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WO2024037998A2 - Ftir-spektrometer - Google Patents

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Publication number
WO2024037998A2
WO2024037998A2 PCT/EP2023/072355 EP2023072355W WO2024037998A2 WO 2024037998 A2 WO2024037998 A2 WO 2024037998A2 EP 2023072355 W EP2023072355 W EP 2023072355W WO 2024037998 A2 WO2024037998 A2 WO 2024037998A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mirror
interferometer
mirrors
ftir spectrometer
sample
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/072355
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2024037998A3 (de
Inventor
Matthias BUDDEN
Thomas Gebert
Original Assignee
WiredSense GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by WiredSense GmbH filed Critical WiredSense GmbH
Priority to EP23764568.4A priority Critical patent/EP4573343A2/de
Publication of WO2024037998A2 publication Critical patent/WO2024037998A2/de
Publication of WO2024037998A3 publication Critical patent/WO2024037998A3/de

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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/45—Interferometric spectrometry
    • G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
    • G01J3/4535—Devices with moving mirror
    • G—PHYSICS
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    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
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    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N2021/3595—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using FTIR

Definitions

  • the invention relates to an FTIR spectrometer with a mirror made of a plastic material.
  • the subject matter of the invention is defined in the appended claims.
  • FTIR Fast Fourier transform infrared
  • spectrometers are a special form of spectrometer that can record infrared spectra using a special measurement setup.
  • FTIR spectroscopy a signal generated by an interferometer is translated into a spectrum using Fourier transformation. This spectrum contains information about the sample being measured. For example, the chemical composition of foods, materials, chemicals, hazardous substances, medications and/or plastics can be analyzed non-destructively. This makes FTIR spectrometers particularly suitable for the determination and quality control of starting materials for the production of medicines.
  • an FTIR spectrometer includes a collimated infrared radiation source, an interferometer, a reference laser, a measuring cell with a sample interface, which includes, for example, an ATR crystal, as well as an infrared detector and a control system.
  • the interferometer includes a beam splitter that splits incident light into two individual beams.
  • the individual beams are reflected on one (or possibly several) mirror(s) of the interferometer and brought together again in the beam splitter, whereby they interfere with one another.
  • the path of a single beam in the interferometer from the beam splitter to the (last) reflecting mirror and back or the structure associated with this path in the interferometer is usually referred to as an arm.
  • One of the arms of the interferometer or both arms of the interferometer are usually variable in length. This is practically implemented by moving at least one mirror of one or both arms relative to the beam splitter.
  • the length of the arm or arms (and therefore the mirror movement or movements) is or are determined by the control system regulated. This means that the interference of the reflected individual beams can be changed or adjusted.
  • the lengths of the arms or the distances covered by the individual beams in the arm and/or the distance difference in the interferometer are determined.
  • control system can regulate a mirror offset of a mirror of one of the two arms of the interferometer that is movable along a linear axis.
  • the distance between the movable mirror and the beam splitter in the arm and thus the distance to be covered by the light, also called the path length, is changed in the arm.
  • an interferometer with a rocker that can be rotated in one plane is known in the prior art.
  • the rocker is designed in such a way that it includes, in particular, the mirrors of the interferometer necessary for reflecting both individual beams coming from the beam splitter.
  • the rocker thus forms both arms of the interferometer.
  • the control system regulates a rotational movement of the rocker in such a way that the rocker executes a pendulum movement relative to the stationary beam splitter between two end points.
  • one arm is alternately shortened relative to the beam splitter while the other arm of the interferometer is simultaneously lengthened. In this case, the path lengths of both arms to be covered by the light are changed. This also allows the interference of the reflected individual beams to be adjusted.
  • the intensity of the light beam resulting from the interference of the individual beams is measured by the infrared detector, for example after passing through the measuring cell with the sample interface.
  • the absorption spectrum of the sample can then be calculated from the intensity measured on the infrared detector and the path length in the interferometer determined with the reference laser.
  • a good signal-to-noise ratio is crucial for a meaningful measurement with a high measurement speed and the sensitivity of the measurement required for a meaningful spectrum .
  • the SNR is largely determined by the amount of light coupled into the ATR crystal over the largest possible wavelength range.
  • the coupling of light into the ATR crystal is typically carried out using technically complex and cost-intensive optical structures.
  • beam splitters are used in the prior art, which typically have high losses of more than 50% of the irradiated light when the beam splitter passes twice.
  • Alternative approaches to maximizing the sample signal on ATR crystals involve multiple reflection within the ATR crystal. This is compared with single reflection ATR-FTIR spectrometers comparatively large ATR crystals are necessary.
  • large ATR crystals are associated with high production effort and high production costs for the production of the ATR crystals.
  • the material used, such as diamond is often very expensive.
  • Other solutions use elaborately coated refractive optics, fiber optics or Schwarzschild lenses, which are complex, complex and expensive to manufacture or time-consuming to adjust the optical system, or even do not transmit the light from a broadband light or infrared source independently of the wavelength.
  • the FTIR spectrometers available in the prior art generally include optical elements, in particular mirrors, that are manufactured in a technically complex and cost-intensive manner.
  • a typical example of mirrors used with the aforementioned disadvantages are metal precision mirrors.
  • Metal precision mirrors are typically milled from a solid metal block using complex CNC milling work. The milling tools of a CNC machine used in the milling process are heavily stressed and worn in this type of production.
  • such mirror production is very resource-intensive due to the necessary very fine adjustment of the chip removal during the CNC milling process in order to obtain the desired mirror shape without grooves or grooves with optical surface roughness.
  • a metal precision mirror or precision metal mirror is therefore a mirror known in the prior art with a high production cost and therefore a high price, which at the same time has outstandingly advantageous optical properties.
  • a metal precision mirror is an example of precision mirrors, i.e. of optics with a high optical quality. There is generally no alternative to metal precision mirrors when building high-precision known interferometers in known FTIR spectrometers.
  • the consequence of using the aforementioned optical elements is a generally high technical manufacturing effort for an FTIR spectrometer as well as high acquisition costs even for "entry-level" FTIR spectrometers. Due to the wide range of possible applications, a simplification of the manufacturing effort of the optical structure as well as a reduction in manufacturing - and therefore also the acquisition costs are particularly desirable. In addition, more sustainable production of at least some of the optical components is desirable. By eliminating these disadvantages, the result is FTIR spectrometers for optical analysis for companies, government authorities, schools and universities, and start-ups , doctors and pharmacists as well as private individuals with limited budgets.
  • the object of the present invention is therefore to provide an FTIR spectrometer that is easier to manufacture, more reliable, more cost-effective and more sustainable with a simplified optical structure and which eliminates the disadvantages of the prior art.
  • the task is solved by the FTIR spectrometer described in claim 1.
  • Preferred embodiments according to the invention result from the subclaims and the following statements.
  • the task is solved by an FTIR spectrometer according to claim 1.
  • the FTIR spectrometer according to the invention comprises an infrared radiation source, an interferometer with at least one arm variable in length, a reference laser, a measuring cell with a sample interface, preferably an ATR crystal that can be brought into contact with a sample, an infrared detector, a control system , which is set up to change the length of the at least one arm of the interferometer, and a mirror arrangement outside the interferometer with at least two mirrors, each with a reflecting surface and a base body which includes the reflecting surface, the mirror arrangement being at least set up to emit a light beam from the interferometer to the sample interface and to direct the light beam from the sample interface to the infrared detector, wherein the base body of at least one mirror or all mirrors of the mirror arrangement is or are made of a plastic material and / or 3D printed metal or at least the base body one or all mirrors has or have plastic material and/or 3D printed metal.
  • the FTIR spectrometer according to the invention comprises an infrared radiation source, an interferometer with at least one arm variable in length, a reference laser, a measuring cell with a sample interface, preferably an ATR crystal can be brought into contact with a sample, an infrared detector, a control system which is set up to change the length of the at least one arm of the interferometer, and a mirror arrangement outside the interferometer with at least two mirrors, each with a reflecting surface and a base body which reflective surface, wherein the mirror arrangement outside the interferometer is at least set up to direct a light beam from the interferometer to the sample interface and to direct the light beam from the sample interface to the infrared detector, wherein the base body of at least one mirror of the mirror arrangement outside the interferometer or all mirrors the mirror arrangement outside the interferometer is or are made of a plastic material and / or 3D printed metal or the base body of at least one mirror of
  • the core of the invention relates to the surprising discovery that the precision mirrors used in the prior art outside the interferometer, such as metal precision mirrors or precision mirrors made of other materials, are partially or completely replaced by the mirrors of the mirror arrangement according to the invention can.
  • the surprising discovery is that high quality optics must be used within the interferometer of the FTIR spectrometer in order to obtain the necessary signal quality or constructive interference. Examples of such optics are the known precision mirrors already described above, such as metal precision mirrors. However, precision mirrors made of other materials are also conceivable.
  • optics with a low optical quality or lower optical quality than conventional precision mirrors are used outside the interferometer of the FTIR spectrometer. These optics with low optical quality or lower optical quality than precision mirrors can in particular have a high wavefront error. These optics with low or lower optical quality outside the interferometer correspond to the mirrors of the mirror arrangement outside the interferometer of the FTIR spectrometer according to the invention described in the context of this invention.
  • optics with a high optical quality describes an optic, in particular a mirror or a mirror arrangement, in which the wavefront error is significantly smaller than a wavelength of the reflected light.
  • the person skilled in the art knows from optical connections to the interference of light waves that the wavefront error of the mirrors within the interferometer of FTIR spectrometers must be significantly smaller than one wavelength in order to obtain constructive interference with usable intensity. Therefore, the use of optics with high optical quality is required within the interferometer of FTIR spectrometers.
  • an optics with a low optical quality describes an optics, in particular a mirror or a mirror arrangement, in which the wavefront error is larger, preferably significantly larger, than a wavelength of the reflected light.
  • Such low quality optics allow no and only a small amount of constructive interference with usable intensity. Therefore, such optics with low optical quality are not suitable for use in interferometers of FTIR spectrometers.
  • optics with low optical quality are suitable for use outside the interferometer of an FTIR spectrometer, since there the wavelength error surprisingly has a smaller influence on the measured intensity.
  • the advantage of this surprising discovery is that it greatly simplifies the manufacturing process of an FTIR spectrometer while maintaining almost the same measurement quality. In addition, the costs and resources required to produce an FTIR spectrometer are significantly reduced while the measurement quality remains almost the same. Additional benefits are described below.
  • the terms “light” and “light beam” or “light rays” are used synonymously in the context of this invention and describe electromagnetic radiation, preferably in the infrared and/or optical wavelength range, which follow a beam path.
  • a beam path describes a trajectory of the light or the light rays through or along optical elements and components in the FTIR spectrometer according to the invention, in particular the mirrors of the mirror arrangement of the FTIR spectrometer described in the context of this invention.
  • the infrared radiation source can, for example, emit at least light in the wavelength range of the near and/or middle infrared.
  • the infrared radiation source can emit at least light in the wavelength range from 1 pm to 50 pm.
  • the infrared radiation source additionally emits light in the visible spectrum.
  • the infrared radiation source can, for example, be a heated element made of silicon carbide, which can be heated to a temperature in the range of around 1200 K. It is also conceivable that the infrared radiation source is a tungsten-halogen lamp, a mercury discharge lamp or a plasma light source.
  • the infrared radiation source can be spatially extended, for example in at least one spatial direction in the range of up to 30 mm.
  • the light generated by such an extended infrared radiation source can be collimated using suitable optical means before entering the interferometer.
  • suitable means lenses and/or mirrors or mirror arrangements, e.g. comprising parabolic mirrors, off-axis parabolic mirrors, which are also called off-axis parabolic mirrors, and/or so-called known compound parabolic concentrator mirrors ( CPC).
  • the light emitted by the infrared radiation source is preferably collimated using a parabolic mirror, an off-axis parabolic mirror or a CPC.
  • Such mirrors have the advantage that they collimate the incident light particularly efficiently.
  • losses of reflected light due to absorption or dispersion, which would otherwise occur with transmissive optical elements such as lenses can advantageously be avoided. This can significantly improve the signal-to-noise ratio (SNR).
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the interferometer preferably comprises exclusively planar mirrors and a beam splitter with a planarity in the range of a fraction of the wavelengths to be measured.
  • the beam splitter preferably has the same material as a window of the infrared detector or is made from this material. This means that only one source is introduced into the FTIR spectrometer instead of two different sources for dispersion and absorption. Ultimately, this makes the signal that reaches the detector clear improved.
  • KBr, Csl, ZnSe, diamond, KRS-5, Ge, Si are particularly preferred as the material for the window of the infrared detector and the beam splitter. These materials are very broadband in terms of infrared radiation transmission, making them well suited for simultaneous use in a beam splitter and a window of an infrared detector.
  • the interferometer includes a beam splitter that splits incident light into two individual beams.
  • the path of an individual beam in the interferometer from the beam splitter, for example along one or more mirrors, to the corresponding mirror on which the individual beam is reflected back to the beam splitter or the structure associated with this path in the interferometer is referred to as an “arm” in the sense of the invention .
  • the individual beams are reflected back to the beam splitter by one or more mirrors on the arms in the interferometer and brought together again in the beam splitter, whereby they interfere with one another.
  • One of the arms of the interferometer or both arms of the interferometer are variable in length. This can be implemented, for example, by moving at least one mirror of one or both arms relative to the beam splitter.
  • the length of the arm or arms (and thus the mirror movement or movements) can be regulated by the control system. This means that the interference of the reflected individual beams can be changed or adjusted.
  • control system can regulate a mirror offset of a mirror of a first of two arms of the interferometer that is movable along a linear axis.
  • the distance of the movable mirror from the beam splitter in the first arm and thus the distance to be covered by the light, also called the path length, is changed in the first arm.
  • the interferometer can comprise a rocker which is rotatably mounted in a plane relative to the stationary beam splitter.
  • the rocker is designed in such a way that it includes, in particular, the mirrors of the interferometer necessary for reflecting both individual beams coming from the beam splitter.
  • the rocker thus forms the first and second arms of the interferometer.
  • the rocker can be as described in J. Kauppinen et al., Appl. Spectrosc. Rev. 39, 99 (2004), Fig. 20 shown, be designed.
  • the control system regulates a rotational movement, for example with the help of a drive of the rocker, such that the rocker performs a pendulum movement relative to the stationary beam splitter between two end points.
  • one arm is alternately shortened relative to the beam splitter while the other arm of the interferometer is simultaneously lengthened.
  • the path lengths of both arms to be covered by the light are changed. This also allows the interference of the reflected individual beams to be adjusted.
  • the rotatable rocker can, for example, be mounted so that it can rotate almost friction-free via a solid-state joint or a roller bearing, for example a ball or roller bearing.
  • the rotatable rocker can be stimulated to rotate by the drive.
  • the drive can be or include, for example, a voice coil.
  • the voice coil has the advantage that it has no or only a few mechanical parts compared to typical electric motors and / or drives and therefore introduces no or only negligibly small unwanted additional mechanical disturbances into the interferometer during operation. In addition, such a drive is durable and robust.
  • the interferometer can also be any other suitable interferometer in which the path length difference within one or both arms can be changed during a measurement.
  • the two individual beams interfere with each other depending on the difference in path length, which arises from the movement of the movable mirror or both movable mirrors in the interferometer.
  • a strong constructive maximum (center burst) with flat wings is created.
  • One or both mirrors in the interferometer are preferably held by a mirror holder described below.
  • the mirror holder can have a base body that can be connected to a section of the interferometer or the FTIR spectrometer, for example a housing section.
  • the mirror holder can additionally have a first part.
  • the first part can be connected to the base body.
  • the first part can have or be formed from a first spring steel sheet.
  • the base body can be connected to the first part by means of the first spring steel sheet.
  • Spring steel sheets are inexpensive, easy to process and have particularly advantageous spring properties.
  • the first part can be designed like a plate.
  • Plate-like components are easy to produce.
  • the mirror holder can comprise a first screw which is rotatably mounted in the base body and which distances the first part from the base body against a spring force of the first spring steel sheet.
  • the first screw can then only have a frictional connection with the first part.
  • the first spring steel sheet can exert a spring force, so that the first part is prestressed in the direction of the base body and the first screw, or an end of the first screw facing the first part, forms an abutment to the spring force of the first part.
  • a mirror can be included or provided on the first part.
  • Such a mirror holder comprising a base body and a first part has the advantage that when the first screw is screwed in or unscrewed, a distance between the base body and the first part can be adjusted almost hysteresis-free due to the work against the spring tension by the first spring steel sheet. The change in this distance in turn results in a change in the angle between the base body and the first part if the first screw is arranged accordingly.
  • a first angle change can therefore be made with the mirror holder without hysteresis, which is particularly advantageous for mirror adjustment.
  • the non-positive connection of the screw end of the first screw can be present, for example, directly with the first spring steel sheet of the first part or with a separate material.
  • the separate material can preferably be abrasion-resistant and can withstand the forces that the screw end of the first screw exerts on the first part due to the non-positive connection, particularly during frequent rotational movements. This can extend the life of the mirror holder.
  • the mirror holder can preferably have a second part, wherein the second part can be connected to the first part.
  • the second part can have or be formed from a second spring steel sheet.
  • the second part can be connected to the first part by means of the second spring steel sheet.
  • the second part can be designed like a plate.
  • a second screw rotatably mounted in the base body can space the second part from the first part and/or from the base body.
  • the second screw can only have a frictional connection with the second part.
  • the second spring steel sheet can exert a spring force in such a way that the second part is prestressed in the direction of the first part and the second screw, or an end of the second screw facing the second part, forms an abutment to the spring force of the first part.
  • the mirror can be accommodated or provided on the second part.
  • Such a mirror holder comprising a base body, a first and an additional second part has, in comparison to the above-described structure consisting of the base body and only the first part, the additional advantage that when the second screw is screwed in or unscrewed due to the work against the spring tension second spring steel sheet, a distance between the second part and the first part can be adjusted almost hysteresis-free. The change in this distance in turn results in a change in the angle between the second part and the first part if the second screw is arranged accordingly.
  • the mirror holder can be used without hysteresis
  • second angle change can be made in a direction different from the first angle change, which is particularly advantageous for mirror adjustment.
  • the structure is easy to produce because only simple components are used.
  • the first part and the second part can preferably be arranged essentially parallel to one another in an initial state. This allows the initial state to be easily defined.
  • the first and/or second part can preferably have a cuboid shape. Such shapes are easy to produce.
  • the second spring steel sheet can preferably be arranged on one of the side surfaces of the second part, which is perpendicular or transverse to the surface that receives or provides the mirror. This enables easy assembly or fastening of the second spring steel sheet.
  • the first spring steel sheet may preferably be arranged on one of the side surfaces of the first part, which is perpendicular or transverse to the surface that receives or provides the mirror.
  • the first spring steel sheet can additionally be arranged non-parallel to the second spring steel sheet.
  • the surface normal of the first and second spring steel sheets can be orthogonal and almost orthogonal to one another. This enables easy assembly or fastening of the second spring steel sheet.
  • This also has the advantage that an adjustment can take place in two spatial directions (almost) perpendicular to one another. In other words, the first and second angle changes can be decoupled from each other. This considerably simplifies the adjustment of the mirror included in the described mirror holder.
  • the reference laser has a known wavelength and is preferably actively current-stabilized and/or temperature-stabilized.
  • the reference laser can be a helium-neon laser.
  • the reference laser can be an inexpensive and easy-to-obtain diode laser.
  • a reference interferometer can also be provided. Such a reference interferometer is used to determine the position of the change in length in the interferometer and is not another FTIR interferometer for reference and calibration purposes. What is said below applies analogously to the reference interferometer.
  • the location and an angle of inclination of a mirror of one arm or the mirrors of both arms of the interferometer can be determined or a relative path length difference between the mirrors of the first and second arms of the interferometer can be determined.
  • the angle of inclination can describe an angle between the mirror of an arm or between a surface normal of the mirror and, for example, the incident reference laser beam.
  • the reference laser can, for example, emit light in the red, green or orange range emit. Typical wavelengths in the visible light range are 730 nm to 543 nm.
  • the reference laser can alternatively or additionally emit light in the infrared range, preferably in the range from 900 nm to 1100 nm, particularly preferably in the range from 960 to 1000 nm, e.g. 980 nm.
  • This has the advantage that the advantages of the optimized for the reflection of infrared radiation Optics can be used in the FITR spectrometer according to the invention.
  • the interference signal is easier to measure due to the longer wavelength of infrared light compared to light from the visible range.
  • the longer wavelength leads to a slower movement of the interference pattern when the arm or arms of the interferometer move compared to light from the visible range. This reduces the requirements for the measuring speed of the infrared detector or the control system. In particular, this reduces the requirements for an analog-digital converter of the microcontroller or for the microcontroller itself.
  • the reference laser can particularly preferably emit in the range from 960 to 1000 nm, for example 980 nm.
  • the reference laser with a wavelength in the range from 960 to 1000 nm, for example 980 nm, is preferably a diode laser.
  • This wavelength range, in particular the wavelength of 980 nm represents an optimal compromise between the accuracy of the determination of the above-mentioned parameters and the necessary measuring speed of the infrared detector or an associated analog-digital converter.
  • diode lasers are particularly cost-effective and easy to manufacture.
  • the reference laser can preferably emit in the range from 600 nm to 1600 nm.
  • Reference lasers, especially diode lasers, that emit in this range are particularly easy to produce and inexpensive.
  • the wavelength of the reference laser can be varied in such a way that when the wavelength is varied, known absorption lines of gas molecules, preferably of oxygen, are exceeded inside or outside the FTIR spectrometer according to the invention.
  • the reference laser is preferably a diode laser. This reference laser particularly preferably emits in the range from 600 nm to 1600 nm.
  • the wavelength of the reference laser is varied in such a way that when the wavelength is varied, known absorption lines of gas molecules, preferably of oxygen, appear inside or outside of FTIR spectrometers or other FTIRs known in the prior art - Spectrometers can be exceeded.
  • the reference laser is preferably a diode laser. This reference laser particularly preferably emits in the range from 600 nm to 1600 nm.
  • a corresponding calibration method of the FTIR spectrometer according to the invention or of FTIR spectrometers known in the prior art or other FTIR spectrometers can preferably include the following steps:
  • the reference laser which is preferably a diode laser, such that the wavelength of the reference laser changes, the measurement being carried out without a sample in the measuring cell,
  • the current of the diode laser can also be regulated analogously to steps 1 and 3 of the aforementioned calibration method.
  • the current of the diode laser can also be regulated analogously to steps 1 or 3 of the aforementioned calibration method.
  • the calibration method can be carried out automatically, for example by the control system of the FTIR spectrometer according to the invention.
  • Automatic calibration can occur at regular intervals or at irregular intervals. Automatic calibration can be performed before a measurement and/or as a step during a measurement sequence.
  • the calibration process can be carried out automatically, for example by the control system of FTIR spectrometers known in the art or other FTIR spectrometers.
  • Automatic calibration can occur at regular intervals or at irregular intervals. Automatic calibration can be performed before a measurement and/or as a step during a measurement sequence.
  • Oxygen has an absorption line at around 850 nm. This makes oxygen ideal for calibrating the wavelength of the reference laser.
  • the calibration procedure represents a fast, error-proof and robust option for absolute wavelength calibration.
  • the above-described type of wavelength calibration has the advantage that calibration using additional samples, such as a polystyrene film, can be avoided. This is particularly advantageous when determining the quality of a sample containing pharmaceutical substances, such as can be carried out in pharmacies or by pharmacists, since with the aforementioned Calibration method a sufficient resolution of an FTIR spectrometer, preferably the FTIR spectrometer according to the invention, can be demonstrated.
  • the sample interface provides an interface at which the infrared light can be coupled in and out of the sample.
  • the sample interface can be or have fiber optics.
  • the sample interface can also be a device that enables measurement by means of diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy, or “DRIFTS” for short.
  • the sample interface can also be a device that enables the recording of infrared spectra in the Transmission method enables.
  • a free-beam coupling of the light into the sample interface takes place.
  • a free-beam coupling of the light into the sample interface takes place after prior focusing by means of a parabolic mirror or an off-axis parabolic mirror.
  • the sample interface is preferably an ATR crystal.
  • the ATR crystal can have a surface that can be brought into contact with the sample or a sample material.
  • a sample can be pressed onto the surface of the ATR crystal by suitable means.
  • a possible suitable means may be a clamping or screwing device that applies pressure to the sample.
  • the infrared detector has sensitivity in the wavelength range in which the infrared spectra are to be measured.
  • the sensitivity of the infrared detector can, for example, be in the entire range from 1 pm to greater than 50 pm or in one or more of the following partial ranges: 1 to 2.5 pm (near infrared), 2 to 25 pm (mid infrared) or greater than 50 pm ( far infrared).
  • the infrared detector preferably has a sensitivity that is in the near and middle infrared range, i.e. in the range from 1 pm to 25 pm.
  • the infrared detector can be or have, for example, a photodiode.
  • the infrared detector can preferably be a pyroelectric sensor or have a pyroelectric sensor.
  • the infrared detector can have a window made of a material that is transparent to infrared radiation. Suitable materials have already been mentioned above in connection with the material selection of the window of the infrared detector and the beam splitter of the interferometer.
  • a pyroelectric sensor is a component in which, as a result of its pyroelectric properties, a temperature difference causes a change in the electrical voltage of the component. Pyroelectric sensors have the advantage that they have a large optical detection bandwidth during measurement. In other words, pyroelectric sensors have the advantage that they can measure a large wavelength range compared to other known sensors.
  • the control system which is set up to change the length of the at least one arm, e.g. the first and/or the second arm, of the interferometer, can be designed in various ways.
  • the control system may be or include a microprocessor, microcontroller or a computer.
  • the control system can, for example, be set up to control one or more electromechanical actuating elements, for example an electric motor or a voice coil, or one or more piezoelectric actuating elements.
  • the one control element or the several control elements can be coupled to the at least one arm or both arms and / or the mirror included therein in such a way that when an control element is actuated, the length of one arm or both arms can be changed.
  • control system is or includes an electronic or electrical circuit that controls the aforementioned control elements.
  • control system can only provide a periodically changing voltage, for example an alternating voltage, which causes the electric motor or the voice coil and thus the rotatable rocker to perform the pendulum movement.
  • control system can provide a DC voltage or another voltage that is switched on and off periodically or irregularly, thus causing the electric motor or the voice coil and thus the rotatable rocker to oscillate.
  • the control system can be set up to control the length of the at least one arm, for example the first and/or the second arm, or the control elements autonomously, ie without additional external control signals from outside the interferometer or the FTIR spectrometer according to the invention.
  • the control system can be set up to control the length of the at least one arm, for example the first and/or the second arm, or the control elements depending on or in response to external control signals from outside the interferometer or the FTIR spectrometer.
  • driving or controlling the movement of the movable mirrors can describe the following: switching the aforementioned actuating elements on, off or switching, regulating the movement of at least one arm or both arms by means of the aforementioned actuating elements with a closed one known in the prior art or open control loop or any other suitable method with which one or more of the aforementioned adjusting elements changes the length of at least one arm of the interferometer in the desired manner.
  • the control system can be designed and set up to control the infrared detector and/or to control and/or carry out data recording.
  • the term “mirror arrangement” is understood to mean the arrangement of those mirrors within the FTIR spectrometer according to the invention that are not included in the structure of the interferometer of the FTIR spectrometer.
  • the mirror arrangement of the FTIR spectrometer includes all mirrors within the FTIR spectrometer outside of the interferometer.
  • the mirrors described within the scope of the invention (sometimes called “mirrors according to the invention”) exclusively relate to at least one mirror outside the interferometer of the FTIR spectrometer.
  • the mirrors inside the interferometer of the FTIR spectrometer are not the subject of this invention.
  • the steering or alternatively the guiding of the light for example from the interferometer to the sample interface and further to the infrared detector, a reflection of the light and optionally a beam shaping of the light beam.
  • the steering can preferably be done by means of the reflecting surfaces of the mirrors described in the context of the invention
  • Beam shaping can include, for example, focusing, collimating or any other advantageous change to the light beam.
  • the mirror arrangement outside the interferometer comprises at least two mirrors, each with a reflecting surface and a base body which comprises the reflecting surface, the mirror arrangement being at least set up to direct a light beam from the interferometer to the sample interface and to direct the light beam from the sample interface to the infrared detector .
  • the mirror arrangement outside the interferometer can comprise at least two mirrors, each with a reflecting surface and a base body which comprises the reflecting surface, the mirror arrangement being at least set up to transmit a light beam from the infrared radiation source to the interferometer and/or from the interferometer to the sample interface and direct the light beam from the sample interface to the infrared detector.
  • the reflecting surface of one of the at least two or all mirrors is preferably concave in sections or designed as a concave mirror.
  • the base body of a mirror is any structure or body that encompasses or holds the reflective surface or on which the reflective surface is applied in sections directly or indirectly, for example via intermediate layers, and thus the reflective surface is connected to other parts of the FTIR device according to the invention. Makes the spectrometer connectable via the base body.
  • the reflective surface is or comprises, for example, a metal coating
  • the reflective surface can, for example, be applied directly to a section of the surface of the base body.
  • the metal coating can be applied to intermediate layers.
  • the intermediate layers (or at least one of them) can in turn be applied directly to the section of the surface of the base body.
  • the base body can have block-like sections at least in sections or can consist entirely of one or more block-like sections.
  • block-like means that it is not plate-like.
  • a section is plate-like if it is designed to be thin in a plane or following a curved surface.
  • Block-like sections can, for example, be constructed according to one or more of the following basic geometric shapes: cuboid, cube, cylinder, pyramid, cone, sphere.
  • the following parts are not part of the base body within the meaning of the invention: partial or complete external coatings of the base body, e.g. paints, varnishes, powder coatings, protective coatings, and/or other coatings.
  • the following parts are also not part of the base body within the meaning of the invention: devices that are intended for a user to operate, hold or assemble the mirror with the base body and/or have a decorative function.
  • the following parts are also not part of the base body within the meaning of the invention: partial or complete coatings of the reflective surface, which, for example, provide a protective function for the reflective surface and/or influence the optical properties of the reflective surface.
  • the base body can be designed in one piece together with the reflective surface.
  • the reflective surface can be applied directly to a surface section of the base body.
  • the reflective surface can be applied directly to a block-like section of the base body.
  • the reflective surface is applied indirectly, i.e. for example on an intermediate layer on the surface section of the block-like base body, for example.
  • the base body can, for example, be connectable to a part, for example a part of a housing or a base plate, of the FTIR interferometer according to the invention or, more correctly, of the FTIR spectrometer according to the invention.
  • the base body can be designed in several pieces with at least a first and a second part (and possibly further parts such as spacers or the like).
  • the first part of the base body covers the reflective surface directly on a surface section or covers the reflective surface indirectly via an intermediate layer.
  • a block-like section of the base body can comprise the intermediate layer and then the reflective surface.
  • the first part of the base body can then be connectable to the second part of the base body (and possibly further parts of the base body) to a part of the housing or the base plate of the FTIR interferometer according to the invention or, more correctly, of the FTIR spectrometer according to the invention.
  • the base body of at least one mirror or all mirrors of the mirror arrangement are made of a plastic material.
  • the base body of at least one mirror or all mirrors of the mirror arrangement has plastic material.
  • the base body of at least one mirror or all mirrors of the mirror arrangement is made according to the invention from 3D printed metal.
  • the base body of at least one mirror or all mirrors of the mirror arrangement has 3D-printed metal.
  • one or all mirrors of the mirror arrangement can be or have at least partially made of a plastic material.
  • a plastic material describes a thermoplastic, in particular a semi-crystalline thermoplastic or an amorphous thermoplastic.
  • the plastic material is preferably a partially crystalline or amorphous thermoplastic.
  • Semi-crystalline and amorphous thermoplastics have the advantage that they are easy to process, widely available and inexpensive.
  • the plastic material can also be a thermoset.
  • a 3D printing method for metal includes any 3D printing method known in the art and suitable for printing metal.
  • An example of a suitable material for metal 3D printing is stainless steel, aluminum or titanium.
  • the 3D metal printing process preferably has a printing resolution per layer of a maximum of 230 pm.
  • a smooth surface on the 3D printed material with a high quality can be provided.
  • the 3D printing process for metal particularly preferably has a maximum printing resolution of 30 pm per layer.
  • a preferred material for 3D printing is stainless steel.
  • the entire FTIR spectrometer is preferably hermetically encapsulated.
  • hermetic encapsulation of the FTIR spectrometer means that, in particular, there is no exchange of gases between the internal structure of the FTIR spectrometer comprising the features mentioned in claim 1 with the space surrounding the FTIR spectrometer. This means that the amount of water, especially in the form of water vapor, remains constant inside the FTIR spectrometer. Water or water vapor shows characteristic oscillation modes in the wavelength range that is typically of interest in the analysis of infrared spectra.
  • Hermetic encapsulation has the advantage that the vibration modes remain constant during operation of the FTIR spectrometer and can be subtracted from the actual signal using a reference measurement as background. This improves the SNR.
  • the infrared radiation source is operated, for example with the help of electrical current, and emits light at least in the infrared range.
  • the light from the infrared radiation source is collimated, directed to the interferometer and hits the beam splitter in the interferometer.
  • the beam splitter splits the light into two individual beams. A first individual beam is reflected in the first arm by a first mirror back to the beam splitter. A second individual beam is reflected back to the beam splitter by a second mirror. At least one of the two arms or even both arms are variable in length.
  • the control system moves Mirror periodically moves between a first and a second turning point by means of an adjusting element, thus changing the length of the arm.
  • the control system regulates the drive of the rocker in such a way that the rocker performs a pendulum movement relative to the stationary beam splitter between two end points, with one arm being shortened and the other arm being lengthened relative to the beam splitter. After reflection on the mirrors of the two arms, the two individual beams are brought together again in the beam splitter, interfere and leave the interferometer.
  • the infrared light is reflected by part of the mirror arrangement in the direction of the measuring cell after leaving the interferometer.
  • the light beam couples into the sample interface, i.e. an ATR crystal, for example.
  • the sample interface is not in contact with the sample or sample material.
  • the infrared light that leaves the sample interface carries the information characteristic of the sample interface, for example the absorptions of the ATR crystal.
  • the light is directed onto the infrared detector using another part of the mirror arrangement and measured there. This reference spectrum is later used when calculating the infrared spectra.
  • the infrared light is reflected by part of the mirror arrangement in the direction of the measuring cell after leaving the interferometer.
  • the light beam couples into the sample interface, for example into an ATR-Krista II.
  • the light that leaves the sample interface i.e. for example the ATR crystal 11, carries information characteristic of the sample or the sample material and for the sample interface, for example the ATR crystal.
  • the light is directed onto the infrared detector by reflection using another part of the mirror arrangement and is detected by the infrared detector.
  • the infrared detector or a separate detector preferably detects the reference laser beam, which is also guided through the interferometer and interferes there.
  • the reference laser beam and the light beam from the infrared radiation source do not interact with each other or only interact negligibly.
  • the infrared light recorded by the infrared detector and leaving the sample, ie the sample signal, and the signal of the reference laser beam are recorded and processed, for example, by the control system or a separate measuring computer.
  • the sample signal is preferably Fourier transformed and adjusted for the reference spectrum. Corresponding methods are known in the prior art.
  • a path difference between the arms in the interferometer is assigned to the signal of the reference laser beam. Out of The desired infrared spectra are calculated from the processed sample signal and the path difference using methods known in the art.
  • the FTIR spectrometer has the advantage that it overcomes the disadvantages of the prior art.
  • the optical system of the FTIR spectrometer according to the invention can be produced using simple technical means.
  • the optical system can also be produced with little technical effort.
  • the optical system can also be manufactured inexpensively and in a short time from materials that are largely available from specialist retailers and are easy to process. This means that both the manufacturing effort of the FTIR spectrometer and the manufacturing costs are significantly reduced.
  • the FTIR spectrometer according to the invention is also more sustainable than comparable known FTIR spectrometers.
  • the FTIR spectrometer enables the largest possible amount of light from an extended, broadband light source to be coupled in and out into a sample in contact with a sample interface, which can preferably be an ATR crystal, in order to increase the SNR in the FTIR spectrometer maximize.
  • the manufacturing effort and costs of the optical components in the form of mirrors which are a key price factor for the FTIR spectrometer, are kept as low as possible without having to compromise on signal quality. This is achieved via an achromatic optical structure, in particular the mirror arrangement, which consists partially or even exclusively of similar reflective mirrors and avoids absorption and dispersion in transmissive optics.
  • a further and surprising advantage of the FTIR spectrometer according to the invention is that all mirrors of the mirror arrangement are arranged outside the interferometer and therefore there are no high requirements for wavefront errors and thus the quality of the optical surface of the mirrors of the mirror arrangement. Wavefront errors of the mirrors of the mirror arrangement then do not have an effect in the form of an interferometric contrast, but only in the achievable transmission through the optical structure.
  • the special arrangement of the mirrors of the mirror arrangement outside the interferometer enables the use of the materials described in this invention for the base body.
  • At least one mirror of the mirror arrangement outside the interferometer has a mirror shape or a combination of mirror shapes from the following list: an off-axis parabolic mirror, a parabolic mirror, a compound parabolic concentrator, a spherical concave mirror, a mirror, the at least in one axis has the shape of at least a parabolic segment or a circle segment.
  • the mirror shape of a mirror of the mirror arrangement or a combination of mirror shapes of a mirror of the mirror arrangement describes either alone the geometric design of the reflecting surface of the mirror of the mirror arrangement or the entire or partial geometric design of the mirror of the mirror arrangement.
  • a parabolic mirror is a concave mirror in the form of an axisymmetric section of a paraboloid of revolution, the focal point being arranged on the axis of symmetry of the section of the paraboloid of revolution.
  • a paraboloid of revolution is a concave surface described by a rotation of a parabola about an axis.
  • an off-axis parabolic mirror is an asymmetrical section of a paraboloid of revolution, the section having an offset from the axis of symmetry of the paraboloid of revolution and from the focal point.
  • a compound parabolic concentrator is a non-imaging mirror that concentrates all incident light onto a surface within the largest possible acceptance angle.
  • a spherical concave mirror is a concave mirror whose shape can be represented by a section of a hollow sphere.
  • Such mirrors have the advantage that they either effectively redirect and simultaneously focus incoming light, in particular infrared radiation (parallel incoming light rays), or redirect and simultaneously collimate (divergent incoming light rays). In addition, such mirrors are easy to manufacture.
  • Another advantage of the structure with the mirrors described here is the reduction of absorption and dispersion of the infrared light in optical elements in the FTIR spectrometer according to the invention outside the interferometer. This significantly reduces wavelength-dependent transmission of infrared light in particular.
  • each mirror of the mirror arrangement outside the interferometer has a mirror shape or a combination of mirror shapes from the following list: an off-axis parabolic mirror, a parabolic mirror, a compound parabolic concentrator, a spherical concave mirror, a mirror that is at least in one axis has the shape of at least a parabolic segment or a circle segment.
  • the advantage of this structure with purely reflective optical elements outside the interferometer is the complete avoidance of absorption and dispersion of infrared light in optical elements in the FTIR spectrometer according to the invention.
  • wavelength-dependent transmission of infrared light in particular is significantly reduced or even completely avoided.
  • the structure of the FTIR spectrometer according to the invention is further simplified.
  • the manufacturing effort and complexity of the optical components of the FTIR spectrometer are also significantly reduced, as the mirror designs are used through the use of the manufacturing processes and the material of the base body are technically easy to produce. This also has the strong advantage of reduced manufacturing costs of the mirrors and the FTIR spectrometer.
  • At least one of the mirrors of the mirror arrangement, the base body of which is made of a plastic material or has a plastic material, is manufactured by an injection molding process or a 3D printing process and the reflecting surface is at least partially formed by a metal coating .
  • the production of a mirror of the mirror arrangement is understood in particular to mean the production of the base body of the mirror and the production of the reflecting surface of the mirror.
  • an injection molding process describes a master molding process known in the prior art, in which a plastic material is liquefied (plasticized) using an injection molding machine and injected under pressure into a mold, the injection molding tool. After the plastic material has cooled in the injection mold or the plastic material has been crosslinked in the injection mold, the plastic material changes to a solid state and can be removed.
  • a 3D printing process describes a manufacturing process known in the prior art from the field of additive manufacturing.
  • Typical examples may include the following technologies: Fused deposition modeling (FDM), Fused filament fabrication (FFF), Direct Ink Writing (DIW), Composite Filament Fabrication (CFF), Stereolithography (SLA), Digital Light Processing (DLP) and/or Continuous Liquid Interface Production (CLIP).
  • FDM Fused deposition modeling
  • FFF Fused filament fabrication
  • DIW Direct Ink Writing
  • CFF Composite Filament Fabrication
  • SLA Stereolithography
  • DLP Digital Light Processing
  • CLIP Continuous Liquid Interface Production
  • the metal coating can, for example, have one or more of the following materials or consist of a material or a combination of the materials: aluminum, gold, silver, rhodium, nickel, chromium, platinum, copper.
  • the metal coating can be carried out, for example, by vapor deposition of the surface of the base body to be coated, for example using the process of physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the metal coating can be carried out by immersing at least the surface of the base body to be coated in a metal bath or by spraying the surface of the base body.
  • At least one or all of the mirrors or their base bodies are produced by milling or cutting methods known in the prior art.
  • at least one or all of the mirrors, which are produced by one or more of the aforementioned methods can be in one be post-processed following the manufacturing process. Examples of preferred post-processing techniques are milling, cutting, grinding, polishing.
  • one or more mirrors of the mirror arrangement is only partially illuminated.
  • the reflecting surface of the mirror of the mirror arrangement of the FTIR spectrometer according to the invention is only illuminated to a maximum of 98%, particularly preferably to 95%, even more preferably to 93% of the entire reflecting surface of the mirror or mirrors.
  • the reflective surface is illuminated only in an area that contributes to the successful focusing or collimating of the infrared light.
  • the illuminated surface is preferably designed symmetrically and/or arranged symmetrically with respect to a center point of the reflecting surface. This has the advantage that the edge does not contribute to the reflection of the mirror. This means that the reflection of the mirror is much more controlled and the light reflected by the mirror is much more homogeneous and symmetrical.
  • the mirrors of the mirror arrangement are preferably held by a mirror holder.
  • Part or all of the mirror holder can preferably be manufactured using an injection molding process or a 3D printing process.
  • the same materials as those already described within the scope of the invention in connection with the mirroring described above can be used here.
  • fiber-reinforced polyamide can also be used as a material for part or the entire mirror holder.
  • Mirrors produced in this way for reflecting infrared light have the advantage that, compared to mirrors that were produced using methods known in the prior art, they can be produced using simple and known means and with little technical effort.
  • the manufacturing processes described allow the production of large quantities in a short time.
  • the aforementioned advantages also result in significantly lower manufacturing costs per mirror compared to manufacturing processes for mirrors for reflecting infrared light known in the prior art.
  • the mirrors produced using the methods described are suitable for use in FTIR spectrometers.
  • the mirrors described here for reflecting infrared light particularly meet the high quality requirements for optical components for use in FTIR spectrometers. This represents an overcoming of a longstanding prejudice in the prior art.
  • the plastic material is at least one material from the following list or has at least one material from the following list: polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin polymer, cycloolefin copolymer, styrene acrylonitrile, styrene acrylonitrile , Polycarbonate High Temperature, Polysulfone (PS), Polyamide (PA), Polycarbonate High Refractive, Polyester High Refractive, Polyethylene terephthalate (PET), Polyethylene terephthalate with glycol (PETG), Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), Nylon, Polylactic acid ( PLA), polyurethane (PU), a light-curing plastic (photopolymer), for example acrylic, epoxy and/or vinyl ester resin.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • cycloolefin polymer cycloolefin copolymer
  • the plastic material can preferably also be a combination of two materials from the aforementioned list.
  • the plastic material particularly preferably has polycarbonate (PC) or is the plastic material polycarbonate.
  • PC polycarbonate
  • Mirrors according to the invention with a base body made of polycarbonate have the advantage that they have a low wavefront error when reflecting infrared light. They are also inexpensive to produce and easy to process and produce. Furthermore, it has been shown that mirrors made of polycarbonate can achieve an excellent surface roughness of ⁇ 10 nm.
  • PLA and PETG are particularly easy to process in 3D printing.
  • ABS has a higher melting point, is very stiff and scratch-resistant as well as moisture-repellent and, despite its high mechanical robustness, can be easily machined.
  • PMMA and PC particularly smooth surfaces are possible.
  • Very smooth surfaces can also be produced using a light-curing plastic (photopolymer), for example acrylic, epoxy and/or vinyl ester resin or others, for example using stereolithography processes (SLA or DLP processes). These smooth surfaces are particularly advantageous for use as a surface for applying a reflective surface of a mirror. All of the materials mentioned have the advantage that they are easy to process. In addition, metal coatings adhere particularly well to the materials mentioned here.
  • the aforementioned materials are also suitable for the aforementioned manufacturing processes, in particular for use in the injection molding process and/or for use in the 3D printing process.
  • the materials mentioned have advantageous temperature properties for use in an FTIR spectrometer.
  • the materials mentioned are also easy to process and rework and are inexpensive.
  • the plastic material can preferably have a fiber material in addition to the aforementioned materials and thus form a composite material at least in sections.
  • the fiber material can be, for example, carbon fibers or glass fibers.
  • the addition of fibers generally improves the mechanical and, in particular, the temperature-dependent properties of the plastic material.
  • the reflecting surface of at least one mirror of the mirror arrangement has free-form optics at least in some areas.
  • a free-form optic is a reflective surface that differs from spherical and parabolic geometries.
  • a free-form optic can be a reflective surface that differs at least in areas from the mirror shapes or combinations thereof mentioned in claims 2 and 3.
  • the free-form optics have a shape deviation from one of the following mirror shapes at least in some areas: an off-axis parabolic mirror, a parabolic mirror, a compound parabolic concentrator, a spherical concave mirror, a mirror which has the shape of at least one in at least one axis Parabolic segment or a circle segment.
  • the free-form optics have a shape deviation from the following mirror shapes, at least partially or completely: an off-axis parabolic mirror, a parabolic mirror, a compound parabolic concentrator, a spherical concave mirror, a mirror that has the shape at least in one axis at least one parabola segment or a circle segment.
  • the free-form optics have a shape deviation in an edge region at least in some areas.
  • the free-form optics have a shape deviation in an edge region.
  • the free-form optics of the FTIR spectrometer preferably has a shape deviation from the following mirror shapes in an edge region: an off-axis parabolic mirror, a parabolic mirror, a compound parabolic concentrator, a spherical concave mirror, a mirror which has the shape of at least one parabolic segment or a Has circle segment.
  • the edge region preferably describes the transition between the reflecting surface and the base body of a mirror.
  • the edge region has a minimum extent or minimum radius of 1 mm, preferably 2 mm, more preferably 3 mm. It has been shown that this area is particularly advantageous for beam shaping and guidance.
  • the shape deviation is a convex regular or irregular fillet or chamfer or a combination of a convex regular or irregular fillet and/or a chamfer.
  • Providing such a rounding or chamfer has the advantage that unwanted scattered light when reflecting infrared light can be avoided.
  • scattered light can be reflected into areas within the FTIR spectrometer according to the invention in which it does not disturb or negatively influence the measurement signal.
  • At least one mirror of the mirror arrangement or each mirror of the mirror arrangement are designed and set up in such a way that when infrared light is reflected on the respective mirror of the mirror arrangement, the infrared light has a maximum wavefront error per mirror of 50 times the wavelength 25 times the wavelength of infrared light.
  • a wavefront error describes a spatial phase shift between light waves that, when viewed together, form a light beam.
  • the wavefront error is largely determined by the macroscopic shape of the mirrors of the mirror arrangement outside the interferometer described in the context of the invention.
  • the wavefront error can alternatively be determined by the surface properties of the mirrors of the mirror arrangement outside the interferometer described in the context of the invention.
  • the wavefront error can alternatively be determined by a combination of the macroscopic shape and the surface properties of the mirrors outside the interferometer described in the context of the invention.
  • the mirrors of the mirror arrangement outside the interferometer described in the context of this invention include a base body and a reflecting surface.
  • the macroscopic shape of a mirror according to the invention describes the mirror arrangement outside the interferometer, the external geometric design of the mirror or the external geometric design of the reflecting surface.
  • a non-exhaustive list of examples of macroscopic design elements that can be combined with one another may include the following: bulges, indentations, notches, edges, planes, recesses, or other known regular or irregular surface designs.
  • the surface quality of a mirror according to the invention of the mirror arrangement outside the interferometer describes the microscopic design of one or more interfaces of the mirror according to the invention or the reflecting surface.
  • the interface may be, include, or support the reflective surface of the mirror.
  • the interface of a mirror described in the context of the invention can be the area below the reflective coating.
  • the above-described interface of the mirror according to the invention within the scope of the invention can be the reflecting surface of the mirror on the base body.
  • An example of a measure of surface quality is the roughness of a surface or the interface.
  • the wavefront error can be significantly determined by the macroscopic shape of at least one mirror according to the invention of the mirror arrangement outside the interferometer.
  • the wavefront error can preferably be determined significantly by the macroscopic shape of each mirror in the mirror arrangement outside the interferometer.
  • the wavefront error can be significantly determined by the surface quality of at least one mirror according to the invention of the mirror arrangement outside the interferometer. More preferably, the wavefront error can be determined significantly by the surface quality of each mirror of the mirror arrangement outside the interferometer.
  • the wavefront error can be determined significantly by the macroscopic shape and the surface quality of at least one mirror of the mirror arrangement outside the interferometer. More particularly preferably, the wavefront error can be determined significantly by the macroscopic shape and the surface quality of each mirror of the mirror arrangement outside the interferometer.
  • Preferred examples of the low optical quality optics described above are optics with a maximum wavefront error of 50 times the wavelength of the reflected light, preferably 25 times the wavelength, more preferably 12.5 times the wavelength, particularly preferably 10 times the wavelength.
  • the macroscopic shape of at least one mirror of the mirror arrangement outside the interferometer or each mirror of the mirror arrangement outside the interferometer can be designed and set up in such a way that when infrared light is reflected on the respective mirror of the mirror arrangement, the infrared light has a maximum wavefront error per mirror of 50 times the wavelength of the infrared light, preferably 25 times the wavelength of the infrared light, more preferably 12.5 times the wavelength, particularly preferably 10 times the wavelength.
  • the surface quality of at least one mirror of the mirror arrangement outside the interferometer or each mirror of the mirror arrangement outside the interferometer can be designed and set up in such a way that when infrared light is reflected on the respective mirror of the mirror arrangement, the infrared light has a maximum wavefront error per mirror of 50 times that Wavelength of the infrared light, preferably 25 times the wavelength of the infrared light, more preferably 12.5 times the wavelength, particularly preferably 10 times the wavelength.
  • the macroscopic shape and the surface quality of at least one mirror of the mirror arrangement outside the interferometer or each mirror of the mirror arrangement outside the interferometer can be designed and set up in such a way that when infrared light is reflected on the respective mirror of the mirror arrangement, the infrared light has a maximum wavefront error per mirror of 50 times the wavelength of the infrared light, preferably 25 times the wavelength of the infrared light, more preferably 12.5 times the wavelength, particularly preferably 10 times the wavelength.
  • the mirror shapes described in the context of this invention with the structure of a mirror of the mirror arrangement consisting of the base body and the reflecting surface described in the context of this invention enable such a low maximum wavefront error, in particular due to their macroscopic shape of the mirror and/or the surface quality of the mirror.
  • a grinding or polishing step can be carried out before the metal coating is applied to the base body.
  • a metal coating is an example of an advantageous coating that provides a reflective surface. Grinding and polishing steps are examples of means known in the art for manipulating macroscopic shape and surface finish. In addition or as an alternative to the grinding and polishing steps, other means known in the prior art for processing the macroscopic shape and the surface quality are also conceivable.
  • surface roughness can be minimized through grinding and/or polishing steps. This also minimizes the wavefront error.
  • by editing the Surface quality of the base body before and / or after applying the metal coating or providing the reflective surface of the wavefront errors can be minimized.
  • a deterioration of the wavefront outside the interferometer only results in a loss of efficiency, which, however, is not relevant for the recording and processing of the infrared spectra up to the above-mentioned maximum per mirror for the wavefront error.
  • the efficiency of the mirror arrangement used in the context of the invention which has the above-mentioned maximum wavefront error, remains comparable to the efficiency of mirrors which are used in FTIR spectrometers known in the prior art, but at significantly reduced costs and lower Manufacturing effort.
  • the mirrors of the mirror arrangement and the interferometer are designed and set up in such a way that when infrared light is reflected on all mirrors of the mirror arrangement, the infrared light has a total maximum wavefront error of 300 times the wavelength of the infrared light.
  • the mirrors of the mirror arrangement are preferably designed and set up outside the interferometer so that when infrared light is reflected on all mirrors of the mirror arrangement, the infrared light has a total maximum wavefront error of 300 times the wavelength of the infrared light, preferably 200 times the wavelength of the infrared light.
  • the macroscopic shape and/or surface quality of the mirrors of the mirror arrangement outside the interferometer is designed and set up in such a way that when infrared light is reflected on all mirrors of the mirror arrangement outside the interferometer, the infrared light has a total maximum wavefront error of 300 times the wavelength of the infrared light, preferably 200 times the wavelength of the infrared light of the infrared light.
  • the wavefront of the infrared light is no longer modified within the interferometer.
  • the result of this is that there is no difference between the interference of two light rays with identical wavefronts with a high wavefront error compared to the interference with light rays with perfectly flat wavefronts.
  • the wavefront error that was already present before entering the interferometer is thus preserved after entering the interferometer, split in the beam splitter and then combined again.
  • Further deterioration due to errors in the optics, in particular the mirror of the mirror arrangement only results in a loss of efficiency, which, however, is not relevant up to the above-mentioned maximum for the total wavefront error caused by the mirror arrangement for recording and processing the infrared spectra in the FTIR spectrometer according to the invention . Due to this surprising property, the efficiency of the mirror arrangement used in the context of the invention remains comparable to the efficiency of FTIR spectrometers known in the prior art at the above-mentioned maximum wavefront error, but with significantly reduced costs and lower manufacturing effort
  • the mirror arrangement has at least two off-axis parabolic mirrors with a first focal length and at least two parabolic mirrors with a second focal length.
  • At least four mirrors are preferably arranged in the following order along the beam path: off-axis parabolic mirror (with first focal length fl) - parabolic mirror (with second focal length f2) - sample interface (for example ATR crystal) - parabolic mirror (with second focal length f2) - off-axis parabolic mirror ( with first focal length fl).
  • the first and second focal lengths fl and f2 preferably do not have the same values.
  • the second focal length f2 can, for example, be in the range from 1 mm to 2.5 mm, preferably 1.7 mm.
  • the ATR crystal has a maximum area for contact with the sample that is less than 2.5 mm by 2.5 mm.
  • parallel beams through an off-axis parabolic mirror before and after the sample interface preferably an ATR crystal
  • parallel beams before and after the sample interface in the measuring cell enable easy replacement of the sample interface.
  • a sample interface in the form of an ATR crystal can be replaced with another single or multiple reflection ATR, transmission and/or DRIFTS setup.
  • the parabolic mirror can also be designed in one piece as a single parabolic mirror before and after the sample interface.
  • An example of this is a parabolic mirror or CPC as used in conventional flashlights.
  • the sample interface for example the ATR crystal
  • the sample interface or ATR crystal can be arranged in an opening at the focal point of the one-piece parabolic mirror. The positioning of the sample interface or ATR crystal at the focal point of the parabolic reflector allows a very compact and cost-effective structure when coupling light into or out of the sample. In addition, such a structure is robust and avoids or reduces problems caused by misalignment of the mirror arrangement.
  • the sample interface is an ATR crystal that is accommodated in a holder, the holder being made of metal using a 3D printing process.
  • the 3D printing method for metal includes any 3D printing method known in the art and suitable for printing metal.
  • the 3D metal printing process preferably has a printing resolution per layer of a maximum of 230 pm. This ensures the necessary accuracy of fit of the ATR crystal in the holder.
  • the holder preferably has at least one web or a receptacle which is designed and set up in such a way as to transmit or absorb compressive forces on the diamond onto the holder as an abutment of the diamond. Compressive forces can arise, for example, when samples are pressed against the ATR crystal.
  • Such a design of the holder ensures long-lasting and safe use of the holder and the ATR crystal accommodated therein.
  • the web can divide an opening on an underside that passes through the holder from a top side to a bottom side into two sections or two openings, the sections being designed to receive the ATR crystal incident into the holder when the ATR crystal is received in the holder and to allow the infrared light emitted from the ATR crystal to pass through.
  • the opening can be designed on the top in such a way that the ATR crystal can be inserted into it with a precise or almost precise fit and can be flush with a surface of the top.
  • the top side can be an area in which the ATR crystal can be brought into contact with a sample or with sample material.
  • the holder is preferably printed from stainless steel or titanium.
  • Stainless steel and titanium can absorb high tensile and compressive forces and are chemically inert.
  • the ATR crystal is preferably glued into the holder with an adhesive or soldered in with solder. More preferably, the ATR crystal is glued into the holder in such a way that the opening in the top of the holder is closed in a fluid-tight manner by the ATR crystal and the adhesive or the solder. Both gluing and soldering are joining processes that can be carried out with little technical effort, high precision and low costs.
  • the solder preferably comprises or is the solder with which the ATR crystal is soldered into the holder, silver solder with or without titanium content. Both types of solder mentioned have advantageous wetting and bonding properties with both the ATR crystal, preferably diamond, and the holder made of stainless steel or titanium. This creates a strong and long-lasting connection between the ATR crystal and the holder.
  • Soldering is preferably carried out in a vacuum oven. This ensures that the ATR crystal, preferably a diamond, is not damaged during soldering. As already mentioned, the bonding or soldering point of the ATR crystal in the holder preferably forms an airtight and watertight seal of the opening on the top of the holder. This has the advantage that when the holder with the ATR crystal is mounted in the FTIR spectrometer, the hermetic encapsulation of the FTIR spectrometer is still guaranteed and there is no additional entry of water into the FTIR spectrometer.
  • the holder can be manufactured, for example, using the following manufacturing process, taking into account the aforementioned properties:
  • the holder made of metal, preferably made of stainless steel or titanium, more preferably with a printing resolution per layer of a maximum of 230 pm, and
  • the ATR crystal can preferably be soldered into a stainless steel holder. This is possible due to the production of the holder from 3D printed metal in combination with soldering the ATR crystal into the holder despite the different thermal expansion coefficients of stainless steel and, for example, diamond as the material for the ATR crystal. Molybdenum holders known from the prior art are significantly more complex and expensive to manufacture compared to the aforementioned structure. Due to the lower cost of stainless steel, the entire holder can be 3D printed in one part, so a precise and tight fit of a molybdenum diamond holder into a larger stainless steel holder, as is common in the prior art, is not necessary.
  • the production of the holder using a 3D printing process made of metal and in particular according to the method described above generally has the advantage that it is significantly simpler and more cost-effective compared to conventional manufacturing processes such as milling or spark erosion from a solid material.
  • the 3D printing process can be used to create geometries that are difficult or impossible to achieve using conventional manufacturing processes.
  • Such a holder can be produced in small dimensions and can absorb the high pressures that arise when the ATR crystal comes into contact with the sample or sample material without destroying or damaging the holder.
  • the holder is set up to hold the ATR crystal stationary at a contact pressure of the sample of up to 130 bar on the ATR crystal.
  • the ATR crystal has a maximum sample support area of a maximum of 3 mm by 3 mm.
  • the sample support surface is the surface of the ATR crystal that can maximally come into contact with a sample or a sample material.
  • the sample support surface lies on the top of the holder and is defined by the surface of the ATR crystal in the holder that is flush with the surface of the holder.
  • the maximum sample support surface is preferably a maximum of 2.8 mm by 2.8 mm, more preferably 2.5 mm by 2.5 mm, even more preferably 2.0 mm by 2.0 mm.
  • Small sample support surfaces are also reflected in the overall dimensions of the ATR crystal, which is why small ATR crystals can be used for small sample support surfaces. This means that less ATR crystal material is required, which simplifies production and reduces costs.
  • the FTIR spectrometer according to the invention is used in accordance with one of the above-mentioned embodiments to measure a sample containing pharmaceutical substances.
  • the FTIR spectrometer according to the invention is particularly preferably used in accordance with one of the above-mentioned embodiments to determine the quality of a sample containing pharmaceutical substances. Such quality determinations can be carried out, for example, in pharmacies or by pharmacists.
  • the quality determination can in particular include one or more points: determining the identity of a, preferably pharmaceutical, substance, determining a concentration of one or more pharmaceutical substances in the sample, determining the purity of one or more pharmaceutical substances in the sample, determining a concentration of impurities in the sample, qualitative determination of impurities, in particular the type, in the sample.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a structure of an FTIR spectrometer
  • FIG. 2a, b show an exemplary schematic beam path of the FTIR spectrometer according to the invention from FIG. 1 with two different embodiments of a spectrometer structure, 3a, b two views of an exemplary schematic structure of a mirror of the mirror arrangement of the FTIR spectrometer according to the invention,
  • FIGS. 10a, b show exemplary FTIR spectra, which were recorded with an FTIR spectrometer according to the invention based on the mirror arrangement according to the invention with injection-molded mirrors and a mirror arrangement with commercially available precision metal mirrors to compare the results, and
  • Fig. lla-h various spatially resolved measurements of wavefront errors of metal precision mirrors and various embodiments of mirrors according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a structure of an embodiment of an FTIR spectrometer 1 according to the invention.
  • Figure 2a shows schematically an exemplary beam path 13 of the FTIR spectrometer 1 with a first embodiment of an interferometer.
  • Figure 2b shows schematically an alternative structure of an interferometer.
  • the FTIR spectrometer 1 is described below:
  • the FTIR spectrometer 1 includes an infrared radiation source 3, an interferometer 5a, 5b, a measuring cell 7, an infrared detector 9 and a control system 11.
  • the interferometer 5a typically has a first and a second arm 12a, 12b, with at least one arm being a variable-length arm 14.
  • the control system 11 can regulate a mirror offset of a mirror of the first arm 12a of the interferometer 5a that is movable along a linear axis by appropriately controlling a corresponding actuator or actuator. This changes the distance of the mirror of the arm with variable length 14 from the beam splitter 10, ie the length of the first arm 12a, and thus the distance to be covered by the light L, also called the path length, in the first arm 12a.
  • the interferometer 5b can comprise a rocker 16 which can be rotated in one plane, as shown in FIG. 2b.
  • the rocker 16 is designed in such a way that it includes, in particular, the mirrors of the interferometer 5b necessary for reflecting both individual beams coming from the beam splitter 10.
  • the rocker 16 thus forms or includes both arms of the interferometer 5b.
  • the control system 11 regulates a rotational movement, for example with the help of a drive of the rocker 16, such that the rocker 16 executes a pendulum movement about an axis 18 between two end points relative to the stationary beam splitter.
  • the rocker 16 can be driven, for example, with the help of a voice coil.
  • the FTIR spectrometer 1 also has a reference laser. With the help of the reference laser, the position and an angle of inclination of at least one mirror of one or both arms of the interferometer 5a, 5b can be determined or a relative path length difference between the mirrors of the first and second arms 12a, 12b of the interferometer 5a, 5b can be determined.
  • the measuring cell 7 has a sample interface and can preferably include an ATR crystal 15 in or on it, which can be brought into contact with a sample 17.
  • the control system 11 is set up to change the length of at least one arm of the interferometer.
  • the infrared detector 9 is set up to measure the intensity of the infrared light, which is directed onto the infrared detector 9 after the interaction in the ATR crystal 15 or the sample 17.
  • the infrared detector 9 can be, for example, or include a pyroelectric sensor. Alternatively or additionally, the infrared detector can be or comprise a photodiode.
  • the FTIR spectrometer 1 includes a mirror arrangement 13 outside the interferometer 5a, 5b with at least two mirrors, for example four mirrors 19a, 19b, 19c, 19d as shown in Fig. 2a, b.
  • Each mirror 19a-d includes a reflecting surface 21 and a base body 23 which includes the reflecting surface 21 (see Fig. 3a, b).
  • the base body 23 of at least one mirror 19a-d or all mirrors 19a-d of the mirror arrangement 13 is or are made of a plastic material and/or 3D printed metal.
  • the base body 23 can have at least one mirror 19a-d or all mirrors 19a-d plastic material and/or 3D printed metal.
  • the mirror arrangement 13 is at least set up to direct a light beam, ie light L, from the infrared radiation source 3 through the interferometer 5a, 5b onto the sample interface of the measuring cell 7 and to direct the light beam from the sample interface of the measuring cell 7 to the infrared detector 9.
  • the functionality of the FTIR spectrometer 1 is described below as an example.
  • the infrared radiation source 3 is operated and emits light L at least in the infrared range.
  • the light L from the infrared radiation source 3 is collimated by the mirror 19a to form a light beam L and strikes a beam splitter 10 in the interferometer 5a, 5b.
  • the beam splitter 10 divides the light beam into two individual beams. A first individual beam is reflected back to the beam splitter 10 by a first mirror in the first arm 12a.
  • a second individual beam is reflected back to the beam splitter 10 by a second mirror in the second arm 12b. At least one of the two arms or even both arms are variable in length.
  • the control system 11 In the case of a mirror that is movable along a linear axis, the control system 11 periodically moves the mirror of the first arm 12a between a first and a second turning point relative to the stationary beam splitter 10 and thus changes the path length of the light in the first arm 12a, whereby the Arm itself is an arm 14 that is variable in length.
  • the control system 11 regulates the drive of the rocker 16 in such a way that the rocker 16 executes a pendulum movement relative to the stationary beam splitter 10 between two end points and thereby shortens one arm 12a or 12b and the other arm 12b or 12a is extended. After reflection on the mirrors, the two individual beams are brought together again in the beam splitter 10, interfere there and leave the interferometer 5a, 5b as light beam L.
  • a sample spectrum i.e. a spectrum of the light that has left the ATR crystal 15 after an interaction with the sample 17, is now recorded analogously to the description above as follows: the infrared light L is passed through a part after leaving the interferometer 5a, 5b the mirror arrangement 13, in the case of Fig. 2a, b by mirror 19b, is directed and focused in the direction of the measuring cell 7.
  • the incident light 25 enters the ATR crystal 15 at an angle 0.
  • an evanescent wave 27 is created, which interacts with the sample material.
  • the light L leaves the ATR crystal 15 over the same angle 0 as emitted light 29 and now carries information characteristic of the sample 17 or the sample material.
  • the light L is directed and focused by reflection onto the infrared detector 9 by means of a further part of the mirror arrangement 13, i.e. in the case of FIGS. 2a, b by mirrors 19c and 19d and detected by the infrared detector 9.
  • the infrared detector 9 or a separate detector for example in the form of a separate photodiode, preferably detects the reference laser beam, which was also directed through the interferometer 5a, 5b and interferes there.
  • the reference laser beam and the light beam from the infrared radiation source 3 do not interact with one another or only interact negligibly.
  • the infrared light L recorded by the infrared detector 9 and leaving the sample 17, i.e. the sample signal, and the signal of the reference laser beam are recorded and processed, for example, by the control system 11, which comprises, for example, a microcontroller or microprocessor or alternatively or additionally a separate measuring computer.
  • the sample signal is preferably Fourier transformed, for example by a known Fast Fourier Transform (FFT), and adjusted for the reference spectrum.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • a path difference between the arms in the interferometer 5a, 5b is assigned to the signal of the reference laser beam.
  • the desired infrared spectra are calculated from the processed sample signal and the path difference using methods known in the art.
  • FIG. 3a, b shows an example of a schematic structure of a mirror 19 of the mirror arrangement 13 of the FTIR spectrometer 1 according to the invention.
  • the mirror 19 can, for example, be one, several or all of the mirrors 19a, 19b, 19c and / or 19d from Fig. 2a, b .
  • the mirror 19 includes a reflective surface 21 and a base body 23 which includes the reflective surface 21.
  • the base body 23 is made of a plastic material and/or 3D printed metal. Alternatively, the base body 23 can comprise plastic material and/or 3D printed metal.
  • the reflecting surface 21 of the mirror 19 is preferably concave in sections and/or designed as a concave mirror.
  • the base body 23 of the mirror can include the reflective surface or hold it directly or indirectly, for example via intermediate layers.
  • the reflective surface 21 can be connectable to other parts of the FTIR spectrometer 1 according to the invention via the base body 23. If the reflective surface is, for example, a metal coating, the reflective surface can, for example, be applied directly to a section of the surface of the base body. Alternatively, the metal coating can be applied to intermediate layers. The intermediate layers (or at least one of them) can in turn be applied directly to the section of the surface of the base body.
  • the base body 23 can be designed in one piece together with the reflective surface 21.
  • the reflective surface 21 is applied directly to a surface section of the base body 23.
  • the reflective surface 21 is applied indirectly, i.e. for example on an intermediate layer on the surface section of the base body 23.
  • the base body 23 can be designed in one piece together with the reflective surface 21.
  • CORRECTED SHEET (RULE 91 ) ISA/EP for example, be connectable to a part, for example a part of the housing or a base plate of the FTIR interferometer 1 according to the invention.
  • the base body 23 can be designed in several pieces (not shown) with at least a first and a second part (and possibly further parts such as spacers or the like).
  • the first part of the base body 23, as in the one-piece case includes the reflective surface 21 directly on a surface section or includes the reflective surface 21 indirectly via an intermediate layer.
  • the first part of the base body 23 can then be connectable to the second part of the base body 23 (and possibly further parts of the base body 23) to a part of the housing or a base plate of the FTIR interferometer 1 according to the invention.
  • the mirror 19 or the reflecting surface 21 of the mirror 19 may have a mirror shape or a combination of mirror shapes from the following list: an off-axis parabolic mirror, a parabolic mirror, a compound parabolic concentrator, a spherical concave mirror, a mirror that has at least one axis Has the shape of at least one parabola segment or a circle segment.
  • the reflecting surface 21 of the mirror 19 of the mirror arrangement 13 can have a free-form optic at least in some areas.
  • the free-form optics can, for example, have a shape deviation from one of the following mirror shapes at least in some areas: an off-axis parabolic mirror, a parabolic mirror, a compound parabolic concentrator, a spherical concave mirror, a mirror which has the shape of at least one parabolic segment or a circular segment at least in one axis
  • the shape deviation is a convex regular or irregular rounding or chamfer or a combination thereof.
  • the mirror 19 of the mirror arrangement 13 is preferably designed and set up in such a way that when infrared light L is reflected on the mirror 19 of the mirror arrangement 13, the infrared light L has a maximum wavefront error of 50 times the wavelength, preferably 25 times the wavelength of the infrared light L.
  • Figure 4 shows a second, alternative schematic beam path of a part of the FTIR spectrometer 1 according to the invention.
  • the structure in Figure 4 has a mirror arrangement 13 'with at least two off-axis parabolic mirrors 31 with a first focal length fl and at least two parabolic mirrors 33 with a second focal length f2 on.
  • the first and second focal lengths fl and f2 preferably do not have the same values.
  • Figure 5 shows an example of a compound parabolic concentrator mirror (CPC) 32.
  • the spatially extended infrared radiation source 3, the infrared detector 9 or the ATR crystal 15 can be accommodated in a focal point 34 of the CPC 32.
  • the CPC is designed to collimate light L emitted by the infrared radiation source 3.
  • the CPC is designed to be incident, preferably collimated, in the direction of the infrared detector 9 or the ATR crystal 15 at an angle of up to 0 , to focus light L on the infrared detector 9 or the ATR crystal 15.
  • 6a to 6c show various views of a structure of a holder 35 for an ATR crystal 15, which can be used within the scope of the invention.
  • 6a shows an oblique view of an upper side 37 of the holder 35, i.e. the side of the holder 35 that faces a sample 17.
  • the top 37 of the holder 35 has an opening 39, which is designed to accommodate the ATR crystal 15 flush with the surface and to seal it using suitable means, for example solder.
  • Figure 6b shows a bottom 41, i.e. a surface of the holder 35, which is opposite the top 37.
  • the bottom 41 has two openings 43 and 45 which are connected to the opening 39 of the top.
  • the two openings 43 and 45 are separated from each other by a web 47.
  • FIG. 6c shows a sectional view along section line AA from Figure 6a.
  • An ATR crystal 15 is also included in FIG. 6c.
  • the ATR crystal 15 is designed in such a way that it is flush with the surface 37 of the holder 35 and rests on the web 47.
  • the ATR crystal 15 can be fastened in the holder 35, for example with the aid of solder or glue.
  • the web 47 can absorb any compressive forces when a sample 17 is pressed onto the ATR crystal 15.
  • the web thus acts as an abutment with respect to compressive forces from the direction of the top 37 of the holder 35 on the ATR crystal. This can prevent the ATR crystal 15 from breaking out of the holder 35.
  • the holder 35 is preferably made of metal using a 3D printing process.
  • the metal 3D printing process preferably has a printing resolution per layer of a maximum of 230 pm. This ensures the necessary accuracy of fit of the ATR crystal in the holder.
  • Figures 7a, b show two views of an exemplary mirror holder 49 in the interferometer 5a, 5b of the FTIR spectrometer 1 according to the invention.
  • Figure 7a shows a side view of the mirror holder 49
  • Figure 7b shows a top view of the mirror holder 49.
  • the mirror holder 49 can have a base body 51 which can be connected to a section of the interferometer or the FTIR spectrometer, for example a housing section.
  • a first part 53 is connected to the base body 51.
  • the first part 53 has a first spring steel sheet 55.
  • the base body 51 is connected to the first part 53 by means of the first spring steel sheet 55.
  • the first part 53 can be designed like a plate.
  • a first screw 57 which is rotatably mounted in the base body 51, distances the first part 53 from the base body 51. The first screw 57 only has a non-positive connection with the first part 53.
  • the first spring steel sheet 55 exerts a spring force in such a way that the first part 53 is prestressed in the direction of the base body 51 and the first screw 57, or an end of the first screw 57 facing the first part 53, is an abutment to the spring force of the first part 53 forms.
  • the non-positive connection of the screw end of the first screw 57 can be present, for example, directly with the first part 53 or with a separate material.
  • the separate material is preferably abrasion-resistant and withstands the forces that the screw end of the first screw 57 exerts on the first part due to the non-positive connection, particularly during frequent rotational movements. This extends the service life of the mirror holder 49.
  • the mirror holder also has a second part 59.
  • the second part 59 is connected to the first part 53.
  • the second part 59 has a second spring steel sheet 61.
  • the second part 59 is connected to the first part 53 by means of the second spring steel sheet 61.
  • a second screw 63 which is rotatably mounted in the first part 53, distances the second part 59 from the first part 53 and/or from the base body 51.
  • the second screw 63 only has a non-positive connection with the second part 59.
  • the second spring steel sheet 61 exerts a spring force in such a way that the second part 59 is prestressed in the direction of the first part 53 and the second screw 63, or an end of the second screw 63 facing the second part 59, is an abutment to the spring force of the first part 53 forms.
  • a through hole 64 in the base body 51 allows access to the second screw 63.
  • the second part 59 additionally comprises a mirror 65.
  • the mirror 65 can be attached to the second part 59, be enclosed by the second part 59 or be formed by the second part 59. In the absence of a second part 59, the mirror 65 can also be attached to the first part 53, be enclosed by the first part 53 or be formed by the first part 53.
  • the first and second parts 53, 59 have a cuboid shape.
  • the second spring steel sheet 61 is arranged on one of the side surfaces 67 of the second part 59, which is perpendicular to the surface 69 that receives or provides the mirror.
  • the surface normal of the first spring steel sheet 55 is arranged perpendicular to the normal of the surface 69 and perpendicular to the normal of the surface 61 and is received on a side surface 71 of the first part 53.
  • Figures 8a-h show measurement results for measured parameters of a mirror 19 'of the mirror arrangement 13 of the FTIR spectrometer 1 according to the invention in comparison with commercially available mirrors.
  • Figure 8a shows a metal precision mirror as used in a mirror arrangement outside the interferometer in commercial FTIR spectrometers.
  • Figure 8b shows a mirror 19 'of the mirror arrangement 13 of the FTIR spectrometer 1 according to the invention.
  • the measured mirror 19' has a base body 23 made of PMMA plastic and was manufactured using an injection molding process. The reflective surface was then applied as a metallic coating made of gold.
  • Figures 8c and 8d show measurement data of the reflecting surfaces 21 of the mirrors shown in Figures 8a and 8b in the form of the measured height along the path along arrow A.
  • the measurement data shown were carried out with a profilometer known in the art.
  • the measurement data shown clearly shows a parabolic shape of the profile.
  • Figures 8e and 8f each show two measurement results of the microscopic surface roughness of the metal precision mirror from Figure 8a.
  • 8g and 8h each show two measurement results of the surface roughness of the mirror 19 'of the mirror arrangement 13 of the FTIR spectrometer 1 according to the invention from FIG. 8b.
  • the average roughness in the case of FIGS. 8e and 8f is 17.8 nm RMS (root mean square) and 14.5 nm RMS
  • the average roughness in the case of FIGS. 8g and 8h is 39.1 nm RMS and 17.3 nm RMS.
  • the microscopic surface roughness of the mirror from FIG. 8b is on the same order of magnitude as the roughness of the metal precision mirror from FIG.
  • FIG. 9a shows a structure 73 of an exemplary beam path in the FTIR spectrometer 1 according to the invention used as part of a simulation.
  • the structure 73 shown essentially corresponds to the beam path from FIGS. 2a, b up to the ATR crystal 15.
  • the structure 73 includes a circular infrared radiation source 3' with a diameter of 2 mm assumed for the simulation.
  • a parabola 75 with a defined phase error is provided, in which the light from the infrared radiation source 3 'is collimated.
  • the aperture 77 of a beam splitter in the interferometer is taken into account.
  • the structure 73 also includes a second focusing parabola 79 as well as the apertures of the ATR crystal and the ATR crystal holder.
  • the parabola 75 collimates the light from the infrared radiation source 3'.
  • a phase error of the parabola 75 is introduced via Zernike polynomials known from the prior art. By introducing phase errors on the first parabola
  • the transmission can be influenced by the structure.
  • the power transmitted in the simulated structure 73 is 10% of the power emitted by the infrared radiation source 3'.
  • Figure 9b shows the result of the simulation in the form of several curves, which represent transmission through the optical system as a function of the deviation from an ideal parabolic shape. Each dashed curve is associated with a different Zernike polynomial. In addition, the mean value of all curves shown is shown as a solid line.
  • Figure 10a shows exemplary two single-shot FTIR spectra, which were each recorded with an FTIR spectrometer 1 according to the invention based on the mirror arrangement according to the invention with injection-molded mirrors and a spectrometer based on a similar mirror arrangement with precision metal mirrors.
  • the individual spectrum I was recorded with the FTIR spectrometer 1 according to the invention.
  • the single spectrum C was recorded with the same spectrometer using commercial precision metal mirrors.
  • the spectra shown were not averaged.
  • the FTIR spectrometer 1 according to the invention used exclusively comprised mirrors 19 in the mirror arrangement 13, the base body 23 of which comprised a plastic material and which were produced using an injection molding process.
  • Figure 10b shows the calculated difference spectrum D of the spectra C, I shown in Figure 10a.
  • Figure 10b shows only minimal difference values between the spectra at different wave numbers. Deviations are essentially due to a slightly different adjustment of the two FTIR spectrometers used.
  • Figure 11 shows various spatially resolved measurements of wavefront errors of the central part of metal precision mirrors and various embodiments of mirrors according to the invention.
  • the measurements were carried out using a Shack-Hartmann wavefront sensor with a collimated laser beam at 556 nm wavelength.
  • the mirrors used for the measurements in Figure 11 each had a parabolic shape.
  • the spatial position of the reflecting surface (x and y position) of the mirror as well as the measured wavefront error (coded as gray levels) are shown.
  • the Peak to Valley (PV) value above each subfigure describes the maximum measured wavefront error (difference between the highest and lowest points in the wavefront profile) on the displayed surface of the mirror used.
  • the root mean square (RMS) value above each subfigure describes the root mean square of the wavefront error on the displayed surface of the mirror used.
  • Figures 11a and 11b show measurements of the spatially resolved wavefront error of two different metal precision mirrors (Metallic-1 and Metallic-2).
  • Figures 11c to 11h show measurements of the spatially resolved wavefront error of embodiments of a mirror of the mirror arrangement outside the interferometer of the FTIR spectrometer according to the invention.
  • Two different mirrors made of polymethyl methacrylate (PMMA-1 and PMMA-2) were used for the measurement in Figures 11c and 11d.
  • Two different mirrors made of polyurethane (PU-1 and PU-2) were used for the measurements in Figures Ile and IIIf.
  • Two different polycarbonate mirrors (PC-1 and PC-2) were used for the measurements in Figures 11g and 11h.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein FTIR-Spektrometer mit einer Infrarotstrahlungsquelle, einem Interferometer mit wenigstens einem in der Länge variablen Arm, einem Referenzlaser, einer Messzelle mit einem Probeninterface, vorzugsweise einem ATR-Kristall, das mit einer Probe in Kontakt bringbar ist, einem Infrarotdetektor, einem Steuersystem, das eingerichtet ist, die Länge des wenigstens einen Arms des Interferometers zu ändern, und einer Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers mit wenigstens zwei Spiegeln mit je einer reflektierenden Oberfläche und einem Grundkörper, der die reflektierende Oberfläche umfasst, wobei die Spiegelanordnung wenigstens eingerichtet ist, einen Lichtstrahl vom Interferometer auf das Probeninterface zu lenken und den Lichtstrahl vom Probeninterface auf den Infrarotdetektor zu lenken, wobei der Grundkörper wenigstens eines Spiegels oder aller Spiegel der Spiegelanordnung aus einem Kunststoffmaterial und/oder aus 3D gedrucktem Metall gefertigt ist bzw. sind oder der Grundkörper wenigstens eines Spiegels oder aller Spiegel Kunststoffmaterial und/oder 3D gedrucktes Metall aufweist bzw. aufweisen.

Description

FTIR-Spektrometer
Die Erfindung betrifft ein FTIR-Spektrometer mit einem Spiegel aus einem Kunststoffmaterial. Der Gegenstand der Erfindung ist in den beigefügten Patentansprüchen definiert.
FTIR-(Fourier-Transformations-lnfrarot)-Spektrometer sind eine spezielle Form von Spektrometern, welche mittels eines speziellen Messaufbaus Infrarotspektren aufnehmen können. Bei der FTIR-Spektroskopie wird ein durch ein Interferometer erzeugtes Signal mittels Fourier-Transformation in ein Spektrum übersetzt. Dieses Spektrum enthält Informationen über die vermessene Probe. Beispielsweise können die chemische Zusammensetzung von Lebensmitteln, Werkstoffen, Chemikalien, Gefahrstoffen, Medikamenten und/oder Kunststoffen zerstörungsfrei analysiert werden. Damit eignen sich FTIR-Spektrometer insbesondere auch zur Bestimmung und Qualitätskontrolle von Ausgangsstoffen für die Herstellung von Medikamenten.
Zur optischen Analyse von Proben mittels der Aufnahme von Spektren ist es allgemein für das gesamte verwendete Strahlungsspektrum, aber insbesondere auch bei der Verwendung von Infrarotstrahlung notwendig, eine möglichst große Wechselwirkung zwischen Licht und Probenmaterial herzustellen. Gleichzeitig ist es wünschenswert, eine hohe Bandbreite an Probenarten (Feststoffe, Flüssigkeiten, Pulver etc.) zu unterstützen. In der Spektroskopie und Analytik hat sich dabei der Einsatz von sogenannten ATR-Kristallen (engl. Attenuated Total Reflection, abgeschwächte Totalreflexion) in FTIR-Spektrometern bewährt. Mit Hilfe eines ATR-Kristalls kann eine evaneszente Welle in das mit dem ATR-Kristall in Kontakt stehende Probenmaterial bzw. die Probe einkoppeln. Dieser Effekt wird auch optischer Tunneleffekt genannt. Das verbleibende Licht trägt Informationen über die Wechselwirkung mit der Probe, wird mittels interner Totalreflexion wieder aus dem ATR-Kristall herausgeführt und kann anschließend z.B. durch Reflexion zu einem Infrarotdetektor geleitet werden.
Ein FTIR-Spektrometer umfasst im einfachsten Fall eine kollimierte Infrarotstrahlungsquelle, ein Interferometer, einen Referenzlaser, eine Messzelle mit einem Probeninterface, die beispielsweise einen ATR-Kristall umfasst, sowie einen Infrarotdetektor und ein Steuersystem.
Das Interferometer umfasst einen Strahlteiler, der einfallendes Licht in zwei Einzelstrahlen aufteilt. Die Einzelstrahlen werden an je einem (oder ggf. mehreren) Spiegel(n) des Interferometers reflektiert und im Strahlteiler wieder zusammengeführt, wobei sie miteinander interferieren. Der Weg eines Einzelstrahls im Interferometer vom Strahlteiler bis zum (letzten) reflektierenden Spiegel und zurück bzw. der mit diesem Weg im Interferometer verbundene Aufbau wird üblicherweise als Arm bezeichnet. Einer der Arme des Interferometers oder beide Arme des Interferometers sind üblicherweise in der Länge variabel. Dies wird praktisch durch eine Bewegung wenigstens eines Spiegels eines oder beider Arme relativ zum Strahlteiler umgesetzt. Die Länge des Arms bzw. der Arme (und damit die Spiegelbewegung bzw. Spiegelbewegungen) wird bzw. werden durch das Steuersystem geregelt. Dadurch ist die Interferenz der reflektierten Einzelstrahlen veränderbar bzw. einstellbar. Mit Hilfe des Referenzlasers werden die Längen der Arme bzw. die von den Einzelstrahlen im Arm zurückgelegten Wegstrecken und/oder Wegstreckenunterschied im Interferometer bestimmt.
Beispielsweise kann das Steuersystem einen Spiegelversatz eines entlang einer linearen Achse beweglichen Spiegels eines der zwei Arme des Interferometers regeln. Dabei wird der Abstand des beweglichen Spiegels vom Strahlteiler im Arm und damit die vom Licht zurückzulegende Wegstrecke, auch Weglänge genannt, im Arm verändert.
Alternativ ist im Stand der Technik ein Interferometer mit einer in einer Ebene drehbaren Wippe bekannt. Die Wippe ist derart ausgestaltet, dass sie insbesondere die zur Reflexion beider vom Strahlteiler kommenden Einzelstrahlen notwendigen Spiegel des Interferometers umfasst. Die Wippe bildet somit beide Arme des Interferometers. Das Steuersystem regelt eine Drehbewegung der Wippe derart, dass die Wippe zwischen zwei Endpunkten eine Pendelbewegung relativ zum ortsfesten Strahlteiler ausführt. Bei der Pendelbewegung erfolgt relativ zum Strahlteiler abwechselnd die Verkürzung eines Arms bei gleichzeitiger Verlängerung des jeweils anderen Arms des Interferometers. In diesem Fall werden somit die vom Licht zurückzulegenden Weglängen beider Arme verändert. Dadurch ist ebenfalls die Interferenz der reflektierten Einzelstrahlen einstellbar.
Die Intensität des nach der Interferenz der Einzelstrahlen entstandenen Lichtstrahls wird, beispielsweise nach dem Passieren der Messzelle mit dem Proben interface, durch den Infrarotdetektor gemessen. Aus der am Infrarotdetektor gemessenen Intensität und der mit dem Referenzlaser bestimmten Weglänge im Interferometer kann anschließend das Absorptionsspektrum der Probe berechnet werden. Dieses liefert Rückschlüsse über die Art, Zusammensetzung und Zustand der Probe und stellt somit eine Art chemischen Fingerabdruck der Probe bzw. des Probenmaterials dar.
Insbesondere bei der Verwendung von ATR-Kristallen in FTIR-Spektrometern ist ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (engl. Signal to Noise Ratio, SNR) entscheidend für eine aussagekräftige Messung mit hoher Messgeschwindigkeit und der für ein aussagekräftiges Spektrum benötigten Sensitivität der Messung. Das SNR wird maßgeblich durch die in den ATR-Kristall eingekoppelte Lichtmenge über einen möglichst großen Wellenlängenbereich bestimmt.
Die Einkopplung von Licht in den ATR-Kristall erfolgt typischerweise durch technisch komplexe und kostenintensive optische Aufbauten. Beispielsweise werden im Stand der Technik Strahlteiler verwendet, die typischerweise hohe Verluste von mehr als 50% des eingestrahlten Lichts bei zweifachem Passieren des Strahlenteilers haben. Alternative Lösungsansätze zur Maximierung des Probensignals an ATR-Kristallen sehen eine Mehrfachreflexion innerhalb des ATR-Kristalls vor. Dazu sind im Vergleich mit Einfachreflexions-ATR-FTIR-Spektrometern vergleichsweise große ATR-Kristalle notwendig. Große ATR-Kristalle sind jedoch mit einem hohen Produktionsaufwand sowie hohen Produktionskosten für die Fertigung der ATR- Kristalle verbunden. Zudem ist das verwendete Material, wie beispielsweise Diamant, häufig sehr teuer. Andere Lösungen verwenden aufwändig beschichtete refraktive Optiken, Faseroptiken oder Schwarzschildobjektive, die aufwendig, komplex und kostenintensiv in der Herstellung oder zeitintensiv in der Justage des optischen Systems sind, oder gar das Licht einer breitbandigen Licht- oder Infrarotquelle nicht wellenlängenunabhängig transmittieren.
Zudem umfassen die in im Stand der Technik verfügbaren FTIR-Spektrometer in der Regel technisch aufwendig und kostenintensiv gefertigte optische Elemente, insbesondere Spiegel. Ein typisches Beispiel für eingesetzte Spiegel mit den vorgenannten Nachteilen sind Metallpräzisionsspiegel. Metallpräzisionsspiegel werden typischerweise mittels aufwendiger CNC-Fräsarbeiten aus einem Vollmetallblock gefräst. Die im Fräsprozess eingesetzten Fräswerkzeuge einer CNC-Maschine werden bei dieser Herstellungsart stark beansprucht und abgenutzt. Zudem ist eine derartige Spiegelherstellung sehr ressourcenintensiv aufgrund der notwendigen sehr feinen Einstellung der Spanabnahme während des CNC-Fräsprozesses, um so die gewünschte Spiegelform ohne Rillen oder Riefen mit optischer Oberflächenrauheit zu erhalten. Der Einsatz derartiger Spiegel führt somit aufgrund des aufwendigen Herstellungsprozesses, der auch bei großen Stückzahlen nicht preiswerter wird, zu einer erheblichen Kostensteigerung des Gesamtaufbaus eines im Stand der Technik verfügbaren FTIR-Spektrometers. Alternative, technisch einfacher herstellbare Spiegelvarianten zum Einsatz in FTIR-Spektrometern sind im Stand der Technik nicht verfügbar. Ein Metallpräzisionsspiegel oder auch Präzisionsmetallspiegel ist somit ein im Stand der Technik bekannter Spiegel mit einem hohen Fertigungsaufwand und somit hohen Preis, der gleichzeitig herausragend vorteilhafte optische Eigenschaften aufweist. Ein Metallpräzisionsspiegel ist ein Beispiel für Präzisionsspiegel, d.h. für eine Optik mit einer hohen optischen Qualität. Metallpräzisionsspiegel sind in der Regel alternativlos beim Bau von hochpräzisen bekannten Interferometern in bekannten FTIR-Spektrometern.
Die Folge der Verwendung der vorgenannten optischen Elemente ist ein allgemein hoher technischer Fertigungsaufwand eines FTIR-Spektrometers sowie hohe Anschaffungskosten selbst bei „Einsteiger"-FTIR-Spektrometern. Aufgrund der großen Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten ist eine Vereinfachung des Herstellungsaufwands des optischen Aufbaus sowie eine Senkung der Herstellungs- und damit auch der Anschaffungskosten besonders wünschenswert. Zudem ist eine nachhaltigere Herstellung wenigstens eines Teils der optischen Bauteile wünschenswert. Durch eine Beseitigung dieser Nachteile werden im Ergebnis FTIR-Spektrometer für die optische Analytik für Firmen, staatliche Behörden, Schulen und Universitäten, Start-Ups, Ärzte und Apotheker sowie Privatpersonen mit limitiertem Budget zugänglich gemacht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines einfacher herstellbaren, zuverlässigen, kostengünstigeren und nachhaltigeren FTIR-Spektrometers mit einem vereinfachten optischen Aufbau, welches die Nachteile im Stand der Technik beseitigt. Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene FTIR-Spektrometergelöst. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.
Die Aufgabe wird durch ein FTIR-Spektrometer gemäß Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße FTIR-Spektrometer umfasst eine Infrarotstrahlungsquelle, ein Interferometer mit wenigstens einem in der Länge variablen Arm, einen Referenzlaser, eine Messzelle mit einem Proben interface, vorzugsweise einem ATR-Kristall, das mit einer Probe in Kontakt bringbar ist, einen Infrarotdetektor, ein Steuersystem, das eingerichtet ist, die Länge des wenigstens einen Arms des Interferometers zu ändern, und einer Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers mit wenigstens zwei Spiegeln mit je einer reflektierenden Oberfläche und einem Grundkörper, der die reflektierende Oberfläche umfasst, wobei die Spiegelanordnung wenigstens eingerichtet ist, einen Lichtstrahl vom Interferometer auf das Proben interface zu lenken und den Lichtstrahl vom Proben interface auf den Infrarotdetektor zu lenken, wobei der Grundkörper wenigstens eines Spiegels oder aller Spiegel der Spiegelanordnung aus einem Kunststoffmaterial und/oder aus 3D gedrucktem Metall gefertigt ist bzw. sind oder der Grundkörper wenigstens eines Spiegels oder aller Spiegel Kunststoffmaterial und/oder 3D gedrucktes Metall aufweist bzw. aufweisen.
Die Aufgabe wird insbesondere durch das nachfolgende erfindungsgemäße FTIR- Spektrometer gelöst, das erfindungsgemäße FTIR-Spektrometer umfasst eine Infrarotstrahlungsquelle, ein Interferometer mit wenigstens einem in der Länge variablen Arm, einen Referenzlaser, eine Messzelle mit einem Proben interface, vorzugsweise einem ATR-Kristall, das mit einer Probe in Kontakt bringbar ist, einen Infrarotdetektor, ein Steuersystem, das eingerichtet ist, die Länge des wenigstens einen Arms des Interferometers zu ändern, und einer Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers mit wenigstens zwei Spiegeln mit je einer reflektierenden Oberfläche und einem Grundkörper, der die reflektierende Oberfläche umfasst, wobei die Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers wenigstens eingerichtet ist, einen Lichtstrahl vom Interferometer auf das Proben interface zu lenken und den Lichtstrahl vom Proben interface auf den Infrarotdetektor zu lenken, wobei der Grundkörper wenigstens eines Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers oder aller Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers aus einem Kunststoffmaterial und/oder aus 3D gedrucktem Metall gefertigt ist bzw. sind oder der Grundkörper wenigstens eines Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers oder aller Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers Kunststoffmaterial und/oder 3D gedrucktes Metall aufweist bzw. aufweisen.
Der Kern der Erfindung betrifft die überraschende Entdeckung, dass die im Stand der Technik außerhalb des Interferometers verwendeten Präzisionsspiegel, wie z.B. Metallpräzisionsspiegel oder Präzisionsspiegel aus anderen Materialien, teilweise oder vollständig durch die Spiegel der Spiegelanordnung gemäß der Erfindung ersetzt werden können. Anders ausgedrückt besteht die überraschende Entdeckung darin, dass zwar innerhalb des Interferometers des FTIR-Spektrometers Optiken mit hoher Qualität verwenden werden müssen, um die notwendige Signalqualität bzw. konstruktive Interferenz zu erhalten. Beispiele für derartige Optiken sind die bereits oben beschriebenen bekannten Präzisionsspiegel, wie z.B. Metallpräzisionsspiegel. Es sind aber auch Präzisionsspiegel aus anderen Materialien denkbar.
Außerhalb des Interferometers des FTIR-Spektrometers genügt es jedoch überraschenderweise, wenn Optiken mit einer niedrigen optischen Qualität oder niedrigeren optischen Qualität als herkömmliche Präzisionsspiegel verwendet werden. Diese Optiken mit niedriger optischer Qualität oder niedrigerer optischer Qualität als Präzisionsspiegel können insbesondere einen hohen Wellenfrontfehler aufweisen. Diese Optiken mit niedriger oder niedrigerer optischer Qualität außerhalb des Interferometers entsprechen den im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen Spiegeln der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers.
Im Sinne der Erfindung beschreibt eine Optik mit einer hohen optischen Qualität eine Optik, insbesondere einen Spiegel oder eine Spiegelanordnung, bei der der Wellenfrontfehler deutlich kleiner als eine Wellenlänge des reflektierten Lichts ist. Dem Fachmann ist aus optischen Zusammenhängen zur Interferenz von Lichtwellen bekannt, dass der Wellenfrontfehler der Spiegel innerhalb des Interferometers von FTIR-Spektrometern deutlich kleiner als eine Wellenlänge sein muss, um eine konstruktive Interferenz mit brauchbarer Intensität zu erhalten. Daher ist innerhalb des Interferometers von FTIR-Spektrometern die Verwendung von Optiken mit einer hohen optischen Qualität erforderlich.
Im Sinne der Erfindung beschreibt eine Optik mit einer niedrigen optischen Qualität eine Optik, insbesondere einen Spiegel oder eine Spiegelanordnung, bei der der Wellenfrontfehler größer, bevorzugt deutlich größer als eine Wellenlänge des reflektierten Lichts ist. Derartige Optiken mit niedriger Qualität ermöglichen keine und nur eine geringe konstruktive Interferenz mit brauchbarer Intensität. Daher sind derartige Optiken mit niedriger optischer Qualität nicht für den Einsatz in Interferometern von FTIR-Spektrometern geeignet. Überraschenderweise sind Optiken mit niedriger optischer Qualität jedoch für die Verwendung außerhalb des Interferometers eines FTIR-Spektrometers geeignet, da dort der Wellenlängenfehler überraschenderweise einen geringeren Einfluss auf die gemessene Intensität hat.
Der Vorteil dieser überraschenden Entdeckung ist, dass dadurch der Herstellungsprozess eines FTIR-Spektrometers bei nahezu gleichbleibender Messqualität stark vereinfacht wird. Zudem werden die für die Herstellung notwendigen Kosten und Ressourcen eines FTIR-Spektrometers bei nahezu gleichbleibender Messqualität stark gesenkt. Weitere Vorteile werden nachfolgend beschrieben. Die Ausdrücke "Licht" und "Lichtstrahl" bzw. "Lichtstrahlen" werden im Rahmen dieser Erfindung synonym verwendet und beschreiben elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise im infraroten und/oder optischen Wellenlängenbereich, die einem Strahlengang folgen. Ein Strahlengang beschreibt im Rahmen dieser Erfindung eine Trajektorie des Lichts bzw. der Lichtstrahlen durch bzw. entlang von optischen Elementen und Bauteilen im erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometer, insbesondere der im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen Spiegel der Spiegelanordnung des FTIR-Spektrometers.
Die Infrarotstrahlungsquelle kann beispielsweise wenigstens Licht im Wellenlängenbereich des nahen und/oder mittleren Infrarots emittieren. Beispielsweise kann die Infrarotstrahlungsquelle wenigstens Licht im Wellenlängenbereich von 1 pm bis 50 pm emittieren. Es ist aber auch denkbar, dass die Infrarotstrahlungsquelle zusätzlich Licht im sichtbaren Spektrum emittiert. Die Infrarotstrahlungsquelle kann beispielsweise ein beheiztes Element aus Siliziumcarbid sein, welches auf eine Temperatur im Bereich von rund 1200 K beheizbar ist. Es ist auch denkbar, dass die Infrarotstrahlungsquelle eine Wolfram-Halogen- Lampe, eine Quecksilber-Entladungslampe oder eine Plasma-Lichtquelle ist. Die Infrarotstrahlungsquelle kann räumlich ausgedehnt sein, beispielsweise in wenigstens einer Raumrichtung im Bereich von bis zu 30 mm.
Das durch eine derart ausgedehnte Infrarotstrahlungsquelle erzeugte Licht kann vor dem Eintritt in das Interferometer mittels geeigneter optischer Mittel kollimiert werden. In diesem Zusammenhang sind die nachfolgenden Bauteile oder Anordnungen Beispiele für geeignete Mittel: Linsen und/oder Spiegel oder Spiegelanordnungen, z.B. umfassend Parabolspiegel, außeraxiale Parabolspiegel, die auch Off-Axis-Parabolspiegel genannt werden, und/oder sogenannte bekannte Compound Parabolic Concentrator-Spiegel (CPC). Bevorzugt erfolgt die Kollimation des von der Infrarotstrahlungsquelle emittierten Lichts mittels eines Parabolspiegels, eines außeraxialen Parabolspiegels oder eines CPC. Derartige Spiegel haben den Vorteil, dass sie das einfallende Licht besonders effizient kollimieren. Zudem können Verluste des reflektierten Lichts aufgrund von Absorption oder Dispersion, wie sie sonst bei transmissiven optischen Elementen wie z.B. Linsen entstehen würden, vorteilshaft vermieden werden. Damit kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) deutlich verbessert werden.
Innerhalb des Interferometers des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers ist die Qualität der Optiken kritisch, da jegliche Fehler auf der Skala von Bruchteilen der Wellenlänge direkt zur Zerstörung der Interferenz, und damit zum Signalverlust führen. Dementsprechend umfasst das Interferometer bevorzugt ausschließlich planare Spiegel sowie einen Strahlteiler mit einer Planarität im Bereich eines Bruchteils der zu messenden Wellenlängen.
Bevorzugt weist der Strahlteiler dasselbe Material wie ein Fenster des Infrarotdetektors auf oder ist aus diesem Material hergestellt. Dadurch wird nur eine Quelle anstatt zwei unterschiedlicher Quellen für Dispersion und Absorption in das FTIR-Spektrometer eingebracht. Letztendlich wird dadurch das Signal, welches den Detektor erreicht, deutlich verbessert. Besonders bevorzugt ist KBr, Csl, ZnSe, Diamant, KRS-5, Ge, Si als Material für das Fenster des Infrarotdetektors und des Strahlteilers. Diese Materialien sind in Bezug auf die Transmission von Infrarotstrahlung sehr breitbandig, wodurch sie für die gleichzeitige Verwendung in einem Strahlteiler und einem Fenster eines Infrarotdetektors gut geeignet sind.
Das Interferometer umfasst einen Strahlteiler, der einfallendes Licht in zwei Einzelstrahlen aufteilt. Der Weg eines Einzelstrahls im Interferometer vom Strahlteiler, beispielsweise entlang eines oder mehrerer Spiegel, bis zum entsprechenden Spiegel, an dem der Einzelzahl zurück zum Strahlteiler reflektiert wird bzw. der mit diesem Weg im Interferometer verbundene Aufbau wird im Sinne der Erfindung als "Arm" bezeichnet. Die Einzelstrahlen werden an je einem Spiegel oder mehreren Spiegeln der Arme im Interferometer zurück zum Strahlteiler reflektiert und im Strahlteiler wieder zusammengeführt, wobei sie miteinander interferieren. Einer der Arme des Interferometers oder beide Arme des Interferometers sind in der Länge variabel. Dies kann beispielsweise durch eine Bewegung wenigstens eines Spiegels eines oder beider Arme relativ zum Strahlteiler umgesetzt sein. Die Länge des Arms bzw. der Arme (und damit die Spiegelbewegung bzw. Spiegelbewegungen) kann durch das Steuersystem geregelt werden. Dadurch ist die Interferenz der reflektierten Einzelstrahlen veränderbar bzw. einstellbar.
Beispielsweise kann das Steuersystem einen Spiegelversatz eines entlang einer linearen Achse beweglichen Spiegels eines ersten von zwei Armen des Interferometers regeln. Dabei wird der Abstand des beweglichen Spiegels vom Strahlteiler im ersten Arm und damit die vom Licht zurückzulegende Wegstrecke, auch Weglänge genannt, im ersten Arm verändert.
Alternativ kann das Interferometer eine Wippe umfassen, die in einer Ebene relativ zum ortsfesten Strahlteiler drehbar gelagert ist. Die Wippe ist derart ausgestaltet, dass sie insbesondere die zur Reflexion beider vom Strahlteiler kommenden Einzelstrahlen notwendigen Spiegel des Interferometers umfasst. Die Wippe bildet somit den ersten und zweiten Arm des Interferometers. Beispielsweise kann die Wippe wie in J. Kauppinen et al., Appl. Spectrosc. Rev. 39, 99 (2004), Fig. 20 gezeigt, ausgestaltet sein. Das Steuersystem regelt eine Drehbewegung beispielsweise mit Hilfe eines Antriebs der Wippe derart, dass die Wippe zwischen zwei Endpunkten eine Pendelbewegung relativ zum ortsfesten Strahlteiler ausführt. Bei der Pendelbewegung erfolgt relativ zum Strahlteiler abwechselnd die Verkürzung eines Arms bei gleichzeitiger Verlängerung des jeweils anderen Arms des Interferometers. In diesem Fall werden somit die vom Licht zurückzulegenden Weglängen beider Arme verändert. Dadurch ist ebenfalls die Interferenz der reflektierten Einzelstrahlen einstellbar.
Die drehbare Wippe kann beispielsweise über ein Festkörpergelenk oder ein Wälzlager, beispielsweise ein Kugel- oder Rollenlager, nahezu reibungsfrei drehbar gelagert sein. Die drehbare Wippe kann von dem Antrieb zur Drehung angeregt werden. Der Antrieb kann beispielsweise eine Schwingspule (engl. voice coil) sein oder umfassen. Die Schwingspule hat den Vorteil, dass sie keine oder nur wenige mechanische Teile verglichen mit typischen Elektromotoren und/oder Antrieben aufweist und damit im Betrieb keine oder nur vernachlässigbar geringe unerwünschte zusätzliche mechanische Störungen in das Interferometer einführt. Zudem ist ein derartiger Antrieb langlebig und robust.
Alternativ kann das Interferometer auch jedes andere geeignete Interferometer sein, bei dem der Weglängenunterscheid innerhalb eines oder beider Arme während einer Messung änderbar ist.
Die beiden Einzelstrahlen interferieren miteinander in Abhängigkeit vom Weglängenunterschied, welcher durch die Bewegung des beweglichen Spiegels bzw. beider beweglicher Spiegel im Interferometer entsteht. Im Ergebnis entsteht in dem Wellenlängenbereich, in dem die Spiegel gleich weit vom Strahlteiler entfernt sind, ein starkes konstruktives Maximum (engl. center burst) mit flachen Ausläufern (engl. wings).
Bevorzugt sind einer oder beide Spiegel im Interferometer durch je einen nachfolgend beschriebenen Spiegelhalter gehalten.
Der Spiegelhalter kann einen Basiskörper aufweisen, der mit einem Abschnitt des Interferometers oder des FTIR-Spektrometers, z.B. einem Gehäuseabschnitt, verbindbar ist.
Der Spiegelhalter kann zusätzlich einen ersten Teil aufweisen. Der erste Teil kann mit dem Basiskörper verbunden sein.
Der erste Teil kann ein erstes Federstahlblech aufweisen oder daraus gebildet sein. Im ersten Fall kann der Basiskörper mit dem ersten Teil mittels des ersten Federstahlblechs verbunden sein. Federstahlbleche sind kostengünstig, einfach bearbeitbar und haben besonders vorteilhafte Federeigenschaften.
Der erste Teil kann in diesem Fall plattenartig ausgestaltet sein. Plattenartige Bauteile sind einfach herstellbar.
Der Spiegelhalter kann eine im Basiskörper drehbar gelagerte erste Schraube umfassen, die den ersten Teil vom Basiskörper entgegen einer Federkraft des ersten Federstahlblechs beabstandet. Die erste Schraube kann dann mit dem ersten Teil lediglich eine kraftschlüssige Verbindung haben.
Das erste Federstahlblech kann eine Federkraft ausüben, so dass der erste Teil in Richtung des Basiskörpers vorgespannt ist und die erste Schraube, bzw. ein dem ersten Teil zugewandtes Ende der ersten Schraube, ein Widerlager zur Federkraft des ersten Teils bildet.
Ein Spiegel kann an dem ersten Teil aufgenommen oder vorgesehen sein. Ein derartiger Spiegelhalter umfassend einen Basiskörper und einen ersten Teil hat den Vorteil, dass bei einer Eindreh- oder Ausdrehbewegung der ersten Schraube aufgrund der Arbeit entgegen der Federspannung durch das erste Federstahlblech nahezu hysteresefrei ein Abstand zwischen dem Basiskörper und dem ersten Teil eingestellt werden kann. Die Änderung dieses Abstands resultiert wiederum bei entsprechender Anordnung der ersten Schraube in eine Winkeländerung zwischen dem Basiskörper und dem ersten Teil. Somit kann mit dem Spiegelhalter hysteresefrei eine erste Winkeländerung vorgenommen werden, was insbesondere für eine Spiegeljustage besonders vorteilhaft ist.
Die kraftschlüssige Verbindung des Schraubenendes der ersten Schraube kann beispielsweise direkt mit dem ersten Federstahlblech des ersten Teils oder einem separaten Material vorliegen.
Das separate Material kann bevorzugt abriebfest sein und den Kräften standhalten, die das Schraubenende der ersten Schraube durch die kraftschlüssige Verbindung auf den ersten Teil insbesondere bei häufigen Drehbewegungen ausübt. Dadurch kann die Lebensdauer des Spiegelhalters verlängert werden.
Der Spiegelhalter kann bevorzugt einen zweiten Teil aufweisen, wobei der zweite Teil mit dem ersten Teil verbunden sein kann. Der zweite Teil kann ein zweites Federstahlblech aufweisen oder daraus gebildet sein. Im ersten Fall kann der zweite Teil mit dem ersten Teil mittels des zweiten Federstahlblechs verbunden sein.
Der zweite Teil kann in diesem Fall plattenartig ausgestaltet sein.
Eine im Basiskörper drehbar gelagerte zweite Schraube kann den zweiten Teil vom ersten Teil und/oder vom Basiskörper beabstanden. Die zweite Schraube kann lediglich mit dem zweiten Teil eine kraftschlüssige Verbindung haben. Das zweite Federstahlblech kann derart eine Federkraft ausüben, dass der zweite Teil in Richtung des ersten Teils vorgespannt ist und die zweite Schraube, bzw. ein dem zweiten Teil zugewandtes Ende der zweiten Schraube, ein Widerlager zur Federkraft des ersten Teils bildet. In diesem Fall kann der Spiegel an dem zweiten Teil aufgenommen oder vorgesehen sein.
Ein derartiger Spiegelhalter umfassend einen Basiskörper, einen ersten und einen zusätzlichen zweiten Teil hat im Vergleich zum oben beschriebenen Aufbau aus Basiskörper und lediglich dem ersten Teil den zusätzlichen Vorteil, dass bei einer Eindreh- oder Ausdrehbewegung der zweiten Schraube aufgrund der Arbeit entgegen der Federspannung durch das zweite Federstahlblech nahezu hysteresefrei ein Abstand zwischen dem zweiten Teil und dem ersten Teil eingestellt werden kann. Die Änderung dieses Abstands resultiert wiederum bei entsprechender Anordnung der zweiten Schraube in eine Winkeländerung zwischen dem zweiten Teil und dem ersten Teil. Somit kann mit dem Spiegelhalter hysteresefrei eine weitere, zweite Winkeländerung in einer von der ersten Winkeländerung anderen Richtung vorgenommen werden, was insbesondere für eine Spiegeljustage besonders vorteilhaft ist. Zusätzlich ist der Aufbau in der Herstellung einfach zu realisieren, da lediglich einfache Bauteile verwendet werden.
Der erste Teil und der zweite Teil können bevorzugt in einem Ausgangszustand im Wesentlichen zueinander parallel angeordnet sein. Dadurch kann der Ausgangszustand einfach definiert werden.
Der erste und/oder zweite Teil kann bevorzugt eine Quaderform aufweisen. Derartige Formen sind einfach herzustellen.
Das zweite Federstahlblech kann bevorzugt an einer der Seitenflächen des zweiten Teils angeordnet sein, die senkrecht oder quer zu der Fläche ist, die den Spiegel aufnimmt oder vorsieht. Dies ermöglicht eine einfache Montage bzw. Befestigung des zweiten Federstahlblechs.
Das erste Federstahlblech kann bevorzugt an einer der Seitenflächen des ersten Teils angeordnet sein, die senkrecht oder quer zu der Fläche ist, die den Spiegel aufnimmt oder vorsieht. Das erste Federstahlblech kann in diesem Fall zusätzlich nicht-parallel zum zweiten Federstahlblech angeordnet sein. Anders ausgedrückt kann in diesem Fall die Oberflächennormalen des ersten und zweiten Federstahlblechs zueinander orthogonal und nahezu orthogonal sein. Dies ermöglicht eine einfache Montage bzw. Befestigung des zweiten Federstahlblechs. Zudem hat dies den Vorteil, dass eine Verstellung in zwei zueinander (nahezu) senkrechten Raumrichtungen erfolgen kann. Anders ausgedrückt können dadurch die erste und zweite Winkeländerung voneinander entkoppelt werden. Dies vereinfacht die Justage des am beschriebenen Spiegelhalter umfassten Spiegels erheblich.
Der Referenzlaser hat eine bekannte Wellenlänge und ist bevorzugt aktiv stromstabilisiert und/oder temperaturstabilisiert. Beispielsweise kann der Referenzlaser ein Helium-Neon- Laser sein. Alternativ kann der Referenzlaser ein kostengünstiger und einfach zu beschaffender Diodenlaser sein. Zusätzlich zum Referenzlaser kann auch ein Referenzinterferometer vorgesehen sein. Ein solches Referenzinterferometer dient dabei der Positionsbestimmung der Längenänderung im Interferometer und ist kein weiteres FTIR- Interfero meter für Referenz- und Kalibierzwecke. Das nachfolgend Gesagte gilt für das Referenzinterferometer analog. Mit Hilfe des Referenzlasers kann der Ort und ein Neigungswinkel eines Spiegels eines Arms oder der Spiegel beider Arme des Interferometers bestimmt werden bzw. kann ein relativer Weglängenunterschied zwischen den Spiegeln des ersten und zweiten Arms des Interferometers bestimmt werden. Der Neigungswinkel kann in diesem Zusammenhang einen Winkel zwischen dem Spiegel eines Arms bzw. zwischen einer Oberflächennormale des Spiegels und z.B. dem einfallenden Referenzlaserstrahl beschreiben. Der Referenzlaser kann beispielsweise Licht im roten, grünen oder orangen Bereich emittieren. Typische Wellenlängen liegen im Bereich des sichtbaren Lichts im Bereich von 730 nm bis 543 nm.
Der Referenzlaser kann alternativ oder zusätzlich Licht im Infrarotbereich emittieren, bevorzugt im Bereich von 900 nm bis 1100 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 960 bis 1000 nm, z.B. 980 nm. Dies hat den Vorteil, dass die Vorteile der auf die Reflexion von Infrarotstrahlung optimierten Optiken im erfindungsgemäßen FITR-Spektrometer ausgenutzt werden können. Zudem ist durch die Verwendung von Infrarotlicht beim Referenzlaser das Interferenzsignal aufgrund der längeren Wellenlänge des Infrarotlichts im Vergleich mit Licht aus dem sichtbaren Bereich einfacher messbar. Die größere Wellenlänge führt zu einer im Vergleich mit Licht aus dem sichtbaren Bereich langsameren Bewegung des Interferenzmusters bei einer Bewegung des Arms bzw. der Arme des Interferometers. Dadurch sinken die Anforderungen an die Messgeschwindigkeit des Infrarotdetektors bzw. des Steuersystems. Insbesondere sinken dadurch die Anforderungen an einen Analog-Digital- Konverter des Mikrokontrollers oder an den Mikrokontroller selbst.
Der Referenzlaser kann besonders bevorzugt im Bereich von 960 bis 1000 nm, z.B. 980 nm, emittieren. Bevorzugt ist der Referenzlaser mit einer Wellenlänge im Bereich von 960 bis 1000 nm, z.B. 980 nm, ein Diodenlaser. Dieser Wellenlängenbereich, insbesondere die Wellenlänge 980 nm, stellt einen optimalen Kompromiss zwischen der Genauigkeit der Bestimmung der oben genannten Parameter und der notwendigen Messgeschwindigkeit des Infrarotdetektors bzw. an einen damit verbundenen Analog-Digital-Konverter dar. Zudem sind Diodenlaser besonders kostengünstig und einfach herstellbar.
Alternativ kann der Referenzlaser bevorzugt im Bereich von 600 nm bis 1600 nm emittieren. Referenzlaser, insbesondere Diodenlaser, die in diesem Bereich emittieren, sind besonders einfach in der Herstellung und kostengünstig.
Bevorzugt kann mittels einer Variation der Temperatur des Referenzlasers die Wellenlänge des Referenzlasers so variiert werden, dass bei der Variation der Wellenlänge bekannte Absorptionslinien von Gasmolekülen, bevorzugt von Sauerstoff innerhalb oder außerhalb des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers überschritten werden. Bevorzugt ist der Referenzlaser in diesem Fall ein Diodenlaser. Besonders bevorzugt emittiert dieser Referenzlaser im Bereich von 600 nm bis 1600 nm.
Es ist auch denkbar, dass mittels einer Variation der Temperatur des Referenzlasers die Wellenlänge des Referenzlasers so variiert wird, dass bei der Variation der Wellenlänge bekannte Absorptionslinien von Gasmolekülen, bevorzugt von Sauerstoff innerhalb oder außerhalb von im Stand der Technik bekannten FTIR-Spektrometern oder anderen FTIR- Spektrometern überschritten werden. Auch in diesem Fall ist der Referenzlaser bevorzugt ein Diodenlaser. Besonders bevorzugt emittiert dieser Referenzlaser im Bereich von 600 nm bis 1600 nm. Eine entsprechendes Kalibrierverfahren des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers oder von im Stand der Technik bekannten FTIR-Spektrometern oder anderen FTIR-Spektrometern kann bevorzugt folgende Schritte umfassen:
1. Variieren der Temperatur des Referenzlasers, der bevorzugt ein Diodenlaser ist, derart, dass sich die Wellenlänge des Referenzlasers ändert, wobei die Messung ohne eine Probe in der Messzelle erfolgt,
2. Messen eines Signals, bevorzugt einer Intensität, des Referenzlasers durch den Infrarotdetektor,
3. Bevorzugt regeln der Temperatur des Referenzlasers, so dass das gemessene Signal einer bekannten Absorptionslinie, bevorzugt eines Gases, besonders bevorzugt von Sauerstoff, maximal wird.
Alternativ zur Variation der Temperatur des Diodenlasers oder zusätzlich zur Variation der Temperatur des Diodenlasers kann auch der Strom des Diodenlasers analog zu den Schritten 1 und 3 des vorgenannten Kalibrierverfahrens geregelt werden. Alternativ zur Variation der Temperatur des Diodenlasers oder zusätzlich zur Variation der Temperatur des Diodenlasers kann auch der Strom des Diodenlasers analog zu den Schritten 1 oder 3 des vorgenannten Kalibrierverfahrens geregelt werden.
Besonders bevorzugt kann das Kalibrierverfahren automatisch, beispielsweise durch das Steuersystem des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers, ausgeführt werden. Die automatische Kalibrierung kann in regelmäßigen Zeitabständen oder in unregelmäßigen Zeitabständen erfolgen. Die automatische Kalibrierung kann vor einer Messung und/oder als Schritt während einer Messsequenz ausgeführt werden.
Es ist auch denkbar, dass das Kalibrierverfahren automatisch, beispielsweise durch das Steuersystem von im Stand der Technik bekannten FTIR-Spektrometern oder anderen FTIR- Spektrometern, ausgeführt werden. Die automatische Kalibrierung kann in regelmäßigen Zeitabständen oder in unregelmäßigen Zeitabständen erfolgen. Die automatische Kalibrierung kann vor einer Messung und/oder als Schritt während einer Messsequenz ausgeführt werden.
Sauerstoff hat eine Absorptionslinie bei etwa 850 nm. Damit ist Sauerstoff optimal zur Kalibrierung der Wellenlänge des Referenzlasers geeignet.
Das Kalibrierverfahren stellt eine schnelle, fehlersichere und robuste Möglichkeit zur absoluten Wellenlängenkalibrierung dar. Zudem hat die vorbeschriebene Art der Kalibrierung der Wellenlänge den Vorteil, dass eine Kalibrierung über zusätzliche Proben, wie z.B. einen Polystyrolfilm, vermieden werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Qualitätsbestimmung einer Probe mit pharmazeutischen Substanzen, wie sie beispielsweise in Apotheken oder von Apothekern durchgeführt werden kann, da mit dem vorgenannten Kalibrierverfahren eine ausreichende Auflösung eines FTIR-Spektrometers, bevorzugt des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers, nachgewiesen werden kann.
In der Messzelle bzw. an und/oder in dem darin umfassten Probeninterface erfolgt die Wechselwirkung des vom Interferometer kommenden und zur Messzelle geleiteten Lichts mit dem Probenmaterial. Das Proben interface stellt eine Schnittstelle bereit, an der das Infrarotlicht in die Probe ein- und ausgekoppelt werden kann. Beispielsweise kann das Proben interface eine Faseroptik sein oder aufweisen. Alternativ kann das Proben interface auch eine Vorrichtung sein, welche die Messung mittels diffuser Reflexions- Fouriertransformationsinfrarotspektroskopie (engl. diffuse reflectance infrared fourier transform spectroscopy, kurz „DRIFTS") ermöglicht. Alternativ kann das Probeninterface auch eine Vorrichtung sein, welche die Aufnahme von Infrarotspektren im Transmissionsverfahren ermöglicht. Bevorzugt erfolgt eine Freistrahleinkopplung des Lichts in das Probeninterface. Besonders bevorzugt erfolgt eine Freistrahleinkopplung des Lichts in das Probeninterface nach einer vorgelagerten Fokussierung mittels eines Parabolspiegels oder eines außeraxialen Parabolspiegels.
Bevorzugt ist das Probeninterface ein ATR-Kristall. Der ATR-Kristall kann beispielsweise aus ZnSe, Ge, Thalliumbromidiodid (KRS-5), Si, AMTIR (engl. amorphous material transmitting infrared radiation, z.B. GeAsSe = AMTIR-1) oder Diamant bestehen. Der ATR-Kristall kann dabei eine Oberfläche aufweisen, welche mit der Probe bzw. einem Probenmaterial in Kontakt bringbar ist. Beispielsweise kann eine Probe an die Oberfläche des ATR-Kristalls durch geeignete Mittel gepresst werden. Ein mögliches geeignetes Mittel kann eine Klemm- oder Schraubvorrichtung sein, die die Probe mit einem Druck beaufschlagt.
Der Infrarotdetektor weist eine Sensitivität in dem Wellenlängenbereich auf, in dem die Infrarotspektren gemessen werden sollen. Die Sensitivität des Infrarotdetektors kann beispielsweise im gesamten Bereich von 1 pm bis größer 50 pm sein oder in einem oder mehreren derfolgenden Teilbereiche sein: 1 bis 2,5 pm (nahes Infrarot), 2 bis 25 pm (mittleres Infrarot) oder größer 50 pm (fernes Infrarot). Bevorzugt hat der Infrarotdetektor eine Sensitivität, die im Bereich des nahen und mittleren Infrarots, d.h. im Bereich von 1 pm bis 25 pm liegt.
Der Infrarotdetektor kann beispielsweise eine Photodiode sein oder aufweisen.
Bevorzugt kann der Infrarotdetektor ein pyroelektrischer Sensor sein oder einen pyroelektrischen Sensor aufweisen. Zusätzlich kann der Infrarotdetektor ein Fenster aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigem Material aufweisen. Geeignete Materialien wurden bereits oben im Zusammenhang der Materialauswahl des Fensters des Infrarotdetektors und des Strahlteilers des Interferometers genannt. Im Rahmen dieser Erfindung ist ein pyroelektrischer Sensor ein Bauteil, bei dem infolge seiner pyroelektrischen Eigenschaften eine Temperaturdifferenz eine Änderung der elektrischen Spannung des Bauteils verursacht. Pyroelektrische Sensoren haben den Vorteil, dass sie eine große optische Detektionsbandbreite bei der Messung aufweisen. Anders ausgedrückt haben pyroelektrische Sensoren den Vorteil, dass sie im Vergleich mit anderen bekannten Sensoren einen großen Wellenlängenbereich messen können.
Das Steuersystem, das eingerichtet ist, die Länge des wenigstens einen Arms, z.B. des ersten und/oder des zweiten Arms, des Interferometers zu ändern, kann verschiedenartig ausgeführt sein. Beispielsweise kann das Steuersystem ein Mikroprozessor, Mikrocontroller oder ein Computer sein oder umfassen. Das Steuersystem kann beispielsweise eingerichtet sein, ein oder mehrere elektromechanische Stellelemente, beispielsweise einen Elektromotor oder eine Schwingspule, oder einen oder mehrere piezoelektrische Stellelemente anzusteuern. Das eine Stellelement bzw. die mehreren Stellelemente können in diesem Fall mit dem wenigstens einen Arm bzw. beiden Armen und/oder den darin umfassten Spiegel so gekoppelt sein, dass bei einer Betätigung eines Stellelements, die Länge eines Arms oder beider Arme veränderbar ist.
Es ist alternativ denkbar, dass das Steuersystem eine elektronische oder elektrische Schaltung ist oder umfasst, die die vorgenannten Stellelemente ansteuert. Beispielsweise kann das Steuersystem lediglich eine sich periodisch ändernde Spannung, beispielsweise eine Wechselspannung, bereitstellen, die den Elektromotor oder die Schwingspule und damit die drehbare Wippe zu der Pendelbewegung veranlasst. Alternativ kann das Steuersystem eine Gleichspannung oder eine sonstige Spannung bereitstellen, die periodisch oder unregelmäßig angeschaltet und ausgeschaltet wird und so den Elektromotor oder die Schwingspule und damit die drehbare Wippe zu der Pendelbewegung veranlasst.
Das Steuersystem kann eingerichtet sein, die Länge des wenigstens einen Arms, z.B. des ersten und/oder des zweiten Arms, bzw. die Stellelemente autark, d.h. ohne zusätzliche externe Steuersignale von außerhalb des Interferometers oder des erfindungsgemäßen FTIR- Spektrometers, zu steuern. Alternativ kann das Steuersystem eingerichtet sein, die Länge des wenigstens einen Arms, z.B. des ersten und/oder des zweiten Arms, bzw. die Stellelemente in Abhängigkeit oder Reaktion auf externe Steuersignale von außerhalb des Interferometers oder des FTIR-Spektrometers zu steuern. Im Rahmen dieser Erfindung kann ein Ansteuern bzw. ein Steuern der Bewegung der beweglichen Spiegel folgendes beschreiben: Ein-, Ausoder Umschalten der vorgenannten Stellelemente, Regelung der Bewegung des wenigstens einen Arms oder beider Arme mittels der vorgenannten Stellelemente mit einem im Stand der Technik bekannten geschlossenen oder offenen Regelkreis oder jedes andere geeignete Verfahren, mit dem eines oder mehrere der vorgenannten Stellelemente die Länge wenigstens eines Arms des Interferometers in seiner Länge in gewünschter Weise verändert. Zusätzlich kann das Steuersystem ausgestaltet und eingerichtet sein, den Infrarotdetektor zu steuern und/oder die Datenaufnahme zu steuern und/oder durchzuführen. Im Sinne der Erfindung wird unter dem Ausdruck "Spiegelanordnung" die Anordnung derjenigen Spiegel innerhalb des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers verstanden, die nicht im Aufbau des Interferometers des FTIR-Spektrometers umfasst sind. Anders ausgedrückt umfasst im Sinne dieser Erfindung die Spiegelanordnung des FTIR-Spektrometers alle Spiegel innerhalb des FTIR-Spektrometers außerhalb des Interferometers. Anders ausgedrückt betreffen die im Rahmen der Erfindung beschriebenen Spiegel (mitunter „erfindungsgemäße Spiegel" genannt) ausschließlich wenigstens einen Spiegel außerhalb des Interferometers des FTIR-Spektrometers. Die Spiegel innerhalb des Interferometers des FTIR- Spektrometers sind nicht Gegenstand dieser Erfindung. Im Sinne der Erfindung umfasst das Lenken oder auch alternativ das Leiten des Lichts, beispielsweise vom Interferometer auf das Proben interface und weiter auf den Infrarotdetektor, eine Reflexion des Lichts und optional eine Strahlformung des Lichtstrahls. Das Lenken kann bevorzugt mittels der reflektierenden Oberflächen der im Rahmen der Erfindung beschriebenen Spiegel erfolgen. Eine Strahlformung kann beispielsweise ein Fokussieren, ein Kollimieren oder jede sonstige vorteilhafte Änderung des Lichtstrahls umfassen.
Die Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers umfasst wenigstens zwei Spiegel mit je einer reflektierenden Oberfläche und einem Grundkörper, der die reflektierende Oberfläche umfasst, wobei die Spiegelanordnung wenigstens eingerichtet ist, einen Lichtstrahl vom Interferometer auf das Probeninterface zu lenken und den Lichtstrahl vom Probeninterface auf den Infrarotdetektor zu lenken. Bevorzugt kann die Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers wenigstens zwei Spiegel umfassen mit je einer reflektierenden Oberfläche und einem Grundkörper, der die reflektierende Oberfläche umfasst, wobei die Spiegelanordnung wenigstens eingerichtet ist, einen Lichtstrahl von der Infrarotstrahlungsquelle auf das Interferometer und/oder vom Interferometer auf das Proben interface zu lenken und den Lichtstrahl vom Probeninterface auf den Infrarotdetektor zu lenken. Die reflektierende Oberfläche einer der wenigstens zwei oder aller Spiegel ist bevorzugt abschnittsweise konkav oder als Hohlspiegel ausgebildet. Im Rahmen dieser Erfindung ist der Grundkörper eines Spiegels jeder Aufbau oder Körper, der die reflektierende Oberfläche umfasst oder hält oder auf dem abschnittsweise die reflektierende Oberfläche direkt oder indirekt, z.B. über Zwischenschichten, aufgebracht ist und somit die reflektierende Oberfläche mit anderen Teilen des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers über den Grundkörper verbindbar macht. Ist oder umfasst die reflektierende Oberfläche beispielsweise eine Metallbeschichtung, kann die reflektierende Oberfläche beispielsweise direkt auf einen Abschnitt der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht sein. Alternativ kann die Metallbeschichtung auf Zwischenschichten aufgebracht sein. Die Zwischenschichten (bzw. wenigstens eine davon) können wiederum direkt auf dem Abschnitt der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht sein.
Der Grundkörper kann wenigstens abschnittsweise blockartige Abschnitte aufweisen oder komplett aus einem oder mehreren blockartigen Abschnitten bestehen. Blockartig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass es nicht plattenartig ist. Plattenartig ist ein Abschnitt, wenn er in einer Ebene oder einer gekrümmten Oberfläche folgend dünn ausgestaltet ist. Blockartige Abschnitte können beispielsweise gemäß einer oder mehreren der folgenden geometrischen Grundformen aufgebaut: Quader, Würfel, Zylinder, Pyramide, Konus, Kugel.
Folgende Teile sind im Sinne der Erfindung nicht Teil des Grundkörpers: teilweise oder vollständige äußere Beschichtungen des Grundkörpers, z.B. Farben, Lacke, Pulverbeschichtungen, Schutzbeschichtungen, und/oder andere Beschichtungen. Folgende Teile sind im Sinne der Erfindung ebenfalls nicht Teil des Grundkörpers: Vorrichtungen, die für einen Nutzer für die Bedienung, Halterung oder die Montage des Spiegels mit dem Grundkörper vorgesehen sind und/oder eine dekorative Funktion haben. Folgende Teile sind im Sinne der Erfindung ebenfalls nicht Teil des Grundkörpers: teilweise oder ganze Beschichtungen der reflektierenden Oberfläche, die beispielsweise einen Schutzfunktion für die reflektierende Oberfläche bereitstellen und/oder die optischen Eigenschaften der reflektierenden Oberfläche beeinflussen.
Der Grundkörper kann zusammen mit der reflektierenden Oberfläche einstückig ausgestaltet sein. In diesem Fall kann die reflektierende Oberfläche direkt auf einem Oberflächenabschnitt des Grundkörpers aufgebracht sein. Beispielsweise kann die reflektierende Oberfläche direkt auf einen blockartigen Abschnitt des Grundkörpers aufgebracht sein. Alternativ ist auch denkbar, dass die reflektierende Oberfläche indirekt, d.h. beispielsweise auf einer Zwischenschicht auf dem Oberflächenabschnitt des beispielsweise blockartigen Grundkörpers aufgebracht ist. Der Grundkörper kann beispielsweise mit einem Teil, z.B. einem Teil eines Gehäuses oder einer Grundplatte des erfindungsgemäßen FTIR-Interferometers bzw. korrekterweise des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers verbindbar sein.
Alternativ zur einstückigen Ausgestaltung kann der Grundkörper mehrstückig mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Teil (und ggf. weiteren Teilen wie z.B. Abstandshaltern o.ä.) ausgestaltet sein. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise denkbar, dass der erste Teil des Grundkörpers wie im einstückigen Fall die reflektierende Oberfläche direkt auf einem Oberflächenabschnitt umfasst oder die reflektierende Oberfläche indirekt über eine Zwischenschicht umfasst. Beispielsweise kann ein blockartiger Abschnitt des Grundkörpers die Zwischenschicht und darauf die reflektierende Oberfläche umfassen. Der erste Teil des Grundkörpers kann dann mit dem zweiten Teil des Grundkörpers (und ggf. weiteren Teilen des Grundkörpers) mit einem Teil des Gehäuses oder der Grundplatte des erfindungsgemäßen FTIR-Interferometers bzw. korrekterweise des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers verbindbar sein.
Der Grundkörper wenigstens eines Spiegels oder aller Spiegel der Spiegelanordnung sind erfindungsgemäß aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Alternativ weisen der Grundkörper wenigstens eines Spiegels oder aller Spiegel der Spiegelanordnung erfindungsgemäß Kunststoffmaterial auf. Alternativ ist der Grundkörper wenigstens eines Spiegels oder aller Spiegel der Spiegelanordnung erfindungsgemäß aus 3D-gedrucktem Metall gefertigt. Alternativ weisen der Grundkörper wenigstens eines Spiegels oder aller Spiegel der Spiegelanordnung erfindungsgemäß 3D-gedrucktes Metall auf. Insbesondere kann einer oder alle Spiegel der Spiegelanordnung wenigstens teilweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein oder aufweisen.
Im Sinne der Erfindung beschreibt ein Kunststoffmaterial einen Thermoplasten, insbesondere einen teilkristallinen Thermoplast oder einen amorphen Thermoplast. Bevorzugt ist das Kunststoffmaterial ein teilkristalliner oder amorpher Thermoplast. Teilkristalline und amorphe Thermoplaste haben den Vorteil, dass sie leicht verarbeitbar, breit verfügbar und kostengünstig sind. Alternativ kann das Kunststoffmaterial auch ein Duroplast sein.
Im Sinne dieser Erfindung umfasst ein 3D-Druckverfahren für Metall jedes im Stand der Technik bekannte und geeignete 3D-Druckverfahren zum Drucken von Metall. Ein Beispiel für ein geeignetes Material für den 3D-Druck aus Metall ist ein Edelstahl, Aluminium oder Titan. Bevorzugt hat das 3 D-D ruckverfahren aus Metall eine Druckauflösung pro Schicht von maximal 230 pm. In Kombination mit einem fakultativen anschließenden Polierschritt kann eine glatte Oberfläche am 3D-gedruckten Material mit einer hohen Güte bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt hat das 3D-Druckverfahren für Metall eine maximale Druckauflösung von 30 pm pro Schicht. Ein bevorzugtes Material für den 3D-Druck ist ein Edelstahl.
Das gesamte FTIR-Spektrometer ist vorzugsweise hermetisch gekapselt. Im Rahmen der Erfindung bedeutet eine hermetische Kapselung des FTIR-Spektrometers, dass insbesondere ein Austausch von Gasen zwischen dem inneren Aufbau des FTIR-Spektrometers umfassend die im Anspruch 1 genannten Merkmale mit dem das FTIR-Spektrometer umgebenden Raum nicht erfolgt. Damit bleibt die Menge von Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf, im Inneren des FTIR-Spektrometers konstant. Wasser bzw. Wasserdampf zeigt im typischerweise bei der Analyse von Infrarotspektren interessierenden Wellenlängenbereich charakteristische Schwingungsmoden. Eine hermetische Kapselung hat den Vorteil, dass die Schwingungsmoden während des Betriebs des FTIR-Spektrometers konstant bleiben und durch eine Referenzmessung als Hintergrund vom eigentlichen Signal abgezogen werden können. Dies verbessert das SNR.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers ist im Folgenden beispielhaft beschrieben: Die Infrarotstrahlungsquelle wird betrieben, z.B. mit Hilfe von elektrischem Strom, und emittiert Licht wenigstens im infraroten Bereich. Das Licht der Infrarotstrahlungsquelle wird kollimiert, zum Interferometer gelenkt und trifft auf den Strahlteiler im Interferometer. Der Strahlteiler teilt das Licht in zwei Einzelstrahlen. Ein erster Einzelstrahl wird im ersten Arm von einem ersten Spiegel zurück zum Strahlteiler reflektiert. Ein zweiter Einzelstrahl wird von einem zweiten Spiegel zurück zum Strahlteiler reflektiert. Wenigstens einer der beiden Arme oder sogar beide Arme sind in der Länge variabel. Im Fall eines Spiegels, der entlang einer linearen Achse bewegbar ist, verfährt das Steuersystem den Spiegel mittels eines Stellelements periodisch zwischen einem ersten und einem zweiten Wendepunkt und ändert so die Länge des Arms. Im Fall einer drehbaren Wippe regelt das Steuersystem den Antrieb der Wippe derart, dass die Wippe zwischen zwei Endpunkten eine Pendelbewegung relativ zum ortsfesten Strahlteiler ausführt, wobei relativ zum Strahlteiler jeweils ein Arm verkürzt und der andere Arm verlängert wird. Nach der Reflexion an den Spiegeln der beiden Arme werden die beiden Einzelstrahlen im Strahlteiler wieder zusammengeführt, interferieren und verlassen das Interferometer.
Zur Aufnahme eines Referenzspektrums des Infrarotlichts, d.h. ein Spektrum des Infrarotlichts ohne Wechselwirkung des Lichts mit der Probe, wird das Infrarotlicht nach dem Verlassen des Interferometers durch einen Teil der Spiegelanordnung in Richtung der Messzelle reflektiert. In der Messzelle koppelt der Lichtstrahl in das Proben interface, d.h. beispielsweise einen ATR- Kristall, ein. Das Proben interface ist jedoch nicht im Kontakt mit der Probe bzw. dem Probenmaterial. Das Infrarotlicht, welches das Probeninterface wieder verlässt, trägt die für das Probeninterface charakteristischen Informationen, beispielsweise die Absorptionen des ATR-Kristalls. Das Licht wird mittels eines weiteren Teils der Spiegelanordnung auf den Infrarotdetektor gelenkt und dort gemessen. Dieses Referenzspektrum wird später bei der Berechnung der Infrarotspektren verwendet.
Zur Aufnahme eines Probenspektrums, d.h. der Aufnahme eines Spektrums des Infrarotlichts nach einer Wechselwirkung des Infrarotlichts mit der Probe bzw. dem Probenmaterial, wird das Infrarotlicht nach dem Verlassen des Interferometers durch einen Teil der Spiegelanordnung in Richtung der Messzelle reflektiert. In der Messzelle koppelt der Lichtstrahl in das Proben interface, beispielsweise in einen ATR-Krista II, ein. Das Licht, welches das Proben interface, d.h. beispielsweise den ATR-Krista 11, wieder verlässt, trägt für die Probe bzw. das Probenmaterial und für das Probeninterface, bspw. den ATR-Kristall, charakteristische Informationen. Das Licht wird mittels eines weiteren Teils der Spiegelanordnung durch Reflexion auf den Infrarotdetektor gelenkt und vom Infrarotdetektor detektiert.
Zusätzlich zu dem Infrarotlicht, das die Probe verlässt, detektiert vorzugsweise der Infrarotdetektor oder ein separater Detektor, beispielsweise eine separate Photodiode, den Referenzlaserstrahl, der ebenfalls durch das Interferometer geleitet wird und dort interferiert. Der Referenzlaserstrahl und der Lichtstrahl aus der Infrarotstrahlungsquelle wechselwirken nicht oder nur vernachlässigbar miteinander.
Das vom Infrarotdetektor aufgenommene Infrarotlicht, das die Probe verlässt, d.h. das Probensignal, und das Signal des Referenzlaserstrahls werden beispielsweise durch das Steuersystem oder einen separaten Messcomputer aufgenommen und verarbeitet. Dabei wird das Probensignal bevorzugt fouriertransformiert und um das Referenzspektrum bereinigt. Entsprechende Methoden sind im Stand der Technik bekannt. Dem Signal des Referenzlaserstrahls wird eine Wegdifferenz der Arme im Interferometer zugeordnet. Aus dem verarbeiteten Probensignal und der Wegdifferenz werden mittels im Stand der Technik bekannter Verfahren die gewünschten Infrarotspektren berechnet.
Das FTIR-Spektrometer hat den Vorteil, dass es die Nachteile im Stand der Technik behebt. Insbesondere ist das optische System des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers mit einfachen technischen Mitteln herstellbar. Das optische System ist zudem mit geringem technischem Aufwand herstellbar. Das optische System ist weiterhin aus weitgehend im Fachhandel verfügbaren und einfach bearbeitbaren Materialien kostengünstig und in kurzer Zeit herstellbar. Damit sinken sowohl der Herstellungsaufwand des FTIR-Spektrometers als auch die Herstellungskosten deutlich. Durch die Vereinfachung des technischen Herstellungsaufwands ist das erfindungsgemäße FTIR-Spektrometer zudem nachhaltiger als vergleichbare bekannte FTIR-Spektrometer.
Anders ausgedrückt ermöglicht das erfindungsgemäße FTIR-Spektrometer ein Ein- und Auskoppeln einer möglichst großen Lichtmenge einer ausgedehnten, breitbandigen Lichtquelle in eine Probe in Kontakt mit einem Proben interface, welches bevorzugt ein ATR- Kristall sein kann, um das SNR in dem FTIR-Spektrometer zu maximieren. Der Fertigungsaufwand und die Kosten der optischen Bauteile in Form von Spiegeln als wesentlicher Preisfaktor des FTIR-Spektrometers werden dabei so gering wie möglich gehalten, ohne Kompromisse in der Signalqualität eingehen zu müssen. Dies gelingt über einen achromatischen optischen Aufbau insbesondere der Spiegelanordnung, der in Teilen oder sogar ausschließlich aus gleichartigen reflektiven Spiegeln besteht und Absorption sowie Dispersion in transmissiven Optiken vermeidet.
Ein weiterer und überraschender Vorteil des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers ist, dass alle Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers angeordnet sind und daher keine hohen Anforderungen an Wellenfrontfehler und somit die Qualität der optischen Oberfläche der Spiegel der Spiegelanordnung bestehen. Wellenfrontfehler der Spiegel der Spiegelanordnung wirken sich dann nicht in Form eines interferometrischen Kontrasts, sondern lediglich in der erreichbaren Transmission durch den optischen Aufbau aus. Die besondere Anordnung der Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers ermöglicht die Verwendung von den im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen Materialien für den Grundkörper.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers weist wenigstens ein Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers eine Spiegelform oder eine Kombination von Spiegelformen aus der folgenden Liste auf: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist. Im Sinne der Erfindung beschreibt die Spiegelform eines Spiegels der Spiegelanordnung oder eine Kombination von Spiegelformen eines Spiegels der Spiegelanordnung entweder alleine die geometrische Gestaltung der reflektierenden Oberfläche des Spiegels der Spiegelanordnung oder die gesamte oder teilweise geometrische Gestaltung des Spiegels der Spiegelanordnung.
Im Sinne der Erfindung ist ein Parabolspiegel ein Hohlspiegel in Form eines achsensymmetrischen Ausschnitts eines Rotationsparaboloids, wobei der Brennpunkt auf der Symmetrieachse des Ausschnitts des Rotationsparaboloids angeordnet ist. Ein Rotationsparaboloid ist eine konkave Fläche, die durch eine Rotation einer Parabel um eine Achse beschrieben wird. Im Sinne der Erfindung ist ein außeraxialer Parabolspiegel ein asymmetrischer Ausschnitt eines Rotationsparaboloids, wobei der Ausschnitt einen Offset von der Symmetrieachse des Rotationsparaboloids und vom Brennpunkt aufweist. Im Sinne der Erfindung ist ein Compound Parabolic Concentrator ein nicht-abbildender Spiegel, der sämtliches einfallende Licht innerhalb eines möglichst großen Akzeptanzwinkels auf einer Fläche bündelt. Ein sphärischer Hohlspiegel ist im Sinne der Erfindung ein Hohlspiegel, dessen Form durch einen Abschnitt einer Hohlkugel darstellbar ist.
Derartige Spiegel haben den Vorteil, dass sie eintreffendes Licht, insbesondere Infrarotstrahlung, entweder effektiv umlenken und gleichzeitig fokussieren (parallele eintreffende Lichtstrahlen) oder umlenken und gleichzeitig kollimieren (divergente eintreffende Lichtstrahlen). Zudem sind derartige Spiegel einfach herzustellen. Ein weiterer Vorteil des Aufbaus mit den hier beschriebenen Spiegeln ist die Reduzierung von Absorption und Dispersion des Infrarotlichts in optischen Elementen im erfindungsgemäßen FTIR- Spektrometer außerhalb des Interferometers. Dadurch wird insbesondere eine wellenlängenabhängige Transmission des Infrarotlichts deutlich verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers weist jeder Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers eine Spiegelform oder eine Kombination von Spiegelformen aus der folgenden Liste auf: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist.
Der Vorteil dieses Aufbaus mit rein reflektiven optischen Elementen außerhalb des Interferometers ist die vollständige Vermeidung von Absorption und Dispersion des Infrarotlichts in optischen Elementen im erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometer. Dadurch wird insbesondere eine wellenlängenabhängige Transmission des Infrarotlichts deutlich verringert oder sogar vollständig vermieden. Zudem wird der Aufbau des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers weiter vereinfacht. Fertigungsaufwand und -komplexität der optischen Bauteile des FTIR-Spektrometers werden zudem deutlich reduziert, da die Spiegelbauformen durch die Verwendung der Herstellungsverfahren sowie des Materials der Grundkörper technisch einfach herstellbar sind. Dies hat zudem den starken Vorteil reduzierter Herstellungskosten der Spiegel und des FTIR-Spektrometers.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers ist wenigstens einer der Spiegel der Spiegelanordnung, dessen Grundkörper aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist oder ein Kunststoffmaterial aufweist, durch ein Spritzgussverfahren oder ein 3D-Druck- Verfahren hergestellt und die reflektierende Oberfläche ist durch eine Metallbeschichtung wenigstens teilweise gebildet.
Im Sinne der Erfindung wird unter der Herstellung eines Spiegels der Spiegelanordnung insbesondere auch die Herstellung des Grundkörpers des Spiegels sowie die Herstellung der reflektierenden Oberfläche des Spiegels verstanden.
Im Sinne dieser Erfindung beschreibt ein Spritzgussverfahren ein im Stand der Technik bekanntes Urformverfahren, bei dem mit einer Spritzgießmaschine ein Kunststoffmaterial verflüssigt (plastifiziert) und in eine Form, dem Spritzgießwerkzeug, unter Druck eingespritzt wird. Nachdem das Kunststoffmaterial im Spritzgießwerkzeug abgekühlt ist oder das Kunststoffmaterial im Spritzgießwerkzeug vernetzt ist, geht das Kunststoffmaterial in einen festen Zustand über und kann entnommen werden.
Im Sinne dieser Erfindung beschreibt ein 3D-Druck-Verfahren ein im Stand der Technik bekanntes Herstellungsverfahren aus dem Bereich der additiven Fertigung. Typische Beispiele können die folgenden Technologien sein: Fused deposition modeling (FDM), Fused filament fabrication (FFF), Direct Ink Writing (DIW), Composite Filament Fabrication (CFF), Stereolithography (SLA), Digital Light Processing (DLP) und/oder Continuous Liquid Interface Production (CLIP).
Die Metallbeschichtung kann beispielsweise eines oder mehrere der nachfolgenden Materialien aufweisen oder aus einem Material oder einer Kombination der Materialien bestehen: Aluminium, Gold, Silber, Rhodium, Nickel, Chrom, Platin, Kupfer. Die Metallbeschichtung kann beispielsweise durch Bedampfung der zu beschichtenden Oberfläche des Grundkörpers beispielsweise mit Hilfe des Prozesses der physikalischen Gasphasenabscheidung (engl. physical vapour deposition, PVD) oder der chemischen Gasphasenabscheidung (englisch chemical vapour deposition, CVD) erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Metallbeschichtung durch Eintauchen wenigstens der zu beschichtenden Oberfläche des Grundkörpers in ein Metallbad oder durch Besprühen der Oberfläche des Grundkörpers erfolgen.
Alternativ zu den vorgenannten Verfahren ist es auch denkbar, dass wenigstens einer oder alle Spiegel bzw. deren Grundkörper durch im Stand der Technik bekannte Verfahren des Fräsens oder Schneidens hergestellt sind. Bevorzugt kann wenigstens einer oder alle der Spiegel, die durch eines oder mehrere der vorgenannten Verfahren hergestellt sind, in einem dem Herstellungsprozess folgenden Schritt nachbearbeitet werden. Beispiele für bevorzugte Nachbearbeitungstechniken sind Fräsen, Schneiden, Schleifen, Polieren.
Bevorzugt ist ein oder sind mehrere Spiegel der Spiegelanordnung, dessen Grundkörper aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist oder ein Kunststoffmaterial aufweist und durch ein Spritzgussverfahren oder ein 3 D-D ruck-Verfahren hergestellt ist, bzw. dessen reflektierende Oberfläche, nur teilweise ausgeleuchtet. Bevorzugt ist die reflektierende Oberfläche des Spiegels der Spiegelanordnung des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers nur zu maximal 98 % ausgeleuchtet, besonders bevorzugt zu 95 %, noch weiter bevorzugt zu 93 % der gesamten reflektierenden Oberfläche des Spiegels bzw. der Spiegel. Ganz besonders bevorzugt ist die reflektierende Oberfläche nur in einem Bereich ausgeleuchtet, der zur erfolgreichen Fokussierung oder zum erfolgreichen Kollimieren des Infrarotlichts beiträgt. Eine erfolgreiche Fokussierung oder ein erfolgreiches Kollimieren liegt vor, wenn weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 3 % des reflektierten Lichts nicht das im Strahlengang nächstgelegene optische Element oder den Infrarotdetektor erreicht. Im Sinne der Erfindung ist die ausgeleuchtete Fläche bevorzugt symmetrisch ausgestaltet und/oder symmetrisch in Bezug auf einen Mittelpunkt der reflektierenden Oberfläche angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der Rand nicht zur Reflexion des Spiegels beiträgt. Dadurch ist die Reflexion des Spiegels deutlich kontrollierter bzw. das durch den Spiegel reflektierte Licht deutlich homogener und symmetrischer.
Die Spiegel der Spiegelanordnung, welche im Rahmen der Erfindung beschrieben werden, werden vorzugsweise von einem Spiegelhalter gehalten. Bevorzugt kann ein Teil oder der gesamte Spiegelhalter mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines 3D-Druck-Verfahrens hergestellt sein. Hierbei können die gleichen Materialien, wie sie bereits im Rahmen der Erfindung im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Spiegeln beschrieben sind, Anwendung finden. Alternativ kann beispielsweise auch faserverstärktes Polyamid als Material für einen Teil oder den gesamten Spiegelhalter eingesetzt sein.
Derart hergestellte Spiegel zur Reflexion von Infrarotlicht haben den Vorteil, dass sie im Vergleich mit Spiegeln, die nach im Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt wurden, mit einfachen und bekannten Mitteln und mit einem geringen technischen Aufwand herstellbar sind. Zudem erlauben die beschriebenen Herstellungsverfahren die Herstellung hoher Stückzahlen in kurzer Zeit. Aus den vorgenannten Vorteilen ergeben sich zudem deutlich geringere Herstellungskosten pro Spiegel im Vergleich mit im Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren für Spiegel zur Reflexion von Infrarotlicht.
Schließlich sind die durch die beschriebenen Verfahren hergestellten Spiegel für den Einsatz in FTIR-Spektrometern geeignet. Die hier beschriebenen Spiegel zur Reflexion von Infrarotlicht erfüllen insbesondere die hohen qualitativen Anforderungen an optische Bauteile für den Einsatz in FTIR-Spektrometern. Dies stellt eine Überwindung eines langen Vorurteils im Stand der Technik dar. In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektro meters ist das Kunststoffmaterial wenigstens ein Material aus der nachfolgenden Liste oder weist wenigstens ein Material aus folgender Liste auf: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Cycloolefin Polymer, Cycloolefin Copolymer, Styrol Acrylnitril, Styrol Acrylnitril, Polycarbonat High Temperature, Polysulfon (PS), Polyamid (PA), Polycarbonat High Refractive, Polyester High Refractive, Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylenterephthalat mit Glykol (PETG), Acrylnitril- Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Nylon, Polymilchsäure (PLA), Polyurethan (PU), einen lichtaushärtenden Kunststoff (Photopolymer), beispielsweise Acryl-, Epoxid- und/oder Vinylesterharz.
Bevorzugt kann das Kunststoffmaterial auch eine Kombination zweier Materialien aus der vorgenannten Liste sein.
Besonders bevorzugt weist das Kunststoffmaterial Polycarbonat (PC) auf oder ist das Kunststoffmaterial Polycarbonat. Erfindungsgemäße Spiegel mit einem Grundkörper aus Polycarbonat haben den Vorteil, dass sie einen niedrigen Wellenfrontfehler bei der Reflexion von Infrarotlicht haben. Zudem sind sie günstig in der Herstellung und leicht verarbeitbar und herstellbar. Weiterhin hat sich gezeigt, dass Spiegel aus Polycarbonat eine exzellente Oberflächenrauheit von < 10 nm erreichen können.
PLA und PETG sind besonders leicht im 3D-Druck verarbeitbar. ABS hat einen höheren Schmelzpunkt, ist sehr steif und kratzfest sowie feuchtigkeitsabweisend und, trotz der hohen mechanischen Robustheit, gut mechanisch bearbeitbar. Beim Einsatz von PMMA und PC sind besonders glatte Oberflächen möglich. Mit einem lichtaushärtenden Kunststoff (Photopolymer), beispielsweise Acryl-, Epoxid- und/oder Vinylesterharz oder andere, sind beispielsweise mittels Stereolithographie-Verfahren (SLA- oder DLP -Verfahren) ebenfalls sehr glatte Oberflächen herstellbar. Diese glatten Oberflächen sind besonders vorteilhaft für die Verwendung als Oberfläche zum Aufbringen einer reflektierenden Oberfläche eines Spiegels geeignet. Alle genannten Materialen haben den Vorteil, dass sie einfach verarbeitbar sind. Zudem haften auf die hier genannten Materialien Metallbeschichtungen besonders gut. Die vorgenannten Materialien sind ebenfalls für die vorgenannten Herstellungsverfahren, insbesondere für den Einsatz im Spritzgussverfahren und/oder den Einsatz im 3D-Druck- Verfahren geeignet. Zudem weisen die genannten Materialien für die Verwendung in einem FTIR-Spektrometer vorteilhafte Temperatureigenschaften auf. Die genannten Materialien sind auch leicht verarbeitbar und nachbearbeitbar und kostengünstig.
Bevorzugt kann das Kunststoffmaterial zusätzlich zu den vorgenannten Materialien ein Fasermaterial aufweisen und so wenigstens abschnittsweise ein Verbundmaterial bilden. Das Fasermaterial kann beispielsweise Kohlefasern oder Glasfasern sein. Die Zugabe von Fasern verbessert allgemein die mechanischen sowie insbesondere die temperaturabhängigen Eigenschaften des Kunststoffmaterials. In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers weist die reflektierende Oberfläche wenigstens eines Spiegels der Spiegelanordnung wenigstens bereichsweise eine Freiformoptik auf.
Im Sinne der Erfindung ist eine Freiformoptik eine reflektierende Oberfläche, die sich von sphärischen und parabolischen Geometrien unterscheidet. Beispielsweise kann eine Freiformoptik eine reflektierende Oberfläche sein, die sich von den in Anspruch 2 und 3 genannten Spiegelformen oder Kombinationen davon wenigstens bereichsweise unterscheidet.
Durch den Einsatz von Freiformoptiken können Strahlformungseigenschaften und Strahllenkungseigenschaften der Spiegel kontrolliert eingestellt und erreicht werden, die mit einfacheren Gestaltungen nicht möglich sind. Dadurch kann die Effizienz des FTIR- Spektrometers weiter verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers weist die Freiformoptik wenigstens bereichsweise eine Formabweichung von einer der folgenden Spiegelformen auf: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers weist die Freiformoptik wenigstens bereichsweise oder vollständig eine Formabweichung von den folgenden Spiegelformen auf: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist.
Es hat sich im Rahmen von durchgeführten Simulationen gezeigt, dass sich Formabweichungen positiv auf die Strahlformung auswirken können. Beispielsweise kann durch die Kombination eines sphärischen Anteils zu einer Parabelform eine gezieltere, vorteilhafte Reflexion und Fokussierung eines Lichtstrahls erreicht werden. Die Bereitstellung von Spiegeln mit Freiformoptiken ist im Rahmen der in dieser Erfindung genannten Herstellungsverfahren, insbesondere auch mit Blick auf die im Stand der Technik bekannten Verfahren, einfach und kostengünstig umzusetzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers weist die Freiformoptik wenigstens bereichsweise eine Formabweichung in einem Randbereich auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers weist die Freiformoptik eine Formabweichung in einem Randbereich auf. Bevorzugt weist die Freiformoptik des FTIR-Spektrometers in einem Randbereich eine Formabweichung von den folgenden Spiegelformen auf: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist.
Im Sinne dieser Erfindung beschreibt der Randbereich vorzugsweise den Übergang zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem Grundkörper eines Spiegels.
Besonders bevorzugt weist der Randbereich eine minimale Ausdehnung oder minimalen Radius von 1 mm, vorzugsweise 2 mm, weiter bevorzugt 3 mm auf. Es hat sich gezeigt, dass dieser Bereich besonders vorteilhaft für die Strahlformung bzw. -führung ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers ist die Formabweichung eine konvexe regelmäßige oder unregelmäßige Verrundung oder Fase oder eine Kombination einer konvexen regelmäßigen oder unregelmäßigen Verrundung und/oder einer Fase.
Das Vorsehen einer derartigen Verrundung oder Fase hat den Vorteil, dass ungewünschtes Streulicht bei der Reflexion von Infrarotlicht vermieden werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann über eine entsprechende Ausgestaltung der Verrundungs- und/oder Fasenabschnitte Streulicht in Bereiche innerhalb des erfindungsmäßen FTIR-Spektrometer reflektiert werden, in denen es das Messsignal nicht stört bzw. negativ beeinflusst.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers sind wenigstens ein Spiegel der Spiegelanordnung oder jeder Spiegel der Spiegelanordnung derart ausgestaltet und eingerichtet, dass bei Reflexion von Infrarotlicht an dem jeweiligen Spiegel der Spiegelanordnung das Infrarotlicht einen maximalen Wellenfrontfehler pro Spiegel von 50- mal der Wellenlänge, bevorzugt 25-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts aufweist.
Im Sinne der Erfindung beschreibt ein Wellenfrontfehler eine räumliche Phasenverschiebung zwischen Lichtwellen, die zusammen gesehen einen Lichtstrahl bilden.
Der Wellenfrontfehler wird maßgeblich durch die makroskopische Form der im Rahmen der Erfindung beschriebenen Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers bestimmt. Der Wellenfrontfehler kann alternativ durch die Oberflächenbeschaffenheit der im Rahmen der Erfindung beschriebenen Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers bestimmt sein. Der Wellenfrontfehler kann alternativ durch eine Kombination der makroskopischen Form und der Oberflächenbeschaffenheit der im Rahmen der Erfindung beschriebenen Spiegel außerhalb des Interferometers bestimmt sein. Die im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers umfassen einen Grundkörper und eine reflektierende Oberfläche. Im Rahmen der Erfindung beschreibt die makroskopische Form eines erfindungsgemäßen Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers die äußere geometrische Gestaltung des Spiegels bzw. die äußere geometrische Gestaltung der reflektierenden Oberfläche. Eine nichtabschließende Liste von Beispielen für makroskopische Gestaltungselemente, die miteinander kombinierbar sind, können die Folgenden sein: Wölbungen, Einbuchtungen, Kerben, Kanten, Ebenen, Ausnehmungen oder andere bekannte regelmäßige oder unregelmäßige Oberflächengestaltungen.
Im Rahmen der Erfindung beschreibt die Oberflächenbeschaffenheit eines erfindungsgemäßen Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers die mikroskopische Gestaltung einer oder mehrerer Grenzflächen des erfindungsgemäßen Spiegels bzw. der reflektierenden Oberfläche. Die Grenzfläche kann die reflektierende Oberfläche des Spiegels sein oder diese umfassen oder tragen. Insbesondere kann die Grenzfläche eines im Rahmen der Erfindung beschriebenen Spiegels der Bereich unterhalb der reflektierenden Beschichtung sein. Alternativ oder zusätzlich kann die vorbeschriebene Grenzfläche des erfindungsgemäßen Spiegels im Rahmen der Erfindung die reflektierende Oberfläche des Spiegels auf dem Grundkörper sein. Ein Beispiel für ein Maß für die Oberflächenbeschaffenheit ist die Rauheit einer Oberfläche bzw. der Grenzfläche.
Der Wellenfrontfehler kann maßgeblich durch die makroskopische Form wenigstens eines erfindungsgemäßen Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers bestimmt werden. Bevorzugt kann der Wellenfrontfehler maßgeblich durch die makroskopische Form jedes Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers bestimmt werden.
Der Wellenfrontfehler kann maßgeblich durch die Oberflächenbeschaffenheit wenigstens eines erfindungsgemäßen Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers bestimmt werden. Weiter bevorzugt kann der Wellenfrontfehler maßgeblich durch die Oberflächenbeschaffenheit jedes Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers bestimmt werden.
Besonders bevorzugt kann der Wellenfrontfehler maßgeblich durch die makroskopische Form und die Oberflächenbeschaffenheit wenigstens eines Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers bestimmt werden. Weiter besonders bevorzugt kann der Wellenfrontfehler maßgeblich durch die makroskopische Form und die Oberflächenbeschaffenheit jedes Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers bestimmt werden.
Bevorzugte Beispiele der oben beschriebenen Optiken mit niedriger optischer Qualität sind Optiken mit einem maximalen Wellenfrontfehler von 50-mal der Wellenlänge des reflektierten Lichts, bevorzugt 25-mal der Wellenlänge, weiter bevorzugt 12,5-mal der Wellenlänge, besonders bevorzugt 10-mal der Wellenlänge.
Besonders bevorzugt kann die makroskopische Form wenigstens eines Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers oder jedes Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers derart ausgestaltet und eingerichtet sind, dass bei Reflexion von Infrarotlicht an dem jeweiligen Spiegel der Spiegelanordnung das Infrarotlicht einen maximalen Wellenfrontfehler pro Spiegel von 50-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts, bevorzugt 25-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts, weiter bevorzugt 12,5-mal der Wellenlänge, besonders bevorzugt 10-mal der Wellenlänge aufweist.
Besonders bevorzugt kann die Oberflächenbeschaffenheit wenigstens eines Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers oder jedes Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers derart ausgestaltet und eingerichtet sind, dass bei Reflexion von Infrarotlicht an dem jeweiligen Spiegel der Spiegelanordnung das Infrarotlicht einen maximalen Wellenfrontfehler pro Spiegel von 50-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts, bevorzugt 25-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts, weiter bevorzugt 12,5-mal der Wellenlänge, besonders bevorzugt 10-mal der Wellenlänge aufweist.
Besonders bevorzugt kann die makroskopische Form und die Oberflächenbeschaffenheit wenigstens eines Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers oder jedes Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers derart ausgestaltet und eingerichtet sind, dass bei Reflexion von Infrarotlicht an dem jeweiligen Spiegel der Spiegelanordnung das Infrarotlicht einen maximalen Wellenfrontfehler pro Spiegel von 50- mal der Wellenlänge des Infrarotlichts, bevorzugt 25-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts, weiter bevorzugt 12,5-mal der Wellenlänge, besonders bevorzugt 10-mal der Wellenlänge aufweist.
Die im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen Spiegelformen mit dem im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen Aufbau eines Spiegels der Spiegelanordnung aus Grundkörper und reflektierender Oberfläche ermöglichen einen solchen niedrigen maximalen Wellenfrontfehler insbesondere durch ihre makroskopische Form des Spiegels und/oder der Oberflächenbeschaffenheit des Spiegels. Zudem kann ein Schleif- oder Polierschritt vor dem Aufbringen der Metallbeschichtung auf den Grundkörper ausgeführt werden. Eine Metallbeschichtung ist in diesem Zusammenhang ein Beispiel für eine vorteilhafte Beschichtung, welche eine reflektierende Oberfläche bereitstellt. Schleif- und Polierschritte sind Beispiele für im Stand derTechnik bekannte Mittel zur Bearbeitung der makroskopischen Form und der Oberflächenbeschaffenheit. Zusätzlich oder alternativ zu den Schleif- und Polierschritten sind auch andere im Stand der Technik bekannte Mittel zur Bearbeitung der makroskopischen Form und der Oberflächenbeschaffenheit denkbar. Beispielsweise kann durch Schleif- und/oder Polierschritte die Oberflächenrauheit minimiert werden. Dadurch wird der Wellenfrontfehler ebenfalls minimiert. Insbesondere kann durch die Bearbeitung der Oberflächenbeschaffenheit des Grundkörpers vor und/oder nach dem Aufbringen der Metallbeschichtung bzw. Bereitstellen der reflektierenden Oberfläche der Wellenfrontfehler minimiert werden.
Eine Verschlechterung der Wellenfront außerhalb des Interferometers hat lediglich einen Effizienzverlust zur Folge, der jedoch bis zum oben genannten Maximum pro Spiegel für den Wellenfrontfehler für die Aufnahme und Verarbeitung der Infrarotspektren nicht relevant ist.
Durch diese überraschende Eigenschaft bleibt die Effizienz der im Rahmen der Erfindung verwendeten Spiegelanordnung, welche den oben genannten maximalen Wellenfrontfehler aufweist, vergleichbar mit der Effizienz von Spiegeln, welche in im Stand der Technik bekannten FTIR-Spektrometern eingesetzt werden, jedoch bei deutlich reduzierten Kosten und geringerem Herstellungsaufwand.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers sind die Spiegel der Spiegelanordnung und des Interferometers derart ausgestaltet und eingerichtet, dass bei Reflexion von Infrarotlicht an allen Spiegeln der Spiegelanordnung das Infrarotlicht einen gesamten maximalen Wellenfrontfehler von 300-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts aufweist. Bevorzugt sind die Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers ausgestaltet und eingerichtet, dass bei Reflexion von Infrarotlicht an allen Spiegeln der Spiegelanordnung das Infrarotlicht einen gesamten maximalen Wellenfrontfehler von 300- mal der Wellenlänge des Infrarotlichts, bevorzugt 200-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts aufweist.
Besonders bevorzugt ist die makroskopische Form und/oder Oberflächenbeschaffenheit der Spiegel der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers derart ausgestaltet und eingerichtet, dass bei Reflexion von Infrarotlicht an allen Spiegeln der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers das Infrarotlicht einen gesamten maximalen Wellenfrontfehler von 300-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts, bevorzugt 200-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts des Infrarotlichts aufweist.
Die Wellenfront des Infrarotlichts wird innerhalb des Interferometers nicht mehr modifiziert. Dies hat zur Folge, dass es zwischen der Interferenz zweier Lichtstrahlen mit identischen Wellenfronten mit einem hohen Wellenfrontfehler im Vergleich zur Interferenz mit Lichtstrahlen mit perfekten planen Wellenfronten keinen Unterschied gibt. Der bereits vor dem Eintritt in das Interferometer vorhandene Wellenfrontfehler wird somit nach Eintritt in das Interferometer erhalten, im Strahlteiler aufgeteilt und anschließend wieder zusammengeführt. Eine weitere Verschlechterung durch Fehler in den Optiken, insbesondere der Spiegel der Spiegelanordnung hat lediglich einen Effizienzverlust zur Folge, der jedoch bis zum oben genannten Maximum für den gesamten Wellenfrontfehler durch die Spiegelanordnung für die Aufnahme und Verarbeitung der Infrarotspektren im erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometer nicht relevant ist. Durch diese überraschende Eigenschaft bleibt die Effizienz der im Rahmen der Erfindung eingesetzten Spiegelanordnung bei dem oben genannten maximalen Wellenfrontfehler vergleichbar mit der Effizienz im Stand der Technik bekannter FTIR-Spektrometer, jedoch bei deutlich reduzierten Kosten und geringerem Herstellungsaufwand.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers weist die Spiegelanordnung wenigstens zwei außeraxiale Parabolspiegel mit einer ersten Brennweite und wenigstens zwei Parabolspiegel mit einer zweiten Brennweite auf.
Bevorzugt sind wenigstens vier Spiegel in der folgenden Reihenfolge entlang des Strahlengangs angeordnet: außeraxialer Parabolspiegel (mit erster Brennweite fl) - Parabolspiegel (mit zweiter Brennweite f2) - Probeninterface (beispielsweise ATR-Kristall) - Parabolspiegel (mit zweiter Brennweite f2) - außeraxialer Parabolspiegel (mit erster Brennweite fl). Die erste und zweite Brennweite fl und f2 haben bevorzugt nicht die gleichen Werte. Die zweite Brennweite f2 kann beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 2,5 mm liegen, bevorzugt 1,7 mm. Bevorzugt weist der ATR-Kristall eine maximale Fläche zum Kontakt mit der Probe auf, die kleiner als 2,5 mm mal 2,5 mm ist.
Die Verwendung der vorbeschriebenen Spiegelanordnung mit den vier vorbeschriebenen Spiegeln erlaubt die Bereitstellung eines Zwischenfokus zur Einstellung der Auflösung. Zudem ermöglichen Parallelstrahlen durch einen außeraxialen Parabolspiegel vor und nach dem Proben interface, bevorzugt einem ATR-Kristall, eine variable Distanz zur restlichen Optik im FTIR-Spektrometer, ohne dabei die Abbildungseigenschaften zu verändern. Weiterhin ermöglichen Parallelstrahlen vor und nach dem Probeninterface in der Messzelle einen einfachen Austausch des Probeninterfaces. Beispielsweise kann ein Probeninterface in Form eines ATR-Kristalls durch ein anderes Einfach- oder Mehrfach-Reflexions-ATR, Transmission- und/oder DRIFTS-Aufbau ausgetauscht werden.
Alternativ kann der Parabolspiegel vor und nach dem Proben interface auch einstückig als ein einziger Parabolspiegel ausgeführt sein. Ein Beispiel hierfür ist ein Parabolspiegel oder CPC wie er in herkömmlichen Taschenlampen Anwendung findet. In diesem Fall kann das Proben interface, beispielsweise der ATR-Kristall, in einer Öffnung im Brennpunkt des einstückigen Parabolspiegels angeordnet sein. Die Positionierung des Probeninterfaces bzw. ATR-Kristalls im Brennpunkt des parabolischen Reflektors erlaubt einen sehr kompakten sowie kostengünstigen Aufbau bei der Ein- bzw. Auskopplung von Licht in bzw. aus der Probe. Zudem ist ein derartiger Aufbau robust und vermeidet oder verringert die Probleme durch Fehljustage der Spiegelanordnung.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers ist das Proben interface ein ATR-Kristall, der in einem Halter aufgenommen ist, wobei der Halter in einem 3D- Druckverfahren aus Metall hergestellt ist. Im Sinne dieser Erfindung umfasst das 3D-Druckverfahren für Metall jedes im Stand der Technik bekannte und geeignete 3D-Druckverfahren zum Drucken von Metall.
Bevorzugt hat das 3 D-D ruckverfahren aus Metall eine Druckauflösung pro Schicht von maximal 230 pm. Damit ist die notwendige Passgenauigkeit des ATR-Kristalls im Halter gewährleistet.
Bevorzugt weist der Halter wenigstens einen Steg oder eine Aufnahme auf, die derart ausgestaltet und eingerichtet ist, um als Widerlager des Diamanten Druckkräfte auf den Diamanten auf den Halter zu übertragen bzw. aufzunehmen. Druckkräfte können beispielsweise beim Anpressen von Proben an den ATR-Kristall entstehen. Durch eine derartige Ausgestaltung des Halters ist ein langlebiger und sicherer Einsatz des Halters und des darin aufgenommenen ATR-Kristalls sichergestellt.
Der Steg kann eine durch den Halter von einer Oberseite zu einer Unterseite durchgehende Öffnung auf einer Unterseite in zwei Abschnitte bzw. zwei Öffnungen teilen, wobei die Abschnitte bei Aufnahme des ATR-Kristalls in dem Halter dazu eingerichtet sind, das in den ATR-Kristall einfallende und das aus dem ATR-Kristall ausfallende Infrarotlicht passieren zu lassen. Die Öffnung kann auf der Oberseite derart ausgestaltet sein, dass der ATR-Kristall darin passgenau oder nahezu passgenau einsetzbar ist und mit einer Oberfläche der Oberseite bündig abschließen kann. Die Oberseite kann in diesem Fall ein Bereich sein, in dem der ATR- Kristall mit einer Probe oder mit Probenmaterial in Kontakt bringbar ist.
Bevorzugt ist der Halter aus Edelstahl oder Titan gedruckt. Edelstahl und Titan können hohe Zug- und Druckkräfte aufnehmen und sind chemisch inert.
Bevorzugt wird der ATR-Kristall in dem Halter mit einem Kleber eingeklebt oder mit einem Lot eingelötet. Weiter bevorzugt wird der ATR-Kristall im Halter so eingeklebt, dass die Öffnung in der Oberseite des Halters durch den ATR-Kristall und den Kleber oder dem Lot fluiddicht geschlossen wird. Sowohl Kleben als auch Löten sind Fügeverfahren, die mit geringem technischem Aufwand, hoher Präzision und geringen Kosten durchführbar sind.
Bevorzugt umfasst das Lot oder ist das Lot, mit dem der ATR-Kristall in dem Halter eingelötet ist, Silberlot mit oder ohne Titananteil. Beide genannten Lotsorten weisen vorteilhafte Benetzungs- und Verbindungseigenschaften sowohl mit dem ATR-Kristall, bevorzugt Diamant, und dem Halter aus Edelstahl oder Titan auf. Damit entsteht eine starke und langlebige Verbindung zwischen ATR-Kristall und Halter.
Bevorzugt erfolgt das Einlöten in einem Vakuumofen. Damit ist sichergestellt, dass der ATR- Kristall, bevorzugt ein Diamant, beim Einlöten nicht beschädigt wird. Wie bereits erwähnt bildet die Klebung bzw. die Lötstelle des ATR-Kristalls im Halter bevorzugt eine lüft- und wasserdichte Abdichtung der Öffnung der Oberseite des Halters. Dies hat den Vorteil, dass bei der Montage des Halters mit dem ATR-Kristall im FTIR-Spektrometer die hermetische Kapselung des FTIR-Spektrometers weiterhin gewährleistet ist und es zu keinem zusätzlichen Eintrag von Wasser in das FTIR-Spektrometer kommt.
Die Herstellung des Halters kann beispielsweise gemäß folgendem Herstellungsverfahren unter Berücksichtigung der vorgenannten Eigenschaften erfolgen:
- Drucken des Halters aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl oderTitan, weiter bevorzugt mit einer Druckauflösung pro Schicht von maximal 230 pm, und
- Einlöten eines ATR-Kristalls, vorzugsweise in einem Vakuumofen, weiter bevorzugt mit einem Silberlot mit oder ohne Titananteil.
Bevorzugt kann der ATR-Kristall in einen Halter aus Edelstahl eingelötet werden. Dies ist aufgrund der Fertigung des Halters aus 3D-gedrucktem Metall in Kombination mit dem Einlöten des ATR-Kristalls in den Halter trotz der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Edelstahl und z.B. Diamant als Material für den ATR-Kristall möglich. Im Stand der Technik bekannte Halter aus Molybdän sind im Vergleich zum vorgenannten Aufbau deutlich aufwändiger und teurer in der Fertigung. Aufgrund der geringeren Kosten des Edelstahls, kann der gesamte Halter in einem Teil 3D-gedruckt werden, so dass ein präzises und dichtes einpassen eines Diamanthalters aus Molybdän in einen größeren Edelstahlhalter, wie im Stand der Technik üblich, nicht notwendig ist.
Die Herstellung des Halters mittels 3D-Druckverfahren aus Metall und insbesondere gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren hat allgemein den Vorteil, dass es deutlich einfacher und kostengünstiger im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren wie z.B. Fräsen oder Funkenerodieren aus einem Vollmaterial ist. Zudem können mit Hilfe des 3D-Druckverfahrens Geometrien realisiert werden, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nur mit hohem Aufwand oder nicht erreichbar sind. Ein derartiger Halter ist in kleinen Abmessungen herstellbar und kann die beim Kontakt zwischen ATR-Kristall und Probe bzw. Probenmaterial entstehenden hohen Drücke ohne Zerstörung oder Beschädigung des Halters aufnehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers ist der Halter eingerichtet, den ATR-Kristall bei einem Anpressdruck der Probe von bis zu 130 bar an den ATR-Kristall ortsfest zu halten.
Derartige Drücke sind notwendig, um die notwendige Ein- und Auskopplung von Licht in die Probe durch den ATR-Kristall sicherzustellen. Der im Rahmen der Erfindung beschriebene Halter kann insbesondere aufgrund des vorgesehenen Stegs und durch die Befestigungsart des ATR-Kristalls im Halter derartigen Drücken standhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform des FTIR-Spektrometers weist der ATR-Kristall eine maximale Probenauflagefläche von maximal 3 mm mal 3 mm auf.
Die Probenauflagefläche ist im Rahmen der Erfindung die Fläche des ATR-Kristalls, die maximal mit einer Probe bzw. einem Probenmaterial in Kontakt treten kann. Bei der Verwendung des oben beschriebenen Halters liegt die Probenauflagefläche auf der Oberseite des Halters und wird durch die Fläche des ATR-Kristalls im Halter definiert, die bündig mit der Oberfläche des Halters abschließt.
Bevorzugt ist die maximale Probenauflagefläche maximal 2,8 mm mal 2,8 mm, weiter bevorzugt 2,5 mm mal 2,5 mm, noch weiter bevorzugt 2,0 mm mal 2,0 mm groß. Kleine Probenauflageflächen spiegeln sich auch in den Gesamtmaßen des ATR-Kristalls wider, weswegen bei kleinen Probenauflageflächen kleine ATR-Kristalle verwendbar sind. Damit wird weniger ATR-Kristallmaterial benötigt, was die Herstellung vereinfacht und die Kosten senkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße FTIR-Spektrometer entsprechend einer der oben genannten Ausführungsformen zur Messung einer Probe mit pharmazeutischen Substanzen verwendet. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße FTIR-Spektrometer entsprechend einer der oben genannten Ausführungsformen zur Qualitätsbestimmung einer Probe mit pharmazeutischen Substanzen verwendet. Derartige Qualitätsbestimmungen können beispielsweise in Apotheken oder von Apothekern durchgeführt werden. Die Qualitätsbestimmung kann insbesondere eine oder mehrere Punkte umfassen: Bestimmen der Identität einer, bevorzugt pharmazeutischen, Substanz, Bestimmen einer Konzentration einer oder mehrerer pharmazeutischer Substanzen in der Probe, Bestimmen der Reinheit einer oder mehrerer pharmazeutischer Substanzen in der Probe, Bestimmen einer Konzentration von Verunreinigungen in der Probe, qualitatives Bestimmen von Verunreinigungen, insbesondere der Art, in der Probe.
Es sei hiermit klargestellt, dass eine oder mehrere der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen, soweit widerspruchsfrei, miteinander kombinierbar sind und ebenfalls bevorzugte Ausführungsformen darstellen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines FTIR-Spektrometers,
Fig. 2a, b einen beispielhaften schematischen Strahlengang des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers aus Figur 1 mit zwei unterschiedlichen Ausführungsformen eines Spektrometeraufbaus, Fig. 3a, b zwei Ansichten eines beispielhaften schematischen Aufbaus eines Spiegels der Spiegelanordnung des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers,
Fig. 4 einen zweiten, alternativen schematischen Strahlengang eines Teils des erfindungsgemäßen FTIR-Spektro meters,
Fig. 5 einen beispielhaften Strahlengang innerhalb eines Compound Parabolic Concentrator-Spiegels,
Fig. 6a-c verschiedene Ansichten eines Aufbaus eines Halters für einen ATR-Krista 11,
Fig. 7a, b zwei Ansichten eines beispielhaften Spiegelhalters im Interferometer des erfindungsgemäßen FTIR-Spektro meters,
Fig. 8a-h Messergebnisse zu gemessenen Parametern von Spiegeln der Spiegelanordnung des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers im Vergleich mit kommerziell erhältlichen Präzisionsmetallspiegeln,
Fig. 9a, b Ergebnisse einer Simulationen zur Bestimmung der Transmission oder Lichtstärke der Spiegelanordnung in Abhängigkeit des maximalen Wellenfrontenfehlers durch die Spiegel der Spiegelanordnung im erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometer,
Fig. 10a, b beispielhafte FTIR-Spektren, welche mit einem erfindungsgemäßen FTIR- Spektrometer basierend auf der erfindungsgemäßen Spiegelanordnung mit spritzgussgefertigten Spiegeln und einer Spiegelanordnung mit kommerziell erhältlichen Präzisionsmetallspiegeln zum Vergleich der Ergebnisse aufgenommen wurden, und
Fig. lla-h verschiedene ortsaufgelöste Messungen von Wellenfrontfehlern von Metallpräzisionsspiegeln und verschiedenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Spiegel.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers 1. Figur 2a zeigt schematisch einen beispielhaften Strahlengang 13 des FTIR-Spektrometers 1 mit einer ersten Ausführungsform eines Interferometers. Figur 2b zeigt schematisch einen alternativen Aufbau eines Interferometers. Das FTIR-Spektrometer 1 wird im Folgenden beschrieben:
Das FTIR-Spektrometer 1 umfasst eine Infrarotstrahlungsquelle 3, ein Interferometer 5a, 5b, eine Messzelle 7, einen Infrarotdetektor 9 und ein Steuersystem 11 auf. Das Interferometer 5a hat typischerweise einen ersten und einen zweiten Arm 12a, 12b, wobei wenigstens ein Arm ein in der Länge variabler Arm 14 ist. Beispielsweise kann das Steuersystem 11 einen Spiegelversatz eines entlang einer linearen Achse beweglichen Spiegels des ersten Arms 12a des Interferometers 5a durch geeignete Ansteuerung eines entsprechenden Aktuators oder Stellglieds regeln. Dadurch wird der Abstand des Spiegels des Arms mit variabler Länge 14 vom Strahlteiler 10, d.h. die Länge des ersten Arms 12a, und damit die vom Licht L zurückzulegende Wegstrecke, auch Weglänge genannt, im ersten Arm 12a verändert.
Alternativ kann das Interferometer 5b eine in einer Ebene drehbare Wippe 16, wie in Fig. 2b gezeigt, umfassen. Die Wippe 16 ist derart ausgestaltet, dass sie insbesondere die zur Reflexion beider vom Strahlteiler 10 kommenden Einzelstrahlen notwendigen Spiegel des Interferometers 5b umfasst. Die Wippe 16 bildet bzw. umfasst somit beide Arme des Interferometers 5b. Das Steuersystem 11 regelt eine Drehbewegung beispielsweise mit Hilfe eines Antriebs der Wippe 16 derart, dass die Wippe 16 um eine Achse 18 zwischen zwei Endpunkten relativ zum ortsfesten Strahlteiler eine Pendelbewegung ausführt. Die Wippe 16 kann beispielsweise mit Hilfe einer Schwingspule angetrieben werden.
Das FTIR-Spektrometer 1 weist zusätzlich noch einen Referenzlaser auf. Mit Hilfe des Referenzlasers kann die Position und ein Neigungswinkel wenigstens eines Spiegels eines oder beider Arme des Interferometers 5a, 5b bestimmt werden bzw. kann ein relativer Weglängenunterschied zwischen den Spiegeln des ersten und zweiten Arms 12a, 12b des Interferometers 5a, 5b bestimmt werden.
Die Messzelle 7 hat ein Proben interface und kann vorzugweise darin oder daran einen ATR- Kristall 15 umfassen, der mit einer Probe 17 in Kontakt bringbar ist. Das Steuersystem 11 ist eingerichtet, die Länge des wenigstens einen Arms des Interferometers zu ändern.
Der Infrarotdetektor 9 ist eingerichtet, die Intensität des Infrarotlichts, welches nach der Wechselwirkung im ATR-Kristall 15 bzw. der Probe 17 auf den Infrarotdetektor 9 gelenkt wird, zu messen. Der Infrarotdetektor 9 kann beispielsweise ein pyroelektrischer Sensor sein oder diesen umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Infrarotdetektor eine Photodiode sein oder umfassen.
Zusätzlich umfasst das FTIR-Spektrometer 1 eine Spiegelanordnung 13 außerhalb des Interferometers 5a, 5b mit wenigstens zwei Spiegeln, beispielsweise wie in Fig. 2a, b gezeigt vier Spiegel 19a, 19b, 19c, 19d. Jeder Spiegel 19a-d umfasst eine reflektierende Oberfläche 21 und einen Grundkörper 23, der die reflektierende Oberfläche 21 umfasst (siehe Fig. 3a, b). Der Grundkörper 23 wenigstens eines Spiegels 19a-d oder aller Spiegel 19a-d der Spiegelanordnung 13 ist bzw. sind aus einem Kunststoffmaterial und/oder aus 3D gedrucktem Metall gefertigt. Alternativ kann der Grundkörper 23 wenigstens eines Spiegels 19a-d oder aller Spiegel 19a-d Kunststoffmaterial und/oder 3D gedrucktes Metall aufweisen.
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BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91 ) ISA/EP Die Spiegelanordnung 13 ist wenigstens eingerichtet, einen Lichtstrahl, d.h. Licht L, von der Infrarotstrahlungsquelle 3 durch das Interferometer 5a, 5b auf das Proben interface der Messzelle 7 zu lenken und den Lichtstrahl vom Probeninterface der Messzelle 7 auf den Infrarotdetektor 9 zu lenken.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen FTIR-Spektro meters 1 ist im Folgenden beispielhaft beschrieben. Die Infrarotstrahlungsquelle 3 wird betrieben und emittiert Licht L wenigstens im infraroten Bereich. Das Licht L der Infrarotstrahlungsquelle 3 wird durch den Spiegel 19a zu einem Lichtstrahl L kollimiert und trifft auf einen Strahlteiler 10 im Interferometer 5a, 5b. Der Strahlteiler 10 teilt den Lichtstrahl in zwei Einzelstrahlen. Ein erster Einzelstrahl wird im ersten Arm 12a von einem ersten Spiegel zurück zum Strahlteiler 10 reflektiert. Ein zweiter Einzelstrahl wird von einem zweiten Spiegel im zweiten Arm 12b zurück zum Strahlteiler 10 reflektiert. Wenigstens einer der beiden Arme oder sogar beide Arme sind in der Länge variabel. Im Fall eines Spiegels, der entlang einer linearen Achse bewegbar ist, verfährt das Steuersystem 11 den Spiegel des ersten Arms 12a periodisch zwischen einem ersten und einem zweiten Wendepunkt relativ zum ortsfesten Strahlteiler 10 und ändert so die Weglänge des Lichts im ersten Arm 12a, wodurch der Arm selbst ein in der Länge variabler Arm 14 ist. Im Fall einer drehbaren Wippe 16 regelt das Steuersystem 11 den Antrieb der Wippe 16 derart, dass die Wippe 16 zwischen zwei Endpunkten eine Pendelbewegung relativ zum ortsfesten Strahlteiler 10 ausführt und dabei jeweils einen Arm 12a bzw. 12b verkürzt und der andere Arm 12b bzw. 12a verlängert wird. Nach der Reflexion an den Spiegeln werden die beiden Einzelstrahlen im Strahlteiler 10 wieder zusammengeführt, interferieren dort und verlassen das Interferometer 5a, 5b als Lichtstrahl L.
Das Aufnehmen eines Referenzspektrums des Infrarotlichts L wurde bereits weiter oben im Zusammenhang mit der Erfindung beschrieben.
Ein Probenspektrum, d.h. ein Spektrum des Lichts, das den ATR-Kristall 15 nach einer Wechselwirkung mit der Probe 17 verlassen hat, wird nun analog zur Beschreibung oben wie folgt aufgenommen: das Infrarotlicht L wird nach dem Verlassen des Interferometers 5a, 5b durch einen Teil der Spiegelanordnung 13, im Fall von Fig. 2a, b durch Spiegel 19b, in Richtung der Messzelle 7 gelenkt und fokussiert. In der Messzelle 7 tritt das einfallende Licht 25 in einem Winkel 0 in den ATR-Kristall 15 ein. An der Grenzfläche zwischen ATR-Kristall 15 und Probe 17 entsteht eine evaneszente Welle 27, welche mit dem Probenmaterial wechselwirkt. Das Licht L verlässt den ATR-Kristall 15 über den gleichen Winkel 0 als ausfallendes Licht 29 und trägt nun für die Probe 17 bzw. das Probenmaterial charakteristische Informationen. Das Licht L wird mittels eines weiteren Teils der Spiegelanordnung 13, d.h. im Fall von Fig. 2a, b durch Spiegel 19c und 19d durch Reflexion auf den Infrarotdetektor 9 gelenkt und fokussiert und vom Infrarotdetektor 9 detektiert.
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BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91 ) ISA/EP Zusätzlich zu dem Infrarotlicht, das die Probe 17 verlässt, detektiert vorzugsweise der Infrarotdetektor 9 oder ein separater Detektor, z.B. in Form einer separaten Photodiode, den Referenzlaserstrahl, der ebenfalls durch das Interferometer 5a, 5b gelenkt wurde und dort interferiert. Der Referenzlaserstrahl und der Lichtstrahl aus der Infrarotstrahlungsquelle 3 wechselwirken nicht oder nur vernachlässigbar miteinander.
Das vom Infrarotdetektor 9 aufgenommene Infrarotlicht L, das die Probe 17 verlässt, d.h. das Probensignal, und das Signal des Referenzlaserstrahls werden beispielsweise durch das Steuersystem 11, welches beispielsweise einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor oder alternativ oder zusätzlich einen separaten Messcomputer umfasst, aufgenommen und verarbeitet. Dabei wird das Probensignal bevorzugt fouriertransformiert, beispielsweise durch eine bekannte Fast-Fourier-Transformation (FFT), und um das Referenzspektrum bereinigt. Entsprechende Methoden sind im Stand der Technik bekannt. Dem Signal des Referenzlaserstrahls wird eine Wegdifferenz der Arme im Interferometer 5a, 5b zugeordnet. Aus dem verarbeiteten Probensignal und der Wegdifferenz werden mittels im Stand der Technik bekannter Verfahren die gewünschten Infrarotspektren berechnet.
Figur 3a, b zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau eines Spiegels 19 der Spiegelanordnung 13 des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometer 1. Der Spiegel 19 kann beispielsweise einer, mehrere oder alle der Spiegel 19a, 19b, 19c und/oder 19d aus Fig. 2a, b sein.
Der Spiegel 19 umfasst eine reflektierende Oberfläche 21 und einen Grundkörper 23, der die reflektierende Oberfläche 21 umfasst. Der Grundkörper 23 ist aus einem Kunststoffmaterial und/oder aus 3D gedrucktem Metall gefertigt. Alternativ kann der Grundkörper 23 Kunststoffmaterial und/oder 3D gedrucktes Metall aufweisen.
Die reflektierende Oberfläche 21 des Spiegels 19 ist bevorzugt abschnittsweise konkav und/oder als Hohlspiegel ausgebildet. Der Grundkörper 23 des Spiegels kann die reflektierende Oberfläche umfassen oder direkt oder indirekt, z.B. über Zwischenschichten, halten. Die reflektierende Oberfläche 21 kann mit anderen Teilen des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers 1 über den Grundkörper 23 verbindbar sein. Ist die reflektierende Oberfläche beispielsweise eine Metallbeschichtung, kann die reflektierende Oberfläche beispielsweise direkt auf einen Abschnitt der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht sein. Alternativ kann die Metallbeschichtung auf Zwischenschichten aufgebracht sein. Die Zwischenschichten (bzw. wenigstens eine davon) können wiederum direkt auf dem Abschnitt der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht sein.
Der Grundkörper 23 kann zusammen mit der reflektierenden Oberfläche 21 einstückig ausgestaltet sein. In diesem Fall ist die reflektierende Oberfläche 21 direkt auf einem Oberflächenabschnitt des Grundkörpers 23 aufgebracht. Alternativ ist auch denkbar, dass die reflektierende Oberfläche 21 indirekt, d.h. beispielsweise auf einer Zwischenschicht auf dem Oberflächenabschnitt des Grundkörpers 23 aufgebracht ist. Der Grundkörper 23 kann
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BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91 ) ISA/EP beispielsweise mit einem Teil, z.B. einem Teil des Gehäuses oder einer Grundplatte des erfindungsgemäßen FTIR-Interferometers 1 verbindbar sein.
Alternativ zur einstückigen Ausgestaltung kann der Grundkörper 23 mehrstückig (nicht gezeigt) mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Teil (und ggf. weiteren Teilen wie z.B. Abstandshalter o.ä.) ausgestaltet sein. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise denkbar, dass der erste Teil des Grundkörpers 23 wie im einstückigen Fall die reflektierende Oberfläche 21 direkt auf einem Oberflächenabschnitt umfasst oder die reflektierende Oberfläche 21 indirekt über eine Zwischenschicht umfasst. Der erste Teil des Grundkörpers 23 kann dann mit dem zweiten Teil des Grundkörpers 23 (und ggf. weiteren Teilen des Grundkörpers 23) mit einem Teil des Gehäuses oder einer Grundplatte des erfindungsgemäßen FTIR-Interferometers 1 verbindbar sein.
Der Spiegel 19 oder die reflektierende Oberfläche 21 des Spiegels 19 kann eine Spiegelform oder eine Kombination von Spiegelformen aus der folgenden Liste aufweisen: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist.
Zusätzlich kann die reflektierende Oberfläche 21 des Spiegels 19 der Spiegelanordnung 13 wenigstens bereichsweise eine Freiformoptik aufweisen. Die Freiformoptik kann beispielsweise wenigstens bereichsweise eine Formabweichung von einer der folgenden Spiegelformen aufweisen: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist
Es ist auch denkbar, dass die Formabweichung eine konvexe regelmäßige oder unregelmäßige Verrundung oder Fase oder eine Kombination davon ist.
Bevorzugt ist der Spiegel 19 der Spiegelanordnung 13 derart ausgestaltet und eingerichtet, dass bei Reflexion von Infrarotlicht L an dem Spiegel 19 der Spiegelanordnung 13 das Infrarotlicht L einen maximalen Wellenfrontfehler von 50-mal der Wellenlänge, bevorzugt 25- mal der Wellenlänge des Infrarotlichts L aufweist.
Figur 4 zeigt einen zweiten, alternativen schematischen Strahlengang eines Teils des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers 1. Der Aufbau in Fig. 4 weist eine Spiegelanordnung 13' mit wenigstens zwei außeraxialen Parabolspiegeln 31 mit einer ersten Brennweite fl und wenigstens zwei Parabolspiegel 33 mit einer zweiten Brennweite f2 auf. Die erste und zweite Brennweite fl und f2 haben bevorzugt nicht die gleichen Werte. Figur 5 zeigt ein Beispiel eines Compound Parabolic Concentrator-Spiegels (CPC) 32. In einem Brennpunkt 34 des CPC 32 kann die räumlich ausgedehnte Infrarotstrahlungsquelle 3, der Infrarotdetektor 9 oder der ATR-Kristall 15 aufgenommen sein.
Der CPC ist im Fall, dass die räumlich ausgedehnte Infrarotstrahlungsquelle 3 im Brennpunkt 34 des CPC 32 angeordnet ist, ausgestaltet, von der Infrarotstrahlungsquelle 3 emittiertes Licht L zu kollimieren.
Der CPC ist im Fall, dass der Infrarotdetektor 9 oder der ATR-Kristall 15 im Brennpunkt 34 des CPC 32 angeordnet ist, ausgestaltet, das in Richtung des Infrarotdetektors 9 bzw. des ATR- Kristalls 15 unter einem Winkel bis zu 0 einfallende, vorzugsweise kollimierte, Licht L auf den Infrarotdetektor 9 oder den ATR-Kristall 15 zu fokussieren.
Figur 6a bis Fig. 6c zeigt verschiedene Ansichten eines Aufbaus eines Halters 35 für einen ATR- Kristall 15, der im Rahmen der Erfindung einsetzbar ist. Dabei zeigt Fig. 6a eine schräge Aufsicht auf eine Oberseite 37 des Halters 35, d.h. der Seite des Halters 35, die einer Probe 17 zugewandt ist. Die Oberseite 37 des Halters 35 weist eine Öffnung 39 auf, die eingerichtet ist, den ATR-Kristall 15 zur Oberfläche bündig aufzunehmen und mittels geeigneter Mittel, z.B. Lot, dichtend abzuschließen.
Figur 6b zeigt eine Unterseite 41, d.h. eine Oberfläche des Halters 35, die der Oberseite 37 gegenüberliegt. Die Unterseite 41 weist zwei Öffnungen 43 und 45 auf, die mit der Öffnung 39 der Oberseite verbunden sind. Die zwei Öffnungen 43 und 45 sind durch einen Steg 47 voneinander getrennt.
Figur 6c zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie AA aus Fig. 6a. In Fig. 6c ist zusätzlich ein ATR-Kristall 15 aufgenommen. Der ATR-Kristall 15 ist derart ausgestaltet, dass er mit der Oberfläche 37 des Halters 35 bündig abschließt und auf dem Steg 47 aufliegt. Der ATR-Kristall 15 kann im Halter 35 beispielsweise mit Hilfe von Lot oder Kleber im Halter 35 befestigt sein. Durch das Aufliegen des ATR-Kristalls 15 auf dem Steg 47 kann beim Andrücken einer Probe 17 auf den ATR-Kristall 15 der Steg 47 etwaige Druckkräfte aufnehmen. Der Steg wirkt somit als Widerlager in Bezug auf Druckkräfte aus der Richtung der Oberseite 37 des Halters 35 auf den ATR-Kristall. Damit kann ein Ausbrechen des ATR-Kristalls 15 aus dem Halter 35 verhindert werden.
Bevorzugt ist der Halter 35 in einem 3D-Druckverfahren aus Metall hergestellt. Bevorzugt hat das 3D-Druckverfahren aus Metall eine Druckauflösung pro Schicht von maximal 230 pm. Damit ist die notwendige Passgenauigkeit des ATR-Kristalls im Halter gewährleistet.
Figur 7a, b zeigt zwei Ansichten eines beispielhaften Spiegelhalters 49 im Interferometer 5a, 5b des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers 1. Figur 7a zeigt dabei eine seitliche Ansicht des Spiegelhalters 49, Fig. 7b zeigt eine Aufsicht des Spiegelhalters 49.
38
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91 ) ISA/EP Der Spiegelhalter 49 kann einen Basiskörper 51 aufweisen, der mit einem Abschnitt des Interferometers oder des FTIR-Spektrometers, z.B. einem Gehäuseabschnitt, verbindbar ist. Mit dem Basiskörper 51 ist ein erster Teil 53 verbunden. Der erste Teil 53 weist ein erstes Federstahlblech 55 auf. Der Basiskörper 51 ist mit dem ersten Teil 53 mittels des ersten Federstahlblechs 55 verbunden. Der erste Teil 53 kann in diesem Fall plattenartig ausgestaltet sein. Eine im Basiskörper 51 drehbar gelagerte erste Schraube 57 beabstandet den ersten Teil 53 vom Basiskörper 51. Die erste Schraube 57 hat mit dem ersten Teil 53 lediglich eine kraftschlüssige Verbindung. Das erste Federstahlblech 55 übt derart eine Federkraft aus, dass der erste Teil 53 in Richtung des Basiskörpers 51 vorgespannt ist und die erste Schraube 57, bzw. ein dem ersten Teil 53 zugewandtes Ende der ersten Schraube 57, ein Widerlager zur Federkraft des ersten Teils 53 bildet.
Die kraftschlüssige Verbindung des Schraubenendes der ersten Schraube 57 kann beispielsweise direkt mit dem ersten Teil 53 oder einem separaten Material vorliegen. Bevorzugt ist das separate Material abriebfest und hält den Kräften, welche das Schraubenende der ersten Schraube 57 durch die kraftschlüssige Verbindung auf den ersten Teil insbesondere bei häufigen Drehbewegungen ausübt, stand. Dadurch wird die Lebensdauer des Spiegelhalters 49 verlängert.
Der Spiegelhalter weist zudem einen zweiten Teil 59 auf. Der zweite Teil 59 ist mit dem ersten Teil 53 verbunden. Der zweite Teil 59 weist ein zweites Federstahlblech 61 auf. Der zweite Teil 59 ist mit dem ersten Teil 53 mittels des zweiten Federstahlblechs 61 verbunden. Eine im ersten Teil 53 drehbar gelagerte zweite Schraube 63 beabstandet den zweiten Teil 59 vom ersten Teil 53 und/oder vom Basiskörper 51. Die zweite Schraube 63 hat mit dem zweiten Teil 59 lediglich eine kraftschlüssige Verbindung. Das zweite Federstahlblech 61 übt derart eine Federkraft aus, dass der zweite Teil 59 in Richtung des ersten Teils 53 vorgespannt ist und die zweite Schraube 63, bzw. ein dem zweiten Teil 59 zugewandtes Ende der zweiten Schraube 63, ein Widerlager zur Federkraft des ersten Teils 53 bildet. Eine Durchgangsbohrung 64 im Basiskörper 51 erlaubt einen Zugriff auf die zweite Schraube 63.
Der zweite Teil 59 umfasst zusätzlich einen Spiegel 65. Der Spiegel 65 kann am zweiten Teil 59 befestigt sein, vom zweiten Teil 59 umfasst sein oder durch den zweiten Teil 59 gebildet sein. In Abwesenheit eines zweiten Teils 59 kann der Spiegel 65 auch am ersten Teil 53 befestigt sein, vom ersten Teil 53 umfasst sein oder durch den ersten Teil 53 gebildet sein.
Der erste und zweite Teil 53, 59 weisen eine Quaderform auf. Zudem ist das zweite Federstahlblech 61 an einer der Seitenflächen 67 des zweiten Teils 59 angeordnet, die senkrecht zur Fläche 69 ist, die den Spiegel aufnimmt oder vorsieht. Die Oberflächennormale des ersten Federstahlbleches 55 ist senkrecht zur Normalen der Fläche 69 und senkrecht zur Normalen der Fläche 61 angeordnet und an einer Seitenfläche 71 des ersten Teils 53 aufgenommen. Figur 8a-h zeigt Messergebnisse zu gemessenen Parametern eines Spiegels 19' der Spiegelanordnung 13 des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers 1 im Vergleich mit kommerziell erhältlichen Spiegeln.
Figur 8a zeigt einen Metallpräzisionsspiegel, wie er in einer Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers bei kommerziellen FTIR-Spektrometern verwendet wird. Figur 8b zeigt einen Spiegel 19' der Spiegelanordnung 13 des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers 1. Der vermessene Spiegel 19' weist einen Grundkörper 23 aus PM MA-Ku nststoff auf und wurde im Spritzgussverfahren hergestellt. Anschließend wurde die reflektierende Oberfläche als metallische Beschichtung aus Gold aufgebracht.
Figur 8c und 8d zeigen Messdaten der reflektierenden Oberflächen 21 der in Fig. 8a und 8b gezeigten Spiegel in Form von der gemessenen Höhe in entlang des Wegs entlang des Pfeils A. Die gezeigten Messdaten wurden mit einem im Stand der Technik bekannten Profilometer durchgeführt. Die gezeigten Messdaten lassen eindeutig eine Parabelform des Profils erkennen.
Figur 8e und 8f zeigen jeweils zwei Messergebnisse der mikroskopischen Oberflächenrauheit des Metallpräzisionsspiegels aus Fig. 8a. Figur 8g und Fig. 8h zeigen jeweils zwei Messergebnisse der Oberflächenrauheit des Spiegels 19' der Spiegelanordnung 13 des erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometers 1 aus Fig. 8b. Die mittlere Rauheit beträgt im Fall der Fig. 8e und Fig. 8f 17,8 nm RMS (engl. root mean square) und 14,5 nm RMS, die mittlere Rauheit beträgt im Fall der Fig. 8g und Fig. 8h 39,1 nm RMS und 17,3 nm RMS. Überraschenderweise liegt die mikroskopische Oberflächenrauheit Spiegels aus Fig. 8b in der Größenordnung der Rauheit des Metallpräzisionsspiegels aus Fig. 8a und ist nur ca. um den Faktor zwei größer und damit deutlich unter der kürzesten in FTIR-Spektrometern verwendeten Wellenlänge von ca. 1 pm.
Figur 9a zeigt einen im Rahmen einer Simulation verwendeten Aufbau 73 eines beispielhaften Strahlengangs im erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometer 1. Der gezeigte Aufbau 73 entspricht im Wesentlichen dem Strahlengang aus Fig. 2a, b bis zum ATR-Kristall 15. Der Aufbau 73 umfasst eine kreisförmige Infrarotstrahlungsquelle 3' mit einem für die Simulation angenommenen Durchmesser von 2 mm. Zusätzlich ist eine Parabel 75 mit definiertem Phasenfehler vorgesehen, in der das Licht der Infrarotstrahlungsquelle 3' kollimiert wird. Im simulierten Aufbau 73 wird die Apertur 77 eines Strahlteilers im Interferometer berücksichtigt. Der Aufbau 73 umfasst auch eine zweite, fokussierende Parabel 79 sowie die Aperturen des ATR-Kristalls und des Halters des ATR-Kristalls.
In der Simulation kollimiert die Parabel 75 das Licht der Infrarotstrahlungsquelle 3'. Dabei wird in der Simulation ein Phasenfehler der Parabel 75 über im Stand der Technik bekannte Zernike-Polynome eingeführt. Durch die Einführung von Phasenfehlern auf der ersten Parabel
40
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91 ) ISA/EP 75 mittels Zernike-Polynomen, lässt sich die Transmission durch den Aufbau beeinflussen. Die in dem simulierten Aufbau 73 transmittierte Leistung beträgt 10 % der von der Infrarotstrahlungsquelle 3' abgegebenen Leistung.
Figur 9b zeigt das Ergebnis der Simulation in Form von mehreren Kurven, die eine Transmission durch das optische System in Abhängigkeit von der Abweichung von einer idealen Parabelform darstellt. Jede gestrichelte Kurve ist einem anderen Zernike-Polynom zugeordnet. Zudem ist der Mittelwert aller gezeigten Kurven als durchgezogene Linie dargestellt. Die drei Insets in Fig. 9b sind 2D-lnterferogramme des durch das System propagierten Strahls mit einem nicht modifizierten Referenzstrahl. Sie zeigen den Einfluss des eingeführten Phasenfehlers. Je nach Art des eingeführten Phasenfehlers (linear links/rechts oder sphärisch), kann die Transmission durch das simulierte System erhöht oder verringert werden. Bei einer Wellenlänge von X = 2 pm und einem zufällig orientierten Phasenfehler (Mittelwert aller Kurven in Fig. 9b), ist ein Wellenfrontfehler von ca. 300 X, d.h. 300-mal die Wellenlänge, tolerabel, ohne die Effizienz des optischen Systems zu verringern. Daher ist überraschenderweise allgemein der Einsatz von Spiegeln, deren Grundkörper Kunststoff aufweisen oder aus Kunststoff bestehen und insbesondere der Einsatz günstiger Spritzgussoptiken aus Kunststoff, die Wellenfrontfehler bis zur vorgenannten Höhe einführen können, unproblematisch.
Figur 10a zeigt beispielhafte zwei Einzelschuss-FTIR-Spektren, welche jeweils mit einem erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometer 1 basierend auf der erfindungsgemäßen Spiegelanordnung mit spritzgussgefertigten Spiegeln und einem Spektrometer basierend auf einer gleichartigen Spiegelanordnung mit Präzisionsmetallspiegeln aufgenommen wurden. Dabei wurde das Einzelspektrum I mit dem erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometer 1 aufgenommen. Das Einzelspektrum C wurde mit demselben Spektrometer unter Verwendung kommerzieller Präzisionsmetallspiegel aufgenommen.
Die gezeigten Spektren wurden nicht gemittelt. Das verwendete erfindungsgemäße FTIR- Spektrometer 1 umfasste ausschließlich Spiegel 19 in der Spiegelanordnung 13, deren Grundkörper 23 ein Kunststoffmaterial umfassten und die mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt wurden.
Figur 10b zeigt das rechnerische Differenzspektrum D der in Fig. 10a gezeigten Spektren C, I. Figur 10b zeigt lediglich minimale Differenzwerte zwischen den Spektren bei verschiedenen Wellenzahlen. Abweichungen sind im Wesentlichen auf eine leicht unterschiedliche Justage der beiden verwendeten FTIR-Spektrometer zurückzuführen.
Figur 11 zeigt verschiedene ortsaufgelöste Messungen von Wellenfrontfehlern des zentralen Teils von Metallpräzisionsspiegeln und verschiedenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Spiegel. Die Messungen wurden mit einem Shack-Hartmann Wellenfrontsensor mit einem kollimierten Laserstrahl bei 556 nm Wellenlänge durchgeführt. Die für die Messungen in Figur 11 verwendeten Spiegel hatten jeweils eine parabelartige Form.
In den Unterfiguren von Figur 11 ist jeweils die räumliche Position der reflektierenden Oberfläche (x- und y-Position) des Spiegels sowie der gemessene Wellenfrontfehler (kodiert als Graustufen) dargestellt. Der Peak to Valley (PV)-Wert oberhalb jeder Unterfigur beschreibt den maximalen gemessenen Wellenfrontfehler (Differenz von höchstem und niedrigstem Punkt im Wellenfrontprofil) auf der dargestellten Oberfläche des verwendeten Spiegels. Der root mean square (RMS)-Wert oberhalb jeder Unterfigur beschreibt den quadratischen Mittelwert des Wellenfrontfehlers auf der dargestellten Oberfläche des verwendeten Spiegels.
Figuren 11a und 11b zeigen Messungen des ortsaufgelösten Wellenfrontfehlers zweier unterschiedlicher Metallpräzisionsspiegel (Metallic-1 und Metallic-2). Figuren 11c bis 11h zeigen Messungen des ortsaufgelösten Wellenfrontfehlers von Ausführungsformen eines Spiegels der Spiegelanordnung außerhalb des Interferometers des erfindungsgemäßen FTIR- Spektrometers. Für die Messung in Figuren 11c und lld wurden je zwei unterschiedliche Spiegel aus Polymethylmethacrylat (PMMA-1 und PMMA-2) verwendet. Für die Messung in Figuren Ile und llf wurden je zwei unterschiedliche Spiegel aus Polyurethan (PU-1 und PU- 2) verwendet. Für die Messung in Figuren 11g und 11h wurden je zwei unterschiedliche Spiegel aus Polycarbonat (PC-1 und PC-2) verwendet.
Die Messungen in den Figuren 11c bis 11h zeigen einen absoluten Wellenfrontfehler von bis zu 5 pm (PV), d.h. ein Vielfaches der Referenzwellenlänge von 2 pm. Diese Spiegel wären wie bereits oben beschrieben für die Verwendung in einem Interferometer eines FTIR- Spektrometers nicht geeignet. Jedoch waren alle gezeigten Spiegel überraschenderweise im erfindungsgemäßen FTIR-Spektrometer zur Messung von Proben verwendbar.

Claims

Patentansprüche
1. FTIR-Spektrometer (1) mit
- einer Infrarotstrahlungsquelle (3),
- einem Interferometer (5a, 5b) mit wenigstens einem in der Länge variablen Arm (14),
- einem Referenzlaser,
- einer Messzelle (7) mit einem Proben interface, vorzugsweise einem ATR-Kristall (15), das mit einer Probe (17) in Kontakt bringbar ist,
- einem Infrarotdetektor (9),
- einem Steuersystem (11), das eingerichtet ist, die Länge des wenigstens einen Arms des Interferometers (5) zu ändern, und
- einer Spiegelanordnung (13) außerhalb des Interferometers (5) mit wenigstens zwei Spiegeln (19a, 19b, 19c, 19d) mit je einer reflektierenden Oberfläche (21) und einem Grundkörper (23), der die reflektierende Oberfläche (21) umfasst, wobei die Spiegelanordnung (13) wenigstens eingerichtet ist, einen Lichtstrahl (L) vom Interferometer (5a, 5b) auf das Proben interface zu lenken und den Lichtstrahl (L) vom Proben interface auf den Infrarotdetektor (9) zu lenken,
- wobei der Grundkörper (23) wenigstens eines Spiegels (19a, 19b, 19c, 19d) oder aller Spiegel (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13) aus einem Kunststoffmaterial und/oder aus 3D gedrucktem Metall gefertigt ist bzw. sind oder der Grundkörper (23) wenigstens eines Spiegels (19a, 19b, 19c, 19d) oder aller Spiegel (19a, 19b, 19c, 19d) Kunststoffmaterial und/oder 3D gedrucktes Metall aufweist bzw. aufweisen.
2. FTIR-Spektrometer (1) nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Spiegel (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13) außerhalb des Interferometers (5a, 5b) eine Spiegelform oder eine Kombination von Spiegelformen aus der folgenden Liste aufweist: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist.
3. FTIR-Spektrometer (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder Spiegel (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13) außerhalb des Interferometers (5a, 5b) eine Spiegelform oder eine Kombination von Spiegelformen aus der folgenden Liste aufweist: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist.
4. FTIR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens einer der Spiegel (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13), dessen Grundkörper (23) aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist oder ein Kunststoffmaterial aufweist, durch ein Spritzgussverfahren oder ein 3D-Druck-Verfahren hergestellt ist und die reflektierende Oberfläche (21) durch eine Metallbeschichtung wenigstens teilweise gebildet ist. FTIR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kunststoffmaterial wenigstens ein Material aus der nachfolgenden Liste ist oder wenigstens ein Material aus folgender Liste aufweist: Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Cycloolefin Polymer, Cycloolefin Copolymer, Styrol Acrylnitril, Styrol Acrylnitril, Polycarbonat High Temperature, Polysulfon (PS), Polyamid (PA), Polycarbonat High Refractive, Polyester High Refractive, Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylenterephthalat mit Glykol (PETG), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS), Nylon, Polymilchsäure (PLA), Polyurethan (PU), einen lichtaushärtenden Kunststoff (Photopolymer), beispielsweise Acryl-, Epoxid- und/oder Vinylesterharz. FTIR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die reflektierende Oberfläche (21) wenigstens eines Spiegels (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13) wenigstens bereichsweise eine Freiformoptik aufweist. FTIR-Spektrometer (1) nach Anspruch 6, wobei die Freiformoptik wenigstens bereichsweise eine Formabweichung von einer der folgenden Spiegelformen aufweist: ein außeraxialer Parabolspiegel, ein Parabolspiegel, ein Compound Parabolic Concentrator, ein sphärischer Hohlspiegel, ein Spiegel, der wenigstens in einer Achse die Form wenigstens eines Parabelsegments oder eines Kreissegments aufweist. FTIR-Spektrometer (1) nach Anspruch 7, wobei die Freiformoptik wenigstens bereichsweise eine Formabweichung in einem Randbereich aufweist. FTIR-Spektrometer (1) nach Anspruch 8, wobei die Formabweichung eine konvexe regelmäßige oder unregelmäßige Verrundung oder Fase oder eine Kombination einer konvexen regelmäßigen oder unregelmäßigen Verrundung und/oder einer Fase ist. FTIR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei wenigstens ein Spiegel (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13) oder jeder Spiegel (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13) derart ausgestaltet und eingerichtet sind, dass bei Reflexion von Infrarotlicht an dem jeweiligen Spiegel (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13) das Infrarotlicht einen maximalen Wellenfrontfehler pro Spiegel von 50-mal der Wellenlänge, bevorzugt 25-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts aufweist. FTIR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Spiegel (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13) und des Interferometers (5a, 5b) derart ausgestaltet und eingerichtet sind, dass bei Reflexion von Infrarotlicht an den Spiegeln (19a, 19b, 19c, 19d) der Spiegelanordnung (13) das Infrarotlicht einen gesamten maximalen Wellenfrontfehler von der Infrarotstrahlungsquelle (3) bis zum Infrarotdetektor (9) von 300-mal der Wellenlänge des Infrarotlichts aufweist. FTIR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Spiegelanordnung (13) wenigstens zwei außeraxiale Parabolspiegel (19a, 19b, 19c, 19d) mit einer ersten Brennweite und wenigstens zwei Parabolspiegel (19a, 19b, 19c, 19d) mit einer zweiten Brennweite aufweist. FTIR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Proben interface ein ATR-Kristall (15) ist, der in einem Halter (35) aufgenommen ist, wobei der Halter (35) in einem 3D-Druckverfahren aus Metall hergestellt ist. FTIR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Halter (35) eingerichtet ist, den ATR-Kristall (15) bei einem Anpressdruck der Probe von bis zu 130 bar an den ATR-Kristall (15) ortsfest zu halten. FTIR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der ATR-Kristall (15) eine maximale Probenauflagefläche von maximal 3 mm mal 3 mm aufweist.
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