TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometer gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Spektrometer.
STAND DER TECHNIK
[0002] MEMS ist eine Technologie, in welcher mechanische Elemente, Sensoren, Aktuatoren und Elektronik in einer gemeinsamen Siliziumbasis integriert mittels Mikrofabrikationstechnologie hergestellt werden.
[0003] Fouriertransformations (FT)-Spektroskopie ist eine bekannte Methode, um anhand einer Spektralanalyse inhaltliche Schlüsse über ein Medium, üblicherweise eine Probe, zu treffen.
[0004] MEMS (mikro- elektromechanisches System) basierte Interferometer und Spektrometer, welche derartige Interferometer verwenden, sind bekannt, beispielsweise aus Omar Manzardo et al., Microfabricated Spectral Analysers, Optics for the quality of life, SPIE, 2003 (XP-002342374)
[0005] Omar Manzardo et al., Infrared MEMS-based Lamellar Gräting Spectrometer, MEMS, MOEMS, and Micromachining, Vol. 5455, SPIE, 2004 (XP-002342373) und WO 2006/000 120.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0006] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Interferometer und ein Spektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchen möglichst viel Licht ausgewertet werden kann.
[0007] Diese Aufgabe löst ein Interferometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
[0008] Das erfindungsgemässe Interferometer zur Erzeugung eines Interferenzmusters umfasst eine Lamellargittereinheit mit Reflexionsflächen zur Reflexion des Lichts, eine Lichtaussendeeinheit zum Aussenden des Lichts auf die Lamellargittereinheit und eine Lichtempfangseinheit zum Empfang des von der Lamellargittereinheit reflektierten Lichts. Die Lichtaussendeeinheit umfasst eine Vielzahl einzelner Lichtleiter, welche in mindestens einer Lichtleiterreihe angeordnet sind, welche das Licht auf die Lamellargittereinheit senden.
[0009] Unter Lichtstrahl wird hier das aus einem einzigen Lichtleiter ausgestrahlte oder in einen einzelnen Lichtleiter eingekoppelte Licht verstanden. Mehrere derartiger Lichtstrahlen bilden ein Lichtbündel, hier auch Strahlenbündel genannt. Unter flächigem Strahlenbündel wird ein Lichtbündel verstanden, bei welchem das Licht entlang einer Linie, vorzugsweise einer Geraden, ausgestrahlt wird. Das Lichtbündel weitet sich selbstverständlich aus dieser Fläche heraus auf, insbesondere bei Durchgang in einem dreidimensionalen Medium, wie beispielsweise Luft.
[0010] Durch die Verwendung eines Strahlenbündels, insbesondere eines flächigen Strahlenbündels, kann im Vergleich zu herkömmlichen Interferometern mehr Licht reflektiert und empfangen werden. Dies erhöht das Signal-Rausch Verhältnis und resultiert in einer besseren Sensitivität. Des Weiteren lassen sich die Spiegel gleichmässiger und über ihre gesamte Breite ausleuchten.
[0011] Vorteilhaft ist ferner, dass das Interferometer platzsparend ausgebildet und kostengünstig hergestellt werden kann.
[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Strahlenbündel unmittelbar auf die Lamellargittereinheit gerichtet. In anderen Ausführungsformen sind weitere optische Elemente zwischen den Enden der Lichtleiter und der Spiegel vorhanden, beispielsweise Linsen, Filter oder Strahlteiler. Durch die direkte und flächige Bestrahlung der Lamellargittereinheit erübrigen sich weitere optische Bauteile innerhalb des Interferometers. Dies reduziert die Materialkosten.
[0013] Aufgrund der geringen Anzahl optischer Bauteile ist ferner die Justierung dieser Bauteile relativ einfach. Mindestens eines davon kann feststehend angeordnet sein, so dass üblicherweise nur eine einzelne Komponente, d.h. entweder die gemeinsame Lichtaussende- und Lichtempfangseinheit oder die Lamellargittereinheit, in ihrer Lage justiert werden muss.
[0014] Vorzugsweise sind die Lichtleiter der Lichtaussendeeinheit entlang mindestens einer, vorzugsweise entlang genau einer Geraden parallel nebeneinander angeordnet. Dabei können sie einen Abstand zueinander aufweisen oder dicht aneinander liegen. Vorzugsweise weisen alle Lichtleiter der Lichtaussendeeinheit dieselbe Lichtauskopplungsrichtung auf, wobei diese Lichtauskopplungsrichtung in einem Winkel, vorzugsweise annähernd senkrecht, zu den Reflexionsflächen der Lamellargittereinheit ausgerichtet ist.
[0015] Alternativ oder zusätzlich weisen die Lichtleiter der Lichtempfangseinheit alle dieselbe Lichteinkopplungsrichtung auf, wobei diese Lichteinkopplungsrichtung in einem Winkel, vorzugsweise annähernd senkrecht, zu den Reflexionsflächen der Lamellargittereinheit ausgerichtet sind.
[0016] Sind die Lichtauskopplungsrichtung und die Lichteinkopplungsrichtung in einem Winkel ungleich 90[deg.] angeordnet, so weisen sie vorzugsweise denselben Winkel, jedoch mit ungleichen Vorzeichen auf. Dadurch wird von der Lichtaussendeinheit ausgesendetes Licht zumindest mehrheitlich in Richtung der Lichteinkopplungsrichtung reflektiert.
[0017] Unter Lichteinkopplungsrichtung wird hier die Richtung verstanden, in welcher die Mehrheit des ausgesendeten Lichts aus dem Lichtleiter, insbesondere der Glasfaser, austritt. Unter Lichtauskopplungsrichtung wird hier die Richtung verstanden, welche die Mehrheit des reflektierten Lichts aufweisen muss, um in den Lichtleiter, insbesondere eine Glasfaser, optimal einzukoppeln.
[0018] Vorzugsweise besteht die Lamellargittereinheit aus einem ersten und einen zweiten Spiegelset mit mehreren Spiegeln. Diese zwei Spiegelsets greifen ineinander, indem ein Spiegel des ersten Spiegelsets neben einem Spiegel des zweiten Spiegelsets angeordnet ist. Die Position des ersten Spiegelsets ist relativ zur Lage des zweiten Spiegelsets veränderbar. Vorzugsweise ist die Lamellargittereinheit von einem mikroelektromechanischem Gitter (MEM-Gitter) gebildet. Die Spiegel der zwei Sets sind dabei in einer Reihe, vorzugsweise einer Geraden, angeordnet. Die Spiegel je eines Sets weisen vorzugsweise alle dieselbe Höhe auf. Vorzugsweise weisen die Spiegel beider Sets dieselbe Höhe auf.
[0019] Optimale Resultate werden erzielt, wenn der Durchmesser eines Licht aussendenden Lichtleiters kleiner als oder gleich wie die Höhe eines ihm gegenüber liegenden Spiegels ist und/oder wenn der Durchmesser eines Licht empfangenden Lichtleiters gleich wie oder grösser als die Höhe eines ihm gegenüber liegenden Spiegels ist.
[0020] In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lichtempfangseinheit eine Vielzahl einzelner Lichtleiter. Vorzugsweise fällt das reflektierte Licht unmittelbar auf die Lichtempfangseinheit. Vorzugsweise sind auch diese Lichtleiter auf mindestens einer, vorzugsweise genau einer Geraden angeordnet. Auch dies erhöht wieder die Sensitivität.
[0021] Der Lichtleiterarray bzw. die Lichtleiterreihe der Lichtaussendeeinheit und derjenige bzw. diejenige der Lichtempfangseinheit weisen vorzugsweise gemeinsam oder je annähernd die Länge der Spiegelreihe auf. Dadurch lässt sich das Licht über eine grosse Fläche, insbesondere über die gesamte Breite der Lamellargittereinheit bzw. die Länge der Spiegelreihe verteilen.
[0022] Lichtaussendeeinheit und Lichtempfangseinheit können vollständig voneinander getrennt ausgebildet sein. Sie können als zwei getrennte Lichtleiterarrays ausgebildet, aber mechanisch miteinander verbunden sein oder sie können auch durch dieselben Lichtleiter gebildet werden. Des Weiteren sind Mischformen dieser Varianten möglich.
[0023] Insbesondere kann mindestens ein Teil der Lichtleiter der Lichtaussendeeinheit gleichzeitig mindestens einen Teil der Lichtleiter der Lichtempfangseinheit bilden.
[0024] Des Weiteren können die Lichtleiter der Lichtaussendeeinheit nur zum Aussenden des Lichts und die Lichtleiter der Lichtempfangseinheit nur zum Empfangen des von der Lamellargittereinheit reflektieren Lichts vorgesehen sein.
[0025] Es ist auch möglich, dass sich die Licht aussendenden Lichtleiter und die Licht empfangenden Lichtleiter entlang mindestens einer Geraden alternierend abwechseln.
[0026] Es ist alternativ möglich, dass mindestens eine Reihe von Licht aussendenden Lichtleitern und mindestens eine Reihe von Licht empfangenden Lichtleitern übereinander angeordnet sind. In diesem Fall sind Reihen von Licht aussendenden Lichtleitern und Reihen von Licht empfangenden Lichtleitern alternierend übereinander angeordnet.
[0027] Die Lichtaussendeeinheit und vorzugsweise auch die Lichtempfangseinheit sind Bestandteil des Interferometers. Mindestens die Lichtaussendeeinheit, vorzugsweise auch die Lichtempfangseinheit sind vorzugsweise zusammen mit der Lamellargittereinheit auf einer gemeinsamen Basis angeordnet. Als Basis eignet sich beispielsweise ein metallischer Träger. Andere bekannte Mittel sind ebenfalls geeignet. Dabei ist die relative Lage der Lichtaussendeeinheit und vorzugsweise auch der Lichtempfangseinheit zur Lamellargittereinheit veränderbar, so dass die einzelnen Komponenten (Lamellargittereinheit, Lichtaussendeeinheit und Lichtempfangseinheit) in ihrer Lage im Interferometer justierbar sind. Hierfür lassen sich bekannte Mittel einsetzen. Anstelle des Lichts empfangenden Lichtleiterarrays lässt sich auch ein bekannter Sensor, beispielsweise ein Photodetektor verwenden.
Vorzugsweise ist dieser zellenförmig, also als array, ausgebildet. Dadurch lässt sich der Verlust der Lichtintensität, welcher beim Einkuppeln des reflektierten Lichts in das lichtempfangende Faserbündel auftreten, vermieden.
[0028] Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0029] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung des Grundprinzips des erfindungsgemässen Interferometers;
<tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Interferometers in einer ersten Ausführungsform;
<tb>Fig. 3<sep>eine vergrösserte Darstellung eines Teils der Fig. 2;
<tb>Fig. 4<sep>eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Interferometers in einer zweiten Ausführungsform;
<tb>Fig. 5<sep>eine vergrösserte Darstellung eines Teils der Fig. 4;
<tb>Fig. 6<sep>eine vergrösserte Darstellung eines erfindungsgemässen Interferometers in einer dritten Ausführungsform;
<tb>Fig. 7<sep>eine vergrösserte Darstellung eines erfindungsgemässen Interferometers in einer vierten Ausführungsform;
<tb>Fig. 8<sep>eine vergrösserte Darstellung eines erfindungsgemässen Interferometers in einer fünften Ausführungsform;
<tb>Fig. 9<sep>eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Interferometers in einer sechsten Ausführungsform und
<tb>Fig. 10<sep>eine schematische Darstellung eines Spektrometers.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
[0030] In Fig. 1 ist das Grundprinzip des erfindungsgemässen Interferometers gut erkennbar. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet eine Lamellargittereinheit 5. Sie weist beweglich angeordnete erste Spiegel 510 und unbeweglich angeordnete zweite Spiegel 511 auf, welche sich in diesem Beispiel in einer Reihe entlang einer Geraden erstrecken. Die zweiten Spiegel 510 sind kammartig zwischen die ersten Spiegel 511 geschoben, so dass jeweils ein erster neben einem zweiten Spiegel zu liegen kommt. Die Spiegel 510, 511 weisen vorzugsweise eine plane Spiegeloberfläche auf. Die Spiegel- oder Reflexionsoberflächen aller Spiegel 510, 511 sind gleich ausgerichtet. Die Spiegeloberflächen der ersten Spiegel 510 fluchten vorzugsweise in einer gemeinsamen ersten planen Ebene und die Spiegeloberflächen der zweiten Spiegel fluchten in einer gemeinsamen zweiten planen Ebene.
Die zwei Ebenen verlaufen vorzugsweise parallel zueinander.
[0031] Die Bezugsziffer 1 bezeichnet eine Lichtaussendeeinheit, welche mit einer hier nicht dargestellten Lichtquelle verbunden ist. Die Lichtquelle kann eine kohärente oder inkohärente, monochromatische, mehrfarbige Lichtquelle oder eine Weisslichtquelle sein.
[0032] Die Lichtaussendeeinheit weist eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Lichtleiter auf, welche auf der lichtemittierenden, der Lamellargittereinheit 5 zugewandter Seite in mindestens einer Reihe 11 angeordnet sind. Vorzugsweise sind sie auf mindestens, noch bevorzugter auf genau einer Geraden angeordnet. Die Lichtleiter können als kreisrundes oder ovales Bündel 10 zur Lichtquelle geführt sein. Das in diese Lichtleiter eingekoppelte Licht ist in der Fig. 1mit E bezeichnet. Die Darstellung ist nicht massstäblich zu verstehen.
[0033] Licht, welches aus den Lichtleitern 110 ausgekoppelt wird, gelangt senkrecht oder in einem Winkel auf die Reflexionsflächen der Spiegel 510, 511. Dies ist die Auskoppelrichtung.
[0034] Die Bezugsziffer 2 bezeichnet eine Lichtempfangseinheit, welche ebenfalls über eine Lichtleitung mit einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden ist. Vorzugsweise besteht auch die Lichtempfangseinheit aus einer Vielzahl von Lichtleitern, welche am lichtempfangenden Ende in mindestens einer Reihe 21 angeordnet sind. Vorzugsweise sind sie in mindestens einer Geraden und noch bevorzugter in genau einer Gerade angeordnet. Auch diese Lichtleiterreihe 21 kann zu einem vorzugsweise runden oder ovalen Bündel 20 zusammengeführt werden und so das Licht zu einer Auswerteeinheit übermitteln.
[0035] Licht, welches von den Spiegeln reflektiert wird, wird in der Einkoppelrichtung bevorzugt in die Lichtempfangseinheit eingekoppelt. Diese Einkoppelrichtung ist vorzugsweise senkrecht zur Reflexions- oder Spiegeloberfläche. Sie kann auch in einem Winkel dazu liegen. Im Falle eines Winkels ist der Winkel zwischen der Licht auskoppelnden Lichtleiterreihe 11 und der Reflexionsoberfläche annähernd gleich dem Winkel zwischen der Licht einkoppelnden Lichtleiterreihe 21 und der Reflexionsoberfläche, jedoch mit anderem Vorzeichen.
[0036] Als Lichtleiter für die Lichtaussendeeinheit und gegebenenfalls für die Lichtempfangseinheit eignen sich Monomodefasern oder Multimodefasern.
[0037] Licht, welches nun von der Lichtquelle in die Lichtleiterreihe 11 der Lichtaussendeeinheit 1 gelangt, wird unmittelbar auf die Spiegel 510, 511 des Lamellargitters 5 gerichtet. Dort wird es von allen Spiegeln 510, 511 reflektiert. Da die erste Spiegelgruppe 510 einen anderen Abstand zur ersten Lichtleiterreihe 11 aufweist als die zweite Spiegelgruppe 511, kommt es zu einer Phasenverschiebung des reflektierten Lichts, abhängig davon, an welchem Spiegel der einzelne Lichtstrahl reflektiert wurde. Das reflektierte Licht mit den zwei unterschiedlichen Phasen gelangt zur Lichtempfangseinheit 2. Es wird an die Auswerteeinheit 7 weitergeleitet, wo Veränderungen in der Lichtintensität detektiert werden. Vorzugsweise wird zuerst eine Phasenkorrektur durchgeführt. Die Interferenz ist in Fig. 1 schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen I versehen.
[0038] Dieses Interferometer benötigt eigentlich keine weiteren optischen Bauteile im Strahlengang zwischen Lichtaussendeinheit und Spiegel bzw. zwischen Spiegel und Lichtempfangseinheit. Vorzugsweise sind auch keine weiteren optischen Bauteile in den genannten Bereichen des Interferometers vorhanden. Es können jedoch je nach Anwendung weitere optische Bauteile, wie beispielsweise Filter, Linsen oder Stahlteiler, verwendet werden.
[0039] In Fig. 10 ist ein Spektrometer schematisch dargestellt. Zusätzlich zum oben genannten Interferometer umfasst es eine Lichtquelle 6 und eine Auswerteeinheit 7. Die Lichtquelle 6 sendet Licht in das erste Lichtleiterbündel 10. Der Strahlengang ist in der Fig. nicht geradlinig dargestellt. Er kann, muss aber nicht zwingend, mittels optischer Elemente umgelenkt werden. Die Auswerteeinheit 7 detektiert das reflektierte Licht und wertet es aus. In der Fig. 10 sind Spektren S dargestellt.
[0040] Eine zu bestimmende Probe P ist vorzugsweise zwischen Lichtquelle 6 und Lichteinkoppeleinheit 1 angeordnet. Sie kann jedoch auch zwischen Lichtauskoppeleinheit 2 und Auswerteeinheit 7 angeordnet sein.
[0041] In den Fig. 2 und 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Interferometers dargestellt. Die Lamellargittereinheit 5 ist eine MEMS basierte Struktur mit einem Rahmen oder Grundkörper 50 und einer daran einstückig angeformten ersten Spiegelseite 51 mit zwei Spiegelsets 510, 511. Sie kann eine zweite, entgegengesetzt gerichtete Spiegelseite 51 aufweisen und insgesamt symmetrisch ausgebildet sein. Eine derartige Struktur ist beispielsweise in der eingangs erwähnten WO 2006/000120 beschrieben. Typische Längen der Spiegelreihe 51 betragen 3.5 bis 4 mm. Typische Breiten und Höhen der einzelnen Spiegel 510, 511 liegen im Mikrometerbereich. Bevorzugt betragen die Breiten der einzelnen Spiegel 510, 51112 um und die Höhen 75 bis 100 um oder sogar bis 150 um.
Die einzelnen Spiegel sind in ihrer Breite aneinander gereiht und ergeben so die Länge der Spiegelreihe. Die Höhe der Spiegelreihe entspricht vorzugsweise der Höhe der einzelnen Spiegel.
[0042] Wie in Fig. 3 erkennbar ist, besteht die erste Spiegelseite 51 aus einer Reihe der oben genannten ersten beweglichen Spiegel 510 und einer Reihe von relativ zu den ersten Spiegeln ortsfesten zweiten Spiegeln 511.
[0043] Gegenüberliegend zur ersten Spiegelreihe 51 befindet sich die Lichtaussendeeinheit 1, welche der Spiegelreihe 51 zugewandt die Lichtleiterreihe 11 aufweist. Die Lichtleiterreihe 11 erstreckt sich bevorzugt annähernd über die gesamte Breite der ersten Spiegelseite 51.
[0044] Diese Lichtleiterreihe 11 besteht, wie in Fig. 3 erkennbar ist, aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Lichtleitern 110. Es können identische oder unterschiedliche Lichtleiter verwendet werden. Vorzugsweise sind sie identisch zueinander. Die Lichtleiter 110 können einander berührend oder beabstandet zueinander angeordnet sein.
[0045] Die einzelnen Lichtleiter 110 der Lichtleiterreihe 11 gehen in ein Lichtleiterbündel 10 über, wie dies in Fig. 2 erkennbar ist. Dieses Lichtleiterbündel 10 erstreckt sich in den Bereich der nicht dargestellten Lichtquelle 6, von welcher das Licht in die Lichtleiter eingekoppelt wird. Das zylinderförmige Element am oberen Bildrand symbolisiert die Ummantelung des Lichtleiterbündels 10.
[0046] Im hier dargestellten Beispiel bildet die Lichtaussendeeinheit 1 auch die oben beschriebene Lichtempfangseinheit. Das heisst, die Lichtleiter 110 senden sowohl Licht aus und empfangen auch das reflektierte, teilweise phasenverschobene Licht. Im Bereich der Lichtquelle 6 ist auch eine Auswerteeinheit vorhanden, welche das über die Lichtleiter zurückgesandte Licht auswertet. Vorzugsweise ist in diesem Fall ein Strahlteiler vorhanden, um das reflektierte Licht der Auswerteeinheit zuzuführen.
[0047] In den Fig. 4 und 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier sind die Lichtaussendeinheit 1 und die Lichtempfangseinheit 2 zwei voneinander getrennte Einheiten. Im hier dargestellten Beispiel sind sie übereinander angeordnet. Dabei kann die erste Lichtleiterreihe 11 über oder unter der zweiten Lichtleiterreihe angeordnet sein. Je nach Grundkörper 50 ist es vorteilhaft, wenn die erste Lichtleiterreihe unterhalb der zweiten angeordnet ist. Vorzugsweise sind beide Reihen 11, 21 annähernd gleich lang ausgebildet und erstrecken sich über annähernd die gesamte Breite der ersten Spiegelseite 51.
[0048] Vorzugsweise werden dieselben Lichtleitertypen für die Lichtaussendeeinheit 1 wie für die Lichtempfangseinheit 2 verwendet. Typische Durchmesser der Lichtleiter 110, 210 betragen 50 - 100 p.m. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Licht aussendenden Lichtleiter 110 gleich oder kleiner als die Höhe der gegenüberliegenden Spiegel 510, 511. Vorzugsweise sind die Durchmesser der Licht empfangenden Lichtleiter 210 gleich oder grösser als die Höhe der gegenüberliegenden Spiegel 510, 511.
[0049] Wiederum ist eine Lichtquelle 6 vorhanden, welche Licht in das erste Lichtleiterbündel 10 der Lichtaussendeeinheit 1 einkoppelt. Das reflektierte, teilweise phasenverschobene Licht wird in die zweite Lichtleiterreihe 20 der Lichtempfangseinheit 2 eingekoppelt und gelangt über das zweite Lichtleiterbündel 20 zur Auswerteeinheit.
[0050] In Fig. 6 ist eine weitere Variante dargestellt. Hier ist die zweite Lichtleiterreihe 21 der Lichtempfangseinheit 2 länger ausgebildet als die erste Lichtleiterreihe 11 der Lichtaussendeeinheit 1. Dadurch kann möglichst viel Licht von der Lichtempfangseinheit 2 aufgenommen werden. Die Anordnung kann jedoch auch umgekehrt sein.
[0051] Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7weisen die Lichtleiter 210 der Lichtempfangseinheit 2 einen grösseren Durchmesser auf als die Lichtleiter 110 der Lichtaussendeeinheit 1, um möglichst viel Licht aufzunehmen. Der Durchmesser kann um ein Vielfaches grösser sein.
[0052] In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier sind die Licht aussendenden Lichtleiter 110 und die Licht empfangenden Lichtleiter 210 alternierend nebeneinander angeordnet. Vorzugsweise folgt jeweils einem Licht aussendenden Lichtleiter 110 ein Licht empfangender Lichtleiter 210.
[0053] In Fig. 9 ist nun die Empfangseinheit nicht durch Lichtleiter, sondern durch einen Sensor 2 gebildet. Dieser ist im Bereich der Licht aussendenden Lichtleiterreihe 11 angeordnet. Als Sensor eignet sich insbesondere ein Photodetektor bekannter Art.
[0054] Die oben genannten Ausführungsformen lassen sich auch miteinander verbinden. Anstelle von einer einzigen Lichtleiterreihe lassen sich auch mehrere Lichtleiterreihen einsetzen. Diese Reihen können sich auf gebogenen anstelle von geradlinigen Strecken ausdehnen. Des Weiteren können diese Reihen in einem Winkel zueinander und in einem Winkel zu den Spiegeloberflächen angeordnet sein, solange durch die Wahl der Winkel sichergestellt ist, dass genügend ausgesendetes Licht auf die Spiegel und genügend reflektiertes Licht von den Spiegeln zur Empfangseinheit gelangt. So können beispielweise in einer weiteren Ausführungsform Lichtleiter sowohl Licht aussenden und empfangen und andere Lichtleiter lediglich empfangen oder aussenden.
[0055] Diese Interferometer lassen sich in Spektrometer mit den bekannten Auswertemethoden und Anwendungsmöglichkeiten einsetzen. Beispiele hierfür sind: Gas- und Flüssigkeitsanalysen, Wasserkontrollen, Analysen von Körperflüssigkeiten wie Blut, Milchanalysen, Qualitätskontrollen im Lebensmittel- und Pharmabereich sowie Lichtanalysen.
[0056] Das erfindungsgemässe Interferometer und das dieses Interferometer verwendende Spektrometer ermöglichen eine Auswertung von relativ viel Licht und sie weisen deshalb eine erhöhte Sensitivität auf. Ferner sind nur wenige optische Bauteile notwendig, die Justierung ist erleichtert und sie sind kostengünstig herstellbar.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0057]
<tb>1<sep>Lichtaussendeeinheit
<tb>10<sep>erstes Lichtleiterbündel
<tb>11<sep>erste Lichtleiterreihe
<tb>110<sep>erster Lichtleiter
<tb>2<sep>Lichtempfängereinheit
<tb>2<sep>Photodetektor 20 zweites Lichtleiterbündel
<tb>21<sep>zweite Lichtleiterreihe
<tb>210<sep>zweiter Lichtleiter
<tb>5<sep>Lamellargittereinheit
<tb>50<sep>Grundkörper
<tb>51<sep>erster Spiegel
<tb>51<sep>zweiter Spiegel
<tb>510<sep>beweglicher Spiegel
<tb>511<sep>fester Spiegel 6 Lichtquelle
<tb>7<sep>Auswerteeinheit
<tb>E<sep>ausgestrahltes Licht
<tb>I<sep>zur Interferenz gebrachtes reflektiertes Licht
<tb>S<sep>Spektrum
TECHNICAL AREA
The present invention relates to an interferometer according to the preamble of patent claim 1 and a spectrometer.
STATE OF THE ART
MEMS is a technology in which mechanical elements, sensors, actuators, and electronics are integrated into a common silicon base made by microfabrication technology.
[0003] Fourier transform (FT) spectroscopy is a known method for making conclusions about a medium, usually a sample, based on spectral analysis.
[0004] MEMS (microelectromechanical system) based interferometers and spectrometers using such interferometers are known, for example, from Omar Manzardo et al., Microfabricated Spectral Analyzers, Optics for the quality of life, SPIE, 2003 (XP-002342374).
[0005] Omar Manzardo et al., Infrared MEMS-based Lamellar Grating Spectrometer, MEMS, MOEMS, and Micromachining, Vol. 5455, SPIE, 2004 (XP-002342373) and WO 2006/000120.
PRESENTATION OF THE INVENTION
It is an object of the invention to provide an interferometer and a spectrometer of the type mentioned, in which as much light can be evaluated.
This object is achieved by an interferometer having the features of claim 1 and a spectrometer having the features of claim 15.
The interferometer according to the invention for generating an interference pattern comprises a lamellar grating unit with reflecting surfaces for reflecting the light, a light emitting unit for emitting the light onto the lamellar grating unit and a light receiving unit for receiving the light reflected by the louvre grating unit. The light emitting unit comprises a plurality of individual optical fibers which are arranged in at least one optical fiber row, which transmit the light to the lamellar grid unit.
Under light beam is understood here as the radiated from a single optical fiber or coupled into a single light guide light. Several such light beams form a light bundle, here also called bundle of rays. A flat bundle of rays is understood to mean a bundle of light in which the light is emitted along a line, preferably a straight line. Of course, the light beam expands out of this surface, especially when passing in a three-dimensional medium, such as air.
By using a beam, in particular a flat beam, more light can be reflected and received compared to conventional interferometers. This increases the signal-to-noise ratio and results in better sensitivity. Furthermore, the mirrors can be illuminated more uniformly and over their entire width.
A further advantage is that the interferometer can be designed to save space and can be produced inexpensively.
In a preferred embodiment, the beam is directed directly to the lamellar grating unit. In other embodiments, further optical elements are present between the ends of the light guides and the mirrors, for example lenses, filters or beam splitters. Due to the direct and surface irradiation of the lamellar lattice unit, additional optical components are unnecessary within the interferometer. This reduces the material costs.
Due to the small number of optical components, the adjustment of these components is also relatively easy. At least one of them may be fixed so that usually only a single component, i. either the common Lichtaussende- and light receiving unit or the louvred grille unit, must be adjusted in position.
Preferably, the light guides of the light emitting unit along at least one, preferably along exactly one straight line parallel to each other. They may have a distance from each other or close together. Preferably, all the light guides of the light emitting unit have the same light extraction direction, wherein this light extraction direction is aligned at an angle, preferably approximately perpendicular, to the reflection surfaces of the lamellae unit.
Alternatively or additionally, the light guides of the light receiving unit all on the same Lichteinkopplungsrichtung, said Lichteinkopplungsrichtung are aligned at an angle, preferably approximately perpendicular, to the reflection surfaces of the Lamellargittereinheit.
If the light extraction direction and the light coupling direction are arranged at an angle not equal to 90 [deg.], They preferably have the same angle but with unequal signs. As a result, light emitted by the light emitting unit is at least predominantly reflected in the direction of the light coupling direction.
By Lichteinkopplungsrichtung is understood here the direction in which the majority of the emitted light from the light guide, in particular the glass fiber exits. By light extraction direction is here understood the direction which must have the majority of the reflected light in order to couple optimally into the light guide, in particular a glass fiber.
Preferably, the Lamellargittereinheit consists of a first and a second mirror set with a plurality of mirrors. These two sets of mirrors interlock by placing a mirror of the first mirror set next to a mirror of the second mirror set. The position of the first mirror set is changeable relative to the position of the second mirror set. Preferably, the lamellar grid unit is formed by a microelectromechanical grid (MEM grid). The mirrors of the two sets are arranged in a row, preferably a straight line. The mirrors of each set preferably all have the same height. Preferably, the mirrors of both sets have the same height.
Optimal results are obtained when the diameter of a light-emitting optical fiber is less than or equal to the height of a mirror opposite him and / or if the diameter of a light-receiving optical fiber equal to or greater than the height of a mirror opposite him is.
In a preferred embodiment, the light receiving unit comprises a plurality of individual optical fibers. Preferably, the reflected light falls directly on the light receiving unit. Preferably, these optical fibers are arranged on at least one, preferably exactly one straight line. This again increases the sensitivity.
The light guide array or the light guide row of the light emitting unit and that or those of the light receiving unit preferably have together or ever approximately the length of the mirror row. As a result, the light can be distributed over a large area, in particular over the entire width of the lamellar grating unit or the length of the row of mirrors.
Lichtaussendeeinheit and light receiving unit can be completely separated from each other. They may be formed as two separate optical fiber arrays, but may be mechanically interconnected or may be formed by the same optical fibers. Furthermore, mixed forms of these variants are possible.
In particular, at least a part of the light guides of the light emitting unit can simultaneously form at least a part of the light guides of the light receiving unit.
Furthermore, the light guides of the light emitting unit may be provided only for emitting the light and the light guides of the light receiving unit only for receiving the light reflected by the slat grating unit.
It is also possible that the light-emitting optical fibers and the light-receiving optical fibers alternately alternate along at least one straight line.
It is alternatively possible that at least one row of light-emitting optical fibers and at least one row of light-receiving optical fibers are arranged one above the other. In this case, rows of light-emitting optical fibers and rows of light-receiving optical fibers are arranged alternately one above the other.
The light emitting unit and preferably also the light receiving unit are part of the interferometer. At least the light-emitting unit, preferably also the light-receiving unit, are preferably arranged on a common base together with the louvred grating unit. As a basis, for example, a metallic carrier is suitable. Other known means are also suitable. In this case, the relative position of the light emitting unit and preferably also the light receiving unit to the lamellar grating unit is variable, so that the individual components (lamellar grating unit, light emitting unit and light receiving unit) are adjustable in their position in the interferometer. For this purpose, known means can be used. Instead of the light-receiving optical fiber array can also be a known sensor, such as a photodetector use.
Preferably, this cell-shaped, so as an array formed. This makes it possible to avoid the loss of light intensity which occurs when the reflected light is coupled into the light-receiving fiber bundle.
Further embodiments are described in the dependent claims.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Preferred embodiments of the invention are described below with reference to the drawings, which are merely illustrative and not restrictive interpreted. In the drawings show:
<Tb> FIG. 1 <sep> is a schematic representation of the basic principle of the interferometer according to the invention;
<Tb> FIG. 2 <sep> is a schematic representation of an inventive interferometer in a first embodiment;
<Tb> FIG. 3 <sep> is an enlarged view of part of FIG. 2;
<Tb> FIG. 4 is a schematic representation of an interferometer according to the invention in a second embodiment;
<Tb> FIG. 5 <sep> is an enlarged view of part of FIG. 4;
<Tb> FIG. 6 is an enlarged view of an interferometer according to the invention in a third embodiment;
<Tb> FIG. 7 <sep> is an enlarged view of an interferometer according to the invention in a fourth embodiment;
<Tb> FIG. 8 is an enlarged view of an interferometer according to the invention in a fifth embodiment;
<Tb> FIG. FIG. 9 shows a schematic representation of an interferometer according to the invention in a sixth embodiment and FIG
<Tb> FIG. 10 <sep> is a schematic representation of a spectrometer.
DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
In Fig. 1, the basic principle of the inventive interferometer is clearly visible. The reference numeral 5 designates a louvred grille unit 5. It comprises movably arranged first mirrors 510 and immovably arranged second mirrors 511, which in this example extend in a row along a straight line. The second mirrors 510 are pushed in a comb-like manner between the first mirrors 511 so that a first one next to a second mirror comes to lie in each case. The mirrors 510, 511 preferably have a flat mirror surface. The mirror or reflection surfaces of all mirrors 510, 511 are aligned the same. The mirror surfaces of the first mirrors 510 are preferably aligned in a common first plane plane and the mirror surfaces of the second mirror are aligned in a common second plane plane.
The two planes preferably run parallel to one another.
The reference numeral 1 denotes a light emitting unit, which is connected to a light source, not shown here. The light source may be a coherent or incoherent monochromatic multicolor light source or a white light source.
The Lichtaussendeeinheit has a plurality of adjacently arranged optical fibers, which are arranged on the light-emitting, the Lamellargittereinheit 5 side facing in at least one row 11. Preferably, they are arranged on at least, more preferably on exactly one straight line. The light guides can be guided as a circular or oval bundle 10 to the light source. The coupled into this light guide light is designated in Fig. 1 with E. The presentation is not to scale.
Light, which is coupled out of the optical fibers 110, passes perpendicular or at an angle to the reflection surfaces of the mirror 510, 511. This is the Auskoppelrichtung.
The reference numeral 2 denotes a light receiving unit, which is also connected via a light pipe with an evaluation unit, not shown here. Preferably, the light receiving unit consists of a plurality of optical fibers, which are arranged at the light-receiving end in at least one row 21. Preferably, they are arranged in at least one straight line and more preferably in exactly one straight line. This light guide row 21 can also be brought together to form a preferably round or oval bundle 20 and thus transmit the light to an evaluation unit.
Light which is reflected by the mirrors is preferably coupled into the light receiving unit in the coupling-in direction. This coupling-in direction is preferably perpendicular to the reflection or mirror surface. It can also be at an angle to it. In the case of an angle, the angle between the light extracting light guide row 11 and the reflection surface is approximately equal to the angle between the light coupling light guide row 21 and the reflection surface, but with a different sign.
Suitable light guides for the light emitting unit and optionally for the light receiving unit are monomode fibers or multimode fibers.
Light, which now passes from the light source in the light guide row 11 of the light emitting unit 1, is directed directly to the mirror 510, 511 of the lamellar grating 5. There it is reflected by all mirrors 510, 511. Since the first mirror group 510 has a different distance to the first row of light guides 11 than the second mirror group 511, there is a phase shift of the reflected light, depending on which mirror the single light beam was reflected. The reflected light with the two different phases reaches the light receiving unit 2. It is forwarded to the evaluation unit 7, where changes in the light intensity are detected. Preferably, a phase correction is performed first. The interference is shown schematically in Fig. 1 and provided with the reference numeral I.
This interferometer actually requires no further optical components in the beam path between Lichtaussendeinheit and mirror or between the mirror and the light receiving unit. Preferably, no further optical components are present in said areas of the interferometer. However, depending on the application, other optical components, such as filters, lenses or steel dividers may be used.
In Fig. 10, a spectrometer is shown schematically. In addition to the above-mentioned interferometer, it comprises a light source 6 and an evaluation unit 7. The light source 6 transmits light into the first optical fiber bundle 10. The beam path is not shown in a straight line in the figure. It can, but not necessarily, be redirected by means of optical elements. The evaluation unit 7 detects the reflected light and evaluates it. In FIG. 10, spectra S are shown.
A sample P to be determined is preferably arranged between light source 6 and light coupling unit 1. However, it can also be arranged between light extraction unit 2 and evaluation unit 7.
2 and 3, a first embodiment of the inventive interferometer is shown. The lamellae lattice unit 5 is a MEMS-based structure with a frame or main body 50 and a first mirror side 51 integrally formed thereon with two mirror sets 510, 511. It may have a second, oppositely directed mirror side 51 and be formed symmetrically overall. Such a structure is described, for example, in the aforementioned WO 2006/000120. Typical lengths of the mirror row 51 are 3.5 to 4 mm. Typical widths and heights of the individual mirrors 510, 511 are in the micrometer range. Preferably, the widths of the individual mirrors are 510, 51112 μm and the heights 75 to 100 μm or even up to 150 μm.
The individual mirrors are lined up in width and thus give the length of the mirror row. The height of the mirror row preferably corresponds to the height of the individual mirrors.
As can be seen in FIG. 3, the first mirror side 51 consists of a row of the above-mentioned first movable mirrors 510 and a row of second mirrors 511 fixed relative to the first mirrors.
Opposite to the first mirror row 51 is the light emitting unit 1, which faces the row of mirrors 51 has the light guide row 11. The light guide row 11 preferably extends approximately over the entire width of the first mirror side 51.
This light guide row 11 consists, as can be seen in Fig. 3, of a plurality of juxtaposed optical fibers 110. It can be identical or different optical fibers are used. Preferably, they are identical to each other. The light guides 110 may be arranged touching or spaced from each other.
The individual optical fibers 110 of the optical fiber row 11 merge into an optical fiber bundle 10, as can be seen in FIG. 2. This optical fiber bundle 10 extends into the region of the light source 6, not shown, from which the light is coupled into the optical fibers. The cylindrical element at the upper edge of the picture symbolizes the sheathing of the optical fiber bundle 10.
In the example shown here, the light emitting unit 1 also forms the above-described light receiving unit. That is, the optical fibers 110 both emit light and also receive the reflected, partially phase-shifted light. In the area of the light source 6 there is also an evaluation unit which evaluates the light returned via the light guides. Preferably, in this case, a beam splitter is provided to supply the reflected light to the evaluation unit.
4 and 5, a second embodiment is shown. Here, the light emitting unit 1 and the light receiving unit 2 are two separate units. In the example shown here, they are arranged one above the other. In this case, the first row of light guides 11 may be arranged above or below the second row of light guides. Depending on the base body 50, it is advantageous if the first row of optical fibers is arranged below the second. Preferably, both rows 11, 21 are formed approximately equal length and extend over approximately the entire width of the first mirror side 51st
Preferably, the same optical fiber types are used for the light emitting unit 1 as for the light receiving unit 2. Typical diameters of the light guides 110, 210 are 50-100 p.m. Preferably, the diameter of the light-emitting optical fibers 110 is equal to or smaller than the height of the opposing mirrors 510, 511. Preferably, the diameters of the light-receiving optical fibers 210 are equal to or greater than the height of the opposing mirrors 510, 511.
Again, a light source 6 is present, which couples light into the first optical fiber bundle 10 of the light emitting unit 1. The reflected, partially phase-shifted light is coupled into the second row of light guides 20 of the light receiving unit 2 and passes through the second optical fiber bundle 20 to the evaluation unit.
6, a further variant is shown. Here, the second light guide row 21 of the light receiving unit 2 is made longer than the first light guide row 11 of the light emitting unit 1. Thereby, as much light as possible can be picked up by the light receiving unit 2. However, the arrangement can also be reversed.
In the embodiment according to FIG. 7, the light guides 210 of the light receiving unit 2 have a larger diameter than the light guides 110 of the light emitting unit 1 in order to receive as much light as possible. The diameter can be many times greater.
8, a further embodiment is shown. Here, the light-emitting optical fibers 110 and the light-receiving optical fibers 210 are arranged alternately next to one another. Preferably, in each case a light-emitting optical fiber 110 is followed by a light-receiving optical fiber 210.
In Fig. 9, the receiving unit is not formed by optical fibers, but by a sensor 2. This is arranged in the region of the light-emitting optical fiber row 11. As a sensor is particularly suitable a photodetector known type.
The abovementioned embodiments can also be connected to one another. Instead of a single row of light guides, it is also possible to use several rows of light guides. These rows can extend on curved instead of straight lines. Furthermore, these rows can be arranged at an angle to one another and at an angle to the mirror surfaces, as long as the selection of the angles ensures that sufficient emitted light reaches the mirrors and sufficient reflected light passes from the mirrors to the receiving unit. For example, in another embodiment, optical fibers can both emit and receive light and merely receive or emit other optical fibers.
These interferometers can be used in spectrometers with the known evaluation methods and applications. Examples include: gas and liquid analyzes, water controls, analyzes of body fluids such as blood, milk analyzes, quality controls in the food and pharmaceutical sectors and light analyzes.
The inventive interferometer and the spectrometer using this interferometer allow an evaluation of relatively high levels of light and therefore have an increased sensitivity. Furthermore, only a few optical components are necessary, the adjustment is facilitated and they are inexpensive to produce.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0057]
<Tb> 1 <sep> light emitting unit
<tb> 10 <sep> first fiber optic bundle
<tb> 11 <sep> first row of light guides
<tb> 110 <sep> first light guide
<Tb> 2 <sep> light receiver unit
<tb> 2 <sep> photodetector 20 second optical fiber bundle
<tb> 21 <sep> second row of light guides
<tb> 210 <sep> second optical fiber
<Tb> 5 <sep> Lamellargittereinheit
<Tb> 50 <sep> base
<tb> 51 <sep> first mirror
<tb> 51 <sep> second mirror
<tb> 510 <sep> moving mirror
<tb> 511 <sep> fixed mirror 6 light source
<Tb> 7 <sep> evaluation
<tb> E <sep> emitted light
<tb> I <sep> brought into interference reflected light
<Tb> S <sep> Spectrum