Optische Spektrometer können eingeteilt werden in dispersive bzw. diffraktive Spektrometer und Fourier-Transform-Spektrometer.

Dispersive (aus Prismen-) bzw. diffraktive (Gitter-) Spektrometer zerlegen den ein- fallenden Lichtstrahl durch die Wellenlängenabhängigkeit eines Beugungs-bzw.

Reflexionswinkels in seine spektralen Komponenten. Die verschiedenen spektralen Komponenten werden dadurch räumlich getrennt und die zu bestimmenden spek- trale Komponente kann selektiert werden (Monochromator). Die Aufnahme eines Spektrums erfolgt dann mit Hilfe beweglicher Teile, indem die verschiedenen spek- tralen Komponenten nacheinander selektiert und gemessen werden.

Am gebrauchlichsten sind Monochromatoren mit einem Strahlengang nach Czerny- Turner, d. h. mit einem drehbaren Plangitter zwischen einem Eintritts-und einem Austritts-Spalt und voneinander unabhängigen Kollimator-bzw. Kollektor-Spiegeln.

Die Entwicklung ortsauflösender Detektoren (CCD, Diodenarray) erlaubt inzwischen die gleichzeitige Messung aller spektralen Komponenten, indem für jede spektrale Komponente ein eigenes Element des Detektors vorgesehen wird. Eine derartige Anordnung kommt ohne bewegliche Teile aus und nutzt das zur Verfügung stehen- de einfallende Licht wesentlich effizienter.

Moderne Geräte verwenden z. B. ein holographisch optisches Gitter, das einen Ein- trittsspalt unmittelbar mit geeigneter spektraler Dispersion auf ein Diodenarray ab- bilden kann.

Fourier-Transform-Spektrometer basieren auf einem Interferometer, bei dem die Differenz der optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen mit hoher Präzision eingestellt werden kann. Aus einer Messung des Interferenzsignals über einen geeigneten Bereich von Wegiängendifferenzen kann durch Fourier- Transformation das Spektrum bestimmt werden.

Geräte werden in der Regel nach Art eines Michelson-Interferometers aufgebaut.

Technisch anspruchsvoll sind hier aber vor allem die mechanischen Komponenten zur Einstellung der optischen Weglängen durch verschiebbare Spiegel oder kippba- re Spiegelpaare. Die mögliche Leistungsfähigkeit dispersiver bzw. diffraktiver Spektrometer ist abhängig von bestimmten Parametern, insbesondere den Abmes- sungen von Eintritts-bzw. Austrittsspalt, der Brennweite und Apertur der abbilden- den Elemente und den Eigenschaften des dispersiven bzw. diffraktiven Elementes selbst. Moderne Geräte erreichen fast diese physikalisch gesetzten Grenzen.

Entsprechend ist die mögliche Leistungsfähigkeit von Fourier-Transform- Spektrometern durch bestimmte Parameter und hier insbesondere durch die Strek- ke und die Schrittweite für die Variation der optischen Weglängen bestimmt. Die Leistungsfähigkeit von Fourier-Transform-Spektrometern übersteigt bei weitem die Möghchkeit von dispersiven bzw. diffraktiven Spektrometern. Auch Fourier-Transform-Spektrometer können die physikalischen Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit beinahe erreichen, jedoch ist der technische Aufwand gegebe- nenfalls sehr hoch. Da Fourier-Transform-Spektrometer auf einem Interferometer basieren, müssen alle optischen Komponenten und insbesondere auch die beweg- lichen Teile mit einer Präzision von Bruchteilen der zu messenden Wellenlängen gefertigt und positioniert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, durch welche die Vorteile des Fourier-Transform-Spektrometers nutzbar werden ohne die Verwendung beweglicher Teile bei gleichzeitig wesentlich niedri- geren Ansprüchen an die Qualität der optischen Komponenten und gegebenenfalls deutlich kürzeren Meßzeiten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ausgehend von einer interferometrischen Vor- richtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die hinzutretenden Merk- male des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Vorzugsweise Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen 2 bis 25. Erfindungsgemäße Verwendungen ergeben sich aus den Ansprüchen 26 bis 28 und ein erfindungsge- mäßes Verfahren und bevorzugte Verfahrensvarianten ergeben sich aus den An- sprüche 29 bis 36.

Die Erfindung umfaßt eine Vorrichtung, die auf einer Kombination dispersiver bzw. diffraktiver optischer Elemente und einem ortsauflösenden Detektor mit einem In- terferometer beruht, sowie ein Verfahren, das es erlaubt das Spektrum des einfal- lenden Lichtes aus einem aufgenommenen Interferenzmuster zu rekonstruieren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgelegt, daß sich die Interferenzmuster jeweils verschiedener spektraler Komponenten des zu untersuchenden spektralen Bereichs voneinander unterscheiden. Ein derartiges einer bestimmten spektralen Komponente zugeordnetes Interferenzmuster wird im folgenden als Basismuster bezeichnet. Die Muster können eindimensional oder zweidimensional betrachtet werden. Ein durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugtes Interferenzmuster wird als Überlagerung einer Reihe von jeweils unterschiedlichen Basismustern be- trachtet.

Die Aufnahme des Interferenzmusters erfolgt durch den Detektor an diskreten Po- sitionen. Ein Interferenzmuster liegt also jeweils in Form einer fixen Anzahl von (Meß-) Werten vor. Genauigkeit und darstellbare Raumfrequenzen folgen aus dem Sampling-Theorem.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Interferenzmuster als Reihe von Werten und damit im Kontext der linearen Algebra als Vektor interpretiert oder ins- besondere als Element eines diskreten Hilbertraumes der entsprechenden Dimen- sion. Die oben eingeführten Basismuster werden im Kontext der linearen Algebra als linear unabhangige Basisvektoren interpretiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Möglichkeit, für eine erfindungs- gemäße Vorrichtung die jeweils erforderlichen Basismuster entweder rechnerisch oder durch Messung zu bestimmen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann dann das Spektrum des einfallenden Lichtes durch Zerlegung des Interferenzmu- sters in diese Basismuster gewonnen werden.

Das Verfahren kann in verschiedenen Varianten realisiert werden : Unter günstigen Umständen (gutes Signal/Rauschverhältnis, fixe Phasenlage, "spektral dicht"liegende Basismuster) kann eine direkte Berechnung der Linear- kombination unter Benutzung der Inversen der durch die Basismuster gebildeten Matrixerfolgen.

In der Regel und im allgemeinen Fall erfolgt die Zerlegung näherungsweise durch Korrelation der jeweiligen Basismuster mit dem Interferenzmuster. In diesem Fall werden keine hohen Anforderungen an die Basismuster gestellt und es besteht z. B. die Möglichkeit für eine spektrale Komponente mehrere Basismuster bei unter- schiedlichen Phasenlagen zu verwenden.

Im Falle des technisch auf einer völlig unterschiedlichen Richtung basierenden Fou- rier-Transform-Spektrometers ist das Muster eindimensional und die Basismuster sind die von der jeweiligen Phasenlage abhängigen Summen der Sinus-bzw. Kosi- nuskomponenten mit einer durch die Wellenlänge der jeweiligen spektralen Kom- ponente eindeutig gegebenen Raumfrequenz. In diesem idealen Fall kann das Spektrum durch eine Fourier-Transformation des gemessenen Interferenzmusters bestimmt werden.

Im Falle des durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugten räumlichen In- terferenzmusters sind die Basismuster im aligemeinen nicht sinus-oder kosinus- förmig. Sowohl die genaue Art der Basisfunktionen als auch der jeweilige Zusam- menhang eines Basismusters mit der Wellenlänge einer spektralen Komponente ist eindeutig definiert durch die Eigenschaften der jeweils konkreten Vorrichtung.

Soweit die Interferenzmuster, d. h. die Basismuster für die in Frage kommenden spektralen Komponenten, im Rahmen der Auflösung und Genauigkeit der Messung linear unabhängig sind, können die jeweiligen spektralen Komponenten des einfal- lenden Lichtes und damit das Spektrum durch Korrelation der jeweiligen Basismu- ster mit dem aufgenommenen Interferenzmuster bestimmt werden.

Soweit die Eigenschaften aller Komponenten der Vorrichtung ausreichend präzise bestimmt sind, kann der erforderliche Satz Basismuster berechnet werden.

Besonders interessant ist die Möglichkeit, mit Hilfe einer geeigneten einstellbaren monochromatischen Referenzlichtquelle einen Satz von Basismustern für den je- weiligen konkreten Aufbau der Vorrichtung zu messen. Da die Basismuster in die- sem Fall alle Arten von in der jeweiligen Vorrichtung auftretenden optischen Aber- rationen bereits enthalten, sind die Ansprüche an die optische Qualität der Kompo- nenten der Vorrichtung relativ gering, soweit die Basismuster linear unabhängig bleiben. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Interferenzmuster durch Teilung der Amplitude des einfallenden Lichtstrahls mit Hilfe eines halb- durchlässigen Spiegels oder eines geeigneten Gitters (gegebenenfalls in mehr als zwei Teilstrahlen) und anschließender Überlagerung der Strahlen am Ort des De- tektors erzeugt werden. Hier kommen alle klassischen Interferometer in Frage, die gegebenenfalls durch dispersive oder diffraktive Elemente ergänzt werden, bei- spielsweise : Michelson-, Mach-Zehnder-, Sagnac-,-Fabry-Perot oder Scherungs- lnterferometer. Weiterhin kommt jede Anordnung, die Interferenzmuster mit räumli- chen Perioden erzeugt, die der jeweilige Detektor auflösen kann, in Frage. Durch geeignete Dimensionierung der Vorrichtung können die am Detektor auftretenden Raumfrequenzen unabhängig vom jeweils zu untersuchenden Wellenlängenbereich gewählt werden.

Weiterhin kommt auch die Erzeugung der Teilstrahlen durch Teilung der Wellen- front in Frage, etwa durch ein Fresnellsches Biprisma, andere Kombinationen meh- rere Prismen, mit Hilfe unregelmäßig geformter Oberflächen oder ebenfalls mit Hilfe diffraktiver Elemente.

Die erforderliche spektrale Dispersion kann in allen Fällen durch geeignete Ausfüh- rung des Strahiteilers selbst oder durch zusätzliche optische Elemente eingebracht werden.

Als räumlich auflösender Detektor bietet sich im eindimensionalen Fall ein geeig- netes Diodenarray oder eine CCD-Zeile an. Es ist auch möglich, zu scannen, d. h. entweder durch Bewegung des Detektors oder anderer Komponenten der Vorrich- tung, die verschiedenen Meßpunkte nacheinander aufzunehmen. Dieses Verfahren bietet sich besonders an für extrem hochauflösende Messungen (z. B. Scannen ei- nes Diodenarrays senkrecht zu seiner Ausdehnung) oder in Welieniangenbereichen für die keine geeigneten ortsauflösenden Detektoren verfügbar sind.

Besonders interessant ist die Verwendung zweidimensionaler Detektoren (CCD oder andere), da in diesem Fall mit der Erhöhung der Anzahl der Meßwerte erheb- lich größerer Spielraum für die Eigenschaften der Basisfunktionen besteht und bei "besser"linear unabhängigen Funktionen die jeweiligen Korrelationen entsprechend schärfer berechnet werden können.

Die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung und des im folgenden beschriebenen Ver- fahrens kann wesentlich verbessert werden, wenn die relative Phasenlage der Teil- strahlen geeignet beeinflußt werden kann. Dies kann geschehen etwa durch die Verwendung eines über eine Strecke in der Größenordnung der Wellenlänge linear verschiebbaren Spiegels, durch den die relative Phasenlage des reflektierten Lich- tes mit großer Genauigkeit verändert werden kann oder z. B. im Falle eines Aufbaus nach Art eines Scherungs-Interferometers oder z. B. im Falle eines Gitters mit meh- reren Raumfrequenzkomponenten als Strahlteiler durch eine geeignete"seitliche" Verschiebung der Komponenten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in der Zeich- nung dargestellten Ausführungsbeispielen und Vergleichsdiagrammen näher er- lautert.

Fig. 1 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung des Interferenzmusters ausgehend von einem Aufbau nach Art eines Michelson- lnterferometers. Als Detektor dient ein CCD, während die dispersiven Elemente als Prismen ausgeführt sind. Der Aufbau kommt abgesehen von der Justierung ohne bewegliche Elemente aus. Das durch die Eintrittsöffnung E und eine Aperturblende A einfallende Licht wird durch eine Linse L zunächst kollimiert und dann durch den Strahlteiler T geteilt. Die Teilstrahlen werden durch die Spiegel S1 bzw. S2 reflek- tiert, durch T wieder vereinigt und erreichen den ortsauflösenden Detektor CCD.

Die Teilstrahlen passieren dabei zweimal das jeweilige Prisma P1 bzw. P2 und werden dabei abhängig von der Wellenlänge beeinflußt. Das am Detektor resultie- rende Interferenzmuster zeigt daher starke Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes.

Abhängig von der Dimensionierung und der Justierung der Vorrichtung können ver- schiedene Spektralbereiche bei verschiedenen Auflösungen erfaßt werden. Wird einer der Spiegel, etwa durch Montage auf einem piezomechanischen Aktua- tor, entlang der optischen Achse mit einer Wellenlänge im Bereich der Wellenlänge beweglich gestaltet, kann die relative Phasenlage der zur Interferenz beitragenden Teilstrahlen beliebig eingestellt werden.

Eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet ein Prisma oder ein beliebiges anderes spektral-dispersives oder diffraktives Element sowie als Strahiteiler ein weiteres Prisma mit halb durchlässig verspiegelten Oberflächen. Die Fig. 2 zeigt eine derartige Vorrichtung, die völlig ohne bewegliche Elemente aus- kommt.

Das durch die Eintrittsöffnung E und eine Aperturblende A einfallende Licht wird durch eine Linse L zunächst kollimiert und passiert das Prisma P1. Die Oberflächen des Prismas P2 sind halb durchlässig verspiegelt. Am Detektor CCD entsteht ein Interferenzmuster, da ein Teil des einfallenden Lichtes direkt den Detektor erreicht, ein anderer Teil des Lichtes erst nach zweimaliger Reflexion im Prisma P2. Weitere mehrfach reflektierte Teilstrahlen tragen ebenfalls zur Interferenz bei.

Die Fig. 3 zeigt eine einfache weitere Variante einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung, die ein Prisma sowohl als dispersives Element als auch als Strahiteiler ver- wendet. Der Aufbau kommt völlig ohne bewegliche Elemente aus.

Das durch die Eintrittsöffnung E und eine Aperturblende A einfallende Licht wird durch eine Linse L zunächst eliminiert und erreicht das Prisma P. Die Oberflächen des Prismas sind halb durchlässig verspiegelt. Am Detektor CCD entsteht ein In- terferenzmuster, da ein Teil des einfallenden Lichtes direkt den Detektor erreicht, ein anderer Teil des Lichtes erst nach zweimaliger Reflexion im Prisma P. Weitere mehrfache reflektierte Teilstrahlen tragen ebenfalls zur Interferenz bei.

Eine ähnliche Variante mit einem geeignet dicken Prisma (Fig. 4) eignet sich be- sonders gut für die Aufnahme von Linienspektren. Zur Interferenz tragen in diesem Fall nur Anteile des einfallenden Lichtes mit aus- reichend hoher Kohärenzlänge, d. h. entsprechend mit sehr kleiner Linienbreite bei.

Besonders vorteilhaft ist eine Kombination der beiden vorgenannten Varianten, das bedeutet, auf einem einzelnen CCD nebeneinander mehrere Prismen unterschie- dener Dicke und/oder Steigung zu montieren.

Die Fig. 5 zeigt eine andere Variante der Vorrichtung auf Basis eines Scherungs- Interferometers.

Das durch die Eintrittsöffnung E und eine Aperturblende A einfallende Licht wird durch eine Linse L1 zunächst abgebildet auf eine Kombination aus Prisma und Gitter GRISM. Das Gitter trägt zwei Komponenten von Raumfrequenzen, so daß die über die Litze L2 auf dem Detektor abgebildete erst Beugungsordnung entspre- chend aus zwei unter leicht unterschiedlichem Winkel gebeugten Komponenten besteht. Das Gitter wirkt so als Strahiteiler und am Detektor entsteht ein Interfe- renzmuster, das wiederum stark von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes ab- hängt.

Wird das Gitter bzw. GRISM durch Montage auf einem geeigneten Aktuator derart montiert, daß es quer zur optischen Achse beweglich ist, kann die relative Phasen- lage der zur Interferenz beitragenden Teilstrahlen beliebig eingestellt werden.

Die dargestellten interferometrischen Vorrichtungen können derart ausgeführt oder weitergebildet werden, daß ein optischer Resonator entsteht. Dies hat zur Folge, daß die Vorrichtungen oder Teile der Vorrichtungen mehrfach genutzt werden und die resultierenden Interferenzen durch Überlagerung mehrerer, gegebenenfalls sehr vieler Teilstrahlen gebildet werden. Eine derartige Überlagerung vieler Teil- strahlen zeigt, verglichen mit der entsprechenden Zweistrahl-lnterferenz, gegebe- nenfalls sehr viel schärfere Minima bzw. Maxima der Intensität.

Bei geeigneter Bearbeitung der jeweiligen Meßwerte kann so eine entsprechend höhere Genauigkeit bzw. spektrale Auflösung erreicht werden.

Die technische Ausführung des Resonators ist dabei von untergeordneter Bedeu- tung. Neben einfachen Resonatoren mit nur zwei Bauelementen (Fig. 6) kommen alle Arten von Resonatoren insbesondere auch Ring-Kavitäten in Frage.

Besonders vorteilhaft sind Ausführungen bei denen mindestens ein Element des Resonators als wellenlangenabhängiges Element ausgeführt ist oder bei denen sich ein wellenlängenabhängiges Element im Inneren des Resonators befindet (oder beides).

Die Funktionsweise wird dargestellt anhand von Fig. 6 : Der Strahlteiler wird gebildet durch einen halbdurchlässigen Spiegel S, der einen Teil des Lichtes reflektiert. Das wellenlängenabhängige Element ist im Beispiel als Gitter G ausgeführt und derart dimensioniert und angeordnet (Winkel (p), daß Licht einer bestimmten Wellenlänge X zum Spiegel S zurück reflektiert wird [Gitterkon- stante = X/ (2sin ( (p))]. Der dort transmittierte Teil interferiert mit dem vom Spiegel ursprünglich reflektierten Licht.

Abhängig von der Effizienz des Gitters und den Reflexions-bzw. Transmissions- koeffizienten des Spiegels treten mehrfach reflektierte Strahlen unterschiedlicher Intensität auf, welche die resultierenden Interferenzmuster in der oben dargestellten Weise beeinflussen. Die relative Phasenlage der Teilstrahlen kann durch geeignete Verschiebung von S beeinflußt werden.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorgenannten Funktionsprinzips. Der Re- sonator wird durch die Elemente S1 und G gebildet. Die Wellenlänge des Resona- tors kann durch Drehung des Gitters G verändert werden, die relative Phasenlage der Teilstrahlen kann durch geeignete Verschiebung von S1 beeinflußt werden.

Über einen zweiten Strahlteiler S2 wird das Interferenzmuster zum ortsauflösenden Detektor CCD geführt. Mit E ist die Eintrittsblende und mit A die Aperturblende be- zeichnet. L ist ein Kollimator.

Fig. 8 zeigt ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel. Hier wird die 0-te Beugungsordnung des Gitters, d. h. der ungebeugt reflektierte Teil des Lichtes zum ortsauflösenden Detektor (CCD) geführt.

Soweit auf eine Kontrolle der relativen Phasenlage verzichtet werden kann, bildet eine Ausführung nach Fig. 9 eine vorteilhafte Anordnung. Hier sind Gitter G und Spiegel S auf einem im Querschnitt ein Dreieck bildenden Glasträger angeordnet (Fig. 4).

Besonders vorteilhaft kann es sein, das Beugungsgitter G in Segmente unter- schiedlicher Gitterkonstanten zu unterteilen (Fig. 10), oder Beugungsstrukturen zu verwenden, die nicht periodisch sind.

In einer weiteren Ausführung (Fig. 11) wird die optische Weglänge d absichtlich vergrößert und wahlweise variabel gehalten. Die Interferenzen werden dann auf Komponenten des einfallenden Lichtes mit entsprechend hoher Kohärenzlänge bzw. kleiner Bandbreite begrenzt (abhängig von der Weglänge d).

Bei geeigneter Auswertung der Meßwerte abhängig von d können, insbesondere bei hoher Effizienz des Gitters G und hohem Reflexionskoeffizienten von S sehr hohe spektrale Auflösungen erzielt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung Mittel zur Variation der Weglängendifferenz der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen auf, wodurch eine Selektion der zur Interferenz beitragenden Lichtkomponenten entsprechend ihren Kohärenzeigenschaften durchführbar ist.

Die dargestellten interferometrischen Vorrichtungen können derart ausgeführt oder weitergebildet werden, daß die optischen Weglängen, unter denen die Teilstrahlen zur Interferenz gebracht werden, über ein durch das oder die dispersiven Elemente eingebrachtes Maß hinaus differieren.

Am Beispiel der in Fig. 12 gezeigten Anordnung lassen sich die Verhältnisse dar- stellen wie folgt : Die Differenz der optischen Weglängen der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen liegt zwischen 2*dol und 2*d2. Eine Wegstrecke 2* (d2-di) wird vom optischen Gitter für die spektrale Selektion verwendet. Die dieser Differenz entsprechende Kohä- renzlänge definiert die spektrale Auflösung der Apparatur. Darüber hinaus wird nur dann ein Interferenzsignal erzeugt, wenn die einfallende Strahlung im Bereich der optischen Weglängendifferenzen zwischen 2*dol und 2*d2 Kohärenzeigenschaften bzw. Autokorrelationseigenschaften zeigt.

Bei einer Anwendung im Bereich der optischen Spektroskopie können auf diese Weise selektiv Linienspektren aufgenommen werden. In diesem Fall tragen nur spektral schmalbandige Komponenten der einfallenden Strahlung mit Kohärenzlän- gen größer als 2*dol zum gemessenen Signal bei.

Bei einer Anwendung im Bereich der optischen Datenübertragung können selektiv Träger mit Autokorrelationseigenschaften im Bereich zwischen 2*dol und 2*d2 auf- genommen bzw. vermessen werden. Dies ist insbesondere interessant für eine Anwendung im Bereich des Kohärenzlängen-Multiplexing.

Für beide Anwendungsbereiche besteht der besondere Vorteil der Anordnung dar- in, daß die spektrale Auflösung (Spektroskopie) bzw. Bandbreite (Datenübertra- gung) unabhängig von der zu selektierenden Linienbreite (Spektroskopie) bzw.

Autokorrelationslänge (Datenübertragung) eingestellt werden kann.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, daß die Vorrichtung Mittel zur Drehung des Interferometers bzw. Mittel zur Veränderung oder Auswahl des Einfallswinkels aufweist, welche eine Einstellung der Raumfrequenz bzw. der Raumfrequenzen des erzeugten Interferenzmusters ermöglichen.

Der Wellenlängenbereich, den die Anordnung ohne bewegliche Teile erfassen kann, ist gegeben durch die Fähigkeit des Detektors, die entsprechenden Raumfre- quenzen im Interferenzmuster nachzuweisen. Von besonderem Vorteil für eine technische Realisierung der Anordnung kann es sein, die Auswahl eines Wellen- längenbereichs d. h. in diesem Fall die Einstellung des Interferometers dergestalt, daß die für diesen Wellenlängenbereich resultierenden Raumfrequenzen vom De- tektor erfaßt werden können, durch eine Drehung des Interferometers als Ganzes bzw. durch eine geeignete Veränderung des Einfallswinkels zu erreichen. Für diese Bauform kommt das Interferometer selbst-abgesehen von den gegebenenfalls erforderlichen Mitteln zur Phasenmodulation-ohne bewegliche Elemente aus und kann trotzdem für verschiedene Wellenlängenbereiche eingesetzt werden.

In diesem Fall können die Komponenten des Interferometers gegeneinander fixiert werden, was sich vorteilhaft auf die Stabilität der Justierung auswirkt. Vorausset- zung für die Wellenlängenabstimmung über den Einfallswinkel ist, daß der Winkel, unter dem die Teilstrahlen im Interferometer überlagert werden eine geeignete Ab- hängigkeit vom Einfallswinkel zeigt. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn die Teilstrah- len spiegelbildlich überlagert werden, d. h. die Teilstrahlen müssen in einem diesbe- züglich asymmetrischen Interferometer über eine jeweils um 1 verschiedene Anzahl von Spiegeln geführt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann diese Situa- tion bei symmetrischen Interferometern durch Einsatz eines Retroreflektors erreicht werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Vorrichtung Mittel zur Lageveränderung von Bauelementen, insbesondere Mittel zur Drehung der Bauelemente aufweist, welche eine Einstellung der Raumfrequenz bzw. der Raumfrequenzen des erzeugten Interferenzmusters ermöglichen.

Eine einfache Möglichkeit, einen Wellenlängenbereich auszuwählen, d. h. in diesem Fall die Einstellung des Interferometers so vorzunehmen, daß die für diesen Wel- lenlängenbereich resultierenden Raumfrequenzen vom Detektor erfaßt werden können, sind Mittel, welche es erlauben, den Winkel zu verändern, unter dem die Teilstrahlen zur Interferenz gebracht werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Verän- derung der relativen Phasenlage der interferierenden Teilstrahlen und die Verände- rung der Raumfrequenz bzw. der Raumfrequenzen des erzeugten Interferenzmu- sters gemeinsam durch Bewegung mindestens eines Bauelements der Vorrichtung.

Es ist vorteilhaft, Messungen bei unterschiedlichen relativen Phasenlage der Teil- strahlen vorzunehmen. Sind die optischen Weglängen der Teilstrahlen ungleich und/oder führt die Verkippung der optischen Elemente zu einer Veränderung der Differenz der optischen Weglängen der Teilstrahlen, dann ändert sich bei der Ein- stellung der Wellenlänge auch die relative Phasenlage des Interferenzmusters.

Dieser Effekt kann unmittelbar zur Messung bei verschiedenen Phasenlagen ge- nutzt werden. Dies ist für eine technische Ausführung besonders vorteilhaft, da ein separater Mechanismus für die Modulation der Phasenlage dann entfallen kann.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel für eine Bauform des Interferometers, welche die spektrale Selektion und die Modulation der relativen Phasenlage durch eine gemeinsame Bewegung erlaubt. Die Drehung eines der optischen Elemente um einen Stützpunkt P außerhalb des Strahlengangs bewirkt neben der Veränderung des Winkels und damit der Einstellung der selektierten Wellenlänge gleichzeitig eine Veränderung der optischen Weglänge und damit eine Modulation der relativen Phasenlage.

Gemäß, einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das spektral dispersive bzw. diffraktive Element ein Multiplex-Gitter, ein Multiplex-Hologramm, ein holografisch-optisches Element oder ein computergeneriertes Hologramm (CGH).

Bei Verwendung eines zweidimensional auflösenden Detektors kann es besonders vorteilhaft sein, spektral dispersive Elemente zu verwenden, welche nicht nur eine einfache Ablenkung des jeweiligen Teilstrahls bewirken. Insbesondere im Zusammenhang mit den dargestellten Korrelationsverfahren erscheint die Erzeugung komplizierterer Interferenzmuster vorteilhaft. Derart komplexe Muster zeigen gegebenenfalls ein schärfer definiertes Korrelationssignal als einfache Streifenmuster.

Eine technisch besonders einfache Anordnung verwendet ein spektral dispersives bzw. diffraktives opt. Element, das gleichzeitig als Strahlteiler verwendet wird und unmittelbar ein Interferenzmuster am Ort des Detektors erzeugt. Fig. 14 zeigt eine derartige Anordnung unter Verwendung eines diffraktiven optischen Elements in Transmission. Der transmittierte ungebeugte Teilstrahl interferiert mit einer Vielzahl in unterschiedlichen Richtungen gebeugten Teilstrahlen, welche ihrerseits unterein- ander interferieren, und erzeugt so ein kompliziertes Interferenzmuster ("speckle pattern"). Der gleiche Effekt kann erzielt werden durch einen in den Strahl einge- brachten Glaskörper mit unregelmäßiger Oberfläche.

Diese sehr einfache Anordnung ist besonders geeignet für die Verwendung von sehr"unregelmäßigen"spektral dispersiven bzw. diffraktiven optischen Elementen.

Handelt es sich um ein eher regelmäßiges optisches Element, insbesondere um ein halb durchlässig verspiegeltes Prisma oder ein Beugungsgitter, so kann es tech- nisch vorteilhaft sein, die resultierenden Teilstrahlen durch genau dieses oder ein gleichartiges optisches Element wieder zu überlagern, um das Interferenzmuster zu erzeugen.

Eine technisch ganz besonders vorteilhafte Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt Fig. 15. In diesem Fall wird ein Beugungsgitter in Reflexion ver- wendet. Der über die Eintrittsöffnung"E", die Aperturblende"A"und die Kollimati- onslinse"L"einfallende Lichtstrahl wird zunächst am Beugungsgitter in einen re- flektierten und einen gebeugten Teilstrahl geteilt. In der dargestellten Geometrie erfolgt die Beugung erster Ordnung unter einem relativ großen Winkel, so daß kei- ne höheren Beugungsordnungen auftreten.

Der zunächst gebeugte Teilstrahl wird durch den Spiegel S1 zurück gespiegelt und vom Beugungsgitter weiter zum Detektor reflektiert, während der zunächst reflek- tierte Teilstrahl durch den Spiegel S2 zurück gespiegelt und weiter zum Detektor gebeugt wird. Am Detektor entsteht das benötigte Interferenzmuster.

Über S2 kann gegebenenfalls die Modulation der Phasenlage erfolgen ("Phasen- schieber"), über S1 kann gegebenenfalls der Winkel unter dem die vereinigten Strahlen interferieren justiert werden.

Neben dem außerordentlich kompakten Aufbau zeigt die Anordnung weitere Vor- teile : Bei Verwendung eines periodischen Beugungsgitters liegen (im Gegensatz zu ei- nem normalen Fourier-Transform-Spektrum !) die Positionen gleicher optischer Weglänge und damit maximaler Amplitude bzw. Modulation für die verschiedenen Wellenlängen an unterschiedlichen Stellen des Detektors. Dies wirkt sich günstig auf den erforderlichen dynamischen Bereich der Detektorelemente aus.

Für spezielle Anwendungen, etwa in der Chemometrie der Nachweis einer Sub- stanz durch die Bestimmung spektraler"Fingerprints"in bestimmten Bereichen ei- nes Absorptionsspektrums, oder die gleichzeitige Bestimmung bestimmter spek- traler Linien, können-wie auch in den anderen erfindungsgemäßen Anordnungen -spezielle Beugungsgitter verwendet werden. Neben räumlich getrennten oder räumlich überlagerten Mehrfachgittern und gegebenenfalls einer Anordnung mit mehreren Detektoren, kommen hier auch holographische Elemente in Betracht, die z. B. ganze Gruppen von unterschiedlichen Spektrallinien unter dem gleichen Win- kel beugen können. Diese Variante kann besonders günstig sein bei Verwendung eines Detektors, der eine Maske zur Erkennung von Mustern verwendet (optisches Korrelationsverfahren).

Die für eine Messung erforderliche Korrelation eines gemessenen Interferenzmu- sters mit dem für eine bestimmte spektrale Komponente oder eine Gruppe spek- traler Komponenten bekannten Interferenzmuster kann sehr vorteilhaft unmittelbar optisch mit Hilfe einer Maske und ggf. geeigneter Phasenmodulation oder ander- weitiger Verstimmung des Interferometers erfolgen.

Insbesondere können in einer einzelnen Maske bereits die Interferenzmuster eines spektralen Fingerprints mit vielen spektralen Komponenten enthalten sein.

Die mehrfache Aufnahme des Interferenzmusters durch die dem Detektor vorgela- gerte Maske hindurch bei unterschiedlichen relativen Phasenlagen der Teilstrahlen zeigt eine starke Abhängigkeit der jeweils gemessenen integrierten gesamten In- tensität des Signals von der relativen Phasenlage nur für diejenigen spektralen Komponenten des einfallenden Lichtes mit deren resultierenden Interfernzmustern die Maske korreliert. Fig. 16 zeigt eine entsprechende Variante der Anordnung am Beispiel der Anordnung aus Fig. 15.

Bei Verwendung von perfekten optischen Elementen und einer ausreichend kleinen Lichtquelle bzw. Lichteintrittsfläche kann das optische Spektrum durch Fourier- Transformation des Interferenzmusters gewonnen werden.

Bei Verwendung nicht ganz perfekter optischer Elemente oder größerer Eintritts- blenden und insbesondere bei Verwendung zusätzlicher dispersiver Elemente, wel- che die Wellenfronten abhängig von Ort und Wellenlänge beeinflussen, können die resultierenden Interferenzmuster nicht durch Sinus-oder Kosinus-Funktionen dar- gestellt werden. Gleichwohl können die einzelnen spektralen Komponenten anhand des dann vorliegenden Interferenzmusters durch Korrelation bestimmt werden, so- fern die jeweils durch eine einzelne der zu untersuchenden spektralen Komponente erzeugten Basismuster eindeutig sind.

Dieses Verfahren ist damit auch geeignet für die dargestellten Vorrichtungen, die sehr"unregelmäßige"spektral dispersive bzw. diffraktive optische Elemente ver- wenden.

Besonders günstig ist es, die erforderlichen Interferenzmuster für die einzelnen spektralen Komponenten durch eine Messung mit anschließender Renormierung zu gewinnen.

Besonders günstig ist es weiterhin, die Aufnahme des Interferenzmusters bei ver- schiedenen relativen Phasenlagen vorzunehmen. Neben dem günstigen Einfluß auf das Signal/Rausch-Verhältnis werden dadurch gegebenenfalls Artefakte des Meß- vorgangs eliminiert.

Insbesondere bei der Messung der Interferenzmuster der einzelnen spektralen Komponenten (Basisfunktionen) kann die Messung bei verschiedenen relativen Phasenlagen hilfreich sein. Es werden bei Subtraktionen gegenphasig aufgenom- mener Interferenzmuster die Signalanteile addiert, jedoch konstanter Hintergrund und Artefakte des Meßvorganges weitgehend eliminiert.

Vorteilhafterweise wird ein optisches Spektrum unter Verwendung der bisher beschriebenen Vorrichtung nach einem Verfahren berechnet, welches folgende Schritte umfaßt : Zunächst werden mehrere Interferenzmuster für verschiedene relative Phasenlagen der interferierenden Teilstrahlen aufgezeichnet. In einem weiteren Schritt wird ein hochaufgelöstes Interferenzmuster oder hochaufgelöste Komponenten eines Interfernzmusters berechnet, wobei die unterschiedlich ausgeprägte Phasenverschiebung der zur Interferenz beitragenden spektralen Komponenten der Teilstrahlen berücksichtigt wird.

Eine Vorrichtung mit einem Array-Detektor etwa gemäß Fig. 17 erlaubt Verfahren, die mit Hilfe einer Veränderung der relativen Phasenlage der zur Interferenz ge- brachten Teilstrahlen das resultierende Interferenzmuster derart am Detektor be- wegen oder verändern, daß durch mehrere Messungen bei unterschiedlichen Pha- senlagen die Ortsauflösung erhöht wird, mit der das Interferenzmuster gemessen wird. Die durch die Veränderung der Phasenlage erzeugte scheinbare Bewegung der verschiedenen Komponenten des Interferenzmusters erlaubt es, mit den ein- zelnen Elementen des Detektors schrittweise jeweils einen bestimmten Bereich des Interferenzmusters mit hoher Auflösung zu erfassen. Zu beachten ist dabei, daß die sehr kleinen Veränderung der optischen Weglängen, wie sie durch die Mittel zur Einstellung der relativen Phasenlage der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen erzeugt werden, makroskopische"Verschiebungen"des Interferenzmusters bewir- ken können und, daß sich dabei die verschiedenen spektralen Komponenten des Interferenzmusters unterschiedlich stark, gegebenenfalls sogar in unterschiedlichen Richtungen, bewegen.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen werden als Spektrometer nutzbar durch das erfindungsgemäße Verfahren. Das Interferenzmuster einer spektralen Komponente hat in einem idealen Interferometer eine eindimensionale sinusoidale Modulation der Intensität mit einer Raumfrequenz die nur von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes abhängt. Die jeweiligen Anteile verschiedener spektraler Komponenten können in diesem Fall durch Fourier-Transformation des Interferenzmusters ge- wonnen werden.

Ein reales Spektrometer und insbesondere die verschiedenen Varianten erfin- dungsgemäßer Vorrichtungen zeigen komplexere Interferenzmuster. Die spektralen Komponenten können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wer- den.

Fig. 18 zeigt simulierte Aufnahmen von Interferogrammen durch ein CCD, links die Messung eines"idealen"Interferogramms, rechts eine realistische Simulation aus- gehend von nicht perfekten optischen Elementen.

Die optischen Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung müssen für die An- wendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht den Ansprüchen genügen, die in der Regel an Bauelemente optischer Interferometer gestellt werden.

Die Fig. 19 bis 21 verdeutlichen die Vorteile des neuen Verfahrens anhand einer numerischen Simulation für einen linear ortsauflösenden Detektor mit 512 Elemen- ten. Die Abbildungsteile A zeigen jeweils die Differenzen der optischen Weglängen von zwei zur Interferenz beitragenden Teilstrahlen abhängig von der Position des jeweiligen Elementes des Detektors. Die Abbildungsteile B zeigen jeweils einen Ausschnitt des vom Detektor aufgenommenen Signals. Die Abbildungsteile C und D zeigen jeweils das rekonstruierte Spektrum einer monochromatischen Quelle. Im Abbildungsteil C als Vergleich bestimmt durch Fourier-Transformation, im Abbil- dungsteil D bestimmt durch das erfindungsgemäße Verfahren. Die Abbildungsteile C und D zeigen das rekonstruierte Spektrum (dicke Linie) jeweils zusätzlich auch zehnfach überhöht (dünne Linie).

Fig. 19 zeigt zunächst eine Simulation unter Annahme einer absolut perfekten opti- schen Vorrichtung, d. h. die Differenzen der optischen Weglängen von zwei zur In- terferenz beitragenden Teilstrahlen hängen linear mit der Position des jeweiligen Elementes des Detektors zusammen (Fig. 19A). Das Interferenzmuster einer spek- tralen Komponente ist sinusoidal, das entsprechende gemessene Interferenzmuster (Fig. 19B) zeigt abhängig von der Raumfrequenz Sampling-Artefakte, gibt aber das Interfernzmuster gut wieder.

Die Situation entspricht in diesem speziellen Fall, obwohl mit einer ganz anderen Vorrichtung aufgenommen, etwa der Messung durch ein Fourier-Transform- Spektrometer. Entsprechend kann das Spektrum durch Fourier-Transformation be- stimmt werden (Fig. 19C). Das erfindungsgemäße Verfahren durch Korrelation mit gemessenen Basismustern zeigt das gleiche Ergebnis (Fig. 19D).

Fig. 20 zeigt eine entsprechende Simulation unter Annahme einer nicht ganz per- fekten optischen Anordnung. Entsprechend ist der Zusammenhang mit den Diffe- renzen der optischen Weglängen der beteiligten Strahlen und der Position des je- weiligen Elementes des Detektors nicht perfekt linear (Fig. 20A). Das resultierende Interferenzmuster ist nicht mehr genau sinusoidal und zeigt leichte Variationen der Raumfrequenz (Fig. 20B). Der Versuch das Spektrum durch Fourier-Transformation zurückzugewinnen scheitert (Fig. 20C). Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, das Spektrum ohne Qualitätsverlust zu rekonstruieren (Fig. 20D).

Fig. 21 zeigt die entsprechende Simulation unter Annahme grob fehlerhafter opti- scher Elemente, mit entsprechend zwar noch monotonem, aber nicht mehr linea- rem Zusammenhang zwischen den Differenzen der optischen Weglängen der be- teiligten Strahlen und der Position des jeweiligen Elementes des Detektors (Fig.

21A). Das resultierende Interferenzmuster ist entsprechend unregelmäßig (Fig.

21 B). Die Fourier-Transformation führt hier zu keinem Ergebnis (Fig. 21 C). Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Spektrum auch in dieser Situation fast ohne Qualitätsverlust rekonstruiert werden (Fig. 21 D).