CN107110705A - 用于将光谱信息转换为位置信息的装置的光学过滤器元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将光谱信息转换为位置信息的装置(70)的光学过滤器元件(50)，该装置具有接入的用于检测信号的探测器(30)，该光学过滤器元件至少包括两个微谐振器(10、11)，其中，微谐振器(10；11)至少具有‑至少两个面叠置的反射层结构(4、6；8、9)，其至少由带有高折射率的材料层(2)和带有低折射率的材料层(3)以交替顺序构成，以及‑至少一个面叠置的谐振层(5；7)，其分别布置在两个面叠置的反射层结构(4、6；8、9)之间。在此，过滤器元件(50)包括至少一个透明的、平行平面式的基底(1)，其用于两个微谐振器(10、11)的光学解耦，其中，第一微谐振器(10；11)位于基底(1)的两个对置的表面(51；52)中的第一表面上，其中，在基底(1)上，第二微谐振器(11；10)位于基底(1)的与第一表面(51)对置的第二表面(54)上，并且其中，至少一个微谐振器(10；11)的谐振层(5；7)和/或分别包围谐振层(5；7)的反射层结构(4、6；8、9)沿过滤器元件(50)的水平轴线(25)具有可变的层厚。

Description

用于将光谱信息转换为位置信息的装置的光学过滤器元件

技术领域

本发明涉及用于将光谱信息转换为位置信息的装置的光学过滤器元件，该装置具有接入的用于检测信号的探测器，该光学过滤器元件至少包括两个微谐振器，其中，微谐振器至少具有

-至少两个面叠置的反射层结构，其至少由带有高折射率的材料层和带有低折射率的材料层以交替顺序构成，以及

-至少一个面叠置的谐振层，其分别布置在两个面叠置的反射层结构之间。

背景技术

对于光学信号的光谱分析来说，将光学信号以各个波长来分开是必需的，它们随后为了评估而通过信号转换器转换为能电利用的数据流。这通过将光谱信息转换为位置信息来进行。迄今为止，针对该目的使用了衍射/折射元件(光栅、棱镜)，其针对高的光谱分辨率(也就是说对照入光的充分宽泛的分束)必须具有足够的几何伸展尺寸。附加地，光学元件的相互的取向必须是充分热稳定和机械稳定的，以便在测量时避免系统故障。因此，迄今为止的光谱仪不适用于所有的使用地点，或者针对该使用目的的成本太高。

在以往，光谱仪的技术研发的方向是最小化以及成本减少。当前的设施与手掌相匹配(例如：USB光谱仪)，并且因此实现足够的分辨率(≈1nm半峰全宽(FWHM))和可接受的信噪比(1:1000)。在此，测量的基本原理没有明显改变。通过光学器件(例如：透镜系统、光纤维)和进入狭缝，输入信号投影到分散元件上。在此通常使用棱镜或格栅。由分散元件在光谱上分开的信号随后转向探测器，其信号随后可以被进一步处理。为了使被分开的信号可以由探测器的各个元件来分辨，信号路径具有依赖于分散元件的转向角度的长度。长度不能够任意地缩短，由此，光谱仪以此为基础具有最小伸展尺寸。

光谱仪的替选的实现方案包含使用带有局部可变的过滤器特性的带通过滤器和探测器单元。在文献US 6 057 925 A中，在概念LVF“线性可变过滤器(Linear variablefilter)”下描述的过滤器元件基于干涉效应，并且通常由金属薄层的层系统和/或介电薄层的层系统构成，薄层在技术上以如下方式施加到基底上，即，层厚和因此是透射特性关于方向是可变的。输入信号的各个组分因此依赖于位置地被不同强度地削弱。通过事先的校准，可以从有源探测器元件的定位得到光谱信息。通过过滤器和探测器的扁平的结构形状，结构元件的在光谱分辨部分和光谱测量部分可以特别紧凑和坚固地实施。

但是，充分利用干涉效应来分开光具有如下结果，即，过滤器具有入射的信号的方向依赖性。与垂直的光入射的入射角相隔越远，那么光谱过滤器特性就越强烈地朝短的波长移动。由此，不再得到有源探测器元件和过滤出的波长之间的明确的相互关系，并且实际的光谱分辨率相对理论上可能的光谱分辨率(通过过滤器特性和探测器分辨率限定)明显变差。为了避免依赖于方向的效应，输入信号必须在穿过结构元件前/期间在光学上相应地调整，以便位于窄的角度范围内。

在文献US 6 785 002 B2“Variable filter-based optical spectrometer(基于可变滤波器的光学分光计)”中，或者在文献US 2004/032584 A“Optical channelmonitoring device(光学通道监视设备)”中，用于使用在通信领域中的这种集成系统的原理结构和功能方式在分束多路复用的信号的情况下说明。在此，从光纤维脱离的光到达透镜系统，并且随后准直地投影到过滤器元件上。各个光谱组分随后通过位于后面的传感器检测。针对高的分辨率建议使用带有介电镜的用于可变过滤器元件的标准器。

在文献US 2003/058447 A1“Colorimeter apparatus for color printer ink(用于彩色打印机墨水的色度计设备)”中描述了如下结构元件，在其中，方向选择通过由玻璃纤维构成的矩阵或由在探测器和过滤器之间的扁平的准直设施来进行。为了进一步提高分辨率，第二玻璃纤维矩阵或准直器可以在过滤器的进入侧使用。

在此，作为用于入射信号的方向限制的另外的变型方案还引用了自聚焦的透镜阵列，像其示例性地在文献US 2010/092083 A1“In-line linear variable filter basedspectrophotometer(基于嵌入式线性可变过滤器的分光光度计)”中描述的那样。

借助线性可变过滤器的分光镜的另外的变型方案在文献US 5 144 498 A“Avariable wavelength light filter and sensor system(可变波长滤光器和传感器系统)”中描述。在此，入射的光通过反射到至多两个可变过滤器上而转向到可选的第三过滤器元件上，并且随后转向到探测器上。在该配置中，过滤器也可以位于相同侧的棱镜的侧面上。

所提到的解决方案的缺点在于，需要部分在空间上伸展的光学器件或者在制造技术上复杂地制造的附加的结构元件，以便从可变的带通过滤器和探测器的组合中得到适宜的光谱信息。

在文献US 2007/0148760 A1中描述了用于检测化学品和生物分子的方法，其由如下步骤构成：

-由光源产生光，

-光入射到光学传感器上/中，当以宽的光学波长带对光学传感器进行照明时，光学传感器给出很窄的光学波长带，

-将来自传感器的输出光传播至带有进入面的探测器，进入面至少包括带有横向上能改变的透射特性的层/包括至少一个带有横向上能改变的透射特性的层，和

-借助探测器使用输出光的定位，以便检测当前的分析物(化学品或生物分子)。

附属的装置包括

-光源，其产生宽的光学波长带，

-光学传感器，当以来自光源的宽的光学波长带对光学传感器进行照明时，光学传感器输出很窄的光学波长带，

-探测器，探测器包括至少一个带有横向上能改变的透射特性的层，而探测器接收到穿过光学传感器的输出光，其中，至少一个层在至少一个层的一个定位上允许所接收的光的一部分通过，并且探测器使用该定位，以便检测当前的分析物。

此外，在文献US 2007/0148760 A1中描述了一种用于得到关于分析物的信息的方法，其中，该方法包括：

在分析物波长转换器上产生对分析物的激励，其方式是，转换器产生输出光，其中，输出光示出分析物信息，

将输出光传播至传输结构的进入面，其中，传输结构具有输出面，其包括两个定位的组或更多个定位的组，其中，传输结构是带有横向上能改变的能量传播功能的被涂层的结构，和

使输出光透过传输结构，直至输出面，从而相关量的光子产生定位的组，其中，相关量示出分析物信息。

附属的装置包括：

分析物波长转换器，其通过产生输出光对分析物激励起反应，输出光示出分析物信息，

带有进入面和输出面的传输结构，其中，输出面包括至少两个定位的组，其中，传输结构是带有横向上能改变的能量传播功能的被涂层的结构，和

传播部件，其将来自转换器的输出光对准传输结构的进入面，在输出光方面，传输结构在输出面的定位的组上以如下方式产生光子，从而相关量的光子产生定位的组，示出分析物信息。

两个最后提到的解决方案的缺点是，待分析的光信号为了良好的分辨率在照射前必须尽可能平行地取向。为此需要附加的光学部件，例如透镜或薄片(叶片)。

在文献US 6,768,097 B1中描述了光电设备，其中，彼此间隔开地布置的两个微谐振器的耦合(Kopplung)用于过滤波长。第一微谐振器在此具有比较大的伸展尺寸(数百μm)，由此形成许多谐振，其被称为频率梳。与第一微谐振器不同地，第二微谐振器具有在其谐振波长的数量级中的伸展尺寸。附加地，第二(薄的)微谐振器的谐振层是能电操控的，以便改变其光学特性(厚度、折射率)。

因此可以过滤掉频率梳的谐振。

缺点一方面是，第一谐振器的频率梳在测量时不允许连续的光谱。此外需要电操控来选择透过两个微谐振器的信号。因此，也能看到另外的缺点，其中，需要的是仅连续式测量宽的光谱，由此，时间分辨率受到限制。

发明内容

本发明的任务是，说明一种用于将光谱信息转换为位置信息的装置的光学过滤器元件，光学过滤器元件以如下方式适当地构造，即，其结构在光谱或光谱测量装置中在光信号的取向方面节省空间地且在此廉价地构造。

本发明的任务借助权利要求1的特征解决。

一种用于将光谱信息转换为位置信息的装置的光学过滤器元件，该装置具有接入的用于检测信号的探测器，该光学过滤元件包括至少两个微谐振器，其中，微谐振器至少具有

-至少两个面叠置的反射层结构，其至少由带有高折射率的材料层和带有低折射率的材料层以交替顺序构成，以及

-至少一个面叠置的谐振层，其分别布置在两个面叠置的反射层结构之间，

其中，根据权利要求1的特征部分，过滤器元件至少包括透明的、平行平面式的基底，其用于两个微谐振器的光学解耦(Entkopplung)，其中，第一微谐振器位于基底的两个对置的表面中的第一表面上，其中，在基底上，第二微谐振器位于基底的与第一表面对置的第二表面上，并且其中，至少一个微谐振器的谐振层和/或分别包围谐振层的反射层结构沿过滤器元件的水平轴线具有可变的层厚。

装置优选是光谱装置/光谱测量装置。

如下结构被称为在本发明的意义中的光学过滤器元件，其在引入光路中时与光子以如下方式相互作用，即，光子的可测量的分量在穿过过滤器后丢失。根据本发明，仅有在光谱上很窄的带通过过滤器元件，而剩余的光谱完全被反射或在结构中被吸收。

如下方法和装置被称为在本发明的意义中的光谱应用/光谱测量应用，其中，射束被拆分，并且得到光谱测量参量(波长、强度)与能读取的探测器元件的配属。

在本发明的意义中的从光谱信息转换为位置信息表示过滤器元件以如下形式的工作方式，即，光在整个面上到达过滤器，并且在穿过后取决于过滤器元件的结构地在过滤器元件的空间伸展尺寸上分开各个光谱组分。

如下的光电传感器被称为在本发明的意义中的探测器，其中，光子通过光电效应转换为电信号。此外，为此涉及光电池、光电倍增器或CMOS/CCD元件和光电二极管。

根据本发明，探测器包含一系列的单个传感器元件，其例如显现为行或矩阵。在此，各个元件可以装备有彼此不同的形状/大小以及光谱灵敏度。

如下电磁射束被称为在本发明的意义中的信号，其单色地(一个频率/波长)或在光谱上宽带地到达过滤器。在此，信号可以具有在时间上的强度调制(单个脉冲、周期性的以及非周期性的变化)，或者以恒定的强度分布出现。

如下结构元件被称为在本发明的意义中的微谐振器，其与电磁射束以如下方式相互作用，即，在内部可以构造出驻波(谐振层)。为此，结构元件的壁(部分)反射式地构造为限界面。

在此重要的是，至少一个空间方向具有在待研究的光谱范围(例如针对数十nm至数μm的光)的数量级中的伸展尺寸。对于被观察的过滤器元件来说，该空间方向垂直于基底的膜/表面的伸展面。

根据本发明，面叠置地显现的层结构表示相互连接的材料层(例如：金属氧化物、金属、聚合物、有机分子等)的次序，材料层分别具有数平方毫米至数百平方厘米的面的伸展尺寸和在数十nm至数百nm的数量级的厚度，其中，分别在两个材料之间刚好形成边界面，其伸展尺寸与之有些不同。带有多于两个层的结构中的连续的边界面在一定范围内相互平行。由于其伸展尺寸的大小关系，层也被称为膜。

膜的制造方法是根据现有技术的方法，例如真空升华、喷涂法、离心法、沉浸法。

在本发明的意义中反射的是指高反射的光子结构，其也被称为介电镜，在其中，通过干涉效应，在光谱上宽的带(数十nm至数百nm)内完全反射大部分的射束(接近100％)。与金属镜不同地，效率接近100％，这是因为通常没有或几乎没有射束被吸收。简单地设计的介电镜由交替顺序的层构成，这些层由对于所观察的波长范围来说透明的材料构成，这些材料在它们各自的折射率方面彼此不同。在可见光谱中，这例如是二氧化硅(n_SiO2＝1.46)和二氧化钛(n_TiO2＝2.4到2.6)材料，它们分别设定到最大待反射的波长的四分之一的光学厚度n x d。在7到9个交替层对的数量的情况下可以得到＞99％的反射值。对于调整在数百nm的宽的光谱范围内的具体的反射性能来说，附加的层或层堆叠件可以以刚好计算出的层厚差来补充。

在本发明的意义中的可变的层厚表示厚度沿水平轴线的有针对性地设定的型廓，在水平轴线中，层以面式伸展。该型廓可以具有分立的阶梯部，或者连续地改变。可能的显现是例如针对谐振层的楔形形状，其中，沿水平方向存在每毫米10nm到20nm的层厚增加。每个长度单元的变化越小，那么光谱分辨能力就可以越大，或者在使用更大的探测器时的灵敏度就可以越大，由此另一方面，在测量范围不变的情况下，水平伸展尺寸变大。

用于可变的层厚的制造方法此外包括带有在时间上可变的浸入深度的沉浸法、在一定的角度下气相喷镀或喷涂的层、替选地是在时间上可变的、屏蔽了源的遮蔽件。遮蔽件可以周期性地(例如旋转地)不均匀地覆盖成长层，也可以从沉积开始到结束时越来越多地覆盖成长层。

反射层结构的至少一个区段和/或至少一个谐振层可以由介电材料构成。

至少一个反射层结构可以通过由高折射的光学透明材料和低折射的光学透明材料交替组成的层堆叠件构成。

微谐振器的至少一个谐振模式(resonante Mode)具有高于10％，优选高于50％，特别优选高于90％的透射率。

两个微谐振器的几何结构和/或材料成分相对于基底平面可以是对称的。

在过滤器元件中，反射层沿结构元件的或过滤器元件的水平轴线的层厚走向可以和谐振层厚的走向有关。

第一微谐振器的第一谐振层可以由与第二微谐振器的第二谐振层不同的介电材料构成，并且因此，一个或多个谐振模式可以具有带有彼此不同的曲率的分散抛物线。

基底的表面垂直于层梯度方向的伸展尺寸可以是比较小的。

在射入方向上，延长的、起吸收作用的壁元件可以安置在过滤器元件的侧面上。

局部可变的光学过滤器部分可以安置在其中一个微谐振器之前，在其中，通过起吸收、透射或反射作用的带通器进行对进入的信号的光谱预选。

用于将光谱信息转换为位置信息的光谱装置/光谱测量装置至少包括

-光源，

-探测器

-评估单元，其通过连接线路与探测器连接，

-显示单元，和

-之前提到的、根据本发明的过滤器元件，

其中，根据权利要求11的特征部分，过滤器元件以如下方式构造，即，过滤器元件允许来自光源的光的在短波透明的区域内穿过过滤器元件后的短波部分通过，并且允许来自光源的光的在长波透明的区域内穿过过滤器元件后的长波部分通过，以及过滤器元件使光源的光的在短波透明的区域中照射到过滤器元件后的长波部分反射，并且使光源的光的在长波透明的区域中照射到过滤器元件后的短波部分反射。

光谱装置/光谱测量装置可以具有基于CCD、光电二极管或倍增器的光电式行转换器/矩阵转换器作为探测器。

根据本发明的过滤器元件的带通过滤器以如下方式设计，即，在过滤器元件内进行准直，并且不需要另外的光学元件。因此可以实现特别紧凑的和廉价的光谱测量结构元件或装置。

总之可以规定如下：在探测器(CCD矩阵、二极管行列、二极管阵列)之前安置有根据本发明的光学过滤器元件作为光谱的(线性的)渐变过滤器。渐变过滤器有利地由至少一个光子晶体构成，其带有至少一个层的取决于位置而可变的层厚。渐变过滤器在光谱上宽的带中反射所有入射的光学信号，除了针对结构来说和依赖于定位的特定谐振以外。没有被反射的窄的光谱范围(可以＜1nm)几乎无阻碍地通过过滤器，并且可以随后在直接后置的探测器中被转换为电信号。

本发明因此涉及用于分离在紫外线至红外线范围内的电磁光谱的光学过滤器元件，其与后置的信号转换器组合地能够实现将电磁宽带的信号拆分为其单个组分(光谱学，分光光度技术)。在所提出的本发明中，不需要前置的用于信号整形的光学元件，由此可以实现紧凑的集成元件。

至少两个可变的微谐振器的布置用于将电磁信号分开为其单个组分，微谐振器对置地位于透明的平行平面式的基底的相应的表面上。

如果针对可变的光学微谐振器使用法布里-珀罗干涉仪，那么可以在高的光谱分辨率的情况下同时得到良好的甚至非常好的信噪比。通过调整过滤器元件的参数，一方面可以得到光谱宽度和测量范围的定位、高的方向灵敏性或非常高的单个信号分离。同时，过滤器元件的紧凑的结构能够实现集成到许多迄今为止对于光谱学来说不可接近的工艺中。为了制造过滤器元件可以使用由现有技术公知的用于制造薄层系统的方法，其此外包括真空涂层法(PVD、CVD)和溶胶法。

光学过滤器元件的核心点除了透明的基底之外是可变的带通过滤器。在此，术语光学过滤器元件在本文中表示如下构件，在以100nm至10μm的波长范围(紫外线至红外线)内的在任意光谱组合的电磁信号辐射时，该构件使光谱组合的电磁信号的一部分以不同的强度反射或透射，必要时也吸收在光谱组合的电磁信号的一部分。信号分量通过过滤器元件的具体结构来确定，并且可以包括从几纳米到几百纳米宽的光谱带(带通/频带抑制)，但也遮蔽光谱的各个范围(例如：在使用短波通滤波器(Kurzpass)的情况下透射短波长)。

在所提出的本发明中，基底用于针对力求达到的、待研究的波长范围具有大于25％的充分的透明度。为此，作为材料例如考虑到固体，例如玻璃(在紫外线/可见光范围内)或者硅(在红外线范围内)，但也可以使用塑料或相当的聚合物。基底通常具有带有几毫米到几厘米的边长的面式伸展尺寸。厚度作为第三参量是对于根据本发明的过滤器元件的功能来说重要的参数，并且在十分之几毫米至几毫米之间。因此应该确保的是，两个微谐振器光学解耦。由此在两个微谐振器之间不发生相互作用，该相互作用导致共振，并且表现为退化，并且因此导致过滤器的谱线变宽和分辨率变差。

两个伸展的面(随后被称为基底的第一表面和基底的对置的第二表面)具有相互平行平面式的取向，也就是说，基底的厚度在整个可用的面上是恒定的。附加地适宜的是，表面品质是很高的，以便避免散射效应。

本发明的改进方案和另外的设计方案在另外的从属权利要求中说明

附图说明

本发明结合多个实施例借助多个附图详细阐述。其中：

图1示意性地示出在常见的实施例中的光学过滤器元件的侧视图；

图2示出微谐振器的依赖于角度的透射光谱，其针对550nm的波长计算出，其中，

图2a是由二氧化硅构成的谐振层和100％层厚的情况；

图2b是由二氧化硅构成的谐振层和100.5％层厚的情况；和

图2c是带有四倍厚的由氟化镁构成的谐振层和100％层厚的情况；

图3示意性地示出入射的沿层厚梯度穿过变化的光学几何结构的电磁信号的方向选择的功能原理；

图4a示意性地示出过滤器元件的实施例，其带有附加的、方向受限的壁元件；

图4示出在图4a中所示的实施例的侧视图和功能原理的图示；

图5示出根据图1的光学过滤器元件的多个透射光谱，它们针对三个入射角计算出，其中，第一表面具有带有二氧化钛的微谐振器，第二表面具有带有氟化镁的谐振器作为中心谐振层；

图6示意性地示出穿过可变地起吸收或反射作用的预过滤器的输入信号的位置限制；和

图7示意性地示出光谱装置/光谱测量装置。

具体实施方式

在图1中示意性地示出光学过滤器元件50的结构，该光学过滤器元件例如用于将光谱信息转换为位置信息的光谱装置/光谱测量装置。光学过滤器元件50包括至少两个微谐振器10、11，其中，微谐振器10；11至少具有：

-至少两个面叠置的反射层结构4、6；8、9，其至少由带有高折射率的材料层2和带有低折射率的材料层3以交替顺序构成，以及

-至少一个面叠置的谐振层5；7，其分别布置在两个面叠置的反射层结构4、6；8、9之间。

根据本发明，过滤器元件50包括至少一个透明的、平行平面式的基底1，其用于两个微谐振器10、11的光学解耦，其中，第一微谐振器10；11位于基底1的两个对置的表面51；52的第一表面上，其中，在基底1上，第二微谐振器11；10位于基底1的与第一表面51对置的第二表面54上，并且其中，至少一个微谐振器10、11的谐振层5；7和/或分别包围谐振层5；7的反射层结构4、6；8、9沿过滤器元件50的水平轴线25具有可变的层厚。

针对待分析的光谱范围来说透明的基底1位于中间，该基底具有相互是平行平面的、视觉上光滑的表面51和52。基底1的厚度h在此与介电层2、3的相对的厚度梯度相互作用地是针对方向选择性或过滤器元件50的分辨率来说的决定性的参数。现在，在基底1的第一表面51上通过交替沉积带有高折射率的介电材料层2和带有低折射率的介电材料层3来产生第一层堆叠件4，其作用为宽频带的反射器(一维光子晶体)。图1中的第一介电层堆叠件4没有恒定的厚度，而是具有连续的层厚梯度。过滤器元件50的两个侧面53和54之间的相对的厚度差异通过对测量范围的宽度的要求来规定。各个交替的层2和3的数量确定了光学过滤器元件50的分辨率。使用许多层2和3允许了对彼此靠近的信号的更好分离，但可能对灵敏性产生负面影响，并且也提高了制造要求。

现在，谐振层5施加到第一反射器4上，谐振层在视觉上的观察方式中相应于光子晶体干扰。通常，谐振层的厚度相应于材料层2和材料层3的厚度的许多倍。即使在材料层2中和在材料层3中分别存在遵循反射器4的相对层厚走向的梯度也是如此。

过滤器元件50的第一部分通过第二介电反射器6封闭，由此，现在形成所谓的带有局部可变的层厚和因此连续改变的透射性能的微谐振器10。像在每个谐振器中那样，在微谐振器10中，至少一个相应于几何结构的频率通过多重反射被加强，并且光谱的所有另外的分量被抑制。

在测量范围内的入射到第一部分上的电磁射束局部在光谱上被分离，并且可以穿过基底1。为了绕过微谐振器10的固有分散的问题(其使校准变得不可能)必要的是，限制待测量的信号的方向。根据本发明，带有类似的几何结构的第二微谐振器11用于此。第二微谐振器11同样由第一介电镜8和第二介电镜9以及在两个镜/反射器8和9之间的谐振层7组成。

在最简单的情况下，第二微谐振器11是第一微谐振器10的完全对称的复制。但是，层2、3的数量或材料组成也是可以改变的或者谐振层5和7的厚度也是可以改变的。决定性的是，对于规定的角度来说，在过滤器元件50的整个伸展尺寸上存在一个或多个谐振波长的一致性。相对应地，层厚梯度彼此匹配。

在图2中示出微谐振器10的依赖于角度的透射光谱，其针对550nm的波长计算出，其中，图2a是由二氧化硅构成的谐振层和100％层厚的情况，图2b是由二氧化硅构成的谐振层和100.5％层厚的情况，图2c是带有四倍厚的由氟化镁构成的谐振层和100％层厚的情况。

为此示出谐振模式的对于三个不同的、示例性地计算的微谐振器10来说常见的能量曲线(分散)。在正常的材料分散中，在光谱上窄的(＜1nm半峰全宽)、透明的区域随着入射角的增加，根据1/(ndcos(α))的关系朝更短的波长(更高的能量)移动。在此，n是材料的折射率，d是谐振层5的厚度，α是传播角。

真实的材料值用于计算。介电镜4假定作为示例性的过滤器元件50，介电镜由550nm/(4n_材料)厚的、交替的二氧化钛层2和二氧化硅层3构成。在玻璃基底1上布置有7.5对二氧化钛和二氧化硅层，随后是谐振层5，并且在谐振层上布置有第二介电镜6。在此，单个层2、3的厚度为：

图2a中，相应于550nm/(4n_材料)的厚度的100％，其中，作为谐振层5使用二氧化硅层，其带有550nm/(2n_二氧化硅)的厚度，

图2b中，相应于550nm/(4n_材料)的厚度的100.5％，其中，作为谐振层5使用二氧化硅层，其带有值550nm/(2n_二氧化硅)的100.5％的增大的厚度，和

图2c中，相应于550nm/(4n_材料)的厚度的100％，其中，作为谐振层5使用氟化镁层，其带有(2·550nm)/n_氟化镁的厚度。

尽管存在非常类似的曲线，但还是能看到存在不同。在比较图2a中的光谱和图2b中的光谱时，可看到谐振层5的层厚d对谐振模式的定位的影响。提高0.5％(相应于1nm的物理厚度)将整个分散抛物线朝更长的波长移动近似3nm。在两个模的足够窄的谐振宽度(＜1nm)的情况下，图2a和图2b之间的谐振在任何角度中都没有相交。

在图2c中的光谱中，能看到附属的分散抛物线的由氟化镁的更低折射率以及变为四倍的层厚得到的、更陡的上升。现在，如果将图2a中的光谱和图2c中的光谱相互比较，那么看到的是，在小的角度的情况下，谐振模式相交，并且随着角度增大相互分开(谐振分别示例性地在10°时确定)。

图3示出在图1中引入的过滤器元件50的方向选择的功能原理，其基于在阐述图2时提到的效果。两个微谐振器10、11具有相同的梯度，并且相对置地位于带有厚度h的基底1的表面上。垂直入射的信号12到达第一微谐振器10，并且中间信号14的相应于在0°情况下的、在图2a中说明的信号分量被透射，并且在穿过基底1后到达第二微谐振器11。因为两个谐振器5和7是对称的，所以第二微谐振器11在信号分量14的进入定位上具有相同的透射性能，由此，信号分量(可能被削弱)14可以穿过第二微谐振器11，并且作为输出信号14a被探测到。

如果倾斜入射的信号13在更大的角度的情况下到达第一微谐振器10，那么根据图2a来看相应于该角度的信号分量15作为谐振模式被透射，波长在该情况下小于在信号12垂直入射时的波长。在与微谐振器10、11相比很厚的基底1内，该模沿微谐振器10、11的层厚梯度经过一段距离分量L，其由基底厚度h以及倾斜入射的信号13的入射角得到。

在相对第二微谐振器11的进入定位上，倾斜入射的信号13现在照射到由于梯度导致的有差别的层厚(更薄或更厚)。因此，像在图2的描述中说明的那样，分散抛物线在保持倾斜角的情况下，不在任何一个点上相交，并且信号15不是透射，而是作为信号15a反射。对于接近角(其中，谐振模式穿过两个微谐振器10、11)来说重要的是各个微谐振器10、11的光谱分辨率(精细度)、基底1的厚度h和相对层厚梯度。

图4a示出带有过滤器元件50的结构元件60的实施例，其中，通过起高吸收作用的壁元件18、19确保的是，垂直于微谐振器10、11的厚度梯度地也进行方向选择。在该方向上，相同的几何结构提供的是，透射抛物线根据图2相叠，因此，在输入信号13的倾斜入射的光的情况下的波长校准是不可能的。现在，借助壁元件18、19选择输入信号13的角度范围。为此，过滤器元件50垂直于梯度的伸展尺寸明显更小，在此例如，使用线性元件作为可能的传感器。

图4b以侧视图示出根据图4a的结构元件60的特定的实施例，以便说明对入射的信号22的倾斜角的选择。如果输入信号20垂直地在所示的平面中落入到带有过滤器元件50的结构元件60中，那么输入信号就不受壁元件18、19的影响，并且可以随后根据图3在穿过微谐振器10、11后在后侧作为信号25a被探测到。在足够大的角度下的倾斜的射束22在其路径上穿过结构元件60到达其中一个壁元件18、19，并且在此作为信号22a被吸收。接近角和由此随后在所示的平面内的过滤器元件50的光谱分辨率通过壁元件18、19的壁高度和壁距离的关系来规定。由此，当过滤器元件50垂直于层梯度的宽度非常窄时，可以实现整个结构元件的最小化。然而，伸展尺寸应该是平均的、待分析的波长的许多倍，以便抑制衍射效果的影响，并且同时针对高的信号噪音比得到足够强的输入信号。

图5借助三个计算出的针对不同的入射角度的透射光谱示出针对垂直于微谐振器10的厚度梯度的输入信号20的方向选择来说的替选方法。在此示出了此外在光谱上不可透过的波长范围(抑制频带)内的透射模。过滤器元件50在其第一侧具有550nm/(2n_氧化钛)厚的由高折射的氧化钛材料(n＝2.1)构成的谐振层5，在第二侧具有由氟化镁(n＝1.35)构成的带有厚度为(3·550nm)/2n_氟化镁的低折射的微谐振器11。梯度相对于于基底1是对称的，由此，根据图2a和根据图2c，在垂直的光入射的情况下，两个微谐振器10和11的模一致。随着入射角(在5°和10°的情况下)的增加，谐振根据期待朝更短的波长移动，但同时，信号强度也强烈下降，这是因为两个抛物线由于不同的分散逐渐彼此分离开。

光谱分辨率与在垂直的光入射的情况下的透射相比通过该效果朝短波长的方向扩宽，但光谱分辨率也可以根据过滤器元件50的特定的结构仍变得很小(＜1nm)。

在模拟中假定有由7.5对交替的二氧化硅层和二氧化钛层(厚度为550nm/(4n_材料))构成的微谐振器10，减少提高了可能的信号强度，但减弱了角度选择的效果，并且由此降低了光谱分辨率。

与像在图4a、4b中示出的那样实现结构元件60不同地，在此不需要另外的元件来限制垂直于层梯度的信号。由此，结构元件60也可以平面地伸展，并且因此适用于借助矩阵探测器沿位置坐标或绘制的角度坐标执行光谱探测。

在图6中示意性地示出的是，定位23、24中的、在光谱上超过不可透过的波长范围(阻止范围)的输入信号20如何仍然能够明确地利用所介绍的结构元件60来探测。在输入信号20的第一定位23上，在光谱上很宽的输入信号20位于阻止范围的边界内。探测可以在事先穿过微谐振器10、11后，根据在之前的实施方案中阐述的原理利用中间信号25和输出信号25a来进行。在输入信号20的第二定位24上，在光谱上很宽的输入信号20超过阻止范围的边界，其中，可探测的信号25a的明确的配属不再是可能的(要么是谐振模式要么是透射光位于阻止范围外)。由于该原因，通过前置的、局部可变的过滤器部分26抑制位于相应的阻止范围以外的光谱部分。过滤器部分26既可以起吸收作用(例如功能颜料)，也可以起反射作用(带通过滤器)。针对过滤器部分26的局部布置，分立的阶梯部和层梯度曲线都是可行的。

在图7中说明了用于将光谱信息转换为位置信息的光谱装置/光谱测量装置70，其至少包括：

-光源16，

-探测器30，

-评估单元40，其通过连接线路35与探测器30连接，

-显示单元17，和

-之前提到的、根据本发明的过滤器元件50，

其中，过滤器元件50以如下方式构造，即，过滤器元件允许来自光源16的光的在短波透明的区域内穿过过滤器元件50后的短波部分32b通过，并且允许来自光源16的光的在长波透明的区域内穿过过滤器元件50后的长波部分33b通过，以及过滤器元件使光源16的光的在短波透明的区域中照射到过滤器元件50后的长波部分31b反射，并且使光源16的光的在长波透明的区域中照射到过滤器元件50后的短波部分34b反射。

在图7中说明了如下光分量：

光源16的光的在短波透明的区域中照射到过滤器元件50前的长波部分31a，

光源16的光的在短波透明的区域中照射到过滤器元件50后的长波部分31b，

光源16的光的在短波透明的区域中穿过过滤器元件50前的短波部分32a，

光源16的光的在短波透明的区域中穿过过滤器元件50后的短波部分32b，

光源16的光的在长波透明的区域中穿过过滤器元件50前的长波部分33a，

光源16的光的在长波透明的区域中穿过过滤器元件50后的长波部分33b，

光源16的光的在长波透明的区域中照射到过滤器元件50前的短波部分34a，

光源16的光的在长波透明的区域中照射到过滤器元件50后的短波部分34b。

根据本发明的用于光谱仪70的过滤器元件50的优点在于如下：

根据本发明的结构能够实现沿光信号的传播方向的特别节省空间的光谱仪70，这是因为在根据图7的过滤器元件50和探测器30之间的间距最小的情况下，仅限定了它们的竖直的伸展尺寸和光谱仪70的大小。

如果针对探测器30使用二维元件(矩阵)，那么视在输入侧上的光学配置而定地可以提高信号质量(集成)，或者可以执行依赖于位置/角度的光谱测量。

通过使用介电材料，高的灵敏性(谐振传播接近100％)可以在同时高的选择性(信号的窄的半值宽度)和有利的信噪比(具有透射＜0.1％的谐振的光谱环境)的情况下实现。通过选择过滤器元件-探测器组合的横向的伸展尺寸以及探测器元件的厚度，附加地得到影响光谱仪的分辨率的可行方案。

使用不统一的层厚走向允许了在一个设施中制造带有不同的测量范围的特定的光谱仪(例如：粗略的光谱概图和高分辨率的片段)。原理结构此外可以被容易地封装，并且由于很少数量的必要部件而可以在有特别要求的环境中使用。

此外，组成部分，例如高分辨率的探测器30，在此是大批量生产的产品并且过滤器元件50可以以更大的数量中并行地制造，从而带有根据本发明的光学过滤器元件50的光谱仪70的总成本可以很小。

附图标记列表

1 基底

2 高折射率的材料层

3 低折射率的材料层

4 第一层堆叠件/第一反射器

5 第一谐振层

6 第二层堆叠件/第二反射器

7 第二谐振层

8 层堆叠件/反射器

9 层堆叠件/反射器

10 第一微谐振器

11 第二微谐振器

12 入射信号

13 输入信号

14 中间信号

14a 输出信号

15 反射的信号部分

15a 透射的信号部分

16 光源

17 显示单元

18 第一壁元件

19 第二壁元件

20 输入信号

21 过滤器元件的水平轴线

22 倾斜入射的信号

22a 被吸收的信号

23 定位

24 定位

25 中间信号

25a 输出信号

26 过滤器部分

30 探测器

31a 光的在短波透明的区域中照射到过滤器元件前的长波部分

31b 光的在短波透明的区域中照射到过滤器元件后的长波部分

32a 光的在短波透明的区域中穿过过滤器元件前的短波部分

32b 光的在短波透明的区域中穿过过滤器元件后的短波部分

33a 光的在长波透明的区域中穿过过滤器元件前的长波部分

33b 光的在长波透明的区域中穿过过滤器元件后的长波部分

34a 光的在长波透明的区域中照射到过滤器元件前的短波部分

34b 光的在长波透明的区域中照射到过滤器元件后的短波部分

35 连接线路

40 评估单元

50 用于将光谱信息转换为位置信息的过滤器元件

51 第一表面

52 第二表面

53 第一过滤器元件侧

54 第二过滤器元件侧

60 结构元件

70 光谱装置

h 基底的厚度

d 谐振器层的厚度

α 传播角

n 折射率

Claims (12)

1.用于将光谱信息转换为位置信息的装置(70)的光学过滤器元件(50)，所述装置具有接入的用于检测信号的探测器(30)，所述光学过滤器元件至少包括两个微谐振器(10、11)，其中，微谐振器(10；11)至少具有

-至少两个面叠置的反射层结构(4、6；8、9)，所述反射层结构至少由带有高折射率的材料层(2)和至少由带有低折射率的材料层(3)以交替顺序构成，以及

-至少一个面叠置的谐振层(5；7)，所述谐振层分别布置在两个面叠置的反射层结构(4、6；8、9)之间，

其特征在于，

所述过滤器元件(50)至少包括透明的、平行平面式的基底(1)，所述基底用于两个微谐振器(10、11)的光学解耦，

其中，第一微谐振器(10；11)位于所述基底(1)的两个对置的表面(51；52)中的第一表面上，

其中，在所述基底(1)上，第二微谐振器(11；10)位于所述基底(1)的与所述第一表面(51)对置的第二表面(54)上，并且

其中，至少一个微谐振器(10；11)的谐振层(5；7)和/或分别包围谐振层(5；7)的反射层结构(4、6；8、9)沿所述过滤器元件(50)的水平轴线(25)具有可变的层厚。

2.根据权利要求1所述的光学过滤器元件，

其特征在于，

所述反射层结构(4、6；8、9)的至少一个区段和/或至少一个谐振层(5；7)由介电材料构成。

3.根据权利要求1所述的光学过滤器元件，

其特征在于，

所述反射层结构(4、6；8、9)中的至少一个通过由高折射的光学透明材料和低折射的光学透明材料交替组成的层堆叠件构成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学过滤器元件，

其特征在于，

所述微谐振器(10、11)的至少一个谐振模式具有高于10％，优选高于50％，特别优选高于90％的透射率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学过滤器元件，

其特征在于，

两个微谐振器(10、11)的几何结构和/或材料成分相对于基底平面是对称的。

6.根据权利要求1所述的光学过滤器元件，

其特征在于，

在所述过滤器元件(50)中，反射层(2、3)沿结构元件(60)的或过滤器元件(50)的水平轴线(21)的层厚走向和谐振层厚的走向有关。

7.根据权利要求1所述的光学过滤器元件，

其特征在于，

所述第一微谐振器(10)的第一谐振层(5)由与所述第二微谐振器(11)的第二谐振层(7)不同的介电材料构成，并且因此，谐振模式具有带有彼此不同的曲率的分散抛物线。

8.根据权利要求1所述的光学过滤器元件，

其特征在于，

所述基底(1)的表面(51、52)垂直于层梯度方向的伸展尺寸是比较小的。

9.根据权利要求1所述的光学过滤器元件，

其特征在于，

在射入方向上延长的、起吸收作用的壁元件(18、19)安置在所述过滤器元件(5)的侧面(53、54)上。

10.根据权利要求1所述的光学过滤器元件，

其特征在于，

局部可变的光学过滤器部分(26)安置在其中一个微谐振器(10、11)之前，其中，通过起吸收、透射或反射作用的带通器进行对进入的信号(20)的光谱预选。

11.将光谱信息转换为位置信息的光谱装置/光谱测量装置(70)，所述光谱装置/光谱测量装置至少包括

-光源(16)，

-探测器(30)，

-评估单元(40)，所述评估单元通过连接线路(35)与所述探测器(30)连接，

-显示单元(17)，和

-根据权利要求1至10所述的过滤器元件(50)，

其特征在于，

所述过滤器元件(50)以如下方式构造，即，

所述过滤器元件允许来自所述光源(16)的光的在短波透明的区域内穿过所述过滤器元件(50)后的短波部分(32b)通过，并且允许来自所述光源(16)的光的在长波透明的区域内穿过所述过滤器元件(50)后的长波部分(33b)通过，以及

所述过滤器元件使所述光源(16)的光的在短波透明的区域中照射到所述过滤器元件(50)后的长波部分(31b)反射，并且使所述光源(16)的光的在长波透明的区域中照射到所述过滤器元件(50)后的短波部分(34b)反射。

12.根据权利要求11所述的光谱装置/光谱测量装置(70)，

其特征在于，

所述光谱装置/光谱测量装置具有基于CCD、光电二极管或倍增器的光电式行转换器/矩阵转换器作为探测器(30)。