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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Bei einem Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) wird über eine Spaltweite zwischen zwei reflektierenden Flächen eine Resonanzwellenlänge des Interferometers eingestellt. Licht mit der Resonanzwellenlänge kann das Interferometer passieren. In diesem Sinne kann ein FPI als ein spektrales Filterelement angesehen werden. Zusätzlich zu der Resonanzwellenlänge können Harmonische das Interferometer passieren. Licht mit den Wellenlängen der Harmonischen fällt damit zusätzlich zu dem Licht mit der Resonanzwellenlänge auf einen dem Interferometer nachgeschalteten Detektor und verfälscht ein Intensitätssignal des Detektors, wenn man nur die Intensität des Lichts der Resonanzwellenlänge detektieren möchte.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrospektrometers, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, ein Mikrospektrometersystem sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Um eine Resonanzwellenlänge von ihren Harmonischen zu trennen, werden bei dem hier vorgestellten Ansatz die Harmonischen mit einer anderen Modulation als die Resonanzwellenlänge erzeugt. Dazu wird ein Objekt mit zumindest zwei unterschiedlichen und verschieden modulierten spektralen Intensitätsverteilungen eines einfallenden Lichts beleuchtet. Die am Filterelement wählbare Resonanzwellenlänge liegt innerhalb der ersten spektralen Intensitätsverteilung. Die resultierende erste Harmonische liegt in der zweiten spektralen Intensitätsverteilung. Am Detektor wird alles einfallende Licht detektiert. Das resultierende Signal weist verschieden modulierte Signalanteile auf, die durch eine Demodulation voneinander getrennt werden.
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Durch die Modulation und Demodulation können zwei oder mehr Wellenlängen mit einem Detektor gleichzeitig erfasst werden. Die Wellenlängen beziehungsweise Frequenzbänder der Harmonischen erweitern einen Messbereich des hier vorgestellten Mikrospektrometers.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrospektrometers vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
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Bestrahlen eines zu messenden Messobjekts mit einer ersten spektralen Intensitätsverteilung mit einer ersten Pulscharakteristik und zumindest einer zweiten spektralen Intensitätsverteilung mit einer zweiten Pulscharakteristik unter Verwendung einer modulierbaren Emittereinrichtung des Mikrospektrometers;
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Durchlassen eines der ersten spektralen Intensitätsverteilung zugeordneten ersten Wellenlängenbereichs und eines der zweiten spektralen Intensitätsverteilung zugeordneten zweiten Wellenlängenbereichs aus einer von dem Messobjekt reemittierten spektralen Reflexintensitätsverteilung unter Verwendung einer durchstimmbaren Filtereinrichtung des Mikrospektrometers; Abbilden einer Strahlungsintensität des ersten Wellenlängenbereichs und des zweiten Wellenlängenbereichs in einem Detektorsignal unter Verwendung einer Detektoreinrichtung des Mikrospektrometers; und
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Demodulieren des Detektorsignals unter Verwendung der ersten Pulscharakteristik und der zweiten Pulscharakteristik, um einen dem ersten Wellenlängenbereich zugeordneten ersten Intensitätswert und einen dem zweiten Wellenlängenbereich zugeordneten zweiten Intensitätswert zu erhalten.
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Unter einem Mikrospektrometer kann ein Gerät zum Erfassen einer spektralen Intensitätsverteilungs von Licht verstanden werden. Das Mikrospektrometer weist eine Emittereinrichtung auf, die eine erste bekannte spektrale Intensitätsverteilung und zumindest eine zweite bekannte spektrale Intensitätsverteilung mit unterschiedlicher Modulation emittiert. Eine Pulscharakteristik kann ein Intensitätsverlauf, beispielsweise eine Modulationsfrequenz, oder ein Modulationsrhythmus sein. Eine Filtereinrichtung kann ein Fabry-Pérot-Interferometer sein. Eine Detektoreinrichtung kann ein fotoelektrisches Element aufweisen und ein elektrisches Detektorsignal bereitstellen. Unter einer spektralen Reflexintensitätsverteilung kann eine spektrale Intensitätsverteilung verstanden werden, die von einem Objekt reflektiert wurde.
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Die erste spektrale Intensitätsverteilung kann um einen Wellenlängenbetrag gegenüber der zweiten spektralen Intensitätsverteilung versetzt emittiert werden. Die zweite spektrale Intensitätsverteilung kann gegenüber der ersten spektralen Intensitätsverteilung verschoben sein. Beispielsweise kann die zweite spektrale Intensitätsverteilung zu kürzeren Wellenlängen verschoben sein. Durch versetzte spektrale Intensitätsverteilungen kann der erste Wellenlängenbereich Teil der ersten spektralen Intensitätsverteilung sein, während der zweite Wellenlängenbereich Teil der zweiten spektralen Intensitätsverteilung ist.
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Die erste spektrale Intensitätsverteilung und die zweite spektrale Intensitätsverteilung können teilweise überlappend emittiert werden. Die Spektren können teilweise die gleichen Wellenlängen umfassen. Durch ein Überlappen kann eine Lücke zwischen den Spektren vermieden werden.
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Als der erste Wellenlängenbereich kann ein Bereich um eine eingestellte Grundwellenlänge durch die Filtereinrichtung gelassen werden. Als der zweite Wellenlängenbereich kann ein Bereich um eine Oberwellenlänge der Grundwellenlänge durch die Filtereinrichtung gelassen werden. Die Grundwellenlänge und die Oberwellenlänge können die gleiche Spaltweite des Filterelements passieren. Dadurch ist zum Erfassen von zwei Wellenlängen nur ein Filter erforderlich.
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Die Filtereinrichtung kann durchgestimmt werden, um den ersten Wellenlängenbereich und den zweiten Wellenlängenbereich zeitlich zu verändern. Im Schritt des Demodulierens können eine erste zeitliche Abfolge erster Intensitätswerte und eine zweite Abfolge zweiter Intensitätswerte aufgezeichnet werden. Die Wellenlängenbereiche können innerhalb eines Verstellbereichs der Filtereinrichtung verstellt werden. Das Durchstimmen kann als Scannen bezeichnet werden. Beim Durchstimmen kann ein Teil oder der ganze Verstellbereich der Filtereinrichtung verwendet werden.
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Das Messobjekt kann mit zumindest einer weiteren spektralen Intensitätsverteilung mit einer weiteren Pulscharakteristik bestrahlt werden. Ein weiterer der weiteren spektralen Intensitätsverteilung zugeordneter Wellenlängenbereich kann aus der reemittierten spektralen Reflexintensitätsverteilung durchgelassen werden. Die Strahlungsintensität des weiteren Wellenlängenbereichs kann in dem Detektorsignal abgebildet werden. Das Detektorsignal kann ferner unter Verwendung der weiteren Pulscharakteristik demoduliert werden, um einen dem weiteren Wellenlängenbereich zugeordneten weiteren Intensitätswert zu erhalten. Durch weitere Spektren und weitere Pulscharakteristiken können mehrere Wellenlängenbereiche gleichzeitig erfasst werden.
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Die weitere spektrale Intensitätsverteilung kann zwischen der ersten spektralen Intensitätsverteilung und der zweiten spektralen Intensitätsverteilung emittiert werden. Die weitere spektrale Intensitätsverteilung kann in einer Lücke zwischen den Spektren emittiert werden. Durch die zwischenliegende spektrale Intensitätsverteilung kann ein großer Erfassungsbereich des Mikrospektrometers erreicht werden.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Weiterhin wird ein Mikrospektrometer mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
- einer modulierbaren Emittereinrichtung, die auf einen Probenort ausgerichtet ist, und dazu ausgebildet ist, eine erste spektrale Intensitätsverteilung mit einer ersten Pulscharakteristik und zumindest eine zweite spektrale Intensitätsverteilung mit einer zweiten Pulscharakteristik am Probenort bereitzustellen;
- einer durchstimmbaren Filtereinrichtung, die nach dem Probenort in einem optischen Pfad des Mikrospektrometers angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, eine der ersten spektralen Intensitätsverteilung zugeordneten ersten Wellenlängenbereich und einen der zweiten spektralen Intensitätsverteilung zugeordneten zweiten Wellenlängenbereichs aus einer aus Richtung des Probenorts reemittierten spektralen Reflexintensitätsverteilung durchzulassen; und
- einer Detektoreinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Intensität von aus Richtung der Filtereinrichtung einfallenden Lichts in einem Intensitätssignal abzubilden.
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Die Emittereinrichtung kann eine erste Lichtquelle für die erste spektrale Intensitätsverteilung und eine zweite Lichtquelle für die zweite spektrale Intensitätsverteilung aufweisen. Alternativ kann die Emittereinrichtung eine breitbandige Lichtquelle für die erste spektrale Intensitätsverteilung und die zweite spektrale Intensitätsverteilung aufweisen.
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Die Emittereinrichtung kann ein erstes Filterelement für die erste spektrale Intensitätsverteilung und alternativ oder ergänzend ein zweites Filterelement für die zweite spektrale Intensitätsverteilung aufweisen. Ein Filterelement kann ein Bandpassfilter sein. Die spektrale Intensitätsverteilung kann in dem Transmissionsband des Bandpassfilters liegen.
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Die Emittereinrichtung kann ein erstes Verschlusselement für die erste spektrale Intensitätsverteilung und alternativ oder ergänzend ein zweites Verschlusselement für die zweite spektrale Intensitätsverteilung aufweisen. Ein Verschlusselement ist dazu ausgebildet, kontinuierlich ausgestrahltes Licht zu unterbrechen und ihm die Pulscharakteristik aufzuprägen.
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Ferner wird ein Mikrospektrometersystem mit einem Mikrospektrometer gemäß dem hier vorgestellten Ansatz und einem Steuergerät zum Betreiben des Mikrospektrometers vorgestellt, wobei das Steuergerät eine Demodulationseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Detektorsignal unter Verwendung der ersten Pulscharakteristik und der zweiten Pulscharakteristik zu demodulieren, um einen dem ersten Wellenlängenbereich zugeordneten ersten Intensitätswert und einen dem zweiten Wellenlängenbereich zugeordneten zweiten Intensitätswert zu erhalten.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Blockschaltbild eines Mikrospektrometersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Darstellung eines Mikrospektrometersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine Darstellung einer emittierten ersten spektralen Intensitätsverteilung und einer emittierten zweiten spektralen Intensitätsverteilung sowie zweier Durchlasswellenbereiche gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine Darstellung einer emittierten ersten, zweiten und dritten spektralen Intensitätsverteilung sowie zweier Durchlasswellenbereiche gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine Darstellung einer überlappend emittierten ersten und zweiten spektralen Intensitätsverteilung sowie zweier Durchlasswellenbereiche gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine weitere Darstellung einer überlappend emittierten ersten und zweiten spektralen Intensitätsverteilung sowie zweier Durchlasswellenbereiche gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Mikrospektrometersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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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.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Mikrospektrometersystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Mikrospektrometersystem 100 weist ein Mikrospektrometer 102 und ein Steuergerät 104 zum Betreiben des Mikrospektrometers 102 auf. Das Mikrospektrometer 102 weist eine Emittereinrichtung 106, eine Filtereinrichtung 108 und eine Detektoreinrichtung 110 auf. Das Steuergerät 104 weist eine Ansteuereinrichtung 112 und eine Demodulationseinrichtung 114 auf. Die Ansteuereinrichtung 112 steuert die Emittereinrichtung 106 über ein Modulationssignal 116 an. Das Modulationssignal 116 bestimmt eine erste Pulscharakteristik 118 einer ersten von der Emittereinrichtung 106 emittierten spektralen Intensitätsverteilung 120 (Spektrum) und zumindest eine zweite Pulscharakteristik 122 einer zweiten von der Emittereinrichtung 106 emittierten spektralen Intensitätsverteilung 124. Die erste spektrale Intensitätsverteilung 120 und die zweite spektrale Intensitätsverteilung 124 weisen unterschiedliche Wellenlängen auf. Die Emittereinrichtung 106 emittiert die erste spektrale Intensitätsverteilung 120 mit der ersten Pulscharakteristik 118 und die zweite spektrale Intensitätsverteilung 124 mit der zweiten Pulscharakteristik 122 auf einen optischen Pfad 126 des Mikrospektrometers 102 in Richtung eines an einem Probenort 128 angeordneten Messobjekts 130.
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Ein Material des Messobjekts 130 wechselwirkt mit der ersten spektralen Intensitätsverteilung 120 und der zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124 und es wird auf dem optischen Pfad 126 eine spektrale Reflexintensitätsverteilung 132 von dem Messobjekt 132 zu dem Mikrospektrometer 102 reemittiert. Die Wellenlängen der spektralen Reflexintensitätsverteilung 132 sind abhängig von einer Zusammensetzung des Materials und den einfallenden Intensitätsverteilungen 120 und 124.
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Die Filtereinrichtung 108 ist im optischen Pfad 126 zwischen dem Probenort 128 und der Detektoreinrichtung 110 angeordnet. Die Filtereinrichtung 108 ist hier ein Fabry-Pérot-Interferometer 108. Das Fabry-Pérot-Interferometer 108 weist zwei einander gegenüberliegende reflektierende Flächen auf. Diese können zum Beispiel als dielektrische Bragg-Spiegel ausgebildet sein. Sie können auch metallische Schichten enthalten. Zwischen den Flächen ist ein Spalt. Eine Spaltweite des Spalts ist einstellbar. Die Spaltweite definiert eine Resonanzwellenlänge des Fabry-Pérot-Interferometers 108. Licht in einem ersten Wellenlängenbereich 134 um die Resonanzwellenlänge kann das Fabry-Perot-Interferometer 108 im Wesentlichen ungedämpft passieren. Auch Harmonische der Resonanzwellenlänge erfüllen die Transmissionsbedingung des Fabry-Perot-Interferometers 108. Daher kann zumindest ein zweiter Wellenlängenbereich 136 um eine Harmonische der Resonanzwellenlänge das Fabry-Pérot-Interferometer 108 ebenfalls im Wesentlichen ungedämpft passieren.
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Die erste spektrale Intensitätsverteilung 120 ist so gewählt, dass ein Umfang der am Filterelement 108 einstellbaren Resonanzwellenlängen im Wesentlichen abgedeckt wird. Der erste Wellenlängenbereich 134 ist damit Bestandteil der ersten spektralen Intensitätsverteilungs 120. Die zweite spektrale Intensitätsverteilung ist so gewählt, dass ein Umfang der am Filterelement 108 einstellbaren Harmonischen im Wesentlichen abgedeckt wird. Der zweite Wellenlängenbereich 136 ist damit Bestandteil der zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124. Daher weist durch das Filterelement 108 transmittierte Strahlung innerhalb des ersten Wellenlängenbereiches 134 die erste Pulscharakteristik 118 auf, während durch das Filterelement 108 transmittierte Strahlung innerhalb des zweiten Wellenlängenbereiches 136 die zweite Pulscharakteristik 124 aufweist.
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Die Strahlung aus dem ersten Wellenlängenbereich 134 und dem zweiten Wellenlängenbereich 136 trifft auf die Detektoreinrichtung 110. Die Detektoreinrichtung 110 bildet eine Intensität der einfallenden Strahlung beziehungsweise des Lichts beider Wellenlängenbereiche 134, 136 in einem Detektorsignal 138 ab.
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Das Detektorsignal wird von der Demodulationseinrichtung 114 eingelesen und unter Verwendung der in dem Modulationssignal 116 enthaltenen Informationen über die erste Pulscharakteristik 118 und die zweite Pulscharakteristik 122 demoduliert. Das Ergebnis der Demodulation ist ein eine Strahlungsintensität des ersten Wellenlängenbereichs 120 abbildender erster Intensitätswert 140 und ein die Strahlungsintensität des zweiten Wellenlängenbereichs 136 abbildender zweiter Intensitätswert 142.
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In einem Ausführungsbeispiel weist die Emittereinrichtung 106 eine breitbandige Lichtquelle auf. Einr spektrale Intensitätsverteilung der Lichtquelle umfasst die erste spektrale Intensitätsverteilung 120 und die zweite spektrale Intensitätsverteilung 124. Die Lichtquelle emittiert Licht ohne Pulscharakteristik. Das Licht der Lichtquelle wird durch zwei interschiedliche Filtereinrichtungen geleitet. Aus der ersten Filtereinrichtung wird die erste spektrale Intensitätsverteilung 120 auf das Messobjekt 130 emittiert. Aus der zweiten Filtereinrichtung wird die zweite spektrale Intensitätsverteilung 124 auf das Messobjekt 130 emittiert.
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Die Filtereinrichtungen können beispielsweise Bandpassfilter sein, die aus der spektralen Intensitätsverteilung der Lichtquelle Randbereiche entfernen.
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In dem optischen Pfad 126 durch die erste Filtereinrichtung ist eine erste Unterbrechereinrichtung angeordnet, die der ersten spektralen Intensitätsverteilung 120 die erste Pulscharakteristik 118 aufprägt. In dem optischen Pfad 126 durch die zweite Filtereinrichtung ist eine zweite Unterbrechereinrichtung angeordnet, die der zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124 die zweite Pulscharakteristik 122 aufprägt.
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Die Unterbrechereinrichtungen können beispielsweise elektromechanische Verschlüsse sein. Um schnellere Schaltzeiten zu erreichen, können die Unterbrechereinrichtungen als Flüssigkristall-Shutter ausgeführt sein.
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2 zeigt eine Darstellung eines Mikrospektrometersystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Mikrospektrometersystem 100 entspricht im Wesentlichen dem Mikrospektrometersystem in 1. Die Emittereinrichtung 106 weist hier zwei separat ansteuerbare Lichtquellen 200, 202 auf. Die erste Lichtquelle 200 emittiert die erste spektrale Intensitätsverteilung 120 und wird mit der ersten Pulscharakteristik 118 angesteuert. Die zweite Lichtquelle 202 emittiert die zweite spektrale Intensitätsverteilung 124 und wird mit der zweiten Pulscharakteristik 122 angesteuert. Hier werden die Lichtquellen 200, 202 mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen 118, 122 angesteuert.
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Die Lichtquellen 200, 202 können dabei beispielsweise LED-Lichtquellen, LED-Lichtquellen mit einem Phosphor, Laserlichtquellen, Leuchtstofflichtquellen und/oder Glühlichtquellen sein.
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Mit anderen Worten wird ein Mikrospektrometermodul 102 auf Basis eines durchstimmbaren Fabry-Perot-Interferometers 108 mit mehreren modulierten Lichtquellen 200, 202 vorgestellt.
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Das hier vorgestellte miniaturisierte Spektrometer 102 ist dazu ausgebildet, je nach Anwendung Spektren 120, 124 im ultravioletten, sichtbaren, nahinfraroten und/oder mittleren infraroten Bereich aufzunehmen. Das Mikrospektrometer 102 ist insbesondere zum Einbau in Handheldgeräte, wie beispielsweise ein Smartphone zur chemischen Analyse geeignet.
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Fabry-Perot-Interferometer (FPIs) 108 können als durchstimmbare Interferometer 108 realisiert werden, bei denen die gewünschte Durchlasswellenlänge über den Abstand der Spiegelschichten eingestellt werden kann. Dabei können für einen gewissen Abstand der Spiegelschichten nicht nur die Grundmode, bei der die Wellenlänge gleich dem halben Spiegelabstand ist, sondern auch höhere Harmonische transmittiert werden. Die Harmonischen sind kürzere Wellenlängen und können als höhere Interferenzordnungen bezeichnet werden, die ebenfalls der Interferenzbedingung genügen.
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Zur Nutzung als eindeutiges Wellenlängenfilter kann bei einem konventionellen Interferometer ein Bandpassvorfilter verwendet werden, der den transmittierten Wellenlängenbereich auf den Abstand zweier benachbarter Ordnungen beschränkt. Der Abstand kann als Free Spectral Range (FSR) bezeichnet werden. Dies bedeutet also eine Einschränkung des Wellenlängenbereichs, den ein konventionelles durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer messen kann.
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Eine Möglichkeit zwei Ordnungen simultan zu nutzen besteht darin, einen dichroitischen Spiegel nach dem Fabry-Pérot-Interferometer zu verwenden, dessen Umschaltwellenlänge zwischen zwei Ordnungen liegt und somit das Signal zweier Ordnungen auf verschiedene Detektoren bringen kann. Der dichroitische Spiegel wird unter einem Winkel von 45° eingebaut und führt zu einer zusätzlichen Bauhöhe in Höhe des Aperturdurchmessers. Für miniaturisierte Spektrometer für den Einbau in Consumer Electronic Devices ist diese zusätzliche Bauhöhe problematisch. Weiterhin wird ein zweiter Detektor benötigt, der je nach Wellenlängenbereich zu stark erhöhten Kosten führt.
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Der hier vorgestellte Ansatz zeigt eine Möglichkeit auf, unter Verwendung gepulster Lichtquellen 200, 202 mit unterschiedlichen Spektralbereichen 120, 124 und Modulationsfrequenzen 118, 122 den nutzbaren Spektralbereich eines Fabry-Pérot-Interferometers 108, wie es in einem Mikrospektrometermodul 102 mit integrierter Lichtquelle zum Einsatz kommen kann, zu erhöhen. Dabei kommt trotzdem nur ein einziger Detektor 110 zum Einsatz und es gibt keine Einbußen bei der Bauhöhe.
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Beispielsweise werden gesonderte Lichtquellen 200, 202 verwendet, die jeweils auf den Durchstimmbereich einzelner Ordnungen abgestimmt sind. Dabei kann die Lichtquelle 200, 202 an sich abgestimmt sein. Ebenso können beispielsweise zusätzliche Kantenfilter verwendet werden. Die Lichtquellen 200, 202 werden mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen 118, 122 moduliert. Dadurch können am Detektorsignal 138 im Nachhinein die Beiträge der einzelnen Ordnungen mittels derer Frequenz 118, 122 demoduliert werden und so voneinander getrennt werden.
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Theoretisch können so beliebig viele Ordnungen eines Fabry-Perot-Interferometers 108 gleichzeitig gemessen werden, solange für jede Ordnung eine separat ansteuerbare/pulsbare Lichtquelle 200, 202 vorhanden ist, deren spektrale Intensitätsverteilung 120, 124 auf den spektral durchstimmbaren Bereich dieser Ordnung beschränkt ist und solange die deren spektrale Intensitätsverteilung innerhalb des spektralen Bereiches liegt, innerhalb dessen die reflektierenden Flächen des FPIs einen genügend hohen Reflexionskoeffizienten besitzen.
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Außer den zusätzlichen Lichtquellen 200, 202 werden keine weiteren teuren Komponenten, wie zusätzliche Detektoren, benötigt. Dadurch wird im Filter-Detektor-Pfad keine zusätzliche Bauhöhe generiert.
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Die Auslegung des Fabry-Perot-Interferometers 108 kann flexibler erfolgen, da die Nutzung mehrerer Interferenzordnungen es auch erlaubt, das Fabry-Perot-Interferometer in höherer Ordnung zu betreiben und trotzdem über einen akzeptablen Wellenlängenbereich zu messen. Für höhere Ordnungen ist die Auflösung des Fabry-Perot-Interferometers 108 besser. Dadurch kann die Auflösung erhöht werden, ohne Free Spectral Range (FSR) einzubüßen.
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In 2 ist die prinzipielle Funktionsweise gezeigt. Das Mikrospektrometermodul 102 besteht aus mehreren Lichtquellen 200, 202, dem Fabry-Perot-Interferometer 108 und einem Detektor 110. Die Lichtquellen 200, 202 können je nach gewünschtem Wellenlängenbereich 120, 124 beispielsweise LEDs, LEDs mit Phosphor oder Glühlichtquellen sein. Hier sind zwei Lichtquellen 200, 202 dargestellt. Bei geeigneter Wahl der Lichtquellen 200, 202, können jedoch auch noch mehr Lichtquellen verwendet werden.
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Das Fabry-Perot-Interferometer 108 besteht aus zwei hochreflektiven Schichten. Dies können dielektrische Bragg-Reflektoren, dünne Metallschichten oder Kombinationen davon sein. Der Abstand der Schichten kann durchgestimmt werden. Dies kann typischerweise elektrostatisch oder piezoelektrisch geschehen.
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Der Detektor 110 ist ein Einzeldetektor, der je nach verwendetem Wellenlängenbereich beispielsweise ein Siliziumdetektor, ein Germaniumdetektor, ein InGaAs-Detektor und/oder ein extended-InGaAs-Detektor sein kann.
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In einem typischen Anwendungsfall des Mikrospektrometermoduls 102 wird ein Messobjekt 130 mittels der Lichtquellen 200, 202 beleuchtet und das diffus gestreute Licht 132 mittels der Fabry-Perot-Interferometer 108 und Detektorkombination auf seine spektrale Zusammensetzung untersucht. Typischerweise besitzt das Fabry-Perot-Interferometer 108 noch zusätzliche Blenden und/oder Blockungsfilter, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
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Das Fabry-Perot-Interferometer 108 weist zwei benachbarte Interferenzordnungen auf, die jeweils eine Free Spectral Range (FSR) besitzen. Die Spektren 120, 124 der Lichtquellen 200, 202 sind so gewählt, dass diese sich jeweils nur über eine der beiden Free Spectral Ranges (FSRs) erstreckt. Falls keine Lichtquelle mit entsprechenden spektralen Intensitätsverteilungen 120, 124 zur Verfügung steht, können auch mittels separaten Blockungsfiltern über den Lichtquellen 200, 202 die entsprechenden spektralen Intensitätsverteilungen 120, 124 erzeugt werden. Die Lichtquellen 200, 202 werden zusätzlich mit verschiedenen Modulationsfrequenzen 118, 122 gepulst betrieben.
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Das Fabry-Perot-Interferometer 108 lässt stets sowohl den Peak der einer ersten Transmissionsordnung als auch der nächsthöheren Transmissionsordnung durch, sodass das Summensignal den Detektor 110 erreicht. Die jeweils niedrigeren Ordnungen sollten dann durch einen Kurzpassfilter blockiert werden. Wegen der unterschiedlichen Modulationsfrequenzen 118, 122 der Lichtquellen 200, 202 treten die entsprechenden Signale der ersten Ordnung und nächsthöheren Ordnung jedoch mit den jeweiligen Frequenzen 118, 122 am Detektor 110 auf und können mittels Demodulation voneinander getrennt werden. Dadurch können mit einem Detektor 110 zumindest zwei Interferenzordnungen simultan vermessen werden.
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In einem Ausführungsbeispiel wird anstelle zweier schmalbandiger gepulster Lichtquellen 200, 202 eine breitbandige ungepulste Lichtquelle verwendet, die mittels zweier paralleler Bandpassfilter in die beiden spektralen zur ersten Ordnung und zweiten Ordnung zugehörigen Intervalle 120, 124 zerlegt wird. Zusätzlich befindet sich vor jedem Bandpassfilter ein ansteuerbarer Shutter. Die beiden Shutter werden mit einer voneinander verschiedenen Frequenz 118, 120 getrieben und führen so zum Pulsen der Lichtquelle. Diese Ausführungsform ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die zusätzliche Leistung für eine zweite separate Lichtquelle 202 nicht zur Verfügung gestellt werden kann oder wenn die Lichtquelle nicht mit einer adäquat hohen Frequenz moduliert werden kann.
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3 zeigt eine Darstellung einer emittierten ersten spektralen Intensitätsverteilung 120 und einer emittierten zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Spektren 120, 124 werden beispielsweise durch eine Emittereinrichtung, wie in den 1 und 2 bereitgestellt. Die Spektren 120, 124 sind in einem Diagramm dargestellt, das auf seiner Abszisse eine Wellenlänge und auf seiner Ordinate eine Intensität angetragen hat. Die zweite spektrale Intensitätsverteilung 124 weist kürzere Wellenlängen auf, als die erste spektrale Intensitätsverteilung 120. Zwischen der ersten spektralen Intensitätsverteilung 120 und der zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124 liegt eine Lücke 300. Die Spektren 120, 124 überlappen sich nicht oder nur unwesentlich. Durch die Lücke 300 sind die Spektren 120, 124 klar getrennt.
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Weiterhin ist in 3 der bei einer mittleren Spaltweite durch die Filtereinrichtung gelassene erste Wellenlängenbereich 134 und der bei der mittleren Spaltweite durch die Filtereinrichtung gelassene zweite Wellenlängenbereich 136 dargestellt. Der erste Wellenlängenbereich 134 liegt in der ersten spektralen Intensitätsverteilung 120. Der zweite Wellenlängenbereich 136 liegt in der zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124. Der erste Wellenlängenbereich 134 ist um eine der Spaltweite zugeordneten Resonanzwellenlänge zentriert. Der zweite Wellenlängenbereich 136 ist um eine der Spaltweite zugeordneten Harmonische zentriert.
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Das Fabry-Pérot-Interferometer der Filtereinrichtung weist einen Verstellbereich 302 für die Spaltweite auf, der die erste spektrale Intensitätsverteilung 120 beziehungsweise die zweite spektrale Intensitätsverteilung 124 umfasst. Der Verstellbereich 302 kann als Free Spectral Range (FSR) bezeichnet werden. Eine Grenze des Verstellbereichs 302 liegt in der Lücke 300.
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4 zeigt eine Darstellung einer emittierten ersten spektralen Intensitätsverteilung 120, zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124 und dritten spektralen Intensitätsverteilung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 3. Der erste Wellenlängenbereich 134 und der zweite Wellenlängenbereich 136 sind hier durch eine große Spaltweite des Interferometers am oberen Rand des Verstellbereichs 302 angeordnet. Der zweite Wellenlängenbereich 136 liegt im Wesentlichen in der Lücke 300 und damit außerhalb der ersten spektralen Intensitätsverteilung 120 und der zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124. Hier wird von der Emittereinrichtung die dritte spektrale Intensitätsverteilung 400 zusätzlich mit einer dritten Pulscharakteristik emittiert. Die dritte spektrale Intensitätsverteilung 400 füllt die Lücke 300 zwischen der ersten spektralen Intensitätsverteilung 120 und der zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124. Die dritte spektrale Intensitätsverteilung 400 überlappt beide Spektren 120, 124 teilweise. Durch die Lage in der dritten spektralen Intensitätsverteilung 400 weist der zweite Wellenlängenbereich 136 die dritte Pulscharakteristik auf. Der erste Wellenlängenbereich 134 kann hier noch erfasst werden, da er noch innerhalb der ersten spektralen Intensitätsverteilung 120 angeordnet ist.
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In dem in 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel fällt die messbare Intensität der Lichtquellen zwischen den beiden Free Spectral Ranges (FSRs) der beiden Ordnungen bis auf null ab. Falls in diesem spektralen Bereich Informationen über die mit dem Mikrospektrometer zu vermessende Probe liegen, können sie nicht erfasst werden.
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Um den Überlappungsbereich 300 zweier Ordnungen abzudecken, und die Informationen zu erfassen weist das Mikrospektrometer in einem Ausführungsbeispiel eine dritte Lichtquelle mit einer dritten Modulationsfrequenz auf. Ebenso kann ein dritter Bandpassfilter mit einem dritten Shutter verwendet werden. Die spektrale Intensitätsverteilung 400 der dritten Lichtquelle befindet sich gerade im spektralen Bereich 300 zwischen den Spektren 120, 124 der ersten Lichtquelle und zweiten Lichtquelle. Die dritte Lichtquelle führt dann am Detektor zu einem Signal mit der dritten Modulationsfrequenz, welches wieder mittels Demodulation von den Signalen der ersten und zweiten Lichtquellen getrennt wird.
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Die 5 und 6 zeigen Darstellungen einer überlappend emittierten ersten spektralen Intensitätsverteilung 120 und zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 3. Im Gegensatz dazu ergibt sich durch das Überlappen der Spektren 120, 124 ein Überlappungsbereich 500. Wenn der erste Wellenlängenbereich 134 oder der zweite Wellenlängenbereich 136 im Bereich des Überlappungsbereichs 500 liegt, werden sowohl die erste Pulscharakteristik als auch die zweite Pulscharakteristik in dem Detektorsignal abgebildet.
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Hier ist der Verstellbereich 302 der Filtereinrichtung so gewählt, dass der Überlappungsbereich 500 durch die Resonanzwellenlänge abgedeckt ist, also nur der erste Wellenlängenbereich 134 im Überlappungsbereich 500 liegen kann.
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In 5 liegt der erste Wellenlängenbereich 134 im Bereich des Überlappungsbereichs 500, während der zweite Wellenlängenbereich 136 außerhalb der zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124 liegt. Damit ergibt sich durch den zweiten Wellenlängenbereich 136 kein Signal am Detektor. Durch den ersten Wellenlängenbereich 134 ergibt sich ein Mischsignal am Detektor, das beide Pulscharakteristiken aufweist.
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In 6 liegt der erste Wellenlängenbereich 134 in einem ersten Bereich 600 ausschließlich der ersten spektralen Intensitätsverteilung 120. Der zweite Wellenlängenbereich 136 liegt in einem Bereich 602 ausschließlich der zweiten spektralen Intensitätsverteilung 124. Damit ergeben sich am Detektor zwei unterschiedliche Strahlungsintensitäten mit unterschiedlichen Pulscharakteristiken, die im Demodulator getrennt werden.
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In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel werden nur zwei Lichtquellen verwendet, deren spektrale Emissionsbereiche 120, 124 überlappen. Beim Durchstimmen des Fabry-Perot-Interferometers können dann zwei Fälle unterschieden werden.
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Wenn sich ein Transmissionspeak 134 des Fabry-Pérot-Interferometers im Überlappbereich 500 befindet, tragen beide Lichtquellen auf deren jeweiliger Frequenz zum Signal am Detektor bei. Das Signal aus dem Überlappbereich 500 wird somit redundant gemessen. Bei der Wahl der Bandbreite der Lichtquellen ist hier darauf zu achten, dass die nächsthöhere und nächstniedrigere Transmissionsordnung des Fabry-Perot-Interferometers außerhalb der Lichtquellenspektren 120, 124 liegt.
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Sobald der Transmissionspeak 134 den Übergangsbereich 500 verlässt, funktioniert das hier beschriebene Ausführungsbeispiel exakt wie die anderen Ausführungsbeispiele. Die absolute durchstimmbare Bandbreite des Fabry-Perot-Interferometers ist leicht verringert.
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Mit anderen Worten können die Lichtquellen auch so gewählt sein, dass die spektralen Emissionsbereiche 120, 124 überlappen. In diesem Fall wird das Signal aus dem Überlappbereich redundant aufgenommen. Dies resultiert in einer reduzierten Bandbreite.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann nicht nur für ein durchstimmbares Fabry-Perot-Filter zur Separation aufeinanderfolgender Ordnungen verwendet werden, sondern auch für statische linear variable Fabry-Pérot-Filter in Kombination mit einem Detektorarray.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Betreiben eines Mikrospektrometersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 weist einen Schritt 702 des Bestrahlens, einen Schritt 704 des Durchlassens, einen Schritt 706 des Abbildens und einen Schritt 708 des Demodulierens auf. Im Schritt 702 des Bestrahlens wird ein zu messendes Messobjekt mit einer ersten spektralen Intensitätsverteilung mit einer ersten Pulscharakteristik und zumindest einer zweiten spektralen Intensitätsverteilung mit einer zweiten Pulscharakteristik unter Verwendung einer modulierbaren Emittereinrichtung des Mikrospektrometers bestrahlt. Im Schritt 704 des Durchlassens werden ein der ersten spektralen Intensitätsverteilung zugeordneter erster Wellenlängenbereich und ein der zweiten spektralen Intensitätsverteilung zugeordneter zweiter Wellenlängenbereich aus einer von dem Messobjekt reemittierten spektralen Reflexintensitätsverteilung unter Verwendung einer durchstimmbaren Filtereinrichtung des Mikrospektrometers durchgelassen. Im Schritt 706 des Abbildens werden eine Strahlungsintensität des ersten Wellenlängenbereichs und eine Strahlungsintensität des zweiten Wellenlängenbereichs in einem Detektorsignal unter Verwendung einer Detektoreinrichtung des Mikrospektrometers abgebildet. Im Schritt 708 des Demodulierens wird das Detektorsignal unter Verwendung der ersten Pulscharakteristik und der zweiten Pulscharakteristik demoduliert, um einen dem ersten Wellenlängenbereich zugeordneten ersten Intensitätswert und einen dem zweiten Wellenlängenbereich zugeordneten zweiten Intensitätswert zu erhalten.
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Der Schritt 702 des Bestrahlens kann unter Verwendung eines Modulationssignals angesteuert werden. Die Emittereinrichtung wird durch das Modulationssignal dazu angesteuert, die erste spektrale Intensitätsverteilung mit der ersten Pulsfrequenz und zumindest die zweite spektrale Intensitätsverteilung mit der zweiten Pulsfrequenz an einem Probenort für das Messobjekt des Mikrospektrometers bereitzustellen. Im Schritt 708 des Demodulierens kann das von der Detektoreinrichtung des Mikrospektrometers bereitgestellte Intensitätssignal unter Verwendung des Modulationssignals demoduliert werden, um die Intensitätswerte zu trennen.
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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.
