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WO1995014225A1 - Anordnung zur analyse von substanzen an der oberfläche eines optischen sensors - Google Patents

Anordnung zur analyse von substanzen an der oberfläche eines optischen sensors Download PDF

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Publication number
WO1995014225A1
WO1995014225A1 PCT/EP1994/003769 EP9403769W WO9514225A1 WO 1995014225 A1 WO1995014225 A1 WO 1995014225A1 EP 9403769 W EP9403769 W EP 9403769W WO 9514225 A1 WO9514225 A1 WO 9514225A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
arrangement according
beams
angle
coupling
imaging
Prior art date
Application number
PCT/EP1994/003769
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christof Fattinger
Burkhard Danielzik
Dieter GRÄFE
Martin Heming
Frank-Thomas Lentes
Original Assignee
Carl Zeiss Jena Gmbh
F. Hoffmann-La Roche
Schott Glaswerke
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
Priority claimed from DE4433753A external-priority patent/DE4433753A1/de
Application filed by Carl Zeiss Jena Gmbh, F. Hoffmann-La Roche, Schott Glaswerke filed Critical Carl Zeiss Jena Gmbh
Priority to US08/481,376 priority Critical patent/US5712705A/en
Priority to AT95900731T priority patent/ATE190719T1/de
Priority to JP7514213A priority patent/JPH08505951A/ja
Priority to EP95900731A priority patent/EP0679250B1/de
Priority to DE59409211T priority patent/DE59409211D1/de
Publication of WO1995014225A1 publication Critical patent/WO1995014225A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4704—Angular selective
    • G01N2021/4711—Multiangle measurement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for analyzing substances on or near the surface of an optical sensor with at least one wave-guiding layer and at least one multidiffra tive grating coupler for coupling and decoupling light beams.
  • Such arrangements are used according to the prior art for the analysis of substances close to the sensor surface. They are used in a variety of ways to determine physical or chemical parameters [3-5,10-1 1].
  • the way the sensors work is based on the interaction of the guided light waves with the medium at and near the sensor surface. On this basis, such sensors can be used in combination with an arrangement for operation as a universal spectrometer, since the refractive index and absorption of the medium can be determined in the vicinity of the sensor surface.
  • Applications in affinity sensor technology [5] are also known, here the molecules to be detected bind selectively to the sensor surface and are detected via the interaction with the guided wave.
  • [8] describes the use of a grating coupler, which is used for coupling.
  • the guided waves occurring when the resonance is reached are detected by detecting the light emerging laterally from the WL.
  • This method places high demands on the planarity of the waveguide and the accuracy of the angle adjustment, which is disadvantageous for an economically advantageous application.
  • a well-known advantageous embodiment of a grating coupler is the multi-diffractive coupler [1 1], especially the bidiffractive [15]. With such a method, the outcoupled waves can be detected without background.
  • a coherent light field can be coupled in and out of a waveguide in a simple manner, without the need for focusing optics.
  • the light field is coupled in when it strikes the region of the waveguide provided with the grating coupler at a certain angle of incidence which depends on the grating period and the effective mode refractive index. If the coupling-in and coupling-out is carried out using a so-called multi-diffractive grating structure, the diffraction angles and the intensities of the individual diffraction orders can be varied independently of one another.
  • the outcoupled partial beam guided in the waveguide can be separated from reflected, transmitted or directly diffracted partial beams, although the regions on the waveguiding layer in which the coupling in and out of the light fields take place partially overlap.
  • [11, 16] Possible embodiments of the sensor are described in [11, 16]. Two light fields must be coupled into the sensor, depending on the version with different or the same polarization.
  • [12] describes a method in which a grating integrated in the sensor serves both for coupling in and out. A fan-shaped lighting for coupling and a mechanical aperture in the coupling beam path to suppress the reflected light are necessary. Disadvantages here are the necessary positioning accuracy of the diaphragm, the coupling and decoupling directions that deviate greatly from the surface normal, and the greatly different diffraction intensity in the different orders of the guided waves.
  • [12] also describes the use of a plane mirror system arranged after the lens in front of the detector to reduce the overall length.
  • the object of the invention is now to achieve an angular separation of the coupled-in and coupled-out beams and a separation of the coupled-out beams from beams reflected by the sensor.
  • the decoupled beams are angularly separated according to long beam paths and are easy to evaluate.
  • the angular configurations according to the invention are particularly insensitive to slight tilting of the sensor about the horizontal plane, which is of great importance especially when changing the sensor.
  • the angle adjustment is made significantly easier by the slight beam convergence of the injected beams.
  • Another advantage of the arrangement according to the invention is the compact design of the beam guidance system in an integrated module, in which all the light beams required for using the sensor can be coupled in, coupled out and detected.
  • a semiconductor laser diode or a superluminescence diode is preferably used as the light source, since these can be integrated directly into the readout head.
  • mounting on the outside of a housing containing the rest of the arrangement is particularly advantageous, so that if the light source is defective, the semiconductor unit can be replaced without opening the housing. It is particularly advantageous to carry out the radiation diode together with the necessary units for stabilizing the wavelength and power (for example reference diode, temperature stabilization) in a common housing.
  • the temperature stabilization unit can be designed with a low heat capacity, so that an inexpensive design of the necessary supply electronics is sufficient.
  • another coherent light source can also be used, e.g. a He-Ne laser.
  • the light is advantageously fed to the readout head in this case via an optical fiber.
  • a quick change of the light source and wavelength is also possible when using a standard light guide coupling.
  • optical elements required for beam shaping can be integrated directly into the housing of the laser or superluminescent diode, alternatively into the plug-in coupling for the light guide.
  • further elements for adapting the beam parameters can be attached within a housing containing the arrangement, so also behind the beam part.
  • the division into two independent light fields for coupling the guided waves into the sensor is carried out by a beam splitter, for example in the form of a partially transparent mirror or a holographic element.
  • a holographic element is that mirror elements can be saved in the subsequent beam guidance system.
  • the beam guidance system consists of several mirrors, which direct the light for both coupling arms of the arrangement onto the sensor.
  • the beam splitting can be realized using a glass fiber branching element.
  • the beam parameters of both coupling arms in the sensor plane are set by focusing optics. Common optics or two separate optics can be used to focus the two light fields to be coupled. By using cylindrical optics, different beam parameters can be realized vertically and parallel to the plane of incidence.
  • the coupling-in conditions for both incident light fields must be observed. These are determined by the effective mode refractive indices of the guided waves and the periods of the grating coupler used.
  • the coupling angle can be adjusted by inserting a movable slit in the respective coupling beam path.
  • a movement of the diaphragm within the plane of incidence allows a coupling angle to be selected from the angular range specified by the beam divergence.
  • a filter with spatially variable transmission can be used as an alternative to a mechanically linearly moving slit diaphragm.
  • This diaphragm can be realized particularly advantageously by means of a liquid crystal element with bar-shaped picture elements arranged in a line, line direction within the plane of incidence: the respective transmitting picture elements define the coupling angle.
  • the coupling angle must be adjusted independently for the two coupling beam paths; two separate or one common element can be used for this.
  • a common element differently controllable areas are to be provided for the two coupling-in steel passages.
  • the LCD units are preferably positioned in the vicinity of the focusing element, so that deviations of the beam profile in the sensor plane from a Gaussian distribution can be kept to a minimum.
  • a Gaussian-like beam profile can set more than two different transmission values for the rod-shaped picture elements of the liquid crystal unit.
  • Such a graded transmission characteristic can reduce the secondary maxima in the sensor plane caused by diffraction at the diaphragm.
  • simple mechanical adjustment units can also be used.
  • Swiveling plane-parallel glass cuboids are particularly advantageous as beam-displacing units, the beam displacement of which leads to a change in beam direction after passing through an imaging element.
  • an embodiment is advantageous in which the LCD or mechanical elements required for adjusting the coupling angle can be completely dispensed with.
  • optical wave-guiding sensors with one or more integrated optical
  • Diffraction gratings define the orientation of the grating lines the direction of propagation of the guided waves.
  • Coupling light in and out on the side of the waveguide facing away from the sensor surface is particularly advantageous because it greatly simplifies the approach of the substance to be analyzed to the sensor surface.
  • the arrangement for operating the sensor can thus be easily separated from the device for introducing the substances.
  • the outcoupled light fields are guided with an imaging system to a spatially resolving receiver.
  • the illustration is advantageous because small changes in direction of the outcoupled light beams do not affect the measured variable.
  • One or more lenses or mirrors can be used for this illustration.
  • the execution with an imaging element is particularly simple.
  • partial areas of the beam path can be realized with essentially parallel light, filter elements can advantageously be introduced there.
  • the telescopic, preferably telecentric design of the imaging system is advantageous, since in this way a low sensitivity to changes in distance between the sensor and the arrangement can be achieved.
  • This image can be generated by spherical, aspherical or cylindrical mirrors or their combination.
  • the imaging scale can be selected to be perpendicular and parallel to the plane of failure.
  • the scale in the plane is to be matched to the spatial resolution of the detector, the scale perpendicular to the plane of failure to the height of the picture elements of the detector. Since changes in the imaging scale parallel to the plane of failure reduce the accuracy of the measured value acquisition, a comparison of the thermal expansion of the individual components is advantageous when selecting the materials for the outcoupling beam path. This homologous expansion ensures optimum temperature stability of the imaging scale.
  • the elements necessary for the imaging can be implemented as mirrors, lenses, Fresnel lenses or holographic optical elements.
  • phase difference between TE and TM mode of the waves guided and coupled out in the sensor with the aid of a spatially resolving detector requires, as already proposed, by introducing a polarizing element, e.g. a polarization filter into the coupling beam path to bring the two modes into interference.
  • a polarizing element e.g. a polarization filter
  • absorption measurements can be carried out on the spatially resolving detector with the decoupled light fields.
  • the measurement of the damping properties of the guided wave allows conclusions to be drawn about substances near the sensor surface.
  • the outcoupled light can be measured for one of the two modes of the guided wave. During the measurement, only one mode is coupled in at a time.
  • relative measurements when coupling and measuring both modes are also possible.
  • a particularly simple measurement of the phase difference between the TE and TM modes is possible if, instead of imaging on a spatially resolving detector, the outcoupled light beams focus on one or more location-sensitive detectors (PSD).
  • PSD location-sensitive detectors
  • the TE and TM modes each create a focus in the detector plane. The distance between the two foci is measured.
  • This measuring principle has the advantage that changes in direction of the outcoupled light beams, which are caused by small tilting of the sensor, have no influence on the measured variable.
  • an alternating coupling of the two light fields is necessary to measure the phase difference between TE and TM mode. This requires one of the options described above for adjusting the coupling angle, so that the coupling condition is optionally only met for one of the two modes. If more than one PSD unit is used, the dimensioning of the grating coupler can ensure that the outcoupled light fields lie on different PSDs. In this case, the distance between the centers of gravity of the two foci can be measured continuously for both modes, so that there are no time differences in the measurement, e.g. occur by switching the coupling.
  • the elements necessary for focusing can, as described above, as imaging mirrors, as lenses,
  • Different focal lengths of the focusing parallel and perpendicular to the plane of incidence of the detector can be used expediently to one for the spatial resolution of the
  • Detector set the optimal diameter of the beam spot.
  • All the above-described embodiments of the arrangement according to the invention offer the advantage over the prior art that the requirements for temperature stabilization are significantly reduced.
  • the guided waves pass through the sensor in the same direction, so that temperature drifts are compensated to a good approximation by the differential measurement of the effective mode refractive indices.
  • the requirements for the positioning and mechanical stability of the sensor are significantly lower than in the case of grating couplers according to the prior art, since no angle measurements of the outcoupled light beams take place relative to the waveguide plane.
  • Another advantage is the insensitivity to small tilting of the sensor relative to the arrangement according to the invention.
  • the compact design is advantageous because it results in a low sensitivity to temperature changes and vibrations and the arrangement according to the invention can be easily integrated as a module in analysis systems.
  • the arrangement according to the invention has the advantage, especially when using a bidiffractive coupler, that no end face coupling is necessary and that a small displacement of the sensor in the plane of the waveguide has no influence on the coupling properties and the measurement value acquisition.
  • Fig.1 A layered waveguide as part of an optical sensor with coupled, decoupled and reflected radiation components
  • Fig.2 The entire beam path of the arrangement according to the invention
  • Fig.3 The coupling beam path
  • Fig.4 Another embodiment of the coupling
  • Fig.5 An embodiment of the Angle adjustment of the coupling beams
  • Fig. 6 Another version of the angle adjustment
  • Fig. 7 The coupling beam path with interference evaluation
  • Fig. 8 The coupling beam path with PSD evaluation
  • Fig. 9 The coupling with rotating beam-displacing units
  • Fig. 10 A common carrier for the optical arrangement
  • Fig.1 1 A variant of the beam guidance with absorption evaluation.
  • FIG. 1 schematically shows a layer waveguide 1 on a substrate 1a, which carries a bidiffractive grating arrangement 2 in a known manner.
  • Two coherent, orthogonally polarized beams T e , T m are coupled into the layer waveguide 1, which enclose an angle ⁇ with respect to one another and lie in a first quadrant Q] of the plane on the substrate side spanned by incoming and outgoing beams.
  • the beams T ea , T ma coupled out via the grating arrangement lie in the
  • the outcoupled beams T ea , T ma advantageously both lie within an angular range formed by the reflected beam components T mr er , which means that one
  • the angle ⁇ is less than 6 degrees, preferably approximately
  • the angle ⁇ is more than 6 degrees and is preferably in a range around 26 degrees plus / minus 20 degrees, particularly preferably in a range around 16 plus / minus 10 degrees.
  • ⁇ is less than 3 degrees, preferably 0.2-3 degrees or 0.2-2 degrees.
  • ⁇ is above 2 degrees, preferably 22 plus / minus 20 degrees or 12 plus / minus 10 degrees, and ⁇ is less than 20 degrees, preferably from 0 to 12 degrees or 0 to 8 degrees
  • the light from a laser light source 3 is coupled into a light guide 4 via a coupling element 5 and reaches a first mirror 7 via a coupling and beam shaping element 6 and from there to a polarizing beam splitter 8, which splits the light into two partial beam paths T e and T m , that via mirrors 9, 10, beam displacing
  • Units 1 1, 12 and imaging systems 13, 14 are coupled into the layer waveguide.
  • An optical window 33 is provided between the sensor level 1 and the rest of the arrangement for protection against external influences.
  • the order of focusing 13.14 and beam-displacing units 11, 12 can be permuted.
  • the coupling paths for the two beam paths are to be carried out with the same length as possible, depending on the
  • Be coherence length of the light source in order to ensure the interference capability of the coupled-out modes.
  • the outcoupled beam modes T ea and T ma are transmitted to a spatially resolving receiver 18, for example a CCD, via an imaging unit 15 shown in broken lines, which consists, for example, of several imaging mirrors, as explained in more detail with reference to FIG. or diode row, shown.
  • the coupling beam path is shown enlarged in FIG.
  • the laser beam from the light source 3 is focused by means of the decoupling element 6 so that the beam waist at the points P-
  • the beam-displacing units 1 1, 12 are preferably pivotable plane-parallel
  • Beam offset V which after passing through the lenses 13, 14 to a
  • the coupled beams show a slight convergence.
  • the lenses 13, 14 are also arranged approximately at a distance f from the layer waveguide.
  • the beam splitter 8 is preferably designed as a partially transparent mirror. However, the beam splitting can also take place via a partially transparent coated beam splitter cube, a holographic element or a glass fiber branching element.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment to FIG. 3, wherein both beam components T e , T m are coupled in via a large lens 19 and their coupling angle is changed in an analogous manner.
  • Fig. 5 shows another method of angular adjustment of the injected beams.
  • the beams T e , T m widened by lenses 22 fully illuminate the cross section of the lenses 13, 14.
  • controllable slit diaphragms can be designed both mechanically and as LCD units, or as linear mechanically adjustable diaphragms or filters with a variable transmission characteristic.
  • the focus size is adjusted in the sensor plane by changing the focal length of the lenses 13, 14 and / or the slit width or a variable optical system.
  • the shape and the shape of the slit influence the shape of the focus.
  • correction optics for example cylindrical optics
  • the light source 3 can also be followed by a corresponding beam shaping system for adapting the beam parameters, which consists of one or more imaging elements which can be reflective, refractive, holographic or as Fresnel lenses.
  • the lenses 13, 14 from FIG. 5 are replaced by a common lens 19, the diaphragms 20.21 being provided in a common arrangement, but controllable separately.
  • partial beams T e , T m which are essentially parallel to one another are generated by suitable optical means and pass through the lens 19.
  • FIG. 7 shows an enlarged illustration of the decoupled beam portions Tea and T ma shown in FIG. 2 on a spatially resolving receiver 18. As is known, the change in the spatial interference pattern of T e and T m mode is recorded and evaluated.
  • the interference image of the outcoupled beam components that is produced at the point of exit is projected onto the line receiver via cylindrical mirrors 23, 24 and spherical mirrors 25, 26 as an enlarged image in the plane of the drawing.
  • the cylindrical mirrors simultaneously reduce the size of the interference image perpendicular to the plane of the drawing and thus optimally adapt it to the detector geometry.
  • the optical imaging on the receiver line can also be realized with a lens system or a combination of refractive and reflective imaging optics.
  • the refractive elements can be designed as holographic elements or Fresnel lenses, which can have different imaging properties in different directions. This enables an adaptation to the line geometry to be achieved.
  • a polarization filter 16 is to be attached in front of the detector 18, which causes the interference of the decoupled modes necessary for the measuring method. Furthermore, a spectrally selective filter 17 can be attached in front of the detector to suppress extraneous light.
  • a window 33 for protection against environmental influences can be arranged between the sensor level and all optical components, which is preferably a plate that is anti-reflective on both sides.
  • the overall size of the arrangement can be reduced and the receiver can be kept away from undesired radiation influences.
  • the distance of the interference lines is determined as a measure of the difference angle between the outcoupled beam components T ea , T ma , which in turn is influenced by the test substance located on the layer waveguide 1 and its refractive index.
  • the overall size of the arrangement can be reduced and the receiver can be kept away from undesired radiation influences.
  • a high thermal stability of the magnification is achieved for the imaging part 15 by forming the optical elements from quartz glass, combined with a mechanical support made of material which is adapted with regard to its expansion coefficient, for example Invar.
  • the imaging optical elements are received in the carrier block 31, the
  • Interference structure and the receiver 18 is a socket 34 made of a material with a suitably preselected expansion coefficient between the support block 31 and the
  • Receiver 18 arranged.
  • the coefficient of expansion of the socket 24 is determined from the difference of the
  • Two components 34 and 35 of different materials which are only connected to one another at points 36 and 37, are otherwise mutually movable.
  • a position-sensitive detector 27 is provided, as in FIG. 8, onto which is imaged via a lens 28 and a mirror system 29, the detector 27 at a distance of the focal length from the Lens 28 is removed.
  • the angle difference is determined on the basis of the difference in the position of the impact points.
  • the lens 28 can also be replaced by a plurality of lenses, which can also be designed as holographic elements or Fresnel lenses.
  • a focus is generated in the detector plane for both outcoupled light fields.
  • a position-sensitive detector 27 is provided in FIG. 8, onto which is imaged via a lens 28 and a mirror system 29, the detector in FIG
  • the emerging light is focused through a lens onto a location-sensitive detector, in which
  • Embodiment of the coupling-out beam path of the TE and TM modes each generate a focus in the detector plane and, for evaluating the distance between the two foci on the detector, the coupling-in beam paths are alternatively switched by suitable optical means, for example closures.
  • the outcoupled light beams can be focused on two location-sensitive detectors by a common or two different lenses.
  • a sufficient angle difference can be easily achieved by using a sensor with a bidiffractive grating coupler by selecting the grating constants.
  • the angles of the coupled-out TE and TM fields can be detected in parallel, so that switching over of the coupling-in beams can be dispensed with, as is necessary in the previously described embodiment.
  • the beam-displacing elements 11, 12 are actuated in phase synchronization by means of a control unit 30.
  • the signal difference on the PSD is a measure of the difference angle of the outcoupled beams.
  • a high thermal stability of the magnification is achieved for the imaging part 15 by forming the optical elements from quartz glass, connected to a mechanical carrier made of material which is adapted with regard to its expansion coefficient, for example Invar.
  • FIG. 10 shows the arrangement of the optical elements and beam paths in a common carrier block 31, shown in section, which has drilling channels 32 for the optical beam paths.
  • optical elements according to FIG. 2 are attached to the outside of a common support block 31, preferably cemented.
  • Holes 32 are provided for the optical beam paths.
  • the optical elements e.g. glass, quartz glass
  • the support block e.g. Zerodur, Invar, but also gray cast iron
  • Fig. 1 1 an arrangement with a coupled beam is shown, which is suitable for an absorption measurement.
  • Integrated optical output grating coupler as refractometer and (bio-) chemical sensor

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Abstract

Anordnung zur Analyse von Substanzen an oder nahe der Oberfläche eines optischen Sensors mit mindestens einer wellenleitenden Schicht und mindestens einem multidiffraktiven Gitterkoppler zur Ein- und Auskopplung von Lichtstrahlen, in den mindestens zwei Lichtstrahlen eingekoppelt werden, die zueinander einen Winkel α einschliessen, und mit der mindestens zwei Lichtstrahlen ausgekoppelt werden, die zueinander einen Winkel ζ einschliessen, sowie einem Detektionssystem zur Erfassung der ausgekoppelten Lichtstrahlen. Ein- und Auskopplung erfolgen auf ein- und derselben Seite des Sensors, wobei die Ein- und Auskoppelstrahlen in unterschiedlichen Quadranten der Lichteinfallsebene liegen und der Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen grösser als der Winkel ζ zwischen den Auskoppelstrahlen ist. Die Anordnung ist bei der Bestimmung physikalischer oder chemischer Messgrössen auf der Grundlage der Wechselwirkung der geführten Lichtwellen mit dem Medium an oder nahe der Sensoroberfläche einsetzbar.

Description

Anordnung zur Analyse von Substanzen an der Oberfläche eines optischen Sensors
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Analyse von Substanzen an oder nahe der Oberfläche eines optischen Sensors mit mindestens einer wellenleitenden Schicht und mindestens einem multidiffra tiven Gitterkoppler zur Ein- und Auskopplung von Lichtstrahlen.
Derartige Anordnungen werden nach dem Stand der Technik zur Analyse von Substanzen nahe der Sensor-Oberfiäche eingesetzt. Sie finden vielfältige Anwendung bei der Bestimmung physikalischer oder chemischer Meßgrößen [3-5,10- 1 1 ]. Die Wirkungsweise der Sensoren beruht auf der Wechselwirkung der geführten Lichtwellen mit dem Medium an und nahe der Sensor-Oberfläche. Auf dieser Basis sind solche Sensoren in Kombination mit einer Anordnung zum Betrieb als universelle Spektrometer einsetzbar, da Brechzahl und Absorption des Mediums in der Nähe der Sensor-Oberfläche bestimmbar sind. Bekannt sind auch Anwendungen in der Affinitäts-Sensorik [5], hier binden die nachzuweisenden Moleküle selektiv an die Sensoroberfläche und werden über die Wechselwirkung mit der geführten Welle nachgewiesen.
Der Einsatz von einem oder mehreren Gitterkopplern zum Ein- und/oder Auskoppeln der geführten Wellen ist Stand der Technik [1.2].
In [8] ist die Verwendung eines Gitterkopplers beschrieben, welcher zur Einkopplung dient. Die bei Erreichen der Resonanz auftretenden geführten Wellen werden durch Detektion des seitlich aus dem WL austretenden Lichts nachgewiesen. Dieses Verfahren stellt hohe Anforderungen an die Planarität des Wellenleiters und die Genauigkeit der Winkelverstellung, was für eine wirtschaftlich günstige Anwendung von Nachteil ist.
Auch die in [6] beschriebene Ausführung dieses Verfahrens mit Bestimmung des Autokollimationswinkels erfordert eine sehr genaue mechanische Winkelverstellung.
Eine Winkelverstellung kann entfallen, wenn ein Gitter zur Auskopplung verwendet wird und die austretende Strahlung auf einen oder zwei ortsempfindliche Detektoren geführt wird, wie in [7] beschrieben. Bei diesem Verfahren ist jedoch eine Einkopplung der geführten Wellen über die Endfläche des Wellenleiters notwendig. Dies ist wegen der notwendigen Präparation der Endflächen sowie Genauigkeit der Positionierung des Sensors bei der Einkopplung von Nachteil. Auch bei der in [14] beschriebenen Ausführung dieses Verfahrens sind diese Nachteile anzuführen. Weiterhin ist beim Verfahren nach [14] die Einkopplung von zwei Lichtquellen aus unterschiedlichen Richtungen notwendig. Damit wird der Aufwand für die Endflächen-Kopplung noch erhöht. Darüber hinaus ist der Einfluß von Temperatur- Veränderungen auf die Meßwerterfassung von Nachteil, wenn die geführten Wellen den Sensor in unterschiedlicher Richtung durchlaufen. Ein Spektrometer auf Basis von optischen Wellenleitern mit Gitterkopplern wird in [9, 13] beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Änderungen des Absorptionseigenschaften an der Wellenleiter-Oberfläche für verschiedene Wellenlängen bestimmt.
Eine bekannte vorteilhafte Ausführung eines Gitterkopplers ist der multi-diffraktive Koppler [1 1 ], speziell der bidiffraktive [15]. Mit einem solchen Verfahren können die ausgekoppelten Wellen hintergrundfrei detektiert werden.
Es ist bereits bekannt [7], zum Nachweis chemischer Substanzen eine die nachzuweisende Substanz enthaltende Probe mit der wellenleitenden Schicht eines optischen Schichtwellenleiters in Kontakt zu bringen, kohärentes Licht in die wellenleitende Schicht einzukoppeln, als Lichtwelle in diesem zu führen und wieder aus der Schicht auszukoppeln, wobei in der Ebene der wellenleitenden Schicht ein Beugungsgitter zum Ein- und Auskoppeln des Lichts vorgesehen ist. Es können zwei kohärente (z.B. orthognonal polarisierte) Lichtstrahlen simultan in den Schichtwellenleiter eingekoppelt werden und duch Interferenz von zwei ausgekoppelten Teilstrahlen, welche von den beiden im Wellenleiter gemeinsam geführten (z.B.orthogonal polarisierten) Lichtwellen erzeugt werden, die relative Phasenlage in Form einer Phasendifferenz der beiden eingekoppelten Lichtfelder gemessen werden, bzw. die relative Intensität der ausgekoppelten Lichtfelder bestimmt werden [1 1 ].
Mit Gitterkopplern läßt sich ein kohärentes Lichtfeld auf einfache Weise in einen Wellenleiter ein- bzw. auskoppeln, wobei man ohne eine fokussierende Optik auskommt. Das Lichtfeld wird eingekoppelt, wenn es unter einem bestimmten, von der Gitterperiode und der effektiven Modenbrechzahl abhängenden Einfallswinkel auf die mit dem Gitterkoppler versehene Region des Wellenleiters auftrifft. Wird die Ein- und Auskopplung mit einer sog. mulitdiffraktiven Gitterstruktur vorgenommen, können die Beugungswinkel und die Intensitäten der einzelnen Beugungsordnungen unabhängig voneinander variiert werden. Der im Wellenleiter geführte, ausgekoppelte Teilstrahl kann von reflektierten, transmittierten oder direkt gebeugten Teilstrahlen separiert werden, obwohl die Regionen auf der wellenleitenden Schicht, in denen das Ein- und Auskoppeln der Lichtfelder erfolgt, teilweise überlappen.
Mögliche Ausführungsformen des Sensors sind in [1 1 ,16] beschrieben. In den Sensor sind zwei Lichtfelder einzukoppeln, abhängig von der Ausführung mit unterschiedlicher oder gleicher Polarisation. ln [12] wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein in den Sensor integriertes Gitters sowohl zur Ein- wie auch zur Auskopplung dient. Notwendig sind eine fächerförmige Beleuchtung zur Einkopplung sowie eine mechanische Blende im Auskoppelstrahlengang zur Unterdrückung des reflektierten Lichts. Von Nachteil ist hier die notwendige Positionierungs-Genauigkeit der Blende, die von der Flächennormalen stark abweichenden Ein- und Auskoppelrichtungen sowie die stark unterschiedliche Beugungsintensität in den verschiedenen Ordnungen der geführten Wellen. Beschrieben wird in [12] auch die Verwendung eines nach der Linse angeordneten Planspiegelsystems vor dem Detektor zur Verringerung der Baulänge.
Die Erfindung geht nunmehr von der Aufgabe aus, eine Winkelseparation der ein-und ausgekoppelten Strahlen sowie eine Trennung der ausgekoppelten Strahlen von am Sensor reflektierten Strahlen zu erzielen.
Die Aufgabe wird mittels einer Anordnung gelöst, die die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 ,27,34 und 36 aufweist. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die ausgekoppelten Strahlen sind nach langen Strahlenwegen winkelmäßig separiert und gut auswertbar.
Lange Strahlenwege werden beispielsweise durch Faltung erzeugt.
Überraschend stellte sich heraus, daß die erfindungsgemäßen Winkelkonfigurationen Winkelkonfiguration , insbesondere bei kleinen Differenzen der Winkel der ausgekoppelten Strahlen, besonders unempfindlich gegen leichte Verkippungen des Sensors um die Horizonzalebene ist, was vor allem bei einem Sensorwechsel von großer Bedeutung ist.
Die Winkeiverstellung wird durch leichte Strahlkonvergenz der eingekoppelten Strahlen deutlich erleichtert.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist die kompakte Ausführung des Strahlführungssystems in einem integrierten Modul, in dem alle zur Verwendung des Sensors notwendigen Lichtstrahlen eingekoppelt, ausgekoppelt und detektiert werden können.
Die ermöglichte Miniaturisierung ist auch aus Gründen der Stabilität gegen Umwelteinflüsse vorteilhaft (z.B.thermische Effekte, Vibrationen) Als Lichtquelle kommt vorzugsweise eine Halbleiter- Laserdiode oder eine Superluminineszenz-Diode zum Einsatz, da diese direkt in den Auslesekopf integriert werden können. Beim Einbau ist eine Montage an der Außenseite eines die übrige Anordnung enthaltendenGehäuses besonders vorteilhaft, so daß bei einem Defekt der Lichtquelle die Halbleiter- Einheit ohne Öffnen des Gehäuses ausgetauscht werden kann. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung der Strahlungsdiode zusammen mit den notwendigen Einheiten zur Stabilisierung von Wellenlänge und Leistung (z.B. Referenz-Diode, Temperaturstabili¬ sierung) in einem gemeinsamen Gehäuse.
Dadurch kann die Temperaturstabilisierungs-Einheit mit geringer Wärmekapazität aus¬ geführt werden, so daß eine preiswerte Ausführung der notwendigen Versorgungs-Elektronik ausreicht.
Alternativ zu einer Laser- oder Superlumineszenz-Diode kann auch eine andere kohärente Lichtquelle zum Einsatz kommen, z.B. ein He-Ne-Laser. Um unabhängig von den Dimensionen der Lichtquelle die kompakte Bauform des Auslesekopfes beibehalten zu können, wird das Licht in diesem Fall dem Auslesekopf vorteilhaft über einen Lichtleiter zugeführt. Bei Einsatz einer Lichtquelle mit Lichtleiter-Zuführung an den Auslesekopf ist bei Verwendung einer Standard-Lichtleiterkupplung auch ein schneller Wechsel der Lichtquelle und Wellenlänge möglich.
Ein Teil der für die Strahlformung notwendigen optischen Elemente kann direkt in das Gehäuse der Laser- bzw. Superlumineszenz-Diode integriert werden, alternativ in die Steckkupplung für den Licht¬ leiter. Darüber hinaus können noch weitere Elemente zur Anpassung der Strahlparameter innerhalb eines die Anordnung enthaltenden Gehäuses angebracht werden, so auch hinter dem Strahlteiier. Durch die Verwendung zylindrischer Einheiten mit unterschiedlicher Brennweite senkrecht und parallel zur Einfallsebene sind z.B. auchastigmatische Strahlprofile realisierbar.
Die Aufteilung auf zwei unabhängige Lichtfelder zur Einkopplung der geführten Wellen in den Sensor erfolgt durch einen Strahl¬ teiler, z.B. in Form eines teildurchlässigen Spiegels oder eines holografischen Elements. Vorteil eines holografischen Elementes ist, daß beim nachfolgenden Strahlführungs- System Spiegel-Elemente eingespart werden können. Das Strahlführungs- System besteht aus mehreren Spiegeln, die das Licht für beide Einkoppelarme der Anordnung auf den Sensor leiten. Alternativ kann die Strahlteilung durch ein Glasfaser- Verzweigungs-Element realisiert werden. Die Einstellung der Strahlparameter beider Einkoppelarme in der Sensorebene erfolgt durch eine fokussierende Optik. Dabei kann für die Fokussierung der beiden einzukoppelnden Lichtfelder eine gemeinsame Optik oder zwei separate Optiken eingesetzt werden. Durch die Verwendung zylindrischer Optiken sind unterschiedliche Strahlparameter senkrecht und parallel zur Einfallsebene realisierbar.
Zum Betrieb des optisch-wellenleitenden Sensors sind die Einkop¬ pelbedingungen für beide einfallenden Lichtfelder einzuhalten. Diese sind durch die effektiven Modenbrechzahlen der geführten Wellen und die verwendeten Perioden des Gitterkopplers festgelegt.
Änderungen der Einkoppelwinkel sind wegen der limitierter Chip-to-Chip Reproduzierbarkeit des Sensors not¬ wendig, weiterhin bei Änderung der effektiven Modenbrechzahlen bedingt durch Substanzen in der Nähe der Sensoroberfläche. Die Verstellung der Einkoppelwinkel kann durch Einbringen einer ortsveränderlichen Spaltblende in den jeweiligen Einkoppel- strahiengang durchgeführt werden. Eine Bewegung der Blende innerhalb der Einfallsebene läßt aus dem durch die Strahldiver¬ genz vorgegebenen Winkelbereich einen Einkoppeiwinkel auswählen. Alternativ zu einer mechanisch linear bewegten Spaltblende kann ein Filter mit räumlich variabler Transmission eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft läßt sich diese Blende durch ein Flüssig¬ kristall-Element mit zeilenförmig angeordneten, stabförmigen Bildelementen, Zeilenrichtung innerhalb der Einfallsebene, reali¬ sieren: Die jeweils transmittierenden Bildelemente definieren den Einkoppelwinkel. Bei dieser Lösung sind keine bewegten Teile für die Winkeleinstellung notwendig. Die Verstellung der Koppelwinkel ist für die beiden Einkoppelstrahlengänge unabhängig vorzunehmen, dazu können zwei separate oder ein gemeinsames Element zum Ein¬ satz kommen. Bei Verwendung eines gemeinsamen Elemtentes sind unterschiedlich ansteuerbare Bereiche für die beiden Einkoppel- stahlengänge vorzusehen, vorteilhaft für die Miniaturisierung und einen einfachen Aufbau ist hier, daß nur eine Haiterung notwendig ist. Vorzugsweise werden die LCD-Einheiten in der Nähe des Fokus- sierungs-Elemtentes positioniert, damit können Abweichungen des Strahlprofils in der Sensorebene von einer Gaußverteilung minimal gehalten werden. Vorteilhaft für ein Gauß-ähnliches Strahlprofil ist weiterhin, bei den stabförmigen Bildelementen der Flüssig¬ kristall-Einheit mehr als zwei verschiedene Transmissionswerte einzustellen. Durch eine solche abgestufte Transmissions-Charak¬ teristik können die durch Beugung an der Blende bedingten Neben- maxima in der Sensorebene reduziert werden.
Alternativ zu den LCD-Einheiten können auch einfache mechanische Verstelleinheiten verwendet werden.
Besonders vorteilhaft sind schwenkbare planparallele Glasquader als strahlversetzende Einheiten, deren Strahlversatz nach Durchlaufen eines Abbildungselementes zu einer Strahlrichtungsänderung führt.
Für eine einfache und preiswerte Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Ausführungsform vorteilhaft, bei der die zur Verstellung der Einkoppelwinkel notwendigen LCD- oder mechanischen Elemente vollständig entfallen können.
Voraussetzungen für diese einfache Ausführung sind, daß durch enge Toleranzen des Sensors sowie beschränkte Änderungen der effektiven Modenbrechzahlen beim Betrieb des Sensors sichergestellt ist, daß mögliche Änderungen der Einkoppelwinkel innerhalb des Konvergenzwinkels der einfallenden Lichtfeider liegen.
Bei optisch-wellenleitenden Sensoren mit einem oder mehreren integrierten optischen
Beugungsgittern definiert die Ausrichtung der Gitterlinien die Ausbreitungsrichtung der geführten Wellen.
Zusammen mit der Wahl eines Ortes für die Einkopplung wird dadurch die Einfalls-und
Ausfallsebene für die ein-und ausgekoppelten Lichtfeider festgelegt.
Die Ein- und Auskopplung von Licht auf der der Sensoroberfläche abgewandten Seite des Wellenleiters ist besonders vorteilhaft, weil damit das Heranführen der zu analysierenden Substanz an die Sensoroberfläche stark vereinfacht wird. Die Anordnung zum Betrieb des Sensors kann somit einfach von der Vorrichtung zum Heranführen der Substanzen getrennt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, die ein- und ausgekoppelten Strahlungsanteile in unterschiedlichen Quadranten der Ein-und Auskoppelebene zu führen. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung werden die ausgekoppelten Lichtfelder mit einem abbildenden System auf einen ortsauflösenden Empfänger geführt. Die Abbildung ist vorteilhaft, da sich geringe Richtungsänderungen der ausgekoppelten Lichtstrahlen nicht auf die Meßgröße auswirken. Für diese Abbildung können eine oder mehrere Linsen oder Spiegel verwendet werden. Die Ausführung mit einem abbildenden Element ist besonders einfach.
Bei Verwendung von zwei oder mehreren abbildenden Elementen, vorzugsweise als doppelte Kollimatoranordnung, können Teilbereiche des Strahlengangs mit im wesentlichen parallelen Licht realisiert werden, Filterelemente können vorteilhaft dort eingebracht werden.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Kombination aus Faltung und Abbildung über abbildende Spiegel.
Die teleskopische, vorzugsweise telezentrische Ausführung des Abbildungssystems ist vorteilhaft, da auf diese Art eine geringe Empfindlichkeit bezüglich Abstandsänderungen zwischen Sensor und Anordnung erzielt werden kann. Diese Abbildung kann hierbei durch sphärische, asphärische oder zylindrische Spiegel oder ihre Kombination erzeugt werden.
Der Abbildungsmaßstab kann senkrecht und parallel zur Ausfallsebene unterschied¬ lich gewählt werden. Der Maßstab in der Ebene ist auf die Orts¬ auflösung des Detektors abzustimmen, der Maßstab senkrecht zur Ausfallsebene auf die Höhe der Bildelemente des Detektors. Da Änderungen des Abbildungsmaßstabs parallel zur Ausfallsebene die Genauigkeit der Meßwerterfassung vermindern, ist bei der Auswahl der Materialien für den Auskoppelstrahlengang ein Abgleich der thermischen Ausdehung der einzelnen Bauelemente vorteilhaft. Durch diese homologe Ausdehung wird eine optimale Temperaturstabilität des Abbildungsmaßstabs erreicht. Die für die Abbildung notwendigen Elemente können als Spiegel, Linsen, Fresnel- Linsen oder holografische optische Elemente ausgeführt werden.
Eine Auswertung der Phasendifferenz zwischen TE- und TM-Mode der im Sensor geführten und ausgekoppelten Wellen mit Hilfe eines ortsauflösenden Detektors erfordert wie bereits vorgeschlagen durch das Einbringen eines polarisierenden Elements, z.B. eines Polarisationsfilters, in den Auskoppelstrahlengang, um die beiden Moden zur Interferenz zu bringen.
Alternativ zur Phasendifferenz-Bestimmung können mit den ausgekoppelten Lichtfeldern auf dem ortsauflösenden Detektor Absorptionsmessungen durchgeführt werden. Bei dieser Meßmethode erlaubt die Messung der Dämpfungseigenschaften der geführten Welle Rückschlüsse auf Substanzen nahe der Sensor¬ oberfläche. In diesem Fall kann das ausgekoppelte Licht für einen der beiden Moden der geführten Welle ausgemessen werden.Während der Messung ist jeweils nur ein Mode eingekoppelt . Es sind jedoch auch Relativmessungen bei Einkopplung und Messung beider Moden möglich.
Eine besonders einfache Messung der Phasendifferenz zwischen TE- und TM-Mode ist möglich, falls statt der Abbildung auf einen ortsaufiösenden Detektor eine Fokussierung der ausgekoppelten Lichtstrahlen auf einen oder mehrere ortsempfϊndliche Detektoren (PSD) erfolgt. Dabei erzeugt der TE- und TM-Mode je einen Fokus in der Detektorebene. Gemessen wird der Abstand der beiden Foki.
Dieses Meßprinzip hat den Vorteil, daß Richtungsänderungen der ausgekoppelten Lichtstrahlen, welche durch kleine Verkippungen des Sensors hervorgerufen werden, keinen Einfluß auf die Meßgröße haben.
Durch Verwendung von PSD's ist eine einfachere und preiswertere Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, da sowohl die Kosten für die Detektoren als auch für die notwendige Elektronik deutlich geringer sind als für die Ausführung mit ortsauflösenden Detektor. Mit diesem reduzierten Aufwand läßt sich nur eine gegenüber der ortsauflösenden Ausführung reduzierte Empfindlichkeit realisieren.
Bei Verwendung von einem einzelnen PSD ist zur Messung der Phasendifferenz von TE- und TM-Mode eine alternierende Einkopp¬ lung der beiden Lichtfelder notwendig. Dies erfordert eine der oben beschriebenen Möglichkeiten zur Verstellung der Einkoppel¬ winkel, so daß wahlweise die Einkoppelbedingung nur für eine der beiden Moden erfüllt wird. Bei Verwendung von mehr als einer PSD- Einheit kann durch die Dimensionierung des Gitterkoppiers sicher¬ gestellt werden, daß die ausgekoppelten Lichtfelder auf verschie¬ denen PSD's liegen. In diesem Fall kann kontinuierlich für beide Moden der Abstand der Schwerpunkte der beiden Foki gemessen werden, so daß keine Zeitdifferenzen bei der Messung z.B. durch das Umschalten der Einkopplung auftreten.
Die zur Fokussierung notwendigen Elemente können, wie oben beschrieben, als abbildende Spiegel, als Linsen,
Fresnel-Linsen oder holografische optische Elemente ausgeführt werden.
Verschiedene Brennweiten der Fokussierung parallel und senkrecht zur Einfallsebene des Detektors können zweckmäßig verwendet werden, um einen für die räumliche Auflösung des
Detektors optimalen Durchmesser des Strahlflecks einzustellen. Alle oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung bieten gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß die Anforderungen an die Temperatur- Stabilisierung deutlich reduziert sind. Die geführten Wellen durchlaufen den Sensor in derselben Richtung, so daß durch die differentielle Messung der effektiven Modenbrechzahlen Temperaturdrifts in guter Näherung kompensiert werden. Weiterhin sind die Anforderungen an die Positionierung und mechanische Stabilität des Sensors deutlich geringer als bei Gitterkopplern nach dem Stand der Technik, da keine Winkelmessungen der ausgekoppelten Lichtstrahlen relativ zur Wellenleiterebene erfolgen. Ein weiterer Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegenüber kleinen Verkippungen des Sensors relativ zur erfindungsgemäßen Anordnung.
Die kompakte Bauweise ist vorteilhaft, weil dadurch eine geringe Empfindlichkeit gegen Temperaturänderungen und Vibrationen erreicht wird und die erfindungsgemäße Anordnung als Modul einfach in Analysensysteme zu integrieren ist.
Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Anordnung speziell bei der Verwendung eines bidiffraktiven Kopplers den Vorteil, daß keine Endflächen-Einkopplung notwendig ist und daß eine kleine Verschiebung des Sensors in der Ebene des Wellenleiters keinen Einfluß auf die Koppeleigenschaften und die Meßwerterfassung hat.
Die Erfindung und weitere Wirkungen und Vorteile werden nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 : Einen Schichtwellenleiter als Bestandteil eines optischen Sensors mit eingekoppelten, ausgekoppelten und reflektierten Strahlungskomponenten Fig.2: Den gesamten Strahlengang der erfindungsgemäßen Anordnung Fig.3: Den Einkoppelstrahlengang Fig.4:Eine weitere Ausführung der Einkopplung Fig.5:Eine Ausführung der Winkeijustierung der Einkoppelstrahlen Fig.6:Eine weitere Ausführung der Winkeljustierung Fig.7:Den Auskoppelstrahlengang bei Interferenzauswertung Fig.8: Den Auskoppelstrahlengang mit PSD-Auswertung Fig.9: Die Einkopplung mit drehbaren strahlversetzenden Einheiten Fig.:10:Einen gemeinsamen Träger für die optische Anordnung Fig.1 1 : Eine Variante der Strahlführung bei Absorptionsauswertung.
In Fig.1 ist schematisch ein Schichtwellenleiter 1 auf einem Substrat 1a dargestellt, der in bekannter Weise eine bidiffraktive Gitteranordnung 2 trägt. In den Schichtwellenleiter 1 werden zwei kohärente, orthogonal polarisierte Strahlenbündel Te, Tm eingekoppelt, die zueinander einen Winkel α einschließen und in einem ersten Quadranten Q] der substratseitigen, von ein- und ausfallenden Strahlen aufgespannten Ebene liegen. Die über die Gitteranordnung ausgekoppelten Strahlen Tea, Tma liegen im
Quadranten Q2 und schließen zueinander einen Winkel φ ein, der deutlich kleiner als der Winkel α ist.
Die ausgekoppelten Strahlen Tea, Tma liegen vorteilhaft beide innerhalb eines von den reflektierten Strahlanteilen Tmr er gebildeten Winkelbereiches, wodurch eine
Separation der reflektierten Strahlungsanteile von den ausgekoppelten
Strahlungsanteilen erreicht wird.
Der Winkel φ beträgt bei Interferenzauswertung weniger als 6 Grad, bevorzugt etwa
0,2-3 Grad und der Winkel α mehr als 6 Grad und liegt vorzugsweise in einem Bereich um 26 Grad plus/minus 20 Grad, besonders vorzugsweise in einem Bereich um 16 plus/minus 10 Grad.
Bei einem Winkel α größer 3 Grad , vorzugsweise 23 plus/minus 20 Grad oder 13 plus/minus 10 Grad beträgt φ weniger als 3 Grad, vorzugsweise 0.2-3 Grad oder 0.2-2 Grad.
Bei der Messung mittels eines ortsempfindlichen Detektionssystems liegt α oberhalb 2 Grad, vorzugsweise 22 plus/minus 20 Grad oder 12 plus/minus 10 Grad und φ bei weniger als 20 Grad, vorzugsweise von 0- 12 Grad oder 0-8 Grad
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Gesamtanordnung.
Das Licht einer Laserlichtquelle 3 wird über ein Einkoppelelement 5 in einen Lichtleiter 4 eingekoppelt und gelangt über ein Auskoppel-und Strahlformungselement 6 auf einen ersten Spiegel 7 und von diesem auf einen Polarisationsstrahlteiler 8, der das Licht in zwei Teilstrahlengänge Te und Tm aufspaltet, die über Spiegel 9, 10 , strahlversetzende
Einheiten 1 1 ,12 sowie Abbildungssysteme 13,14 in den Schichtwellenleiter eingekoppelt werden.
Zwischen der Sensorebene 1 und der übrigen Anordnung ist ein optisches Fenster 33 zum Schutz vor äußeren Einflüssen vorgesehen.
Die Reihenfolge von Fokussierung 13.14 sowie strahlversetzenden Einheiten 1 1 , 12 ist permutierbar. Die Einkoppelwege für die beiden Strahlengänge sind mit möglichst gleicher Länge auszuführen, abhängig von der
Kohärenzlänge der Lichtquelle. Maximale Differenzen der optischen
Wege für beide Einkoppelstrahlengänge müssen kleiner als die
Kohärenzlänge der Lichtquelle sein, um die Interferenzfähigkeit der ausgekoppelten Moden sicherzustellen.
Die ausgekoppelten Strahlmoden Tea und Tma werden über eine gestrichelt dargestellte Abbildungseinheit 15, die beispielsweise, wie anhand Fig.7 näher erläutert, aus mehreren abbildenden Spiegeln besteht, einen Poiarisator 16 und einen Interferenzfilter 17 auf einen ortsauflösenden Empfänger 18, beispielsweise eine CCD- oder Diodenzeile, abgebildet. In Fig.3 ist der Einkoppelstrahlengang vergrößert dargestellt.
Der Laserstrahl der Lichtquelle 3 wird mittels des Auskoppelelementes 6 so fokussiert, daß die Strahltaille in den Punkten P-| , P in einem Abstand im wesentlichender
Brennweite f von den Abbildungslinsen 13, 14 liegt.
Die strahlversetzenden Einheiten 1 1 ,12 sind vorzugsweise schwenkbare planparallele
Glasquader- oder Platten und bewirken in Abhängigkeit von ihrem Drehwinkel ß einen
Strahiversatz V, der nach Durchlaufen der Linsen 13,14 zu einer
Strahlrichtungsänderung führt, wobei der Einkoppeipunkt in der Sensorebene weitgehend stabil bleibt.
Zur Vermeidung störender Reflexionen ist eine leichte Neigung der Drehachsen gegen die Einfallsebene zweckmäßig.
Die eingekoppelten Strahlenbündel weisen dabei eine leichte Konvergenz auf.
Die Linsen 13,14 sind hierbei ebenfalls etwa im Abstand f vom Schichtwellenleiter angeordnet.
Der Strahlteiler 8 ist vorzugsweise als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet. Die Strahlteilung kann jedoch auch über einen teildurchlässig beschichteten Strahlteilerwürfel, ein holografisches Element oder ein Glasfaser-Verzweigungselement erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist eine (nicht dargestellte) Integration der Srahlumlenkung 7 sowie der Strahlteilung 8 in einem Polygonprisma mit ggf. reflektierenden Flächen oder in einem integriert optischen Element
Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform zu Fig.3, wobei über eine große Linse 19 beide Strahlkomponenten Te, Tm eingekoppelt und in analoger Weise in ihrem Einkoppelwinkel verändert werden.
Hierbei ist es erforderlich, durch geeignete optische Umienkung (nicht dargestellt) die auf die Elemente 1 1 ,12 auftreffenden Teilstrahlen Te, Tmzueinander im wesetlichen parallel zu führen.
Fig.5 zeigt eine weitere Methode der Winkelverstellung der eingekoppelten Strahlen. Die durch Linsen 22 aufgeweiteten Strahlenbündel Te,Tm leuchten den Querschnitt der Linsen 13,14 voll aus. Diesen sind steuerbare Spaltblenden 20, 21 nachgeordnet, die jeweils nur ein Teilstrahlenbündel passieren lassen, das je nach Blendensteilung einen veränderlichen Einkoppelwinkel hat.
Diese steuerbaren Spaltblenden können sowohl mechanisch als auch als LCD-Einheiten ausgeführt sein, bzw. als linear mechanisch verstellbare Blenden oder Filter mit ortsveränderlicher Transmissionscharakteristik.
Über die Veränderung der Brennweite der Linsen 13,14 und/oder die Spaltbreite oder ein variables optisches System wird die Einstellung der Fokusgröße in der Sensorebene vorgenommen.
Durch die Abmessungen und die Form des Spaltes wird die Form des Fokus beeinflußt.
Zum Ausgleich der in zueinander senkrechte Richtungen unterschiedlichen Fokusgröße wird in den Strahlengang vor der Spaltblende eine Korrektionsoptik, beispielsweise eine zylindrische Optik, eingefügt oder die Linsen 13,14, sind entsprechend ausgebildet. Der Lichtquelle 3 kann auch ein entsprechendes Strahlformungssystem zur Anpassung der Strahlparameter nachgeordnet sein, das aus einer oder mehreren abbildenden Elementen besteht, die reflektiv, refraktiv, holografisch oder als Fresnellinsen ausgebildet sein können.
In Fig. 6 sind die Linsen 13,14 aus Fig. 5 durch eine gemeinsame Linse 19 ersetzt, wobei die Blenden 20.21 in einer gemeinsamen Anordnung, jedoch getrennt ansteuerbar, vorgesehen sind.
Analog Fig.4 werden hier zueinander im wesentlichenparallele Teilstrahlenbündel Te,Tm durch geeignete optische Mittel erzeugt und durchlaufen die Linse 19.
Fig.7 zeigt vergrößert die in Fig.2 dargestellte Abbildung der ausgekoppelten Strahlanteile Tea und Tma auf einen ortsauflösenden Empfänger 18. Als Meßgröße wird wie bekannt die Änderung des räumlichen Interferenzmusters von Te und Tm Mode aufgenommem und ausgewertet.
Das am Austrittsort entstandene Interferenzbild der ausgekoppelten Strahlanteile wird über zylindrische Spiegel 23,24 sowie sphärische Spiegel 25,26 als in der Zeichenebene vergrößertes Abbild auf den Zeilenempfänger projiziert.
Die zylindrischen Spiegel bewirken gleichzeitig eine Verkleinerung des Interferenzbildes senkrecht zur Zeichenebene und damit eine optimale Anpassung an die Detektor- Geometrie.
Die optische Abbildung auf die Empfängerzeile kann auch mit einem Linsensystem oder einer Kombination aus refraktiver und reflektiver abbildender Optik realisiert werden. Die refraktiven Elemente können als holografische Elemente oder Fresnellinsen ausgeführt werden, die unterschiedliche Abbildungseigenschaften in verschiedenen Richtungen haben können. Dadurch kann eine Anpassung an die Zeilengeometrie erzielt werden.
Vor dem Detektor 18 ist ein Polarisationsfilter 16 anzubringen, welcher die für das Meßverfahren notwendige Interferenz der ausgekoppelten Moden bewirkt. Weiterhin kann zur Unterdrückung von Fremdlicht ein spektral selektives Filter 17 vor dem Detektor angebracht werden.
Zwischen Sensorebene und allen optischen Bauelementen kann ein Fenster 33 zum Schutz vor Umwelteinflüssen angeordnet sein, das vorzugsweise eine beidseitig entspiegelte Platte ist.
Durch die innerhalb der Abbildungseinheit gefalteten Strahlengänge kann die Baugröße der Anordnung reduziert und der Empfänger von unerwünschter Strahlungsbeeinflussung ferngehalten werden. Aus dem Interferenzbild auf der Zeile wird der Abstand der Interferenzlinien als Maß des Differenzwinkels zwischen den ausgekoppelten Strahlkomponenten Tea, Tma bestimmt , der wiederum durch die auf dem Schichtwellenleiter 1 befindliche Untersuchungssubstanz und ihre Brechzahl beeinflußt wird.
Durch die innerhalb der Abbildungseinheit gefalteten Strahlengänge kann die Baugröße der Anordnung reduziert und der Empfänger von unerwünschter Strahlungsbeeinflussung ferngehalten werden.
Durch Ausbildung der optischen Elemente aus Quarzglas, verbunden mit einem mechanischen Träger aus bezüglich seines Ausdehnungskoeffizienten angepaßtem Material, beispielsweise Invar, wird für des Abbildungsteil 15 eine hohe thermische Stabilität der Vergrößerung erreicht.
Die abbildenden optischen Elemente werden in den Trägerblock 31 aufgenommen, der
Bohrkanäie 32 für die optischen Strahlengänge aufweist.
Zur Kompensation von thermischen Beeinflussungen der auf der Zeile abgebildeten
Interferenzstruktur und des Empfängers 18 ist eine Buchse 34 aus einem Material mit geeignet vorgewähltem Ausdehnungskoeffizienten zwischen Trägerblock 31 und dem
Empfänger 18 angeordnet.
Der Ausdehnungskoeffizient der Buchse 24 bestimmt sich aus der Differenz des
Ausdehnungskoeffizienten der abbildenden Elemente und des Trägerblocks 31 sowie dem Längenverhältnis der in dem Trägerblock 31 und in den Bohrungen verlaufenden
Strahllängen.
Dies wird ergänzend anhand Fig.7a erläutert:
Zwei Bauteile 34 und 35 unterschiedlichen Materials, die nur an den Punkten 36 und 37 miteinander verbunden sind, sind ansonsten gegeneinander beweglich.
Durch die gegenläufige thermische Ausdehnung der Bauteile 34 und 35 ist es möglich, einen bestimmten " effektiven" thermischen Ausdehnungskoeffizienten für die gesamte
Halterung durch Wahl der Einzellängen und einzelnen Ausdehnungskoeffizienten einzustellen. Somit kann eine thermische Drift zwischen optischen Bauteilen und
Gehäuse gegen den Detektor praktisch volldtändig kompensiert werden.
Wird die Änderung des Differenzwinkels φ der ausgekoppelten Strahlmoden nicht über das Interferenzbild bestimmt, ist wie in Fig.8 ein positionsempfindlicher Detektor 27 vorgesehen, auf den über eine Linse 28 und ein Spiegelsystem 29 abgebildet wird, wobei der Detektor 27 im Abstand der Brennweite von der Linse 28 entfernt ist. Anhand der Differenz der Position der Auftreffpunkte wird die Winkeldifferenz bestimmt.
Die Linse 28 kann auch durch mehrere Linsen ersetzt werden, die auch als holografische Elemente oder Fresnellinsen ausgebildet sein können. In einer alternativen Ausgestaltung des Auskoppelstrahlenganges wird für beide ausgekoppelte Lichtfelder ein Fokus in der Detektorebene erzeugt.
Zur Auswertung werden Änderungen des Abstandes der beiden Foki herangezogen.
Hierzu ist in Fig. 8 ein positionsempfindlicher Detektor 27 vorgesehen, auf den über eine Linse 28 und ein Spiegelsystem 29 abgebildet wird., wobei der Detektor im
Abstand der Brennweite von der Linse 28 entfernt ist.
In einem weiter möglichem Auskoppelstrahlengang, wird das austretende Licht durch eine Linse auf einen ortsempfindlichen Detektor fokussiert wobei in dieser
Ausführungsform des Auskoppelstrahlengangs der TE- und der TM-Mode je einen Fokus in der Detektorebene erzeugt und zur Auswertung des Abstands der beiden Foki auf dem Detektor die Einkoppelstrahlengänge durch geeignete optische Mittel, beispielsweise Verschlüsse, alternativ geschaltet werden.
Weiterhin können die ausgekoppelten Lichtstrahlen werden durch eine gemeisame oder zwei verschiedene Linsen auf zwei ortsempfindliche Detektoren fokussiert werden. Eine ausreichende Winkeldifferenz kann bei Verwendung eines Sensors mit bidiffraktivem Gitterkoppler durch die Wahl der Gitterkonstanten einfach erreicht werden. In dieser Anordnung können die Winkel der ausgekoppelten TE- und TM-Felder parallel erfaßt werden, so daß ein Umschalten der Einkoppeistrahlen entfallen kann, wie es bei der vorher beschriebenen Ausführungsform notwendig ist.
In Fig.9 werden mittels einer Ansteuereinheit 30 die strahlversetzenden Elemente 1 1 ,12 phasensynchron betätigt.
Auf dem Empfänger erscheinen in zeitlicher Folge Bilder der einzelnen Strahlkomponenten zu den Zeitpunkten der Kopplung der Strahlmoden Te und Tm_
Die Signaldifferenz auf dem PSD ist ein Maß für den Differenzwinkel der ausgekoppelten Strahlen.
Durch Ausbildung der optischen Elemente aus Quarzglas , verbunden mit einem mechanischen Träger aus bezüglich seines Ausdehnungskoeffizienten angepaßten Material, beispielsweise Invar, wird für das Abbildungsteil 15 eine hohe thermische Stabilität der Vergrößerung erreicht.
Alternative Materialkombinationen mit angepaßtem thermischen Ausdehnungskoeffizienten für optische Elemente/optischen Träger sind z.B. Nullausdehnungs-Glaskeramik (Zerodur, Kronglas/Grauguß, Borosilikatglas (BK7, UBK7), Kronglas/Keramik, Kronglas/Edelstahl, Kronglas/Messing. In Fig. 10 ist die Anordnung der optischen Elemente und Strahlengänge in einem geschnitten dargestellten gemeinsamen Trägerblock 31 dargestellt, der Bohrkanäle 32 für die optischen Strahlengänge aufweist.
An einen gemeinsamen Trägerblock 31 sind die optischen Elemente gemäß Fig.2 außen angebracht, vorzugsweise verkittet.
Für die optischen Strahlengänge sind jeweils Bohrungen 32 vorgesehen.
Durch die definierte Lage der optischen Bauelemente zueinander wird eine insbesondere gegen auftretende Mikrofonie äußerst stabile Anordnung erreicht.
Mit der Auswahl der Materialien für die optischen Elemente (z.B. Glas, Quarzglas) und des Trägerblocks (z.B. Zerodur, Invar, aber auch Grauguß) nach dem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten läßt sich eine optimale thermische
Stabilität der Anordnung realisieren.
Hierzu wird auf obige Ausführungen zur Materialwahl verwiesen.
In Fig. 1 1 ist eine Anordnung mit einem eingekoppelten Strahl dargestellt, die für eine Absorptionsmessung geeignet ist.
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Claims

Patentansprüche
I.Anordnung zur Analyse von Substanzen an oder nahe der Oberfläche eines optischen Sensors mit mindestens einer wellenleitenden Schicht und mindestens einem multififfraktiven Gitterkoppler zur Ein- und Auskopplung von Lichtstrahlen, in den mindestens zwei Lichtstrahlen eingekoppelt werden, die zueinander einen Winkel α einschließen, und mit der mindestens zwei Lichtstrahlen ausgekoppelt werden, die zueinander einen Winkel φ einschließen, sowie einem Detektionssystem zur Erfassung der ausgekoppelten Lichtstrahlen, wobei Ein- und Auskopplung auf ein-und derselben Seite des Sensors erfolgen und die Ein-und Auskoppelstrahlen in unterschiedlichen Quadranten der Lichteinfallsebene liegen und der Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen größer als der Winkel φ zwischen den Auskoppelstrahlen ist.
2.Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die eingekoppelten Lichtstrahlen zueinander orthogonal polarisiert sind
3.Anordnung nach Anspruch 1 .dadurch gekennzeichnet, daß die eingekoppelten Lichtstrahlen zueinander parallel polarisiert sind
4.Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die eingekoppelten Lichtstrahlen unpolarisiert sind
5.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4 ,dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelbereich der Auskoppelstrahlen innerhalb des Winkelbereichs liegt, der durch die am Sensor reflektierten Einkoppelstrahlen aufgespannt wird. β.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5 , bei Verwendung eines ortsauflösenden Detektionssystems, gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen größer 6 Grad.
7.Anordnung nach Anspruch 6 , gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen in einem Bereich von etwa 26 Grad plus/minus 20 Grad
8.Anordnung nach Anspruch 6 gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen im Bereich von 16 Grad plus/minus 10 Grad
9.Anordnung nach einem der Ansprüche 6-8 , gekennzeichnet durch einen Winkel φ zwischen den ausgekoppelten Strahlen kleiner 6 Grad. lO.Anordnung nach einem der Ansprüche 6-8 , gekennzeichnet durch einen Winkel φ zwischen den ausgekoppelten Strahlen in einem Bereich von etwa 0,2 bis 6 Grad.
1 1.Anordnung nach einem der Ansprüche 6-8 , gekennzeichnet durch einen Winkel φ zwischen den ausgekoppelten Strahlen im Bereich von etwa 0.2 bis 3 Grad
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 1 1 , gekennzeichnet durch Mittel zur unabhängigen Verstellung der Einkoppelwinkel der eingekoppelten Lichtbündel.
13.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5 , bei Verwendung eines ortsauflösenden Detektionssystems, gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen größer 3 Grad
14. Anordnung nach Anspruch 13 , gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen in einem Bereich von 23 plus/minus 20 Grad
15.Anordnung nach Anspruch 13 , gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen in einem Bereich von 13 plus/minus 10 Grad
16.Anordnung nach einem der Ansprüche 13-15 , gekennzeichnet durch einen Winkel φ zwischen den ausgekoppelten Strahlen kleiner 3 Grad
17.Anordnung nach einem der Ansprüche 13- 15 , gekennzeichnet durch einen Winkel φ zwischen den ausgekoppelten Strahlen in einem Bereich 0,2 bis 3 Grad
1 δ.Anordnung nach einem der Ansprüche 13-15 , gekennzeichnet durch einen Winkel φ zwischen den ausgekoppelten Strahlen im Bereich 0,2 bis 2 Gad
19.Anordnung nach einem der Ansprüche 13- 18 , gekennzeichnet durch Mittel zur unabhängigen Verstellung der Einkoppelwinkel der eingekoppelten Lichtbündel.
20.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5 , bei Verwendung eines ortsempfindlichen Detektionssystems, gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen größer 2 Grad
2 I .Anordnung nach Anspruch 20 , gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den Einkoppeistrahlen in einem Bereich von 22 plus/minus 20 Grad
22.Anordnung nach Anspruch 20 , gekennzeichnet durch einen Winkel α zwischen den Einkoppelstrahlen in einem Bereich von 12 plus/minus 10 Grad
23.Anordnung nach einem der Ansprüche 20-22 , gekennzeichnet durch einen Winkel φ zwischen den ausgekoppelten Strahlen kleiner 20 Grad
24.Anordnung nach einem der Ansprüche 20-22 , gekennzeichnet durch einen Winkel φ zwischen den ausgekoppelten Strahlen im Bereich 0 bis 12 Grad
25Anordnung nach einem der Ansprüche 20-22 , gekennzeichnet durch einen Winkel φ zwischen den ausgekoppelten Strahlen im Bereich 0 bis 8 Grad
26.Anordnung nach einem der Ansprüche 20-25 , gekennzeichnet durch Mittel zur unabhängigen Verstellung der Einkoppelwinkel der eingekoppelten Lichtbündel.
27.Anordnung zur Analyse von Substanzen nach einem der Ansprüche 1-26 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppeistrahlen sowohl in ihrem Einkoppelwinkel verstellbar als auch leicht konvergent sind .
28.Anordnung nach Anspruch 27 , dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel für beide Einkoppeistrahlen unabhängig verstellbar sind
29.Anordnung nach Anspruch 27 , dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel für beide Einkoppeistrahlen gleichzeitig mit einem gemeinsamen Element verstellt werden.
30.Anordnung nach Anspruch 27, 28 oder 29 .dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlkonvergenz einstellbar ist.
3 I .Anordnung nach Anspruch 30 , gekennzeichnet dadurch, daß der Durchmesser der Einkoppeistrahlen in der Sensorebene im Bereich 10μm bis 1mm liegt. 32.Anordnung nach Anspruch 30 oder31 , dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Einkoppeistrahlen in der Sensorebene veränderbar ist.
33.Anordnung nach Anspruch 30-32 , gekennzeichnet durch Einstellen der
Strahlkonvergenz und/oder des Durchmessers der Einkoppeistrahlen in der Sensorebene über die
Veränderung der Abbildungseigenschaften der einkoppeinden optischen Elemente
34.Anordnung zur Analyse von Substanzen durch Messung der Lichtabsorption an oder nahe der Oberfläche eines optischen Sensors, , mit mindestens einer wellenleitenden Schicht und mindestens einem multidiffraktiven Gitterkoppler zur Ein-und Auskopplung von Lichtstrahlen, mit der mindestens ein Lichtstrahl eingekoppelt wird und mindestens ein Lichtstrahl ausgekoppelt wird, sowie einem Detektionssystem zur Erfassung der ausgekoppelten Lichtstrahlen, wobei Ein-und Auskopplung auf ein-und derselben Seite des Sensors erfolgen, die Ein- und Auskoppelstrahlen in verschiedenen Quadranten der Lichteinfallsebene liegen und der Einkoppelstrahl sowohl bezüglich des Einkoppelwinkels verstellbar als auch leicht konvergent ist.
35.Anordnung nach Anspruch 34 sowie einem der Ansprüche 1-33 , gekennzeichnet durch die Anwendung der in den Ansprüchen 1-33 angegebenen Winkelbedingungen für den Differenzwinkel der Ein-und Auskopplung auf die Absorptionsmessung
36.Anordnung zur Analyse von Substanzen an oder nahe der Oberfläche eines optischen Sensors mit mindestens einer wellenleitenden Schicht und einem multidiffraktiven Gitterkoppler zur Ein-und Auskopplung von Lichtstrahlen, in die mindestens zwei Lichtstrahlen eingekoppelt werden, die zueinander einen Winkel α einschließen, wobei das Licht einer Lichtquelle auf mindestens einen Strahlenteiler gelangt und von diesem in mindestens zwei Teilstrahlen aufgespalten wird und die Teilstrahlen über strahlumlenkende Optik sowie strahlversetzende Einheiten und mindestens eine Abbildungseinheit in die Sensoroberfläche geführt wird.
37.Anordnung nach Anspruch36, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildungsoptik in die Lichtquelle integriert ist
38.Anordnung nach Anspruch 36 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Abbildungsoptik zwischen Lichtquelle und Strahlteiler vorgesehen ist. 39.Anordnung nach einem der Ansprüche 36-38 , dadurch gekennzeichnet, daß eine
Aufspaltung des eingestrahlten Lichtes in zwei zueinander orthogonal polarisierte Teilstrahlen erfolgt
40.Anordnung nach einem der Ansprüche 36-38 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufspaltung des eingestrahlten Lichtes in mindestens zwei Teilstrahlen ohne polarisations-selektierende Bauelemente erfolgt.
41. Anordnung nach einem der Ansprüche 36-40 .dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtquelle und Strahlteiler mindestens ein strahlumlenkendes Element vorgesehen ist.
42.Anordnung nach einem derAnsprüche 36-41 , dadurch gekennzeichnet, daß ein integriert optisches Element vorgesehen ist, das die Funktionen der Strahlteilung sowie mindestens einer Strahlumlenkung erfüllt.
43.Anordnung nach Anspruch 41 oder 42 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlteilung und zur Strahlumlenkung ein Polygonprisma vorgesehen ist.
44.Anordnung nach Anspruch 43 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Fläche des Polygonprismas mit einer teilweise oder vollständig reflektierenden Beschichtung versehen ist.
45.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-44, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fokussierung der einfallenden Lichtstrahlen auf die Sensorebene erfolgt.
46.Anordnung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung durch abbildende Spiegel erfolgt
47.Anordnung nach Anspruch 45 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung auf die Sensorebene durch mindestens eine Linse erfolgt.
48.Anordnung nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung auf die Sensorebene durch zwei Linsen für die beiden Einkoppelwege erfolgt.
49.Anordnung nach Anspruch 47 oder 48 , dadurch gekennzeichnet, daß die Linse oder Linsen zur Fokussierung auf die Sensorebene unterschiedliche
Brennweite parallel und senkrecht zur Einfallsebene haben. 50.Anordnung nach einem der Ansprüche 45-49, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel der fokussierten Lichtstrahlen der erforderlichen Winkeiänderung beim Wechsel des Sensors entspricht.
51.Anordnung nach einem der Ansprüche 47-79 , dadurch gekennzeichnet, daß die Linse oder Linsen zur Fokussierung auf die Sensorebene als holografische Elemente ausgeführt sind.
52.Anordnung nach einem der Ansprüche 47-79, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse oder Linsen zur Fokussierung auf die Sensorebene als
Fresnel- Linsen ausgeführt sind.
53.Anordnung nach einem der Ansprüche 46 -52 , gekennzeichnet durch eine Kombination aus Linsen und Spiegeln
54.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-53 , dadurch gekennzeichnet, daß die einfallenden Lichtstrahlen mittels einer ersten Abbildungseinheit in einen Zwischenfokus in der Nähe der strahlversetzenden Einheit abgebildet werden und mit einer zweiten strahlversetzenden Einheit auf die Sensoroberfläche fokussiert werden.
55.Anordnung nach Anspruch 54 , dadurch gekennzeichnet, daß das Licht mittels einer ersten Abbildungseinheit in einen Abstand etwa der Brennweite f von einer zweiten Abbildungseinheit fokussiert wird und die zweite Abbildungseinheit etwa einen Abstand f von der Sensoroberfläche hat.
56.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-55 , dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zu Verstellung des Einkoppelwinkels aus einer strahlversetzenden Einheit und mindestens einer Abbildungslinse bestehen.
57.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-56 , dadurch gekennzeichnet, daß die strahlversetzenden Einheiten drehbare Glasquader sind.
58.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-56 , dadurch gekennzeichnet, daß die strahlversetzenden Einheiten drehbare Spiegel sind
59.Anordnung nach Anspruch 57 oder 58 , gekennzeichnet durch eine Drehachse senkrecht zur Strahlrichtung 60.Anordnung nach Anspruch 57 oder 58 , gekennzeichnet durch eine Drehachse in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel zur Strahlrichtung
61.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-56 , dadurch gekennzeichnet, daß die strahlversetzenden Einheiten steuerbare Spaltblenden sind, die jeweils nur einen Teil des Strahlenganges freigeben.
62.Anordnung nach Anspruch 61 , dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltblenden als LCD-Einheiten ausgeführt werden.
63.Anordnung nach Anspruch 62 , gekennzeichnet durch unterschiedlichen Transmissionsgrad benachbarter Elemente der LCD-Einheit.
64.Anordnung nach Anspruch 61 , dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltblenden als linear mechanisch verstellbare Blenden ausgeführt werden.
65. Anordnung nach Anspruch 61 , dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltblenden als linear mechanisch verstellbare Filter mit ortveränderlicher Transmissions- Charakteristik ausgeführt werden.
66.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-65 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Strahlkonvergenz sowohl über die Einstellung der Spaltbreite ais auch über die Veränderung der Brennweite eines abbildenden Elementes erfolgt.
67.Anordnung nach einem der Ansprüche 61-65 , dadurch gekennzeichnet, daß den Spaltblenden eine Korrekturoptik zugeordnet ist.
68.Anordnung nach Anspruch 67 , dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturoptik eine Zylinderiinse ist.
69.Anordnung nach einem der Ansprüche 61-68 , dadurch gekennzeichnet, daß die Kcrrekturoptik unterschiedliche Brennweite senkrecht und parallel zur Einfallsebene aufweist.
70.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-69 , dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung zur Ein-und Auskopplung in einem gemeinsamen Gehäuse enthalten ist. 71.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-70 , dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle in das Gehäuse integriert ist.
72.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-71 , dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Halbleiterlaser ist.
73.Anordnung nach Anspruch 72 , dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser frequenzstabilisiert ist
74.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-73 gekennzeichnet durch eine Anordnung der Lichtquelle außerhalb eines die sonstige
Meßanordnung enthaltendes Gehäuses.
75.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-74, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser oder eine Spektrallampe ist.
76.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-75 , dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle über eine Lichtleitereinheit auf die optische Anordnung gelangt
77.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-76, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Sensorebene ein optisches Fenster, vorzugsweise entspiegelt, zum Schutz vor Umwelteinflüssen, angeordnet ist.
78. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-77, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlführungs-System Glasfasern in Kombination mit Spiegeln zur Lichtführung verwendet.
79. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-78 , dadurch gekennzeichnet, daß für optische Elemente und Trägerelemente Bauelemente mit angepaßter thermischer Ausdehnung für einen temperaturstabilen Abbildungsmaßsstab verwendet werden.
80.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-79 , gekennzeichnet durch ein der Lichtquelle nachgeordnetes Strahlformungssystem zur Anpassung der Strahlparameter
81. Anordnung nach Anspruch 80, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlformungs- System unterschiedliche Eigenschaften parallel und senkrecht zur Einfallsebene hat.
82.Anordnung nach Anspruch 80 oder 81, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlformungs- System mit einer oder mehreren Linsen ausgeführt wird. 83.Anordnung nach Anspruch 80 oder 81 , dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlformungssystem aus einem oder mehreren abbildenden Spiegeln besteht.
84.Anordnung nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen als holografische Elemente ausgeführt sind.
85.Anordnung nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen als Fresnel- Linsen ausgeführt sind.
86.Anordnung nach Anspruch 82 , dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen als Zylinderlinsen ausgeführt sind.
87.Anordnung nach einem der Ansprüche 80-86 , dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlformungssystem aus einer Kombination aus Linsen und abbildenden Spiegeln besteht
δδ.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-87 , dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler ein teildurchlässiger Spiegel ist
89.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-87, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilung mit einem holografischen Element erfolgt
90.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-89 , dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilung mit einem Glasfaser-Verzweigungselement erfolgt.
91. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-90 , gekennzeichnet durch eine photoelektrische Erfassung des durch Überlagerung der ausgekoppelten Strahlen entstehenden Interferenzbildes.
92.Anordnung nach einem der Ansprüche 1-91 , gekennzeichnet durch die Abbildung des Interferenzbildes mit mindestens einem Abbildungseiement auf einen ortsauflösenden Detektor, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist.
93.Anordnung nach Anspruch 92 , dadurch gekennzeichnet, daß der ortsauflösende Detektor ein CCD-Element ist. 94.Anordnung nach Anspruch 92 , dadurch gekennzeichnet, daß der ortsauflösende Detektor eine Diodenzeile ist.
95.Anordnung nach einem der Ansprüche 91-94 gekennzeichnet dadurch, daß das Abbildungseiement mindestens eine Linse ist.
96.Anordnung nach Anspruch 95 , dadurch gekennzeichnet, daß die Linse unterschiedliche Brennweite parallel und senkrecht zur Einfallsebene hat.
97.Anordnung nach einem der Ansprüche 91-94, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungselement als holografisches Element ausgeführt ist.
98.Anordnung nach einem der Ansprüche 91-94 , dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungselement als Fresnellinse ausgeführt ist.
99.Anordnung nach einem der Ansprüche 91-94 , dadurch gekennzeichnet, da ß das Abbildungselement mindestens ein Spiegel ist
lOO.Anordnung nach Anspruch 99 , dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel unterschiedliche Abbiidungseigenschaften senkrecht und parallel zur Einfallsebene hat
10 I .Anordnung zur Abbildung des Interferenzbildes der aus einem Wellenleiter über ein multidiffraktives Gitter ausgekoppelten Strahlungsanteile, bestehend aus einer dem Austrittsort nachgeordneten Kombination aus gefaltetem Strahlengang und abbildenden Spiegeln, die das Interferenzbild über einen Polarisator auf einen ortsauflösenden Empfänger abbildet.
102.Anordnung nach Anspruch 101 .gekennzeichnet durch einen teleskopischen Abbildungsstrahlengang.
103.Anordnung nach Anspruch 101 oder 102 , gekennzeichnet durch sphärische Spiegel
104.Anordnung nach Anspruch 101 oder 102 gekennzeichnet durch zylindrische Spiegel
105.Anordnung nach Anspruch 101- 104 , gekennzeichnet durch eine Kombination aus sphärischen und zylindrischen Spiegeln 106.Anordnung nach Anspruch 101- 104 , gekennzeichnet durch eine Kombination aus sphärischen und asphärischen Spiegeln.
107.Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 106 , dadurch gekennzeichnet, daß im abbildenden Strahlengang ein Interferenzfilter vorgesehen ist.
108.Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 107 , dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines durch die Abbildungsspiegel gefalteten Strahlenganges gleichzeitig eine optische Anpassung an die Geometrie des ortsauflösenden Empfängers erfolgt.
109.Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 108, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der Sensor-Ebene auf den ortsempfindlichen Detektor durch zwei Linsen oder Kollimatoren mit parallelem oder quasiparallelen Strahlengang zwischen den beiden Einheiten erfolgt.
1 10.Anordnung nach Anspruch 109 , dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen oder Kollimatoren unterschiedliche Brennweite parallel und senkrecht zur Ausfallsebene haben.
11 1.Anordnung nach Anspruch 109 oder 110 , dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen oder Kollimatoren als holografische Elemente ausgeführt werden.
1 12.Anordnung nach Anspruch 109 oder 1 10 , dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen oder Kollimatoren als Fresnel- Linsen ausgeführt werden.
113.Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 1 12 , gekennzeichnet , daß zur Ermittlung der Position und des Winkels φ der ausgekoppelten Strahlen eine Abbildung der ausgekoppelten Strahlanteile auf mindestens einen Empfänger erfolgt, der mit einer Auswerteeinheit verbunden ist.
114.Anordnung nach Anspruch 1 13 , dadurch gekennzeichnet , daß der Empfänger ein PSD ist.
1 15.Anordnung nach Anspruch 1 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ein CCD-Element ist.
1 16.Anordnung nach Anspruch 1 13 , dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eine Diodenzeile ist. 1 17.Anordnung nach einem der Ansprüche 1 13- 1 16 , gekennzeichnet durch einen mittels Spiegeln gefalteten Abbildungsstrahlengang.
1 18.Anordnung nach einem der Ansprüche 1 13- 1 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der Sensor-Ebene auf den ortsauflösenden Detektor mit mindestens einerünse erfolgt.
1 19.Anordnung nach einem der Ansprüche 1 13- 1 16 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung mindestens ein Spiegel vorgesehen ist.
120.Anordnung nach einem der Ansprüche 1 13- 1 19 , gekennzeichnet durch eine alternierende Abbildung der ausgekoppelten Strahlungsanteile auf einen ortsauflösenden Empfänger
12 I .Anordnung nach Anspruch 120 , dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitversetzten Auskoppiung der Strahlkomponenten die Einkoppelwinkel der eingekoppelten Strahlen zueinander phasensynchron verstellt werden
122.Anordnung nach einem der Ansprüche 1 13-121 , gekennzeichnet durch eine Linsenanordnung zur Abbildung der ausgekoppelten Strahlanteile, der der PSD im Abstand etwa der einfachen Brennweite nachgeordnet ist.
123.Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 122 , gekennzeichnet durch die Anordnung mindestens eines Teils der der optischen Elemente in einem gemeinsamen Trägerblock.
124.Anordnung nach Anspruch 123 gekennzeichnet durch Ausbildung mindestens eines Teils der optischen Strahlengänge als im Trägerblock vorgesehene Bohrungen.
125.Anordnung nach Anspruch 123 oder 124 , gekennzeichnet durch die Anordnung von Spiegeln am Rand des Trägerbiockes
126.Anordnung nach einem der Ansprüche 123- 125 , gekennzeichnet durch ein Trägerblockmaterial Invar, Zerodur oder Grauguß.
127
Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 126 , gekennnzeichnet durch Kombination folgender Materialien:
Für die optischen Elemente:
Quarz, Kronglas, Flintglas, reflektives Metall,
Für die Trägerelemente
Invar, Zerodur, Kronglas, BK7,UBK7, Flintglas, Keramik, Messing, Aluminium, Edelstahl
128.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 127 , gekennzeichnet durch Ausbildung eines Teils des Trägerblocks aus einem Material, das bezüglich seiner thermischen Ausdehnung einer zu Meßfehlern führenden thermischen Ausdehnung der übrigen Trägerelemente und/oder der verwendeten Optik entgegenwirkt.
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