsempfindliche Detektoren fokussiert werden. 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 vorher beschriebenen Ausführungsform notwendig ist.
In Fig. 9 werden mittels einer Ansteuereinheit 30 die strahlversetzenden Elemente 11, 12
phasensynchron betätigt.
Auf dem Empfänger erscheinen in zeitlicher Folge Bilder 31 der einzelnen
Strahlkomponenten zu den Zeitpunkten der Kopplung der Strahlmoden Te und Tm.
Die Signaldifferenz auf dem PSD ist ein Maß für den Differenzwinkel der
ausgekoppelten Strahlen.
Durch Ausbildung der optischen Elemente aus Quarzglas, verbunden mit einem
mechanischen Träger aus bezüglich seines Ausdehnungskoeffizienten angepaßten
Material, beispielsweise Invar, wird für das Abbildungsteil 15 eine hohe thermische
Stabilität der Vergrößerung erreicht.
Alternative Materialkombinationen mit angepaßtem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten für optische Elemente/optischen Träger sind z. B.
Nullausdehnungs-Glaskeramik (Zerodur, Kronglas/Grauguß, Borosilikatglas (BK7, UBK7)),
Kronglas/KeramiK, Kronglas/Edelstahl, Kronglas/Messing.
In Fig. 10 ist die Anordnung der optischen Elemente und Strahlengänge in einem
geschnitten dargestellten gemeinsamen Trägerblock 31 dargestellt, der Bohrkanäle 32
für die optischen Strahlengänge aufweist.
An einen gemeinsamen Trägerblock 31 sind die optischen Elemente gemäß Fig. 2 außen
angebracht, vorzugsweise verkittet.
Für die optischen Strahlengänge sind jeweils Bohrungen 32 vorgesehen.
Durch die definierte Lage der optischen Bauelemente zueinander wird eine
insbesondere gegen auftretende Mikrofonie äußerst stabile Anordnung erreicht.
Mit der Auswahl der Materialien für die optischen Elemente (z. B. Glas, Quarzglas) und
des Trägerblocks (z. B. Zerodur, Invar, aber auch Grauguß) nach dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten läßt sich eine optimale thermische
Stabilität der Anordnung realisieren.
Hierzu wird auf obige Ausführungen zur Materialwahl verwiesen.
In Fig. 11 ist eine Anordnung mit einem eingekoppelten Strahl dargestellt, die für eine
Absorptionsmessung geeignet ist.
[1] K. Tiefenthaler, W. Lukosz,
"Integrated Optical Switches and Gas Sensors"
Optics Letters 10, 137 (1984)
[2] T. Suhara, H. Nishihara, IEEE J. Quantum Electron. 22, 845 (1986)
[3] W. Lukosz, K. Tiefenhaler: Patent EP 0226604
[4] W. Lukosz: Patent WO 8907756
[5] K. Tiefenthaler, W. Lukosz Sensivity of grating couplers as integrated-optical chemical sensors", J. Opt. Soc. Am. B6, 209 (1989)
[6] K. Tiefenthaler: Patent EP 89108567
[7] W. Lukosz, Ph. M. Nellen, Ch. Stamm, P. Weiss, "Output Grating Couplers on Planar Waveguides as Integrated Optical Chemical Sensors" Sensors and Actuators, B1, 585 (1990)
[8] Ph. M. Nellen, W. Lukosz, Integrated Optical Input Grating Couplers as Chemo- and Immunosensors", Sensors and Actuators B1, 592 (1990)
[9] D.S. Goldmann, P.L. White, N.C. Anheier Miniaturized spectrometer employing planar waveguides and grating couplers for chemical analysis" Applied Optics 29, 4583 (1990)
[10] W. Lukosz "Principles and sensivities of integrated optical und surface plasmon sensors for direkt affinity sensing and immunosensing", Biosensors & Bioelectronics 6, 215 (1991)
[11] Ch. Fattinger: Patent EP 0455067
-12] K. Tiefenthaler: Patent WO 9301487 EP 551456
[13] L.W. Burgess, Jr., D.S. Goldman: Patent US 5,082,629
[14] D. Clerc, W. Lukosz, Integrated optical output grating coupler as refractometer and (bio-) chemical sensor" Sensors and Actuators B11, 461 (1993)
[15] Ch. Fattinger The bidiffracte grating coupler", Appl. Phys. Lett. 62, 1461 (1993)
[16] Ch. Fattinger: Patentanmeldung CH 927/93.
[2] T. Suhara, H. Nishihara, IEEE J. Quantum Electron. 22, 845 (1986)
[3] W. Lukosz, K. Tiefenhaler: Patent EP 0226604
[4] W. Lukosz: Patent WO 8907756
[5] K. Tiefenthaler, W. Lukosz Sensivity of grating couplers as integrated-optical chemical sensors", J. Opt. Soc. Am. B6, 209 (1989)
[6] K. Tiefenthaler: Patent EP 89108567
[7] W. Lukosz, Ph. M. Nellen, Ch. Stamm, P. Weiss, "Output Grating Couplers on Planar Waveguides as Integrated Optical Chemical Sensors" Sensors and Actuators, B1, 585 (1990)
[8] Ph. M. Nellen, W. Lukosz, Integrated Optical Input Grating Couplers as Chemo- and Immunosensors", Sensors and Actuators B1, 592 (1990)
[9] D.S. Goldmann, P.L. White, N.C. Anheier Miniaturized spectrometer employing planar waveguides and grating couplers for chemical analysis" Applied Optics 29, 4583 (1990)
[10] W. Lukosz "Principles and sensivities of integrated optical und surface plasmon sensors for direkt affinity sensing and immunosensing", Biosensors & Bioelectronics 6, 215 (1991)
[11] Ch. Fattinger: Patent EP 0455067
-12] K. Tiefenthaler: Patent WO 9301487 EP 551456
[13] L.W. Burgess, Jr., D.S. Goldman: Patent US 5,082,629
[14] D. Clerc, W. Lukosz, Integrated optical output grating coupler as refractometer and (bio-) chemical sensor" Sensors and Actuators B11, 461 (1993)
[15] Ch. Fattinger The bidiffracte grating coupler", Appl. Phys. Lett. 62, 1461 (1993)
[16] Ch. Fattinger: Patentanmeldung CH 927/93.
Claims (130)
1. Anordnung zur Analyse von Substanzen an oder nahe der Oberfläche eines optischen
Sensors mit mindestens einer wellenleitenden Schicht und mindestens einem
multififfraktiven Gitterkoppler zur Ein- und Auskopplung von Lichtstrahlen, in den
mindestens zwei Lichtstrahlen eingekoppelt werden, die zueinander einen Winkel α
einschließen,
und mit der mindestens zwei Lichtstrahlen ausgekoppelt werden,
die zueinander einen Winkel ϕ einschließen,
sowie einem Detektionssystem zur Erfassung der ausgekoppelten Lichtstrahlen,
wobei Ein- und Auskopplung auf ein-und derselben Seite des Sensors erfolgen und die
Ein-und Auskoppelstrahlen in unterschiedlichen Quadranten der Lichteinfallsebene
liegen und der Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen größer als der Winkel ϕ
zwischen den Auskoppelstrahlen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingekoppelten
Lichtstrahlen zueinander orthogonal polarisiert sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingekoppelten
Lichtstrahlen zueinander parallel polarisiert sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingekoppelten
Lichtstrahlen unpolarisiert sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Winkelbereich der Auskoppelstrahlen innerhalb des Winkelbereichs liegt, der durch die
am Sensor reflektierten Einkoppelstrahlen aufgespannt wird.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, bei Verwendung eines ortsauflösenden
Detektionssystems, gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den
Einkoppelstrahlen (Differenzwinkel) größer 6 Grad.
7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Differenzwinkel α der
Einkopplung in einem Bereich von etwa 26 Grad plus/minus 20 Grad.
8. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Differenzwinkel α der
Einkopplung im Bereich von 16 Grad plus/minus 10 Grad.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6-8, gekennzeichnet durch einen
Differenzwinkel ϕ der Auskopplung (Winkel zwischen den Auskoppelstrahlen) kleiner 6
Grad.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6-8, gekennzeichnet durch einen
Differenzwinkel ϕ der Auskopplung in einem Bereich von etwa 0,2 bis 6 Grad.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6-8, gekennzeichnet durch einen
Differenzwinkel ϕ der Auskopplung im Bereich von etwa 0.2 bis 3 Grad.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-11, gekennzeichnet durch Mittel zur
unabhängigen Verstellung der Einkoppelwinkel der eingekoppelten Lichtbündel.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, bei Verwendung eines ortsauflösenden
Detektionssystems, gekennzeichnet durch einen Differenzwinkel α der Einkopplung
größer 3 Grad.
14. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Differenzwinkel α der
Einkopplung in einem Bereich von 23 plus/minus 20 Grad.
15. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Differenzwinkel α der
Einkopplung in einem Bereich von 13 plus/minus 10 Grad.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13-15, gekennzeichnet durch einen
Differenzwinkel ϕ der Auskopplung kleiner 3 Grad.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13-15, gekennzeichnet durch einen
Differenzwinkel der Auskopplung ϕ in einem Bereich 0,2 bis 3 Grad.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 13-15, gekennzeichnet durch einen
Differenzwinkel
der Auskopplung ϕ im Bereich 0,2 bis 2 Grad.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 13-18, gekennzeichnet durch Mittel zur
unabhängigen Verstellung der Einkoppelwinkel der eingekoppelten Lichtbündel.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, bei Verwendung eines ortsempfindlichen
Detektionssystems, gekennzeichnet durch einen Differenzwinkel α der Einkopplung
größer 2 Grad.
21. Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen Differenzwinkel α der
Einkopplung in einem Bereich von 22 plus/minus 20 Grad.
22. Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen Differenzwinkel α der
Einkopplung in einem Bereich von 12 plus/minus 10 Grad.
23. Anordnung nach einem der Ansprüche 20-22, gekennzeichnet durch einen
Differenzwinkel
der Auskopplung ϕ kleiner 20 Grad.
24. Anordnung nach einem der Ansprüche 20-22, gekennzeichnet durch einen
Differenzwinkel
der Auskopplung ϕ im Bereich 0 bis 12 Grad.
25. Anordnung nach einem der Ansprüche 20-22, gekennzeichnet durch einen
Differenzwinkel
der Auskopplung ϕ im Bereich 0 bis 8 Grad.
26. Anordnung nach einem der Ansprüche 20-25, gekennzeichnet durch Mittel zur
unabhängigen Verstellung der Einkoppelwinkel der eingekoppelten Lichtbündel.
27. Anordnung zur Analyse von Substanzen nach einem der Ansprüche 1-26, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einkoppelstrahlen sowohl in ihrem Einkoppelwinkel verstellbar
als auch leicht konvergent sind.
28. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel für beide
Einkoppelstrahlen unabhängig verstellbar sind.
29. Anordnung nach Anspruch 27 dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel für beide
Einkoppelstrahlen gleichzeitig mit einem gemeinsamen Element verstellt werden.
30. Anordnung nach Anspruch 27, 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strahlkonvergenz einstellbar ist.
31. Anordnung nach Anspruch 30, gekennzeichnet dadurch, daß der Durchmesser der
Einkoppelstrahlen in der Sensorebene im Bereich 10 µm bis 1 mm liegt.
32. Anordnung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchmesser der Einkoppelstrahlen in der Sensorebene veränderbar ist.
33. Anordnung nach Anspruch 30-32, gekennzeichnet durch Einstellen der
Strahlkonvergenz
und/oder des Durchmessers der Einkoppelstrahlen in der Sensorebene über die
Veränderung der Abbildungseigenschaften der einkoppelnden optischen Elemente.
34. Anordnung zur Analyse von Substanzen durch Messung der Lichtabsorption an oder
nahe der Oberfläche eines optischen Sensors, mit mindestens einer wellenleitenden
Schicht und mindestens einem multidiffraktiven Gitterkoppler zur Ein- und Auskopplung
von Lichtstrahlen, mit der mindestens ein Lichtstrahl eingekoppelt wird und mindestens
ein Lichtstrahl ausgekoppelt wird, sowie einem Detektionssystem zur Erfassung der
ausgekoppelten Lichtstrahlen,
wobei Ein-und Auskopplung auf ein- und derselben Seite des Sensors erfolgen, die Ein-
und Auskoppelstrahlen in verschiedenen Quadranten der Lichteinfallsebene liegen und
der Einkoppelstrahl sowohl bezüglich des Einkoppelwinkels verstellbar als auch leicht
konvergent ist.
35. Anordnung nach Anspruch 34 sowie einem der Ansprüche 1-33, gekennzeichnet
durch die Anwendung der in den Ansprüchen 1-33 angegebenen
Winkelbedingungen für den Differenzwinkel der Ein- und Auskopplung auf die
Absorptionsmessung.
36. Anordnung zur Analyse von Substanzen an oder nahe der Oberfläche eines optischen
Sensors mit mindestens einer wellenleitenden Schicht und einem multidiffraktiven
Gitterkoppler zur Ein- und Auskopplung von Lichtstrahlen, in die mindestens zwei
Lichtstrahlen eingekoppelt werden, die zueinander einen Winkel α einschließen,
wobei das Licht einer Lichtquelle auf mindestens einen Strahlenteiler gelangt und von
diesem in mindestens zwei Teilstrahlen aufgespalten wird und die Teilstrahlen über
strahlumlenkende Optik sowie strahlversetzende Einheiten und mindestens eine
Abbildungseinheit in die Sensoroberfläche geführt wird.
37. Anordnung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildungsoptik in
die Lichtquelle integriert ist.
38. Anordnung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildungsoptik
zwischen Lichtquelle und Strahlteiler vorgesehen ist.
39. Anordnung nach einem der Ansprüche 36-38, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Aufspaltung
des eingestrahlten Lichtes in zwei zueinander orthogonal polarisierte Teilstrahlen erfolgt.
40. Anordnung nach einem der Ansprüche 36-38, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Aufspaltung des eingestrahlten Lichtes in mindestens zwei Teilstrahlen ohne
polarisations-selektierende Bauelemente erfolgt.
41. Anordnung nach einem der Ansprüche 36-40, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen
Lichtquelle und Strahlteiler mindestens ein strahlumlenkendes Element vorgesehen ist.
42. Anordnung nach einem der Ansprüche 36-41, dadurch gekennzeichnet, daß ein
integriert optisches Element vorgesehen ist, das die Funktionen der Strahlteilung sowie
mindestens einer Strahlumlenkung erfüllt.
43. Anordnung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Strahlteilung und zur Strahlumlenkung ein Polygonprisma vorgesehen ist.
44. Anordnung nach Anspruch 43 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Fläche
des Polygonprismas mit einer teilweise oder vollständig reflektierenden Beschichtung
versehen ist.
45. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-44, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Fokussierung der einfallenden Lichtstrahlen auf die
Sensorebene erfolgt.
46. Anordnung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung durch
abbildende Spiegel erfolgt.
47. Anordnung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fokussierung auf die Sensorebene durch mindestens eine Linse
erfolgt.
48. Anordnung nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fokussierung auf die Sensorebene durch zwei Linsen
für die beiden Einkoppelwege erfolgt.
49. Anordnung nach Anspruch 47 oder 48, dadurch gekennzeichnet,
daß die Linse oder Linsen zur Fokussierung auf die
Sensorebene unterschiedliche Brennweite parallel und
senkrecht zur Einfallsebene haben.
50. Anordnung nach einem der Ansprüche 45-49, dadurch gekennzeichnet, daß
der Öffnungswinkel der fokussierten Lichtstrahlen der
erforderlichen Winkeländerung beim Wechsel des Sensors
entspricht.
51. Anordnung nach einem der Ansprüche 47-79, dadurch
gekennzeichnet, daß die Linse oder Linsen zur Fokussierung auf die
Sensorebene als holografische Elemente ausgeführt sind.
52. Anordnung nach einem der Ansprüche 47-79, dadurch
gekennzeichnet, daß die Linse oder Linsen zur Fokussierung auf die
Sensorebene als Fresnel-Linsen ausgeführt sind.
53. Anordnung nach einem der Ansprüche 46-52, gekennzeichnet durch eine
Kombination aus Linsen und Spiegeln.
54. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-53, dadurch gekennzeichnet, daß die
einfallenden Lichtstrahlen mittels einer ersten Abbildungseinheit in einen Zwischenfokus
in der Nähe der strahlversetzenden Einheit abgebildet werden und mit einer zweiten
strahlversetzenden Einheit auf die Sensoroberfläche fokussiert werden.
55. Anordnung nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht mittels einer
ersten Abbildungseinheit in einen Abstand etwa der Brennweite f von einer zweiten
Abbildungseinheit fokussiert wird und die zweite Abbildungseinheit etwa einen Abstand
f von der Sensoroberfläche hat.
56. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-55, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel
zu Verstellung des Einkoppelwinkels aus einer strahlversetzenden Einheit und
mindestens einer Abbildungslinse bestehen.
57. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-56, dadurch gekennzeichnet, daß die
strahlversetzenden Einheiten drehbare Glasquader sind.
58. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-56, dadurch gekennzeichnet, daß die
strahlversetzenden Einheiten drehbare Spiegel sind.
59. Anordnung nach Anspruch 57 oder 58, gekennzeichnet durch eine Drehachse
senkrecht zur Strahlrichtung.
60. Anordnung nach Anspruch 57 oder 58, gekennzeichnet durch eine Drehachse in
einem von der Senkrechten abweichenden Winkel zur Strahlrichtung.
61. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-56, dadurch gekennzeichnet, daß die
strahlversetzenden Einheiten steuerbare Spaltblenden sind, die jeweils nur einen Teil des
Strahlenganges freigeben.
62. Anordnung nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spaltblenden als LCD-Einheiten ausgeführt werden.
63. Anordnung nach Anspruch 62, gekennzeichnet durch unterschiedlichen
Transmissionsgrad benachbarter Elemente der LCD-Einheit.
64. Anordnung nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spaltblenden als linear mechanisch verstellbare Blenden
ausgeführt werden.
65. Anordnung nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spaltblenden als linear mechanisch verstellbare Filter
mit ortveränderlicher Transmissions-Charakteristik
ausgeführt werden.
66. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-65, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einstellung der Strahlkonvergenz sowohl über die Einstellung der Spaltbreite als auch
über die Veränderung der Brennweite eines abbildenden Elementes erfolgt.
67. Anordnung nach einem der Ansprüche 61-65, dadurch gekennzeichnet, daß den
Spaltblenden eine Korrekturoptik zugeordnet ist.
68. Anordnung nach Anspruch 67, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturoptik eine
Zylinderlinse ist.
69. Anordnung nach einem der Ansprüche 61-68, dadurch gekennzeichnet, daß die
Korrekturoptik unterschiedliche Brennweite senkrecht und parallel zur Einfallsebene
aufweist.
70. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-69, dadurch gekennzeichnet, daß die
optische Anordnung zur Ein-und Auskopplung in einem gemeinsamen Gehäuse
enthalten ist.
71. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-70, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichtquelle in das Gehäuse integriert ist.
72. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-71, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtquelle ein Halbleiterlaser ist.
73. Anordnung nach Anspruch 72, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser
frequenzstabilisiert ist.
74. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-73,
gekennzeichnet durch eine Anordnung der Lichtquelle außerhalb eines die
sonstige Meßanordnung enthaltendes Gehäuses.
75. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-74, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtquelle ein Laser oder eine Spektrallampe ist.
76. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-75, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht
der Lichtquelle über eine Lichtleitereinheit auf die optische Anordnung gelangt.
77. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-76, dadurch
gekennzeichnet, daß unterhalb der Sensorebene ein optisches Fenster,
vorzugsweise entspiegelt, zum Schutz vor Umwelteinflüssen
angeordnet ist.
78. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-77, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlführungs-System Glasfasern in Kombination mit
Spiegeln zur Lichtführung verwendet.
79. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-78, dadurch
gekennzeichnet, daß für optische Elemente und Trägerelemente Bauelemente mit
angepaßter thermischer Ausdehnung für einen temperaturstabilen
Abbildungsmaßstab verwendet werden.
80. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-79, gekennzeichnet durch ein der Lichtquelle
nachgeordnetes Strahlformungssystem zur Anpassung der Strahlparameter.
81. Anordnung nach Anspruch 80, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlformungs-System unterschiedliche Eigenschaften
parallel und senkrecht zur Einfallsebene hat.
82. Anordnung nach Anspruch 80 oder 81, dadurch gekennzeichnet,
daß das Strahlformungs-System mit einer oder mehreren Linsen
ausgeführt wird.
83. Anordnung nach Anspruch 80 oder 81, dadurch gekennzeichnet, daß das
Strahlformungssystem aus einem oder mehreren abbildenden Spiegeln besteht.
84. Anordnung nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet,
daß die Linsen als holografische Elemente ausgeführt sind.
85. Anordnung nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet,
daß die Linsen als Fresnel-Linsen ausgeführt sind.
86. Anordnung nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen als
Zylinderlinsen ausgeführt sind.
87. Anordnung nach einem der Ansprüche 80-86, dadurch gekennzeichnet, daß das
Strahlformungssystem aus einer Kombination aus Linsen und abbildenden Spiegeln
besteht.
88. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-87, dadurch gekennzeichnet, daß der
Strahlteiler ein teildurchlässiger Spiegel ist.
89. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-87, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strahlteilung mit einem holografischen Element erfolgt.
90. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-89, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strahlteilung mit einem Glasfaser-Verzweigungselement erfolgt.
91. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-90, gekennzeichnet durch eine
photoelektrische Erfassung des durch Überlagerung der ausgekoppelten Strahlen
entstehenden Interferenzbildes.
92. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-91, gekennzeichnet durch die Abbildung des
Interferenzbildes mit mindestens einem Abbildungselement auf einen ortsauflösenden
Detektor, der mit einer Auswerteeinheit
verbunden ist.
93. Anordnung nach Anspruch 92, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsauflösende
Detektor ein CCD-Element ist.
94. Anordnung nach Anspruch 92, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsauflösende
Detektor eine Diodenzeile ist.
95. Anordnung nach einem der Ansprüche 91-94, gekennzeichnet dadurch, daß das
Abbildungselement mindestens eine Linse ist.
96. Anordnung nach Anspruch 95, dadurch gekennzeichnet, daß
die Linse unterschiedliche Brennweite parallel und
senkrecht zur Einfallsebene hat.
97. Anordnung nach einem der Ansprüche 91-94, dadurch
gekennzeichnet, daß das Abbildungselement als holografisches Element ausgeführt
ist.
98. Anordnung nach einem der Ansprüche 91-94, dadurch
gekennzeichnet, daß das Abbildungselement als Fresnellinse ausgeführt ist.
99. Anordnung nach einem der Ansprüche 91-94, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abbildungselement mindestens ein Spiegel ist.
100. Anordnung nach Anspruch 99, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel
unterschiedliche Abbildungseigenschaften senkrecht und parallel zur Einfallsebene hat.
101. Anordnung zur Abbildung dies Interferenzbildes der aus einem Wellenleiter über ein
multidiffraktives Gitter ausgekoppelten Strahlungsanteile, bestehend
aus einer dem Austrittsort nachgeordneten Kombination aus gefaltetem Strahlengang
und abbildenden Spiegeln, die das Interferenzbild über einen Polarisator auf einen
ortsauflösenden Empfänger abbildet.
102. Anordnung nach Anspruch 101, gekennzeichnet durch einen teleskopischen
Abbildungsstrahlengang.
103. Anordnung nach Anspruch 101 oder 102, gekennzeichnet durch sphärische Spiegel.
104. Anordnung nach Anspruch 101 oder 102, gekennzeichnet durch zylindrische Spiegel.
105. Anordnung nach Anspruch 101-104, gekennzeichnet durch eine Kombination aus
sphärischen und zylindrischen Spiegeln.
106. Anordnung nach Anspruch 101-104, gekennzeichnet durch eine Kombination aus
sphärischen und asphärischen Spiegeln.
107. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-106 , dadurch gekennzeichnet, daß im
abbildenden Strahlengang ein Interferenzfilter vorgesehen ist.
108. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-107, dadurch gekennzeichnet, daß mittels
eines durch die Abbildungsspiegel gefalteten Strahlenganges gleichzeitig eine optische
Anpassung an die Geometrie des ortsauflösenden Empfängers erfolgt.
109. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-108, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abbildung der Sensor-Ebene auf den ortsempfindlichen
Detektor durch zwei Linsen oder Kollimatoren mit
parallelem oder quasiparallelen Strahlengang zwischen den
beiden Einheiten erfolgt.
110. Anordnung nach Anspruch 109, dadurch gekennzeichnet,
daß die Linsen oder Kollimatoren unterschiedliche
Brennweite parallel und senkrecht zur Ausfallsebene haben.
111. Anordnung nach Anspruch 109 oder 110, dadurch
gekennzeichnet, daß die Linsen oder Kollimatoren als holografische Elemente
ausgeführt werden.
112. Anordnung nach Anspruch 109 oder 110, dadurch
gekennzeichnet, daß die Linsen oder Kollimatoren als Fresnel-Linsen
ausgeführt werden.
113. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-112, gekennzeichnet, daß zur Ermittlung
der Position und des Winkels ϕ der ausgekoppelten Strahlen eine Abbildung der
ausgekoppelten Strahlanteile auf mindestens einen Empfänger erfolgt der mit einer
Auswerteeinheit verbunden ist.
114. Anordnung nach Anspruch 113, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ein
PSD ist.
115. Anordnung nach Anspruch 113, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ein
CCD-Element ist.
116. Anordnung nach Anspruch 113, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eine
Diodenzeile ist.
117. Anordnung nach einem der Ansprüche 113-116, gekennzeichnet durch einen mittels
Spiegeln
gefalteten Abbildungsstrahlengang.
118. Anordnung nach einem der Ansprüche 113-116, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abbildung der Sensor-Ebene auf den ortsauflösenden
Detektor mit mindestens einer Linse erfolgt.
119. Anordnung nach einem der Ansprüche 113-116, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Abbildung mindestens ein Spiegel vorgesehen ist.
120. Anordnung nach einem der Ansprüche 113-119, gekennzeichnet durch eine
alternierende Abbildung der
ausgekoppelten Strahlungsanteile auf einen ortsauflösenden Empfänger.
121. Anordnung nach Anspruch 120, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitversetzten
Auskopplung der Strahlkomponenten die Einkoppelwinkel der eingekoppelten Strahlen
zueinander phasensynchron verstellt werden.
122. Anordnung nach einem der Ansprüche 113-121, gekennzeichnet durch eine
Linsenanordnung zur Abbildung der ausgekoppelten Strahlanteile, der der PSD im
Abstand etwa der einfachen Brennweite nachgeordnet ist.
123. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-122, gekennzeichnet durch die Anordnung
mindestens eines Teils der der optischen Elemente in einem gemeinsamen Trägerblock.
124. Anordnung nach Anspruch 123, gekennzeichnet durch Ausbildung mindestens eines
Teils der optischen Strahlengänge als im Trägerblock vorgesehene Bohrungen.
125. Anordnung nach Anspruch 123 oder 124, gekennzeichnet durch die Anordnung von
Spiegeln am Rand des Trägerblockes.
126. Anordnung nach einem der Ansprüche 123-125, gekennzeichnet durch ein
Trägerblockmaterial Invar, Zerodur oder Grauguß.
127. Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 126, gekennzeichnet durch Kombination
folgender Materialien:
Für die optischen Elemente:
Quarz, Kronglas, Flintglas, reflektives Metall,
Quarz, Kronglas, Flintglas, reflektives Metall,
Für die Trägerelemente
Invar, Zerodur, Kronglas, BK7, UBK7, Flintglas, Keramik, Messing, Aluminium, Edelstahl.
Invar, Zerodur, Kronglas, BK7, UBK7, Flintglas, Keramik, Messing, Aluminium, Edelstahl.
128. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-127, gekennzeichnet durch Ausbildung
eines Teils des Trägerblocks aus einem Material, das bezüglich seiner thermischen
Ausdehnung
einer zu Meßfehlern führenden thermischen Ausdehnung der übrigen Trägerelemente
und/oder der verwendeten Optik entgegenwirkt.
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