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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometersystem, das eine spektrale Analyse eines zweidimensionalen Messfeldes ohne bewegte Teile erzeugen kann. Insbesondere kann die spektrale Analyse mehr oder weniger in Echtzeit durchgeführt werden.
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Es ist bekannt, Spektrometer mithilfe eines scannenden Systems, d.h. mittels bewegter diffraktiver Elemente, beispielsweise Gitter oder Prismen, aufzubauen. Derartige Spektrometer werden auch als Monochromatoren bezeichnet. Zur Aufnahme der Messdaten werden Fotodioden verwendet, die, falls erforderlich, mit einem Fotomultiplikator gekoppelt sind, um eine bessere Empfindlichkeit zu erreichen. Derartige Systeme sind jedoch bei vielen Anwendungen zu langsam, da der zu vermessende zweidimensionale Bereich abgescannt werden muss. Ein derartiges System ermöglicht eine eindimensionale Messung, d.h., ein Messpunkt wird spektral zerlegt, aber nicht zeitlich aufgelöst.
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Bei einem beispielhaften derartigen Spektrometer tritt Licht durch einen Eingangsspalt in das Spektrometer ein und wird von einem ersten Spiegel kollimiert. Daraufhin wird die optische Strahlung von einem optischen Gitter spektral zerlegt, d.h. jede Wellenlänge wird mit einem bestimmten Winkel abgelenkt. Ein zweiter Spiegel fokussiert die nun unterschiedlich abgelenkte Strahlung auf einen vorbestimmten Ort. Je nach eingestelltem Gitterwinkel tritt eine vorbestimmte Wellenlänge durch einen Ausgangspalt zu der Fotodiode.
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Eine Weiterentwicklung derartige Messanordnungen sind Spektrometer, die CCD-Zeilen (CCD: Charge Coupled Device; Ladungsgekoppelte Einrichtung) aufweisen. Bei diesen Messanordnungen wird anstatt einer einfachen Fotodiode eine Fotodioden-Zeile verwendet, die beispielsweise durch eine CCD-Einrichtung oder einen CMOS-Chip implementiert werden. Ein Zeilensensor ist ein Sensor, bei dem eine Mehrzahl Fotodioden an einer Zeile aneinandergereiht ist. Durch die mit der CCD-Zeile gewonnene zweite Dimension wird die scannende Bewegung des optischen Gitters hinfällig. Derartige Systeme erlauben zweidimensionale Messungen, d.h. ein Messpunkt wird spektral analysiert (erste Dimension) und zeitlich aufgelöst (zweite Dimension).
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Zum Implementieren eines derartigen Spektrometers wird anstelle des zuvor beschriebenen Ausgangspaltes mit der nachfolgenden Fotodiode eine CCD-Zeile vorgesehen. Da durch die CCD-Zeile mehrere Pixel zur Detektion vorhanden sind, kann die Drehbewegung des optischen Gitters entfallen.
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Neuere Spektrometer erlauben, CCD-Anordnungen einzusetzen, d.h. es wird nicht eine CCD-Zeile sondern ein zweidimensionales CCD-Feld verwendet. Hierbei kann das Messfeld um eine weitere Dimension erweitert werden. Es ergibt sich nun anstelle eines Messpunktes eine Messlinie, welche durch einen Eingangsspalt des Spektrometers beobachtet wird, wohingegen bei den zuvor beschriebenen Spektrometern lediglich ein Eingangsloch verwendet wird.
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Mit einem derartigen Linienspektrometer können dreidimensionale Messungen durchgeführt werden, d.h., eine Messzeile wird spektral zerlegt und zeitlich aufgelöst, wobei die Messzeile die erste Dimension bildet, die spektrale Zerlegung die zweite Dimension bildet und die zeitliche Auflösung die dritte Dimension bildet. Derartige Linienspektrometer können durch eine räumlich scannende Bewegung Messfelder vermessen, wobei das Gesamtmessergebnis dennoch lediglich dreidimensional bleibt. Durch das Scannen wird eine weitere Dimension im Raum gewonnen, d.h. die Messlinie wird zum Messfeld, aber die Dimension der zeitlichen Auflösung geht durch das Scannen verloren. Ein zweidimensionales Messfeld wird mittels Scannen spektral analysiert, kann aber nicht zeitlich aufgelöst werden. Ein System, das eine räumliche Anordnung scannt, wird vom Fachmann als hyperspektrales System bezeichnet.
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Es sind weitere Messanordnungen bekannt, die nicht das Messfeld räumlich scannen, sondern die scannende Bewegung zum Erfassen des Spektrums verwenden. Derartige Messanordnungen verwenden durchstimmbare optische Filter oder Interferometer, beispielsweise ein Fabry-Perot Etalon. Derartige Messanordnungen können das CCD-Feld für die Abbildung eines zweidimensionalen Bildes verwenden. Mittels eines Scans wird dann das Spektrum aufgenommen. Eine derartige Messung ist aber auch eine dreidimensionale Messung, d.h. ein zweidimensionales Messbild wird spektral analysiert, wobei die spektrale Analyse die dritte Dimension bildet. Eine derartige spektrale Analyse ist jedoch nicht zeitlich aufgelöst.
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Mit dieser Art Spektrometer kann lediglich eine Linie eines zweidimensionalen Messfeldes ausgewertet werden. Die physikalische Ursache ist, dass eine Achse des CCD-Chips für die spektrale Auflösung und eine Achse für die räumliche Auflösung der Linie benötigt wird. Somit ist der CCD-Chip vollkommen ausgenutzt und eine andere räumliche Achse des Messfeldes kann nicht aufgelöst werden. Folglich kann mit einer solchen Messanordnung ein zweidimensionales Bild nicht gleichzeitig spektral und zeitlich aufgelöst werden.
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Es wurde vorgeschlagen, zweidimensionale diffraktive optische Gitter hierfür zu verwenden. Dadurch wird das zweidimensionale Messfeld spektral in zwei Achsen zerlegt. In der 0-ten Ordnung wird das Bild abgebildet, in der ersten, zweiten etc. Ordnung befindet sich das Bild sowie die spektrale Information. Mithilfe von mathematischen Algorithmen ist es nun möglich, hieraus ein Spektrum zu berechnen. Bei einem derartigen Verfahren sind die Pixelauflösung und die spektrale Auflösung eingeschränkt. Die Information kann auch zweideutig sein, da das Spektrum rekonstruiert wird und mathematisch nicht eindeutig sein kann. Dies trifft vor allem zu, wenn sehr große spektrale Bereiche untersucht werden sollen.
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DE 10 2006 057 309 A1 betrifft ein Spektrometersystem, wobei eine Aufnahmevorrichtung ein Modul aufweist, das dazu ausgestaltet ist, ein aufzunehmendes Objekt auf eine Bildebene abzubilden und mittels eines dispersiven Moduls das Licht der Bildebene in eine zweidimensionale Matrix von Bildelementen aufzuteilen. Das Licht der Bildsegmente kann dabei separat gesammelt, dispersiv gebeugt und räumlich voneinander getrennt ortsaufgelöst auf einen Photodetektor geworfen werden, wo die Intensitätsverteilung aller Bildsegemente ausgewertet wird.
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DE 10 2011 083 726 A1 betrifft ein konfokales Spektrometer zur Bildgebung und ein entsprechendes Verfahren, wobei Teilbereiche eines spektral zu analysierenden Objekts von einer Lichtquelle beleuchtet werden und ein Abbild des so strukturiert von dem Objekt reflektierten Lichts entlang einer Dispersionsachse senkrecht zu der optischen Achse spektral dispergiert wird. Das so dispergierte Licht wird in einer Detektoreinheit erfasst und ein spektral aufgelöstes Bild des Objekts wird erzeugt.
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Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, ein zweidimensionales Messfeld spektral und zeitlich aufgelöst zu analysieren.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Spektrometersystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum spektralen Auswerten eines zweidimensionalen Messfeldes nach Anspruch 7 gelöst. Die Unteransprüche beanspruchen bevorzugte Ausführungsformen.
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Die Erfindung schafft ein Spektrometersystem, das dazu ausgebildet ist, ein zweidimensionales Messfeld, das Bildpunkte in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung aufweist, spektral aufzulösen, wobei sich die erste Richtung senkrecht zur zweiten Richtung befindet. Das Spektrometersystem umfasst eine Abbildungsvorrichtung und ein Spektrometer. Das Spektrometer ist vorzugsweise ein Spektrometer, das eine Linie als Messfeld aufweist. Die Abbildungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, das zweidimensionale Messfeld in eine Mehrzahl Teilbereiche aufzuteilen, wobei jeder Teilbereich Bildpunkte in der ersten Richtung aufweist und die Teilbereiche entlang der zweiten Richtung angeordnet sind. Die Abbildungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, die Teilbereiche in einer Ebene hintereinander abzubilden. Die Teilbereiche werden vorzugsweise in deren Längsrichtung hintereinander abgebildet. Ein Teilbereich kann eine Zeile oder eine Spalte aufweisen. Die Länge eines Teilbereiches kann etwa der Länge einer Zeile oder einer Spalte entsprechen. Die Breite eines Teilbereichs kann einen oder mehrere Bildpunkte umfassen, ein Teilbereich kann also auch Bildpunkte in der zweiten Richtung aufweisen.
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Das Spektrometer weist ein Eingangsfenster auf und ist dazu ausgebildet, das Spektrum einer Mehrzahl entlang einer Linie auf dem Eingangsfenster abgebildeten Bildpunkten auszuwerten. Das Eingangsfenster kann einen oder mehrere Eingangsspalte aufweisen. Die Abbildungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, die Teilbereiche auf das Eingangsfenster des Spektrometers abzubilden. Das Spektrometer kann das Spektrum der Mehrzahl von entlang einer Linie auf dem Eingangsfenster abgebildeten Bildpunkten im Wesentlichen gleichzeitig auswerten.
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Die Teilbereiche müssen nicht notwendigerweise in einer Linie nacheinander auf dem Eingangsfenster des Spektrometers abgebildet sein. Die Teilbereiche können in einer Ebene hintereinander aber seitlich zueinander versetzt auf dem Eingangsfenster des Spektrometers abgebildet sein.
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Die Teilbereiche können in deren Längsrichtung hintereinander abgebildet sein, wobei die Teilbereiche in deren Querrichtung versetzt abgebildet werden.
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Die Abbildungsvorrichtung weist eine Bildwiederholeinrichtung auf, die das zweidimensionale Messfeld als eine Mehrzahl von Wiederholbildern in einer Ebene hintereinander entlang einer Linie abbildet. Die Bildwiederholeinrichtung kann einen Facetten-Spiegel, eine Mikrospiegelanordnung, eine Linsenanordnung mit einer Mehrzahl Linsen und/oder eine Spiegelanordnung mit einer Mehrzahl Spiegel aufweisen. Die Abbildungsvorrichtung kann eine Mehrzahl Blendenöffnungen aufweisen, wobei die erste Blendenöffnung so angeordnet ist, dass der erste Teilbereich des ersten Wiederholbildes die erste Blendenöffnung passiert, die zweite Blendenöffnung so angeordnet ist, dass der zweite Teilbereich des zweiten Wiederholbildes die zweite Blendenöffnung passiert, und die n-te Blendenöffnung so angeordnet ist, dass der n-te Teilbereich des n-ten Wiederholbildes die n-te Blendenöffnung passiert. Die Mehrzahl Blendenöffnungen können integral durch ein Bauteil, d.h. einstückig, ausgebildet sein. Der erste und der zweite Teilbereich müssen nicht notwendigerweise nebeneinander liegen. Die Nummerierung der Teilbereiche kann auf eine beliebige Weise erfolgen. Durch die Blendenöffnungen werden aus den Wiederholbildern jeweils ein Teilbereich (ROI – Region of Interest; relevanter Bereich) an einen Sensor des Spektrometers weitergeleitet.
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Die Abbildungsvorrichtung kann eine Messfeldabbildungsvorrichtung aufweisen, die alle Teilbereiche in ihrer ursprünglichen Anordnung, vorzugsweise das gesamte Messfeld, auf einer Detektionseinrichtungen abbildet. Die Messfeldabbildungseinrichtung erzeugt eine zweidimensionale Abbildung des Messfeldes mit einer sehr hohen Ortsauflösung.
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Die Messfeldabbildungsvorrichtung kann durch eine Facette des Facettenspiegels, einen Mikrospiegel der Mikrospiegelanordnung, eine Linse der Linsenanordnung und/oder einen Spiegel der Mehrzahl von Spiegel erzeugt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum spektralen Auswerten eines zweidimensionalen Messfeldes. Das Verfahren umfasst den Schritt des Aufteilens des Messfeldes in Teilbereiche, wobei jeder Teilbereich Bildpunkte in der ersten Richtung aufweist, wobei die Teilbereiche entlang der zweiten Richtung angeordnet sind und wobei die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung ist. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Abbildens der Teilbereiche vorzugsweise in deren Längsrichtung nacheinander und den Schritt des spektralen Auswertens der Teilbereiche. Der Schritt des Aufteilens des Messfeldes in Teilbereiche umfasst den Schritt des wiederholten Abbildens des Messfeldes in einer Mehrzahl von Wiederholbildern in einer Ebene hintereinander, vorzugsweise entlang einer Linie, und den Schritt des Weiterleitens eines Teilbereichs in jedem Wiederholbild zum spektralen Auswerten.
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Das Verfahren kann so weitergebildet sein, wie zuvor hinsichtlich des Spektrometersystems beschrieben wurde.
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Ein Gedanke der Erfindung ist, das zweidimensionale Messfeld mithilfe einer optischen Abbildungsvorrichtung vor dem Spektrometer in Teilausschnitte aufzuteilen und umzusortieren. Diese Abbildung kann dann in ein Eingangsfenster des Spektrometers eingekoppelt und spektral analysiert werden. Die Anzahl der Messpunkte der zweidimensionalen Messung des Messfeldes ist identisch mit der Anzahl der Messpunkte des Spektrometers. Im Messfeld sind die Messpunkte jedoch nicht auf einer Linie verteilt, sondern über das gesamte zweidimensionale Messfeld.
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Durch die gleichzeitige Aufnahme spektraler Daten eines zweidimensionalen Messfeldes entfällt eine scannende Bewegung in der spektralen und/oder räumlichen Dimension. Es ist also möglich, zeitlich aufgelöste vierdimensionale Messungen durchzuführen, wobei die ersten beiden Dimensionen durch die Aufnahme des zweidimensionalen Messfeldes, eine Dimension durch die spektrale Auflösung und eine Dimension durch die zeitliche Auflösung gebildet werden. Da das Spektrometersystem keine beweglichen Teile, beispielsweise scannende Teile, aufweist, ist die Stabilität, die Lebensdauer und die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Spektrometersystems besser als bei scannenden Systemen. Da das Spektrometersystem lediglich optische Abbildungen verwendet und etablierte Spektrometer-Technologien verwendet, kann der gesamte spektrale Bereich beispielsweise von DUV (Deep Ultra Violett) bis Infrarot ausgewertet werden.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, die zum Verständnis der Erfindung dienen und nicht einschränkend aufzufassen ist.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung, die die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Spektrometersystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
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2 exemplarisch einen Facetten-Spiegel;
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3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Spektrometersystem;
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4a schematisch die Auflösung bei der spektralen Analyse eines zweidimensionaler Messfeldes; und
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4b die Abbildung des zweidimensionalen Messfeldes mit hoher Auflösung.
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1 zeigt schematisch die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Spektrometersystems sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein zweidimensionales Messfeld umfasst exemplarisch fünf Teilbereiche 101, 102, 103, 104 und 105. Die Teilbereiche sind in der Darstellung in 1 in Spaltenrichtung angeordnet. Es versteht sich, dass die Teilbereiche auch in Zeilenrichtung angeordnet sein können.
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Mittels einer Bildwiederholeinrichtung (in 1 nicht gezeigt) werden eine Mehrzahl Wiederholbilder 110 erzeugt, die nacheinander bzw. nebeneinander angeordnet sind. Die Wiederholbilder 111, 112, 113, 114 und 115 sind in 1 derart dargestellt, dass sie voneinander beabstandet sind. Es versteht sich, dass sich die Wiederholbilder auch berühren können. Jedes Wiederholbild 111, 112, 113, 114 und 115 umfasst die Teilbereiche 101, 102, 103, 104 und 105. Die Wiederholbilder 111, 112, 113, 114 und 115 sind identisch.
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Im nächsten Schritt wird in jedem Mehrfachbild 111, 112, 113, 114 und 115 jeweils nur ein Teilbereich weitergeleitet, bzw. transmittiert. Eine Blendenanordnung 210 umfasst eine erste Blendenöffnung 211, eine zweite Blendenöffnung 212, eine dritte Blendenöffnung 213, eine vierte Blendenöffnung 214 und eine fünfte Blendenöffnung 215. Durch die erste Blendenöffnung 211 kann der erste Teilbereich 101 des ersten Wiederholbildes 211, durch die zweite Blendenöffnung 212 kann der zweite Teilbereich 102 des zweiten Wiederholbildes 112, durch die dritte Blendenöffnung 213 kann der dritte Teilbereich 103 des dritten Wiederholbildes 113, durch die vierte Blendenöffnung 214 kann der vierte Teilbereich 104 des vierten Wiederholbildes 114 und durch die fünfte Blendenöffnung 215 kann der fünfte Teilbereich 105 des fünften Wiederholbildes 115 passieren. Die Blendenöffnungen 211–215 sind in Längsrichtung der Blendenanordnung 210 hintereinander angeordnet und in deren Querrichtung versetzt angeordnet.
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Nachdem die Teilbereiche 101, 102, 103, 104 und 105 die Blendenanordnung 210 mit den Blendenöffnungen 211, 212, 213, 214 und 215 passiert haben, werden die Teilbereiche 101, 102, 103, 104 und 105 auf einem Eingangsfenster 220 eines Spektrometers abgebildet. Die Teilbereiche sind in ihrer Längsrichtung und/oder der Längsrichtung des Eingangsfensters 220 des Spektrometers in einer Ebene hintereinander und in der Querrichtung der Teilbereiche bzw. in der Querrichtung des Eingangsfensters 220 des Spektrometers zueinander versetzt angeordnet. Der Versatz in Querrichtung muss aber nicht notwendigerweise vorhanden sein.
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Die Erfindung wird nun anhand von 2 und 3 detaillierter beschrieben. Wird in den Strahlengang ein fokussierendes Element, beispielsweise ein Spiegel oder eine Linse, eingeführt, um die in unterschiedlichen Winkeln abgelenkten Strahlen zu fokussieren, entstehen Wiederholbilder 111, 112, 113, 114, 115, die an unterschiedlichen Stellungen relativ zu optischen Achse abgebildet werden, beispielsweise in einer Ebene hintereinander, wie in 1 dargestellt ist. Der Facettenpiegel 202 wirkt als Strahlumlenkung, wobei es aus Sicht der Abbildung erscheint, als ob die einzelnen Bilder aus unterschiedlichen Richtungen und damit unterschiedlichen Stellungen relativ zur optischen Achse kommen. Daher werden sie an unterschiedlichen Stellen abgebildet. Die Facetten-Oberflächen 202a–202n des Facettenspiegels könnten alle die gleiche Neigung haben.
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Wie in 1 dargestellt ist, werden die Wiederholbilder 111, 112, 113, 114, 115 in einer Ebene hintereinander in einer Linie abgebildet. Das ermöglicht, die Wiederholbilder 111, 112, 113, 114, 115 auf das Eingangsfenster 220 eines Spektrometers 250 (siehe 3), abzubilden.
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Vorteilhafterweise werden die Mehrfachbilder 111, 112, 113, 114, 115 im Wesentlichen entlang einer Linie 110 in einer Ebene hintereinander abgebildet. Dadurch können die Teilbereiche 101, 102, 103, 104, 105 mittels eines Linienspektrometers 250 abgebildet werden.
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Die Größe eines Wiederholbildes hängt von der Brennweite f und der Abbildungsgeometrie ab: B / G = f / g – f wobei B die Bildgröße des Wiederholbildes, und G die Gegenstandsgröße, d.h. die Größe des zweidimensionalen Messfeldes, sowie g der Abstand des Mehrfachbildes zum abbildenden Element, beispielsweise Linse, Spiegel, ist.
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Aus dem Neigungswinkel β des jeweiligen Planspiegels des Facettenspiegels ergibt sich ein Reflexionswinkel α von: α = 2 × β;
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Der Reflexionswinkel α bewirkt, wie zuvor erwähnt wurde, eine Winkeländerung, wodurch die Strahlen des Teilbildes mit einem Winkel auf das abbildende Element treffen und dadurch in einer anderen Stellung bzw. Höhe abgebildet werden. Für den Mittelpunkt des entstehenden Mehrfachbildes ergibt sich annähernd die Abbildungshöhe y: y = tan(α) × b; wobei b Bildweite ist. Der Abstand vom abbildenden Element zum Ort des Bildes ergibt sich wie folgt: 1 / f = 1 / b + 1 / g
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Mittels des erfindungsgemäßen Spektrometersystems kann eine Mehrzahl von Wiederholbildern 111, 112, 113, 114, 115 des gleichen zweidimensionalen Messfeldes 100 in unterschiedlichen Stellungen am gleichen Fokus erzeugt werden. Die Größe B der Mehrfachbilder 111, 112, 113, 114, 115 sowie deren Abstand zueinander bestimmen, wie groß das Eingangsfenster 220 ausgelegt sein muss. Das Eingangsfenster 220 des Spektrometers 250 muss eine derartige Größe aufweisen, dass alle Teilbereiche 101, 102, 103, 104, 105 der Wiederholbilder 111, 112, 113, 114, 115 auf dem Eingangsfenster 220 abgebildet werden können, wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde.
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Eine Blende 206 kann den objektseitigen Strahlengang 205 und somit das abbildbare zweidimensionale Messfeld einschränken. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich die Wiederholbilder 111, 112, 113, 114, 115, nicht überlappen.
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Die Intensität der Wiederholbilder 111, 112, 113, 114, 115 relativ zur Intensität des ursprünglichen Bildes hängt von der Größe der Planspiegel 202a, 202b, 202c, 202n und den eingesetzten Blenden bzw. Blendenöffnungen 206, 211, 212, 213, 214, 215 ab. Da die Facetten bzw. Planspiegel 202a, 202b, 202c, 202n nicht am gleichen Ort angeordnet sein können, haben sie einen Versatz in einer räumlichen Achse. Dies hat einen Einfluss auf das Eingangsfenster 220 des Spektrometers 250. Hierbei müssen auch Abbildungsfehler berücksichtigt werden.
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Durch die verwendete Blendenöffnung wird definiert, wie viel Signal in das System eintritt. Die Spiegelgröße definiert, wie viel Signal dann weiter aufgenommen wird und so weiter. Es versteht sich, dass eine große Blendenöffnung in Kombination von großen Spiegeln sehr viel lichtstärker als eine schmale Blendenöffnung mit kleinen Spiegeln ist. Der Versatz der einzelnen Planspiegel hat zur Folge, dass die Bilder auch einen anderen Einfallswinkel in der anderen Achse haben, demnach werden sie auch in dieser Achse in einer etwas anderen Höhe abgebildet. In der einen Achse ergibt sich die Höhe durch den Neigungswinkel, in der anderen Achse durch den Versatz in der räumlichen Achse, auch hier entsteht ein Winkelunterschied, welcher abgebildet wird. Abbildungsfehler können entstehen, da die einzelnen Bilder auf verschiedene Teile des abbildenden Spiegels treffen. Demnach kann sphärische Abberation, Koma, Astigmatismus, etc. eine größere Rolle spielen.
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Nachdem das zweidimensionale Messfeld 100 die Blende 206 und den Facettenspiegel 202 passiert hat, laufen die Abbildungsstrahlen 203a des ersten Mehrfachbildes 111, die Abbildungsstrahlen 203b des zweite Mehrfachbildes 112 und die Abbildungsstrahlen 203c des dritten Mehrfachbildes etc. durch die Blendenanordnung 210, in der nicht relevante Teilbereiche der Mehrfachbilder 111 ausgeblendet werden. Die Blendenanordnung 210 können lediglich relevante Teilbereiche passieren, d.h. der erste Teilbereich 101 des ersten Wiederholbildes 111, der zweite Teilbereich 102 des zweiten Wiederholbildes 112, der dritte Teilbereich 103 des dritten Wiederholbildes 113, der vierte Teilbereich 104 des vierten Wiederholbildes 114 und der fünfte Teilbereich 105 des fünften Wiederholbildes 115.
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Somit werden vor dem Einkoppeln der Wiederholbilder 111, 112, 113, 114, 115 in das Eingangsfenster 220 des Spektrometers 250 von jedem Wiederholbild die Teilbereiche ausgeblendet, die nicht genutzt werden. Pro Wiederholbild wird genau ein Teilbereich des zweidimensionalen Messfeldes auf das Eingangsfenster 220 des Spektrometers 250 abgebildet. Somit kann das zweidimensionale Messfeld 100 aus unterschiedlichen Teilbereichen, beispielsweise Zeilen oder Spalten, zusammengesetzt werden.
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Die Blendenanordnung kann sich alternativ zu der in 3 gezeigten Stellung direkt am Eingangsfenster 220 befinden. Wird die Blendenanordnung 210 direkt am Eingangsfenster 220 des Spektrometers angeordnet, müssen die Blendenöffnungen im Wesentlichen die gleiche Dimension wie die Abbildungen der Teilbereiche 101, 102, 103, 104, 105 aufweisen. Ferner müssen die Blendenöffnungen 211, 212, 213, 214, 215 an der Stelle angeordnet sein, an der die jeweiligen Teilbereiche 101, 102, 103, 104, 105, abgebildet werden. Es ist auch möglich, dass der Eingangsspalt des Spektrometers die Blendenanordnung ersetzen kann. Mit anderen Worten, die Blendenöffnung 211 muss sich an der Stelle befinden, an der der Teilbereich 101 abgebildet wird, die Blendenöffnung 212 muss sich an der Stelle befinden, an der der Teilbereich 102 abgebildet wird, und die Blendenöffnung 213 muss sich an der Stelle befinden, an der der dritte Teilbereich 103 abgebildet wird, die vierte Blendenöffnung 214 muss sich an der Stelle befinden, an der der vierte Teilbereich 104 abgebildet wird, und die fünfte Blendenöffnung 215 muss sich an der Stelle befinden, an der der fünfte Teilbereich 105 abgebildet wird.
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Die Blendenanordnung 110 kann einstückig sein oder mehrere separate Blenden aufweisen.
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Die Breite des Eingangsfensters 220 des Spektrometers 250 beeinflusst die spektraler Bandbreite des Spektrometers 250. Falls das Eingangsfenster 220 des Spektrometers 250 eine andere Breite als eine Spalte des Bildes aufweisen soll, kann mithilfe einer zusätzlichen Blende der Abblendmechanismus vom Eingangsfenster 220 entkoppelt werden.
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Falls der oder die Eingangsspalte breiter sind als eine Spalte des Messfeldes, würde eine Spalte nicht mehr für sich getrennt untersucht werden, es würden sich Spalten vermischen. Die Breite des Eingangsspaltes hat direkt Einfluss auf die optische Bandbreite des Spektrometers. Der Spalt wird im Spektrometer auf den Chip abgebildet, dabei wird er zwar spektral aufgespaltet, jedoch wird die Größe mit dem Abbildungsverhältnis des Spektrometers abgebildet. D.h., ein breiter Spalt wird eine breite spektrale Linie und damit eine geringe spektrale Auflösung bewirken. Ein schmaler Spalt erlaubt es, schmale spektrale Linien zu untersuchen. Ein schmaler Spalt bewirkt weniger Intensität und eine längere Messzeit. Normalerweise kann man dies für die jeweilige Anwendung frei wählen, hier ist jedoch die Spaltbreite mit der räumlichen Auflösung gekoppelt. Aus diesem Grund müssen Blenden vorgesehen sein, um räumlich den richtigen Spalt auszuwählen. Falls der Eingangsspalt des Spektrometers direkt verwendet wird, muss dieser Effekt berücksichtigt werden.
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Erste Abbildungsstrahl 203a des ersten Wiederholbildes 111, der zweite Abbildungsstrahl 203b des zweiten Wiederholbildes 112 und der dritte Abbildungsstrahl 203c des dritten Wiederholbildes 113 werden durch ein fokussierendes Element 208, beispielsweise einen Spiegel auf das Eingangsfenster 220 des Spektrometers 250 abgebildet.
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Die Bildpunktauflösung bzw. die Pixelauflösung des zweidimensionalen Messfeldes ergibt sich aus der Anzahl der Facetten bzw. der Anzahl der Planspiegel des Facettenspiegels, die bestimmen, in wie viele Teilbereiche das zweidimensionale Messfeld zerlegt werden kann, und aus der Anzahl von Pixel des CCD-Chips in einer Richtung, d.h. mit wie vielen Pixel ein Teilbereich abgebildet werden kann. Die spektrale Auflösung hängt ebenfalls von der Anzahl der Pixel des CCD-Chips in der anderen Richtung ab. Bei einem CCD-Chip mit 2048×512 Pixel und bei einem Facetten-Spiegel mit 36 Facetten ergeben sich 36 Pixel in einer ersten Achse und 65 Pixel in der zweiten Achse (2048/36), wobei die erste Achse auf der zweiten Achse senkrecht steht. Folglich kann ein zweidimensionales Messfeld mit 35 × 56 Messpunkten untersucht werden, solange jedes Pixel genutzt werden kann. Für die spektrale Analyse ergeben sich 512 Pixel pro Messpunkt.
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Es wird nochmals auf 3 Bezug genommen. Von einem zweidimensionalen Messfeld 100 eines Objektes werden Bildstrahlen 205 emittiert, die durch die Blende 206 verlaufen. Im Facetten-Spiegel 202 wird der ursprüngliche Strahl 205 in eine Mehrzahl von Teilbildstrahlen 203a, 203b, 203c aufgeteilt. Die Teilbildstrahlen 203a, 203b, 203c passieren die Blendeneinrichtung 210 und werden von dem Spiegel 208 fokussiert, um auf dem Eingangsfenster 220 des Spektrometers als erster Teilbereich 101, zweiter Teilbereich 102 und dritter Teilbereich 103 abgebildet zu werden.
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Der Facetten-Spiegel 202 umfasst ferner eine Messfeldabbildungsfacette, die einen Messfeldabbildungsstrahl 260 reflektiert, der über eine Linse 262 auf einem Messfeldabbildung-CCD-Chip 264 abgebildet wird. Dadurch kann das gesamte Messfeld mit hoher Auflösung dargestellt werden. Folglich können auch Details des zweidimensionalen Messfeldes erkannt werden.
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4a zeigt eine Abbildung, des zweidimensionalen Messfeldes, wie sie effektiv am Messfenster 220 des Spektrometers 250 erzeugt wird, wobei die Teilbereiche nicht hintereinander, sondern übereinander angeordnet werden, um die Auflösung grafisch darzustellen. Die Teilbereiche 101, 102, 103, 104, 105 werden auf dem Eingangsfenster 220 in einer Ebene hintereinander abgebildet und werden nur zur Darstellung in 4a übereinander abgebildet.
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4b zeigt eine Abbildung eines Kreises, die derjenigen von 4a entspricht mit hoher Auflösung. Diese Abbildung ergibt sich an dem Messfeldauswertung-CCD-Chip 264, auf dem das gesamte zweidimensionale Messfeld 100 mit einer hohen Auflösung abgebildet wird.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein zweidimensionales Bildfeld ohne mechanische Bewegung vierdimensional ausgewertet werden kann. Die ersten beiden Dimensionen sind die beiden Koordinatenachsen des zweidimensionalen Messfeldes. Die dritte Dimension ist die spektrale Auflösung. Die vierte Dimension ist die Zeit, da die Messung mehr oder weniger in Echtzeit durchgeführt werden kann.
