DE19836595A1 - Anordnung zur Messung von optischen Spektren - Google Patents

Abstract

Die Aufnahme von optischen Spektren erfolgt in zunehmendem Maße mit Hilfe von Zeilenspektrometern. Sie bestehen aus einem optischen Teil zur spektralen Zerlegung der Strahlung und einem elektronischen Teil zur Ermittlung des spektralen Verlaufes. DOLLAR A Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement zu schaffen, das in miniaturisierter Form ein komplettes Spektrometer vom optischen Eingang bis zu einer definierten elektronischen Schnittstelle umfaßt. Das wird durch eine Anordnung gelöst, die beide Teile in kompakter Weise umfaßt, wobei die Teile vorzugsweise in Sandwichbauweise übereinander angeordnet sind. Der optische Teil kann in Freistrahl- oder Wellenleitertechnik und der elektronische Teil in einer entsprechenden Miniaturisierungstechnik ausgeführt sein. DOLLAR A Die Abbildung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Anordnung. Der Lichtleiter 1 koppelt die Strahlung in den Freistrahlraum 2 der Optoebene ein, der vom Gitter 3 spektral zerlegt und vom Spiegel 4 auf das Empfängerarray 5 in der elektronischen Ebene gelenkt wird. In dieser Ebene befinden sich ein A/D-Wandler 7, ein Mikrocontroller 8 sowie ein Programm- und Datenspeicher 9. Die Schnittstelle 10 in Form von elektrischen Anschlüssen gestattet den Einbau der Anordnung auf Leiterplatten in elektronischen Geräten. DOLLAR A Die Anordnung kann beispielsweise vorteilhaft in Geräteentwicklungen der Farbmeßtechnik, online-Überwachung und Prüfung von Lichtquellen eingesetzt werden. Sie zeichnet sich durch die ...

Description

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Anordnung zur Messung von optischen Spektren. Sie setzt sich aus einem optischen und einem elektronischen Teil zusammen, die dauerhaft miteinander verbunden sind.

Stand der Technik

Die Aufnahme von optischen Spektren erfolgt in zunehmendem Maße mit Hilfe von Zeilenspektrometern, bei denen der Eingangsspalt meistens faseroptisch ausgeführt, das dispersive Element als Gitter gestaltet ist und als Detektor ein Zeilenempfänger verwendet wird. Beispielhaft sei das Miniaturspektrometer MMS der Fa. Carl Zeiss genannt, bei dem ein kompakter und stabiler Aufbau durch die präzisionsoptische Bearbeitung eines transparenten Tragkörpers und der Anordnung von Eingangsspalt, Gitter und Empfängerzeile an den Frontflächen dieses Körpers geschaffen wird (DE 40 38 638).

Spektrometerkomponenten lassen sich durch Anwendung moderner Technologien der Mikrosystemtechnik in einer äußerst platzsparenden Weise herstellen. So nutzt beispielsweise das LIGA-Spektrometer der Fa. microParts GmbH eine planare Schichtwellenleiteranordnung, in der sich die Strahlung ausbreitet (DE 195 43 729). Das Spektrometer ist derartig miniaturisiert, daß es über die elektrischen Anschlüsse des Zeilenempfängers kontaktiert und gleichzeitig gehaltert werden kann. Es läßt sich auf Leiterplatten einsetzen, auf denen sich, das Mikrospektrometer umgebend, die zusätzlich notwendigen elektronischen Bauteile, wie Zeilenansteuerung, Wandler, Mikroprozessor und Speicher, befinden. Diese Grundanordnung variiert von Einsatzfall zu Einsatzfall nur wenig, nimmt aber durch ihren Aufbau auf der Leiterplatte im Gegensatz zum optischen Teil des Mikrospektrometers relativ viel Platz in Anspruch und erfordert einen beträchtlichen Entwicklungsaufwand. In einer Reihe von Patentschriften werden Zeilenspektrometer beschrieben, in denen die Zeilenansteuer- und Auswerteelektronik aus einem Microcontroller, einer Speicher- sowie einer Ein- und Ausgabemöglichkeit besteht. Beispielhaft hierfür sei die Patentschrift US 4560275 genannt. Nachteilig bei diesen Anordnungen sind wiederum der hohe Platzbedarf sowie die hohen Entwicklungsaufwendungen, die nötig sind, um die Systeme an unterschiedliche Anwendungen anzupassen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement zu schaffen, das in miniaturisierter Form ein komplettes Spektrometer vom optischen Eingang bis zu einer definierten elektronischen Schnittstelle umfaßt. Im folgenden wird dieses Bauelement als Spektrenprozessor bezeichnet.

Das Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Das Bauelement weist einen optischen und einen elektronischen Teil auf, die mit modernen Methoden der Aufbau- und Verbindungstechnik dauerhaft miteinander verbunden sind.

Der optische Eingang des Bauelementes wird entsprechend Patentanspruch 2 vorzugsweise durch einen Lichtwellenleiter gebildet. Dadurch läßt sich der Spektrenprozessor sehr flexibel an unterschiedliche Meßanordnungen anpassen. Der Kern der optischen Faser wirkt als Eingangsspalt, durch den die zu untersuchende Strahlung in den Ausbreitungsraum des Spektrometers gelangt. Die spektrale Zerlegung erfolgt, wie im Patentanspruch 3 angegeben, vorzugsweise an einem Reflexions- oder Transmissionsgitter, die Detektion der Signals geschieht durch einen Zeilenempfänger. Je nach Anwendungsfall können dafür Photodioden- oder CCD-Arrays eingesetzt werden. In unmittelbarer Nähe zu diesem optischen Aufbau befindet sich eine miniaturisierte elektronische Schaltung, die, wie in Anspruch 4 ausgeführt, mindestens die Komponenten für die Ansteuerung des Zeilenempfängers, einen A/D-Wandler, einen Microcontroller, einen Taktgenerator, eine Speichereinrichtung sowie eine elektrische Schnittstelle enthält. Im Baustein können die exemplartypischen Werte des Spektrometers, wie Wellenlängenoffset und Fitparameter, gespeichert sein. Entsprechend Patentanspruch 5 empfängt der Spektrenprozessor von einer übergeordneten Steuerung über die bidirektional arbeitende Schnittstelle spezifische Meßparameter sowie den Befehl zur Triggerung der Messung. Zu den Parametern gehören z. B. der gewünschte Wellenlängenbereich und die Integrationszeit. Nach erfolgter Messung werden über die Schnittstelle die gemessenen spektralen Daten an die Steuerung gesendet. Der gesamte elektronische Teil ist vorzugsweise in SMD-Technik auf PCB, in Dickschicht- oder COB-Technik ausgeführt. In einer weitergehenden Ausführungsform ist er, einschließlich der Empfängerzeile und der Vorverarbeitungseinheit, in monolithischer Technik hergestellt. Darüber hinausgehend ist, entsprechend Patentanspruch 6, auch eine monolithische Integration des Spektrenprozessors mit Hilfe der bekannten Technologien der Mikroelektronik und Mikrooptik möglich.

Optischer und elektronischer Teil sind dauerhaft derart miteinander verbunden, so daß Umgebungseinflüsse keinen entscheidenden Einfluß auf die Signalgewinnung haben. Günstigerweise sind die Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und/oder gemeinsam vergossen.

Bei Anwendungen der Spektralmessung besteht oftmals das Problem, gleichzeitig zum eigentlichen Meßspektrum ein Referenzspektrum aufzunehmen zu müssen, z. B. bei Verwendung einer Blitzlampe. Entsprechend Patentanspruch 7 wird in diesem Fall der optische Teil zweikanalig ausgeführt. Dadurch können zwei Spektren gleichzeitig aufgenommen werden, die gemeinsam im elektronischen Teil verarbeitet und z. B. zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Darüber hinausgehend ist es, wie in Patentanspruch 8 ausgeführt, möglich, den optischen Teil mit mehr als zwei Kanäle auszubilden. Dadurch können mehrere Messungen simultan durchgeführt werden, beispielsweise für bestimmte Anwendungen in der Analysenmeßtechnik.

Der Spektrenprozessor stellt ein kompaktes Bauelement dar, bei dem optischer und elektronischer Teil sehr gut aufeinander abgestimmt werden können. Das führt für den Anwender zu Vorteilen bezüglich der Parameter seines Gesamtsystems. Außerdem verbessert sich die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Servicefreundlichkeit. Weiterhin können aufgrund der klar definierten Schnittstellen Anwender ohne spezielle Kompetenz auf optischem Gebiet den Spektrenprozessor in ihren Entwicklungen einsetzen.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau des Spektrenprozessors;

Fig. 2 die wesentlichen Bestandteile des Spektrenprozessors.

Das Spektrometerbauelement besteht aus einer optischen und einer elektrischen Ebene. Beide sind zueinanderjustiert und dauerhaft miteinander verbunden. Der Spektrenprozessor wird vergossen oder in ein Gehäuse montiert, um ihn vor Umwelteinflüssen zu schützen.

Fig. 1 zeigt die Bestandteile des Bauelementes. Der optische Eingang ist durch eine an den Grundkörper gekittete optische Stufenindexfaser 1 mit einem Kerndurchmesser von z. B. 100 µm ausgeführt. Dabei verläuft die Faserachse parallel zur Unterlage, z. B. einer Leiterplatte. Dadurch sind konstruktiv günstige Lösungen des Gesamtsystems möglich. Die Strahlung tritt in den optischen Teil des Spektrenprozessors ein. Entsprechend der Apertur der Faser breitet sich die Strahlung im Freiraum 2 aus und trifft auf ein Reflexionsgitter 3, an dem es in seine spektralen Bestandteile zerlegt und wieder in den Freiraum 2 reflektiert wird. Die Strahlung trifft schließlich, von einem Spiegel 4 umgelenkt, auf das Photodioden- oder CCD-Array 5. Dieser Empfänger bildet das Bindeglied zwischen dem optischen und dem elektronischen Teil des Bauelementes. Der optische Grundkörper ist justiert zum Zeilenarray angeordnet. Dieses befindet sich auf einem Träger in Form eines Dickschichtschaltkreises 6. Dieser Schaltkreis enthält einen ND-Wandler 7, einen Microcontroller 8, einen Programm- und Datenspeicher 9 und weist eine serielle oder parallele Schnittstelle 10 auf, die in Form von Anschlüssen ausgeführt ist. Ebenso erfolgt über die Anschlüsse auch die Stromversorgung des Spektrenprozessors. Durch diese Konstruktion ist das Bauelement auf Leiterplatten und anderen Trägern direkt einsetzbar. Die Bauform ist derart gewählt, daß auch eine Anwendung bei Einschubleiterplatten möglich ist. Der Fasereingang ist senkrecht zu den Anschlüssen angeordnet und die Bauhöhe übersteigt den gewöhnlichen Abstand zwischen zwei Leiterkarten, z. B. 10 . . . 15 mm, nicht.

In Fig. 2 sind die wesentlichen Bestandteile des Spektrenprozessors nochmals im Blockschaltbild dargestellt.

Das Herzstück des elektronischen Teils ist der Prozessor. Er steuert das Taktregime der Zeile und den ADU, ermöglicht spektrale Operationen, wie den Vergleich mit Referenzspektren, Mittelwertbildung, Driftkompensation, Dunkelwertkorrektur sowie komplexere mathematische Operationen. Dadurch wird dem Anwender der Aufwand für derartige, auf dem Gebiet der Spektralmeßtechnik häufig angewandten grundlegenden Berechnungen, in der Spektrometerkomponente abgenommen. Im prozessorinternen Parameterspeicher werden die spektrometerspezifischen Fit- Parameter jeder Komponente gespeichert, so daß die Meßergebnisse bereits wellenlängenrichtig vorliegen. Im zusätzlichen RAM können gemessene oder berechnete Daten zwischenzeitlich gespeichert werden, bis sie von der Peripherie weiterverarbeitet werden. Die Verbindung zur Peripherie erfolgt über eine genormte bidirektionale serielle oder parallele Schnittstelle bzw. über DMA. Neben der Ausgabe der vorverarbeiteten Meßergebnisse können über die Schnittstelle die erforderlichen Meßparameter, wie Wellenlängenbereich und Integrationszeit, sowie gewünschte Spektrenoperationen mittels eines einfachen Befehlssatzes eingegeben werden. Beispielsweise läßt sich mit einer kurzen Befehlsfolge die Differenz von zwei aufeinanderfolgend gemessenen Spektren ermitteln. Damit kann man z. B. die Dunkelstromkorrektur durchführen und sofort das korrigierte Signal weiterverarbeiten.

Claims (8)

1. Anordnung zur Messung von optischen Spektren, dadurch gekennzeichnet, daß sie in kompakter Bauweise einen optischen und einen elektronischen Teil enthält, die vorzugsweise übereinander in Sandwichbauweise angeordnet sowie dauerhaft miteinander verbunden sind, wobei der optische Teil in Wellenleiter- oder in Freistrahltechnik ausgeführt ist und der elektronische Teil eine Einheit zur Vorverarbeitung der Spektren aufweist und die für den optischen Teil der Anordnung spezifischen Fitparameter enthält.

2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise ein Lichtwellenleiter als Eingangsspalt verwendet wird.

3. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Zerlegung der Strahlung mittels eines Reflexions- oder Transmissionsgitters und die Aufnahme des Spektrums durch einen Zeilenempfänger, vorzugsweise ein Photodioden- oder CCD-Array, erfolgt.

4. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Teil mindestens eine Empfängerzeile, die elektronischen Elemente zum Ansteuern und Auslesen dieser Zeile, einen Mikroprozessor, mindestens eine Speichereinrichtung sowie eine elektrische Schnittstelle besitzt.

5. Anordnung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle bidirektional ausgeführt ist, der Austausch der binär codierten Daten, seriell oder parallel erfolgt sowie über die Schnittstelle die gewünschten Meßparameter, Spektrenoperationen und die Triggerung der Messung eingegeben und die gemessenen und vorverarbeiteten Spektren ausgegeben werden können.

6. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Anordnung oder der elektronische Teil in monolithischer Technik ausgeführt sind und die optischen Komponenten, die Empfängerzeile sowie die Vorverarbeitungseinheit oder Teile der genannten Komponenten auf dem Chip integriert sind.

7. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Teil zwei Kanäle aufweist, mit denen Meß- und Referenzspektrum gleichzeitig aufgenommen und im elektrischen Teil des Bauelementes verarbeitet, insbesondere zueinander in Bezug gesetzt werden können.

8. Anordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Teil mehr als zwei Kanäle aufweist, mit denen zeitlich parallele Messungen durchgeführt werden können.