DE60002473T2 - Fourier-spektrometer mit einem optischen block - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Interferometer und insbesondere Fouriertransformationsspektrometer. Die Fouriertransformationsspektroskopie ist eine allgemein bekannte Technik zum Erhalten der Spektren von schwachen, ausgedehnten Quellen. Sie bietet Durchsatz- und Multiplexvorteile, die im Vergleich zu anderen Verfahren zu einem überlegenen Signal-zu-Rausch-Verhalten führen können.
• Als Folge davon stieg die Nachfrage nach Fouriertransformationsspektrometern für einen großen Bereich von Anwendungen einschließlich industrieller, medizinischer, umwelttechnischer und Verbraucheranwendungen stark an.
• Entsprechend gab es einen Trend zur Veinfachung und Erhöhung der Robustheit der Spektrometerinstrumente, damit diese in einem weiten Bereich von Anwendungen benutzt werden können. Es gibt jedoch immer ein Spannungsfeld zwischen der Leistungsfähigkeit und den damit verbundenen Kosten, die den Anwendungsbereich für neue Produkte wieder einschränken.
• Die Druckschrift DE 197 49 377 A beschreibt ein Interferometer mit einem optischen Block mit zwei geneigten äußeren Flächen, die als Reflektoren dienen, und einer dritten Fläche, die als Strahlteiler und Vereiniger wirkt.
• Die vorliegende Erfindung betrifft besonders die Schaffung einer extrem einfachen und robusten Komponente für ein Spektrometer sowie ein verbessertes Fouriertransformationsspektrometer.
• Gemäß einem Aspekt umfaßt die vorliegende Erfindung einen optischen Block, bei dem das zu analysierende Licht intern reflektiert und vereinigt wird, um ein Interferenzstreifenmuster zu erzeugen, das vermessen werden kann, um eine Spektralanalyse des Lichts zu erhalten.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun beispielhaft und mit Bezug zu den anliegenden Zeichnungen Ausführungsformen davon und vom Stand der Technik näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht des bekannten Michelson-Interferometers;
• Fig. 2A und 2B eine Interferenzstreifenfunktion und ein Spektrum;
• Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen bekannten Form eines Interferometers;
• Fig. 4 die Grundkomponenten eines optischen Blocks gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie die Fig. 4;
• Fig. 6A und 6B Schritte bei der Herstellung des optischen Blocks der Fig. 5;
• Fig. 7 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines optischen Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 8 eine ähnliche Ansicht wie die Fig. 7;
• Fig. 9 eine ähnliche Ansicht wie die Fig. 8, wobei jedoch bestimmte Abmessungen zur besseren Verdeutlichung übertrieben dargestellt sind;
• Fig. 10 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines optischen Blocks;
• Fig. 11 eine Darstellung einer bestimmten praktischen Umsetzung einer Ausführungsform eines optischen Blocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 12 eine Darstellung einer anderen praktischen Ausführung eines optischen Blocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 13 eine Darstellung einer dritten praktischen Ausführung eines optischen Blocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 14 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Spektrometers;
• Fig. 15 zwei spektrale Wellenformen;
• Fig. 16 eine schematische perspektivische Ansicht einer praktischen Ausführungsform eines Spektrometers;
• Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Variante des Spektrometers der Fig. 16;
• Fig. 18 eine ähnliche Ansicht einer anderen Variante; und
• Fig. 19 eine Darstellung einer bestimmten Verwendung eines Spektrometers gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Die Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Form eines Instruments auf der Basis eines Michelson-Interferometers. Bei dieser Anordnung fällt das Interferenzstreifenmuster, das sich aus der Überlagerung der Lichtfelder U&sub1; und U&sub2; ergibt, die von den Spiegeln M&sub1; und M&sub2; über den Strahlteiler B reflektiert werden, auf einen lichtempfindlichen Detektor P. Die Apertur dieses Detektors ist beträchtlich kleiner als der Abstand der Interferenzstreifen in der Erfassungsebene. Das Ausgangssignal des Detektors gibt daher bei einer Verschiebung des Spiegels M&sub2; die Intensitätsverteilung der Interferenzstreifen an. In der Fouriertransformationsspektrosopie wird die Verschiebung über einen Weg ±D um den Punkt ausgeführt, an dem die Weglänge 1&sub2; im Verschiebearm des Interferometers der Weglänge 1&sub1; im anderen Arm entspricht. Die Fig. 2 zeigt die Form der Einhüllenden des Interferenzstreifenmusters, das dabei erhalten wird, wobei i(τ) der Photostrom des Detektors P als Funktion der Spiegelverschiebung ±D ist. i(τ) ist proportional zum Interferenzstreifenmuster I&sub1;&sub2; = I&sub1; + I&sub2; · γ(τ)(4ΠD)/λ, (1)
• wobei
• I&sub1; = Intensität des interferierenden Strahls U1,
• I&sub2; = Intensität des interferierenden Strahls U2,
• γ(t) = Kohärenzfunktion der Quelle,
• τ = D/C,
• λ = Wellenlänge des Lichts, und
• c = Geschwindigkeit des Lichts ist.
• γ(τ) ist gleich der Korrelation der beiden Lichtstrahlen mit der relativen Verzögerungszeit τ = D/c, d. h.
• γ(x) = f(t)f*(t + τ)/ , (2)
• wobei f(t) die Interferenzwellenform als Funktion der Zeit t definiert.
• Aufgrund der Wiener-Khinchin-Theorie ist die Fouriertransformation von γ(τ) gleich der spektralen Intensität I(ω). Die Fouriertransformation der Interferenzstreifenfunktion, die auf die beschriebene Weise erzeugt wird, stellt daher ein Maß für die spektrale Verteilung des einfallenden Lichtfelds dar, wie es schematisch in der Fig. 2 gezeigt ist. Es kann gezeigt werden, daß die Auflösung dieser Art von Spektrometer gegeben ist durch
• (δλ/λ)mm = λ/(2Dmax), (3)
• wobei DmaX = maximale Amplitude der Spiegelverschiebung ist.
• Ein Wert von D = 100 um ergibt daher für λ = 500 nm eine Wellenlängenauflösung von unter 1 nm.
• In der Praxis muß der Verschiebemechanismus extrem genau funktionieren, um Variationen im Abstand der Interferenzstreifen und Vibrationen am Detektor minimal zu halten, da solche Variationen ebenfalls eine Modulation der Einhüllenden der Interferenzstreifen verursachen und zu Fehlern im sich ergebenden Spektrum führen. Dieses Problem wird in der Regel dadurch klein gehalten, daß eckige Würfelreflektoren verwendet werden, aber obwohl diese aufwendig sind, benötigt das Instrument immer noch einen Präzisions-Positions-Encoder, um die Transformationszeitskala (D/c) zu definieren.
• Auf sich bewegende Teile kann dadurch verzichtet werden, daß die Anordnung der Fig. 3 verwendet wird, bei der der Spiegel M&sub2; um den Winkel ε um eine Achse gedreht wird, die mit dem Interferenzstreifen nullter Ordnung zusammenfällt. Es wird dann ein verteiltes Interferenzstreifenmuster beobachtet, das mittels einer Linse L in die Ebene eines Pixel-Detektorarrays DA abgebildet wird. Die Einhüllende des Interferenzstreifenmusters ist dann definiert als das räumlich abgetastete Ausgangssignal des Detektorarrays, sie ist gleich der, die in der Fig. 2 gezeigt ist, es ist hier aber keine Verschiebung eines Spiegels erforderlich.
• Im Stand der Technik sind verschiedene Konfigurationen für Interferometer beschrieben, die darauf abzielen, das beschriebenen Interferometer für ein erweitertes Interferenzstreifenmuster zu vereinfachen und robuster zu machen. Es schließt dies die Verwendung von polarisierenden/doppelbrechenden Elementen ein, um das System im Gegensatz zu der Dreielement-Sagnac-Konfiguration auf ein Einweginterferometer mit gemeinsamen Wegen zu reduzieren.
• Die Fig. 4 zeigt einen optischen Block, der zwei optische Elemente 1 und 2 umfaßt, die aus herkömmlichen optischen Materialien guter Qualität wie BK7-Glas hergestellt werden können. Die Bezeichnung optischer Block wird dazu verwendet, die optischen Komponenten zu definieren, mit denen das Interferenzstreifenmuster tatsächlich erzeugt wird.
• Der optische Block der Fig. 4 umfaßt ein gemeinsames zentrales Element BS/C, das als Strahlteiler und Vereiniger wirkt und das sich zwischen Reflektoren R&sub1; und R&sub2; befindet. Die Ebenen von R&sub2;, BS/C und R&sub1; sind nominell parallel, und R&sub1; und R&sub2; sind von BS/C um den Abstand S&sub1; bzw. S&sub2; getrennt. Ein Eingangsstrahl U1 mit einem Durchmesser a&sub1; fällt unter einem Winkel θ zur Normalen der Oberfläche von BS/C derart ein, daß nebeneinanderliegende Strahlen, die auf R&sub1; und R&sub2; einfallen, sich nicht überlappen. Dies erfordert, daß θ > sin&supmin;¹2S1,2/ai ist. Unter diesen Bedingungen treten zwischen den verschiedenen Kombinationen von Strahlen, die durch die Struktur mit R&sub1;, R&sub2; und BS/C laufen und aus dieser austreten, zwei Strahl-Interferenzen auf (z. B. bei d und f).
• Bei der in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsform werden die interferierenden Strahlen an den äußeren Reflektoren einmal reflektiert. Der Eingangsstrahl wird an BS/C in die reflektierte und die transmittierte Komponente Ur bzw. Ut aufgespalten. Diese Komponenten werden an R&sub1; und R&sub2; reflektiert und rekombinieren wieder an BS/C. Das durch die Gleichung 1 beschriebene Interferogramm wird dadurch erzeugt, daß die Flächen R&sub1; und R&sub2; gegeneinander um den Gesamtwinkel s geneigt sind. Dies ist in der Fig. 5 deutlicher gezeigt, wobei sichergestellt wird, daß der Interferenzstreifen nullter Ordnung für S&sub1; = S&sub2; sich nominell in der Mitte des Interferenzstreifenmusters befindet. Die Interferenzstreifen sind in der Ebene lokalisiert, in der sich die interferierenden Strahlen schneiden, wie es in der Fig. 5 gezeigt ist, d. h. sie haben dort den maximalen Kontrast,. In der Praxis wird eine Linse verwendet, um in der Ebene des Detektorarrays ein Abbild des lokalisierten Interferenzstreifenmusters auszubilden.
• Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Interferometers kann aus einem einzigen Keil hergestellt werden, der längs des Keilquerschnitts in zwei Keile aufgetrennt wird, wie es in der Fig. 6 gezeigt ist. Ein Keil wird dann in seiner Ebene um 180º um die Schnittrichtung gedreht und seine Unterseite mit der des anderen Prismas verkittet, um das gezeigte monolithische Element bzw. den gezeigten optischen Block zu bilden. Es sind auch der Eingangsstrahl 3, die Ausgangslinse 4 und das Sensorarray 5 gezeigt. Um den optischen Durchsatz maximal zu machen, sollten die Reflexionskoeffizienten von R&sub1; und R&sub2; so nahe wie möglich bei 1,0 liegen, und sowohl der Transmissionskoeffizient (t) als auch der Reflexionskoeffizient (r) von BS/C sollte gleich 0,5 sein. Das Sensorarray kann jedes geeignete Halbleiter-Pixelarray sein, etwa ein CCD-Array.
• Eine Schlüsselaufgabe bei der Herstellung ist das Aufrechterhalten der Wiederholbarkeit der Interferenzstreifengeometrie. Bei dem obigen Aufbau hängt dies von dem Ausmaß ab, in dem die Keilausrichtung und der Anbringungsprozeß Abweichungen der Orientierung von R&sub1; und R&sub2; relativ zum Referenzkeilwinkel ε/2 verursachen. Die Empfindlichkeit gegenüber Ausrichtungsfehlern ist relativ zu der für die interferometrische Präzision, die erforderlich ist, wenn die Anzahl von Reflexionen an R&sub1; und R&sub2; von 1 auf 2 erhöht wird, wie es in der Fig. 7 gezeigt ist, nicht so groß. Unter diesen Bedingungen sind die interferierenden Strahlen R&sub1; und R&sub2; gemeinsam, und eine relative Fehlorientierung der letzteren beeinflußt den Abstand der Interferenzstreifen nicht.
• Der Winkelabstand zwischen den interferierenden Strahlen in dieser Doppelreflexionsgeometrie wird entweder durch Kippen eines oder einer Kombination der Abschnitte jedes Reflektors ausgebildet, auf die ein einzelner Strahl einfällt. Wenn die Abschnitte A, B, C, D der Reflektoren der Fig. 8 die Bereiche bezeichnen, in denen es keinen Überlapp der einfallenden Strahlen gibt, dann definieren sie die Abschnitte, die relativ zueinander verkippt werden können.
• Die Fig. 9 und 10 zeigen jeweils eine Anordnung, bei der der Abschnitt A bzw. die Abschnitte A und B verkippt wird bzw. werden. Es ist anzumerken, daß das einzige Erfordernis, wenn zwei Abschnitte gekippt werden, ist, daß die Verkippung im entgegengesetzten Sinn erfolgt, so daß die Winkelverschiebung, die durch das erste Kippen erzeugt wird, nicht durch das zweite Verkippen aufgehoben wird. Die Position des Interferenzstreifens der nullten Ordnung ist auch eine Funktion der relativen Verkippung der beiden Reflektoren, da dadurch der Punkt festgelegt wird, für den die Weglängen der beiden interferierenden Strahlen gleich sind. Im Falle der Fig. 9 (nur A wird gekippt) liegt der Null- Interferenzstreifen am äußersten Rand des Interferenzmusters. Diese Position verschiebt sich zur Mitte hin, wenn B in die entgegengesetzte Richtung gekippt wird (Fig. 10) und liegt in der Mitte des Interferenzstreifenmusters, wenn die Kippwinkel der beiden Spiegel gleich groß sind. Eine seitliche Verschiebung des Doppelwinkelreflektors relativ zur ebenen Platte stellt ein Mittel zur Feinabstimmung der Position des Interferenzstreifens nullter Ordnung dar.
• Bei einer Klasse des bevorzugten Aufbaus ist das Verkippen auf das Element R&sub1; beschränkt, so daß die Funktionen von BS/C und R&sub2; an einer einzigen optischen Platte mit parallelen Flächen kombiniert werden können. Die Fig. 11 zeigt, wie der optische Block mit einer solchen optischen Platte ausgebildet werden kann, die an einem Element M angeordnet ist, das den symmetrisch gekippten Reflektor R&sub1; beinhaltet. In der Praxis kann M ein Präzisionsgußteil sein, und der optische Block wird durch Einsetzen der Platte F an der vorgesehenen Stelle zusammengebaut. Dieser Vorgang ist kompatibel mit preisgünstigen Komponenten und einer günstigen Herstellung, da, wie oben angegeben, dieser Aufbau des optischen Blocks nicht von einer präzisen Anordnung von R&sub1; bezüglich R&sub2; abhängt.
• Die Fig. 11 zeigt auch die zusätzlichen Komponenten des Systems, die aus einer ausgedehnten Quelle S (die in der Praxis eine optische Faser mit großem Kern sein kann), einer Sammel/Fokussierlinse L&sub1;, einem Ausgangsabbildungselement Lo für das Interferenzstreifenmuster und einem Detektorarray A bestehen.
• Die Fig. 12 zeigt eine alternative Art der Herstellung des optischen Blocks, bei der die optische Platte G direkt am Doppelwinkelprisma H angebracht wird. Diese Anordnung ist besonders robust und kann zum Beispiel aus einem Glas geringer Expansion hergestellt werden, um einen Betrieb bei erhöhten Temperaturen zu ermöglichen. Die Fig. 12 zeigt das gleiche Basisdesign, in dem alle Flächen gegenseitig verkippt sind. Dieser Aufbau kann dadurch hergestellt werden, daß ein Doppelwinkelprisma nach dem in der Fig. 7 für ein Einwinkelprisma (d. h. einen Keil) gezeigten Prinzip auseinandergeschnitten und wieder zusammengesetzt wird.
• Um den optischen Durchsatz zu maximieren, sollte bei der äußeren Reflexion an R&sub1; und R&sub2; der Reflexionskoeffizient so nahe wie möglich bei Eins liegen, und die Reflexions- und Transmissionskoeffizienten r, t an BS/C sollten bei 0,33 bzw. 0,66 liegen. Diese Koeffizienten sollten über den ganzen Spektralbereich gelten.
• Die Fig. 14 zeigt schematisch eine typische praktische Ausführung der gerade beschriebenen optischen Blöcke bei einem Interferometer. Das Licht von der Quelle S wird hier über einen Strahlteiler B in den Testbereich T eingekoppelt.
• Bei diesem Aufbau kann T eine Probe sein, an der die spektrale Reflektivität gemessen werden soll. Alternativ kann T ein passiver Reflektor sein, und es wird die spektrale Transmission des Medium zwischen dem Licht abgebenden Element und T gemessen. In jedem Fall wird das Licht über die Eingangslinse L&sub1; in das Interferometer I eingekoppelt und durch die Ausgangslinse Lo auf das Erfassungsarray DA abgebildet. Bei einer bevorzugten Konfiguration können alle Elemente außerhalb des Interferometers dadurch in die Struktur am optischen Block des Interferometers integriert werden, daß zum Beispiel eingeformte Lichtleiter und Linsen mit reflektiven Elementen kombiniert werden. Das Ausgangssignal des Erfassungsarrays kann durch einen geeigneten Prozessor PC für die Anzeige oder den Ausdruck auf die bekannte Weise fouriertransformiert werden.
• Die Fig. 15 zeigt ein Beispiel für ein vorläufiges experimentelles Ergebnis für das Spektrum der gleichen Quelle, gemessen mit einem kalibrierten Spektrometer, und das Spektrum, das mit einer Laborversion des oben beschriebenen Doppekeflexionsspektrometers erhalten wird.
• Es ist deutlich geworden, daß die gerade beschriebenen optischen Blöcke mit einer robusten monolithischen Herstellung der beiden Elemente kompatibel sind. Hinsichtlich des gegenwärtigen Standes der Technik werden dadurch Kosten eingespart, daß das Erfordernis nach speziellen Komponenten beseitigt wird, während gleichzeitig die Herstellung durch eine Verringerung der Zahl der Komponenten vereinfacht ist.
• Die Fig. 16 zeigt eine praktische Ausführung eines Interferometers mit einem optischen Block der gerade beschriebenen Art. Ein Hauptgehäuse 1 nimmt den optischen Block 2 auf. Eine LED 3 strahlt Licht einer vorgegebenen Wellenlänge in eine optische Faser 4 ein, die sich bei 5 gabelt, um Licht, das von einer Testfläche 6 reflektiert wird, auf eine Linse 7 zu richten, die so angeordnet ist, daß das reflektierte Licht auf den optischen Block 2 fällt. Das den optischen Block 2 verlassende Licht wird durch eine Linse 8 gesammelt und auf ein lichtempfindliches Array 9 fokussiert, das zum Beispiel aus CCD- Sensoren besteht. Ein Einheit 10 versorgt die LED und das CCD-Array mit Energie und sorgt auch für Mikroprozessor-Ausgangssignale zum Steuern des Sensorarrays, damit ein Ausgangssignal über einen Ausgangsanschluß 11 zu einem geeigneten Prozessor 12 gegeben werden kann, in dem das Ergebnis der Spektroskopie analysiert und auf dem Schirm 13 des Prozessors angezeigt werden kann.
• Die gesamte Spektrometeranordnung kann in Kunststoffmaterial eingekapselt werden, so daß die Komponenten fest in der richtigen Beziehung zueinander gehalten werden und das Spektrometer gegen Stöße und andere ungünstige Bedingungen extrem widerstandsfähig ist.
• In der Fig. 17 der beiliegenden Zeichnungen ist eine bestimmte Art gezeigt, in der das erfindungsgemäße Spektrometer verwendet werden kann. Es ist bekannt, daß Fouriertransformationsspektrometer keine kleinen Aperturen benötigen wie Gitterspektrometer, die enge Eingangsschlitze mit in der Regel weniger als 0,1 m Breite aufweisen. Bei den beschriebenen Ausführungsformen können mit Eingangs-Faserbündeln mit 2 mm Durchmesser gute Ergebnisse erhalten werden. Das heißt, daß die in der Fig. 16 gezeigte Ausführungsform dazu verwendet werden kann, eine Anzahl von Lichtquellen und Meßpunkten auf der Oberfläche D in ein einziges Spektrometer zu multiplexen. In der Fig. 16 kann daher die eine LED durch eine Anzahl von separaten Lichtquellen ersetzt werden, die alle unter der Kontrolle des Mikroprozessors in der Einheit 10 stehen. Gleichermaßen kann die optische Faser 4 durch eine Anzahl von parallelen optischen Fasern ersetzt werden, die jeweils an eine bestimmte Lichtquelle angekoppelt sind, und anstelle eines einzigen Ausgangs wie gezeigt sind die Ausgänge dieser Lichtleiter über wenigstens eine Dimension der Target-Oberfläche 6 ausgebreitet. Gleichermaßen kommt der Eingang der Linse 7 von einem Faserbündel, das sich bei 5 gabelt.
• Diese Anordnung ist schematisch in der Fig. 17 gezeigt. In der Fig. 17 werden eine Anzahl von Lichtquellen S1 bis Sn und eine entsprechende Anzahl von Meßpunkten P1 bis Pn auf einer Oberfläche D in ein einziges Spektrometer eingekoppelt. Das Licht von den Lichtquellen wird dabei zuerst in die Fasern F1 bis Fn eingekoppelt und dann zu den 3dB- (50 : 50) Richtungs- oder Gabelkopplern C1 bis Cn geführt. Das Licht wird dann aus den Fasern auf das Objekt D eingestrahlt. Das an den Meßpunkten P1 bis Pn am Objekt gestreute/reflektierte Licht wird dann über die 3dB-Koppler und die Ausgangsfasern F1 bis Fn in das Spektrometer geleitet. Wie beschrieben können S1 bis Sn zeitmultiplext werden, so daß zu einem gegebenen Zeitpunkt nur ein Meßpunkt P beleuchtet wird. Aus dem bezüglich der Zeit gedemultiplexten Ausgangssignal des Spektrometers kann somit mit dem bei 12 gezeigten Prozessor ein spektrales Abbild der Oberfläche D erhalten werden.
• Die obige Anordnung kann mit der in der Fig. 17 gezeigten Faseranordnung im Durchlaßmodus verwendet werden. Auch für Reflexionsmessungen kann eine ähnliche Doppelfaseranordnung verwendet werden.
• Die Fig. 18 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein erfindungsgemäßes Spektrometer mit einem räumlich entfernten Sensorkopf 20 mit stabilem Aufbau kombiniert ist und das Licht von einer Quelle 21 mit kurzer Kohärenzlänge über einen halbreflektierenden Spiegel 22 und eine optische Faserverbindung 23 aufgenommen wird. Nach der Reflexion im Sensorkopf 20 wird das Licht durch die optische Faserverbindung zum Spiegel 22 zurückgeführt und in ein Fouriertransformationspektrometer reflektiert, das mit dem in der Fig. 16 gezeigten Spektrometer identisch sein kann und das daher der vorliegenden Erfindung entspricht.
• Der Zweck der Anordnung der Fig. 18 ist, den Sensorkopf vom verarbeitenden Interferometer zu trennen und einen Sensorkopf zu erhalten, der keine aktiven optischen oder elektronischen Komponenten enthält, sondern nur passive optische Elemente, die demgemäß gegen ungünstige Umgebungseinflüsse sehr widerstandsfähig sein können. Der Sensorkopf 20 umfaßt einen Strahlteiler 25, einen festen Referenzspiegel 26 und einen beweglichen Spiegel 214, dessen Position sich in Reaktion auf die Meßgröße ändert. Die optischen Weglängen zwischen dem Strahlteiler 25 und den Spiegeln 26 und 27 sind unterschiedlich, wobei der Unterschied zwischen diesen beiden Weglängen wesentlich größer ist als die Kohärenzlänge der Lichtquelle 21. Wenn das an den beiden Spiegeln 26 und 27 reflektierte Licht im Strahlteiler 25 wieder vereinigt wird, erscheinen als Folge davon keine Interferenzstreifen im vereinigten Strahl, der zu der optischen Faserverbindung 23 zurückgeführt wird. Das Spektrometer 24 kompensiert damit den Weglängenunterschied im räumlich entfernten Sensorkopf 20 und erzeugt ein Interferenzstreifenmuster, aus dem die am Sensor auftretenden absoluten Phasenänderungen bestimmt werden können.
• Es ist ersichtlich, daß mit der oben beschriebenen Ausführungsform eine Anzahl von räumlich entfernten Sensorköpfen verwendet werden kann, die jeweils mit einer kohärenten Lichtquelle verbunden sind, wobei die Ausgangssignale der verschiedenen Sensorköpfe für die Übertragung zu dem Fouriertransformationsspektrometer 24 in einem optischen Faserbündel zusammengefaßt werden. Es ist auch hier möglich, das Beleuchtungsmuster der kohärenten Lichtquellen so zu steuern, daß die aus den Lichtquellen und den Sensorköpfen vom Spektrometer aufgenommenen Signale für eine nachfolgende Analyse durch ein Computersystem wie in der Fig. 16 zeitlich beabstandet sind.
• Es ist natürlich auch möglich, daß entweder ein optischer Block ähnlich einem der oben in dieser Beschreibung beschriebenen Blöcke in dem räumlich entfernten Sensorkopf oder den räumlich entfernten Sensorköpfen der gerade beschriebenen Ausführungsform verwendet werden.

Claims (19)

1. Interferometrischer optischer Block mit drei ebenen, nominell parallelen Flächen, wobei die zwei äußeren Flächen (R&sub1;, R&sub2;) so ausgebildet sind, daß sie als Strahlreflektoren für inneres Licht wirken, und wobei die dritte Fläche (BS/C) im Gebrauch als Strahlteiler und Strahlvereiniger wirkt, wobei der optische Block einen Eingangsbereich aufweist, durch den ein zu analysierender einfallender Lichtstrahl (Ui) derart einfallen kann, daß er teilweise durch die dritte Fläche (BS/C) hindurchgeht, um im Inneren durch einen der äußeren Reflektoren (R&sub1;, R&sub2;) reflektiert zu werden, und teilweise von der dritten Fläche derart reflektiert wird, daß er dann im Inneren durch den anderen der äußeren Reflektoren reflektiert wird, wodurch Licht, das im Inneren durch die äußeren Reflektoren reflektiert wird, an der dritten Fläche zusammengeführt wird, um einen Ausgangsstrahl (U&sub0;) zu erhalten, wobei die äußeren Flächen eine Neigung gegeneinander aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung asymmetrisch bezüglich der dritten Fläche ist, um so einen Unterschied in den Weglängen des den Ausgangsstrahl bildenden Lichts zu erzeugen und um so in dem Ausgangsstrahl ein Interferenzmuster zu erzeugen, das über die nullte Ordnung der Interferenz verteilt ist.

2. Optischer Block nach Anspruch 1, bei dem sich der Ausgangsstrahl aus der Interferenz von Strahlen ergibt, die vom Strahlteiler/Vereiniger durchgelassen und reflektiert werden und im Betrieb jeweils eine einzige Reflexion an den äußeren Reflektoren erfahren haben.

3. Optischer Block nach Anspruch 1 oder 2, der dadurch hergestellt wird, daß ein einziges Keilelement parallel zum Keilquerschnitt geschnitten wird, um zwei identische Keile herzustellen, und wobei ein so geschnittener Keil um 180º gedreht wird und die untere Fläche des Keils an dem anderen Keil befestigt wird, um ein monolithisches Element zu bilden, wobei die aneinanderliegenden Flächen der Keile die dritte Fläche bilden.

4. Optischer Block nach Anspruch 1, bei dem im Betrieb der Ausgangsstrahl sich aus der Interferenz von Strahlen ergibt, die an dem Strahlteiler/Vereiniger vereinigt werden und zwei Reflexionen an den äußeren Reflektoren erfahren haben.

5. Optischer Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Strahlteiler/Vereiniger und ein Reflektor durch eine optische Platte mit parallelen Flächen gebildet werden und der andere Reflektor durch eine Einzeleinheit gebildet wird, die den oder die geneigten Spiegel und eine integrierte Position für die optische Platte aufweist.

6. Optischer Block nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Strahlteiler/Vereiniger und ein Reflektor durch eine optische Platte mit parallelen Flächen gebildet werden und der andere Reflektor durch ein solides Prisma mit einer ebenen Fläche und einer geneigten zweiten Fläche bildet wird, wobei der Block dadurch zusammengefügt wird, daß die ebene Fläche des soliden Prismas an der ebenen Fläche des Strahlteilers/Vereinigers der optischen Platte angebracht wird.

7. Optischer Block nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der aus zwei identischen soliden Doppelwinkelprismen hergestellt wird, wobei die ebenen Flächen so verbunden sind, daß sie den Strahlteiler/Vereiniger bilden und die äußeren identischen und gegeneinander geneigten Flächen die Reflektoren bilden.

8. Optischer Block nach Anspruch 7, bei dem die Prismen dadurch erhalten werden, daß ein einziges Doppelwinkelprisma in einer Ebene parallel zum Doppelwinkelquerschnitt in zwei Teile geteilt wird.

9. Optischer Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, um den optischen Durchsatz über die spektrale Breite des Betriebs zu maximieren, der Strahlteiler/Vereiniger und die Reflektorflächen derart mit einer Beschichtung beschichtet sind, daß der Reflexionskoeffizient der Reflektoren annähernd 1 ist und der Transmissionskoeffizient und der Reflexionskoeffzient für die Einzelreflexionskonfiguration 0,5 und 0,5 und für die Doppelreflexionskonfiguration 0,66 und 0,33 betragen.

10. Optischer Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der einen Lichtleiter oder eine optische Faser aufweist, die mit dem Eingangsbereich verbunden ist.

11. Fouriertransformationsspektrometer mit einem interferometrischen optischen Block nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Lichtquelle zum Einleiten von interferometrisch zu analysierendem Licht in den Eingangsbereich des Blocks in der Art, daß die an den Reflektoren und dem Strahlteiler/Vereiniger einfallenden Lichtstrahlen sich nicht überlappen, und mit einem Lichtsensorarray zum Erfassen des Interferenzstreifenmusters, wobei das Interferenzstreifenmuster viele Interferenzstreifen um die nullte Ordnung der Interferenz aufweist, so daß eine Fouriertransformation des Interferenzstreifenmusters der spektralen Verteilung der Lichtquelle entspricht.

12. Spektrometer nach Anspruch 11, mit einem Linsensystem, das dazu vorgesehen ist, ein Bild eines kontrastoptimalen Interferenzstreifenmusters zu bilden, das auf einer Ebene relativ zu dem interferometrischen optischen Block auf dem Sensorarray abgebildet wird, wobei das Sensorarray ein Halbleiter-Pixelarray ist.

13. Spektrometer nach Anspruch 12, mit einem elektronischen Prozessor, mit dem die Fouriertransformation des durch das Array erzeugten elektrischen Signals derart durchgeführt werden kann, daß die spektrale Verteilung des Einfallslichts meßbar ist.

14. Spektrometer nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit einer Vorrichtung zum Ankoppeln von Licht in und aus einer Meßzone, zum Abbilden des Lichts in den interferometrischen optischen Block und zum Abbilden des Interferenzstreifenlichts aus dem optischen Block auf das Erfassungsarray.

15. Spektrometer nach einem der Ansprüche 11 bis 14, mit einer Anzahl von Lichtquellen, die jeweils mit einer optischen Faser verbunden sind, wobei jede optische Faser dafür vorgesehen ist, Licht von der mit ihr verbundenen Lichtquelle entweder auf oder durch ein Testmedium zu leiten, wobei das Licht, das von dem bzw. durch das Testmedium reflektiert, gestreut oder durchgelassen wird, bei Betrieb des Spektrometers in den Lichtsensor eingekoppelt wird.

16. Spektrometer nach Anspruch 15, wobei das Spektrometer eine Vorrichtung umfaßt, durch die die Lichtquellen in verschiedenen Intervallen beleuchtbar sind.

17. Spektrometer nach einem der Ansprüche 11 bis 16 in Kombination mit einem räumlich entfernten Sensor.

18. Spektrometer nach Anspruch 17, wobei der räumlich entfernte Sensor dafür vorgesehen ist, Licht aus einer kohärenten Quelle über einen halb reflektierenden Spiegel aufzunehmen, wobei das Spektrometer eine Vorrichtung zum Aufteilen des von der kohärenten Lichtquelle aufgenommenen Lichts auf zwei Wege enthält, deren Länge sich um eine Distanz unterscheidet, die größer ist als die Kohärenzlänge der kohärenten Lichtquelle.

19. Spektrometer nach Anspruch 18, wobei der Sensorkopf einen Strahlteiler, einen festen Referenzspiegel und einen bewegbaren Spiegel aufweist, dessen Position entsprechend einer Meßgröße änderbar ist.