CN110274692A - 傅立叶变换光谱仪、用于制造傅立叶变换光谱仪的方法以及用于显示电磁波谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种傅立叶变换光谱仪（100），所述傅立叶变换光谱仪具有用于使光散射的扩散器元件（102）、用于光谱式过滤光的过滤元件（104）、偏转元件（106）和用于探测从所述过滤元件（104）出射的光的探测器元件（108），所述偏转元件用于将从所述扩散器元件（102）出射的光偏转到过滤元件（104）上。

Description

傅立叶变换光谱仪、用于制造傅立叶变换光谱仪的方法以及 用于显示电磁波谱的方法

技术领域

本发明的出发点为根据独立权利要求所讨论的装置或者方法。

背景技术

在根据现有技术的、具有萨伐特偏光镜的静态傅立叶变换-显微光谱仪中，光学部件（扩散器、偏振器、双折射的晶体、分析器、透镜系统和探测器）通常重叠或者依次地被放置在光轴上。由于各个光学部件的结构高度低，显微光谱仪的最小高度为6.5mm（包括盖玻片和电子部件）。这明显高于制造商为将部件安装到智能手机或者其他小型移动设备中预先给定的最大高度。

在US 7719677 B2中描述了一种傅立叶变换光谱仪，所述傅立叶变换光谱仪具有折叠的光路。折叠的光路实现了摄像机到屏幕的、无阻碍的视野。

发明内容

在此背景下，以在这里所介绍的方案介绍了根据独立权利要求的傅立叶变换光谱仪、用于制造傅立叶变换光谱仪的方法和用于借助于傅立叶变换光谱仪来显示电磁波谱的方法。通过在从属权利要求中列出的措施，在从属权利要求中所说明的装置的、有利的改型方案和改进方案是可能的。

介绍了具有以下特征的傅立叶变换光谱仪：

用于使光散射的扩散器元件；

用于光谱式过滤光的过滤元件；

偏转元件，所述偏转元件用于将从扩散器元件出射的光偏转到过滤元件上；以及

用于探测从过滤元件出射的光的探测器元件。

傅立叶变换光谱仪（下文中简称为光谱仪）能够被理解为通过干涉图样来显示电磁波谱的装置。例如，光谱仪能够实施为显微光谱仪。扩散器元件能够被理解为用于光的非定向分布的光学滤波器，例如散射板。偏转元件能够被理解为反射元件，例如镜子或者由多个镜反射的单个元件构成的组件。偏转元件例如也能够附加地用作扩散器。根据实施方式，偏转元件能够成形为平坦的或者弯曲的。偏转元件例如能够构造用于，使在扩散器元件和过滤元件之间的光路折叠90度。过滤元件例如能够被理解为萨伐特偏光镜或者其他的光学过滤元件，所述光学过滤元件用于借助于傅立叶变换来对光进行光谱分析。探测器元件能够被理解为光学传感器元件。例如，探测器元件能够实施为多个光敏像素的阵列。出射的光能够被理解为透射的光束分量。

在这里所提出的方案基于以下认识：傅立叶变换光谱仪（例如以静态傅立叶变换-显微光谱仪的形式）通过光路的相应折叠能够实施得特别紧凑，所述光路在扩散器元件和过滤元件（例如萨伐特偏光镜）之间，所述扩散器元件用于耦入光，所述过滤元件用于光谱式过滤耦入的光。

在静态傅立叶变换-显微光谱仪中的扩散器的任务是，使入射的光的强度分布和角度分布均匀。这对于光谱仪的性能是至关重要的，因为入射的光应当以均匀的强度和角度分布被分布在过滤元件的整个表面上。为了在不均匀的照明或者光倾斜入射时也实现良好的强度和角度分布，例如能够在扩散器前方以一定的距离放置附加的扩散器，其中，扩散器负责均匀的强度分布，并且，附加的扩散器负责均匀的角度分布。由此，然而也附加地增加了光谱仪的结构高度。

与此相对地，在这里所介绍的方案实现了一种布置，所述布置实现了至少一个扩散器在光谱仪的光束路径中的、节省空间的集成，所述光谱仪例如能够包括萨伐特偏光镜或者其他的过滤元件。尤其地，以此能够基于萨伐特偏光镜来制造功能强大的显微光谱仪，所述萨伐特偏光镜具有小于10mm或者小于5mm的高度并且具有小于100mm²的面积。有利的是，为组装和连接技术生成了特别扁平的结构，因为角度误差由于公差带的、所产生的扩大而减小。此外，利用这种结构，入射的光的强度和角度分布的均匀性能够显著地得到改善。

另外的优点是，通过改善的光分布一方面能够提高光谱仪的光效率（即，更多的光能够落在探测器上），由此能够实现更短的测量时间和更好的信号质量，另一方能够避免测量伪像（Messartefakt）并且能够最小化数据处理的花费。也有利的是，光学输入孔通过偏转元件的特殊结构（Ausprägung）而被放大，扩散器功能能够被放置在不同的位置处（例如，在入口处、在偏转元件处或者直接在过滤元件前方），通过减少构件能够实现带有早期封装的、简单并且便宜的制造，并且，通过在构件中制造透镜座和多个反射的光学面能够省去另外的对准操作。

根据一种实施方式，偏转元件能够实施成镜反射和/或漫散射的。附加地或者可替代地，偏转元件能够具有多个散射光学元件。由此，能够在过滤元件上确保尽可能均匀的强度和角度分布。

根据另一种实施方式，过滤元件能够实施为萨伐特偏光镜。萨伐特偏光镜具有第一偏振器元件、双折射的分离元件和用作分析器的第二偏振器元件，所述第一偏振器元件用于偏振从偏转元件出射的光，所述双折射的分离元件用于将从第一偏振器元件出射的光分离成不同偏振的光束，所述第二偏振器元件用于偏振从分离元件出射的光束。在此，探测器元件能够构造用于，探测从第二偏振器元件出射的光。偏振器元件能够被理解为一种偏振器，所述偏振器如此过滤入射的光束，使得只有具有特定偏振方向的光束离开偏振器。这能够以不同的物理效应来实现，例如，通过将光束的、具有不合适的偏振方向的分量引导到第二出口或者通过吸收该分量。分析器能够被理解为一种偏振器，所述偏振器用于确定或者测量现有的偏振。双折射的分离元件能够被理解为由两个或者多个双折射的晶体组成的光学构件。分离元件能够被称作萨伐特-元件。通过这种实施方式，能够成本特别有利地制造光谱仪。

特别有利的是，傅立叶变换光谱仪具有最大5mm的高度和/或最大最大100mm²的面积。由此，例如实现了光谱仪到移动终端设备中的、节省空间的集成。

也有利的是，傅立叶变换光谱仪具有至少一个用于使光散射的、另外的扩散器元件。在此，所述另外的扩散器元件能够布置在偏转元件和过滤元件之间的光束路径中或者在扩散器元件的上游。通过这种实施方式，能够提高光谱仪的效率。

根据另一种实施方式，傅立叶变换光谱仪能够具有壳体构件，所述壳体构件用于容纳扩散器元件、过滤元件、偏转元件和探测器元件。壳体构件能够被成形用于，将扩散器元件、过滤元件、偏转元件和探测器元件在预先确定的位置中相对于彼此对准和/或固定。壳体构件例如能够被理解为由塑料制成的、板状的或者壳状的构件。由此，光谱仪能够以少量的单个部件并且因此特别高效地被制造。

例如，壳体构件能够被成形用于，容纳另外的扩散器元件、照明模块、电子模块、光学模块或者至少两个前述部件的组合，所述光学模块用于将从过滤元件出射的光成像到探测器元件的、预先确定的部分上。照明模块能够被理解为具有至少一个光源的模块，所述光源用于借助于光谱仪以在合适的波长范围中的光来照射待分析的样本。电子模块例如能够被理解为读出或者控制电子器件（例如以ASIC-模块的形式），所述读出或者控制电子器件用于驱动光谱仪。光学模块例如能够被理解为一个透镜或者多个透镜的组件。由此，能够进一步简化光谱仪的制造。

此外，在这里所介绍的方案提供了一种用于制造根据前述实施方式的傅立叶变换光谱仪的方法，其中，所述方法包括至少以下步骤：

将扩散器元件、过滤元件、偏转元件和探测器元件布置在壳体构件中，以便将所述扩散器元件、所述过滤元件、所述偏转元件和所述探测器元件在预先确定的位置中相对于彼此对准和/或固定。

此外，这里所介绍的方案的对象为一种用于借助于傅立叶变换光谱仪来显示电磁波谱的方法，其中，傅立叶变换光谱仪具有扩散器元件、过滤元件、偏转元件和探测器元件，其中，所述方法包括以下步骤：

借助于扩散器元件来使光散射；

借助于偏转元件来将从扩散器元件出射的光偏转到过滤元件上；

借助于过滤元件来光谱式过滤从偏转元件出射的光；以及

借助于探测器元件来探测从过滤元件出射的光，以便显示电磁波谱。

附图说明

在附图中示出了并且在以下描述中进一步阐述了本发明的实施例。附图示出：

图1 根据一个实施例的光谱仪的横截面的示意图；

图2 图1的光谱仪的不同视图；

图3 根据一个实施例的光谱仪的一部分的示意图；

图4 根据一个实施例的光谱仪的一部分的示意图；

图5 根据一个实施例的光谱仪的一部分的示意图；

图6 根据一个实施例的光谱仪的一部分的示意图；

图7 根据一个实施例的、用于与偏转元件组合的光谱仪的示意图；

图8 根据一个实施例的、用于制造光谱仪的方法的流程图；以及

图9 根据一个实施例的、用于显示电磁波谱的方法的流程图。

具体实施方式

在对本发明的有利实施例的以下描述中，相同或者相似的附图标记被用于在不同附图中示出的并且类似作用的元件，其中，省略了对这些元件的重复描述。

图1示出了根据一个实施例的光谱仪100的横截面的示意图。光谱仪100包括用于使光散射的扩散器元件102、以萨伐特偏光镜形式的过滤元件104和偏转元件106（在这里，为平面镜），所述偏转元件用于将从扩散器元件102出射的光偏转到过滤元件104上。尤其地，光在此被直接从偏转元件106偏转到过滤元件104。示例性地，偏转元件106以与扩散器元件102成45度的角度取向，使得，借助于偏转元件106使在扩散器元件102和过滤元件104之间的光路折叠90度。视光谱仪100的结构形式而定，偏转元件106也能够以关于扩散器元件102或者过滤元件104的、其他任意的角度来取向或者弯曲地成形。过滤元件104布置在偏转元件106和探测器元件108之间，所述探测器元件用于探测从过滤元件104出射的光。探测器元件108也能够被称作图像传感器。

根据这个实施例，光谱仪100 具有布置在过滤元件104和探测器元件108之间的光学模块110，所述光学模块用于将从过滤元件104出射的光成像到探测器元件108的、预先确定的部分上。例如，光学模块110实施为带有三个透镜的管。

以萨伐特偏光镜形式的过滤元件104包括第一偏振器元件112、第二偏振器元件114和布置在两个偏振器元件112、114之间的双折射的分离元件116，所述第二偏振器元件用作分析器，所述双折射的分离元件由两个不同定向的、双折射的晶体组成。在此，偏转元件106使从扩散器元件102出射的光偏转到第一偏振器元件112上。

根据在图1中所示出的实施例，扩散器元件102、过滤元件104、偏转元件106、探测器元件108和光学模块110被壳体构件118容纳，所述壳体构件使光谱仪100的部件在预先确定的位置中相对于彼此对准。附加地，壳体构件118用于容纳照明模块12和电子模块122（例如FE-ASIC），所述照明模块例如包括作为光源的一个或者多个发光二极管。示例性地，照明模块120和电子模块122被安装在壳体构件118的底部124。在此，照明模块12和电子模块122布置在壳体构件118的下述部分和底部124之间，使得从扩散器元件102到探测器元件108的光路基本上在两个模块120、122的上方延伸，所述部分具有扩散器元件102、过滤元件104、偏转元件106、探测器元件108和光学模块110。

示例性地，照明模块120相对于壳体构件118的、漏斗形的光出射开口126布置。有利的是，如果光出射开口126实施为反射器，例如通过将反射层施加到光出射开口126的内壁128上。

壳体构件118能够与电路板130等连接。根据一个实施例，壳体构件118配备有涂覆表面，所述涂覆表面用作镜面或者反射器。

光谱仪100例如是静态傅立叶变换-显微光谱仪，所述静态傅立叶变换-显微光谱仪的光路由偏转元件106以合适的方式折叠，以便实现特别紧凑的结构方式。扩散器元件102的、优化的布置实现了在扩散器元件102之后的光的、均匀的强度和角度分布。光谱仪100也能够具有多于一个的扩散器元件或者多一个的、类似于扩散器的构件。视实施例而定，偏转元件106实施成镜反射、漫散射、方向优化地镜反射或者方向优化地漫散射的。可选地，在偏转元件106之前或者之后布置有另外的扩散器元件。通过偏转元件106的特殊构造，例如光谱仪100的光学输入孔能够被扩大，而没有改变其结构高度。此外，由此能够将电构件（如照明模块120）或者电子模块122布置在光谱仪100的光学路径的下方，由此能够减少这些构件的面积。

在图1中，示例性地示出了一种概念，通过该概念，光谱仪100的最大高度被限制为5mm并且光谱仪100的最大面积被限制为100mm²。为此，照明模块120与光谱仪模块共同集成在相同的壳体构件118中。由照明模块120发射的光借助于反射器被引导至样本，并且，在那里被漫散射。在这里，其他的照明光学器件（例如透镜）也是可能的。漫散射的光的一部分入射到光谱仪模块的入口，所述入口由扩散器元件102形成。在那里，光通过偏转元件106以尽可能均匀的强度分布引导至过滤元件104。可选的、另外的扩散器元件能够进一步改进角度分布的均匀性。

在光谱仪模块中，在扩散器元件102之后的光首先借助于第一偏振器元件112来偏振，例如以与x-和y-轴成45度的角度，然后通过分离元件116（也称为萨伐特-元件）被分成水平偏振和竖直偏振的光束。视偏振和入射角度而定，两个光束通过在晶体中的、不同长度的光路。因此，在两个偏振的光束之间的光程长度差取决于光的相应入射角度i。随后，第二偏振器元件114将两种不同的偏振状态再次投射到统一的、与x-和y-轴成45度的角度的状态，以便两个偏振的光能够彼此干涉。随后，光学模块110（例如，以透镜或者透镜系统的形式）具有相同传播方向（即相同入射角i）的所有光束成像到探测器元件108的、狭窄受限的区域上。视相位差而定，光相长或者相消地干涉。由此，在探测器元件108上产生了2D-干涉图像，从所述2D-干涉图像中能够借助于傅立叶变换来确定波谱。因此，重要的是，入射的光强度在空间上均匀地分布在整个萨伐特-元件上并且入射光束的角度均匀地分布在透镜的或者物镜的接收锥内部。

偏转元件106能够具有不同的特点。图3至图6给出了不同的实施例的概述。

在图1中所示出的结构中，壳体构件118服务于对组装和连接技术的所有要求，以便使各个组件彼此连接和对准，其目的为最小化所需构件的数量，所述壳体构件例如被制成塑料注塑件。此外，这种结构实现了早期封装，由此能够避免异物的干扰。

光学路径的、折叠的布置也实现了各个机械部件的最小化和优化。也减少了必要的处理表面的数量，因为所述机械部件能够熔为一个构件。

在该构件内部的热量分布也被均匀化，这也是由构件接口的减少决定的。

偏转元件106的表面能够以几乎任意的形状被示出在相应的工具中。表面结构化也能够在制造过程期间被预先给定。以反射层的、随后的涂覆是可选的。由此，省去了另外的粘合和处理步骤。

图2示出了图1的光谱仪100的不同视图。所示出的是从右侧看的侧视图200、俯视图202、从左侧看的侧视图204、仰视图206和正视图208。

根据一个实施例，电路板130实施为印刷电路板（Printed Circuit Board）或者柔性电路板，所述柔性电路板具有加强器件。示例性地，电路板130具有0.1mm的厚度。电路板130的、从底部124突出的自由部分示例性地具有5mm的长度，并且，底部124具有14.2mm的长度。底部124与壳体构件118一起的高度例如为4.8mm，其中，底部124能够具有0.8mm的厚度。因此，光谱仪100具有小于10mm或者例如小于5mm的高度以及小于30mm或者例如小于20mm的总长度。光谱仪100的宽度例如为5mm，如在正视图208中所示出的。

图3至图6示出了根据一个实施例的光谱仪100（例如前述参照图1和图2所描述的光谱仪）的一部分的示意图。所示出的是偏转元件106的不同实施例。

在此，图3示出了以平面镜形式的偏转元件106的、简单的实施例。在这里，角度分布的均匀化仅通过在双折射的过滤元件104之前的扩散器元件102来完成。

在图4中，偏转元件106实施成漫散射的。由此，实现了良好的角度分布。

在图5中，偏转元件106通过结构化的光学表面来优化，所述光学表面例如实施成多个小的、散射的光学元件。视过滤元件104的几何形状而定，这借助于模拟来适配，以便在尽可能小的光损失并且尽可能均匀的角度分布的情况下实现过滤元件104的、完美的照射。

根据在图6中所示出的实施例，偏转元件106的光学元件的表面附加地以漫散射的方式被更改，例如通过粗糙化。

图7示出了根据一个实施例的、用于与偏转元件组合的光谱仪700的示意图，该偏转元件例如为上文中参照图1至图6所描述的偏转元件。所示出的是，可替代的光谱学原理的结构的简图，所述结构具有第一扩散器701、第二扩散器702、角度相关的带通滤波器704、至少一个傅立叶变换-元件和测器708，所述带通滤波器布置在两个扩散器701、702之间，所述傅立叶变换-元件在这里以多个微透镜706的形式。

在图7中所示出的光谱仪700中，借助于扩散器701、702使光在强度和角度上均匀地分布。视光的入射角度而定，不同波长透过带通滤波器704。这通过傅立叶变换-元件（例如通过一个或者多个透镜或者微透镜）被如此成像到探测器108上，使得不同的入射角度或者波长成像到探测器708的不同区域上。由此，波长在空间上分离，这便于生成所需要的波谱。

为了覆盖更宽的波长范围，能够使用上述段中的多个，所述段具有微透镜和隔离的光学光路。在这些段中的每个中，需要相同的光强度，因此尽可能均匀的强度和角度分布是特别重要的。在紧凑的结构类型中，这实际上仅通过借助于偏转元件来折叠光路就是可能的，如在这里所介绍的方案的对象。

图8示出了根据一个实施例的、用于制造光谱仪的方法800的流程图。方法800例如适用于制造上面参照图1至图6所描述的光谱仪。在此，在可选的步骤810中，首先制造壳体构件，例如在注塑工艺中。在另一个步骤820中，扩散器元件、过滤元件、偏转元件和探测器元件布置在壳体构件中，并且，由此在制造步骤中彼此在预先确定的位置中被对准并且固定。

图9示出了根据一个实施例的、用于显示电磁波谱的方法的流程图900。流程图900例如借助于上面参照图1至图6所描述的光谱仪来执行。在此，在步骤910中，借助于扩散器元件来使入射的光散射，在第二步骤920中，借助于偏转元件将由扩散器元件所散射的光偏转到过滤元件上。在第三步骤930中，借助于过滤元件来光谱式过滤由偏转元件所偏转的光分量。在第四步骤940中，借助于探测器元件来进行对由过滤元件传输的光束的探测。在此，产生了干涉图样，以用于显示入射的光的电磁波谱。

如果一个实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”连接，则这应当被如此解读：该实施例根据一种实施方式具有第一特征和第二特征，并且，根据另外的实施方式仅具有第一特征或者仅具有第二特征。

Claims (9)

1.傅立叶变换光谱仪（100），具有以下特征：

用于使光散射的扩散器元件（102）；

用于光谱式过滤光的过滤元件（104）；

偏转元件（106），所述偏转元件用于将从所述扩散器元件（102）出射的光偏转到过所述滤器元件（104）上；以及

用于探测从所述过滤元件（104）出射的光的探测器元件（108）。

2.根据权利要求1所述的傅立叶变换光谱仪（100），其中，所述偏转元件（106）实施成镜反射和/或漫散射的，和/或，具有多个散射光学元件。

3.根据前述权利要求中任一项所述的傅立叶变换光谱仪（100），其中，所述过滤元件（104）实施为萨伐特偏光镜，其中，所述萨伐特偏光镜具有第一偏振器元件（112）、双折射的分离元件（116）和用作分析器的第二偏振器元件（114），所述第一偏振器元件用于偏振从所述偏转元件（106）出射的光，所述双折射的分离元件用于将从所述第一偏振器元件（112）出射的光分离成不同偏振的光束，所述第二偏振器元件用于偏振从所述分离元件（116）出射的光束，其中，所述探测器元件（108）构造用于，探测从所述第二偏振器元件（114）出射的光。

4.根据前述权利要求中任一项所述的傅立叶变换光谱仪（100），其中，所述傅立叶变换光谱仪（100）具有最大10mm、尤其是最大5mm的高度和/或最大250mm²、尤其是最大100mm²的面积。

5.根据前述权利要求中任一项所述的傅立叶变换光谱仪（100），具有至少一个用于使光散射的、另外的扩散器元件，其中，所述另外的扩散器元件布置在所述偏转元件（106）和所述过滤元件（104）之间的光束路径中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的傅立叶变换光谱仪（100），具有壳体构件（118），所述壳体构件用于容纳所述扩散器元件（102）、所述过滤元件（104）、所述偏转元件（106）和所述探测器元件（108），其中，所述壳体构件（118）被成形用于，将所述扩散器元件（102）、所述过滤元件（104）、所述偏转元件（106）和所述探测器元件（108）在预先确定的位置中相对于彼此对准和/或固定。

7.根据权利要求6所述的傅立叶变换光谱仪（100），其中，所述壳体构件（118）被成形用于，容纳所述另外的扩散器元件和/或照明模块（120）和/或电子模块（122）和/或光学模块（110），所述光学模块用于将从所述过滤元件（104）出射的光成像到所述探测器元件（108）的、预先确定的部分上。

8.用于制造根据权利要求6或者7所述的傅立叶变换光谱仪（100）的方法（800），其中，所述方法（800）包括至少以下步骤：

将所述扩散器元件（102）、所述过滤元件（104）、所述偏转元件（106）和所述探测器元件（108）布置（820）在所述壳体构件（118）中，以便将所述扩散器元件（102）、所述过滤元件（104）、所述偏转元件（106）和所述探测器元件（108）在预先确定的位置中相对于彼此对准和/或固定。

9.用于借助于傅立叶变换光谱仪（100）来显示电磁波谱的方法（900），其中，所述傅立叶变换光谱仪（100）具有扩散器元件（102）、过滤元件（104）、偏转元件（106）和探测器元件（108），其中，所述方法（900）包括以下步骤：

借助于所述扩散器元件（102）来使光散射（910）；

借助于所述偏转元件（106）来将从所述扩散器元件（102）出射的光偏转（920）到所述过滤元件（104）上；

借助于所述过滤元件（104）来光谱式过滤（930）从所述偏转元件（106）出射的光；以及

借助于所述探测器元件（108）来探测（940）从所述过滤元件（104）出射的光，以便显示所述电磁波谱。