Egloff, Thomas
[VerfasserIn]
;
Sinzinger, Stefan
[Sonstige Person, Familie und Körperschaft];
Linß, Gerhard
[Sonstige Person, Familie und Körperschaft];
Lakner, Hubert Karl
[Sonstige Person, Familie und Körperschaft]
Ortsauflösendes Nah-Infrarot-Spektrometer basierend auf einem Mikro-Opto-Elektro-Mechanischem-System (MOEMS)
- [1. Aufl.]
Beschreibung:
Die vorliegende Arbeit stellt Grundlagen, spezifische Effekte, das Design und die Realisierung von ortsauflösenden Gitterspektrographen (OGS) am Beispiel eines Systems mit einem mikromechanischen scannenden Gitter dar. Im Rahmen der geometrischen Optik lässt sich die Abbildung des OGS beschreiben. Die paraxialen Abbildungseigenschaften sind daraus ableitbar. Aus der Beschreibung der Abbildung folgt die gitter-induzierte Verzerrung, die mit der Charakteristik von realen Systemen übereinstimmt. Aus der theoretischen Analyse lassen sich Möglichkeiten zur Minimierung ableiten. Das Verständnis für das inkohärente Abbildungsverhalten und die paraxialen Abbildungseigenschaften sind wichtig für das Design von OGS. Ein Ansatz für einen neuartigen ortsauflösenden MOEMS-Spektrograph (OMS) wird untersucht. In diesem System wird ein mikro-opto-elektro-mechanisches Bauelement verwendet. Dieses besteht aus einem Reflexionsgitter, das in die Oberfläche eines mikromechanischen Scanners strukturiert wurde. Die Strahlung eines linienförmigen Objektbereichs wird durch das Gitter spektral aufgespalten und durch Drehung örtlich gescannt. Die Abbildung mit dem Gitter und die Drehung desselben rufen eine komplexe Verzerrung hervor. Diese ist in eine örtliche und eine spektrale Komponente separierbar und gut im Winkelraum zu analysieren. Der Inklinationswinkel des Gitters kann für die Minimierung der Verzerrung genutzt werden. Die örtliche Auflösung des scannenden Systemansatzes wird durch die minimale Scannfrequenz des Gitters und die maximale Detektor-Ausleserate begrenzt. Ebenso sind der Lichtleitwert und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis limitiert und hängen von der spektralen Auflösung, der Gitterkonstante und der Gitterfläche ab. Die Systementwicklung beginnt beim mikromechanischen scannenden Gitter. Im anschließenden Optikdesign werden die Auswahl und die Dimensionierung eines optischen Designansatzes gezeigt. Mit Nebenbedingungen wird das Startsystem bezüglich der Zielspezifikationen optimiert. Die spektral breitbandige Abbildung der quasi-eindimensionalen Felder wird mit abschattungsfreien Schiefspieglern realisiert. Die paarweise kollinear angeordneten Spiegel werden mit Abstandshaltern, die auf den optischen Funktionsflächen aufliegen, positioniert. Die Charakterisierung der Abbildungsqualität von OGS wurde am Beispiel des OMS gezeigt. Die geringe Ausdehnung des Objektfeldes in einer Richtung muss bei der Auswahl der Messmethode für die Modulationsübertragungsfunktion berücksichtigt werden. Die Überlagerung der örtlichen Abbildung und der Aufspaltung des Spektrums sind bei der Charakterisierung ebenfalls zu beachten. Die Ermittlung der Abbildungsqualität lässt sich einfach über die Linienbildfunktion umsetzen. Diese ist abhängig von der Wellenlänge, dem Objektfeld und der Hauptrichtung des OMS. Das ortsauflösende MOEMS-Spektrometer erfasst die Spektren in irregulären örtlichen Abständen. Mit einem Algorithmus werden diese Daten in eine äquidistante spektrale Bildmatrix gewandelt. Aus der Analyse des Messprozesses wird eine effiziente Spektrenvorverarbeitung abgeleitet. Die Datenverarbeitung und die Funktion werden am Beispiel eines Demonstrationssystems zur Identifizierung von Kunststoffsorten gezeigt.