Dissertation

5. Optische Systemintegration
Die Integration opto-fluidischer Messsaufbauten ermöglicht die Realisierung sehr
kompakter und mobilder Messsysteme. In der Literatur sind einige Messysteme
beschrieben, die in der Regel einen miniaturisierten Fluidikchip enthalten. Als
Lichtquelle wird aber häufig ein Laser in Kombination mit einer Faser und zur
Signalauswertung eine Photomultiplier Tube in Kombination mit einem Lock-in
Verstärker verwendet [40, 75–78]. In diesen Fällen ist zwar der Chip sehr klein,
aber die Peripheriegeräte verhindern einen mobilen Einsatz. Um diesen zu erreichen
ist es vorteilhaft, wenn auch die aktiven optischen Komponenten direkt
in das System integriert werden können. Durch diesen Schritt wird allerdings die
Vielfalt der einsetzbaren Elemente eingeschränkt, so dass man eventuell ein höheres
Detektorrauschen und eingeschränkte Vielzahl der Lichtquelleneigenschaften
in Kauf nehmen muss. Demgegenüber steht aber die sehr gute Positioniergenauigkeit
durch mikrotechnische Herstellungsverfahren. Ein Sensorsystem, das alle aktiven
optischen Komponenten in einer planaren Strahler-Empfänger-Baugruppe
enthält, wurde von Müller et al. demonstiert [79,80]. Eine solche Baugruppe, die
auf einem Siliziumchip basiert, enthält monolithisch integrierte Fotodioden und
ein in eine Kavität montiertes VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) als
Lichtquelle.
Problematisch bei miniaturisierten Systemen kann die kurze optische Weglänge
sein, da dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis, wie in Bild 4.51 für die Transmissionsmessung
gezeigt wurde, abnimmt und die Nachweisgrenze ansteigt. Die
Integration des Kanals zum Flüssigkeitstransport stellt ebenfalls eine Herausforderung
dar, insbesondere wenn hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität
des Kanals gestellt werden.
In diesem Kapitel wird die Integration von Messsystemen auf der Grundlage
der planar integrierten Freiraumoptik diskutiert. Ein Testsystem, das auf dem
Materialsystem Saphir-Galliumnitrid basiert und diffraktive optische Komponenten
aufweist, wird vorgestellt. Dieses System ist noch auf externe Peripheriegeräte
angewiesen. Dann wird ein in PMMA integriertes System zur Partikelanalyse
demonstriert, das alle aktiven optischen Komponenten in einer Strahler-
Empfänger-Baugruppe integriert. Die passiven optischen Elemente sind refraktiv
ausgeführt. Schließlich wird die Integrationsmöglichkeit eines Talbotinterferometers
einschließlich einzuhaltender Toleranzen und Justagemöglichkeiten diskutiert
und ein Vorschlag für ein integriertes System abgeleitet.
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