BR112019021099A2

BR112019021099A2 - Espectrômetro

Info

Publication number: BR112019021099A2
Application number: BR112019021099-7A
Authority: BR
Inventors: Fraedrich Stefan
Original assignee: Anvajo GmbH
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2020-05-12
Also published as: KR20200002894A; EP3610230A1; IL269776B2; US20200041339A1; CN110753834A; DE102017206066A1; JP2020516916A; IL269776B1; KR102628596B1; WO2018189087A1; IL269776A; US10983002B2

Abstract

a presente invenção refere-se a um espectrômetro com um alojamento (11), no qual estão dispostos uma grade ótica (2) que está alinhada sob um ângulo inferior a 45 graus em relação à abertura (1), uma disposição de objetivas (6) e um elemento sensor (7). a abertura (1) está dimensionada de tal modo, que, com a radiação eletromagnética incidente paralelamente à normal da abertura (1), a superfície da grade ótica (2) está completamente irradiada. a disposição de objetivas (6) está disposta para focalização da radiação eletromagnética sobre o elemento sensor (7) entre a grade ótica (2) e o elemento sensor (7), de modo que exclusivamente uma primeira ordem de difração ou ordens de difração mais elevadas da radiação eletromagnética difratada pela grade ótica (2) está (estão) dirigidas para a disposição de objetivas (6) e o elemento sensor (7).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “ESPECTRÒMETRO”.

[1] A presente invenção refere-se a um espectrômetro.

[2] Do estado da técnica são conhecidos diversos espectrômetros, nos quais se deseja uma miniaturização de toda a construção. Assim o documento US 6 870 619 B1 mostra, por exemplo, um espectrômetro miniaturizado com apenas poucos elementos óticos. Esta construção, porém, necessita de uma grade ótica encurvada dispendiosa, uma abertura pequena e moduladores eletro-óticos. Quando do emprego de uma pluralidade de elementos óticos, como espelhos ou lentes, antes da escala ótica, luz difusa é um grande problema.

[3] Portanto, a presente invenção tem o objetivo de propor um espectrômetro que evite as desvantagens mencionadas, isto é, com o qual se pode alcançar uma forma de construção miniaturizada com alta sensibilidade, com o mínimo de elementos óticos.

[4] Este objetivo é alcançado, de acordo com a invenção, através de um espectrômetro de acordo com a reivindicação 1. Configurações e desenvolvimentos vantajosos estão descritos nas reivindicações dependentes.

[5] Um espectrômetro apresenta um alojamento, no qual estão dispostos uma grade ótica planar disposta oposta à abertura do alojamento, uma disposição de objetivas e um elemento sensor. A grade ótica está alinhada sob um ângulo inferior a 45 graus em relação a uma normal da abertura. A abertura está dimensionada de tal modo que, no caso de radiação eletromagnética incidente paralelamente à normal da abertura, a superfície da grade ótica fica completamente irradiada. A disposição de objetivas está disposta para focalização da radiação eletromagnética incidente sobre o elemento sensor entre a grade ótica e o elemento sensor, de modo que exclusivamente uma primeira ordem de difração ou ordens de difração mais elevadas da

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2/7 radiação eletromagnética retratada pela grade ótica está dirigida ou estão dirigidas à disposição de objetivas e ao elemento sensor.

[6] Através do emprego de uma grade ótica planar, mas plana o componente pode ser construído e acabado de modo simples. Através da abertura comparativamente grande, cujas dimensões estão selecionadas de tal modo, que está presente uma fonte pontual todo o espectrômetro é muito sensível, uma vez que muita radiação eletromagnética incide sobre a grade ótica. Isto é apoiado através de um ângulo agudo, que ainda apoia uma forma de construção compacta de todo o espectrômetro. Por “irradiação completa da grade ótica” devese entender especialmente que toda a superfície da grade ótica voltada para a abertura é irradiada pela radiação eletromagnética incidente. Nesse caso o ângulo pode ser entendido dirigido tanto a partir de uma superfície da grade ótica planar até a normal da abertura como segunda perna de ângulo quando da normal da abertura para a superfície da grade ótica planar.

[7] Tipicamente a radiação eletromagnética incidente vai da abertura diretamente para a grade ótica. Sem a necessidade de atravessar outros elementos óticos como espelhos ou outra abertura, toda a construção é simples e compacta e pouca luz difusa é gerada.

[8] A abertura pode apresentar um diâmetro ou uma largura de pelo menos 0,5 mm a 2,5 mm. Preferivelmente o diâmetro ou a largura é de 1 mm. A própria abertura pode estar configurada como abertura retangular, especialmente quadrada, ou circular no alojamento. Isto possibilita captar o máximo de radiação eletromagnética com uma abertura comparativamente grande.

[9] O ângulo sob o qual a grade ótica está alinhada em relação à normal pode ficar entre 5 graus e 15 graus, preferivelmente entre 7 graus e 10 graus, especialmente ser de 7,5 graus, para possibilitar uma forma de construção plana e manter pequena a necessidade de

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3/7 espaço.

[10] Um distanciamento entre a abertura e a grade ótica está tipicamente entre 1 mm e 40 mm, preferivelmente entre 10 mm e 30 mm, sendo especialmente de 20 mm, de modo que o espectrômetro apresenta um dimensionamento correspondentemente compacto.

[11] Pode estar previsto que a grade ótica esteja provida de um revestimento, o qual reflete pelo menos 90%, preferivelmente pelo menos 95%, de modo especialmente preferido pelo menos 99% da radiação eletromagnética incidente, para alcançar intensidade suficientemente alta sobre o elemento sensor. Preferivelmente o revestimento apresenta alumínio ou está configurado de alumínio.

[12] A disposição de objetivas pode apresentar pelo menos duas lentes de focalização, para garantir um ajuste de ponto focal seguro.

[13] Tipicamente a distância focal da disposição de objetivas fica entre 1 mm e 4 mm, sendo preferivelmente 2 mm.

[14] O elemento sensor pode estar configurado como arranjo de linhas de fotodiodos ou como arranjo de linhas CCD (charge-coupled device) ou como sensor de imagem, por exemplo, como sensor CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) ou sensor CCD.

[15] O elemento sensor é tipicamente sensível à radiação eletromagnética na faixa de comprimentos de onda entre 380 nm e 780 nm. Alternativa ou adicionalmente o elemento sensor pode ser sensível também a radiação eletromagnética na faixa de comprimentos de onda infravermelha, especialmente a comprimentos de onda entre 780 nm e 1700 nm, ou na faixa de comprimentos de onda ultravioleta, especialmente a comprimentos de onda entre 200 nm e 380 nm. Tipicamente, porém, um período de grade da grade ótica e/ou um ângulo da inclinação é adaptado em função do comprimento de onda a ser detectado.

[16] Preferivelmente um telefone móvel (celular) apresenta o

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4/7 espectrômetro descrito. Nesse caso o telefone móvel pode apresentar o espectrômetro descrito tanto integrado em um alojamento do telefone móvel quando o espectrômetro sobre o telefone móvel.

[17] Exemplos de realização do espectrômetro estão representados nos desenhos e são descritos a seguir com o auxílio das figuras

I e 2. São mostrados:

[18] Figura 1 - uma vista lateral esquemática do espectrômetro e

[19] Figura 2 - um telefone móvel em vista lateral com o espectrômetro.

[20] Na figura 1 está representado um espectrômetro em uma vista lateral esquemática. Em um alojamento 11 do espectrômetro consistindo de material sintético ou de metal um feixe de raios 5 de radiação eletromagnética cai em um espaço interno 3 do alojamento

II através de uma abertura 1, na faixa de comprimentos de onda visível.

[21] A abertura 11 é circular no exemplo de realização representado e apresenta um diâmetro de 1 mm, de modo que através da abertura 1 não é gerada nenhuma fonte pontual na entrada do espectrômetro. Através do tamanho da abertura 1 o espectrômetro é muito sensível, uma vez que existe uma relação quadrada entre o tamanho da área da abertura 1 e a intensidade de radiação incidente ou intensidade de luz.

[22] Da abertura 1 a radiação eletromagnética incide sobre uma grade ótica 2 com uma constante de grade entre 200 nm e 1200 nm, preferivelmente entre 400 nm e 700 nm, a qual está colocada no alojamento 11 através de um retentor. Como não estão dispostos outros elementos óticos na marcha dos raios da radiação eletromagnética, uma configuração de luz difusa é minimizada e não são necessárias outras aberturas. A grade ótica 2, no exemplo de realização represen

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5/7 tado, está inclinada sob um ângulo plano 4 de 7,5 graus em relação à direção de propagação da radiação eletromagnética, a qual está dirigida paralelamente a uma normal da abertura 1. O distanciamento entre a abertura 1 e a grade ótica 2 é de 20 mm.

[23] A abertura 1 está dimensionada de tal modo, que, com radiação eletromagnética incidente paralelamente à normal da abertura 1, a superfície da grade ótica 2 voltada para a abertura 1 está completamente irradiada. A grade ótica 2 pode apresentar, portanto, pelo menos um tamanho de diâmetro do feixe de radiação 5 incidente, o qual cai através da abertura 1, mas uma área da grade ótica 2 também pode ser menor que o feixe de raios 5.

[24] A grade ótica 2 está provida de um revestimento de alumínio altamente refletivo com grade de refração de reflexão, o qual reflete pelo menos 90% de uma intensidade incidente. O ângulo de inclinação 4 da grade ótica 2 está fixado através da condição de Bragg e em função do período de grade da grade ótica 2 e da faixa de comprimentos de onda da radiação eletromagnética incidente. Essa radiação eletromagnética incidente é refletida pela grade ótica 2 de modo diferenciado na faixa angular, de modo que a primeira ordem de difração 9 incide sobre a disposição de objetivas 6 a partir de duas lentes planoconvexas.

[25] A disposição de objetivas 6 está disposta em um ângulo de 90 graus em relação à direção de propagação da radiação eletromagnética. A disposição de refração zerada 8 não incide sobre a disposição de objetivas 6, mas sim sobre uma parede interna do alojamento 11 no espaço interno 3. Um ponto focal 10 da disposição de objetivas 6 fica em um lado da disposição de objetivas 6 sobre a superfície da grade ótica 2 e no outro lado sobre um sensor de imagem 7. A disposição de objetivas 6 está provida de uma segunda abertura 12, para não deixar luz difusa chegar ao sensor de imagem 7. A segunda aber

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6/7 tura tem um diâmetro ou uma largura entre 1 mm e 100 mm. A distância focal da disposição de objetivas 6, no exemplo de realização representado, é de 2 mm. Isto pode levar a uma distorção de imagem, a qual, porém, pode ser corrigida através de uma unidade de avaliação ao qual o sensor de imagem está ligado eletricamente. Porém, a distância focal pode ser escolhida de tal modo, que a ordem de difração zerada 8 não incide de modo algum sobre a disposição de objetivas 6.

[26] A disposição de objetivas 6 está ajustada ao tamanho do sensor de imagem 7, para que todo o espectro a ser analisado seja representado através da dilatação completa do sensor de imagem 7. Quanto menor o sensor de imagem 7, maior deve ser escolhido o chamado fator de corte (Crop-Factor) ou fator de formato, o qual indica uma razão de comprimento entre diagonais de segundos formatos de recepção, e tanto menor pode resultar a disposição de objetivas 6. Um tamanho de pixel é tipicamente de 1,5 pm no sensor de imagem 7 (mas em outras formas de realização, pode ser de até 6 pm), caso, em vez do sensor de imagem 7, seja empregado um arranjo de linha de fotodiodo, o tamanho de pixel pode ser 5,5 pm. Para satisfazer a condição de Nyquist, é preciso estar previsto um número de pixels correspondentemente alto.

[27] Com a disposição representada na figura 1 e descrita anteriormente, uma solução espectral pode ser de 1 nm, apesar de um diâmetro de abertura de 1 mm.

[28] Na figura 2 está representado um telefone móvel 13 (celular), mais exatamente um Smartphne, em uma vista lateral esquemática, o qual apresenta o espectrômetro. Características recorrentes nesta figura estão designadas com números de referência idênticos aos da figura precedente. A disposição de objetivas 6 e o sensor de imagem 7 podem estar realizados então através de uma câmara embutida no telefone móvel 13. A unidade de avaliação está disposta tipicamen

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7/7 te no telefone móvel 13 e um display do telefone móvel 13 serve como unidade de saída do espectrômetro, na qual os dados determinados pela unidade de avaliação são reproduzidos. No exemplo de realização representado na figura 2 o espectrômetro está colocado no telefone móvel 13 com seu alojamento 12, mas pode estar previsto também integrar o espectrômetro no telefone móvel 13, de modo que o alojamento do telefone móvel 12 englobe o espectrômetro também.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Espectrômetro com um alojamento (11), caracterizado pelo fato de queestão dispostos uma grade ótica (2) planar disposta oposta a uma abertura (1) do alojamento (11), a qual está alinhada sob um ângulo inferior a 45 graus em relação a uma normal da abertura (1), uma disposição de objetivas (6) e um elemento sensor (7), sendo que a abertura (1) está dimensionada de tal modo, que, com radiação eletromagnética incidente paralelamente à normal da abertura (1), a superfície da grade ótica (2) está completamente irradiada, sendo que a disposição de objetivas (6) está disposta para focalização da radiação eletromagnética no elemento sensor (7) entre a grade ótica (2) e o elemento sensor (7), de modo que exclusivamente uma primeira ordem de difração ou ordens de difração mais elevadas da radiação eletromagnética difratada pela grade ótica (2) está dirigida para a disposição de objetivas (6) e o elemento sensor (7).
2. Espectrômetro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a radiação eletromagnética incidente chega da abertura (1) diretamente sobre a grade ótica (2).
3. Espectrômetro de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a abertura (1) apresenta um diâmetro ou uma largura de pelo menos 0,5 mm a 2,5 mm, preferivelmente de 1 mm.
4. Espectrômetro de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o ângulo sob o qual a grade ótica (2) está alinhada em relação à normal, está entre 5 graus e 15 graus, preferivelmente entre 7 graus e 10 graus, sendo de modo especialmente preferível de 7,5 graus.
5. Espectrômetro de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o distanciamento entre a abertura (1) e a grade ótica (2) está mantido entre 1 mm e 40

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2/2 mm, preferivelmente entre 10 mm e 30 mm, de modo especialmente preferido 20 mm.
6. Espectrômetro de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a grade ótica (2) está provida de um revestimento, o qual reflete pelo menos 90% da radiação eletromagnética incidente.
7. Espectrômetro de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a disposição de objetivas (6) apresenta pelo menos duas lentes de focalização.
8. Espectrômetro de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a disposição de objetivas (6) apresenta uma distância focal entre 1 mm e 4 mm, preferivelmente 2 mm.
9. Espectrômetro de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o elemento sensor (7) está configurado como um arranjo de linhas de fotodiodo ou como um sensor de imagem.
10. Telefone móvel (13) caracterizado pelo fato de possuir um espectrômetro como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes.