DE102016212088A1 - Device for limiting an angle of incidence for a spectrometer and method for operating such a device - Google Patents

Device for limiting an angle of incidence for a spectrometer and method for operating such a device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zum Begrenzen eines Einfallswinkels (102) für ein Spektrometer, wobei die Vorrichtung (100) ein fokussierendes Element (104) zum Fokussieren eines auf ein der Vorrichtung (100) nachgelagertes spektrales Element einfallenden Lichts (116) auf einen Fokus (112), ein Blendenelement (108) und ein lenkendes Element (106) zum Lenken des innerhalb einer Blendenöffnung (110) des Blendenelements (108) fokussierten Lichts (116) aufweist, wobei das Blendenelement (108) im Bereich des Fokus (112) auf einer optischen Achse (114) zwischen dem fokussierenden Element (104) und dem lenkenden Element (106) angeordnet ist.The invention relates to a device (100) for limiting an angle of incidence (102) for a spectrometer, wherein the device (100) has a focusing element (104) for focusing a light (116) incident on a spectral element downstream of the device (100) a focus (112), an aperture element (108), and a directing element (106) for directing the light (116) focused within an aperture (110) of the aperture element (108), the aperture element (108) being in the area of focus (11); 112) is disposed on an optical axis (114) between the focusing element (104) and the directing element (106).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.

Die DE 1968 1285 T1 beschreibt ein Zusatzgerät für ein Infrarot-Mikrospektrometer.The DE 1968 1285 T1 describes an accessory for an infrared microspectrometer.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung zum Begrenzen eines Einfallswinkels für ein Spektrometer, weiterhin ein Verfahren, das diese Vorrichtung verwendet, sowie schließlich ein Spektrometer gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, a device for limiting an angle of incidence for a spectrometer, furthermore a method which uses this device, and finally a spectrometer according to the main claims are presented. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.

Ein Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) wirkt als Filter, der nur einen schmalbandigen Bereich um eine Resonanzwellenlänge durchlässt. Bei einem mikromechanischen Fabry-Pérot-Interferometer kann ein Abstand zwischen zwei Spiegelelementen die Resonanzwellenlänge und deren Obertöne bestimmen. Durch Variation des Abstands kann die gewünschte Resonanzwellenlänge eingestellt werden. In einem nachfolgenden Detektor wird eine Intensität der Transmission gemessen und so seriell ein Spektrum aufgenommen.A Fabry-Pérot interferometer (FPI) acts as a filter that passes only a narrow band around a resonance wavelength. In a micromechanical Fabry-Pérot interferometer, a distance between two mirror elements can determine the resonance wavelength and its overtones. By varying the distance, the desired resonance wavelength can be adjusted. In a subsequent detector, an intensity of the transmission is measured and so serially recorded a spectrum.

Bei Fabry-Pérot Interferometern bewirkt eine Variation des Einfallswinkels des Lichtstrahles eine Verschiebung der zu messenden Wellenlänge. Der hier vorgestellte Ansatz verhindert, dass gleichzeitig Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf den Fabry-Pérot Interferometer-Filter ankommen. In Fabry-Pérot interferometers, a variation of the angle of incidence of the light beam causes a shift in the wavelength to be measured. The approach presented here prevents light beams with different angles of incidence from arriving simultaneously on the Fabry-Pérot interferometer filter.

Es wird eine Vorrichtung zum Begrenzen eines Einfallswinkels für ein Spektrometer vorgestellt, wobei die Vorrichtung ein fokussierendes Element zum Fokussieren eines auf ein der Vorrichtung nachgelagertes spektrales Element des Spektrometers einfallenden Lichts auf einen Fokus, ein Blendenelement und ein lenkendes Element zum Lenken des innerhalb einer Blendenöffnung des Blendenelements fokussierten Lichts (beispielsweise auf das spektrale Element) des Spektrometers aufweist, wobei das Blendenelement im Bereich des Fokus auf einer optischen Achse zwischen dem fokussierenden Element und dem lenkenden Element angeordnet ist. Das lenkende Element kann den Strahl auch kollimieren.The invention relates to a device for limiting an angle of incidence for a spectrometer, the device comprising a focusing element for focusing a light incident on a spectral element of the spectrometer downstream of the device onto a focus, an aperture element and a steering element within a diaphragm aperture of the spectrometer Aperture element focused light (for example, the spectral element) of the spectrometer, wherein the aperture element is arranged in the region of the focus on an optical axis between the focusing element and the guiding element. The directing element can also collimate the beam.

Unter einem spektralen Element kann ein Fabry-Pérot Interferometer verstanden werden. Das spektrale Element ist in einem Strahlengang des Spektrometers der Vorrichtung nachgeordnet anordenbar. Ein Fokus kann ein rechnerischer Brennpunkt sein. By a spectral element, a Fabry-Pérot interferometer can be understood. The spectral element can be arranged downstream in a beam path of the spectrometer of the device. A focus can be a computational focus.

Das fokussierende Element und/oder das lenkende Element kann eine optische Linse sein. Durch Linsen ergibt sich ein geradliniger Strahlengang und die optische Achse weist keinen Versatz auf.The focusing element and / or the guiding element may be an optical lens. Lenses result in a rectilinear beam path and the optical axis has no offset.

Das fokussierende Element und/oder das lenkende Element kann ein Spiegel sein. Durch Spiegel können Abbildungsfehler vermieden werden. Spiegelelemente sind einfach herstellbar. Spiegel sind beispielsweise als Freiformfläche im Spritzgussverfahren und anschließendem Aufbringen einer reflektierenden Schicht herstellbar.The focusing element and / or the guiding element may be a mirror. Mirrors can avoid aberrations. Mirror elements are easy to produce. Mirrors can be produced, for example, as a free-form surface by injection molding and subsequent application of a reflective layer.

Das fokussierende Element und/oder das lenkende Element kann zumindest teilweise ein Abschnitt eines Hohlspiegels sein. Insbesondere kann der Hohlspiegel ein Parabolspiegel mit einem definierten Fokus sein.The focusing element and / or the guiding element may at least partially be a section of a concave mirror. In particular, the concave mirror can be a parabolic mirror with a defined focus.

Das Blendenelement kann eine Lochblende sein. Das Blendenelement kann ein Durchgangsloch für das gebündelte Licht aufweisen. Eine Lochblende ist einfach herstellbar. The aperture element may be a pinhole. The diaphragm member may have a through hole for the collimated light. A pinhole is easy to produce.

Das Blendenelement kann zumindest teilweise ein Lichtleiter sein. Ein Lichtleiter kann beispielsweise aus Glasfaser oder Kunststofffaser sein. Ein Lichtleiter kann gebogen werden und alternativ oder ergänzend das Licht über eine größere Entfernung nahezu dämpfungsfrei transportieren. Dadurch können das fokussierende Element und das lenkende Element räumlich getrennt angeordnet sein.The diaphragm element may be at least partially a light guide. An optical fiber may be, for example, fiberglass or plastic fiber. A light guide can be bent and alternatively or additionally transport the light over a greater distance with virtually no attenuation. As a result, the focusing element and the guiding element can be arranged spatially separated.

Die optische Achse kann quer zu dem einfallenden Licht ausgerichtet sein. Unter einer quer zu dem einfallenden Licht ausgerichteten optischen Achse kann eine Ausrichtung der optischen Achse verstanden werden, die nicht parallel, insbesondere rechtwinklig zu dem einfallenden Licht ausgerichtet ist. Durch einen Knick im optischen Pfad kann eine geringe Bauhöhe erreicht werden.The optical axis may be oriented transversely to the incident light. An optical axis aligned transversely to the incident light may be understood to mean an alignment of the optical axis which is not aligned parallel, in particular at right angles to the incident light. By a kink in the optical path, a low height can be achieved.

Weiterhin wird ein Spektrometer mit einer Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei die Vorrichtung einem spektralen Element des Spektrometers und einem Fotodetektor des Spektrometers vorgelagert ist und das lenkende Element ausgerichtet ist, um Licht auf das spektrale Element zu lenken.Furthermore, a spectrometer is presented with a device according to the approach presented here, wherein the device is preceded by a spectral element of the spectrometer and a photodetector of the spectrometer and the steering element is aligned to direct light onto the spectral element.

Ein spektrales Element kann beispielsweise zwei Spiegelelemente aufweisen, deren Abstand veränderbar ist, um eine Resonanzwellenlänge zu beeinflussen. Ein Fotodetektor ist dazu ausgebildet, eine Intensität von Licht in einem elektrischen Signal abzubilden.For example, a spectral element may have two mirror elements whose spacing is changeable to influence a resonance wavelength. A photodetector is configured to image an intensity of light in an electrical signal.

Das Spektrometer kann zumindest eine weitere Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz umfassen. Die weitere Vorrichtung kann benachbart zu der Vorrichtung angeordnet sein. Durch mehrere Vorrichtungen kann mehr Licht zu dem Spektrometer geleitet werden, als bei einer einzelnen Vorrichtung. Die Vorrichtungen können um das spektrale Element herum angeordnet sein.The spectrometer may comprise at least one further device according to the approach presented here. The further device may be arranged adjacent to the device. Multiple devices can deliver more light to the spectrometer than a single device. The devices may be arranged around the spectral element.

Das Spektrometer kann eine Lichtquelle aufweisen. Die Lichtquelle kann dazu ausgebildet sein, Licht im Wesentlichen entgegen einer Einfallsrichtung des fokussierenden Elements für Licht zu emittieren. Die Lichtquelle kann eine Diode sein. Die Lichtquelle kann Licht einer bestimmten Wellenlänge emittieren. Die Lichtquelle kann auf der Symmetrieachse angeordnet werden. Dadurch wird ein Fehler durch die Parallaxe wie bei schräger Beleuchtung vermieden.The spectrometer may have a light source. The light source may be configured to emit light substantially opposite to an incident direction of the focusing element for light. The light source may be a diode. The light source can emit light of a certain wavelength. The light source can be arranged on the axis of symmetry. This avoids parallax errors such as oblique illumination.

Die Lichtquelle und der Fotodetektor können auf einer (beispielsweise flexiblen) Kontaktierungseinrichtung angeordnet sein. Die Kontaktierungseinrichtung kann insbesondere um die Vorrichtung herumgebogen sein. Durch eine gemeinsame Kontaktierung kann eine Herstellung vereinfacht werden.The light source and the photodetector can be arranged on a (for example flexible) contacting device. The contacting device can in particular be bent around the device. By a common contacting a production can be simplified.

Ferner wird ein Verfahren zum Begrenzen eines Einfallswinkels auf ein Spektrometer vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:Furthermore, a method for limiting an angle of incidence on a spectrometer is presented, the method comprising the following steps:

Fokussieren eines auf das Spektrometer einfallenden Lichts auf einen Fokus im Bereich eines Blendenelements; undFocusing a light incident on the spectrometer to a focus in the region of an aperture element; and

Lenken des innerhalb einer Blendenöffnung des Blendenelements fokussierten Lichts auf ein spektrales Element des Spektrometers.Directing the focused within an aperture of the diaphragm element light on a spectral element of the spectrometer.

Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:

1 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Begrenzen eines Einfallswinkels mit Linsen gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 an illustration of an apparatus for limiting an angle of incidence with lenses according to an embodiment;

2 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Begrenzen eines Einfallswinkels mit Spiegeln gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 a representation of an apparatus for limiting an angle of incidence with mirrors according to an embodiment;

3 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Begrenzen eines Einfallswinkels mit einem Lichtleiter gemäß einem Ausführungsbeispiel; 3 an illustration of an apparatus for limiting an angle of incidence with a light guide according to an embodiment;

4 eine Schnittdarstellung durch ein Spektrometer gemäß einem Ausführungsbeispiel; 4 a sectional view through a spectrometer according to an embodiment;

5 eine Darstellung einer Anordnung von vier Vorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel; 5 a representation of an arrangement of four devices according to an embodiment;

6 Darstellungen eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und 6 Representations of a spectrometer according to an embodiment; and

7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Begrenzen eines Einfallswinkels gemäß einem Ausführungsbeispiel. 7 a flowchart of a method for limiting an angle of incidence according to an embodiment.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Begrenzen eines Einfallswinkels 102 mit Linsen 104, 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 kann vor einem spektralen Element angeordnet werden und eine Varianz des Einfallswinkels 102 begrenzen. Die Vorrichtung weist die erste Linse 104 als fokussierendes Element 104 und die zweite Linse 106 als lenkendes Element 106 auf. Zwischen den Linsen 104, 106 ist ein Blendenelement 108 angeordnet. Das Blendenelement 108 ist als Lochblende ausgebildet. Eine Blendenöffnung 110 des Blendenelements 108 ist im Bereich eines Fokus 112 des fokussierenden Elements 104 angeordnet. Die Blendenöffnung 110 entspricht hier einer lichten Weite einer Aussparung des Blendenelements 108. Das lenkende Element 106 weist den gleichen Fokus 112 auf, wie das fokussierende Element 104. Das lenkende Element 106 ist so angeordnet, dass beide Fokusse 112 am gleichen Ort sind. Dadurch werden parallel zu einer optischen Achse 114 der Vorrichtung einfallende Lichtstrahlen 116 durch die erste Linse 104 im Fokus 112 zu einem Brennpunkt 118 gebündelt, passieren ungehindert die Blendenöffnung 110 und werden von der zweiten Linse 106 wieder entlang der optischen Achse 114 gelenkt. 1 shows a representation of a device 100 for limiting an angle of incidence 102 with lenses 104 . 106 according to an embodiment. The device 100 can be placed in front of a spectral element and a variance of the angle of incidence 102 limit. The device has the first lens 104 as a focusing element 104 and the second lens 106 as a guiding element 106 on. Between the lenses 104 . 106 is an aperture element 108 arranged. The aperture element 108 is designed as a pinhole. An aperture 110 of the diaphragm element 108 is in the range of a focus 112 of the focusing element 104 arranged. The aperture 110 corresponds here to a clear width of a recess of the diaphragm element 108 , The guiding element 106 has the same focus 112 on, like the focusing element 104 , The guiding element 106 is arranged so that both foci 112 are in the same place. This will be parallel to an optical axis 114 the device incident light rays 116 through the first lens 104 in focus 112 to a focal point 118 bundled, pass unimpeded the aperture 110 and are from the second lens 106 again along the optical axis 114 directed.

Wenn das Licht 116 schräg zu der optischen Achse 114 auf die erste Linse 104 fällt, wird es ebenfalls in einem Brennpunkt 118 gebündelt. Solange der Brennpunkt innerhalb der Blendenöffnung 110 liegt, passiert das Licht 116 die Blendeneinrichtung 108. Wenn der Einfallswinkel 102 so groß ist, dass der Brennpunkt 118 außerhalb der Blendenöffnung 110 liegt, absorbiert und/oder reflektiert die Blendeneinrichtung 108 das Licht 116 wieder zurück.When the light 116 oblique to the optical axis 114 on the first lens 104 falls, it is also in a focal point 118 bundled. As long as the focal point within the aperture 110 lies, the light happens 116 the aperture device 108 , When the angle of incidence 102 so big is that the focal point 118 outside the aperture 110 lies, absorbs and / or reflects the aperture device 108 the light 116 back again.

In 1 wird das Grundprinzip des Linsen-Lochblenden-Linsen Konzepts gezeigt. Dabei befindet sich die Lochblende 108 vorteilhaft in der Nähe der Ebene der beiden Linsenbrennpunkte 112. In dieser Konfiguration sind die Richtungen von Eingangswinkel 102 der ersten Linse 104 und Ausgangswinkel der zweiten Linse 106 identisch. Lichtstrahlen 116 innerhalb des Akzeptanzwinkels werden durch die Lochblende 108 nicht behindert. Überschreiten die Eingangswinkelstrahlen 116 der ersten Linse 104 den Akzeptanzwinkel, werden diese nicht mehr zur zweiten Linse 106 geführt. Das bedeutet, am Ausgang der zweiten Linse 106 werden nur Lichtstrahlen 116 mit einem maximalen Ausgangsakzeptanzwinkel zugelassen. Durch Anpassen der Brennweiten von der ersten Linse 104 zu der zweiten Linse 106 lässt sich die Lichtstrahlintensität pro Flächeneinheit verändern.In 1 the basic principle of the lens pinhole lens concept is shown. there there is the pinhole 108 advantageous near the plane of the two lens focal points 112 , In this configuration, the directions are input angles 102 the first lens 104 and output angle of the second lens 106 identical. light rays 116 within the acceptance angle are through the pinhole 108 not disabled. Exceed the input angle beams 116 the first lens 104 the acceptance angle, these are no longer the second lens 106 guided. This means at the output of the second lens 106 will only light rays 116 permitted with a maximum output acceptance angle. By adjusting the focal lengths of the first lens 104 to the second lens 106 the light beam intensity per unit area can be changed.

2 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Begrenzen eines Einfallswinkels mit Spiegeln 104, 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung funktioniert im Wesentlichen, wie die in 1 dargestellte Vorrichtung. Im Gegensatz dazu sind die optischen Elemente 104, 106 als Hohlspiegel 104, 106 ausgebildet. Auch hier bündelt das fokussierende Element 104 das entlang der optischen Achse 114 einfallende Licht 116 in dem Fokus 112. Im Fokus 112 beziehungsweise in einer Fokusebene ist das Blendenelement 108 mit seiner Blendenöffnung 110 angeordnet. Das lenkende Element 106 lenkt das Licht 116 wieder in Richtung der optischen Achse 114. 2 shows a representation of a device 100 for limiting an angle of incidence with mirrors 104 . 106 according to an embodiment. The device basically works like the ones in 1 illustrated device. In contrast, the optical elements 104 . 106 as a concave mirror 104 . 106 educated. Here, too, focuses the focusing element 104 along the optical axis 114 incident light 116 in the focus 112 , In focus 112 or in a focal plane is the aperture element 108 with its aperture 110 arranged. The guiding element 106 directs the light 116 again in the direction of the optical axis 114 ,

Die Spiegel 104, 106 sind dabei so zueinander ausgerichtet, dass eine optische Achse zwischen den Spiegeln 104, 106 quer zu der optischen Achse 114 vor und nach der Vorrichtung 100 ausgerichtet ist. Das Licht 116 weist also durch die Vorrichtung 100 einen seitlichen Versatz auf.The mirror 104 . 106 are aligned with each other so that an optical axis between the mirrors 104 . 106 transverse to the optical axis 114 before and after the device 100 is aligned. The light 116 thus points through the device 100 a lateral offset on.

In 2 ist ein vergleichbarer Aufbau mit Reflektoren 104, 106 aufgeführt. Diese Konfiguration ist von der Bauhöhe kleiner und lässt sich voraussichtlich aus einem Spritzteil mit einer nachträglichen Beschichtung fertigen.In 2 is a comparable structure with reflectors 104 . 106 listed. This configuration is smaller in height and is expected to be made from a molded part with a subsequent coating.

3 zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung 100 zum Begrenzen eines Einfallswinkels mit einem Lichtleiter 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 2. Im Gegensatz dazu ist das Blendenelement 108 hier durch den Lichtleiter 300 mit einer Hülle beziehungsweise Ummantelung des Lichtleiters ausgebildet. Dabei entspricht ein Durchmesser des Licht leitenden Teils des Lichtleiters 300 der Blendenöffnung 110. Das außerhalb des Lichtleiters 300 auf das Blendenelement 108 treffende Licht 116 gelangt nicht zum lenkenden Element 106. 3 shows a representation of a device 100 for limiting an angle of incidence with a light guide 300 according to an embodiment. The device 100 is essentially the same as in 2 , In contrast, the aperture element 108 here through the light guide 300 formed with a sheath or casing of the light guide. In this case, a diameter of the light-conducting part of the light guide corresponds 300 the aperture 110 , The outside of the light guide 300 on the aperture element 108 striking light 116 does not reach the directing element 106 ,

Durch die Verwendung eines Lichtleiters 300 anstatt Lochblende lassen sich die beiden Reflektoren 104, 106 unabhängig voneinander platzieren.By using a light guide 300 instead of pinhole, the two reflectors can be 104 . 106 place independently of each other.

4 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Spektrometer 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Spektrometer 400 umfasst dabei zumindest zwei Vorrichtungen 100, wie sie in 2 dargestellt sind. Die Vorrichtungen 100 begrenzen die Varianz des Einfallswinkels auf ein spektrales Element 402 des Spektrometers 400. Das spektrale Element 402 ist auf einem Fotodetektor 404 angeordnet. Das Licht 116, das durch die Vorrichtungen 100 gelangt, wird unter Verwendung des spektralen Elements 402 gefiltert. Dabei dringt jeweils nur eine bestimmte Wellenlänge beziehungsweise ein bestimmter Wellenlängenbereich durch das spektrale Element 402 zum Fotodetektor 404. Der Fotodetektor 404 wandelt eine Intensität des auftreffenden Lichts 116 in ein elektrisches Signal. Nachdem die Intensität einer Wellenlänge erfasst ist, kann das spektrale Element 402 verändert werden, um eine andere Wellenlänge durchzulassen. So kann mit mehreren Messungen ein Wellenlängenspektrum des Lichts 116 erstellt werden. 4 shows a sectional view through a spectrometer 400 according to an embodiment. The spectrometer 400 includes at least two devices 100 as they are in 2 are shown. The devices 100 limit the variance of the angle of incidence on a spectral element 402 of the spectrometer 400 , The spectral element 402 is on a photodetector 404 arranged. The light 116 that through the devices 100 is achieved using the spectral element 402 filtered. In each case only a specific wavelength or a specific wavelength range penetrates through the spectral element 402 to the photodetector 404 , The photodetector 404 converts an intensity of the incident light 116 in an electrical signal. After the intensity of a wavelength is detected, the spectral element 402 be changed to allow a different wavelength. Thus, with several measurements, a wavelength spectrum of the light 116 to be created.

In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Spektrometer 400 eine Lichtquelle 406. Hier ist die Lichtquelle 406 als Licht emittierende Diode ausgeführt. Die Lichtquelle 406 ist zwischen den Vorrichtungen 100 angeordnet und so ausgerichtet, dass ihr emittiertes Licht auf ein Zielobjekt 408 beziehungsweise Target in einem Erfassungsbereich 410 des Spektrometers 400 fällt. Der Fotodetektor 404, das spektrale Element 402, die Lichtquelle 406 und der Erfassungsbereich 410 sind in einer Symmetrieachse 412 des Spektrometers 400 ausgerichtet.In one embodiment, the spectrometer includes 400 a light source 406 , Here is the light source 406 designed as a light-emitting diode. The light source 406 is between the devices 100 arranged and aligned so that their emitted light on a target object 408 or target in a detection area 410 of the spectrometer 400 falls. The photodetector 404 , the spectral element 402 , the light source 406 and the coverage area 410 are in an axis of symmetry 412 of the spectrometer 400 aligned.

In einem Ausführungsbeispiel sind das fokussierende Element 104 und das lenkende Element 106 im Gegensatz zu den Darstellungen in den 1 bis 3 unterschiedlich geformt. Dadurch wird das durch die Blendenöffnung 110 fallende Licht 116 über das lenkende Element 106 auf das zwischen den beiden Vorrichtungen 100 angeordnete spektrale Element 402 gelenkt. Mit anderen Worten weisen die Vorrichtungen 100 unterschiedliche Einfallswinkel und Ausfallswinkel auf.In one embodiment, the focusing element 104 and the guiding element 106 contrary to the representations in the 1 to 3 shaped differently. This will do this through the aperture 110 falling light 116 over the directing element 106 on the between the two devices 100 arranged spectral element 402 directed. In other words, the devices 100 different angles of incidence and angles of incidence.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird eine Einstellung eines Einfallswinkelbereichs einer auf ein Fabry-Perot-Interferometer 402 auftreffenden Strahlung mittels einer Linsen/Reflektor-Lochblenden Anordnung 100 ermöglicht. Alternativ kann die Lochblende 110 durch einen Lichtwellenleiter ersetzt werden.In the approach presented here, an adjustment of an angle of incidence range of a to a Fabry-Perot interferometer 402 incident radiation by means of a lens / reflector pinhole arrangement 100 allows. Alternatively, the pinhole 110 be replaced by an optical fiber.

Ein mikromechanisches Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) 402 kann aus zwei Spiegelelementen bestehen, die auf einem Substrat über einem Durchgangsloch angeordnet sind. Dabei kann das Durchgangsloch eine Apertur unterhalb der beiden Spiegel sein, die erlaubt, dass das Licht auf den Detektor fällt. Daneben kann ein Interferometer aus zwei Substraten mit Durchgangslöchern konstruiert sein. Der Lichtstrahl wird vertikal durch die Sandwichbauform mit zwei hochreflektierenden Spiegeln geleitet, wobei jeweils schmalbandige Bereiche um eine Resonanzwellenlänge und deren Obertöne in Abhängigkeit vom Abstand der beiden Spiegel transmittiert werden. Durch Variation des Abstandes kann die gewünschte Resonanzwellenlänge eingestellt werden. In einem nachfolgenden Detektor 404 wird eine Intensität der Transmission gemessen und so seriell ein Spektrum aufgenommen. Ein zusätzlicher Vorbandpassfilter kann die gewünschte Ordnung der Wellenlänge herausfiltern, sodass Fehler durch andere Wellenlängenordnungen minimiert werden. Die Kenntnis eines Haupteinfallswinkels kann zur Korrektur eines Spektrenoffsets verwendet werden.A micromechanical Fabry-Perot interferometer (FPI) 402 may consist of two mirror elements, which are arranged on a substrate over a through hole. It can do that Through hole may be an aperture below the two mirrors, which allows the light to fall on the detector. In addition, an interferometer may be constructed of two substrates with through holes. The light beam is passed vertically through the sandwich design with two highly reflective mirrors, each narrow-band areas are transmitted to a resonance wavelength and their overtones depending on the distance between the two mirrors. By varying the distance, the desired resonance wavelength can be adjusted. In a subsequent detector 404 An intensity of the transmission is measured and so serially recorded a spectrum. An additional bias pass filter can filter out the desired order of wavelength so that errors due to other wavelength orders are minimized. The knowledge of a main angle of incidence can be used to correct a spectral offset.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Spektrometer 400 eine exzentrische Beleuchtungsanordnung auf. Die am Ort des Targets 408 reflektierten Lichtstrahlen 116 werden über einen Spiegel oder eine Linse zu der Lochblende 110 am Ort oder in der Nähe des Brennpunkts und über einen weiteren Spiegel oder eine Linse zum spektralen Element 402 geleitet. Der nachgeschaltete Detektor 404 kann die Summe der gefilterten Lichtstrahlen 116 detektieren.In an embodiment not shown, the spectrometer 400 an eccentric lighting arrangement. The place of the target 408 reflected light rays 116 be through a mirror or a lens to the pinhole 110 at the location or near the focal point and via another mirror or lens to the spectral element 402 directed. The downstream detector 404 can be the sum of the filtered beams of light 116 detect.

Die Kombination aus Spiegel 104 oder Linse 104, einer Lochblende 110 nahe dem Brennpunkt und einem weiteren Spiegel 106 oder Linse 106 ermöglicht eine Konzentration der Lichtstrahlen 116 durch die Wahl von unterschiedlichen Brennweiten zum Maximieren der Intensität auf dem Detektor 404.The combination of mirrors 104 or lens 104 , a pinhole 110 near the focal point and another mirror 106 or lens 106 allows a concentration of light rays 116 by choosing different focal lengths to maximize the intensity on the detector 404 ,

Durch schräg stellen der optischen Achsen der beiden Spiegel 104, 106 oder Linsen 104, 106 kann das Licht 116 platzsparend durch das Interferometer 402 zum Detektor 404 geleitet werden. Der daraus resultierende Wellenspektrumfehler durch den Einfallwinkeloffset kann durch eine Kalibrierung kompensiert werden.By tilting the optical axes of the two mirrors 104 . 106 or lenses 104 . 106 can the light 116 saves space through the interferometer 402 to the detector 404 be directed. The resulting wave spectrum error due to the incident angle offset can be compensated by calibration.

In 4 ist ein möglicher Aufbau gezeigt, bei dem eine vorteilhafte achsensymmetrische Beleuchtung vorliegt. Dabei ist eine Beleuchtungsachse 412 gleich einer Detektorachse 412. In der hier gezeigten Konfiguration sind die Flächen der beiden Reflektoren 104, 106 gegensätzlich um den Brennpunkt gedreht, sodass der Eingangswinkel des ersten Reflektors 104 unterschiedlich zu dem Ausgangswinkel des zweiten Reflektors 106 ist. Dieses ist vorteilhaft, um den Bauraum optimal auszunutzen.In 4 a possible construction is shown in which an advantageous axisymmetric illumination is present. Here is an illumination axis 412 equal to a detector axis 412 , In the configuration shown here are the surfaces of the two reflectors 104 . 106 rotated in opposite directions around the focal point, so that the input angle of the first reflector 104 different from the output angle of the second reflector 106 is. This is advantageous to make optimal use of the space.

Der Aufbau kann analog genutzt werden, wenn dieser entlang der optischen Achse 412 halbiert wird. Bei dieser exzentrischen Beleuchtung ist jedoch der Kalibrierungsbedarf und Kompensationsbedarf höher, weil der Spot 406 nicht konzentrisch zur Detektorachse 412 in unterschiedlichen Target-Abständen ausgeleuchtet ist.The structure can be used analogously, if this along the optical axis 412 halved. However, with this eccentric illumination, the need for calibration and compensation is higher because of the spot 406 not concentric with the detector axis 412 illuminated at different target intervals.

5 zeigt eine Darstellung einer Anordnung 500 von vier Vorrichtungen 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Anordnung 500 entspricht dabei im Wesentlichen der Anordnung in 4. Im Gegensatz dazu sind die lenkenden Elemente hier durch ein Gehäuse 502 verdeckt. Die Vorrichtungen 100 sind kreuzförmig angeordnet und jeweils um 90° zueinander gedreht. Das Gehäuse 502 weist vier Seitenflächen auf, die durch die vier Blendenelemente 108 ausgebildet sind. Auf einer quadratischen Deckenfläche kann eine Lichtquelle angeordnet werden. 5 shows a representation of an arrangement 500 of four devices 100 according to an embodiment. The order 500 corresponds essentially to the arrangement in 4 , In contrast, the steering elements are here by a housing 502 covered. The devices 100 are arranged in a cross shape and each rotated by 90 ° to each other. The housing 502 has four side surfaces, which through the four panel elements 108 are formed. On a square ceiling surface, a light source can be arranged.

Es wird eine geometrische Kontur 100 vorgestellt, bei der die Varianz der Einfallswinkel zur optischen Achse beziehungsweise der Flächennormale der Resonatorspiegel des spektralen Elements 402 minimiert und gleichzeitig die vom Target 408 reflektierte spektrale Wellenlängenintensität auf der Detektorfläche 404 maximiert wird. Der Mittelwert der Einfallswinkel kann geeignet kalibriert werden.It becomes a geometric contour 100 presented, in which the variance of the angle of incidence to the optical axis or the surface normal of the resonator mirror of the spectral element 402 minimized and at the same time the target 408 reflected spectral wavelength intensity on the detector surface 404 is maximized. The mean value of the angles of incidence can be suitably calibrated.

Durch die Lochblende 108 werden Lichtstrahlen außerhalb des inneren Bauraumes reflektiert beziehungsweise absorbiert, sodass nur sehr wenig fehlgeleitete Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln die Interferometer-Detektorkombination treffen kann.Through the pinhole 108 Light rays are reflected or absorbed outside of the internal space, so that only very few misdirected light beams with different angles of incidence can hit the interferometer-detector combination.

In 5 ist ein vorteilhafter Aufbau 500 gezeigt, bei dem vier Reflektor 104 – Lochblenden 108 – Reflektor Kombinationen 100 symmetrisch angeordnet sind und eine quadratische Grundfläche sehr gut ausnutzen. Der Aufbau 500 kann auch mehr als vier Segmente aufweisen. Die Beleuchtung kann auf dem mittleren Podest 502 im Zentrum platziert werden, sodass ein achsensymmetrischer Aufbau möglich ist. In 5 is an advantageous construction 500 shown at the four reflector 104 - pinhole 108 - Reflector combinations 100 are symmetrically arranged and take advantage of a square base very well. The structure 500 can also have more than four segments. The lighting can be on the middle pedestal 502 be placed in the center, so that an axisymmetric structure is possible.

Wenn die Anzahl der Reflektor-Lochblenden-Reflektor Kombinationen 100 um die optische Achse sehr groß gewählt ist, ist eine konzentrische radiale Lichtführung durch einen umlaufenden Pin Hole Schlitz möglich.When the number of reflector pinhole reflector combinations 100 is chosen to be very large around the optical axis, a concentric radial light guide is possible by a circumferential pin hole slot.

6 zeigt Darstellungen eines Spektrometers 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Spektrometer 400 ist in einer Schnittdarstellung und einer Draufsicht dargestellt. Das Spektrometer 400 entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 4. Zusätzlich dazu ist hier eine Kontaktierungseinrichtung 600 zum elektrischen Kontaktieren des spektralen Elements 402, des Fotodetektors 404 und der Lichtquelle 406 dargestellt. Die Kontaktierungseinrichtung 600 weist eine flexible Leiterplatte 602 mit einem Versteifungselement 604 auf. Das spektrale Element 402, der Fotodetektor 404 und die Anordnung 500 sind auf dem Versteifungselement 604 angeordnet. Die Anordnung 500 entspricht im Wesentlichen der Anordnung in 5. Zusätzlich dazu sind die Vorrichtungen 100 hier zu einem Bauteil vereint. Die Lichtquelle 406 ist auf einem Finger 606 der flexiblen Leiterplatte 602 angeordnet, der um 180° gebogen ist und auf der Deckenfläche der Anordnung 500 angeordnet ist. Dabei ist die Lichtquelle 406 auf der gleichen Seite der Leiterplatte 602 angeordnet, wie das Versteifungselement 604. Die Lichtquelle 406 emittiert ihr Licht durch einen Durchbruch der Leiterplatte 602. Der Finger 606 verläuft dabei über einen Steg zwischen zwei Vorrichtungen 100. 6 shows representations of a spectrometer 400 according to an embodiment. The spectrometer 400 is shown in a sectional view and a plan view. The spectrometer 400 is essentially the same as in 4 , In addition, here is a contacting device 600 for electrically contacting the spectral element 402 , the photodetector 404 and the light source 406 shown. The contacting device 600 has a flexible circuit board 602 with a stiffening element 604 on. The spectral element 402 , the photodetector 404 and the arrangement 500 are on the stiffening element 604 arranged. The order 500 essentially corresponds to the arrangement in 5 , In addition, the devices are 100 here united to a component. The light source 406 is on a finger 606 the flexible circuit board 602 arranged, which is bent by 180 ° and on the ceiling surface of the arrangement 500 is arranged. Here is the light source 406 on the same side of the circuit board 602 arranged as the stiffening element 604 , The light source 406 emits their light through a breakthrough of the circuit board 602 , The finger 606 runs over a bridge between two devices 100 ,

Mit anderen Worten zeigt 6 ein Bauelement 400, das als Miniaturspektrometer 400 ausgebildet ist, wobei das Bauelement 400 eine Lichtquelle 406, eine Lichtführung 100 mit einer Begrenzung der Einfallswinkelvarianzen auf ein spektrales Element 402 und einen Fotodetektor 404 umfasst.In other words shows 6 a component 400 as a miniature spectrometer 400 is formed, wherein the component 400 a light source 406 , a light guide 100 with a limitation of the incident angle variances on a spectral element 402 and a photodetector 404 includes.

Hier besteht die Lichtführung 100 aus mehreren unterschiedlichen Segmenten, um die Intensität auf dem Detektor 404 zu maximieren. Die Lichtführung 100 besteht aus Reflektoren oder Linsengeometrien, die aus kontinuierlichen Flächen oder als Fresnel aufgebaut sein können.Here is the light guide 100 from several different segments to the intensity on the detector 404 to maximize. The light guide 100 consists of reflectors or lens geometries, which can be constructed of continuous surfaces or as Fresnel.

In einem Ausführungsbeispiel ist das spektrale Element 402 ein mikromechanisches Fabry-Pérot Interferometer-Bauelement, das mindestens ein Substrat und zwei durch einen Spalt voneinander beabstandete, übereinander angeordnete Spiegelelemente aufweist.In one embodiment, the spectral element is 402 a micromechanical Fabry-Pérot interferometer component, which has at least one substrate and two spaced-apart mirror elements spaced apart by a gap.

In 6 ist eine mögliche Beleuchtungskontaktierung 600 mit einem Flexlead 602 dargestellt. Zusätzliche Streben zwischen den Reflektoren können die Stabilität der Konstruktion 500 erhöhen und eine geeignete Kühlung der Beleuchtung 406 sicherstellen.In 6 is a possible lighting contact 600 with a flexlead 602 shown. Additional struts between the reflectors can increase the stability of the construction 500 Increase and appropriate cooling of the lighting 406 to ensure.

7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Begrenzen eines Einfallswinkels gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann auch als Verfahren 700 zum Betreiben einer Variante einer vorstehend genannten Vorrichtung 100 verstanden werden. Das Verfahren weist einen Schritt 701 des Fokussierens und einen Schritt 702 des Lenkens auf. Im Schritt 701 des Fokussierens wird ein auf ein Spektrometer einfallendes Licht auf einen Fokus im Bereich eines Blendenelements fokussiert. Im Schritt 702 des Lenkens wird das innerhalb einer Blendenöffnung des Blendenelements fokussierte Licht auf ein spektrales Element des Spektrometers gelenkt. 7 shows a flowchart of a method 700 for limiting an angle of incidence according to an embodiment. The procedure can also be used as a procedure 700 for operating a variant of a device mentioned above 100 be understood. The method has one step 701 focusing and one step 702 of steering. In step 701 In the case of focusing, a light incident on a spectrometer is focused onto a focus in the region of an aperture element. In step 702 of the steering, the focused within an aperture of the diaphragm element light is directed to a spectral element of the spectrometer.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (12)

Vorrichtung (100) zum Begrenzen eines Einfallswinkels (102) für ein Spektrometer (400), wobei die Vorrichtung (100) ein fokussierendes Element (104) zum Fokussieren eines auf ein der Vorrichtung (100) nachgelagertes spektrales Element (402) einfallenden Lichts (116) auf einen Fokus (112), ein Blendenelement (108) und ein lenkendes Element (106) zum Lenken des innerhalb einer Blendenöffnung (110) des Blendenelements (108) fokussierten Lichts (116) aufweist, wobei das Blendenelement (108) im Bereich des Fokus (112) auf einer optischen Achse (114) zwischen dem fokussierenden Element (104) und dem lenkenden Element (106) angeordnet ist.Contraption ( 100 ) for limiting an angle of incidence ( 102 ) for a spectrometer ( 400 ), the device ( 100 ) a focusing element ( 104 ) for focusing on one of the devices ( 100 ) downstream spectral element ( 402 ) incident light ( 116 ) to a focus ( 112 ), an aperture element ( 108 ) and a guiding element ( 106 ) for steering the inside of an aperture ( 110 ) of the diaphragm element ( 108 ) focused light ( 116 ), wherein the diaphragm element ( 108 ) in the area of focus ( 112 ) on an optical axis ( 114 ) between the focusing element ( 104 ) and the guiding element ( 106 ) is arranged. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der das fokussierende Element (104) und/oder das lenkende Element (106) eine optische Linse ist.Contraption ( 100 ) according to claim 1, wherein the focusing element ( 104 ) and / or the directing element ( 106 ) is an optical lens. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das fokussierende Element (104) und/oder das lenkende Element (106) ein Spiegel ist.Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the focusing element ( 104 ) and / or the directing element ( 106 ) is a mirror. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, bei der das fokussierende Element (104) und/oder das lenkende Element (106) ein zumindest teilweise ein Abschnitt eines Hohlspiegels ist.Contraption ( 100 ) according to claim 3, wherein the focusing element ( 104 ) and / or the directing element ( 106 ) is at least partially a portion of a concave mirror. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das Blendenelement (108) eine Lochblende ist.Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the diaphragm element ( 108 ) is a pinhole. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Blendenelement (108) zumindest teilweise ein Lichtleiter (300) ist. Contraption ( 100 ) according to one of claims 1 to 4, in which the diaphragm element ( 108 ) at least partially a light guide ( 300 ). Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die optische Achse (114) quer zu dem einfallenden Licht (116) ausgerichtet ist.Contraption ( 100 ) according to one of the preceding claims, in which the optical axis ( 114 ) transverse to the incident light ( 116 ) is aligned. Spektrometer (400) mit einer Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) einem spektralen Element (402) des Spektrometers (400) und einem Fotodetektor (404) des Spektrometers (400) vorgelagert ist und das lenkende Element (106) ausgerichtet ist, um Licht auf das spektrale Element (402) zu lenken.Spectrometer ( 400 ) with a device ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the device ( 100 ) a spectral element ( 402 ) of the spectrometer ( 400 ) and a photodetector ( 404 ) of the spectrometer ( 400 ) and the directing element ( 106 ) is aligned to transmit light to the spectral element ( 402 ) to steer. Spektrometer (400) gemäß Anspruch 8, mit zumindest einer weiteren Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die weitere Vorrichtung (100) benachbart zu der Vorrichtung (100) angeordnet ist.Spectrometer ( 400 ) according to claim 8, with at least one further device ( 100 ) according to one of claims 1 to 7, wherein the further device ( 100 ) adjacent to the device ( 100 ) is arranged. Spektrometer (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Lichtquelle (406), insbesondere wobei die Lichtquelle (406) dazu ausgebildet ist, Licht im Wesentlichen entgegen einer Einfallsrichtung des fokussierenden Elements (104) für Licht zu emittieren. Spectrometer ( 400 ) according to one of the preceding claims, with a light source ( 406 ), in particular wherein the light source ( 406 ) is adapted to light substantially opposite to an incident direction of the focusing element ( 104 ) to emit light. Spektrometer (400) gemäß Anspruch 10, bei dem die Lichtquelle (406) und der Fotodetektor (404) auf einer Kontaktierungseinrichtung (600) angeordnet sind, insbesondere wobei die Kontaktierungseinrichtung (600) um die Vorrichtung (100) herumgebogen ist.Spectrometer ( 400 ) according to claim 10, wherein the light source ( 406 ) and the photodetector ( 404 ) on a contacting device ( 600 ) are arranged, in particular wherein the contacting device ( 600 ) around the device ( 100 ) is bent around. Verfahren (700) zum Betreiben einer Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche zum Begrenzen eines Einfallswinkels (102) für ein Spektrometer (400), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Fokussieren (701) eines auf das spektrale Element (402) des Spektrometers (400) einfallenden Lichts (116) auf einen Fokus (112) im Bereich eines Blendenelements (108); und Lenken (702) des innerhalb einer Blendenöffnung (110) des Blendenelements (108) fokussierten Lichts (116) auf ein spektrales Element (402) des Spektrometers (400).Procedure ( 700 ) for operating a device ( 100 ) according to one of the preceding claims for limiting an angle of incidence ( 102 ) for a spectrometer ( 400 ), the method comprising the following steps: focusing ( 701 ) one on the spectral element ( 402 ) of the spectrometer ( 400 ) incident light ( 116 ) to a focus ( 112 ) in the region of an aperture element ( 108 ); and steering ( 702 ) within a diaphragm aperture ( 110 ) of the diaphragm element ( 108 ) focused light ( 116 ) to a spectral element ( 402 ) of the spectrometer ( 400 ).
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