DE19955759A1 - Monochromator; has fixed spatial filter to limit solid angle of incident light, dispersion prism and monolithic micromechanical tilting mirror to control geometrical solid angle variation of radiation - Google Patents
Monochromator; has fixed spatial filter to limit solid angle of incident light, dispersion prism and monolithic micromechanical tilting mirror to control geometrical solid angle variation of radiationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Spektroskopie und betrifft eine Anordnung zur Vereinfachung des Aufbaus von mechanisch parametrisierbaren Gittermonochromatoren.The invention relates to the field of optical spectroscopy and relates to an arrangement for Simplification of the construction of mechanically parameterizable lattice monochromators.
Gegenstand der Erfindung sind speziell Monochromatoren, die aus mindestens einem feststehenden Raumfilter zur Begrenzung des Raumwinkelbereichs der einfallenden polychromatischen Strahlung, einem dispersiven Element zur spektral abhängigen Raumwinkeländerung dieser Strahlung sowie mindestens einem weiteren feststehenden Raumfilter zur Entnahme der in den betreffenden Raumwinkelbereich geleiteten monochromatischen Strahlungsanteile bestehen, wobei zusätzliche Mittel zur steuerbaren strahlengeometrischen Raumwinkeländerung der Strahlung vorhanden sind.The invention relates in particular to monochromators which consist of at least one fixed one Spatial filter to limit the solid angle range of the incident polychromatic radiation, a dispersive element for the spectrally dependent change in solid angle of this radiation and at least one further fixed spatial filter for removing the in the concerned Solid angle range directed monochromatic radiation components exist, with additional Means for controllable radiation-geometric solid angle change of the radiation are present.
Üblicherweise bestehen die dispersiven Elemente aus Prismen oder Beugungsgittern. Der eingangsseitige Raumfilter wird meist durch eine Spaltblende in Verbindung mit abbildenden Elementen (z. B. Linsensysteme und/oder Hohlspiegel) realisiert und dient i. allg. zur Parallelisierung der einfallenden polychromatischen Strahlung innerhalb eines engen Winkelbereichs. Oft wirkt das dispersive Element selbst strahlenoptisch abbildend (z. B. Konkavgitter).The dispersive elements usually consist of prisms or diffraction gratings. The room filter on the input side is usually connected through a slit diaphragm in connection with imaging Elements (e.g. lens systems and / or concave mirrors) are realized and used i. generally for parallelization the incident polychromatic radiation within a narrow angular range. It often works self-imaging dispersive element (e.g. concave grating).
Analog besteht der ausgangsseitige Raumfilter aus abbildender Optik in Verbindung mit einer Ausgangsspaltblende und begrenzt den Raumwinkelbereich, aus welchem die Strahlungsanteile mit der entsprechenden richtungsspezifischen Wellenlänge dem Monochromator entnommen werden können.Similarly, the output-side spatial filter consists of imaging optics in conjunction with a Output slit diaphragm and limits the solid angle range from which the radiation components the corresponding direction-specific wavelength are taken from the monochromator can.
Spektrometeranordnungen auf Grundlage dieser Art von Monochromatoren sind hinlänglich bekannt; ein einfaches Beispiel ist in DE 198 60 021 ersichtlich.Spectrometer arrangements based on this type of monochromator are well known; a simple example can be seen in DE 198 60 021.
Die steuerbare Raumwinkeländerung der Strahlung wird erreicht durch mechanische Drehbewegungen des Beugungsgitters bzw. Dispersionsprismas und/oder durch Drehung zusätzlich im Strahlengang angeordneter Spiegel. Nach dem Stand der Technik erfolgt der Antrieb derselben durch Schrittmotoren. Die Winkelauflösung korreliert dabei mit der geeignet unterteilten Schritteinteilung des Motors. Weitergehende Feinunterteilungen bzw. -korrekturen werden mittels zusätzlicher Piezoaktuatoren erreicht.The controllable change in solid angle of the radiation is achieved by mechanical Rotary movements of the diffraction grating or dispersion prism and / or by rotation additionally mirror arranged in the beam path. According to the prior art, the same is driven through stepper motors. The angular resolution correlates with the appropriately divided one Step division of the motor. Further subdivisions or corrections are made using additional piezo actuators reached.
Lange Scanzeiten bzw. lange Ansprechzeiten sowie großvolumige, mechanisch aufwendige und störanfällige Aufbauten sind die Folge.Long scan times or long response times as well as large, mechanically complex and The result is structures prone to failure.
Einige dieser Nachteile wurden teilweise umgangen mit schweren ballistischen Aufbauten, bei denen für jeden Sensorwert die tatsächliche mechanische Winkelposition bestimmt und darüber den Meßwerten die jeweilige Wellenlänge zugeordnet wird. So ist in DE 43 17 948 ein gefedert gelagerter Schwingspiegel als besonderes Merkmal aufgeführt, dessen spezieller Nachteil der erhebliche Aufwand zur Winkelsteuerung bzw. -messung ist.Some of these drawbacks have been circumvented in some cases with heavy ballistic structures determines the actual mechanical angular position for each sensor value and then the Measured values the respective wavelength is assigned. So in DE 43 17 948 is a spring-loaded Schwingpiegel listed as a special feature, the special disadvantage of which is considerable Effort for angle control or measurement is.
Allgemein haben die mechanisch bewegten Bauteile genannter Monochromatoren den Nachteil, daß deren Lebensdauer bei geforderter Präzision begrenzt ist und/oder die Lagerung dieser Teile einen hohen Fertigungs- und Justageaufwand bedingt.In general, the mechanically moving components of monochromators have the disadvantage that whose lifespan is limited with the required precision and / or the storage of these parts high manufacturing and adjustment costs.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Anordnung für nach dem mechanischen Selektionsprinzip arbeitende Monochromatoren anzugeben, die oben aufgeführte Nachteile umgeht. Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegeben Anordnungen mit den erfindungsgemäßen Merkmalen. Weitere vorteilhafte Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung sowie bevorzugte Verfahren zum Betrieb derselben sind in den Unteransprüchen angegeben.The object of the invention is to provide a simple arrangement for the mechanical selection principle specify working monochromators that circumvents the disadvantages listed above. This problem is solved by the arrangements specified in the claims with the Features according to the invention. Further advantageous variants of the arrangement according to the invention as well as preferred methods of operating the same are specified in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist im Strahlengang des Monochromators nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs ein monolithischer mikromechanischer Drehspiegel angeordnet, mit dessen Hilfe in Abhängigkeit von seiner Winkelposition die Strahlung der jeweiligen Wellenlänge selektiert werden kann.According to the invention is in the beam path of the monochromator according to the preamble of the first Claim a monolithic micromechanical rotating mirror arranged, with the help in Depending on its angular position, the radiation of the respective wavelength can be selected can.
Die Verwendung derartiger monolithischer mikromechanischer Spiegel ist bislang nur im Zusammenhang mit dem Laserfernsehen bekannt; die Herstellung und der Betrieb desselben ist in den Anmeldungen DE 41 00 358 und DE 42 24 599 hinreichend beschrieben. Der Antrieb dieser Spiegels erfolgt galvanisch oder vorzugsweise elektrostatisch; die tatsächliche Winkelposition wird bevorzugt kapazitiv gemessen. So far, the use of such monolithic micromechanical mirrors is only in Known in connection with laser television; the manufacture and operation of the same is in the applications DE 41 00 358 and DE 42 24 599 are sufficiently described. The drive of this mirror takes place galvanically or preferably electrostatically; the actual angular position is preferred measured capacitively.
Der Vorteil dieser Anordnung ist ein besonders einfacher, preiswerter, kompakter und robuster Aufbau des Monochromators bei gleichzeitiger kurzer Ansprechzeit. Ferner ist eine stufenlose Winkeleinstellung erreichbar. Der monolithische einkristalline Aufbau des Kippspiegels bewirkt zudem eine theoretisch unbegrenzte Lebensdauer bei beliebig wiederholten Bewegungsabläufen.The advantage of this arrangement is a particularly simple, inexpensive, compact and robust construction of the monochromator with a short response time. It is also a stepless one Angle setting achievable. The monolithic, single-crystal structure of the tilting mirror also has an effect a theoretically unlimited lifespan with repetitive movements.
Eine Kombination mehrerer Monochromatoren unter Verwendung eines einzigen mikromechanischen Spiegels bietet neben einem konstruktiv einfachen Aufbau insbesondere den Vorteil des exakten Wellenlängen-Gleichlaufs der eigenständigen Kanäle, was z. B. für Referenzmessungen einer Strahlungsquelle oder für Monochromatorreihenschaltungen von Bedeutung ist.A combination of multiple monochromators using a single micromechanical In addition to a structurally simple structure, mirror in particular offers the advantage of being exact Wavelength synchronization of the independent channels, which z. B. for reference measurements Radiation source or for monochromator series connections is important.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Beugungsgitter direkt auf der Oberfläche des mikromechanischen Spiegels anzuordnen. Neben der baulichen Vereinfachung der Monochromatoranordnung liegt der besondere Vorteil in der technologisch durchgängigen Herstellbarkeit der Spiegel-Gitter-Kombination.In a further embodiment of the invention, the diffraction grating is provided directly on the Arrange the surface of the micromechanical mirror. In addition to the structural simplification of the Monochromator arrangement has the particular advantage of being technologically consistent Manufacture of the mirror-grille combination.
Eine vorteilhafte Variante der Erfindung beinhaltet die geeignete Gestaltung dieses integrierten Beugungsgitters in der Weise, daß durch eine hologrammartig gestaltete ortsabhängige Orientierung der Gitterlinien zusätzlich abbildende Eigenschaften des ansonsten ebenen Gitters erzielt werden. Gegebenenfalls können hierdurch Linsen bzw. Konkavspiegel zur Strahlformung ersetzt werden.An advantageous variant of the invention includes the suitable design of this integrated Diffraction grating in such a way that a hologram-like location-dependent orientation of the grid lines, additional imaging properties of the otherwise flat grid can be achieved. If necessary, lenses or concave mirrors for beam shaping can be replaced.
Die erfindungsgemäße Monochromatoranordnung läßt sich insbesondere für Spektrometeranwendungen verwenden, bei denen entsprechende Strahlungsdetektoren dem Austrittsspalt direkt oder hinter zusätzlichen Probenanordnungen indirekt nachgeschaltet sind oder diesen gar ersetzen.The monochromator arrangement according to the invention can be used in particular for Use spectrometer applications where appropriate radiation detectors are used Exit gap directly or behind additional sample arrangements or indirectly even replace it.
Bei einem Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Monochromators wird die Tatsache ausgenutzt, daß der monolithische mikromechanische Spiegel aufgrund seiner hysteresefreien Torsionsbänder in Verbindung mit seinem Trägheitsmoment eine Resonanzfrequenz mit besonders hoher Resonanzgüte aufweist, und folglich eine Schwingungsanregung bei dieser Frequenz eine extrem hohe Stabilität und Vorhersagbarkeit des Bewegungsablaufs bewirkt. Der Vorteil ist eine hohe Genauigkeit der zeitlichen Wellenlängenauflösung trotz diskreter und/oder ungenauer Spiegelwinkelmessungen. Zusätzlich steht durch die Resonanzüberhöhung ein größerer Auslenkbereich und damit ein größerer nutzbarer Wellenlängenbereich zur Verfügung.In a method for operating the monochromator according to the invention, the fact exploited that the monolithic micromechanical mirror due to its hysteresis-free Torsion bands in conjunction with its moment of inertia have a resonance frequency with particular has high resonance quality, and consequently an oscillation excitation at this frequency extremely high stability and predictability of the movement sequence. The advantage is high Accuracy of the temporal wavelength resolution despite discrete and / or inaccurate Mirror angle measurements. In addition, there is a larger one due to the excessive resonance Deflection range and thus a larger usable wavelength range available.
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail in an exemplary embodiment with reference to drawings. Show it:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Monochromatoranordnung, Fig. 1 shows the basic structure of the monochromator according to the invention,
Fig. 2 eine Variante dieses Monochromators auf Basis eines Beugungsgitters, Fig. 2 shows a variant of the monochromator on the basis of a diffraction grating,
Fig. 3 eine Monochromatoranordnung mit einem auf dem Kippspiegel integriertem Beugungsgitter, Fig. 3 is a monochromator with an integrated tilt mirror on the diffraction grating,
Fig. 4 einen Doppelmonochromator mit einem gemeinsamen Beugungsgitter auf dem Kippspiegel, Fig. 4 is a double monochromator with a common diffraction grating on the tilting mirror,
Fig. 5 einen Monochromator mit abbildendem Beugungsgitter auf dem Kippspiegel. Fig. 5 shows a monochromator with a diffraction grating on the tilting mirror.
Zur Formung des Strahlenganges in einem beispielhaften Monochromator gemäß Fig. 1 und 2
sind angeordnet:
The following are arranged for shaping the beam path in an exemplary monochromator according to FIGS. 1 and 2:
- - ein eingangsseitiger Raumfilter, bestehend aus einer spaltförmigen Strahlungseinkopplung vermöge einer Blende (1) oder einer Fasereinkopplung (10), sowie aus optisch abbildenden Elementen wie beispielsweise einem Kollimatorspiegel (3) oder einem Linsensystem (7),- an input-side spatial filter, consisting of a slit-shaped radiation coupling due to an aperture ( 1 ) or a fiber coupling ( 10 ), and of optically imaging elements such as a collimator mirror ( 3 ) or a lens system ( 7 ),
- - ein dispersives Element aus Prisma (4) oder Beugungsgitter (8),- a dispersive element made of prism ( 4 ) or diffraction grating ( 8 ),
- - ein mikromechanischer Kippspiegel (5) inklusive Spiegelantrieb (6) für die räumlich sequentielle Wellenlängenselektion mit typischen lateralen Abmaßen von 5 mm.5 mm,- a micromechanical tilting mirror ( 5 ) including mirror drive ( 6 ) for spatially sequential wavelength selection with typical lateral dimensions of 5 mm.5 mm,
- - ein ausgangsseitiger Raumfilter aus Abbildungsoptik (3; 7) mit einer spaltförmigen Blende (2) oder einem genügend schmal dimensionierten Sensor (11) in deren Brennebene.- An output-side spatial filter made of imaging optics ( 3 ; 7 ) with a slit-shaped diaphragm ( 2 ) or a sufficiently narrow sensor ( 11 ) in its focal plane.
Die in den Monochromator der Fig. 1 eingekoppelte polychromatische Strahlung wird mit Hilfe des Raumfilters (1,3) parallelisiert. Die nun gerichtete Strahlung durchläuft das Dispersionsprisma (4) und erfährt eine erste wellenlängenabhängige Richtungsaufspaltung. Die Strahlrichtung einer jeden Wellenlängenkomponente der polychromatischen Strahlung wird durch den mikromechanischen Spiegel (5) derart abgelenkt, daß die so umgelenkte Strahlung wiederholt das Prisma (4) passiert und einer erneuten wellenlängenabhängigen Richtungsänderung unterworfen wird. Mit Hilfe des ausgangsseitigen Raumfilters (3, 2) werden die parallelen Teilstrahlungen fokussiert und je nach Winkelstellung des Spiegels (5) wellenlängenselektiv ausgekoppelt. The polychromatic radiation coupled into the monochromator of FIG. 1 is parallelized with the aid of the spatial filter ( 1 , 3 ). The now directed radiation passes through the dispersion prism ( 4 ) and undergoes a first wavelength-dependent directional splitting. The beam direction of each wavelength component of the polychromatic radiation is deflected by the micromechanical mirror ( 5 ) in such a way that the radiation deflected in this way repeatedly passes through the prism ( 4 ) and is subjected to another change in direction depending on the wavelength. With the help of the spatial filter ( 3 , 2 ) on the output side, the parallel partial radiation is focused and, depending on the angular position of the mirror ( 5 ), coupled out in a wavelength-selective manner.
Die räumliche Anordnung dieser optischen Elemente kann geeignet wahlfrei variiert werden, beispielsweise als Autokollimationsspektrograph gemäß Fig. 1 bis 5. Die Aufstellung nach Fig. 1 und 2 nutzt zudem den bekannten Vorteil der optischen Winkelverdopplung des mechanischen Spiegelausschlags aus.The spatial arrangement of these optical elements can be suitably varied, for example as an autocollimation spectrograph according to FIGS. 1 to 5. The arrangement according to FIGS. 1 and 2 also takes advantage of the known advantage of the optical angle doubling of the mechanical mirror deflection.
Die Fig. 3 zeigt eine Monochromatoranordnung mit einem eingangs- und ausgangsseitigem Raumfilter (1, 7; 7, 2) sowie einem Kippspiegel (5) und einem Beugungsgitter (9), wobei dieses Beugungsgitter gemäß den Methoden der Mikrostrukturierung erfindungsgemäß direkt auf der Oberfläche des mikromechanischen Kippspiegels angeordnet ist, und zwar mit Parallelität zwischen Gitterlinien und Spiegeldrehachse. Im Ausführungsbeispiel ist das Beugungsgitter beispielhaft als Phasengitter ausgeprägt; je nach gefordertem Beugungswirkungsgrad kann das Beugungsgitter mit anderen geeigneten gitterperiodischen Oberflächenstrukturen versehen werden, sofern diese im Rahmen der üblichen Fertigungstechnologien realisierbar sind. Die besondere Wirkung dieser mikromechanischen Integration des Beugungsgitters liegt in der Möglichkeit zur Verkürzung des optischen Strahlenganges und zur daraus resultierenden Miniaturisierung des Monochromators. Außerdem bietet die technologisch durchgängige Herstellbarkeit der Spiegel-Gitter-Kombination wesentliche preisliche Vorteile auch in der Montage eines Monochromators. Die mit üblichen Fertigungsmethoden erzielbaren Gitterkonstanten in der Größenordnung von 1 µm gestatten insbesondere Wellenlängenintervalle der Monochromatoren im VIS und NIR-Bereich. Fig. 3 shows a monochromator arrangement with an input and output-side spatial filter ( 1 , 7 ; 7 , 2 ) and a tilting mirror ( 5 ) and a diffraction grating ( 9 ), this diffraction grating according to the methods of microstructuring according to the invention directly on the surface of the Micromechanical tilting mirror is arranged, with parallelism between grating lines and mirror axis of rotation. In the exemplary embodiment, the diffraction grating is exemplified as a phase grating; Depending on the required diffraction efficiency, the diffraction grating can be provided with other suitable grating periodic surface structures, provided that these can be realized within the framework of the usual manufacturing technologies. The special effect of this micromechanical integration of the diffraction grating lies in the possibility of shortening the optical beam path and the resulting miniaturization of the monochromator. In addition, the technologically consistent manufacturability of the mirror-grating combination offers significant price advantages in the assembly of a monochromator. The lattice constants of the order of magnitude of 1 µm that can be achieved with conventional manufacturing methods allow, in particular, wavelength intervals of the monochromators in the VIS and NIR range.
Eine weitere Vereinfachung des Monochromatoraufbaus wird anhand Fig. 5 schematisch gezeigt. Das auf dem mikromechanischen Kippspiegel (5) integrierte Beugungsgitter (13) weist eine derartige Ortsabhängigkeit seiner lateralen Gitterperiodizität auf, daß es diffraktiv-optisch abbildend wirkt. Der eingangs- und ausgangsseitige Raumfilter beinhaltet lediglich Spaltblenden (1; 2).A further simplification of the monochromator structure is shown schematically with reference to FIG. 5. The diffraction grating ( 13 ) integrated on the micromechanical tilting mirror ( 5 ) has such a spatial dependence of its lateral grating periodicity that it has a diffractive-optical imaging effect. The room filter on the input and output side only contains slit diaphragms ( 1 ; 2 ).
Die hologrammartige Beugungsgitterstruktur erhält man für die erste Beugungsordnung konstruktiv beispielsweise aus dem Schnittbild der Kippspiegeloberfläche mit einer Schar von Rotationsellipsoiden um zwei geeignete Konstruktionspunkte als Ellipsoidfoci, wobei die optischen Gesamtweglängen vom ersten Konstruktionspunkt zum jeweiligen Ellipsoidaufpunkt und zurück zum zweiten Konstruktionspunkt sich jeweils um eine konstante Wellenlänge unterscheiden.The hologram-like diffraction grating structure is obtained constructively for the first diffraction order for example from the sectional view of the tilting mirror surface with a bevy of ellipsoids of revolution around two suitable construction points as ellipsoid foci, the total optical path lengths from first construction point to the respective ellipsoid point and back to the second Construction point differ by a constant wavelength.
Jeder durch den Eintrittsspalt eingekoppelte divergente Teilstrahl wird nach dem Auftreffen auf der Gitterstruktur je nach seiner Wellenlänge und insbesondere je nach der lokalen Gitterperiode und -orientierung zu einem definierten wellenlängenabhängigen Focus gebeugt, wobei der Austrittsspalt einen dieser Foci für die Strahlungsauskopplung selektiert.Each divergent partial beam injected through the entrance slit is after the impact on the Grating structure depending on its wavelength and in particular depending on the local grating period and -orientation bent to a defined wavelength-dependent focus, with the exit slit selected one of these foci for coupling out the radiation.
Je nach Relativwinkel des Beugungsgitters zu den Spalten ergeben sich nach dem Schema eines Rowlandkreises geringfügige Aberrationen der wellenlängenabhängigen Foci von der fixen Spaltebene (1, 2); die daraus resultierende Verschlechterung der spektralen Auflösung kann jedoch bei geringen Auslenkwinkeln je nach Anwendungsfall zugunsten der vereinfachten Bauweise toleriert werden, da zusätzliche abbildende Elemente entfallen.Depending on the relative angle of the diffraction grating to the slits, there are slight aberrations of the wavelength-dependent foci from the fixed slit plane ( 1 , 2 ) according to the scheme of a Rowland circle; the resulting deterioration of the spectral resolution can, however, be tolerated in favor of the simplified design at low deflection angles, depending on the application, since additional imaging elements are omitted.
Fig. 4 demonstriert die zweckmäßige Anordnung eines gemeinsamen mikromechanischen Kippspiegels (5) - hier beispielhaft mit integriertem Beugungsgitter (9) - als Ablenk- bzw. Dispersionseinheit für zwei vorzugsweise baugleiche Monochromatorteilanordnungen gleichzeitig. Die in der Seitenansicht dargestellten Monochromatoren sind hier durch subtraktive Reihenschaltung zu einem streulichtarmen Doppelmonochromator kombiniert, indem der Strahlungsaustritt (2) des ersten Monochromators duch einen Hilfsspiegel (12) mit der Strahlungseinkopplung (2) des zweiten Monochromators verbunden wurde. Die zwangsläufig synchrone Wellenlängenselektion garantiert einen exakt reproduzierbaren spektralen Durchsatz des Doppelmonochromators auch bei eventuell geringer Spiegelwinkelreproduzierbarkeit. Fig. 4 demonstrates the appropriate arrangement of a common micromechanical tilting mirror ( 5 ) - here, for example, with an integrated diffraction grating ( 9 ) - as a deflection or dispersion unit for two preferably identical monochromator sub-assemblies at the same time. The monochromators shown in the side view are combined here by subtractive series connection to form a low-scatter double monochromator by connecting the radiation exit ( 2 ) of the first monochromator to the radiation coupling ( 2 ) of the second monochromator using an auxiliary mirror ( 12 ). The inevitably synchronous wavelength selection guarantees an exactly reproducible spectral throughput of the double monochromator even with possibly low mirror angle reproducibility.
Allgemein lassen sich durch diese erfindungsgemäße Vereinfachung zusätzliche Spiegelantriebs- und -kontrolleinheiten einsparen. Ferner bietet diese exakte Synchronisation zweier baugleicher unabhängiger Monochromatorkanäle erhebliche Vorteile für Meßanordnungen, in denen vermöge eines Referenzkanals eine Strahlungsquelle in ihrem spektralen und zeitlichen Verlauf kontrolliert werden muß.In general, this simplification according to the invention allows additional mirror drives and -save control units. Furthermore, this offers exact synchronization of two identical independent monochromator channels have considerable advantages for measuring arrangements in which of a reference channel controls a radiation source in its spectral and temporal course must become.
Die in den Figuren schematisch gezeigten Kippspiegel (5) besitzen beispielhaft eine rückwärtige Elektrodeneinheit (6) zum Zweck des elektrostatischen Antriebs. Aus der Literatur ist ferner bekannt, die aktuelle Winkelposition der Kippspiegel kapazitiv über selbige Elektroden zu bestimmen. Diese mit einfachen mechanischen Mitteln realisierbare Winkelmessung hat jedoch den Nachteil einer geringen Winkelauflösung, bedingt durch eine geringe Linearität und eines hohen Rauschanteils wegen der nur kleinen nutzbaren Elektrodenfläche. The tilting mirrors ( 5 ) shown schematically in the figures have, for example, a rear electrode unit ( 6 ) for the purpose of electrostatic drive. It is also known from the literature to capacitively determine the current angular position of the tilting mirrors using the same electrodes. However, this angle measurement, which can be implemented with simple mechanical means, has the disadvantage of a low angular resolution, due to a low linearity and a high noise component due to the small usable electrode area.
Die aus einkristallinem Silizium bestehenden Kippspiegel sind monolithisch über Torsionsbänder mit
einem fixen Träger verbunden; daraus resultiert eine hysteresefreie Federkonstante c. Im
Zusammenwirken mit dem Flächenträgheitsmoment J des Spiegels ergibt sich eine mechanische
Schwingungsfrequenz f = 2.π.c/J. Die Eigenschwingungen bei dieser Frequenz besitzen eine hohe
Resonanzgüte, da durch die Hysteresefreiheit die Dämpfung der mechanischen Schwingung sehr
klein ist. Bei externer Schwingungsanregung des Kippspiegels bei eben dieser Eigenfrequenz ω
lassen sich auch mit den relativ schwachen elektrostatischen Antriebskräften hohe Auslenkwinkel γ0
um ca. 2.3° erzielen; die Resonanzschwingung ist zudem relativ unempfindlich gegenüber externen
mechanischen Störungen. Unter Einbezug der adiabatischen Kompressionskräfte des Luftpolsters
zwischen Elektroden und Spiegel ergibt sich die Schwingungsgleichung
The tilting mirrors made of single-crystal silicon are connected monolithically to a fixed support via torsion straps; this results in a hysteresis-free spring constant c. In cooperation with the moment of inertia J of the mirror, a mechanical oscillation frequency f = 2.π.c / J results. The natural vibrations at this frequency have a high resonance quality, since the damping of the mechanical vibration is very small due to the freedom from hysteresis. With external oscillation excitation of the tilting mirror at precisely this natural frequency ω, high deflection angles γ 0 of approximately 2.3 ° can also be achieved with the relatively weak electrostatic drive forces; the resonance vibration is also relatively insensitive to external mechanical disturbances. Taking the adiabatic compression forces of the air cushion between the electrodes and the mirror into account, the oscillation equation results
M = c.γ = J.d2γ/dt2 + Fadiab(γ) + Fext(γ,sin(ω.t + ϕ)),
M = c.γ = Jd 2 γ / dt 2 + F adiab (γ) + F ext (γ, sin (ω.t + ϕ)),
deren Lösung näherungsweise mit
their solution approximately with
γ(t) = γ0.sin(ω.t + ϕ)
γ (t) = γ 0 .sin (ω.t + ϕ)
angegeben werden kann.can be specified.
Im Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum vorzugsweisen Betrieb des mikromechanischen Kippspiegels wird der Kippspiegel mit periodisch bei seiner Resonanzfrequenz (üblicherweise zwischen 100 Hz und 1 kHz) mechanisch angeregt, wobei der momentane Auslenkwinkel γi des Spiegels wahlweise quasikontinuierlich oder zu geeigneten diskreten Zeitpunkten ti gemessen wird. Die so erhaltenen Winkelmeßwerte werden mit der theoretisch erhaltenen Lösung der Bewegungsgleichung korreliert, um die Parameter Schwingungsamplitude γ0, Phase ϕ und gegebenenfalls genaue Resonanzfrequenz ω mittels einer numerischen Auswerteeinheit bestmöglich zu bestimmen.In the course of the method according to the invention for the preferred operation of the micromechanical tilting mirror, the tilting mirror is periodically mechanically excited at its resonance frequency (usually between 100 Hz and 1 kHz), the instantaneous deflection angle γ i of the mirror being measured either quasi-continuously or at suitable discrete times t i . The angle measurement values obtained in this way are correlated with the theoretically obtained solution of the equation of motion in order to determine the parameters of the vibration amplitude γ 0 , phase ϕ and, if appropriate, the exact resonance frequency ω in the best possible way by means of a numerical evaluation unit.
Anhand dieser Parameter errechnet die Auswerteeinheit mittels obiger Lösung der
Bewegungsgleichung zu jedem beliebigen Zeitpunkt t den tatsächlichen Auslenkwinkel γ(t) und ferner
über die Winkelbeziehung der Brechung die tatsächlich selektierte Wellenlänge λ(t) gemäß
On the basis of these parameters, the evaluation unit calculates the actual deflection angle γ (t) at any time t using the above solution of the equation of motion and furthermore the actually selected wavelength λ (t) according to the angle relationship of the refraction
sin(α + γ(t)) = sin(β-γ(t)) + N.λ(t)/g;
sin (α + γ (t)) = sin (β-γ (t)) + N.λ (t) / g;
mit N als Beugungsordnung, g als Gitterkonstante, α und β als Einfalls- und Beugungswinkel des Beugungsgitters bei Nullstellung des Kippspiegels.with N as the diffraction order, g as the grating constant, α and β as the angle of incidence and diffraction of the Diffraction grating when the tilting mirror is in the zero position.
Bei getrennter Anordnung von Kippspiegel und Beugungsgitter nach Fig. 2 ist die optische Verdopplung des Ablenkwinkels in bezug auf den Auslenkwinkel des Spiegels sinngemäß zu berücksichtigen.If the tilting mirror and diffraction grating according to FIG. 2 are arranged separately, the optical doubling of the deflection angle with respect to the deflection angle of the mirror must be taken into account accordingly.
Nach dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren lassen sich insbesondere Triggerpunkte tk für eine monochromatische Strahlungsmessung Sk bei vorgegebenen Wellenlängen λk ableiten; ferner läßt sich so der Spiegelantrieb zur Erhaltung der Resonanzschwingung exakt phasensynchron steuern. Umgekehrt kann einem jeden Strahlungsmeßwert Sk seine jeweilige Wellenlänge λk zugeordnet werden, was eine nachträgliche numerische Interpolation der Meßwerte zu vorgegebenen Wellenlängen gestattet.In particular, trigger points t k for a monochromatic radiation measurement S k at predetermined wavelengths λ k can be derived using the operating method according to the invention; Furthermore, the mirror drive can be precisely controlled in phase synchronization to maintain the resonance oscillation. Conversely, each radiation measurement value S k can be assigned its respective wavelength λ k , which allows a subsequent numerical interpolation of the measurement values to predetermined wavelengths.
Dieses Betriebsverfahren erhöht somit die Genauigkeit der Wellenlängenbestimmung und damit allgemein die spektrale Auflösung des erfindungsgemäßen Spektrometers wesentlich; für eine geforderte Auflösung kann also die primäre Winkelmessung des Kippspiegels mit einfachsten und relativ ungenauen Mitteln realisiert werden.This operating method thus increases the accuracy of the wavelength determination and thus generally the spectral resolution of the spectrometer according to the invention is essential; for one required resolution can be the primary angle measurement of the tilting mirror with the simplest and relatively imprecise means can be realized.
Claims (6)
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