DE102014108138A1

DE102014108138A1 - Spektralsensor und Verfahren zur spektralen Analyse einfallenden Lichts

Info

Publication number: DE102014108138A1
Application number: DE102014108138.2A
Authority: DE
Inventors: Robert Brunner; Hartmut Hillmer; Alexandre Gatto
Original assignee: ERNST ABBE FACHHOCHSCHULE JENA; ERNST-ABBE-FACHHOCHSCHULE JENA; Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel Koerperschaft Des Oeffent De
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: DE102014108138B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spektralsensor zur spektralen Analyse von zu untersuchendem einfallenden Licht (1) mit einer in einem Strahlengang des einfallenden Lichts (1) angeordneten Primäroptik (3) zur spektralen Auffächerung des Spektrums des einfallenden Lichts (1) in Teilspektren (4), zur örtlichen zweidimensionalen Aufteilung der Teilspektren (4) und zur gerichteten Abstrahlung der Teilspektren (4) sowie mit einer Detektorenanordnung (6), auf welche die abgestrahlten Teilspektren (4) entsprechend der zweidimensionalen Aufteilung gerichtet sind, aufweisend eine Anzahl von Detektoren (7) zur Detektion von Licht eines jeweils spezifischen Wellenlängenbereichs, wobei jedem Detektor (7) empfangsseitig ein schmalbandiges Filter (5) vorgeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur spektralen Analyse von zu untersuchendem einfallenden Licht (1).

Description

Spektralsensor und Verfahren zur spektralen Analyse einfallenden Lichts Die Erfindung betrifft einen breitbandigen, hochauflösenden und effizienten Spektralsensor. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur spektralen Analyse von zu untersuchendem einfallenden Licht.
Spektralsensoren werden auf dem Gebiet der spektralen Sensorik in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Dabei lassen sich Spektralsensoren nach verschiedenen optisch-physikalischen Eigenschaften charakterisieren. Insbesondere gehören dazu die Bandbreite (zugängliches Wellenlängenspektrum), die spektrale Auflösung, die Energieeffizienz, der zeitliche Detektionsablauf und das Streulichtverhalten. Bei dem zeitlichen Detektionsablauf kann zwischen sogenannten Simultan-Spektrometern und scannenden Spektrometern unterschieden werden. Erstere nehmen das gesamte Spektrum in einem Detektionsschritt auf, während Letztere den Wellenlängenbereich durchfahren und die einzelnen Wellenlängen zeitlich nacheinander erfassen.
Die verschiedenen Spektralsensoren bzw. Spektrometer sind üblicherweise auf eine oder wenige Eigenschaften hin optimiert und weisen signifikante Einschränkungen hinsichtlich der anderen Eigenschaften auf.
So ist aus der DE 102 53 058 A1 eine Spektrometeranordnung bekannt, bei der ein aus parallelen Einzelspalten bestehendes Spaltarray mithilfe einer in Breitenrichtung der Spalten (fortan: erste Richtung) dispergierenden optischen Einheit unter Aufspaltung in Wellenlängen auf ein entsprechendes Detektorarray abgebildet wird. Durch diese Anordnung sind charakteristische Parameter des Lichts mit hoher Genauigkeit bestimmbar. Allerdings wird dabei bewusst in Kauf genommen, dass als wichtig angesehene Komponenten des Spektrums durch einen höheren Lichtdurchsatz verstärkt werden, während weniger wichtig erscheinende Komponenten des Spektrums geschwächt oder gar ausgelöscht werden.
Aus der US 2011/0089316 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der einer Detektormatrix mit einzelnen Pixeln ein spektrales Filterelement vorgeordnet ist, das über seine Längsausdehnung jeweils nur schmale Wellenlängenbereiche passieren lässt. Jedes Pixel wird dabei nur von einem entsprechenden Wellenlängenbereich beleuchtet. Bei der Lösung nach der vorgenannten US 2011/0089316 A1 wird ein hoher Verlust einfallenden Lichts akzeptiert, da der gesamte Filter und die gesamte Detektormatrix von einfallendem Licht beleuchtet werden und örtlich nur ein sehr geringer Anteil des einfallenden Lichts überhaupt detektierbar ist.
Ein optisches Filterarray mit einer Vielzahl von Fabry-Pérot-Filterelementen ist in der DE 10 2004 037 519 B4 offenbart. Auf einem für die zu detektierende Strahlung durchlässigen Substrat sind zwei verteilte Bragg-Reflektoren angeordnet, zwischen denen eine optische Kavität mit einem Kavitätsmaterial ausgebildet ist. Das optische Filterarray reflektiert in einem durch die verteilten Bragg-Reflektoren bestimmten Stoppband. Jedes der Filterelemente weist ein durch die optische Länge seiner Kavität bestimmtes schmales Transmissionsband auf.
Eine örtliche zweidimensionale spektrale Aufteilung eines Spektrums in Teilspektren ist beispielsweise aus der DE 10 2010 040 643 B3 bekannt. Mittels eines dispersiven Elements wird einfallendes Licht, das aus einer Rückstrahlung und einer mit dieser überlagerten Referenzstrahlung zusammengesetzt ist, spektral aufgeteilt und auf einen Detektor geleitet. Vor dem Detektor sind Polarisationsfilter angeordnet. Die Anordnung gemäß der vorgenannten DE 10 2010 040 643 B3 dient der Erfassung der Interferenz der einzelnen spektralen Komponenten, insbesondere von Streulicht.
Bei den vorgenannten Lösungen des Standes der Technik sind vergleichsweise große Lichtmengen erforderlich, um eine spektrale Analyse einfallenden Lichts zu erlauben.
In einer Reihe von Anwendungsfällen, beispielsweise bei Messverfahren, bei denen anhand von einfallendem und zu untersuchendem Licht Messwerte erhoben werden sollen, steht jedoch nur eine begrenzte Menge Licht zur Verfügung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spektralsensor vorzuschlagen, durch den die Nachteile des Standes der Technik reduziert sind.
Die Aufgabe wird durch einen Spektralsensor zur spektralen Analyse von zu untersuchendem einfallenden Licht gelöst, der eine in einem Strahlengang des einfallenden Lichts angeordnete Primäroptik zur spektralen Auffächerung des Spektrums des einfallenden Lichts in Teilspektren, zur örtlichen zweidimensionalen Aufteilung der Teilspektren und zur gerichteten Abstrahlung der Teilspektren aufweist. Außerdem ist der Spektralsensor mit einer Detektorenanordnung versehen, auf welche die abgestrahlten Teilspektren entsprechend der zweidimensionalen Aufteilung gerichtet sind. Die Detektorenanordnung weist eine Anzahl von Detektoren zur Detektion von Licht eines jeweils spezifischen Wellenlängenbereichs auf, wobei jedem Detektor empfangsseitig ein schmalbandiges Filter vorgeordnet ist.
Die Ansprüche, die Beschreibung und die Abbildungen werden der besseren Lesbarkeit halber im Strahlenmodell und nicht im Wellenmodell des Lichts dargestellt. In der gesamten Beschreibung seien damit die wissenschaftlichen Begriffe, wie z. B. räumliche Wellenausbreitung, räumliche Wellenfrontformung und räumliche Wellenfeldformung, stets eingeschlossen.
Vorzugsweise ist jedem Detektor (auch als Pixel bezeichnet) jeweils ein schmalbandiges Filter vorgeordnet.
Es ist bevorzugt, dass bei der Auffächerung keine Wellenlängen des Spektrums unterdrückt sind. Das Spektrum ist daher im idealen Fall die Summe aller Teilspektren. Unter einem Teilspektrum werden nachfolgend in einer bestimmten Richtung aufgefächerte Strahlung bzw. Strahlen und Strahlenbündel eines bestimmten Wellenlängenbereichs verstanden.
Durch den erfindungsgemäßen Spektralsensor ist vorteilhaft ein breitbandig arbeitender, hochauflösender und energieeffizienter Spektralsensor vorgeschlagen. Sehr günstig ist zudem, dass der erfindungsgemäße Spektralsensor eine geringe Streulichtabhängigkeit aufweist, also störende Einflüsse von Streulicht auf die spektrale Analyse des zu untersuchenden einfallenden Lichts reduziert sind. Außerdem kann der erfindungsgemäße Spektralsensor in sehr kompakter Bauweise ausgeführt sein.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Spektralsensors sind die Detektoren der Detektorenanordnung korrespondierend zu der zweidimensionalen Aufteilung der Teilspektren angeordnet, so dass die Teilspektren auf Bereiche der Detektorenanordnung mit solchen Detektoren gerichtet sind, die für einen Wellenlängenbereich des jeweiligen Teilspektrums empfindlich sind. Dadurch kann die Effizienz des Spektralsensors weiter erhöht werden, da die Detektoren nicht für Wellenlängenbereiche ausgelegt sein müssen, die durch diese gar nicht detektiert werden sollen.
Die Detektorenanordnung kann eine Anordnung der Detektoren in einem regelmäßigen Muster sein. So kann die Detektorenanordnung eine Detektormatrix sein, deren Detektoren in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
Sehr günstig für eine hohe Effizienz des Spektralsensors und der Reduktion der Abhängigkeit von auftretendem Streulicht ist, wenn das schmalbandige Filter für einen Wellenlängenbereich von weniger als 10 nm durchlässig ist. Noch bevorzugter ist es, wenn das schmalbandige Filter für einen Wellenlängenbereich von weniger als 1 nm durchlässig ist.
Das schmalbandige Filter kann beispielsweise ein Interferenzfilter sein, das zum Beispiel als ein Fabry-Pérot-Filter ausgebildet ist.
Die Primäroptik kann mindestens ein optisches Prisma, mindestens ein diffraktives Gitter, mindestens ein dichroitischer Filter, mindestens ein dichroitischer Spiegel, mindestens ein dichroitisches Prisma, eine Anzahl von Mikroprismen oder eine Kombination jeweils eines oder mehrerer optischer Prismen, diffraktiver Gitter, Mikroprismen und / oder dichroitischer Filter sein. Durch die Primäroptik, die eine optische Achse besitzt, wird ein Strahlenbündel des zu untersuchenden einfallenden Lichts spektral aufgeweitet, indem dessen Spektrum in Abhängigkeit von den Wellenlängen des Spektrums aufgefächert wird. Die optische Achse ist vorzugsweise auf die Detektorenanordnung und dort auf einen gedachten Auftreffpunkt gerichtet. Einige Teilspektren treffen infolge der Auffächerung weiter entfernt von dem Auftreffpunkt auf die Detektorenanordnung als andere Teilspektren.
Vorzugsweise steht die optische Achse orthogonal auf einer Ebene, in der die Detektoren der Detektorenanordnung angeordnet sind. Ist die Detektorenanordnung durch Teilspektren beleuchtet, die von einer einzigen Primäroptik bewirkt sind, treffen die Strahlen einiger Teilspektren weiter entfernt von dem Auftreffpunkt und unter einem zunehmend kleiner werdenden Auftreffwinkel auf die Detektorenanordnung auf. Um die so auftretenden Winkeldifferenzen in vertikaler und / oder horizontaler Richtung auszugleichen, können mikrooptische strahlformende Elemente vor einigen oder vor allen Detektoren angeordnet sein. Die mikrooptische strahlformende Elemente bewirken vorzugsweise, dass Strahlen der Teilspektren senkrecht auf die schmalbandigen Filter und die Detektoren auftreffen. Mikrooptische strahlformende Elemente sind beispielsweise Prismen, (Mikro-)Spiegel, (Mikro-)Spiegelarrays oder diffraktiv wirkende (Mikro-)Optiken.
Es ist in weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Spektralsensors möglich, dass die Primäroptik und die Detektorenanordnung nicht in gerader Linie hintereinander angeordnet sind. Die optische Achse ist in einem solchen Fall durch Wirkung der Primäroptik oder durch Wirkung einer zusätzlichen optischen Einheit zwischen Primäroptik und Detektorenanordnung an der Primäroptik oder nach der Primäroptik in ihrer Richtung verändert („abgeknickt“) und auf die Detektorenanordnung gerichtet. Die zusätzliche optische Einheit kann als ein die Richtung der optischen Achse verändernder Bestandteil der Primäroptik angesehen werden. Der Weg der Strahlen des einfallenden Lichts entlang der optischen Achse und gegebenenfalls entlang abgeknickter Strecken der optischen Achse kann auch als optischer Pfad bezeichnet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Spektralsensor gelangt auf jeden Detektor lediglich ein spektral vorselektierter Wellenlängenbereich (Teilspektrum). Das bedeutet, dass das schmalbandige Filter vor jedem Detektor nur einen schmalen Wellenlängenbereich aus den einfallenden Strahlen des Teilspektrums filtert. Ohne eine solche Vorselektion würde auf jedes schmalbandige Filter Strahlung des gesamten Wellenlängenbereichs auftreffen, wovon der überwiegende Anteil absorbiert oder reflektiert würde und nicht zu einer Messung beitrüge. Zudem würde ein hoher Anteil an Streulicht vorhanden sein. Eine Anpassung der Filterwirkung der schmalbandigen Filter sowie gegebenenfalls der Sensitivität der einzelnen Detektoren an die jeweils auf diese auftreffenden Teilspektren kann bei Kenntnis der Auffächerung des einfallenden Lichts bereits vorab bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Spektralsensors erfolgen. Durch eine solche Anpassung, insbesondere der Filterwirkung, ist eine Steigerung der Effizienz des erfindungsgemäßen Spektralsensors erreichbar.
Die spektrale Auflösung des erfindungsgemäßen Spektralsensors ist über die Filterwirkung definiert. Die gesamte zugängliche Bandbreite des Wellenlängenbereichs des einfallenden Lichts wird vorzugsweise über eine Ausdehnung der Detektorenanordnung aufgefächert, sodass diese optimal ausgenutzt ist. Dabei kann das gesamte Spektrum des einfallenden Lichts in einem einzigen Detektionsschritt aufgenommen werden. Streulicht wird durch die schmalbandigen Filter vor jedem Detektor gefiltert und damit wesentlich reduziert.
Die Aufgabe wird ferner in einem Verfahren zur spektralen Analyse von zu untersuchendem einfallenden Licht gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird mit den folgenden Schritten durchgeführt:

– spektrale Auffächerung mindestens eines Anteils des Spektrums des einfallenden Lichts in Teilspektren und zweidimensionale Aufteilung der Teilspektren,
– Abstrahlung der zweidimensional aufgeteilten Teilspektren auf eine Detektorenanordnung, aufweisend eine Anzahl von Detektoren zur Detektion von Licht eines jeweils spezifischen Wellenlängenbereichs, und
– Detektion von schmalbandigen Bereichen der Teilspektren mittels der Detektoren der Detektorenanordnung, wobei die Detektion korrespondierend zur zweidimensionalen Aufteilung der Teilspektren erfolgt.

Die Detektion der schmalbandigen Bereiche der Teilspektren erfolgt vorzugsweise mittels der Detektorenanordnung.
In einer weiterführenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zweidimensionale Aufteilung des Spektrums des einfallenden Lichts in Teilspektren durch eine Dehnung (spektrale Auffächerung) des Spektrums in einer ersten Richtung erzeugt.
Eine erste Richtung kann beispielsweise durch eine Ausdehnung oder eine Anordnung von Elementen einer zum Auffächern mindestens eines Anteils des Spektrums des einfallenden Lichts verwendeten Primäroptik gegeben sein. Beispielsweise kann die erste Richtung durch den Verlauf von vertikal verlaufenden Gitterelementen eines diffraktiven Gitters bestimmt sein und als eine Auffächerung in einer horizontal verlaufenden ersten Richtung erfolgen.
Dabei wird das Spektrum des einfallenden Lichts entsprechend seiner Wellenlängen in dem Fachmann bekannter Weise unterschiedlich stark abgelenkt, sodass die Detektorenanordnung örtlich nur mit einem Teilspektrum beleuchtet wird.
Es ist in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich, dass die zweidimensionale Aufteilung des Spektrums des einfallenden Lichts in Teilspektren durch eine zusätzliche Dehnung des Spektrums in einer zweiten Richtung erzeugt wird. Die zweite Richtung kann beispielsweise zu der ersten Richtung orthogonal sein. Beispielsweise kann die Aufteilung in der zweiten Richtung durch den Verlauf von horizontal verlaufenden Gitterelementen eines diffraktiven Gitters bestimmt sein und als eine Auffächerung in einer vertikal verlaufenden zweiten Richtung erfolgen.
Trotz eines einfachen und kompakten Aufbaus des erfindungsgemäßen Spektralsensors ist eine sehr hohe spektrale Auflösung bei gleichzeitiger massiver Reduzierung von unerwünschtem Streulicht verwirklicht. Durch diesen Umstand ist der Spektralsensor nicht nur breitbandig und hochauflösend, sondern zudem auch noch effizient.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spektralsensors,
2 eine vereinfachte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spektralsensors mit mikrooptischen strahlformenden Elementen,
3 eine schematische Darstellung einer Detektorenanordnung,
4 eine schematische Darstellung von Teilspektren je Detektor einer Detektorenanordnung,
5 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Primäroptik,
6 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Primäroptik,
7 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Primäroptik und
8 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Primäroptik.
Ein erfindungsgemäßer Spektralsensor zur spektralen Analyse von zu untersuchendem einfallenden Licht 1 (in 1 vereinfacht durch einen Pfeil dargestellt) weist als wesentliche Elemente eine Primäroptik 3, eine Detektorenanordnung 6 mit einer Anzahl von Detektoren 7 und jeweils ein einem Detektor 7 vorgeordnetes schmalbandiges Filter 5 auf.
Die in 1 dargestellte Detektorenanordnung 6 besteht aus Detektoren 7, die in acht Zeilen 6.1 und elf Spalten 6.2 einer Detektormatrix angeordnet sind. Der Detektorenanordnung 6 entlang einer optischen Achse 2 vorgeordnet ist eine Matrix schmalbandiger Filter 5, die in acht Filterzeilen 5.1 und elf Filterspalten 5.2 so angeordnet sind, dass vor jedem Detektor 7 genau ein schmalbandiges Filter 5 vorhanden ist.
Wie in 1 stark vereinfachend gezeigt, fällt das zu untersuchende einfallende Licht 1 entlang einer optischen Achse 2 auf die Primäroptik 3, durch deren Wirkung das einfallende Licht 1 in einer ersten Richtung 9 spektral aufgefächert wird, indem dieses in Teilspektren 4 (vereinfachend durch Pfeile gezeigt) aufgeteilt wird. Die erste Richtung 9 verläuft in Richtung der Filterzeilen 5.1 und der Zeilen 6.1. Die optische Achse 2 trifft in einem gedachten Auftreffpunkt 2.1 auf die Anordnung der schmalbandigen Filter 5.
Jedes der Teilspektren 4 trifft auf schmalbandige Filter 5 einer Filterspalte 5.2 und wird dort entsprechend der jeweiligen Eigenschaften der schmalbandigen Filter 5 gefiltert. Ein den jeweiligen schmalbandigen Filter 5 durchdringender Anteil der Teilspektren 4 fällt auf den dahinter liegenden Detektor 7 und wird dort entsprechend der technischen Parameter des jeweiligen Detektors 7 erfasst.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel (2) des erfindungsgemäßen Spektralsensors, das weitestgehend dem zu 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht, ist das einfallende Licht 1 in der ersten Richtung 9 und in einer zweiten Richtung 10 aufgefächert. Die zweite Richtung 10 weist orthogonal zur ersten Richtung 9. Durch diese Art der Auffächerung trifft nun auf jedes der schmalbandigen Filter 5 jeweils ein anderes Teilspektrum 4.
Zusätzlich sind strahlformende mikrooptische Elemente 8 (nur drei gezeigt) in Form von Mikroprismen vor den schmalbandigen Filtern 5 angeordnet. Wie beispielhaft anhand der sechsten bis achten Filterzeile 5.1 und der zweiten Filterspalte 5.2 von links und der gezeigten Teilspektren 4 dargestellt, sind die Teilspektren 4 unter einem horizontalen Auftreffwinkel α auf die schmalbandigen Filter 5 der Filterspalte 5.2 gerichtet. Die mikrooptischen Elemente 8 sind so im Strahlengang der Teilspektren 4 angeordnet, dass Strahlen der jeweiligen Teilspektren 4 auf jeweils eines der mikrooptischen Elemente 8 auftreffen und so reflektiert werden, dass die reflektierten Strahlen senkrecht auf die entsprechenden schmalbandigen Filter 5 der Filterspalte 5.2 auftreffen. Der horizontale Auftreffwinkel α wird bezüglich der optischen Achse 2 horizontal und ein vertikaler Auftreffwinkel β wird bezüglich der optischen Achse 2 vertikal gemessen.
Die mikrooptischen Elemente 8 sind außerdem so ausgerichtet, dass auch der vertikale Auftreffwinkel β der Strahlen der Teilspektren 4 derart ausgeglichen wird, dass die reflektierten Strahlen senkrecht auf die jeweiligen schmalbandigen Filter 5 treffen.
In einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Spektralsensors können die strahlformenden mikrooptischen Elemente 8 auch Mikrospiegel sein, die vor den schmalbandigen Filtern 5 angeordnet sind.
In der 3 ist vereinfacht eine Detektorenanordnung 6 mit vorgeordneten schmalbandigen Filtern 5 (nicht in 3 dargestellt) gezeigt, die Detektoren 7 in Zeilen 6.1 und Spalten 6.2 aufweist. Durch die Teilspektren 4 in der ersten Richtung 9 ist die spektrale Auffächerung des einfallenden Lichts 1 (siehe 1 und 2) verdeutlicht. Die Teilspektren 4 geben die Spektren wieder, die auf die schmalbandigen Filter 5 auftreffen und durch diese gefiltert werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel treffen auf die schmalbandigen Filter 5 vor einer Spalte 6.2 gleiche Spektren auf, während in der ersten Richtung 9 eine stetige Veränderung der auftreffenden Spektren vorliegt. In der zweiten Richtung 10 erfolgt keine spektrale Auffächerung. Der gesamte Wellenlängenbereich des einfallenden Lichts 1 wird durch die Auffächerung in der ersten Richtung 9 durch die Primäroptik 3 (siehe 1 und 2) auf die Anordnung der schmalbandigen Filter 5 und die Detektorenanordnung 6 verteilt und ist vorselektiert. Auf die Detektoren 7 einer Spalte 6.2 fallen die Spektren, die von den jeweils vorgeordneten schmalbandigen Filtern 5 durchgelassen werden. Auf die schmalbandigen Filter 5 vor einer Zeile 6.1 fällt Strahlung eines vorselektierten Wellenlängenintervalls in Form der Teilspektren 4, wobei auf die in der ersten Richtung 9 anschließenden schmalbandigen Filter 5 Strahlung eines anschließenden Wellenlängenintervalls fällt.
In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Spektralsensors können mehreren oder allen Teilspektren 4 mikrooptische Elemente 8 zugeordnet sein, d. h. die jeweiligen Strahlungen der Teilspektren 4 treffen auf die jeweils zugeordneten mikrooptischen Elemente 8 auf und treten durch diese hindurch.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das ebenfalls anhand der 3 erläutert wird, erfolgt eine spektrale Auffächerung entlang der ersten Richtung 9 und entlang der zweiten Richtung 10. Die auf die Detektoren 7 auftreffenden gefilterten Spektren ändern sich entlang der Zeilen 6.1 und Spalten 6.2. In der Summe ist wieder das gesamte Spektrum des zu untersuchenden einfallenden Lichts 1 auf der Detektorenanordnung 6 abgebildet.
An einem in 4 gezeigten Beispiel wird eine mögliche Auffächerung des einfallenden Lichts 1 gezeigt. Es wird nachfolgend vereinfachend die Anordnung der schmalbandigen Filter 5 und deren jeweils durchgelassener Wellenlängenbereich erläutert. Die Anordnung der schmalbandigen Filter 5 erfolgt in sechzehn Filterzeilen als schmalbandige Filter 5.11 bis 5.116 und in einhundert Filterspalten 5.21 bis 5.2100.
Das gesamte zu analysierende Spektrum des einfallenden Lichts 1 sei 800 nm, in einem Bereich von 200 bis 1000 nm. Auf jede Filterspalte 5.21 bis 5.2100 entfallen daher 8 nm. Das Spektrum wird durch Auffächerung in Teilspektren 4 gleichmäßig über die gesamte Anordnung von schmalbandigen Filtern 5 und parallel zur Orientierung der Filterspalten 5.21 bis 5.2100 verteilt. Die erste Filterspalte 5.21 umfasst daher einen Bereich von 200 bis 208 nm, die zweite Filterspalte 5.22 umfasst einen Bereich von 209 bis 216 nm usw. Die einhundertste und damit letzte Filterspalte 5.2100 umfasst daher den Bereich von 993 bis 1000 nm. Jedes schmalbandige Filter 5 ist so ausgelegt, dass es innerhalb des auftreffenden Wellenlängenbereichs seiner jeweiligen Filterspalte 5.21 bis 5.2100 liegt und zudem einen sehr engen Spektralbereich von 0,5 nm filtert. Das erste schmalbandige Filter 5.11 (an der Position 5.11 und 5.21 gezeigt) lässt einen Bereich von 200 nm bis 200,5 nm passieren, das zweite schmalbandige Filter 5.12 (Position 5.12 und 5.21) lässt einen Bereich von 200,6 nm bis 201 nm passieren usw.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Primäroptik 3 ist schematisch in 5 gezeigt. Das einfallende Licht 1 ist weißes Licht und beinhaltet daher Wellenlängen aller Farben. Um eine Vorselektion durch die Primäroptik 3 zu erreichen, ist auf der optischen Achse 2, entlang der das weiße einfallende Licht 1 eingestrahlt ist, ein erster dichroitischer Spiegel 11.1 angeordnet, der für Wellenlängen im Wellenlängenbereich roten Lichts durchlässig und für Wellenlängen im Wellenlängenbereich grünen bis blauen Lichts reflektierend wirkt (sogenannte „Cyan-Reflexion“). Der durchgelassene Anteil des einfallenden Lichts 1 trifft auf den in 5 links gezeigten Bereich der Detektorenanordnung 6. Der reflektierte Anteil des einfallenden Lichts 1 ist auf einen zweiten dichroitischen Spiegel 11.2 gerichtet, der für Wellenlängen im Wellenlängenbereich blauen Lichts durchlässig und für Wellenlängen im Wellenlängenbereich grünen Lichts reflektierend ist. Der reflektierte Anteil des aus der Cyan-Reflexion stammenden Lichts ist auf die Detektorenanordnung 6 gerichtet und trifft auf den in 5 in der Mitte gezeigten Bereich der Detektorenanordnung 6. Der durchgelassene Anteil des aus der Cyan-Reflexion stammenden Lichts trifft auf einen ersten Spiegel 13.1, durch dessen Wirkung dieser Anteil mit Wellenlängen im Wellenlängenbereich blauen Lichts auf den in 5 auf der rechten Seite gezeigten Bereich der Detektorenanordnung 6 gerichtet ist. Durch die Buchstaben R, G und B sind vereinfacht die Bereiche der Detektorenanordnung 6 bezeichnet, auf die Wellenlängen im Wellenlängenbereich roten (R), grünen (G) beziehungsweise blauen (B) Lichts auftreffen. Die Primäroptik 3 ist durch den ersten und zweiten dichroitischen Spiegel 11.1, 11.2 sowie den ersten Spiegel 13.1 gebildet.
In einem in 6 schematisch dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel einer Primäroptik 3 ist das einfallende Licht 1 wiederum weißes Licht, das entlang der optischen Achse 2 auf ein dichroitisches Prisma 12 trifft. Das dichroitische Prisma 12 weist unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse 2 eine blau-reflektierende Fläche 12b auf, durch die Wellenlängen im Wellenlängenbereich blauen Lichts unter einem Winkel von 90° zur optischen Achse 2 reflektiert werden. Der reflektierte Anteil des einfallenden Lichts 1 ist auf einen ersten Spiegel 13.1 gerichtet, durch dessen Wirkung dieser Anteil mit Wellenlängen im Wellenlängenbereich blauen Lichts auf den in 6 auf der rechten Seite gezeigten Bereich der Detektorenanordnung 6 gerichtet ist.
Durch eine ebenfalls in dem dichroitischen Prisma 12 vorhandene rot-reflektierende Fläche 12r sind Wellenlängen im Wellenlängenbereich roten Lichts unter einem Winkel von 270° zur optischen Achse 2 reflektiert. Der reflektierte Anteil des einfallenden Lichts 1 ist auf einen zweiten Spiegel 13.2 gerichtet, durch dessen Wirkung dieser Anteil mit Wellenlängen im Wellenlängenbereich roten Lichts auf den in 6 auf der linken Seite gezeigten Bereich der Detektorenanordnung 6 gerichtet ist.
Der Anteil des einfallenden Lichts 1 mit Wellenlängen im Wellenlängenbereich grünen Lichts tritt gerade durch das dichroitische Prisma 12 hindurch und fällt auf den in 6 in der Mitte gezeigten Bereich der Detektorenanordnung 6. Die Primäroptik 3 ist durch das dichroitische Prisma 12 sowie den ersten und den zweiten Spiegel 13.1, 13.2 gebildet.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer Primäroptik 3 ist in der 7 schematisch dargestellt. Das entlang der optischen Achse 2 einfallende Licht 1 trifft auf eine Anzahl von Mikroprismen, die in einer Ebene quer zur optischen Achse 2 angeordnet sind. Durch jedes der Mikroprismen ist ein Anteil des einfallenden Lichts 1 spektral zerlegt und in der ersten Richtung 9 aufgefächert. Dabei ist jedes der Mikroprismen so dimensioniert und angeordnet, dass ein Anteil des einfallenden Lichts 1 in der ersten Richtung 9 aufgefächert wird, wobei durch jedes Mikroprisma ein individuelles Teilspektrum 4 auf die Detektorenanordnung 6 gerichtet ist. Die optische Achse 2 ist durch Wirkung der Primäroptik 3 in ihrer Richtung geändert, indem deren Verlauf um einen Winkel abgeknickt ist. Die Teilspektren sind daher nicht entlang der ursprünglichen Richtung der optischen Achse 2 auf die Detektorenanordnung 6 gerichtet. Zudem sind die Teilspektren unter einem Winkel zur abgeknickten optischen Achse 2 auf die Detektorenanordnung 6 gerichtet. In der Summe aller durch die Mikroprismen bewirkten individuellen Teilspektren ist das gesamte Spektrum des weißen einfallenden Lichts 1 spektral entlang der ersten Richtung 9 aufgefächert und auf die Detektorenanordnung 6 gerichtet.
In weiteren Ausführungen ist das einfallende Licht 1 durch zusätzliche Mikroprismen und / oder durch Mikroprismen mit einer geeigneten Form und geeigneten optischen Eigenschaften zusätzlich in der zweiten Richtung 10 aufgefächert und / oder spektral aufgefächert.
Statt der Mikroprismen kann ein diffraktives Gitter als Primäroptik 3 angeordnet sein, wie dies als viertes Ausführungsbeispiel einer Primäroptik 3 in 8 schematisch gezeigt ist. Die einzelnen Spalten des diffraktiven Gitters sind so dimensioniert und zur optischen Achse 2 angeordnet, dass das einfallende Licht 1 spektral aufgefächert wird, wie dies zum dritten Ausführungsbeispiel und zu 7 beschrieben ist. Durch Wirkung der Primäroptik 3 ist auch hier die ursprüngliche Richtung der optischen Achse 2 verändert. Die Detektorenanordnung 6 ist so angeordnet und ausgerichtet, dass die in ihrer Richtung veränderte (abgeknickte) optische Achse 2 senkrecht auf die Detektorenanordnung 6 gerichtet ist.
Bezugszeichenliste

1: einfallendes Licht
2: optische Achse
2.1: Auftreffpunkt
3: Primäroptik
4: Teilspektrum
5: schmalbandiges Filter
5.1: Filterzeile
5.11: erste Filterzeile
5.116: sechzehnte Filterzeile
5.2: Filterspalte
5.21: erste Filterspalte
5.22: zweite Filterspalte
5.2100: einhundertste Filterspalte
6: Detektorenanordnung
6.1: Zeile
6.2: Spalte
7: Detektor
8: mikrooptisches Element
9: erste Richtung
10: zweite Richtung
11.1: erster dichroitischer Spiegel
11.2: zweiter dichroitischer Spiegel
12: dichroitisches Prisma
12r: rot-reflektierende Fläche
12b: blau-reflektierende Fläche
13.1: erster Spiegel
13.2: zweiter Spiegel
α: horizontaler Auftreffwinkel
β: vertikaler Auftreffwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10253058 A1 [0004]
US 2011/0089316 A1 [0005, 0005]
DE 102004037519 B4 [0006]
DE 102010040643 B3 [0007, 0007]

Claims

Spektralsensor zur spektralen Analyse von zu untersuchendem einfallenden Licht (1) mit – einer in einem Strahlengang des einfallenden Lichts (1) angeordneten Primäroptik (3) zur spektralen Auffächerung des Spektrums des einfallenden Lichts (1) in Teilspektren (4) zur örtlichen zweidimensionalen Aufteilung der Teilspektren (4) und zur gerichteten Abstrahlung der Teilspektren (4) sowie mit – einer Detektorenanordnung (6), auf welche die abgestrahlten Teilspektren (4) entsprechend der zweidimensionalen Aufteilung gerichtet sind, aufweisend eine Anzahl von Detektoren (7) zur Detektion von Licht eines jeweils spezifischen Wellenlängenbereichs, wobei jedem Detektor (7) empfangsseitig ein schmalbandiges Filter (5) vorgeordnet ist.
Spektralsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren (7) der Detektorenanordnung (6) korrespondierend zur der zweidimensionalen Aufteilung der Teilspektren (4) angeordnet sind, so dass die Teilspektren (4) auf Bereiche der Detektorenanordnung (6) mit solchen Detektoren (7) gerichtet sind, die für einen Wellenlängenbereich des jeweiligen Teilspektrums (4) empfindlich sind.
Spektralsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorenanordnung (6) eine Anordnung der Detektoren (7) in einem regelmäßigen Muster ist.
Spektralsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorenanordnung (6) eine Detektormatrix ist, deren Detektoren (7) in Zeilen (6.1) und Spalten (6.2) angeordnet sind.
Spektralsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das schmalbandige Filter (5) für einen Wellenlängenbereich von weniger als 10 nm durchlässig ist.
Spektralsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das schmalbandige Filter (5) für einen Wellenlängenbereich von weniger als 1 nm durchlässig ist.
Spektralsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das schmalbandige Filter (5) als ein Interferenzfilter ausgebildet ist.
Spektralsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäroptik (3) mindestens ein optisches Prisma, mindestens ein dichroitisches Prisma (12), mindestens ein diffraktives Gitter, mindestens ein dichroitisches Filter, mindestens ein dichroitischer Spiegel (11.1, 11.2), eine Anzahl von Mikroprismen oder eine Kombination daraus ist.
Verfahren zur spektralen Analyse von zu untersuchendem einfallenden Licht (1), mit den Schritten: – spektrales Auffächern mindestens eines Anteils des Spektrums des einfallenden Lichts (1) in Teilspektren (4) und zweidimensionale Aufteilung der Teilspektren (4), – Abstrahlung der zweidimensional aufgeteilten Teilspektren (4) auf eine Detektorenanordnung (6), aufweisend eine Anzahl von Detektoren (7) zur Detektion von Licht eines jeweils spezifischen Wellenlängenbereichs, und – Detektion von schmalbandigen Bereichen der Teilspektren (4) mittels der Detektoren (7) der Detektorenanordnung (6), wobei die Detektion korrespondierend zur zweidimensionalen Aufteilung der Teilspektren (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionale Aufteilung des Spektrums des einfallenden Lichts (1) in Teilspektren (4) durch eine Dehnung des Spektrums in einer ersten Richtung (9) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionale Aufteilung des Spektrums des einfallenden Lichts (1) in Teilspektren (4) durch eine zusätzliche Dehnung des Spektrums in einer zweiten Richtung (10) erzeugt wird.