CN112534224A

CN112534224A - 光谱仪和用于校准光谱仪的方法

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Publication number: CN112534224A
Application number: CN201980053625.5A
Authority: CN
Inventors: M·胡斯尼克; M·丁泽尔; M·施密特; D·乌利希
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-03-19
Also published as: US20210293620A1; DE102018213377A1; WO2020030421A1

Abstract

本发明涉及一种光谱仪（1000），其包括：照明装置（100），用于照明光谱仪测量区域（104）；探测单元（106），用于探测来自于光谱仪测量区域的电磁射束（1004）；和光谱元件（105），光谱元件布置在照明装置（100）和探测单元（106）之间的光路中，其中照明装置（100）包括具有第一中心波长的发光二极管，其设置用于发射具有第一光谱的第一电磁射束；以及包括发光元件，用于将具有第一光谱的第一电磁射束的第一部分转换为具有第二光谱的第二电磁射束，其中第一中心波长具有550nm、3000nm，或在550nm和3000nm之间的值，并且第一光谱和第二光谱具有重叠。

Description

光谱仪和用于校准光谱仪的方法

技术领域和背景技术

在US 2016/0091367 A1中描述了一种用于光谱学应用的宽带NIR（NIR=近红外）光源，其包括蓝色的LED和发光元件，其中由LED发射的射束在穿过发光元件之后对要进行光谱检查的样品进行照明。

如今，与照明器件（磷光体）结合的“发光二极管”（LED）越来越多地用于常规的照明技术。通常，LED作为有源部件发射在大约450纳米（nm）至470nm的波长范围内的具有大约30nm至40nm的半值宽度的蓝光。为了产生期望的白光，例如将无源的发射黄光的照明材料（经常也被称为磷光体）施涂到LED的表面上，照明材料例如由掺铈的钇铝石榴石构成（J.Li等人：A new rare-earth-free hybrid phosphor for efficient solid-statelighting, ACS年会，波士顿, 2015年）。照明器件将LED的入射的蓝光部分转换为宽的黄光光谱。蓝光和宽的黄光光谱的混合最后被感知为白光。作为高能量光的供应方，发射蓝光的LED在照明器件中为光朝更低的能量的所谓的“向下转换”提供了基础。

对于白光LED或相应的照明器件来说，在照明技术中，除了能效之外，诸如色彩质量（由相关的色温和显色指数表示）和色温之类的当前标准是重点。色彩质量和色温可以灵活地特定于应用地被调整，并且此外由未转换的蓝光和已转换的磷光体光谱的比确定。

现代的蓝色的LED的效率通常在大约70%，并且仅受到热形成的限制。由于施加磷光体而造成的附加的损耗主要可以归因于磷光体中的热损耗和所谓的斯托克斯损耗。

针对照明目的，LED的未转换的蓝光有助于照明器件的色彩效果。在光谱学应用中仅使用由照明器件转换的光部分。

发明内容

在光谱学中，利用来自宽的波长光谱的电磁射束来辐射待分析的样品、即待检查的光谱仪测量区域。待检查的波长范围越大，那么结果通常更好，并且应用区域越大。来自于光谱仪测量区域的光谱被记录并且评估。通常，利用光谱仪在大约600nm至1100nm的波长间隔中实施测量。

宽带的光源用于光谱分析，所述光源覆盖整个相关的在测量时应该考虑到的具有尽可能恒定的强度或尽可能恒定的功率的光谱范围。尤其对于便携式的装置、所谓的微型光谱仪来说，此外，光源的高的效率是很重要的。

本发明涉及光谱仪和用于校准光谱仪的方法。

具有独立权利要求的特征的本发明的优点是，可用于光谱测量的波长间隔可以扩大，并且可以以简单的方式实现波长校准和/或功率校准。

这利用根据权利要求1的光谱仪实现，该光谱仪包括用于照明光谱仪测量区域的照明装置、用于探测来自于光谱仪测量区域的电磁射束的探测单元和光谱元件，光谱元件布置在照明装置和探测单元之间的光路中。照明装置在此包括具有第一中心波长的发光二极管，其设置用于发射具有第一光谱的第一电磁射束。此外，照明装置包括发光元件，用于将具有第一光谱的第一电磁射束的第一部分转换为具有第二光谱的第二电磁射束。光谱仪的特征在于，发光二极管的第一中心波长是550纳米（nm）或3000nm，或在550nm和3000nm之间的值，并且第一光谱和第二光谱具有重叠。

光谱仪的照明装置的发射光谱（其可以用于照明针对光谱测量的光谱仪测量区域）因此有利地包括第一电磁射束的未转换的第二部分和具有第二光谱的第二电磁射束。优点是，因此提供具有照明装置的光谱仪，其中照明装置覆盖在具有尽可能恒定的功率的近红外的波长范围内的宽的光谱范围，因为在通过发光元件进行部分转换之前，LED的光谱已经包括可用于光谱分析的波长范围。通过高强度的由照明装置发射的电磁射束，可以实现高的信噪比（SNR，英语：Signal to Noise Ratio），由此，有利地可以提高光谱仪的灵敏度和精度。此外，由发光二极管发射的电磁射束（但其通过发光元件、即照明器件没有转换为更高波长的光）和由照明器件转换的第二电磁射束有助于光谱仪的可用的波长范围。也就是说尤其地，由发光二极管发射的电磁射束（但其通过照明器件没有转换为更高波长的光）在到达光谱仪测量区域之后还具有足够高的强度，从而该电磁射束可以由探测单元检测，并且因此也可以从该波长范围可靠地探测并且必要时可以评估光谱仪测量区域的光谱信息。这尤其对于傅里叶变换光谱仪来说是有利的，因为傅里叶变换光谱仪由于技术原因可以在大的波长范围内使用。因此有利地可以提高用于光谱学应用的照明装置的效率。

通过光谱仪的宽的可用的波长范围（其中LED的发射光谱和发光元件的发射光谱可用于光谱分析），尤其可以以高的可靠性根据利用光谱仪检测的光谱数据实现材料或对象识别，并且可以实现以高的精度测量内含物的浓度。

非常高的光强可能对眼睛安全意味着风险。因此，眼睛可以通过热效应或光化学效应受损。对眼睛的生物效应和潜在危害在很大程度上与波长有关。与较高波长的光（例如红光或NIR光）相比，蓝光（在400nm和500nm之间的波长）具有在热和光化学的眼睛损害方面高得多的潜在危害。另外的优点因此是，即使未经培训的用户也可以安全地使用光谱仪。

在实施方式中，发光二极管的第一中心波长可以是550纳米（nm）或1000nm，或在550nm和1000nm之间的值。备选地，发光二极管的第一中心波长可以具有760nm或2500nm或在760nm和2500nm之间的值。备选地，发光二极管的第一中心波长可以具有610nm或3000nm或在610nm和3000nm之间的值。备选地，发光二极管的第一中心波长可以具有610nm或1000nm或在610nm和1000nm之间的值。具有大约625nm至700nm的中心波长的发射红光的发光二极管在将电功率转换为光功率方面是非常高效的。与基于InGaAs的必须用于大于1020nm的波长范围的系统相比，尤其基于GaAs的具有最大1020nm的中心波长的材料系统可以明显更便宜地制造。

发光二极管（LED）尤其是在红色的或近红外波长范围内发射光的LED。红色的波长范围包括在610nm和760nm之间（包括610nm和760nm）的波长。近红外波长范围包括760nm和3000nm（包括间隔边界）的波长。LED的颜色尤其与所使用的半导体材料或半导体材料的带隙有关。红色的LED可以例如包括砷化铝镓（AlGaAs）、磷化镓（GaP）、磷化砷化镓（GaAsP）、磷化铝镓铟（AlGalnP）等。近红外的LED例如可以包括砷化铝镓（AlGaAs）、砷化镓（GaAs）等作为半导体材料。

LED的光谱可以大多非常近似地通过高斯函数描述。发光二极管的光谱大多通过唯一的波长、例如LED的中心波长表示。中心波长描述了位于两个点（波长）之间的中间，具有光谱的峰值的50%、即光谱的最大值的50%的光谱密度的波长。对于对称光谱来说，中心波长刚好相应于光谱最大的波长。

发光元件可以包括一个或多个照明器件。照明器件的示例此外在“Sunlight-activated long-persistent luminescence in the near-infrared from Cr3+-dopedzinc gallogermanates”，（Pan等人，Nature Materials 11, 58-63 (2012)）中描述。发光元件可以通过LED激发，用于发射电磁射束。典型的磷光体基于石榴石、硅酸盐、氮氧化物或氧化碳氮化物或氮化物或碳氮化物。尤其地，发光元件可以通过LED激发，用于发射在近红外波长范围内、例如在550nm至1100nm的范围内、在1150nm至1800nm的范围内或在850nm至1700nm的范围内的电磁射束。同样，在特殊的实施方式中，可以使用附加的、有效的照明器件，其在某种程度上加宽了LED的发射，并且其发射范围可以完全位于NIR照明器件的激发范围内。

光谱仪测量区域例如可以理解为应该借助光谱仪在其光谱特性方面被检查的对象，或者对象的一个片段，其中该对象例如可以包括气态的、液态的和/或固态的介质。该对象可以具有同质或异质的成分。

光谱仪测量区域的光谱数据可以被检测，其方法是，来自光谱仪测量区域的电磁射束、即例如由光谱仪测量区域发射的、反射的、透射的和/或散射的电磁射束由光谱仪或光谱仪的探测单元探测。

照明装置和/或探测单元可以包括光谱元件。备选地或补充地，光谱元件可以实施为单独的构件。光谱元件可以布置在照明装置和光谱仪测量区域之间的光路中。备选地或补充地，光谱元件可以布置在光谱仪测量区域和探测单元之间的光路中。光谱元件例如可以包括可调的法布里-珀罗干涉仪（FPI）、双折射晶体和偏振器，或其他的波长选择性滤光器，以及可选地包括光学透镜、光学孔、微透镜、微透镜阵列、分束器、反射镜、微型反射镜等。光谱仪例如可以构造为静态的或可运动的傅立叶变换光谱仪或法布里-珀罗光谱仪。

照明装置、光谱元件和光谱仪的探测单元例如可以布置在透射几何结构或反射几何结构中。在透射测量中，尤其检测电磁射束，电磁射束被待检查的光谱仪测量区域透射，其中被透射的电磁射束具有关于光谱仪测量区域的光谱信息。被透射的电磁射束可以借助光谱元件和探测单元波长选择性地被探测，并且提供关于光谱仪测量区域的光谱成分的说明。照明装置和探测单元在此关于光谱仪测量区域布置在彼此背对的侧面上。在反射测量中，尤其检测被待检查的光谱仪测量区域反射的电磁射束，其中被反射的电磁射束具有关于光谱仪测量区域的光谱信息。被反射的电磁射束可以波长选择性地被探测，并且提供关于光谱仪测量区域的光谱成分的说明。在此，照明装置和探测单元关于光谱仪测量区域布置在共同的侧面上，其中探测单元布置为，使得尤其来自照明装置的并且由光谱仪测量区域反射的电磁射束到达探测单元，并且可以由探测单元检测。

在实施方式中，探测单元可以包括探测器元件或探测器阵列，探测器阵列包括多个探测器元件。例如基于硅（Si）、锗（Ge）、硅上锗、铟镓砷化物（InGaAs）、亚硒酸铅（PbSe）的射束传感器可以用作探测器元件。光电二极管或辐射热测量计例如也适合作为射束传感器。射束传感器可以根据到达射束传感器的电磁射束的特性输出探测电信号，探测电信号是针对射束特性的尺度。射束传感器例如可以测量来自于光谱仪测量区域的电磁射束的强度或能量流密度。

在实施方式中，探测单元可以构造用于，以光谱方式评估来自光谱仪测量区域的电磁射束的探测信号，该探测信号包括光谱数据。光谱数据例如可以包括光谱或光谱片段。光谱数据例如可以包括关于波长、时间或位置被记录的强度变化过程，或电信号的变化过程。探测信号例如可以包括电信号。光谱信息例如可以借助计算机算法和存储在存储器中的参考数据、例如参考光谱或参考光谱片段从探测信号获知。可以在光谱仪中，在包括光谱仪的移动终端装置中，和/或在相对于光谱仪布置在外部的评估单元、例如云中进行光谱评估。

移动终端装置可以包括设置用于处理信号或数据的计算单元、设置用于存储信号或数据的存储单元、用于读入和/或输出数据的通信接口和设置用于显示信息和/或测量结果的显示单元。计算单元例如可以包括处理器或微型控制器。通信接口可以构造用于无线地和/或有线地读入或输出数据。移动终端装置例如可以是智能手机，在智能手机的存储单元中可以存储有软件应用（App），或其中该App是可下载的，或者可以线上使用。该App可以设置用于借助光谱仪实施测量。测量结果或对测量结果的光谱评估的结果例如可以通过移动终端装置的显示单元输出至用户。可能的显示单元例如是显示器或扩音器，借助显示器或扩音器可以实现光学的、触觉的或声学的输出。光谱评估的结果、即光谱仪测量区域的光谱信息例如可以是关于光谱仪测量区域的化学成分的信息、在光谱仪测量区域中的至少一种化学物质的存在和/或浓度或对光谱仪测量区域的鉴别。

在实施方式中，光谱仪的特征在于，发光元件布置在发光二极管上。发光元件尤其可以作为层直接布置在发光二极管上。有利的是，因此能够实现光谱仪的非常紧凑的结构。

备选地或补充地，发光元件可以作为所谓的“Remote Phosphor”布置在单独的载体上。有利的是，因此能够实现对光谱仪测量区域的均匀的照明。此外，减小对发光元件、即“磷光体”的加热，由此可以提高发光元件的光谱稳定性。因此可以提供可靠的光谱仪。载体例如可以包括保持结构或光学元件、例如光学透镜、扩散器或定向扩散器。定向扩散器是具有在技术上相匹配的散射特性的扩散器。

根据实施方式，发光元件可以包括至少一个另外的用于将具有第一光谱的第一电磁射束的第一部分转换为具有第三光谱的第三电磁射束的照明器件，和用于将具有第三光谱的第三电磁射束转换为具有第二光谱的第二电磁射束的第一照明器件。有利的是，因此进一步优化照明装置的发射光谱，从而在可用于光谱测量的波长范围上可以实现具有尽可能恒定的强度或功率的光谱。

根据实施方式，照明装置包括壳体，在壳体中布置有发光二极管。发光二极管尤其布置在SMD壳体（SMD=表面贴装器件）中。备选地或补充地，在壳体、尤其SMD壳体上或中可以布置有光学元件，光学元件对光传播产生影响。在实施方式中，光学元件可以包括至少一个随后的构件和/或多个同类的随后的构件：扩散器、定向扩散器、反射器、反射镜、微型反射镜、光学透镜。有利的是，因此能够优化针对光谱分析的照明装置的光传播。

根据实施方式，探测单元可以包括计算单元，计算单元设置用于，借助来自于光谱仪测量区域的电磁射束检测光谱，和/或确定光谱仪测量区域的光谱信息。

根据实施方式，光谱仪是微型光谱仪。微型光谱仪是具有在厘米范围内、尤其在小于10cm并且大于1cm的范围内或更小的尺寸的光谱仪。例如，微型光谱仪大于等于1cm³并且小于等于1000cm³。备选地或补充地，微型光谱仪也可以小于等于1 cm³并且大于等于0.01cm³。备选地或补充地，微型光谱仪也可以小于等于100 cm³并且大于等于0.01 cm³。有利的是，因此能够提供有效的、紧凑的、可运输的光谱仪。

用于校准光谱仪的方法的特征在于，发光二极管的第一中心波长用作用于探测单元的波长校准的参考。激发波长、也就是说发光二极管的第一中心波长可以假定为已知的。因为探测单元对于红色或近红外波长范围内的电磁射束敏感，并且由于LED的第一中心波长也在该波长范围内，所以探测单元可以探测由LED发射的电磁射束，并且给电磁射束配属已知的波长，用于波长校准。备选地或补充地，该方法的特征在于，为了功率校准，发光二极管的发射的强度用作用于光谱测量的功率参考。除了针对光谱仪所提到的优点之外的一个优点在于，因此可以提高光谱仪的测量结果的可靠性。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出，并且在随后的描述中详细阐述。在附图中的相同的附图标记表示相同的或相同作用的元件。其中：

图1示出了根据实施例的照明装置的横截面；

图2示出了根据实施例的照明装置的横截面；

图3示出了根据实施例的发光二极管的第一光谱；

图4示出了发光二极管的激发光谱和照明器件的发射光谱，其中激发光谱和发射光谱没有重叠；

图5示出了发光二极管的第一光谱和发光元件的第二光谱在根据实施例的共同的坐标系中的草图，其中第一光谱和第二光谱具有重叠；

图6示出了根据实施例的照明装置的发射光谱的草图，其中发光二极管的第一光谱和发光元件的第二光谱相应于图5所示的第一光谱和图5所示的第二光谱；

图7示出了根据实施例的在反射几何结构中的光谱仪；

图8示出了根据实施例的在透射几何结构中的光谱仪；并且

图9示出了用于校准根据实施例的光谱仪的方法的流程图。

具体实施方式

光谱仪100包括用于照明光谱仪测量区域104的照明装置100、用于探测来自于光谱仪测量区域的电磁射束1004的探测单元106和光谱元件105，光谱元件布置在照明装置100和探测单元106之间的光路中。

图1示出了根据实施例的照明装置100的横截面。发光二极管102布置在基底101上。在图1中，基底101具有凹陷部，发光二极管102布置在凹陷部中。发光元件103在凹陷部中布置在发光二极管102上。具有第一中心波长1001’’的发光二极管102设置用于，发射具有第一光谱2001的第一电磁射束1001，其中第一光谱例如具有图3所示的高斯形的变化过程。第一电磁射束1001经过发光元件103，其中发光元件103设置用于将第一电磁射束1001的第一部分1001’转换为具有第二光谱2002的第二电磁射束1002。也就是说，发光元件103包括至少一个照明器件，照明器件可以通过第一电磁射束1001被激发，用于发射第二电磁射束1002。在照明器件中并非允许电荷载体的所有的能量状态。因此，人们也经常提到定义不同的电荷载体可以具有并且不具有哪些能量的电子带或带结构。附加地，在带结构中，可以通过适当引入外来的原子（也被称为活化剂）产生能量带或状态。发光元件103的基本的作用方式基于发光的物理原理。在此通过利用到达发光元件103的第一电磁射束1001的能量激发电子而产生光。由此，电子从低能量状态（价带）转移到更高的能量状态（通过活化剂产生）或所谓的导带。通过该过程，在价带中还产生孔。在一定的时间之后，电子在发射光的情况下又输出其能量，并且返回其价带。因此转换的第二电磁射束1002的第二光谱2002与照明器件的带结构和活化剂有关。第一电磁射束1001的第二部分1001’’’在不用转换的情况下经过发光元件103。照明装置的发射光谱1003因此从第一电磁射束1001的未转换的第二部分1001’’’的光谱和已转换的第一部分1001’的（即第二电磁射束1002的）第二光谱2002叠加产生。图6中示出根据实施例的照明装置100的发射光谱2004的示例性的变化过程。

相对于图1所示的实施例备选地，发光二极管102也可以布置在没有凹陷部的基底上，并且发光元件103（其作用为照明装置的照明器件）可以例如作为层或涂层施加到发光二极管102上。

图1所示的实施例和图2所示的实施例之间的差异是，发光元件103在图1中直接布置在发光二极管102上，而发光元件103在图2中作为所谓的“远程磷光体”布置在单独的载体101’上。在图2所示的实施例中，发光元件103由载体101’与发光二极管102保持间隔开。载体101’将发光元件103间隔开地保持在基底101上方。发光二极管103在基底101上布置在发光元件103和基底101之间。

例如，发光二极管103可以布置在壳体中、例如SMD壳体中。同样在SMD壳体上可以固定有至少一个光学元件（例如扩散器、定向扩散器、发射器、反射镜、微型反射镜、光学透镜），其影响和/或操纵光传播。发光元件103通常施加在发光二极管103上，如例如在图1中示出的那样，作为“远程磷光体”布置在单独的载体101’上，如例如在图2中示出的那样，或者例如也可以布置或施加在光学元件上。

备选地或补充地，在壳体上或在LED壳体和光谱仪测量区域之间的光路中还可以施加另外的光学元件。针对光谱分析，例如可以利用扩散器或定向扩散器或（另外的）光学透镜优化光源的光传播。

根据实施例，图3中示出了第一光谱2001、即发光二极管102的在第一电磁射束1001的一部分被发光元件103转换之前的发射光谱。在x轴200上记录波长，在y轴201上记录强度或光谱辐射密度。第一光谱2001在此具有与高斯函数类似的变化过程。发光二极管的光谱2001大多通过唯一的波长、例如发光二极管102的中心波长1001’’表示。中心波长1001’’在此描述以下波长，其位于具有光谱密度为光谱峰值的50%、即光谱的最大值的50%的两个点（波长）之间的中间。为了对称的光谱，如图3所示的第一光谱2001，中心波长1001’’刚好相应于其中光谱是最大的波长。

图4中示出了发光二极管的激发光谱20和照明器件的发射光谱2002，如在现有技术中描述的那样，其中激发光谱和发射光谱没有重叠。在此使用的照明器件利用蓝色的光（中心波长10’为例如460nm、490nm或在460nm和490nm之间的值）被激发，并且而后发射在近红外范围内、尤其在700nm至1050nm的范围内的电磁射束。蓝色的光的一部分没有被转换，并且因此保留在具有蓝色的LED和在该实施例中由现有技术描述的照明器件的照明装置的发射光谱中，其中该光部分位于波长间隔2000以外，该波长间隔通常在光谱测量中被检测。

根据实施例，图5中在共同的坐标系中示例性地示出了作用为用于发光元件103的激发光谱的第一光谱2001、即发光二极管102的发射光谱，和第二光谱2002，第二光谱描述了在通过第一电磁射束1001’激发之后的发光元件103的发射光谱。在x轴200上记录波长，在y轴201上记录强度或光谱辐射密度。在x轴上记录可用于光谱分析的波长范围2000。典型的波长间隔（在其内产生大量的光电流）对于基于硅的光电探测器来说是400nm至1100nm，对于基于砷化铟镓（In_0.53Ga_0.47As）的光电探测器来说是600nm或900nm至1700nm，并且对于基于砷化铟镓（In_xGa_1-xAs；x>0.53）的光电探测器来说是900nm至最大2600nm。发光二极管102的第一中心波长1001’’在此在可用于光谱分析的波长间隔2000中。如在图5中示出的那样，第一光谱2001和第二光谱2002具有重叠2000’。由此尤其可能的是，除了发光元件103的发射光谱2002以外，发光二极管102的光谱也用于光谱分析。第二光谱2002的曲线变化过程尤其与发光元件103的化学成分有关。

光谱仪1000包括照明装置100，其中发光二极管102根据实施例具有带有值630nm的第一中心波长，并且其中近红外磷光体用作发光元件103，发光元件发射具有第二光谱2002（带有在700nm和1100nm的范围内的波长）的第二电磁射束1002。典型的磷光体例如基于石榴石、硅酸盐、氮氧化物或氧化碳氮化物或者氮化物或碳氮化物。在该实施例中，照明装置100的发射光谱2004包括具有在600nm至1100nm的间隔中的波长的电磁射束。整个发射光谱2004因此位于可用于光谱分析的波长间隔2000中，并且在该波长范围内具有近似恒定的功率，尤其地，所有在可用的波长间隔2000中的波长的电磁射束以足够的功率指向要进行光谱检查的对象，从而可以提高探测单元106针对波长间隔2000的波长的测量结果的可靠性。

发光二极管103的第一中心波长1001’’例如可以具有550纳米（nm）或1000nm或550nm和1000nm之间的值。备选地，发光二极管102的第一中心波长1001’’可以具有760nm或2500nm或在780nm和2500nm之间的值。备选地，发光二极管102的第一中心波长1001’’可以具有610nm或3000nm或在610nm和3000nm之间的值。备选地，发光二极管102的第一中心波长1001’’可以具有610nm或1000nm或在610nm和1000nm之间的值。备选地，第一中心波长1001’’可以是580nm、630nm、800nm或1200nm。

在另外的实施例中，光谱仪1000的照明装置100的发光二极管102具有带有1200nm的值的第一中心波长1001’’，并且发光元件103包括照明器件，照明器件发射具有（带有在1280nm至1800nm的范围内的波长的）第二光谱2002的第二电磁射束1002。因此，在该实施例中，照明装置和100的发射光谱2004包括1150nm至1800nm的波长。整个发射光谱2004因此位于可用于光谱分析的波长间隔2000中，并且在该波长范围内具有近似恒定的功率，尤其地，所有在可用的波长间隔2000中的波长的电磁射束以足够的功率指向要进行光谱检查的对象，从而可以提高探测单元106针对波长间隔2000的波长的测量结果的可靠性。

在光谱仪1000的另外的创造形式中，具有800nm的发光二极管102可以用作第一中心波长。发光元件103可以包括多个照明器件，照明器件总共发射具有第二光谱2002的第二电磁射束1002，第二光谱具有在850nm至1700nm的范围内的波长。

图6中示出了根据实施例的照明装置100的发射光谱2004的草图，其中发光二极管102的第一光谱2001和发光元件103的第二光谱2002相应于图5所示的第一光谱2001和图5所示的第二光谱2002。在x轴200上记录波长，在y轴201上记录强度或光谱辐射密度。曲线变化过程通常与发光元件103和所使用的发光二极管102的化学成分有关，尤其与发光二极管102的第一中心波长1001’’有关。照明装置100的发射光谱2004从第一电磁射束1001的未转换的第二部分1001’’’的光谱和由发光元件103发射的第二电磁射束1002的叠加产生。

图7示出了以下实施例，在该实施例中，光谱仪1000在横截面中示出，并且布置在反射几何结构中。照明装置100（其例如具有和在图1或图2中示出的照明装置100相同的结构）和探测单元106在反射几何机构中相对于光谱仪测量区域104布置在共同的侧面上，其中探测单元106布置为，使得尤其地，由照明装置100发射的1003和由光谱仪测量区域104反射的电磁射束1004到达探测单元106，并且可以由探测单元检测。探测单元106例如可以包括探测器元件或探测器阵列，探测器阵列包括多个探测器元件。例如基于硅（Si）、锗（Ge）、硅上锗、铟镓砷化物（InGaAs）、亚硒酸铅（PbSe）的射束传感器可以用作探测器元件。光电二极管或辐射热测量计例如也适合作为射束传感器。射束传感器可以根据到达射束传感器的电磁射束的特性输出探测电信号，探测电信号是针对射束特性的尺度。射束传感器例如可以测量来自于光谱仪测量区域的电磁射束的强度或能量流密度。光谱元件105在图7中作为单独的构件布置在光谱仪测量区域105和探测单元106之间的光路中。在实施例中，探测单元106或照明装置100可以包括光谱元件105，或光谱元件105可以布置在照明装置100和测量区域104之间的光路中。

图8示出了以下实施例，在该实施例中，光谱仪1000在横截面图中示出并且布置在透射几何结构中。照明装置100（其例如具有和在图1或图2中示出的照明装置100相同的结构）和探测单元106相对于光谱仪测量区域104布置在光谱仪测量区域104的彼此背对的侧面上。也就是说，光谱仪测量区域104布置在照明装置100和探测单元106之间。光谱元件105可以如之前针对图7描述的那样构造为照明装置100的一部分或探测单元106的一部分，或作为单独的构件布置在照明装置100和光谱仪测量区域104之间的光路中。

光谱元件105例如可以包括可调的法布里-珀罗干涉仪（FPI）、双折射的晶体和偏振器或其他的波长选择性滤光器，以及可选地包括光学透镜、光学孔、微透镜、微透镜阵列、分束器、反射镜、微型反射镜等。光谱仪1000例如可以构造为静态的或可运动的傅里叶变换光谱仪或法布里-珀罗光谱仪。照明装置100、光谱元件105和探测单元106可以布置在共同的壳体中。例如，光谱仪1000可以构造为便携式的装置。例如，光谱仪1000可以构造为微型光谱仪。在实施例中，光谱仪1000可以整合到移动的终端装置中、例如智能手机中。

图9中示出了用于校准光谱仪1000的方法300的流程图。光谱仪例如包括图1或图2所示的照明装置100。发光二极管102的已知的发射光谱可以用于校准光谱仪100，因为探测单元基于第一中心波长的选择对由发光二极管发射的第一电磁射束1001敏感。该方法可以包括波长校准301和/或功率校准302。在图9所示的方法300中，波长校准301和功率校准302在流程图中示出。在波长校准301中充分利用的是，发光二极管102的第一中心波长1001’’是已知的。在波长校准中，探测单元106检测具有第一光谱2002的第一电磁射束1001’，其中给被检测的光谱的中心波长配属已知的第一中心波长1001’’的值。因此，例如可以产生参考数据组301’，其可以应用于光谱测量的测量结果。在功率校准302中，发光二极管102的发射的强度用作用于光谱测量的功率参考302’。为此，鉴于由被检查的对象反射的LED强度来评估测量的光谱。例如，测量的LED强度可以与在电子装置中存储的100%反射比较，从而产生针对该波长的反射的强度的绝对值。在另外的示例中，在测试照明期间测量的LED强度可以用于防止光电二极管在随后的测量中的饱和。在另外的示例中，光谱多次被记录，从而LED强度的改变允许推断出测量条件的改变（例如测量距离、测量角度、被检查的对象等的改变）。

Claims

1.光谱仪（1000），包括：

• 照明装置（100），用于照明光谱仪测量区域（104），

• 探测单元（106），用于探测来自于光谱仪测量区域的电磁射束（1004），和

• 光谱元件（105），所述光谱元件布置在照明装置（100）和探测单元（106）之间的光路中，

其中所述照明装置（100）包括：

• 具有第一中心波长（1001’’）的发光二极管（102），其设置用于发射具有第一光谱（2001）的第一电磁射束（1001），和

• 发光元件（103），用于将具有第一光谱（2001）的第一电磁射束（1001）的第一部分（1001’）转换为具有第二光谱（2002）的第二电磁射束（1002），

其特征在于，

• 第一中心波长（1001’’）具有550nm、3000nm，或在550nm和3000nm之间的值，并且

• 所述第一光谱（2001）和所述第二光谱（2002）具有重叠（2000’）。

2.根据权利要求1所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述发光元件（103）布置在发光二极管（102）的光路中。

3. 根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述发光元件（103）具有：

• 至少一个另外的照明器件，用于将具有第一光谱（2001）的第一电磁射束（1001）的第一部分（1001’）转换为具有第三光谱的第三电磁射束，和

• 第一照明器件，用于将具有第三光谱的第三电磁射束转换为具有第二光谱（2002）的第二电磁射束（1002）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述发光元件（103）作为涂层施加在发光二极管（102）上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述发光元件（103）施加在载体（101’）上或光学元件上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述照明装置（100）包括壳体，发光二极管（102）布置在壳体中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述照明装置（100）具有至少一个用于调节电磁射束的传播的光学元件。

8.根据权利要求5或7中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述光学元件包括至少一个随后的构件：扩散器、定向扩散器、反射器、反射镜、微型反射镜、光学透镜。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述探测单元（106）包括计算单元，所述计算单元设置用于，借助来自于光谱仪测量区域的电磁射束（1004）确定光谱和/或光谱仪测量区域（104）的光谱信息。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述第一中心波长（1001’’）具有550nm、1800nm或在550nm和1800nm之间的值。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述光谱仪（1000）是微型光谱仪。

12.用于校准根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000）的方法，其特征在于，发光二极管（102）的第一中心波长（1001’’）用作用于探测单元（106）的波长校准（301）的参考，和/或为了功率校准（302），发光二极管（102）的获知的强度用作用于光谱测量的功率参考。