DE102009046831B4

DE102009046831B4 - Strahlungserzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung mit einer einstellbaren spektralen Zusammensetzung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102009046831B4
Application number: DE102009046831.5A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Grüger; Jens Knobbe; Thomas Egloff; Michael Müller
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: JP2011123057A; US8351032B2; DE102009046831A1; US20110128541A1

Abstract

Strahlungserzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer resultierenden elektromagnetischen Strahlung mit einer einstellbaren spektralen Zusammensetzung, mit den folgenden Merkmalen: einer Vielzahl von thermischen Strahlungselementen (1, 1a–1n), die ausgebildet sind, um jeweils eine strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung (4a–4n) zu erzeugen, wenn sie aktiviert werden, wobei ein erstes thermisches Strahlungselement der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen unabhängig von einem zweiten thermischen Strahlungselement der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen aktivierbar ist, wobei die thermischen Strahlungselemente (1) auf oder in einem gemeinsamen Substrat (61, 62) oder einer gemeinsamen Membran oder frei stehend durch das gemeinsame Substrat (6) mechanisch fixiert angeordnet sind; einem dispersiven, optischen Element (2), wobei das dispersive optische Element (2) in oder auf einem Trägersubstrat (9; 22, 24) angeordnet ist; und einer optischen Öffnung (3); wobei das dispersive optische Element (2) ausgebildet ist, um jede strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung (4a–4n) abhängig von ihrer Wellenlänge und einer Position eines die jeweilige strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung erzeugenden thermischen Strahlungselements derart abzulenken, dass von jeder der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen ein bestimmter Spektralbereich durch die optische Öffnung (3) austreten kann, so dass die spektrale Zusammensetzung der durch die optische Öffnung (3) austretenden resultierenden elektromagnetischen Strahlung (220) durch selektives Aktivieren eines einzelnen oder mehrerer thermischer Strahlungselemente der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen (1a–1n) einstellbar ist; und wobei das gemeinsame Substrat (61, 62) und das Trägersubstrat (9; 22, 24) in gestapelter Weise miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Erzeugen einer elektromagnetischen Strahlung mit einer einstellbaren spektralen Zusammensetzung.
In der optischen Spektralanalytik wird durch die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit der Oberfläche und an dem Volumen des zu untersuchenden Objekts dessen Zusammensetzung, dessen Zustand oder sonstige Eigenschaften desselben untersucht. Dabei werden die wellenlängenabhängigen Reflektions-, Transmissions-, Absorptions- und Streueigenschaften von Materialien ausgenutzt.
Es sind verschiedene Varianten von Anordnungen zur Durchführung spektralanalytischer Untersuchungen bekannt.
Eine erste Variante beleuchtet die Probe mit dem gesamten polychromen Spektrum einer Lichtquelle, beispielsweise einer Halogenlampe oder eines thermischen Strahlers. Das mit der Probe in Wechselwirkung getretene Licht wird dann in einem Monochromator in seine spektralen Bestandteile aufgespalten und mittels eines Strahlungs- bzw. Photodetektors erfasst. Hierzu ist entweder ein mechanisch bewegliches dispersives Element (Gitter, Prisma) erforderlich oder eine Anordnung aus mehreren Strahlungsdetektoren notwendig. Nachteilhaft für die erste Möglichkeit ist die Verwendung eines beweglichen Elements, was zu einem erhöhten Aufwand für das Gesamtsystem führt. Auf der anderen Seite ist die Verwendung einer Anordnung mehrerer Detektoren insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich relativ aufwendig und teuer. Zudem wird die Probe durch die hohe Lichtleistung erwärmt und damit die Messung beeinflusst. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Miniaturisierbarkeit des Gesamtsystems. Sie wird unter anderem durch die Größe der Strahlungsquellen eingeschränkt.
In einer zweiten Variante wird das Licht einer Lichtquelle in seine spektralen Bestandteile zerlegt, bevor es mit der Probe in Wechselwirkung tritt. Hierzu ist ebenfalls ein Monochromator erforderlich, der wiederum mechanisch bewegte Teile enthält. Nach der Wechselwirkung mit der Probe wird das Licht mit einem Einzeldetektor erfasst. Die Probe wird mit einer vergleichsweise geringen Strahlungsintensität belastet. Der Aufbau ist vergleichsweise aufwendig und mechanisch empfindlich. Zudem begrenzt auch hier die Strahlungsquelle die Miniaturisierung des Gesamtsystems auf Basis der Systemintegration.
In einer dritten Variante wird die elektromagnetische Strahlung nur in einem sehr kleinen Spektralbereich erzeugt. Vorwiegend werden für dieses Verfahren Laser verwendet, deren Wellenlänge durch abstimmbare Resonatoren geändert werden können. Von Vorteil ist die hohe Intensität in einem sehr kleinen Wellenlängenintervall. Nachteilhaft ist die Begrenzung auf bestimmte Wellenlängenbereiche mit entsprechender Laseraktivität, ein erhöhter Systemaufwand aufgrund der hohen Montagegenauigkeiten und der damit einhergehende hohe Preis. Des Weiteren werden teilweise mechanisch bewegliche Elemente wie Gitter eingesetzt, was eine Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Umwelteinflüssen mit sich bringt. Außerdem führt die hohe räumliche Kohärenz bei Bestrahlung von rauen Oberflächen zu Interferenzeffekten, sogenannten Speckles, die zu Messfehlern bei der Detektion führen können.
In einer vierten Variante für eine Weitbereichs-Nahinfrarot-Spektralanalyse ist beispielsweise ein Elektronen-Zyklotron (Speicherring) erforderlich, der aufgrund der Größe nicht portabel ausgeführt werden kann.
Die DE 696 35 620 T2 bezieht sich auf eine Lichtquelle und eine Messmethode. So umfasst die Lichtquellenvorrichtung einen Lichtquellenabschnitt zum Emittieren von Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen und ein Filter zum Auswählen von Licht mit einer einzigen Wellenlänge aus dem Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen und/oder zum separaten Ausgeben von Licht mit der ausgewählten Wellenlänge, wobei die ausgewählte Wellenlänge elektrisch variabel ist. Dabei gibt das Filter das Licht mit der ausgewählten Wellenlänge als Lichtstrahlen ±m-ter Ordnung und das übrige Licht als Lichtstrahl 0-ter Ordnung aus, wobei die Lichtstrahlen ±m-ter Ordnung in Richtungen ausgegeben werden, die verschieden sind von einer Richtung, in der die Lichtstrahlen 0-ter Ordnung ausgegeben werden, und wobei m eine Ganzzahl gleich oder größer als l ist. Ferner beinhaltet der Lichtquellenabschnitt eine Vielzahl von Lichtquellen. Insbesondere ist ferner ein kombinierendes Bauteil vorgesehen, um die Lichtstrahlen ±m-ter Ordnung zu einem einzigen Lichtstrahl zu kombinieren.
Die DE 10 2004 008 685 A1 betrifft ein Transmissionsspektrometer zur analytischen Untersuchung einer flüssigen Probe hinsichtlich eines medizinisch bedeutsamen Bestandteils, insbesondere einer Körperflüssigkeit, vorzugsweise im mittleren infraroten Spektralbereich MIR, umfassend: eine Küvette zur Aufnahme der Probe mit gegenüberliegenden transparenten Wänden, eine Lichtquelle zum Aussenden von Strahlung, die durch die gegenüberliegenden Wände der Küvette hindurch tritt und dabei teilweise von der Probe absorbiert wird, einer Mehrzahl von an einer der Wände der Küvette angebrachten Filtern, die jeweils für einen Wellenlängenbereich durchlässig sind, in dem der medizinisch bedeutsame Bestandteil der Probe charakteristische Absorptionsmaxima verursacht, einer Mehrzahl von Detektoren, die jeweils einem der Filter zugeordnet sind, zum Erfassen einer Intensität der durch die Küvette und den jeweiligen Filter hindurch getretenen Strahlung und eine Auswerteeinheit, die mit den Detektoren verbunden ist und aus von den Detektoren in Abhängigkeit von der erfassten Intensität erzeugten Signalen ein Untersuchungsergebnis ermittelt, wobei eine der gegenüberliegenden Wände der Küvette die Detektoren trägt.
Die JP 2000-171299 A bezieht sich auf eine Lichtquelle für eine optische Analyse. Dabei sind LEDs als Lichtquellen an einer Mehrzahl von dispersiven Wellenlängenpositionen auf einer geraden Linie angeordnet, die zu Wellenlängen dispergierender Positionen werden, wenn ein Spektroskop aus einem Brechungsgitter gebildet wird, und das Spektroskop mittels eines Wechselschalters mit der Leistung von einer Leistungsquelle umgeschaltet wird, und wobei die unterschiedlichen Leistungen sequenziell zu den LEDs zugeführt werden. Das Licht von den LEDs, das sequenziell ein- und ausgeschaltet wird, wird an dem Gitter dispergiert, läuft an der Position des Emissionsschlitzes zusammen und wird dann ausgegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlungserzeugungsvorrichtung mit veränderbarem bzw. einstellbarem Spektrum, eine Spektralanalysevorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Strahlungserzeugungsvorrichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Strahlungserzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Spektralanalysevorrichtung gemäß Anspruch 21 und einem Verfahren zur Herstellung einer Strahlungserzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 22 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft eine Strahlungserzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer resultierenden elektromagnetischen Strahlung mit einer einstellbaren spektralen Zusammensetzung, mit den folgenden Merkmalen: einer Vielzahl von Strahlungselementen, die ausgebildet sind, um jeweils eine strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wenn sie aktiviert werden, wobei ein erstes Strahlungselement der Vielzahl von Strahlungselementen unabhängig von einem zweiten Strahlungselement der Vielzahl von Strahlungselementen aktivierbar ist; einem dispersiven optischen Element; und einer optischen Öffnung; wobei das dispersive optische Element ausgebildet ist, um jede strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung abhängig von ihrer Wellenlänge und einer Position eines die jeweilige strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung erzeugenden Strahlungselements derart abzulenken, dass von jeder der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen ein beschränkter Spektralbereich durch die optische Öffnung austreten kann, so dass die spektrale Zusammensetzung der durch die optische Öffnung austretenden resultierende elektromagnetische Strahlung durch selektives Aktivieren der Vielzahl von Strahlungselementen einstellbar ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft eine Strahlungserzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer resultierenden elektromagnetischen Strahlung mit einer einstellbaren spektralen Zusammensetzung, mit den folgenden Merkmalen: einer Vielzahl von Strahlungselementen, die ausgebildet sind, um jeweils eine strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wenn sie aktiviert werden, wobei jedes Strahlungselement der Vielzahl von Strahlungselementen unabhängig von anderen Strahlungselementen der Vielzahl von Strahlungselementen aktivierbar ist; einem dispersiven optischen Element, das ausgebildet ist, um jede der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen jeweils in eine Vielzahl von spektralen Bestandteilen aufzuspalten; und einer optischen Öffnung; wobei das dispersive optische Element und die optische Öffnung derart angeordnet und ausgebildet sind, dass einer der spektralen Bestandteile jeder strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung durch die optische Öffnung hindurch treten kann, so dass die spektrale Zusammensetzung der durch die optische Öffnung hindurch tretenden resultierenden elektromagnetischen Strahlung durch selektives Aktivieren der Vielzahl von Strahlungselementen einstellbar ist.
Dabei können die Strahlungselemente ausgebildet sein, monochrome strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlungen und/oder polychrome strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlungen zu erzeugen, wobei die polychromen strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen schmalbandig oder breitbandig sein können.
Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung können daher mehrere monochrome Leuchtdioden oder Laserdioden aufweisen, die jeweils eine strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung einer unterschiedlichen Wellenlänge erzeugen, so dass durch selektives Aktivieren dieser Strahlungselemente eine resultierende elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, die eines oder mehrere dieser monochromen Spektren aufweist.
Weitere Ausführungsbeispiele können thermische Strahlungselemente, Strahlungselemente nach dem Halogenlampenprinzip, oder weiße Leuchtdioden oder andere Strahlungselemente aufweisen, die ausgebildet sind, eine polychrome strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Dabei kann das dispersive optische Element so ausgebildet sein, dass von jeder dieser strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen ein bestimmter oder beschränkter Spektralbereich durch die optische Öffnung austreten kann, beispielsweise ein Spektralbereich, der kleiner ist als der ursprüngliche von dem Strahlungselement erzeugte Spektralbereich, so dass die resultierende elektromagnetische Strahlung eine spektrale Zusammensetzung aufweist, die aus einem oder mehreren der bestimmten oder beschränkten Spektralbereiche definiert wird.
In bestimmten Ausführungsbeispielen können das dispersive optische Element und die optische Öffnung so ausgebildet sein, dass von zumindest einer oder von jeder dieser strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen nur ein gegenüber dem ursprünglichen Spektrum der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung beschränkter Spektralbereich durch die optische Öffnung austreten kann. In anderen Worten, derartige Ausführungsbeispiele können ausgebildet sein, um die ursprüngliche strahlungselementspezifische elektromagnetischen Strahlung zu filtern, wobei abhängig von der Ausführung des optischen dispersiven Elements und der optischen Öffnung eine ursprüngliche strahlungselementspezifische elektromagnetischen Strahlung auf ein schmalbandiges oder in Bezug auf das ursprüngliche Spektrum gesehen schmalbandigeres Spektrum oder auf ein monochromes Spektrum gefiltert werden kann. Derartige Ausführungsbeispiele ermöglichen es, flexibel aus dem gesamten ursprünglichen breitbandigen oder schmalbandigen Spektrum der polychromen Strahlungselemente bestimmte Spektralanteile, z. B. schmalbandige, schmalbandigere oder monochrome spektrale Bestandteile herauszufiltern, und diese zur Erzeugung des Spektrums der resultierenden elektromagnetischen Strahlung zu selektieren und/oder zu überlagern.
Weitere Ausführungsbeispiele können ein polychromes oder mehrere polychrome Strahlungselemente und zusätzlich ein monochromes oder mehrere monochrome Strahlungselemente aufweisen. Bei derartigen Ausführungsbeispielen kann das dispersive optische Element ferner ausgebildet sein, dass von jeder der polychromen strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen ein bestimmter oder beschränkter Spektralbereich durch die optische Öffnung austreten kann, beispielsweise ein Spektralbereich, der kleiner ist als der ursprüngliche von dem Strahlungselement erzeugte Spektralbereich, und ferner so ausgebildet sein, die Wellenlänge bzw. den Spektralbereich jedes monochromen Strahlungselements so abzulenken, dass die monochrome strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung durch die optische Öffnung austreten kann. Derartige Ausführungsbeispiele ermöglichen es, beispielsweise flexibel aus breitbandigen polychromen Strahlungselementen bestimmte Spektralanteile, z. B. schmalbandige oder monochrome spektrale Bestandteile herauszufiltern, und diese zur Erzeugung des resultierenden elektromagnetischen Strahlung Spektrums mit monochromen strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen der monochromen Strahlungsquellen zu überlagern, wobei die Intensität der monochromen Strahlung beispielsweise höher sein kann als eine Intensität der durch Filterung erzeugten Spektren oder die monochrome Strahlung in einem Spektralbereich liegen kann, der durch das ursprüngliche Spektrum der polychromen Strahlungselemente nicht abgedeckt wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert.
1a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von thermischen Strahlungselementen, so genannten Filamenten.
1b zeigt ein von der Erfindung nicht umfasstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung von lichtemittierenden Dioden als Strahlungselemente
2a zeigt einen schematischen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer resultierenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Vielzahl gleichartiger thermischer Strahlungselemente, wobei in 2a beispielhaft drei spektrale Bestandteile einer strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung eines Strahlungselements dargestellt sind.
2b zeigt den schematischen Querschnitt des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 2a, wobei in 2b die unterschiedliche räumliche Ablenkung desselben spektralen Bestandteils für zwei gleichartige Strahlungselemente dargestellt ist.
2c zeigt den schematischen Querschnitt des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 2a und 2b, wobei in 2c die Überlagerung zweier unterschiedlicher spektraler Bestandteile zweier gleichartiger Strahlungselemente dargestellt ist.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung mit thermischen Strahlungselementen.
4 zeigt einen schematische Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung mit thermischen Strahlungselementen.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines vierten von der Erfindung nicht umfassten Ausführungsbeispiels der Strahlungserzeugungsvorrichtung mit organischen lichtemittierenden Dioden als Strahlungselementen.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung mit thermischen Strahlungselementen.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung mit thermischen Strahlungselementen.
Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen zur besseren Verständlichkeit nicht maßstabsgerecht ausgeführt sind. Zudem werden für Objekte und Funktionseinheiten, die gleiche oder ähnliche funktionelle Eigenschaften aufweisen, gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Objekte und Funktionseinheiten weggelassen wird. In diesem Zusammenhang wird ferner darauf hingewiesen, dass einerseits, sofern es nicht explizit anders angegeben ist, Abschnitte, die sich auf Objekte mit ähnlichen oder gleichen funktionalen Eigenschaften beziehen, zwischen den Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsbeispiele austauschbar sind. Andererseits wird darauf hingewiesen, dass durch eine gemeinsame Verwendung eines Bezugszeichens ein Objekt, das in mehr als einem Ausführungsbeispiel auftritt, nicht gezeigt ist, dass diese in den verschiedenen Ausführungsbeispielen oder dem betreffenden Ausführungsbeispiel identische Merkmale und Eigenschaften aufweisen. Gemeinsame oder ähnliche Bezugszeichen stellen also keine Aussage bezüglich der konkreten Auslegung und Positionierung dar.
Der Begriff Spektrum wird hier verwendet, um allgemein die wellenlängenmäßige Zusammensetzung einer elektromagnetischen Strahlung zu beschreiben, wobei die Begriffe Spektralbereich, spektraler Bereich und Wellenlängenbereich synonym verwendet werden, und einen Bereich von Wellenlängen beschreiben, der durch eine Untergrenze oder minimale Wellenlänge und durch eine Obergrenze oder maximale Wellenlänge definiert ist. Dabei sind zwei Spektralbereiche bzw. Wellenlängenbereiche gleich oder identisch, wenn sie dieselbe minimale und dieselbe maximale Wellenlänge aufweisen. Zwei Spektralbereiche oder Wellenlängenbereiche sind unterschiedlich, wenn sie sich entweder in der minimalen Länge und/oder der maximalen Wellenlänge unterscheiden. Ferner werden zwei Spektralbereiche bzw. Wellenlängenbereiche als überschneidungsfrei bezeichnet, wenn die maximale Wellenlänge des einen Spektralbereichs geringer ist als die minimale Wellenlänge des anderen Spektralbereichs.
Darüber hinaus wird von einem monochromen Spektrum gesprochen, wenn dass Spektrum im Wesentlichen, also eine Streuung der Wellenlänge vernachlässigend, nur eine Wellenlänge aufweist, und von einem polychromen Spektrum, wenn das Spektrum unter Vernachlässigung der Streuung mehr als eine Wellenlänge aufweist. Dabei wird ein Spektrum als diskretes Spektrum bezeichnet, wenn es nur ein monochromes oder mehrere monochrome Spektren aufweist und als kontinuierliches Spektrum, wenn es zwischen einer ersten Grenzwellenlänge und einer zweiten Wellenlänge alle in diesem Bereich enthaltenen Wellenlängen aufweist. Dabei bezeichnet ein schmalbandiges Spektrum generell ein Spektrum, dass ein diskretes oder kontinuierliches Spektrum einer geringeren Bandbreite, also eines geringeren Wellenlängenbereichs, aufweist als breitbandiges Spektrum.
Bevor auf die einzelnen Ausführungsbeispiele gemäß der Figuren eingegangen wird, werden zuvor allgemeine Aspekte von Ausführungsbeispielen der Strahlungserzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer resultierenden elektromagnetischen Strahlung mit einer einstellbaren spektralen Zusammensetzung beschrieben. Dabei weisen Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung einzelne elektromagnetische Strahlung emittierende Bereiche auf, die im Folgenden auch als Elemente, Strahlungselemente, Strahlungsemitter oder Lichtemitter bezeichnet werden. Die Strahlungserzeugung der Strahlungselemente kann dabei auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen. Die Elemente zur Erzeugung der Strahlung können beispielsweise mit aus der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik bekannten Technologien, wie beispielsweise Lithographie-, Ätz- und Beschichtungsprozessen hergestellt werden. Durch diese Verfahren lassen sich Strahlungserzeugungsvorrichtungen mit thermischen Strahlern als Strahlungselemente in der Form von dünnen Balken erzeugen, die wie ein Leuchtfaden in „Glühlampen” durch Wärme zur Emission von elektromagnetischer Strahlung verwendet werden können. Diese Ausführungsbeispiele der Strahlungselemente weisen insbesondere in infraroten Spektralbereichen einen großen Vorteil auf.
Des Weiteren können organische lichtemittierende Dioden (OLED – Organic Light Emitting Diode), anorganische lichtemittierende Dioden (LED – Light Emitting Diode) oder Halbleiterlaser oder Laserdioden lateral als Strahlungselemente strukturiert werden, die für unterschiedliche Wellenlängenbereiche angepasst herstellbar sind. Bei organischen lichtemittierenden Dioden kann statt einer Vielzahl von einzelnen organischen lichtemittierenden Dioden eine einzige Elektrode erzeugt und lateral strukturiert werden, und dadurch eine großflächige Diode lokal, z. B. in Streifenform, zur Emission von Strahlung angeregt werden.
Ausführungsbeispiele können daher, je nach Ausführungsform, große Spektralbereiche aber auch kleinere Bereiche aus einem breiten elektromagnetischen Spektrum abdecken. Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung ermöglichen aufgrund der Kombination mit einer optischen Einrichtung zur spektralen Zerlegung der emittierten Strahlung und einer Blende oder Öffnung eine spektral modulierbare Lichtquelle, die ohne aufwendige Anpassungen oder Ausführungsformen der Strahlungselemente erzeugt werden kann. Insbesondere wird ein von anderen herkömmlichen Ansätzen bekanntes „Durchstimmen” von Strahlungsquellen, wie etwa bei Lasern durch mechanische Anpassungen der Laserkavität oder das Drehen eines Beugungsgitters in einem Monochromator vermieden. Damit ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Strahlungserzeugungsvorrichtung eine deutliche Verbesserung der Stabilität der Strahlungsquelle im Vergleich zum Stand der Technik. Anstelle eines Durchstimmens wird bei den Ausführungsbeispielen der Strahlungserzeugungsvorrichtung die laterale Strukturierung, also die mehreren unabhängig voneinander ansteuerbaren Strahlungselemente genutzt, um die Wellenlängenzusammensetzung der in der Blende vereinigten spektralen Bestandteile zu ändern oder einzustellen.
Aufgrund der herstellungsbedingten Möglichkeit der Integration und der direkten Nutzung der Strahlungselemente lasst sich eine hohe Energieeffizienz erreichen.
Die benötigten Wellenlängenbereiche für die resultierende elektromagnetische Strahlung können innerhalb des Emissionsspektrums der Strahlungselemente durch Anpassungen einiger weniger Systemparameter, beispielsweise die Ausführungsform und Eigenschaften der Einrichtung zur spektralen Aufspaltung der Strahlung, auch als dispersives optisches Element bezeichnet, und der Blende, auch als optische Öffnung bezeichnet, geändert werden. So können unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Strahlungsquellen bzw. der Strahlungserzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer resultierenden elektromagnetischen Strahlung mit einer einstellbaren spektralen Zusammensetzung mit wenigen Anpassungen erzeugt werden.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Strahlungserzeugungsvorrichtungen lässt eine Herstellung der kompletten spektral modulierbaren Lichtquelle in Mikrotechnologie bzw. unter Verwendung von Abform- und Spritzgusstechnologien zu. Die geringe Größe der einzelnen Strahlungselemente ermöglicht höhere zeitliche Modulationsfrequenzen, womit sich Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung für Messprinzipien nach dem Lock-in-Verfahren (Modulation der Quelle und Demodulation nach Empfang des detektierten Signals; TDM – Time-Division Multiplexing) ermöglichen lassen, so dass ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR – Signal to Noise Ratio) erzielt werden kann. Des Weiteren ermöglichen Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorririchtung zum Erzeugen einer resultierenden elektromagnetischen Strahlung mit einer einstellbaren spektralen Zusammensetzung eine Wellenmodulation, beispielsweise in der Nachrichtentechnik, für ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und eine Erhöhung der Datenübertragungsrate genutzt werden kann (WDM – Wavelength-Division Multiplexing). Die Strahlungserzeugungsvorrichtung, auch als modulierbare Lichtquelle bezeichenbar bzw. einsetzbar, weist keine mechanisch beweglichen Teile auf und kann robust aufgebaut werden, was u. a. für den Einsatz von portablen Geräten von Vorteil ist.
1a zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung einer Vielzahl von Strahlungselementen 1, die auf einem Substrat 6 angeordnet sind. Im Folgenden wird für die Strahlungselemente allgemein das Bezugszeichen 1 verwendet, und die Bezugszeichen 1a, 1b, 1c etc., um individuelle Strahlungselemente zu bezeichnen (siehe 1a). Die Strahlungselemente 1 bzw. 1a–1n können beispielsweise als Filamente, also als thermische Strahlungselemente ausgeführt sein. Die Filamente können, wie in 1a dargestellt, streifenförmig und parallel zueinander auf dem Substrat 6 angeordnet sein. Ferner können einzelne oder alle Filamente dieselben Abmessungen (Länge, Breite, Dicke) oder unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Alternativ können die Filamente teilweise oder alle statt der Streifenform auch andere Formen aufweisen.
Die Strahlungselemente, insbesondere die Filamente, 1a bis 1n können eine Höhe (Dimension senkrecht zur Substratebene) in einem Bereich von 100 nm bis 100 μm oder 500 nm bis 10 μm, einer Breite (eine Dimension in der Substratebene) von 1 bis 200 μm oder 5 bis 100 μm, oder eine Länge (senkrecht zur anderen Dimension in der Substratebene) in einem Bereich von 10 μm bis 10 mm oder 100 μm bis 1 mm aufweisen.
Die Filamente können z. B. ein Metall, eine Metalllegierung oder eine elektrisch leitfähige Metall-Nichtmetall-Verbindung oder ein Halbleitermaterial oder ein leitfähiges Material, z. B. graphitartiger Kohlenstoff, oder Verbindungen von Nichtmetallen als Material aufweisen. Zudem können die Filamente 1a bis 1n aus einem Stapel verschiedener Materialien bestehen, die beispielsweise die Funktionen eines elektrischen Leiters, einer Barriere bzw. Diffusionssperre und eines Materials mit hohem Emissionsgrad kombinieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie in 1 gezeigt, können die Filamente 1a bis 1n freitragend auf einem Substratträger 6 bzw. Substratrahmen 6 freitragend angeordnet sein und mit diesem mechanisch verbunden sein. Das Substrat 6 kann beispielsweise ein Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat) oder ein Siliziumsubstrat sein.
Die Strahlungselemente 1 bzw. 1a bis 1n können unabhängig voneinander angesteuert und so zur Emission der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung angeregt werden. Die 1a zeigt ferner eine Steuerung 100, die ausgebildet ist, um einzelne oder mehrere Strahlungselemente der Vielzahl von Strahlungselementen 1a bis 1n selektiv zu aktivieren, um die spektrale Zusammensetzung der resultierenden elektromagnetischen Strahlung der Strahlungserzeugungsvorrichtung einzustellen. Zur selektiven Ansteuerung ist das Strahlungselement 1a mit einer Leiterstruktur 100a elektrisch verbunden, das zweite Strahlungselement 1b mit einer zweiten Leiterstruktur 100b, das dritte Strahlungselement 1c mit einer dritten Leiterstruktur 100c, das vierte Strahlungselement 1d mit einer vierten Leiterstruktur 100d und das n-te Strahlungselement 1n mit einer n-ten Leiterstruktur 100n elektrisch verbunden. Die elektrischen Leiterstrukturen 100a bis 100n können elektrisch isoliert und unabhängig voneinander mit n verschiedenen externen Kontakten elektrisch verbunden sein, um eine, in Bezug auf die Strahlungserzeugungsvorrichtung, externe Steuerung 100 anschließen zu können und über die Steuerung 100 die spektrale Zusammensetzung der resultierenden elektromagnetischen Strahlungen steuern zu können. In weiteren Ausführungsbeispielen können mehrere Strahlungselemente mit derselben Leiterstruktur und gegebenenfalls mit demselben externen Kontakt elektrisch verbunden sein, um diese gemeinsam aktivieren zu können. Beispielsweise können die Strahlungselemente 1a und 1b mit einer gemeinsamen Leiterstruktur verbunden sein, und die Strahlungselemente 1c und 1d mit einer anderen gemeinsamen Leiterstruktur elektrisch verbunden sein, oder beispielsweise die Elemente 1a, 1d und 1n mit einer gemeinsamen Leiterstruktur elektrisch verbunden sein. Alternativ kann die Steuerung 100 auch in die Strahlungserzeugungsvorrichtung integriert sein, z. B. durch eine im Siliziumsubstrat integrierte Steuerung 100 oder eine in die Funktionsschicht eines SOI-Substrats integrierte Schaltung 100.
Die Steuerung 100 kann ausgebildet sein, einzelne oder Kombinationen einzelner Strahlungselemente zeitlich nacheinander zu aktivieren, um z. B. eine Spektralanalyse oder eine Wellenlängenmodulation durchzuführen, oder eine Intensität der jeweiligen strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen zeitlich zu ändern, um z. B. eine Amplitudenmodulation durchzuführen.
1b zeigt eine schematische Aufsicht eines anderen Ausführungsbeispiels einer Anordnung von Strahlungselementen 1 bzw. 1a bis 1n. Die Strahlungselemente sind wie in 1a streifenförmig angeordnet, sind jedoch in 1b als organische oder anorganische lichtemittierende Dioden oder als Laserdioden ausgeführt. Dabei können die einzelnen Strahlungselemente einzelne Dioden 1a bis 1n sein, oder durch eine großflächige Diode realisiert sein, die durch strukturierte Elektroden räumlich begrenzt zur Emission von elektromagnetischer Strahlung angeregt werden kann. In anderen Worten für das Ausführungsbeispiel mit großflächigen Dioden bezeichnen die Bezugszeichen 1a bis 1n die räumlichen Strukturierungen der großflächigen Diode, die unabhängig voneinander angeregt werden können.
Das Trägersubstrat 6, auf dem die Strahlungselemente angeordnet sind, kann dabei als Silizium- oder Glassubstrat ausgeführt sein. Wie in 1a können die Strahlungselemente beispielsweise über die Leitungen 100a bis 100n unabhängig voneinander angesteuert und so zur Emission der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung angeregt werden. Die Ausführungen zu den Strahlungselementen (gleiche oder unterschiedliche Dimensionen der einzelnen Strahlungselemente, gleiche oder unterschiedliche Abstände, gleiche oder unterschiedliche Form, unabhängige Ansteuerung, etc) in 1a gelten entsprechend auch für die Strahlungselemente in 1b oder für andere Strahlungselemente, die für Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung eingesetzt werden können.
2a zeigt einen schematischen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung, die ein erstes Trägersubstrat 62, eine Membranschicht oder Funktionsschicht 61, ein zweites Trägersubstrat 9 und ein Verkapselungssubstrat 8 aufweist. Das zweite Trägersubstrat 9 weist eine erste Oberfläche 206 und eine dieser ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche 204 auf. Das zweite Trägersubstrat 9 weist ferner eine einseitige Aussparung oder Kavität 202 auf, die gemäß der Orientierung der 2a nach oben geöffnet ist, also eine Öffnung auf der Seite der zweiten Oberfläche 204 aufweist. Auf der ersten Oberfläche 204 ist die Funktionsschicht 61 angeordnet, in der die Strahlungselemente 1, z. B. die Strahlungselemente 1a bis 1n aus 1a, sowie die optische Öffnung 3 gebildet sind. Dabei sind die Strahlungselemente durch durchgehende Aussparungen, die sich von einer ersten Oberfläche der Funktionsschicht, die dem zweiten Trägersubstrat 9 zugewandt ist, zu einer der ersten gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Funktionsschicht 61 erstrecken, lateral getrennt, und die optische Aussparung ist durch eine durchgehende Aussparung in der Funktionsschicht gebildet, die sich ebenfalls von der ersten Oberfläche der Funktionsschicht 61 zu der zweiten Oberfläche der Funktionsschicht 61 erstreckt (s. 2a). Auf der der zweiten Oberfläche 206 des zweiten Trägersubstrats abgewandten Oberfläche der Funktionsschicht 61, also auf der zweiten Oberfläche der Funktionsschicht 61, ist das erste Trägersubstrat 62 angeordnet. Das erste Trägersubstrat 62 weist eine erste durchgehende Aussparung 212 auf, die über den Strahlungselementen 1 angeordnet ist, und eine zweite durchgehende Aussparung 214 auf, die über der optischen Öffnung 3 angeordnet ist. Dabei erstrecken sich die durchgehenden Aussparungen 212 und 214 des Trägersubstrats 62 von einer ersten Oberfläche des Trägersubstrats 62, die der Funktionsschicht 61 zugewandt ist zu einer der ersten gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Trägersubstrats 62. Oberhalb des ersten Trägersubstrats 62, also auf der der Funktionsschicht 61 abgewandten Oberfläche bzw. zweiten Oberfläche des ersten Trägersubstrats 62 ist das Verkapselungssubstrat 8 angeordnet. Das Verkapselungssubstrat 8 kann beispielsweise ausgebildet sein, einen Hohlraum, der aus der ersten Aussparung 212, der zweiten Aussparung 214 des ersten Trägersubstrats, den Zwischenräumen zwischen den Strahlungselementen in der Funktionsschicht 61 und der optischen Öffnung 3 in der Funktionsschicht 61, sowie der Aussparung 202 des zweiten Trägersubstrats gebildet wird, hermetisch abzuschließen.
Dabei sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a die Strahlungselemente 1a bis 1n, die Aussparung in dem zweiten Trägersubstrat 9, die optische Öffnung 3 und die zweite Aussparung 214 in dem Substratträger so angeordnet, dass sich die strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung der aktivierten Strahlungselemente 1a bis 1n in der Aussparung 202 zu dem dispersiven optischen Element ausbreiten, von dort ebenfalls innerhalb der Aussparung 202 in Richtung der optischen Öffnung abgelenkt werden und durch die optische Öffnung 3 und die zweite Aussparung 204 sowie das transparente Verkapselungssubstrat als Bestandteile der resultierenden elektromagnetische Strahlung 220 aus der Strahlungserzeugungsvorrichtung austreten können. Daher können das erste und zweite Trägersubstrat sowie die Funktionsschicht beispielsweise nicht-transparent ausgeführt sein oder nicht-transparente Materialien aufweisen.
In alternativen Ausführungsbeispielen der Strahlungserzeugungsvorrichtung können zwischen dem zweiten Trägersubstrat 9 und der Funktionsschicht 61, zwischen der Funktionsschicht 61 und dem ersten Trägersubstrat 62, und zwischen dem ersten Trägersubstrat 62 und dem Verkapselungssubstrat 8 jeweils weitere Schichten oder Substrate angeordnet sein. Weitere Ausführungsbeispiele können auch kein Verkapselungssubstrat 8 aufweisen. Das dispersive optische Element 2 kann ferner dasselbe Material wie das zweite Trägersubstrat 9 aufweisen, beispielsweise bei der Herstellung aus diesem erzeugt werden, oder aus einem anderen Material, das auf oder in die Aussparung 202 des zweiten Trägersubstrats 9 aufgebracht und strukturiert wird.
Die Funktionsweise der Strahlungserzeugungsvorrichtung wird im Folgenden anhand der 2a bis 2c anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem die Strahlungserzeugungsvorrichtung thermische Strahlungselemente 1 aufweist, die eine elektromagnetische Strahlung mit einem breitbandigen, polychromen Spektrum als strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung erzeugen, wenn sie aktiviert oder angeregt werden. Die Funktionsweise ist jedoch unabhängig von dem physikalischen Prinzip der Erzeugung der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung, so dass die Ausführungen entsprechend auch für Strahlungselemente gelten, die ausgebildet sind, die strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung mittels anderer physikalischer Prinzipien zu erzeugen, z. B. lichtemittierende Dioden.
Konkret zeigt 2a ein aktiviertes Strahlungselement in, das eine strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4n in Richtung des optischen dispersiven Elements 2 erzeugt (siehe Pfeil). Das optische dispersive Element 2 ist derart ausgebildet, dass es die strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4n, genauer gesagt ihre spektralen Bestandteile, abhängig von dem Einfallswinkel derart unterschiedlich ablenkt, dass unterschiedliche spektrale Bestandteile zu unterschiedlichen Bereichen oder Raumwinkeln reflektiert werden. 2a zeigt das abgelenkte oder reflektierte Spektrum 5n mit dem beispielhaften ersten Bestandteil 5n1, einem zweiten spektralen Bestandteil 5n2 und einem dritten spektralen Bestandteil 5n3. Wie in 2a gezeigt, spaltet das dispersive optische Element 2 die strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4n in eine Vielzahl (hier 3) von spektralen Bestandteilen, z. B. 5n1 bis 5n3 auf, die in verschiedenen Richtungen oder Raumwinkel abgelenkt werden. Dabei sind das dispersive optische Element 2 und die optische Öffnung 3 derart angeordnet und ausgebildet, dass einer der spektralen Bestandteile, in 2a der zweite spektrale Bestandteil 5n2, der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4n durch die optische Öffnung 3 hindurch treten kann. Die anderen spektralen Bestandteile 5n1 und 5n3 werden in der Art abgelenkt, dass sie nicht auf die optische Öffnung 3 treffen oder durch diese hindurch oder austreten können, sondern beispielsweise neben der optischen Öffnung 3 auf die Funktionsschicht 61 auftreffen. Im vorliegenden Fall ist die optische Öffnung 3 eine tatsächliche Öffnung im Sinne einer Aussparung in der Funktionsschicht, und die Funktionsschicht nicht transparent ausgebildet, also beispielsweise das Licht absorbiert oder reflektiert, vorzugsweise absorbiert. In anderen Worten, die Anordnung der einzelnen Strahlungselemente des dispersiven optischen Elements 2 und der optischen Öffnung 3 in Bezug zueinander sowie die Ausbildung des dispersiven optischen Elements 2 in Bezug auf seine Einfallswinkel und wellenlängenabhängigen Eigenschaften ermöglichen, dass von jedem Strahlungselement nur ein bestimmter spektraler Bestandteil, oder allgemeiner, nur strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Spektrums oder Wellenlängenbereichs auf die Öffnung 3 abgelenkt (und fokussiert) werden, und somit durch selektives Aktivieren eines oder mehrerer Strahlungselemente 1a bis 1n die spektrale Zusammensetzung der resultierenden Strahlung, die aus der Strahlungserzeugungsvorrichtung austritt (siehe Pfeil mit dem Bezugszeichen 220) eingestellt werden kann. In anderen Worten, das ursprüngliche Spektrum der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung wird gefiltert und auf den zweiten spektralen Bestandteil beschränkt.
2b zeigt dasselbe Ausführungsbeispiel der Strahlungserzeugungsvorrichtung gemäß 2a, in 2b sind jedoch das erste Strahlungselement 1a und das n-te Strahlungselement n aktiviert, so dass das erste Strahlungselement eine erste strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4a erzeugt, und das n-te Strahlungselement eine weitere strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4n erzeugt. Die beiden Strahlungselemente 1a und 1n sind in 2a bis 2c identisch und erzeugen das gleiche strahlungselementspezifische elektromagnetische Spektrum, d. h. die beiden strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen 4a und 4n weisen dasselbe Spektrum auf, haben also denselben Wellenlängenbereich mit derselben minimalen Wellenlänge und derselben maximalen Wellenlänge. Die beiden strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen 4a und 4n treffen beide auf das dispersive optische Element 2 und werden in ihre spektralen Bestandteile aufgespalten. Zur Verdeutlichung des Wirkungsprinzips sind in 2b jedoch jeweils nur der zweite Spektralbereich, analog zu 2a, der beiden strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen gezeigt. In 2b wird die weitere strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4n durch das optische dispersive Element 2 so spektral aufgespalten und abgelenkt, dass nur der zweite spektrale Bestandteil 5n2 der weiteren strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4n durch die optische Öffnung 3 austritt. Wie in 2b weiter dargestellt, wird derselbe zweite spektrale Bestandteil 5a2, also derselbe Wellenlängenbereich in dem Spektrum der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4a in eine andere Richtung abgelenkt als der entsprechende spektrale Bestandteil 5n2 der weiteren strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4n. In anderen Worten, 2b zeigt die unterschiedliche Ablenkung desselben Spektralbereichs durch das dispersive optische Element 2 aufgrund des unterschiedlichen Einfallswinkels auf das optische dispersive Element 2, der durch die unterschiedliche Position der einzelnen Strahlungselemente 1a bis 1n bedingt ist.
2c zeigt wiederum die erste und weitere strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4a und 4n, die durch die Aktivierung des ersten Strahlungselements 1a und des n-ten Strahlungselement 4n erzeugt wird. Im Gegensatz zu 2b ist in 2c jedoch die Überlagerung des ersten spektralen Bestandteils 5a1 der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4a mit dem zweiten spektralen Bestandteil 5n2 der weiteren strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4n dargestellt. In anderen Worten, das dispersive optische Element 2c ist in 2c ausgebildet, den ersten spektralen Bestandteil 5a1 in dieselbe Richtung bzw. denselben Raumwinkel zu lenken wie den zweiten spektralen Bestandteil 5n2, wobei der erste spektrale Bestandteil unterschiedlich zu dem zweiten spektralen Bestandteil 5n2 ist.
In anderen Worten, Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung können eine Vielzahl von Strahlungselementen 1, 1a–1n aufweisen, die ausgebildet sind, um jeweils eine strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4a–4n zu erzeugen, wenn sie aktiviert werden, wobei jedes Strahlungselement der Vielzahl von Strahlungselementen unabhängig von anderen Strahlungselementen der Vielzahl von Strahlungselementen aktivierbar ist, und ein dispersives optisches Element 2 und eine optische Öffnung 3 aufweisen, wobei ein erstes Strahlungselement 1a der Vielzahl von Strahlungselementen ausgebildet ist, um eine erste strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4a zu erzeugen, und ein zweites Strahlungselement 4n der Vielzahl von Strahlungselementen ausgebildet ist, um eine zweite strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung 4n zu erzeugen, wobei ein Spektralbereich der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4n gleich einem Spektralbereich der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4a ist, und das dispersive optische Element 2 derart ausgebildet ist, um die strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen 4a–4n abhängig von ihrem Einfallswinkel und ihrer Wellenlänge derart abzulenken oder die strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen 4a–4n derart aufzuspalten, dass ein erster spektraler Bestandteil der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4a durch die optische Öffnung 3 austreten kann und ein erster spektraler Bestandteil der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4n nicht durch die optische Öffnung 3 austreten kann, wobei der erste spektrale Bestandteil der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung und der erste spektrale Bestandteil der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung gleich sind.
Ausführungsbeispiele können ferner ein dispersives optisches Element 2 aufweisen, das ausgebildet ist, um die strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen 4a–4n abhängig von ihrem Einfallswinkel und ihrer Wellenlänge derart abzulenken oder die strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen 4a–4n derart aufzuspalten, dass ein erster spektraler Bestandteil der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4a und ein zweiter spektraler Bestandteil der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung 4n durch die optische Öffnung 3 austreten können, wobei der erste spektrale Bestandteil der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung unterschiedlich zu dem zweiten Bestandteil 5n2 der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung ist.
In anderen Ausführungsbeispielen, können die Strahlungselemente ausgebildet sein, strahlungselementspezifische Strahlungen unterschiedlicher Spektren zu erzeugen, und die spektralen Bestandteile, in die die strahlungselementspezifische Strahlungen aufgespalten werden, unterschiedlich sein. Ferner können sich in manchen Ausführungsbeispielen unabhängig davon, ob es sich um identische oder unterschiedliche Strahlungselemente handelt, die spektralen Bestanteile überschneiden, z. B. der erste spektrale Bestandteil 5a1 und der zweite spektrale Bestandteil 5n2 überschneiden, während in anderen Ausführungsbeispielen die beiden spektralen Bestandteile aneinander angrenzen oder überschneidungsfrei sind.
In weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 2a bestehen die Strahlungselemente 1 aus aufheizbaren Strukturen, sogenannten Filamenten. Diese Filamente 1 bzw. 1a bis 1n können dabei auf oder in einem gemeinsamen Substrat, beispielsweise einem Trägersubstrat 6 oder 61, oder einer gemeinsamen Membran 62 oder Funktionsschicht 62, die von einem Substrat, z. B. Trägersubstrat 61, getragen wird, oder frei stehend durch ein gemeinsames Substrat 6 (siehe 1a) mechanisch fixiert angeordnet sein. Bei dem gemeinsamen Substrat kann es sich beispielsweise um ein sogenanntes Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI) 61, 62 handeln. Derartige SOI-Substrate bestehen aus einer Funktionsschicht 61 aus monokristallinem Silizium, die durch eine dünne Oxidschicht (in 2a bis 2c nicht gezeigt) mit einer typischerweise einige 100 μm dicken Trägerschicht 62 aus Silizium, auch als Trägersubstrat 62 bezeichnet, verbunden ist. Die Filamente 1 können aus dem SOI-Substrat 61, 62 mit bekannten Verfahren aus der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, wie z. B. Photolithographie, Ätzen oder Beschichten, hergestellt werden. Freitragende Filamente 1 können beispielsweise durch partielles Entfernen der Trägerschicht (Trägersubstrat) 62 und laterales Strukturieren der Funktionsschicht 61 des SOI-Substrats erzeugt werden. Die Filamente 1 können dabei streifenförmig und regelmäßig oder mit variablem Abstand nebeneinander angeordnet sein. Ferner können die Filamente 1 auch andere Geometrien als die in 1a und 1b dargestellten Streifen aufweisen.
Das SOI-Substrat 61 kann rückseitig mit einem weiteren Substrat, das auch als Verkapselungssubstrat 8 bezeichnet wird, beispielsweise einem Glassubstrat, verkapselt werden. Vorderseitig kann das SOI-Substrat 61, 62 direkt mit einem weiteren Substrat 9, auch als zweites Trägersubstrat 9 bezeichnet, auf oder in dem sich ein dispersives optisches Element 2 befindet, verbunden sein. Das zweite Trägersubstrat 9 kann beispielsweise aus einem Glas- oder Metallwerkstoff gefertigt sein und erfüllt in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a bis 2c zwei Funktionen. Zum einen kann durch das zweite Trägersubstrat eine hermetische Kapselung des Systems erreicht werden. Zum anderen bildet das zweite Trägersubstrat 9 den Träger für das dispersive optische Element 2, wobei das dispersive optische Element 2 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a bis 2c als konkaves Beugungsgitter 2 ausgebildet ist. Derartige konkave Beugungsgitter ermöglichen sowohl die wellenlängenabhängige Aufspaltung der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung als auch die Refokussierung der Filamente bzw. der spektralen Bestandteile nach der Aufspaltung oder Ablenkung in die Nähe oder in die Ebene der optischen Öffnung 3, die in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a und 2c durch einen Spalt in der Funktionsschicht 61 gebildet ist, realisiert ist. Das konkave Beugungsgitter 2 wird im Folgenden auch einfach Beugungsgitter 2 genannt.
Beugungsgitter, auch konkave Beugungsgitter, können beispielsweise mit Hilfe von Verfahren der Ultrapräzisionszerspanung oder entsprechenden Form- und Prägeverfahren hergestellt werden. Dabei kann sowohl das Substrat 9 und das Beugungsgitter 2 einen gemeinsamen Herstellungsschritt, z. B. das Abformen, Durchlaufen oder auch getrennt voneinander gefertigt werden. So kann das Beugungsgitter 2 beispielsweise durch holographische Verfahren auf dem zuvor gefertigten und mit einer Polymerschicht versehenen zweiten Trägersubstrat 2 erzeugt werden. Weiterhin kann das Beugungsgitter 2 aus einem bestimmten Wellenlängenbereich optimierten Strukturen bestehen, derartige Beugungsgitter werden auch als „geblazte” Gitter bezeichnet.
In der Funktionsschicht 61 befindet sich eine Öffnung 3 zur Auskopplung der von den Filamenten 1 erzeugten elektromagnetischen Strahlung 5, die in Kombination mit dem dispersiven optischen Element 2 den spektralen Bereich, der von jedem der Strahlungselemente für die spektrale Zusammensetzung der resultierenden elektromagnetischen Strahlung beigesteuert werden kann, spektral begrenzt.
Die optische Öffnung 3 kann beispielsweise als rechteckförmiger Spalt, der in die Funktionsschicht 61 geätzt wird, ausgewählt sein. Durch den Spalt 3 wird eine spektrale Filterung der von den einzelnen Elementen, Filamenten oder allgemein Strahlungselementen ausgehenden und von dem Beugungsgitter 2 spektral zerlegten Strahlung 5 erreicht. Das Verkapselungssubstrat 8 kann dabei zumindest oberhalb der zweiten Aussparung 214 transparent ausgebildet sein, um die Auskopplung der durch den Spalt hindurch tretenden Strahlung 220 aus dem Gesamtsystem, also der Strahlungserzeugungsvorrichtung, zu ermöglichen.
Die Verbindung der Substrate 61, 62, 8 und 9 kann durch gängige Fügeverfahren der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, wie beispielsweise Kleben oder Bonden, erfolgen. Beispielsweise kann das Verkapselungssubstrat 8 mit dem ersten Trägersubstrat 62 durch anodisches oder adhäsives Bonden verbunden werden. Darüber hinaus sind auch Lötverfahren, insbesondere Laserlöten, geeignet, um eine Verbindung der Substrate 61, 62, 8 und 9 herbeizuführen. Die Verbindung der Substrate 8, 61, 62 und 9 kann dabei sowohl im Waferverbund als auch mit vereinzelnden Bauelementen durchgeführt werden.
Eine hermetische Verbindung der einzelnen Substrate 8, 61, 62 und 9 miteinander, die durch die oben erwähnten Technologien erreicht werden kann, bietet die Möglichkeit, die Filamente 1 im Vakuum oder in einem geeigneten Füllgas zu betreiben. Bei dem Füllgas kann es sich beispielsweise um ein Schutzgas oder ein Aktivgas, wie bei handelsüblichen Halogenlampen handeln. Das Füllgas kann vorteilhaft als gaschemisch ausgeführt sein, welches durch Erhöhung des Drucks das Verdampfen der Filamente minimiert, den Niederschlag des verdampften Filamentmaterials auf den umgebenden Oberflächen verändert und durch entsprechende Reaktion eine Rückführung des Filamentmaterials unterstützt bzw. ermöglicht. Dabei können auch Gasgemische eingesetzt werden. Diese können beispielsweise aus einem Element der Gruppe der Halogene, wie z. B. Jod, aus Sauerstoff oder einem Element der Gruppe Edelgase, wie z. B. Argon, Xenon oder Krypton, bestehen.
Ferner können die Filamente 1 durch eine zur Kompensation thermischer Ausdehnung geeignet ausgeführte Halterung, z. B. flexible Elemente oder Federstrukturen, mit dem Trägersubstrat 61 verbunden sein.
Wie zuvor erläutert, zeigt 2b das selbe Ausführungsbeispiel wie 2a. Zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips ist in 2b die von zwei Filamenten 1a und 1n ausgehende Strahlung 4a und 4n eingezeichnet. Sie wird jeweils von dem Beugungsgitter 2 in ihre spektralen Anteile zerlegt, wobei in 2a lediglich der jeweils zweite spektrale Anteil 5a2 und 5n2 dargestellt ist. Das Beugungsgitter 2 ist als Konkavgitter ausgeführt, so dass zusätzlich zur spektralen Aufspaltung eine Fokussierung der Strahlung auf den Austrittsspalt 3 erfolgt. Aufgrund des Winkelversatzes, unter dem die Strahlung der beiden Filamente auf das Gitter trifft, wird die jeweils gleiche spektrale Komponente 5a2 und 5n2 der unterschiedlichen Filamente 1a und 1n auf eine andere Stelle in der Spaltebene fokussiert. Somit tritt von jedem Filament 1a bis 1n eine unterschiedliche spektrale Komponente durch den Spalt 3 hindurch. Durch gezieltes Ansteuern der unterschiedlichen Filamente 1a bis 1n kann die spektrale Zusammensetzung der ausgekoppelten Strahlung 220 verändert werden.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Strahlungselemente 1 als Filamente 1 ausgebildet sind, die wiederum in oder auf einem SOI-Substrat 61, 62 angeordnet sind. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das SOI-Substrat, genauer gesagt die Funktionsschicht 62, vorderseitig mit einem weiteren Substrat 8, das auch als Verkapselungssubstrat 8 bezeichnet wird, und beispielsweise ein Glassubstrat ist, verkapselt. Als dispersives optisches Element 2 dient wiederum ein konkaves Beugungsgitter 2, welches rückseitig in ein entsprechendes zweites Trägersubstrat 9 integriert ist. Das zweite Trägersubstrat 9 kann direkt zur vorderseitigen Verkapselung des SOI-Substrats 61, 62 verwendet werden. Das zweite Trägersubstrat 9 ist aus einem für die elektromagnetische Strahlung transparenten Material, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff, gefertigt und dient gleichzeitig als Trägersubstrat für die Öffnung 3 zur Auskopplung der resultierenden elektromagnetischen Strahlung 220. Die optische Öffnung 3 kann beispielsweise als Spalt ausgeführt sein, wie in 3 dargestellt, der aus einem lateral strukturierten, auf dem Substrat 9 angeordneten und für die Strahlung nicht transparenten Material, z. B. ein Metall oder einem Schichtstapel 30 besteht.
In anderen Worten, 3 zeigt allgemein einen schematischen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung, die ein erstes Trägersubstrat 62, eine Membranschicht oder Funktionsschicht 61, ein zweites Trägersubstrat 9, ein Verkapselungssubstrat 8 und eine nicht-transparente Schicht 30 aufweist. Das zweite Trägersubstrat 9 weist eine erste Oberfläche 206 und eine dieser ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche 204 auf. Auf der ersten Oberfläche 204 des zweiten Trägersubstrats ist das erste Trägersubstrat 62 angeordnet, das eine erste durchgehende Aussparung 312 aufweist, die unter den Strahlungselementen 1 angeordnet ist. Dabei erstreckt sich die durchgehende Aussparung 312 des Trägersubstrats 62 von einer ersten Oberfläche des Trägersubstrats 62, die dem zweiten Trägersubstrat 9 zugewandt ist zu einer der ersten gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Trägersubstrats 62. Oberhalb des ersten Trägersubstrats 62, also auf der zweiten Oberfläche des ersten Trägersubstrats 62 ist die Funktionsschicht 61 angeordnet. Dabei sind die Strahlungselemente 1, ähnlich wie in 2a bis 2c, durch durchgehende Aussparungen, die sich von einer ersten Oberfläche der Funktionsschicht, die dem ersten Trägersubstrat 62 zugewandt ist, zu einer der ersten gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Funktionsschicht 61 erstrecken, lateral getrennt. Oberhalb der Funktionsschicht 61, also auf der zweiten Oberfläche der Funktionsschicht 61 ist das Verkapselungssubstrat 8 angeordnet. Das Verkapselungssubstrat 8 weist auf der der Funktionsschicht 61 zugewandten Oberfläche eine Aussparung 812 auf, die über den Strahlungselementen 1 angeordnet ist. Das Verkapselungssubstrat 8 kann beispielsweise ausgebildet sein, einen Hohlraum, der aus der Aussparung 812, der Aussparung 312 und den Zwischenräumen zwischen den Strahlungselementen in der Funktionsschicht 61 besteht, hermetisch abzuschließen. Die nicht-transparente Schicht 30 ist auf der zweiten Oberfläche 204 des zweiten Trägersubstrats 9 lateral, also neben dem ersten Trägersubstrat 62 angeordnet und weist die optische Öffnung 3 in Form einer durchgehenden Aussparung, die sich von einer ersten dem zweiten Trägersubstrat zugewandten Oberfläche der Schicht 30 zu einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegend angeordneten Oberfläche der Schicht 30 erstreckt.
Dabei ist in 3 das zweite Trägersubstrat 9 transparent, und die Strahlungselemente 1, die Aussparung 312, das zweite Trägersubstrat 9, das dispersive optische Element 3 und die optische Öffnung 3 so angeordnet und ausgebildet, dass sich die strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung der aktivierten Strahlungselemente 1a bis 1n in dem zweiten Trägersubstrat 9 zu dem dispersiven optischen Element ausbreiten, von dort ebenfalls in dem zweiten Trägersubstrat 9 in Richtung der optischen Öffnung abgelenkt werden und durch die optische Öffnung 3 als Bestandteile der resultierenden elektromagnetischen Strahlung 220 aus der Strahlungserzeugungsvorrichtung austreten können.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei dem die Filamente 1 ähnlich wie in 3 in oder auf einem SOI-Substrat 61, 62 angeordnet sind. Das SOI-Substrat 61, 62 gemäß 4 ist wie in 3 vorderseitig mit einem Verkapselungssubstrat 8, beispielsweise einem Glassubstrat, verkapselt. Zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die SOI-Struktur 61, 62 nicht durch das zweite Trägersubstrat 9 verkapselt, sondern durch ein weiteres Verkapselungssubstrat 8b, das rückseitig an das SOI-Substrat angeordnet und mit dem ersten Trägersubstrat 61 hermetisch verbunden ist. Ausführungsbeispiele gemäß 4 ermöglichen bei der Herstellung, ein hermetisches Verkapseln der SOI-Struktur durch die zwei Verkapselungssubstrate 8 und 8b auf Waferebene.
In anderen Worten, 4 zeigt allgemein einen schematischen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung, das dem zweiten Ausführungsbeispiel aus 3 ähnlich ist, und zusätzlich ein weiteres Verkapselungssubstrat 8b aufweist, das zwischen dem ersten Trägersubstrat 61 und dem zweiten Trägersubstrat 9 angeordnet ist. Ausführungsbeispiele gemäß 4 ermöglichen somit bei der Herstellung, allgemein ein hermetisches Verkapseln der Strahlungselemente 1 durch die zwei Verkapselungssubstrate 8 und 8b auf Waferebene.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Strahlungselemente 1 als organische lichtemittierende Dioden (OLED) ausgeführt sind. Das erste Trägersubstrat 63 für die OLED 1 kann beispielsweise ein aus der Halbleitertechnik bekanntes Siliziumsubstrat sein. Die organischen lichtemittierenden Dioden 1a bis 1n können streifenförmig ausgeführt und regelmäßig oder mit variablem Abstand zueinander angeordnet sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Strahlungserzeugungsvorrichtung großflächige Dioden auf, die durch strukturierte Elektroden 1a bis 1n räumlich begrenzt zur Emission von elektromagnetischer Strahlung angeregt werden können.
Das erste Trägersubstrat kann vorderseitig (auf der Seite der OLED) mit einem Verkapselungssubstrat 8, z. B. einem Glassubstrat 8, verkapselt werden. Als dispersives optisches Element 2 dient wiederum ein konkaves Beugungsgitter 2, welches rückseitig, also an der ersten Oberfläche 206 des zweiten Trägersubstrats 9, wie schon in den 3 und 4 dargestellt, in das zweite Trägersubstrat 9 integriert ist. Anders ausgedrückt, zeigt 5 ein Ausführungsbeispiel ähnlich der 3 und 4, das anstelle der SOI-Struktur 61, 62 mit den integrierten Filamenten 1 und der vorderseitig angeordneten Verkapselungssubstrate 8, ein herkömmliches Substrat 63, z. B. ein Siliziumsubstrat, aufweist, auf dem die Strahlungselemente in Form von organischen lichtemittierenden Dioden 1a bis 1n angeordnet sind. Ähnlich wie das Ausführungsbeispiel gemäß 4 kann das Ausführungsbeispiel gemäß 5 bei der Herstellung auf Waferebene hermetisch abgeschlossen werden, in dem auf Waferebene das Verkapselungssubstrat 8 auf den Wafer mit dem Substrat 63 und den organischen lichtemittierenden Dioden 1a bis 1n aufgebracht wird.
In anderen Worten, 5 zeigt allgemein einen schematischen Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung, die ein erstes Trägersubstrat 63, Strahlungselemente 1, ein zweites Trägersubstrat 9, ein Verkapselungssubstrat 8 und eine nicht-transparente Schicht 30 aufweist. Das zweite Trägersubstrat 9 weist eine erste Oberfläche 206 und eine dieser ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche 204 auf. Auf der ersten Oberfläche 204 des zweiten Trägersubstrats ist das Verkapselungssubstrat 8 angeordnet, das eine Aussparung 814 aufweist, die unter den Strahlungselementen 1 angeordnet ist. Oberhalb des Verkapselungssubstrats 8, also auf der zweiten Oberfläche des Verkapselungssubstrats 8 ist das erste Trägersubstrat 63 angeordnet. Auf der Unterseite des ersten Trägersubstrats 63, also der dem Verkapselungssubstrat 8 zugewandten ersten Oberfläche des ersten Trägersubstrats 63, sind die Strahlungselemente angeordnet. Die Aussparung 814 des Verkapselungssubstrats 8 ist unterhalb der Strahlungselemente angeordnet und weist eine Öffnung in Richtung derselben auf. Das Verkapselungssubstrat 8 kann beispielsweise ausgebildet sein, einen Hohlraum, der aus der Aussparung 814 gebildet wird, hermetisch abzuschließen. Die nicht-transparente Schicht 30 ist auf der zweiten Oberfläche 204 des zweiten Trägersubstrats 9 lateral, also neben dem Verkapselungssubstrat 8 angeordnet und weist die optische Öffnung 3 in Form einer durchgehenden Aussparung auf, die sich von einer ersten dem zweiten Trägersubstrat zugewandten Oberfläche der Schicht 30 zu einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegend angeordneten Oberfläche der Schicht 30 erstreckt.
Dabei ist in 5 das zweite Trägersubstrat 9 transparent, und die Strahlungselemente 1, die Aussparung 814, das zweite Trägersubstrat 9, das dispersive optische Element 3 und die optische Öffnung 3 so angeordnet und ausgebildet, dass sich die strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung der aktivierten Strahlungselemente 1a bis 1n in dem zweiten Trägersubstrat 9 zu dem dispersiven optischen Element ausbreiten, von dort ebenfalls in dem zweiten Trägersubstrat 9 in Richtung der optischen Öffnung abgelenkt werden und durch die optische Öffnung 3 als Bestandteile der resultierenden elektromagnetische Strahlung 220 aus der Strahlungserzeugungsvorrichtung austreten können.
Weitere Ausführungsbeispiele weisen anstelle der organischen lichtemittierenden Dioden anorganische lichtemittierende Dioden oder Laserdioden oder eine Kombination der drei oder weiterer Diodenarten auf.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Strahlungselemente 1 als Filamente in oder auf einem SOI-Substrat 61, 62 angeordnet sind. Das SOI-Substrat 61, 62 gemäß 6 ist vorderseitig mit einem ersten Verkapselungssubstrat 8 und rückseitig mit einem zweiten Verkapselungssubstrat 8b verkapselt, wobei das zweite Verkapselungssubstrat 8b ein transparentes Material aufweist, z. B. Glas, während das erste Verkapselungssubstrat 8 auch ein nicht transparentes Material aufweisen kann. Das zweite Verkapselungssubstrat 8b dient gleichzeitig als Trägersubstrat für die optische Öffnung 3 zur Auskopplung der Strahlung. Diese kann, wie beispielsweise in 6 dargestellt, als Spalt, der aus einem lateral strukturierten, auf dem zweiten Verkapselungssubstrat 8b angeordneten und für die Strahlung nicht transparenten Material ausgeführt sein, wobei das Material beispielsweise ein Metall oder ein Schichtstapel 30 sein kann. Als diffraktives optisches Element 2 weist das Ausführungsbeispiel gemäß 6 wiederum ein konkaves Beugungsgitter 2 auf, das in oder auf dem zweiten Trägersubstrat 9 angeordnet ist und welches durch ein Abstandshaltersubstrat 10 mit dem zweiten Verkapselungssubstrat 8b verbunden ist. Die beiden Substrate 9 und 10 können aus Glas oder Kunststoff ausgeführt sein.
In anderen Worten, 6 zeigt allgemein einen schematischen Querschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels einer Strahlungserzeugungsvorrichtung, die ein erstes Trägersubstrat 62, eine Funktionsschicht 61, ein zweites Trägersubstrat 9, ein Abstandshaltersubstrat 10, ein erstes und ein weiteres Verkapselungssubstrat 8, 8b und eine nicht-transparente Schicht 30, sowie ein dispersives optisches Element 2 und eine optische Öffnung 3 aufweist. Das zweite Trägersubstrat 9 weist eine erste Oberfläche 206 und eine dieser ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche 204 auf. Auf der ersten Oberfläche 204 des zweiten Trägersubstrats ist das Abstandshaltersubstrat 10 angeordnet, wobei das Abstandshaltersubstrat 10 über dem Bereich der Aussparung 202 des zweiten Trägersubstrats 2 eine durchgehende Aussparung 1002 aufweist, die sich von einer ersten Oberfläche des Abstandshaltersubstrats, die dem zweiten Trägersubstrat 9 zugewandt ist, zu einer zweiten der ersten Oberfläche des zweiten Trägersubstrats gegenüberliegend angeordneten zweiten Oberfläche erstreckt. Auf der zweiten Oberfläche des Abstandshaltersubstrats 10 ist das weiteres Verkapselungssubstrat 8b angeordnet. Auf dem weiteres Verkapselungssubstrat 8b, also auf der dem Abstandshaltersubstrat 10 abgewandten Oberfläche des weiteren Verkapselungssubstrats 8 ist das erste Trägersubstrat 62 angeordnet, das eine Aussparung 216 aufweist, die sich von einer ersten Oberfläche des ersten Trägersubstrats, die dem weiteren Verkapselungssubstrat 8b zugewandt ist, zu einer zweiten Oberfläche des ersten Trägersubstrats 62, die der ersten Oberfläche gegenüberliegend angeordnet ist, erstreckt. Auf der zweiten Oberfläche des ersten Trägersubstrats 62 ist die Funktionsschicht 61 mit den Strahlungselementen 1 angeordnet. Dabei sind die Strahlungselemente 1, ähnlich wie in 2a–2c und 3, durch durchgehende Aussparungen gebildet, die sich von einer ersten Oberfläche der Funktionsschicht 61, die dem ersten Trägersubstrat 62 zugewandt ist, zu einer zweiten Oberfläche, die der ersten Oberfläche der Funktionsschicht 61 gegenüberliegend angeordnet ist, erstrecken. Auf der zweiten Oberfläche der Funktionsschicht 61 ist das erste Verkapselungssubstrat 8 angeordnet, das eine einseitige Aussparung, die eine Öffnung auf der Seite aufweist, die der Funktionsschicht 61 zugewandt ist und über den Strahlungselementen 1 angeordnet ist, aufweist. Die nicht-transparente Schicht 30 ist auf dem zweiten Verkapselungssubstrat 8b lateral, also neben dem ersten Trägersubstrat 62 angeordnet. Dabei können das erste Verkapselungssubstrat 8 und das weitere Verkapselungssubstrat 8b beispielsweise ausgebildet sein, einen Hohlraum, der durch den Hohlraum 812 in dem ersten Verkapselungssubstrat, den durchgehenden Aussparungen in der Funktionsschicht 61 und der Aussparung 216 in dem ersten Trägersubstrat 62 gebildet wird, hermetisch abzuschließen. Dabei erfolgt der Strahlengang, ähnlich wie in 2a–2c im Wesentlichen in den Hohlräumen. In anderen Worten, die Strahlungselemente 1, die Aussparung 216, das zweite Verkapselungssubstrat 8b, die durchgehende Aussparung 1002 in dem Abstandshaltersubstrat 10 und die einseitige Aussparung 202 in dem zweiten Trägersubstrat 9 sowie die optische Öffnung 3 in der nicht-transparenten Schicht 30 sind so ausgebildet und angeordnet, dass sich die strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung der aktivierten Strahlungselemente 1a–1n der durchgehenden Aussparung 216 durch das transparente zweite Verkapselungssubstrat 8b, durch die durchgehende Aussparung 1002 und die einseitige Aussparung 202 zu dem dispersiven optischen Element 2 ausbreiten, von dort ebenfalls in der einseitigen Aussparung 202 und der durchgehenden Aussparung 1002 und wiederum durch das transparente zweite Verkapselungssubstrat 8b in Richtung der optischen Öffnung 3 abgelenkt werden und durch die optische Öffnung 3 als Bestandteile der resultierenden elektromagnetischen Strahlung 220 aus der Strahlungserzeugungsvorrichtung austreten können.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Strahlungselemente 1 in Form von Filamenten 1 in oder auf einem SOI-Substrat 61, 62 angeordnet sind. Das SOI-Substrat 61, 62 ist vorderseitig mit einem Verkapselungssubstrat 8, beispielsweise einem Glassubstrat 8, und rückseitig mit einem weiteren Substrat 21 verkapselt. In dieses an die SOI-Struktur angrenzende Substrat 21 ist eine Linse 23 integriert, welche die von den Filamenten ausgehende Strahlung, in 7 nur für Strahlungselemente 1n eingezeichnet, kollimiert und auf das dispersive optische Element 2 in Form eines Prismas 2 lenkt. Dieses Prisma 2 ist in ein weiteres Substrat 22 integriert, welches wiederum mit dem Substrat 21 der dem SOI-Substrat abgewandten Oberfläche des weiteren Substrats 21 angeordnet und verbunden ist. Eine weitere Linse 25 ist in einem Substrat 24 integriert, und fokussiert die von dem Prisma 2 spektral aufgespaltete Strahlung, siehe die spektralen Bestandteile 5n1, 5n2, 5n3, auf die als Spalt 3 ausgeführte optische Öffnung zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung. Dieses Substrat 24 dient zusätzlich als Träger für ein für die Strahlung nicht transparentes Material, z. B. einem Metall oder einem Schichtstapel 30, durch das mittels lateraler Strukturierung der Spalt 3 erzeugt wird. Das Prisma 2, das in dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 das optische dispersive Element bildet, kann beispielsweise auch durch ein Transmissionsgitter als dispersives optisches Element 3 ersetzt werden.
In anderen Worten, 7 zeigt einen Querschnitt als sechstes Ausführungsbeispiel einer Strahlungserzeugungsvorrichtung, die ein erstes Trägersubstrat 62, eine Funktionsschicht 61, ein erstes Verkapselungssubstrat 8, ein erstes optisches Substrat 21, ein zweites optisches Substrat 22, ein drittes optisches Substrat 24 und eine nicht-transparente Schicht 30 mit der optischen Öffnung 3 aufweist. Dabei weist das erste Trägersubstrat 62 eine untere, erste Oberfläche auf und eine dieser ersten Oberfläche gegenüber liegende zweite Oberfläche, auf der die Funktionsschicht 61 angeordnet ist, und in der die Strahlungselemente 1, wie schon anhand von 6 beschrieben, integriert sind. Wie in 6 beschrieben, ist auf der Funktionsschicht 61 ein erstes Verkapselungssubstrat 8 mit einer einseitigen Aussparung 812 angeordnet, und das erste Trägersubstrat 62 weist, ebenfalls wie in 6 dargestellt, eine durchgehende Aussparung 216 auf. Das erste optische Substrat 21 ist unterhalb, also an der ersten Oberfläche des ersten Trägersubstrats 62 angeordnet und weist eine erste Oberfläche, die dem ersten Trägersubstrat 62 abgewandt ist, auf und eine dieser gegenüberliegend angeordnete zweite Oberfläche. Auf der Seite der zweiten Oberfläche des ersten optischen Substrats 21 weist das erste optische Substrat 21 eine Linse 23 auf. An der unteren Oberfläche, also der ersten Oberfläche des ersten optischen Substrats 21, ist das zweite optische Substrat 22 angeordnet, das eine erste Oberfläche auf der unteren Seite aufweist, die dem ersten optischen Substrat 21 abgewandt angeordnet ist, und weist ferner eine zweite Oberfläche auf, die der ersten Oberfläche des zweiten optischen Substrats 22 gegenüberliegend angeordnet ist. Das zweite optische Element 22 weist das dispersive optische Element 2 auf. Unterhalb, also an der ersten Oberfläche des zweiten optischen Substrats 22, ist das dritte optische Substrat 24 angeordnet, das eine erste Oberfläche aufweist, die dem zweiten optischen Substrat abgewandt ist, und eine zweite Oberfläche, die dem zweiten optischen Substrat 22 zugewandt ist. Das dritte optische Substrat 24 weist die oben beschriebene zweite Linse 25 auf. Die nicht-transparente Schicht 30 ist auf der ersten Oberfläche des dritten optischen Substrats 24 angeordnet.
In weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 7 können die Strahlungselemente 1 unterschiedliche Abstände aufweisen.
Die dispersiven optischen Elemente 3 der 3, 4 und 5 können auch diffraktive optische Elemente sein.
Obwohl hauptsächlich Ausführungsbeispiele besprochen wurden, die thermische Strahlungselemente aufweisen, können weitere Ausführungsbeispiele anstelle der thermischen auch Strahlungselemente aufweisen, die auf einem anderen physikalischen Prinzip basieren, und umgekehrt. Ferner können in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 7 auch Strahlungselemente verschiedener physikalischer Prinzipien gemischt als Strahlungselemente 1a bis 1n eingesetzt werden, und z. B. eine Strahlungserzeugungsvorrichtung nur ein thermisches und ein auf Lumineszenz basierendes Strahlungselement aufweisen oder mehrere derselben.
Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele gemäß den 2 bis 7 beispielsweise zusätzlich ein oder mehrere weitere Strahlungselemente, also eine zweite Vielzahl von Strahlungselementen, und eine weitere oder zweite dispersive optische Struktur aufweisen, die rechts (in Bezug auf die Fig.) von einer vertikalen Achse oder Ebene, die durch die Mitte optische Öffnung verläuft, angeordnet sind, um weitere spektrale Anteile für die resultierende elektromagnetische Strahlung zu ermöglichen. Diese Achse oder Ebene 390 ist beispielhaft nur in 3 eingezeichnet. Für diese Erweiterung gilt dasselbe wie für die 1 bis 7 besprochen. Diese Erweiterung kann beispielsweise dieselbe nur spiegelverkehrte Anordnung wie die in den 2 bis 7 gezeigten aufweisen, um so die Intensität der resultierenden elektromagnetischen Strahlung zu erhöhen, oder eine andere Anordnung, um andere Spektralanteile erzeugen zu können.
Obwohl in der Beschreibung teilweise zwischen Schichten, Membranen und Substraten unterschieden wurde, so können die in den 1 bis 7 beschriebenen Substrate oder Membrane auch als Schichten bezeichnet werden und umgekehrt. Ferner können alternativ zu den Ausführungsbeispielen zwischen den Substraten und Schichten auch weitere, geeignete Substrate oder Schichten, gegebenenfalls mit entsprechenden Aussparungen, angeordnet sein.
Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung können in allen Bereichen, in denen Strahlungsquellen (oder Lichtquellen) mit modulierbarer bzw. änderbarer spektraler Emission benötigt werden, eingesetzt werden. Eine Anwendung findet sich z. B., wie zuvor erläutert, in der optischen Spektralanalytik, in der durch die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit der Oberfläche oder dem Volumen eines Objekts, einer Flüssigkeit oder eines Gases eine Aussage über die Zusammensetzung, den Zustand oder sonstige Eigenschaften getroffen werden sollen. Die wellenlängenabhängigen Reflektions-, Transmissions-, Absorptions- und Streueigenschaften sind von dem Material abhängig, das zu dessen Identifikation genutzt werden kann. Mehrere prinzipiell unterschiedliche Varianten werden verwendet. Eine Variante der Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung stellt sich wie folgt dar. Mit der dargestellten Lichtquelle wird ein spektral zu analysierendes Messobjekt durchleuchtet. Durch sequentielle Änderung des Emissionsspektrums kann das nach dem Messprinzip zu ermittelnde Spektrum durch einen einzelnen Detektor aufgenommen werden. Mit diesem Spektrum kann auf die Materialzusammensetzung bzw. die Konzentration von bestimmten Stoffen geschlossen werden. Dabei können feste, flüssige oder gasförmige Stoffe analysiert werden. In der Anwendung werden für die Identifikation Spektren von einer hohen Anzahl bis hin zu zwei Messwerten aufgenommen. Je nachdem ändern sich die Aussagekraft und die Sicherheit der Messung. Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung ermöglichen die Anpassung auf verschiedene Wellenlängebereiche und die Breite und Anzahl der spektralen Intervalle, in denen das Spektrum variiert wird.
Für zahlreiche Untersuchungen von Objekten aus organischen Materialien eignet sich besonders der Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der charakteristische Molekülschwingungen oder deren Obertöne bzw. Kombinationsschwingungen anregt. Diese Bereiche werden als mittleres Infrarot (MIR: Wellenlängen von 2.500 nm bis 25 μm) bzw. Nahinfrarot (NIR: Wellenlängen zwischen 780 nm und 2.500 nm) bezeichnet. Auch andere Stoffe und Verbindungen können in diesem Bereich charakteristische Absorptionsbanden aufweisen. Für die Untersuchungen können jedoch auch das sichtbare Licht (380 nm ... 780 nm), das ultraviolette Spektrum (Wellenlängen unter 380 nm) sowie das ferne Infrarot (FIR) oberhalb von 25 μm in Betracht gezogen werden.
In anderen Worten, Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung können beispielsweise im Bereich der Spektralanalytik oder Spektroskopie, d. h. Bereichen, in denen Licht ausgewählter Wellenlänge mit Materie in Wechselwirkung tritt und die Charakteristik der Wechselwirkung durch Intensitätsänderungen, ggf. in Abhängigkeit der Wellenlänge, interpretiert werden, eingesetzt werden. Dabei werden verschiedene Ansätze angewendet, beispielsweise Messungen in Reflektion, Transmission, Absorption, Transflektion, Fluoreszenz, die Anregung von Prozessen, induzierte Emission oder die Auswertung von sogenannten RAMAN-Signalen. Die Messungen können u. a. an der Oberfläche oder dem Volumen von Festkörpern, in Flüssigkeiten, Gasen oder Plasmen erfolgen, die Objekte können unter Normaldruck, in reduzierter Atmosphäre oder bei erhöhtem Druck vorliegen und analysiert werden. Des Weiteren können die Objekte in einem Grundzustand oder in einer angeregten Form vorliegen.
Eine Vorzugsvariante für derartige Messungen ist das bezüglich der Wellenlänge schmalbandige Beleuchten eines Objekts, mit einer Quelle für ein durchstimmbares Spektrum und die Erfassung über einen einfachen lichtempfindlichen Detektor.
Eine weitere Anwendung ergibt sich in der Messung der spektralen Empfindlichkeit von Strahlungs- oder Photodetektoren. Dabei können sowohl Einzeldetektoren, als auch Detektorarrays vermessen werden. Die erfindungsgemäße Lösung stellt dabei eine Lichtquelle bereit, mit der der bzw. die Detektor/en mit Strahlung (Licht) verschiedener bekannter Wellenlängenzusammensetzungen bestrahlt wird. Dadurch wird eine Ermittlung der spektralen Empfindlichkeit ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung lassen sich des Weiteren für die Messung der Farbe eines Objektes verwenden. Hierbei ist die modulierbare Lichtquelle so ausgeführt, dass dieses Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich emittiert, die zu analysierende Oberfläche bestrahlt und das zurückgestrahlte Licht von einem Einzeldetektor erfasst wird. Üblicherweise ist die entsprechende Lichtquelle so ausgeführt, dass die emittierten Wellenlängenbereiche in Kombination mit der breitbindigen Empfindlichkeit des einzelnen Detektors an die spektrale Empfindlichkeit (Rot, Grün, Blau) des Auges angepasst sind. Für die Erfassung von sogenannten „methamen” Farben kann die Messung des Spektrums mit einer erhöhten spektralen Auflösung und Messanzahl erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung besitzen keine beweglichen Elemente und sind somit potenziell in portablen Geräten einsetzbar. Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen durch Systemintegration eine miniaturisierte, kostengünstige, spektral durchstimmbare Strahlungsquelle. Die Erfindung ermöglicht die Integration von Strahlungsquellen mit verschiedenen Emissionsprinzipien. Dabei lassen sich sowohl thermische Strahlungselemente als auch nichtthermische Strahlungselemente, z. B. luminiszierende Strahlungselemente, organische oder anorganische lichtemittierende Dioden (LED, OLED) integrieren.
Die spektrale Zusammensetzung der von der Strahlungserzeugungsvorrichtung oder Quelle emittierten Strahlung lässt sich durch die Wahl des Emissionsprinzips, die Ausführungsform (z. B. die Geometrie), die Anzahl der Strahlung emittierenden Elemente und deren Ansteuerung, sowie die Ausführungsform des dispersiven Elementes sowie die Lage und die Ausführung der optischen Öffnung beeinflussen.
Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung weisen einzelne oder eine Vielzahl von Strahlung emittierenden Bereichen oder Elementen auf. Durch Verwendung von mikro-, und lithographischen Technologien lassen sich diese Filamente basierend auf verschiedenen physikalischen Emissionsprinzipien herstellen. So lassen sich beispielsweise freistehende Balken aus einem hoch schmelzenden Metall oder einer hoch schmelzenden Metalllegierung auf einem Silizium- oder SOI-Substrat (Silizium-Siliziumdioxid-Silizium) strukturieren. Diese sind einzeln ansteuerbar. Durch Kombination mit einer Optik und einem dispersiven Element wird die Strahlung wellenlängenabhängig in einer Blendenebene aufgespalten. Durch eine Blende, wie z. B. eine Spaltenblende, kann nur ein Teil des Spektrums aus der Quelle austreten. Je nach der Position des Elementes ist das aufgespaltete Spektrum in der Blendenebene verschoben, wodurch von jedem Element ein unterschiedlicher Teil des Spektrums durch die Blende treten kann. Durch die Überlagerung der räumlich verschobenen Spektren unterschiedlicher Elemente entsteht somit hinter der Blende wieder ein Spektrum, dessen Zusammensetzung von der Ansteuerung der Elemente abhängt.
Durch Ansteuerung der einzelnen Filamente, lässt sich das Spektrum der Strahlungserzeugungsvorrichtung ändern oder modulieren. Aufgrund der Größe der einzelnen strahlungemittierenden Bereiche kann eine hohe zeitliche Modulation, die auch für eine hohe zeitliche Wellenlängenmodulation genutzt werden kann, erreicht werden. Je nach dem benötigten Wellenlängenbereich lassen sich auch organische lichtemittierende Dioden (OLED), lichtemittierende Dioden (LED) oder ähnliche Emitter strukturieren. Zudem ist es möglich, durch gleichzeitiges Ansteuern mehrerer Filamente, oder allgemein mehrerer Strahlungselemente, gezielt eine Mischung von Licht aus verschiedenen Wellenlängenintervallen zu erzeugen.
Für die spektrale Begrenzung des Spektrums und für die Unterdrückung von höheren Beugungsordnungen bei der Verwendung von Gittern können zusätzlich Absorptions- oder Interferenzfilter in den optischen Strahlengang integriert werden. Zur Ansteuerung der Lichtquelle bzw. als Stromtreiber oder Spannungsversorgung kann eine elektronische Schaltung 100, bzw. eine mikroelektronische Schaltung Teil des Gesamtsystems der modulierbaren Lichtquelle sein. Es können auch Strahlungsdetektoren integriert sein, welche die Gesamtleistung oder die spektrale Zusammensetzung überwachen und für eine Regelung verwendet werden können.
Als Anwendungsbeispiele seien die folgenden Anwendungen genannt: Gasanalyse (CO₂ Messung, CO Messung, Sensoren für Feuermelder, Kontrolle der Brenngaszusammensetzung und Überwachung der Abgasbehandlung), Flüssigkeitsanalyse (On-Line Wasseranalyse, Analyse von Alkohol und Überwachung der Kraftstoffqualität), Festkörperanalyse (Wassergehalt von Lebensmitteln, On-Line Kontrolle der Hauptkomponenten von Lebensmitteln, Sortierung von Kunststoffen und Überwachung der Zusammensetzung pharmazeutischer Produkte), Telekommunikation (wellenlängenmodulierte Signalübertragung) und Messtechnik (On-Line Farbkontrolle und Kalibrierung von Photodetektoren und Detektorarrays). Anwendungen finden sich somit beispielsweise in der Umweltmesstechnik, Landwirtschaft, Lebensmittelherstellung, Pharmazie, Dermatologie, Medizin, Biotechnologie, Chemie, Petrochemie, in dem Recycling, in dem Automobilbau, in der Luftfahrt und der Klimatechnik.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, die in einem schmalen aber frei wählbaren Wellenlängenbereich Licht emittieren kann, durchstimmbar ist, speziell im Nahinfrarot- bis Mittlerem-Infrarot-Spektralbereich, die in großen Stückzahlen herstellbar ist, die klein und leicht realisiert werden kann, wenig Energie benötigt und für den mobilen Einsatz ausreichend robust ist.
Die hohe Integration ermöglicht die kostengünstige Fertigung in großen Stückzahlen. Ferner weisen Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung keine beweglichen Teile auf, so dass die Strahlungserzeugungsvorrichtung besonders robust und zudem einfach elektrisch anzusteuern ist. Darüber hinaus können auch Strahlungserzeugungsvorrichtungen klein, leicht und energieeffizient ausgeführt werden.
Ausführungsbeispiele ermöglichen einen wahlfreien Zugriff auf die Wellenlängenintervalle, ein schnelles Ansprechen, zugeschnittene Spektren durch entsprechende Auswahl aus einem m aus n Ensemble.
Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung weisen mehrere Einrichtungen zur thermischen Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, sogenannten Filamenten, auf, wobei die Filamente räumlich so angeordnet werden, dass diese eine diffraktive Struktur, beispielsweise ein Reflektionsgitter, direkt oder indirekt beleuchten. Die Strahlung wird durch die diffraktive Struktur raumwinkelabhängig in die verschiedenen Wellenlängen aufgespaltet. Durch mindestens eine entsprechende Einrichtung, beispielsweise einen Austrittsspalt, wird nur ein bestimmter Teil des Wellenlängenbereichs ausgekoppelt. Die Lage des Wellenlängenbereichs kann durch die Auswahl des Filaments gesteuert werden.
Weitere Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung weisen Filamente auf, die durch ausreichend hohe Dotierungen leitfähiges monokristallines Silizium als Material aufweisen. Alternativ können die Filamente in Metall-Dünnschicht oder leitfähiger Keramik ausgeführt sein. Dabei können die Filamente beispielsweise aus sogenannten SOI-Substraten durch Ätzen hergestellt werden. Je nach Auswahl des Ausführungssubstrats sind die Filamente einige 100 nm bis einige μm dick. Der Austrittsspalt bzw. die optische Öffnung kann im gleichen Chip realisiert werden und ist in seiner Position durch die hohe Präzision der Mikrosystemtechnik-Technologie exakt festlegbar. Dieser Chip kann per Vakuum-Verpackungstechnologie auf einen gepressten Kunststoffkörper oder Substrat montiert werden, der ein holographisches Gitter, beispielsweise mit geblazter Struktur enthält. In der anderen Raumrichtung wird das System ebenfalls hermetisch verschlossen, so dass sich die Filamente vollständig im Vakuum befinden. Alternativ kann ein Schutzgas oder ein Aktivgas, wie bei handelsüblichen Halogenlampen zum Einsatz kommen. Ausführungsbeispiele der Strahlungserzeugungsvorrichtung weisen beispielsweise 128 oder 256 Filamente pro Chip auf, deren Breite etwa 5 μm beträgt und deren Länge im Bereich von 250 μm liegt. Zur Kompensation der thermischen Ausdehnung (6 μm Längenänderung bei 250 μm Si-Filament bei einem Betrieb von 1.200°C) können die Ausführungsbeispiele ferner eine einseitig speziell ausgeführte Halterung mit flexiblem Element aufweisen.
Ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, die mehrere Strahlungselemente zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung aufweist, die durch Erzeugen einer hohen Temperatur des Elements angesteuert werden können, wobei die Strahlungserzeugungsvorrichtung ferner ein wellenlängenselektives Element aufweist, welches für jedes Strahlungselement einen bestimmten Wellenlängenbereich in ein bestimmtes Raumwinkelelement ablenkt, die ferner ein Element zum Einschränken eines Raumwinkelbereichs aufweist, durch das die elektromagnetische Strahlung aus der Strahlungserzeugungsvorrichtung austritt, wobei die Lage des Wellenlängenintervalls durch die Auswahl des oder der emittierenden Elemente beeinflusst werden kann, und ein Spektrum aus der Lichtquelle austreten kann, das nur in einem bestimmten Wellenlängenintervall eine messbare Intensität aufweist.
In anderen Ausführungsbeispielen können die Funktionsschicht 61 und/oder die nicht-transparente Schicht 30 statt eines Spalts oder einer durchgehenden Aussparung einen transparenten Bereich innerhalb der Funktionsschicht 61 oder der nicht-transparenten Schicht 30 aufweisen, um die optische Öffnung 3 zu bilden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können derart ausgebildet sein, dass die Vielzahl von Strahlungselementen, das dispersive optische Element und die optische Öffnung zueinander mechanisch fixiert sind, also in der Strahlungserzeugungsvorrichtung unbeweglich angeordnet sind, d. h. keines der vorgenannten Elemente beispielsweise verschiebbar oder drehbar ist.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Strahlungserzeugungsvorrichtung zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, wobei die Strahlungserzeugungsvorrichtung mehrere Elemente 1 bzw. 1a bis 1n zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung aufweist und die Elemente unabhängig von einander angesteuert werden können, die Strahlungserzeugungsvorrichtung mindestens ein dispersives optisches Element 2 zur spektralen Aufspaltung der von den Elementen ausgehenden Strahlung aufweist, die Strahlungserzeugungsvorrichtung eine optische Vorrichtung 3 zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung aufweist, wobei die Öffnung 3 so beschaffen und angeordnet ist, dass sie die spektrale Bandbreite der von jedem einzelnen Element 1a bis 1n emittierten und von dem dispersiven Element aufgespalteten Strahlung begrenzt, und die spektrale Zusammensetzung der durch die optische Öffnung hindurch tretenden Strahlung 220 durch die gezielte Ansteuerung des oder der Strahlung erzeugenden Elementen beeinflusst werden kann.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Elemente zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung streifenförmig ausgebildet und regelmäßig oder mit variablem Abstand zueinander angeordnet sind.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Elemente zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung jeweils unterschiedliche Geometrien aufweisen.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Elemente zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung aus aufheizbaren Strukturen, sogenannten Filamenten oder anorganischen oder organischen lichtemittierenden Dioden (LED, OLED) oder Laserdioden gebildet werden.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Filamente aus einem Metall oder einer Metalllegierung oder einer elektrisch leitfähigen Metall-Nichtmetall Verbindung oder einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium oder einem leitfähigen Nichtmetall, wie beispielsweise graphitartiger Kohlenstoff oder Verbindungen von Nichtmetallen bestehen.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Filamente aus einem (lateralen) Stapel verschiedener Materialien bestehen.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der das dispersive optische Element ein Beugungsgitter oder ein Prisma oder eine Kombination aus diesen ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die optische Öffnung zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung als Blende mit rechteckigem oder ovalem Querschnitt ausgeführt ist oder aus einer Struktur mit einer Mehrzahl an Öffnungen ausgeführt ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei die optische Öffnung zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung aus einem für die Strahlung transparenten Material besteht, welches mit einem für die Strahlung nicht transparenten Material oder einem Schichtstapel teilweise beschichtet ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Elemente zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung auf oder in einem gemeinsamen Substrat oder einer gemeinsamen Membran oder freistehend durch ein gemeinsames Substrat mechanisch fixiert angeordnet sind.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der das dispersive optische Element oder die Öffnung zur Auskopplung der Strahlung in oder auf einem Substrat angeordnet ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Elemente zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung und das dispersive optische Element oder die Öffnung zur Auskopplung der Strahlung oder beide auf oder in einem gemeinsamen Substrat oder einer gemeinsamen Membran angeordnet sind.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der das dispersive Element und die Öffnung zur Auskopplung der Strahlung auf oder in einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der das Substrat, auf oder in dem die Elemente zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung angeordnet sind, mittelbar oder unmittelbar verbunden ist mit dem Substrat auf oder in dem das dispersive optische Element angeordnet ist oder mit dem Substrat auf oder in dem die Öffnung zur Auskopplung der Strahlung angeordnet ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Substrate in gestapelter Weise miteinander sind.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der ein Abstandshaltersubstrat vorhanden ist zwischen dem Substrat, auf oder in dem die Elemente zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung angeordnet sind, und dem Substrat, auf oder in dem das dispersive optische Element angeordnet ist oder dem Substrat, auf oder in dem die Öffnung zur Auskopplung der Strahlung angeordnet ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der eines der Substrate weitere optische Funktionselemente aufweist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die Substrate mittelbar oder unmittelbar miteinander verbunden sind.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der das gemeinsame Substrat der Elemente zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung ein Silizium-auf-Isolator Substrat (SOI) oder ein Siliziumsubstrat oder ein Glassubstrat oder ein Keramiksubstrat ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der das Substrat auf oder in dem sich das dispersive Element oder die optische Öffnung befindet eine der Werkstoffgruppen Glas, Keramik, Kunststoff, Metall oder ein Halbleitermaterial aufweist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der mindestens ein Detektor zur Messung der Leistung von elektromagnetischer Strahlung vorhanden ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der mindestens eine Messeinrichtung zur Detektion der spektralen Zusammensetzung vorhanden ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der die von der Quelle emittierte Strahlung im ultravioletten oder sichtbaren oder infraroten Spektralbereich oder einer Kombination aus diesen liegt.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der durch sequenzielles Ansteuern eines oder mehrerer Strahlung emittierender Elemente die spektrale Zusammensetzung der von der Quelle abgegebenen Strahlung zeitlich veränderbar ist.
Weiterbildungen der Ausführungsbeispiele schaffen beispielsweise eine Strahlungserzeugungsvorrichtung, bei der durch gleichzeitiges Betreiben mehrerer Strahlung emittierender Elemente gezielt eine Mischung elektromagnetischer Strahlung erzeugt wird.
Weitere Weiterbildungen können Reflektionsgitter oder holographische Gitter als dispersive optische Elemente aufweisen, als Filamentmaterialien Siliziumeinkristall, dotierte Halbleitersubstrate, SOI-Substrate, hochschmelzende Metalle, hochschmelzende und leitfähige Verbindungen wie TaC, HfC, TaHfC aufweisen, eine thermische Spannungskompensation aufweisen, Monitordioden als Strahlungselemente aufweisen, eine elektrische Anregung, gepulste Anregung oder eine Anregung auf nicht-elektrische Weise aufweisen, im Abformverfahren hergestellte, gepresste oder tiefgezogene Gitterkörper aufweisen, Gitter im Chip und Spiegel aufweisen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen auch eine Spektralanalysevorrichtung mit einer Strahlungserzeugungsvorrichtung wie sie zuvor beschrieben wurde, einem Strahlungsdetektor, der ausgebildet ist, um die resultierende elektromagnetische Strahlung oder eine mittels der resultierenden elektromagnetischen Strahlung erzeugte elektromagnetische Strahlung zu empfangen, und einer Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, um basierend auf der empfangenen elektromagnetischen Strahlung eine Spektralanalyse durchzuführen.
Ausführungsbeispiele der Spektralanalysevorrichtung können nur einen einzigen Strahlungsdetektor aufweisen, der räumlich unveränderlich gegenüber der Strahlungserzeugungsvorrichtung angeordnet ist oder ausgebildet sein, eine Spektralanalyse ohne Änderung einer Position des Strahlungsdetektors oder einer räumlichen Anordnung der Strahlungserzeugungsvorrichtung gegenüber dem Strahlungsdetektors durchzuführen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen auch ein Verfahren zur Herstellung einer Strahlungserzeugungsvorrichtung mit den folgenden Schritten.
Bereitstellen oder Erzeugen einer Vielzahl von Strahlungselementen, die ausgebildet sind, um jeweils eine strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wenn sie aktiviert werden, wobei jedes Strahlungselement der Vielzahl von Strahlungselementen unabhängig von anderen Strahlungselementen der Vielzahl von Strahlungselementen aktivierbar ist. Bereitstellen oder Erzeugen einer optischen Öffnung. Bereitstellen oder Erzeugen eines dispersiven optischen Elements. Verbinden des dispersiven optischen Elements mit der Vielzahl von Strahlungselementen und der optischen Öffnung, wobei das dispersive optische Element in Bezug auf die Vielzahl von Strahlungselementen und die optische Öffnung angeordnet und ausgebildet ist, um die strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen abhängig von ihrem Einfallswinkel und ihrer Wellenlänge derart abzulenken, dass von jeder der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen ein beschränkter Spektralbereich durch die optische Öffnung austreten kann, so dass die spektrale Zusammensetzung der durch die optische Öffnung austretenden resultierenden elektromagnetischen Strahlung durch selektives Aktivieren der Vielzahl von Strahlungselementen einstellbar ist.
Dabei können die vorgenannten Schritte abhängig von den Herstellungstechnologien in anderer Reihenfolge und/oder zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden. Ausführungsbeispiele des Herstellungsverfahrens für die Herstellung einer Strahlungserzeugungsvorrichtung können dabei ausgeführt sein, dass der Schritt des Erzeugens der Strahlungselemente, des dispersiven Elements und/oder der optischen Öffnung, der Schritt des Verbindens der Substrate und Schichten (z. B. aus 2a: 8, 61, 62 und 9), in oder an denen die Strahlungselemente, das dispersive Element und/oder der optischen Öffnung angeordnet sein können und eine hermetische Verkapselung sowohl im Waferverbund als auch mit vereinzelten Bauelementen durchgeführt wird. Für weitere Details der verschiedenen Herstellungstechnologien und -schritte wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen.

Claims

Strahlungserzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer resultierenden elektromagnetischen Strahlung mit einer einstellbaren spektralen Zusammensetzung, mit den folgenden Merkmalen: einer Vielzahl von thermischen Strahlungselementen (1, 1a–1n), die ausgebildet sind, um jeweils eine strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung (4a–4n) zu erzeugen, wenn sie aktiviert werden, wobei ein erstes thermisches Strahlungselement der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen unabhängig von einem zweiten thermischen Strahlungselement der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen aktivierbar ist, wobei die thermischen Strahlungselemente (1) auf oder in einem gemeinsamen Substrat (61, 62) oder einer gemeinsamen Membran oder frei stehend durch das gemeinsame Substrat (6) mechanisch fixiert angeordnet sind; einem dispersiven, optischen Element (2), wobei das dispersive optische Element (2) in oder auf einem Trägersubstrat (9; 22, 24) angeordnet ist; und einer optischen Öffnung (3); wobei das dispersive optische Element (2) ausgebildet ist, um jede strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung (4a–4n) abhängig von ihrer Wellenlänge und einer Position eines die jeweilige strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung erzeugenden thermischen Strahlungselements derart abzulenken, dass von jeder der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen ein bestimmter Spektralbereich durch die optische Öffnung (3) austreten kann, so dass die spektrale Zusammensetzung der durch die optische Öffnung (3) austretenden resultierenden elektromagnetischen Strahlung (220) durch selektives Aktivieren eines einzelnen oder mehrerer thermischer Strahlungselemente der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen (1a–1n) einstellbar ist; und wobei das gemeinsame Substrat (61, 62) und das Trägersubstrat (9; 22, 24) in gestapelter Weise miteinander verbunden sind.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, mit folgenden Merkmalen: einer Steuerung (100), die ausgebildet ist, um einzelne oder mehrere thermische Strahlungselemente der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen (1a–1n) selektiv zu aktivieren, um die spektrale Zusammensetzung der resultierenden elektromagnetischen Strahlung (220) einzustellen.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das dispersive optische Element (2) ausgebildet ist, um jede der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen (4a–4n) jeweils in eine Vielzahl von spektralen Bestandteilen (5n1–5n3) aufzuspalten, wobei das dispersive optische Element (2) und die optische Öffnung (3) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass einer der spektralen Bestandteile (5n2) jeder strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung (4a–4n) durch die optische Öffnung (3) hindurch treten kann, so dass die spektrale Zusammensetzung der durch die optische Öffnung hindurch tretenden resultierenden elektromagnetischen Strahlung (220) durch selektives Aktivieren der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen (1a–1n) einstellbar ist.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste thermische Strahlungselement (1a) der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen ausgebildet ist, um eine erste strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung (4a) zu erzeugen, und das zweite thermische Strahlungselement (1n) der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen ausgebildet ist, um eine zweite strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung (4n) zu erzeugen, wobei ein Spektralbereich der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung (4n) gleich einem Spektralbereich der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung (4a) ist, und das dispersive optische Element (2) derart ausgebildet ist, dass ein erster spektraler Bestandteil der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung (4a) durch die optische Öffnung (3) austreten kann, und ein erster spektraler Bestandteil der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung (4n) nicht durch die optische Öffnung (3) austreten kann, wobei der erste spektrale Bestandteil der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung und der erste spektrale Bestandteil der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung gleich sind.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das dispersive optische Element (2) derart ausgebildet ist, dass ein erster spektraler Bestandteil der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung (4a) und ein zweiter spektraler Bestandteil der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung (4n) durch die optische Öffnung (3) austreten kann, wobei der erste spektrale Bestandteil der ersten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung unterschiedlich zu dem zweiten Bestandteil (5n2) der zweiten strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlung ist.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vielzahl von thermischen Strahlungselementen als Material ein Metall, eine Metalllegierung, eine elektrisch leitfähige Metall-Nichtmetallverbindung, ein Halbleitermaterial, ein leitfähiges Nichtmetall, z. B. ein graphitartiger Kohlenstoff, oder Verbindungen von Nichtmetallen aufweist.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vielzahl von thermischen Strahlungselementen einen Schichtstapel aus Schichten unterschiedlicher Materialien aufweist.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 6 bis 7, wobei die thermischen Strahlungselemente senkrecht zu einer Substratebene jeweils eine Ausdehnung im Bereich von 100 nm bis 100 μm aufweisen, oder in einer Richtung parallel zu der Substratebene eine Ausdehnung von 1 μm bis 200 μm, oder in der Richtung senkrecht zu der anderen Richtung parallel zu der Substratebene eine Ausdehnung von 10 μm bis 10 mm aufweisen.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das dispersive optische Element (2) ein Beugungsgitter, ein konkaves Beugungsgitter, ein Prisma oder eine Kombination aus diesen ist.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ein weiteres optisches Element oder mehrere weitere optische Elemente (23, 25) aufweist, wie beispielsweise Linsen oder Spiegel, oder Elemente zur Reduzierung des Streu- oder Falschlichts, oder Elemente zur zusätzlichen spektralen Filterung z. B. um Strahlung von höheren oder niedrigeren Beugungsordnungen zu filtern.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die optische Öffnung (3) als Blende mit einem rechteckigen oder ovalen Querschnitt ausgebildet ist oder aus einer Struktur mit einer Vielzahl von Öffnungen ausgebildet ist.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vielzahl von thermischen Strahlungselementen, das dispersive optische Element (2) und die optische Öffnung (3) in der Strahlungserzeugungsvorrichtung unbeweglich angeordnet sind.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die optische Öffnung (3) aus einem für die resultierende elektromagnetische Strahlung transparenten Material besteht, das mit einem für die resultierende elektromagnetische Strahlung nicht-transparenten Material oder einem Schichtstapel teilweise beschichtet ist.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das dispersive optische Element (2) oder die optische Öffnung (3) bzw. Öffnungen in oder auf dem Trägersubstrat (9; 8b; 22, 24) angeordnet ist.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das dispersive optische Element (2) und die optische Öffnung (3) bzw. Öffnungen auf oder in einem gemeinsamen Substrat (9) angeordnet sind.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die thermischen Strahlungselemente (1), das dispersive optische Element (2) oder die optische Öffnung (3) oder das dispersive optische Element (2) und die optische Öffnung (3) bzw. Öffnungen auf oder in einem gemeinsamen Substrat (61, 62; 9) oder einer gemeinsamen Membran angeordnet sind.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die thermischen Strahlungselemente auf oder in einem Substrat angeordnet sind, das dispersive optische Element (3) auf oder in einem Substrat angeordnet ist und die optische Öffnung (3) auf oder in einem Substrat angeordnet ist, und wobei das Substrat (61, 62), auf oder in dem die thermischen Strahlungselemente angeordnet sind, mittelbar oder unmittelbar verbunden ist mit dem Substrat (9), auf oder in dem das dispersive optische Element (3) angeordnet ist, oder mit dem Substrat (9), auf oder in dem die optische Öffnung bzw. Öffnungen (3) angeordnet ist.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Substrate in gestapelter Weise miteinander verbunden sind.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die thermischen Strahlungselemente (1a–1n) in oder auf einem Silizium-auf-Isolator-Substrat (61, 62) angeordnet sind.
Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die thermischen Strahlungselemente streifenförmig ausgebildet sind und regelmäßig. oder mit variablem Abstand zueinander angeordnet sind.
Spektralanalysevorrichtung mit den folgenden Merkmalen: einer Strahlungserzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20; einem Strahlungsdetektor, der ausgebildet ist, um die resultierende elektromagnetische Strahlung oder eine mittels der resultierenden elektromagnetischen Strahlung erzeugte elektromagnetische Strahlung zu empfangen; und einer Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, um basierend auf der empfangenen elektromagnetischen Strahlung eine Spektralanalyse durchzuführen.
Verfahren zur Herstellung einer Strahlungserzeugungsvorrichtung mit den folgenden Schritten: Bereitstellen oder Erzeugen einer Vielzahl von thermischen Strahlungselementen, die ausgebildet sind, um jeweils eine strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, wenn sie aktiviert werden, wobei ein erstes thermisches Strahlungselement der Vielzahl von Strahlungselementen unabhängig von einem zweiten thermischen Strahlungselement der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen aktivierbar ist, wobei die thermischen Strahlungselemente (1) auf oder in einem gemeinsamen Substrat (61, 62) oder einer gemeinsamen Membran oder frei stehend durch das gemeinsame Substrat (6) mechanisch fixiert angeordnet werden; Bereitstellen oder Erzeugen einer optischen Öffnung; Bereitstellen oder Erzeugen eines dispersiven optischen Elements, wobei das dispersive optische Element (2) in oder auf einem Trägersubstrat (9; 22, 24) angeordnet ist; Verbinden des dispersiven optischen Elements mit der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen und der optischen Öffnung, wobei das gemeinsame Substrat (61, 62) und das Trägersubstrat (9; 22, 24) in gestapelter Weise miteinander verbunden werden, wobei das dispersive optischen Element in Bezug auf die Vielzahl von thermischen Strahlungselementen und die optische Öffnung angeordnet und ausgebildet ist, um die strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen abhängig von ihrer Wellenlänge und einer Position eines die jeweilige strahlungselementspezifische elektromagnetische Strahlung erzeugenden thermischen Strahlungselements derart abzulenken, dass von jeder der strahlungselementspezifischen elektromagnetischen Strahlungen ein beschränkter Spektralbereich durch die optische Öffnung austreten kann, so dass die spektrale Zusammensetzung der durch die optische Öffnung austretenden resultierenden elektromagnetischen Strahlung durch selektives Aktivieren einzelner oder mehrerer thermischen Strahlungselemente der Vielzahl von thermischen Strahlungselementen einstellbar ist.