CN113196021A - 光谱仪设备和用于制造光谱仪设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱仪设备（1a），其具有：光学干涉滤光器（2），所述光学干涉滤光器被构造为：在入射光线（L）穿过所述光学干涉滤光器（2）时对所述入射光线的特定的波长范围进行滤波；探测装置（3），所述探测装置被构造为探测经滤波的光线（L）；和聚焦装置（4a），所述聚焦装置具有反射表面（5），其中所述聚焦装置（4a）被构造为：通过在所述表面（5）上的反射来使所述经滤波的光线（L）聚焦到所述探测装置（3）上。

Description

光谱仪设备和用于制造光谱仪设备的方法

技术领域

本发明涉及一种光谱仪设备和一种用于制造光谱仪设备的方法。本发明尤其涉及一种设计成法布里-珀罗干涉仪的光谱仪设备。

背景技术

光学光谱仪用于通过研究光谱来分析光线。从DE 196 81 285 T1公知一种用于红外显微光谱仪的附加仪器。尤其在该文献中公开了一种内部反射元件，该内部反射元件降低了通过物镜的光学设计来控制入射辐射的角度的必要性。DE 10 2005 055 860 B3公开了一种带有凹面镜的气体传感装置，该凹面镜由外壳的反射性内壁形成，而且保证了光输出增加。

光线的光谱分量可以借助于干涉仪和探测装置来确定。在这种情况下使用的光学干涉滤光器具有取决于入射角的透射特性。所透射的中心波长尤其取决于光线的入射角。光线相对于垂直线而言的入射角越大，所透射的中心波长就偏移得越多。因而，为了通过光谱元件透射的光的良好的分辨率或半值宽度，需要限制探测器所检测的角度范围。对该角度范围的可能的限制可借助于孔径来实现，如从WO 17057372 A1中公知。替选地，可以使用透镜，这些透镜将光线以同一入射角投射到焦平面内的相同的位置。通过适当地选择探测器的尺寸，仅探测来自所希望的入射角区间的光。从US 2016/0112776 A1公知这样的装置。

发明内容

本发明提供了一种具有专利权利要求1的特征的光谱仪设备和一种具有专利权利要求11的特征的用于制造光谱仪设备的方法。

优选的实施方式是相应的从属权利要求的主题。

因此，按照第一方面，本发明涉及一种光谱仪设备，该光谱仪设备具有光学干涉滤光器、探测装置和聚焦装置。光学干涉滤光器被构造为：在入射光线穿过该光学干涉滤光器时对入射光线的特定的波长范围进行滤波。探测装置被构造为探测经滤波的光线。聚焦装置具有反射表面，并且被构造为：通过在该表面上的反射来使经滤波的光线聚焦到探测装置上。

因此，按照第二方面，本发明涉及一种用于制造光谱仪设备的方法。提供光学干涉滤光器，该光学干涉滤光器被构造为：在入射光线穿过该光学干涉滤光器时对入射光线的特定的波长范围进行滤波。还提供探测装置，该探测装置被构造为探测经滤波的光线。最后提供聚焦装置，该聚焦装置具有反射表面。聚焦装置、探测装置和光学干涉滤光器相对于彼此被布置为使得聚焦装置将经滤波的光线聚焦到探测装置上。

本发明的优点

按照本发明的光谱仪设备的特点在于：该光谱仪设备可以非常紧凑地被建造，也就是说可具有非常小的结构高度。原因在于：可以省去附加的透镜元件，而且通过聚焦装置的反射表面来使经滤波的光线聚焦，该聚焦装置可以被设计得具有微小的结构高度或在入口孔径大的情况下具有微小的结构高度。此外，可以使用在良好的入射角限制的情况下入口孔径大的光学干涉滤光器。由此，总体上可以实现该光谱仪设备的高光效率和良好的信噪比。 由于角度限制、也就是说对所探测的入射角范围的限制被改善，也可以实现高分辨率。

使用反射表面相对于使用透镜而言的另一优点在于：反射表面、比如金属镜面的色差实际上可忽略不计。由此，能够确保在宽的波长范围内以高质量来限制入射角。此外，反射表面的吸收显著低于透镜元件的吸收，透镜元件的吸收在特定的波长范围内视透镜材料而定可能是显著的。由此，通过使用反射表面可以探测尽可能多的光。

此外，该光谱仪设备的所使用的组件能以微小的调整花费来组装，使得制造成本可以保持得低。

最后，能够使用小且成本低廉的探测装置，而不减少光输出。因此，尽管光效率高，仍可以同时降低成本。

与使用透镜相反，按照本发明的光谱仪设备的合适之处在于在光线被探测装置检测到之前光线所经过的界面数目更少。由此减少了可能发生的反射损失。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，探测装置在光学干涉滤光器的光出射侧集成到光学干涉滤光器中，光线在穿过该干涉滤光器之后在该光出射侧射出。探测装置也可以直接布置在光学干涉滤光器上。最后，探测装置可以间接布置在干涉滤光器上，其中例如在探测装置与干涉滤光器之间可以构造附加的层。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，探测装置与延伸经过光学干涉滤光器的中心的轴线至少部分地重叠。该光谱仪设备例如可具有圆形或方形截面，而且探测装置布置在沿着经过该圆形或方形截面的中心的轴线的位置。探测装置和干涉滤光器对称地构造，使得聚焦装置也可以对称地构造。聚焦装置比如可具有关于该轴线对称地设计的抛物面镜的形状，该抛物面镜将光线聚焦到沿着该轴线布置的探测装置上。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，该光谱仪设备还具有载体装置。光学干涉滤光器、探测装置和聚焦装置直接或间接布置在载体装置上。尤其是，光学干涉滤光器和聚焦装置可以直接布置在载体装置上。此外，光学干涉滤光器、探测装置和聚焦装置的电连接或接线可以布置在载体装置上或者至少部分地集成到该载体装置中。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，探测装置在光学干涉滤光器的光出射侧直接布置在光学干涉滤光器上，也就是说间接固定在载体装置上。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，探测装置在光学干涉滤光器的光出射侧与干涉滤光器相邻地布置在载体装置上。由此可以避免探测装置所引起的遮挡。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，载体装置包括至少一个间隔元件，该至少一个间隔元件将聚焦装置与光学干涉滤光器连接并且使聚焦装置与光学干涉滤光器彼此间隔开。该至少一个间隔元件至少局部具有优选地宽带吸收性涂层。通过吸收性涂层来防止可能的横向或反向辐射，并且由此来改善信噪比。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，光学干涉滤光器和/或载体装置的与探测装置相邻的表面部段至少局部具有优选地宽带吸收性涂层。替选地或附加地，探测装置的表面部段可具有吸收性涂层。探测装置尤其可具有：通常布置在中心的活性区域，该活性区域被构造用于探测；以及包围该区域的非活性边缘区域，该非活性边缘区域可整个或至少部分地具有吸收性涂层。吸收性涂层同样用于减少横向和反向辐射。此外，以较大的入射角穿过干涉滤光器并且未被聚焦装置聚焦到探测装置上、也就是说处在该光谱仪设备的检测范围之外的光线被吸收性涂层吸收。由此，该光谱仪设备可以检测窄的且明确定义的入射角范围。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，探测装置具有环形探测器、分段探测元件和/或阵列形布置的探测元件。由此，能够探测不同的角度区间或不同的波长范围。借助于阵列形布置的探测元件，可以确定关于样品、比如样品的表面特性的有价值的附加信息。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，探测装置具有至少两个堆叠的探测元件，其中这些探测元件分别对不同的波长范围敏感。这尤其可以被理解成对不重叠的波长范围敏感的探测元件。然而，波长范围的部分重叠同样是可能的。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，光学干涉滤光器构造成法布里-珀罗干涉滤光器。

按照该光谱仪设备的一个优选的扩展方案，探测装置包括至少一个光电二极管，尤其是InGaAs光电二极管，Si光电二极管，Ge光电二极管，ExInGaAs光电二极管或者量子点探测器。

附图说明

其中：

图1示出了按照本发明的第一实施方式的光谱仪设备的示意性截面图；

图2示出了按照本发明的第二实施方式的光谱仪设备的示意性截面图；

图3示出了按照本发明的第三实施方式的光谱仪设备的示意性截面图；

图4示出了按照本发明的第四实施方式的光谱仪设备的示意性截面图；以及

图5示出了用来阐明按照本发明的实施方式的用于制造光谱仪设备的方法的流程图。

在所有附图中，相同或功能相同的元件和设备配备有相同的附图标记。方法步骤的编号有助于清楚并且通常并不应该意味着有特定的时间顺序。尤其是，也可以同时执行多个方法步骤。

具体实施方式

图1示出了光谱仪设备1a的示意性截面图，该光谱仪设备具有载体装置6a，该载体装置又包括基板61，光学干涉滤光器2或光谱元件集成到该基板中。载体装置6a还包括保持元件62，这些保持元件使聚焦装置4a保持住。

光学干涉滤光器2是优选地以微机械方式制造的法布里-珀罗干涉滤光器。光学干涉滤光器包括两个相对于彼此间隔开并且相对于彼此可致动的镜。视光线L入射到光学干涉滤光器2上的入射角而定，具有稍有不同的中心波长的光线L被透过。中心波长还取决于这两个镜彼此间的距离。优选地，光学干涉滤光器2a具有一侧或特别优选地两侧的封装。然而，按照其它实施方式，其它结构类型和作用方式的光学干涉滤光器2也是可能的。

在光学干涉滤光器2的光出射侧在中间位置布置有探测装置3。探测装置3与光学干涉滤光器2直接连接，比如通过粘接连接或键合连接来直接连接。探测装置3例如可以安装在光学干涉滤光器2的盖上。探测装置3可具有至少一个光电二极管作为探测元件，该光电二极管根据入射光线L的强度来产生光电流，该光电流可以被测量并且进一步被分析。光谱仪设备1a可以根据该光电流来输出测量信号。按照其它实施方式，探测装置3可具有多个探测元件，这些探测元件优选地在不同波长处敏感。还可以设置环形探测器，该环形探测器绕着光学干涉滤光器2的入口孔径的中心对称地布置，也就是说环绕着经过光学干涉滤光器2的中心的轴线对称地布置。探测装置3还可具有至少一个分段的探测元件。通过使用环形探测器或分段的探测元件，可以探测多个角度区间和/或不同的波长范围。为了检测不同的波长范围，探测装置3也可具有堆叠的探测器、也就是说双探测器。探测装置3的探测元件的材料例如可包括硅Si、砷化铟镓InGaAs、锗Ge或硒化铅PbSe。此外，基于量子点的探测器材料或者具有InGaAs+Si材料组合的双探测器都是可能的。除了单探测器之外，探测装置3也可包括阵列探测器。此外，探测装置3可包括附加的成像光学器件。

聚焦装置4a设计成具有焦距f的抛物面镜。探测装置布置在光学干涉滤光器2的入口孔径的中间、也就是说布置在对称地设计的聚焦装置4a的焦点，也就是说聚焦装置4a将穿过光学干涉滤光器2且其入射角不超过规定阈值的光线L聚焦到探测装置3上。具有较大入射角的光线L被偏转到探测装置3旁边的区域中。优选地，在探测装置3旁边的该区域内，在光学干涉滤光器2的后侧或光出射侧涂覆由吸收性材料构成的涂层，该吸收性材料对光线L进行吸收。聚焦装置4a可具有涂层，该涂层具有反射性材料，尤其是银、金或铝。附加地，可以设置至少一个保护层。聚焦装置4a尤其可以构造成经涂层的或经蒸镀的注塑件。按照其它实施方式，聚焦装置4a可包括尤其是由铝制成的车削或铣削部件。替代或附加于反射性聚焦镜，聚焦装置4a也可包括其它反射性光学组件，如所谓的反射性超表面。

根据光学干涉滤光器2的可用孔径a或聚焦装置4a的可用直径、聚焦装置的焦距f和探测装置3的敏感区域的尺寸，可探测的入射角区间被限制并且因此光谱仪设备1a的分辨率被调整或优化。

图2示出了光谱仪设备1b，该光谱仪设备是上述光谱仪设备1a的变型并且在载体装置6b的设计方案方面有所不同。因此，载体装置6b包括间隔元件7，这些间隔元件将聚焦装置4a与光学干涉滤光器2连接并且使这些元件彼此间隔开。载体装置6b尤其可以设计成圆筒状。间隔元件7优选地在其内侧具有吸收性涂层，该吸收性涂层对可能的散射光进行吸收。间隔元件7可以是附加的层或层堆，或者可以是通过粘接连接或键合连接来连接的元件、比如晶片。按照其它实施方式，聚焦元件4a可以与光学干涉滤光器2直接连接，比如通过粘接连接或键合连接来直接连接。

图3示出了另一光谱仪设备1c，该另一光谱仪设备是上述光谱仪设备1a、1b的变型。载体装置6c可对应于上述载体装置6a、6b之一。不同于上文描述的光谱仪设备1a、1b，聚焦装置4c是不对称的，例如被设计成所谓的离轴（Off-Axis）反射器，也就是说聚焦装置4c的焦点不在光学干涉滤光器2的中心而是在光学干涉滤光器2之外的区域内。相对应地，探测装置3在光学干涉滤光器2之外在朝向聚焦装置4c的一侧布置在载体装置6c上，其中聚焦装置4c使穿过光学干涉滤光器2之后的光线L聚焦到探测装置3上。由于探测装置3布置在光学干涉滤光器2旁边，可以避免由于探测装置3以及由于探测装置3的馈线所引起的遮挡，这尤其是在入口孔径较小的情况下尽管由于光效率较差或者结构高度较大而引起的入口孔径a与焦距f的比例较差的情况下以及在光耦合输入到探测装置3中时有增加的反射损失的情况下仍然可以是有利的。

图4示出了另一光谱仪设备1d的截面图，该另一光谱仪设备是图3中示出的光谱仪设备1c的变型。按照该实施方式，载体元件6d具有光学干涉滤光器2的壳体63以及载体板64，其中探测装置3布置在载体板64的朝向对称的聚焦装置4c的一侧。

在图5中图解说明了用于制造光谱仪设备、尤其是上述光谱仪设备1a、1b、1c、1d之一的方法的流程图。

在第一步骤S1中，提供光学干涉滤光器2，其中光学干涉滤光器2尤其可以是用于法布里-珀罗干涉仪的干涉滤光器。光学干涉滤光器2被设计为使得在入射光线L穿过光学干涉滤光器2时该入射光线的特定的波长范围被滤波。

在另一方法步骤S2中，提供探测装置3，该探测装置被构造为探测经滤波的光线L。尤其是，光学干涉滤光器2和探测装置3可以布置在共同的载体装置6上。探测装置3也可以直接布置在光学干涉滤光器2上，必要时借助于附加的中间层来布置在该光学干涉滤光器上。

在方法步骤S3中，提供聚焦装置4a、4c，该聚焦装置具有反射表面5。聚焦装置4a、4c可以设计成对称或不对称的，其中将聚焦装置4a、4c、探测装置3和光学干涉滤光器2布置为使得由光学干涉滤光器2滤波的光线L借助于聚焦装置4a、4c被聚焦到探测装置3上。

方法步骤S1、S2、S3可以按任意顺序被执行并且尤其也可以同时被执行。

Claims (11)

1.一种光谱仪设备（1a；1b；1c；1d），其具有：

光学干涉滤光器（2），所述光学干涉滤光器被构造为：在入射光线（L）穿过所述光学干涉滤光器（2）时对所述入射光线的特定的波长范围进行滤波；

探测装置（3），所述探测装置被构造为探测经滤波的光线（L）；和

聚焦装置（4a；4c），所述聚焦装置具有反射表面（5），其中所述聚焦装置（4a；4c）被构造为：通过在所述表面（5）上的反射来使所述经滤波的光线（L）聚焦到所述探测装置（3）上。

2.根据权利要求1所述的光谱仪设备（1a；1b；1c；1d），其中所述探测装置（3）在所述干涉滤光器（2）的光出射侧集成到所述干涉滤光器（2）中或者直接或间接布置在所述干涉滤光器（2）上。

3.根据权利要求1或2所述的光谱仪设备（1a；1b），其中所述探测装置（3）与延伸经过所述光学干涉滤光器（2）的中心的轴线（A）至少部分地重叠。

4.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备（1a；1b；1c；1d），所述光谱仪设备具有载体装置（6a；6b；6c；6d），其中所述光学干涉滤光器（2）、所述探测装置（3）和所述聚焦装置（4a；4c）直接或间接布置在所述载体装置（6a；6b；6c；6d）上。

5.根据权利要求4所述的光谱仪设备（1c；1d），其中所述探测装置（3）在所述光学干涉滤光器（2）的光出射侧与所述干涉滤光器（2）相邻地布置在所述载体装置（6c；6d）上。

6.根据权利要求4或5所述的光谱仪设备（1b），其中所述载体装置（6b）包括至少一个间隔元件（7），所述至少一个间隔元件将所述聚焦装置（4a）与所述光学干涉滤光器（2）连接并且使所述聚焦装置与所述光学干涉滤光器彼此间隔开，其中所述至少一个间隔元件（7）至少局部具有吸收性涂层。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的光谱仪设备（1a；1b；1c；1d），其中所述探测装置（3）的表面部段和/或所述干涉滤光器（2）和/或所述载体装置（6a；6b；6c；6d）的与所述探测装置（3）相邻的表面部段至少局部具有吸收性涂层。

8.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备（1a；1b；1c；1d），其中所述探测装置（3）具有环形探测器、分段的探测元件和/或阵列形布置的探测元件。

9.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备（1a；1b；1c；1d），其中所述探测装置（3）具有至少两个堆叠的探测元件，所述探测元件对不同的波长范围敏感。

10.根据上述权利要求中任一项所述的光谱仪设备（1a；1b；1c；1d），其中所述光学干涉滤光器（2）构造成法布里-珀罗干涉滤光器。

11.一种用于制造光谱仪设备（1a；1b；1c；1d）的方法，所述方法具有如下步骤：

提供（S1）光学干涉滤光器（2），所述光学干涉滤光器被构造为：在入射光线（L）穿过所述光学干涉滤光器（2）时对所述入射光线的特定的波长范围进行滤波；

提供（S2）探测装置（3），所述探测装置被构造为探测经滤波的光线（L）；而且

提供（S3）聚焦装置（4a；4c），所述聚焦装置具有反射表面（5），其中所述聚焦装置（4a；4c）、所述探测装置（3）和所述光学干涉滤光器（2）相对于彼此被布置为使得所述聚焦装置（4a；4c）能够将所述经滤波的光线（L）聚焦到所述探测装置（3）上。

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