DE102017200618A1

DE102017200618A1 - Miniaturspektrometer und Verfahren eingerichtet zur spektralen Analyse eines Objekts

Info

Publication number: DE102017200618A1
Application number: DE102017200618.8A
Authority: DE
Inventors: Robert Weiss; Martin Husnik; Eugen Baumgart; Christian Huber; Benedikt STEIN
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2018-07-19
Also published as: WO2018134099A1; CN110168414A

Abstract

Die Erfindung betrifft Miniaturspektrometer (1000), umfassend- eine Detektionseinheit (3), welche zur Bestimmung einer optischen Größe einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist,- eine optische Einheit (1), welche ein Savart-Element (1') umfasst, wobei das Savart-Element (1') einen Polarisator, ein erstes doppelbrechendes Element und ein zweites doppelbrechendes Element und einen Analysator umfasst, und- ein optisches Abbildungssystem (2), welches im Strahlengang zwischen der optischen Einheit (1) und der Detektionseinheit (3) angeordnet ist, wobei das optische Abbildungssystem (2) dazu eingerichtet ist, von der optischen Einheit (1) kommende elektromagnetische Strahlung (103', 103") auf die Detektionseinheit (3) abzubilden,wobei das optische Abbildungssystem (2) ein Multiapertur-Objektiv (22) umfasst, wobei das Multiapertur-Objektiv (22) mehrere optische Abbildungskanäle umfasst.

Description

Stand der Technik
In US 9316539 B1 ist ein statisches Fourier-Transformationsspektrometer beschrieben. Es umfasst einen Diffusor, eine Anordnung, umfassend doppelbrechende Kristalle und Polarisatoren, die unterschiedliche Gangunterschiede generiert, sowie eine Sammellinse, die Strahlen mit gleichem Gangunterschied auf einen Punkt eines Detektorarrays fokussiert. Das Interferogramm, welches am Detektor entsteht wird fouriertransformiert.
In WO 2011/093794 A1 ist ein Abbildungssystem, welches ein Savart-Polariskop für die Erzeugung von Interferenzstreifen umfasst, gezeigt.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Miniaturspektrometer und ein Verfahren eingerichtet zur spektralen Analyse eines Objekts.
Für das Erzeugen des Interferogramms können beispielsweise sogenannte Einzelapertur-Objektive bzw. Smartphone-Kameras verwendet werden. Einzelapertur-Objektive bezeichnen klassische Objektivsysteme mit einer einzelnen Öffnung, das heißt einer Apertur, durch die Licht eindringt. Allgemein ist der maximale Durchmesser eines Lichtbündels und somit die maximale Lichtleistung, die ein solches Einzelapertur-Objektiv einsammeln kann, durch die Eintrittspupille des Einzelapertur-Objektivs definiert. Die Eintrittspupille ist eine reelle oder virtuelle Öffnung, welche die in ein optisches System einfallenden Strahlenbündel begrenzt. Die Eintrittspupille kann als Bild der Aperturblende entstehen, indem diese von den vor ihr liegenden Elementen, wie beispielsweise Linsen oder Spiegel, in den Objektraum abgebildet wird. Umfasst das Einzelapertur-Objektiv eine Einzellinse, wie dies beispielsweise in WO 2011/093794 A1 gezeigt ist, so ist die Eintrittspupille gleich dem mechanischen Durchmesser der Linse. Je kleiner der mechanische Durchmesser, desto weniger Lichtleistung kann die Eintrittspupille passieren.
Mit Hilfe eines Savart-Elements und eines abbildenden Elements, wie beispielsweise einer Linse, kann ein Interferogramm eines Objekts aufgenommen werden. Das Interferogramm kann mittels einer Fouriertransformation in das Spektrum der von diesem Objekt ausgesandten elektromagnetischen Strahlung transformiert werden. Das Prinzip eines Spektrometers auf Basis eines Savart-Elements beruht darauf, dass ein von dem Objekt herrührender Lichtstrahl in zwei Strahlen mit vorzugsweise gleicher Intensität aufgespalten wird und einer der beiden Strahlen getrennt einen optisch längeren Pfad durchläuft als der andere Strahl. Danach werden die beiden Strahlen durch ein Objektiv auf einem Punkt in der Detektionsebene wieder überlagert. Abhängig vom Unterschied des optischen Wegs und der daraus resultierenden Phasendifferenz interferieren die beiden Strahlen und es entsteht ein Lichtfleck mit einer von der Differenz der Phase der beiden Strahlen abhängigen Intensität. Ein Savart-Element kann beispielsweise einen Polarisator, einen oder mehrere doppelbrechende Kristalle und einen Analysator umfassen. Es sind unterschiedliche Anordnungen der Kristalle beispielsweise aus dem vorstehend zitierten Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann ein λ/2-Plättchen im Strahlengang zwischen zwei doppelbrechenden Kristallen angeordnet werden. Tritt ein Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel auf ein Savart-Element, so wird dieser in zwei orthogonal zueinander polarisierte Strahlen aufgeteilt, welche das Savart-Element durch den Analysator voneinander beabstandet parallel zueinander wieder verlassen und welche durch eine Abbildungsoptik in der Detektionsebene, das heißt der Ebene in der beispielsweise ein Detektor oder ein Detektorarray angeordnet ist, auf einen gemeinsamen Punkt abgebildet werden. Der optische Gangunterschied der beiden Strahlen relativ zueinander und die Position des gemeinsamen Abbildungspunktes in der Detektionsebene hängen von dem Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das Savart-Element ab. Somit wird ein zweidimensionales Interferogramm in der Detektionsebene erzeugt. In einer Ausführungsform kann ein Diffusor im Strahlengang vor der Eintrittsfläche des Savart-Elements angeordnet sein. Diese Ausführungsform ist beispielsweise für reine Spektroskopie ohne gleichzeitige Bildgebung sehr gut geeignet.
Smartphone-Objektive umfassen beispielsweise in der Regel mehrere Linsen mit stark asphärischen Oberflächen, um eine ausreichend gute Bildqualität zu erzielen. Solche Linsen werden mit sehr geringen Fertigungstoleranzen hergestellt, um eine gute Bildqualität zu ermöglichen. Die Objektive weisen beispielsweise eine Gesamtbaulänge, das heißt einen Abstand zwischen dem objektseitigen Vertex der ersten Linse im Strahlengang und dem Detektor bzw. Kamerasensor, von rund 5 mm, ein Bildfeld von typischerweise rund 60° sowie eine möglichst kleine Blendenzahl, beispielsweise eine Blendenzahl von 1,8 auf. Eine Erhöhung Blendenzahl kann eine Reduzierung von Bildfehlern ermöglichen, was insbesondere bei größer werdendem Bildfeld relevant ist. Durch eine Erhöhung der Blendenanzahl erhöht sich auch die Gesamtbaulänge des Objektivs.
Ein Strahlungsstrom P_im auf ein Kamerapixel, bzw. einen Sensor eines Sensorarrays, kann mittels der nachfolgenden Gleichung bestimmt werden: $P_{i m} = π τ \cdot B_{o b} \cdot \frac{d^{2}}{4 \cdot {(\frac{F}{#})}^{2}}$
Diese Gleichung zeigt, dass der Strahlungsstrom P_im auf ein Sensorpixel der Größe d bei einlaufender Strahlungsstromdichte B_ob und Transmissivität τ des optischen Systems invers proportional zur Blendenzahl (F/#) ist. Die Blendenzahl ergibt sich aus einem Verhältnis der Brennweite zum Durchmesser der wirksamen Eintrittspupille. Für die Konstruktion eines Miniaturspektrometers zur spektralen Analyse eines Objekts ist es vorteilhaft, möglichst viel elektromagnetische Strahlung einzusammeln, welche von dem Objekt kommt, das heißt insbesondere, welche von dem Objekt reflektiert, emittiert, transmittiert oder zurückgestreut wird.
Ein Effekt, der den Strahlungsfluss auf ein Kamerapixel begrenzt, ist die sogenannte Vignettierung. Die Vignettierung hängt von der Größe einer Apertur eines Objektivs ab, welches die vom Savart-Element kommende elektromagnetische Strahlung auf dem Detektor in Abhängigkeit des Einfallswinkels zusammenführt. Insbesondere erscheint die Objektivlinse unter großen Einfallswinkel betrachtet als Ellipse (perspektivische Verkürzung), wodurch die Licht transmittierende Fläche effektiv verkleinert wird (Randlichtabfall).
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass das Bildfeld für jeden optischen Abbildungskanal des Multiapertur-Objektivs verglichen mit einem Einzelapertur-Objektiv vergleichsweise klein ist und die Blendenzahl verglichen mit einem Einzelapertur-Objektiv vergleichsweise groß ist und somit Bildfehler bei der Verwendung eines Multiapertur-Objektivs deutlich leichter zu korrigieren sind als bei Einzelapertur-Objektiven. Das Bildfeld ist definiert durch den maximalen Einfallswinkel unter dem ein Lichtstrahl auf das Multiapertur-Objektiv auftreffen und noch ungehindert bis zur Detektionseinheit propagieren kann. Weiterhin resultiert aus der größeren Blendenzahl eine größere Abbildungstiefe. Dies bedeutet, dass der Bereich, um den eine Detektionseinheit relativ zu einem zu untersuchenden Objektiv defokussiert sein kann, größer ist als bei einem Einzelapertur-Objektiv mit kleiner Blendenzahl. Somit ergibt sich durch die Verwendung eines Multiapertur-Objektivs ein zuverlässiges Miniaturspektrometer, welches eine große mechanische und messtechnische Robustheit und Fehlertoleranz aufweist. Beispielsweise weist das Miniaturspektrometer im Betrieb eine hohe Robustheit gegenüber einem thermische Drift auf. Des Weiteren wird durch die Verwendung eines Multiapertur-Objektivs der Einfluss von chromatischen Aberrationen auf die Messergebnisse reduziert, da die einzelnen Wellenlängen über einen größeren axialen Bereich gleichzeitig scharf abgebildet werden als bei einem System mit gleichem chromatischen Fehler aber geringerer Blendenzahl.
Dies wird erreicht mit einem Miniaturspektrometer, umfassend eine Detektionseinheit, welche zur Bestimmung einer optischen Größe einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, umfassend eine optische Einheit, welche ein Savart-Element umfasst, wobei das Savart-Element einen Polarisator, ein erstes doppelbrechendes Element und ein zweites doppelbrechendes Element und einen Analysator umfasst, und umfassend ein optisches Abbildungssystem, welches im Strahlengang zwischen der optischen Einheit und der Detektionseinheit angeordnet ist, wobei das optische Abbildungssystem dazu eingerichtet ist, von der optischen Einheit kommende elektromagnetische Strahlung auf die Detektionseinheit abzubilden. Das Miniaturspektrometer zeichnet sich dadurch aus, dass das optische Abbildungssystem ein Multiapertur-Objektiv umfasst, wobei das Multiapertur-Objektiv mehrere optische Abbildungskanäle umfasst. Ein Vorteil ist, dass somit den Anteil der vom Objekt kommenden Strahlung gegenüber der Verwendung eines Einzelapertur-Objektivs erhöht werden kann und somit die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messergebnisse erhöht werden kann.
In einer Ausführungsform kann das Multiapertur-Objektiv mindestens einen ersten optischen Abbildungskanal und mindestens einen zweiten optischen Abbildungskanal umfassen und die Detektionseinheit mindestens ein erstes Sensorarray und mindestens ein zweites Sensorarray umfassen, wobei der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Anteil der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, zumindest einen zweiten Anteil der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray abzubilden. Ein Vorteil ist, dass somit beispielsweise das Bildfeld, das heißt für jeden Abbildungskanal vergleichsweise klein und die Blendenzahl groß sein kann und somit Bildfehler leichter korrigiert werden können. Des Weiteren kann für jeden optischen Abbildungskanal beispielsweise jeweils ein Interferogramm von dem dem jeweiligen Abbildungskanal zugeordneten Sensorarray aufgenommen werden. Ein Sensorarray umfasst mehrere Sensoren, insbesondere Strahlungssensoren, welche beispielsweise in einer Bildebene eines optischen Abbildungskanals zueinander benachbart angeordnet werden können. Somit ist eine ortsaufgelöste Strahlungsdetektion in Abhängigkeit des Einfallswinkels möglich. Durch Fouriertransformation der Interferogramme können spektrale Informationen über das zu untersuchende Objekt gewonnen werden.
Alternativ oder ergänzend kann dass das Multiapertur-Objektiv mindestens eine erste Mikrolinse und mindestens eine zweite Mikrolinse umfassen, wobei der erste optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Anteil der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray abzubilden, die erste Mikrolinse umfasst und wobei der zweite optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest einen zweiten Anteil der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray abzubilden die zweite Mikrolinse umfasst. Ein Vorteil ist, dass jede Mikrolinse einen eigenen Raumwinkelbereich der aufgesammelten Strahlen auf die Detektionseinheit abbildet. Der Raumwinkelbereich aus dem eine Mikrolinse Lichtstrahlen auf die Detektionseinheit leitet, stellt ein Subintervall des gesamten Winkelbereichs dar, den das gesamte Multiapertur-Objektiv auf die Detektionseinheit führen kann. Die Mikrolinse ist derart gekippt, dass der Winkel zwischen optischer Achse des Gesamtsystems und optischer Achse der Mikrolinse nahe der Mitte des entsprechenden Winkel-Subintervalls liegt. Beispielsweise kann das gesamte System einen Winkelbereich von -30° bis 30° detektieren, wobei eine Mikrolinse einen Teilbereich von 5° bis 15° auf die Detektionseinheit abbildet. Diese Mikrolinse ist idealerweise derart gekippt, dass sie in Richtung 10° ausgerichtet ist. Bei einem Einzelapertur-Objektiv kommt es bei Strahlen mit großen Einfallswinkeln zu Vignettierung bzw. Randabdunklung. Vignettierung entsteht dadurch, dass bei einem System mit mehreren Aperturen, z.B. zwei Mikrolinsen, bei größer werdenden Einfallswinkeln die scheinbare Überlappfläche der beiden Aperturen immer kleiner wird bis sie verschwindet. Randabschattung entsteht dadurch, dass die einzelne Apertur z.B. einer Mikrolinse mit schrägen Einfallswinkeln scheinbar immer ovaler, die Querschnittsfläche durch die Licht in ein System eindringen kann, also immer schmaler wird. Durch Kippen, also Ausrichten der Linse oder des Linsensystems in Richtung der Hauptdetektionsachse (im Beispiel die Mitte des Winkel-Subintervalls) kann die Vignettierung und Randabschattung reduziert und die Lichtsammeleffizienz erhöht werden. Mikrolinsen können beispielsweise als Mikrolinsenarray einfach und kostengünstig hergestellt werden. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Positionierung des Multiapertur-Objektivs relativ zur Detektionseinheit vereinfacht werden.
In einer Ausführungsform kann der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet sein, eine von der optischen Einheit aus einem ersten Raumwinkelbereich kommende elektromagnetische Strahlung auf das erste Sensorarray abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal kann dazu eingerichtet sein, eine von der optischen Einheit aus einem zweiten Raumwinkelbereich kommende elektromagnetische Strahlung auf das zweite Sensorarray abzubilden, wobei der erste Raumwinkelbereich zumindest teilweise von dem zweiten Raumwinkelbereich abweichend ist oder wobei der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich übereinstimmen. Die Raumwinkelbereiche können beispielsweise übereinstimmen oder überlappend oder disjunkt sein. Ein Vorteil ist, dass bei zumindest teilweise überlappenden Raumwinkelbereichen die Information in den Interferogrammen zum Teil überlappend, das heißt redundant sein kann, was zur Erhöhung der Lichtsammeleffizienz des Multiapertur-Objektivs führt. Gibt es keinen Überlapp des ersten Raumwinkelbereichs und des zweiten Raumwinkelbereichs, so können die Aufnahme eines größeren Bereichs des reziproken Raums und somit eine Erhöhung der spektralen Auflösung ermöglicht werden. Stimmen der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich überein, so bildet jeder optische Abbildungskanal dasselbe, verkleinerte Bild auf die Detektionseinheit ab. Es können hierbei baugleiche optische Abbildungskanäle verwendet werden, wodurch sich ein vereinfachter und robuster Aufbau des Miniaturspektrometers ergibt. Beispielsweise können die optischen Abbildungskanäle mittels baugleicher Mikrolinsen realisiert werden, welche beispielsweise in einer Matrix, das heißt einem Mikrolinsenarray angeordnet sein können. Dadurch kann ein kostengünstiges Miniaturspektrometer realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das optische Abbildungssystem mindestens ein Aperturarray umfassen. Beispielsweise können eines oder mehrere Aperturarrays im Strahlengang vor dem Multiapertur-Objektiv, das heißt zwischen der optischen Einheit und dem Multiapertur-Objektiv, angeordnet sein und/ oder es können eines oder mehrere Aperturarrays im Strahlengang hinter dem Multiapertur-Objektiv, das heißt im Strahlengang zwischen dem Multiapertur-Objektiv und der Detektionseinheit, angeordnet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Übersprechen zwischen den optischen Abbildungskanälen reduziert bzw. vermieden werden. Das Aperturarray kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die optischen Abbildungskanäle optisch gegeneinander abzuschirmen.
Ein Verfahren eingerichtet zur spektralen Analyse eines Objekts mittels des Miniaturspektrometers zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist: Erzeugung von zwei Teilstrahlen, welche relativ zueinander eine erste Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem ersten Einfallswinkel auf die optische Einheit auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom ersten Einfallswinkel abhängt; Erzeugung von zwei weiteren Teilstrahlen, welche relativ zueinander eine zweite Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem zweiten Einfallswinkel auf die optische Einheit auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom zweiten Einfallswinkel abhängt und der zweite Einfallswinkel vom ersten Einfallswinkel abweichend ist; Zusammenführen der Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit dem ersten Einfallswinkel nach Durchlaufen der optischen Einheit durch einen ersten optischen Abbildungskanal auf einen gemeinsamen ersten Punkt zur Messung eines ersten Interferogramms; Zusammenführen der weiteren Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit dem zweiten Einfallswinkel nach Durchlaufen der optischen Einheit durch einen zweiten optischen Abbildungskanal auf einen gemeinsamen zweiten Punkt zur Messung eines zweiten Interferogramms; Ermitteln eines Spektrums oder einer spektralen Information aus dem ersten Interferogramm und dem zweiten Interferogramm zur Analyse des Objekts. Ein Vorteil ist, dass die messtechnische Robustheit und die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht werden kann. Des Weiteren ergeben sich die zuvor genannten Vorteile.
In einer Ausführungsform kann zur Messung des ersten Interferogramms Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln aus einem ersten Raumwinkelbereich durch den ersten optischen Abbildungskanal abgebildet werden, wobei Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden und zur Messung des zweiten Interferogramms Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln aus einem zweiten Raumwinkelbereich durch den zweiten optischen Abbildungskanal zusammengeführt werden, wobei Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden. Der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich können hierbei übereinstimmen oder der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich können zumindest teilweise voneinander abweichen. Ein Vorteil ist, dass somit die Lichtsammeleffizienz erhöht werden kann. Des Weiteren kann beispielsweise ein größerer Bereich des reziproken Raums aufgenommen werden und somit eine Erhöhung der spektralen Auflösung ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform kann bei der Ermittlung des Spektrums oder der spektralen Information eine Fouriertransformation des ersten Interferogramms erfolgen und eine Fouriertransformation des zweiten Interferogramms erfolgen und zur Ermittlung des Spektrums oder der spektralen Information zur Analyse des Objekts ein Zusammenführen der Fouriertransformierten des ersten Interferogramms und der Fouriertransformierten des zweiten Interferogramms erfolgen.
Bei der Ermittlung des Spektrums oder der spektralen Information kann in einer Ausführungsform ein Zusammenführen des ersten Interferogramms und des zweiten Interferogramms erfolgen, wodurch sich ein zusammengeführtes Interferogramm ergibt und zur Ermittlung des Spektrums oder der spektralen Information zur Analyse des Objekts eine Fouriertransformation des zusammengeführten Interferogramms erfolgen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen

1 eine Skizze eines Strahlenverlaufs durch ein Savart-Element,
2 einen Querschnitt einer optischen Einheit und einem Einzelapertur-Objektiv mit skizzierten Strahlenverläufen,
3 einen Querschnitt eines Multiapertur-Objektivs und einer Detektionseinheit mit skizzierten Strahlenverläufen,
4 einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers mit skizzierten Strahlenverläufen,
5 einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers mit skizzierten Strahlenverläufen und Raumwinkelbereichen,
6a einen Querschnitt eines Mikrolinse und einem Sensorarray mit simulierten Strahlenverläufen für Strahlen mit Einfallswinkeln auf die Mikrolinse von 0°, 1°, 2°, 3°, 4° und 5°,
6b eine Aufsicht auf ein Multiapertur-Objektiv umfassend eine Anordnung von 5x5 Mikrolinsen,
7 ein 3D-Modell einer optischen Einheit und einem Multiapertur-Objektiv auf das ein Strahlenbündel mit einem Öffnungswinkel von 10° und einer Haupteinfallsrichtung von 20° trifft,
8 ein 3D-Modell einer optischen Einheit und einem Multiapertur-Objektiv,
9 ein 3D-Modell einer optischen Einheit und einem optischen Abbildungssystem, wobei das optische Abbildungssystem ein Multiapertur-Objektiv und ein erstes Aperturarray umfasst,
10 ein 3D-Modell einer optischen Einheit und einem optischen Abbildungssystem, wobei das optische Abbildungssystem ein Multiapertur-Objektiv, ein erstes Aperturarray und ein zweites Aperturarray, welches nahe an der Bildebene angeordnet ist, umfasst,
11 skizzierte Rohdaten von Sensorarrays einer Detektionseinheit eines Miniaturspektrometers, wobei das Miniaturspektrometer eine optische Einheit und ein Multiapertur-Objektiv umfasst,
12 ein zusammengeführtes Interferogramm aus den skizzierten Rohdaten aus 11,
13 einen vergrößerten Bereich der Rohdaten aus 11,
14 einen vergrößerten Bereich des zusammengeführten Interferogramms aus 12 aus den Rohdaten aus 13,
15 eine Nummerierung der Rohdaten der Sensorarrays aus 11 vor einer Permutation zur Ermittlung des zusammengführten Interferogramms,
16 die Nummerierung der Rohdaten der Sensorarrays nach der Permutation,
17 ein Verfahren zur Analyse eines Objekts,
18 ein Verfahren zur Analyse eines Objekts, wobei eine Fouriertransformation eines zusammengeführten Interferogramms erfolgt und
19 ein Verfahren zur Analyse eines Objekts, wobei eine Fouriertransformation der einzelnen Interferogramme vor einem Zusammenführen erfolgt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein modifiziertes Savart-Element 1', wie es beispielsweise in „Wide-field-ofview polarization interference imaging spectrometer“ (Zhang et al., Applied Optics 43.33 (2004)) beschrieben ist. Es ist ein Strahlenverlauf für den Fall eines senkrecht auf das Savart-Element 1' einfallenden Strahls dargestellt. In 1 verläuft der Strahl parallel zur z-Achse durch das Savart-Element 1'. Ein Polarisator 10 mit einer ersten Polarisationsachse 10' und ein Analysator 11 mit einer zweiten Polarisationachse 11' sind im Strahlengang parallel zur x-y-Ebene ausgebildet. Die erste Polarisationsachse 10' und die zweite Polarisationsachse 11' verlaufen in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zueinander. Der Strahl trifft zunächst auf den Polarisator 10, welcher die elektromagnetische Strahlung in der x-y Ebene linear polarisiert. Beim Eintritt durch eine Eintrittsfläche in das erste doppelbrechende Element 12', welches parallel zur z-Richtung eine erste Ausdehnung, das heißt eine erste Dicke, aufweist, wird der Strahl in einen ersten ordentlichen 100" und einen ersten außerordentlichen Strahl 100' aufgespalten. Die Eintrittsfläche entspricht in 1 einer Fläche parallel zur x-y-Ebene, durch welche der Strahl in das erste doppelbrechende Element 12' eintritt. Ein λ/2-Plättchen 123, welches in einem Ausführungsbeispiel im Strahlengang zwischen dem ersten doppelbrechenden Element 12' und einem zweiten doppelbrechenden Element 12", welches eine zweite Dicke aufweist, die in diesem Ausführungsbeispiel mit der ersten Dicke übereinstimmt, angeordnet sein kann, kann die Polarisationsvektoren des ersten ordentlichen Strahls 100" und des ersten außerordentlichen Strahls 100' um jeweils 90 Grad in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene drehen, sodass beim Eintritt in das zweite doppelbrechende Element 12" der erste ordentliche Strahl zu einem zweiten außerordentlichen Strahl 101" und der erste außerordentliche Strahl 100' zu einem zweiten ordentlichen Strahl 101' wird. Das erste doppelbrechende Element 12' und das zweite doppelbrechende Element 12" sowie das λ/2-Piättchen 123, sofern vorhanden, bilden zusammen ein Savart-Polariskop 12. Eine erste optische Achse 121' des ersten doppelbrechenden Elements 12' und eine zweite optische Achse 122' des zweiten doppelbrechenden Elements 12" sind in 1 in das jeweilige doppelbrechende Element 12', 12" eingezeichnet. Da die Strahlen unter voneinander abweichenden Winkeln im Savart-Polariskop abgelenkt werden, treten sie an voneinander abweichenden Punkten aus dem zweiten doppelbrechenden Element 12" aus. Der zweite ordentliche Strahl 101' bildet nach Austritt aus dem Savart-Polariskop einen ersten Teilstrahl 102', der zweite außerordentliche Strahl 101" bildet nach Austritt aus dem Savart-Polariskop 12 einen zweiten Teilstrahl 102". Der erste Teilstrahl 102' und der zweite Teilstrahl 102" verlaufen im Strahlengang hinter dem Savart-Polariskop 12 voneinander beabstandet parallel zueinander. Der Abstand wird im Folgenden als Teilstrahlabstand 102 bezeichnet. Danach passieren der erste Teilstrahl 102' und der zweite Teilstrahl 102" den Analysator 11. Die beiden Teilstrahlen 102', 102" weisen nach Durchgang durch den Analysator 11 die gleiche Polarisation auf. Somit können die Teilstrahlen interferieren, wenn sie auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden.
In einem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Savart-Polariskop zwei doppelbrechende Elemente, welche im Strahlengang hintereinander angeordnet sind. Ein Hauptschnitt des doppelbrechenden Elements wird durch die Ebene beschrieben, die senkrecht zur Eintrittsfläche ist und die optische Achse des doppelbrechenden Elements enthält. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen der ersten optischen Achse und der Eintrittsfläche 45°. Der Hauptschnitt des zweiten doppelbrechenden Elements ist um 90° gegenüber dem Hauptschnitt des ersten doppelbrechenden Elements gedreht.
Weitere Ausführungsbeispiele für Savart-Elemente 1' sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise kann vor dem Savart-Element 1' eine Vor-Optik angeordnet sein, die elektromagnetische Strahlung auf das Savart-Element 1' leitet. Die Vor-Optik kann beispielsweise einen Diffusor umfassen.
In 2 ist ein Querschnitt einer optischen Einheit 1, welche ein Savart-Element 1' umfasst, wobei das Savart-Element 1' beispielsweise wie vorstehend beschrieben einen Polarisator 10, ein erstes doppelbrechendes Element 12', ein zweites doppelbrechendes Element 12" und einen Analysator 11 umfasst, einem optischen Abbildungssystem 2 und eines Detektors 31 dargestellt. Das optische Abbildungssystem 2 umfasst ein Einzelapertur-Objektiv 21, beispielsweise eine Sammellinse. Der Detektor ist in einer Bildebene 105 des Einzelapertur-Objektivs 21 angeordnet. Strahlen, die unter gleichem Winkel auf das Savart-Element 1' treffen werden durch die Sammellinse auf einen gemeinsamen Punkt in der Bildebene 105 der Sammellinse fokussiert. In 2 treffen ein erster Strahl 201' in einem ersten Auftreffpunkt 201, ein dritter Strahl 202' in einem zweiten Auftreffpunkt 202 und ein vierter Strahl 203' in einem dritten Auftreffpunkt 203 senkrecht, das heißt mit einem Winkel von 0° gegenüber der y-z-Ebene, auf das Savart-Element 1' auf. Der erste Auftreffpunkt 201, der zweite Auftreffpunkt 202 und der dritte Auftreffpunkt 203 sind jeweils voneinander abweichend. Der Strahlenverlauf durch das Savart-Element 1' ist lediglich skizziert, die Strahlaufspaltung in Teilstrahlen und eine Strahlablenkung ist der Einfachheit halber hier nicht dargestellt. Der erste Strahl 201', der dritte Strahl 202' und der vierte Strahl 203' treten durch eine Durchgangsöffnung 2' in das optische Abbildungssystem 2 ein und werden durch das Einzelapertur-Objektiv 21 auf einen gemeinsamen ersten Punkt auf den Detektor 31 in der Bildebene 105 abgebildet. Dort können die Strahlen, welche Teilstrahlen umfassen können, wie dies beispielsweise in 1 dargestellt ist, interferieren und einen Teil eines Interferogramms bilden. In 2 treffen ein sechster Strahl 204' in einem vierten Auftreffpunkt 204, ein achter Strahl 205' in einem fünften Auftreffpunkt 205 und ein zehnter Strahl 206' in einem sechsten Auftreffpunkt 206 mit einem gleichen von 0° abweichenden Winkel gegenüber der y-z-Ebene auf das Savart-Element 1' auf. Der vierte Auftreffpunkt 204, der fünfte Auftreffpunkt 205 und der sechste Auftreffpunkt 206 sind jeweils voneinander abweichend. Der sechste Strahl 204', der achte Strahl 205' und der zehnte Strahl 206' treten durch die Durchgangsöffnung 2' in das optische Abbildungssystem 2 ein und werden durch das Einzelapertur-Objektiv 21 auf einen gemeinsamen zweiten Punkt, der von dem ersten Punkt abweicht, auf den Detektor 31 in der Bildebene 105 abgebildet. Dort können die Strahlen, welche Teilstrahlen umfassen können, wie dies beispielsweise in 1 dargestellt ist, interferieren und einen Teil eines Interferogramms bilden. 2 zeigt, dass Strahlen mit gemeinsamem Einfallswinkel auf einen Punkt in der Bildebene abgebildet werden. Diese Punkte ergeben zusammen ein Interferogramm. In 2 sind weitere Strahlen eingezeichnet, die nicht zum Interferogramm beitragen. Ein zweiter Strahl 201" trifft am ersten Auftreffpunkt 201 mit einem ersten Einfallswinkel, welcher von 0° abweicht auf das Savart Element auf, ein fünfter Strahl 203" trifft am dritten Auftreffpunkt 203 mit einem zweiten Einfallswinkel, welcher von 0° abweicht auf das Savart-Element 1' auf, ein siebter Strahl 204" trifft mit einem dritten Einfallswinkel, der von 0° abweicht auf das Savart-Element 1' auf und ein neunter Strahl 205" trifft unter einem vierten Einfallswinkel, der von 0° abweicht auf das Savart-Element 1' auf. Die Einfallswinkel nehmen in 2 voneinander abweichende Werte an, wobei wie vorstehend beschrieben, die Strahlaufspaltung bzw. Strahlablenkung der Einfachheit halber hier nicht gezeigt ist. Diese Strahlen 201", 203", 204", 205" treten jedoch nicht in das Einzelapertur-Objektiv 21 ein, sondern treffen auf eine für die Strahlen undurchlässige Fläche 2" neben der ersten Linsenöffnung 2', welche die Durchgangsöffnung 2' bildet, und können somit nicht auf den Detektor 31 treffen und somit nicht für die Auswertung genutzt werden. Die Durchgangsöffnung entspricht hierbei der Eintrittspupille des Einzelapertur-Objektivs 21. In diesem Beispiel entspricht die Durchgangsöffnung der Eintrittspupille, da sie den maximalen Durchmesser des einlaufenden Strahlenbündels limitiert. Die Durchgangsöffnung wird Aperturblende genannt. Wird die Durchgangsöffnung vergrößert, was einer Verkleinerung der Blendenzahl F/# entspricht, erhöht sich auch der Strahlungsfluss erhöhen, da nun auch die Strahlen 201", 203" etc. das System passieren können. Allerdings werden durch die Vergrößerung der Durchgangsöffnung auch die Abbildungsfehler verstärkt, wie zuvor schon erwähnt. Strahlen, die unter einem großen Winkel einlaufen, sehen die Eintrittsöffnung perspektivisch verzerrt als eine Ellipse, deren kurze Hauptachse mit zunehmendem Winkel kleiner erscheint. Dies reduziert bei jedem optischen System die Bildintensität zum Bildrand und wird Abschattung genannt. Um dem entgegenzuwirken, kann das Bild sequentiell aufgenommen werden, wobei das Objektiv zwischen den Aufnahmen gekippt wird. Bei Objektiven die aus mehreren Linsen bestehen liegt die Aperturblende meist zwischen den Linsen und die Eintrittspupille entspricht dem Bild der Aperturblende von der Objektseite durch das Objektiv gesehen. In der Zeichnung Fig. 2 würde Vignettierung zum Bildrand hin entstehen, wenn der Durchmesser der Linse 21 beispielsweise gleich dem Durchmesser der Öffnung 2' wäre. Das Strahlenbündel 201', 202' und 203' könnte das System dann noch als Ganzes passieren, bei dem Bündel 204', 205' und 206' würde der Strahl 204' dann nicht mehr die Linse passieren können. Eine größere Sammellinse weist eine größere Eintrittspupille auf, wodurch ein höherer Strahlungsfluss auf den Detektor 31 gelangen kann.
In einem Ausführungsbeispiel weist das optische Abbildungssystem 2 mit dem Detektor 31 in 2 Maße von 3 Millimeter (mm) x 3mm im Querschnitt aufweisen. Das Savart-Element 1' kann beispielsweise eine Höhe, das heißt eine Abmessung parallel zur x-Achse von 4 mm und eine Dicke, das heißt eine Abmessung parallel zur z-Achse von 2 mm auf. Das Savart-Element 1' kann größer als das optische Abbildungssystem 2 gewählt werden, um auch schräge Strahlen mit großen Einfallswinkeln, das heißt beispielsweise Einfallswinkel von mehr als 45 ° gegenüber der y-z-Ebene, detektieren zu können. Die Durchgangsöffnung kann beispielsweise rund sein und einen Durchmesser von 1,4 mm aufweisen.
Ein Miniaturspektrometer ist ein Spektrometer mit Abmessungen im Zentimeterbereich, wobei auch geringere Abmessungen unterhalb des Zentimeterbereichs eingeschlossen sind.
Spektrale Informationen können beispielsweise eine chemische Zusammensetzung, das heißt ein Spektrum oder das Vorkommen eines bestimmten Stoffgemischs in einem Objekt umfassen.
3 zeigt einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers 1000, umfassend eine optische Einheit 1, ein optisches Abbildungssystem 2, umfassend ein Multiapertur-Objektiv 22, und eine Detektionseinheit 3, mit skizzierten Strahlenverläufen. Die Detektionseinheit 3 ist zur Bestimmung einer optischen Größe einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet. Die optische Größe charakterisiert die einfallende elektromagnetische Strahlung. Die optische Größe kann beispielsweise eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung umfassen. Die Detektionseinheit 3 kann beispielsweise Photodioden umfassen, wobei bei der Bestrahlung der Photodiode mit elektromagnetischer Strahlung ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung erzeugt wird, welche ein Maß für die einfallende elektromagnetische Strahlung darstellen. Von einem Objekt 1001 kommende elektromagnetische Strahlung 1001' trifft auf die optische Einheit 1 auf und wird in der optischen Einheit 1 wie vorstehend beschrieben abgelenkt und/oder aufgespalten, sodass sich für einen Einfallswinkel jeweils zwei parallele, zueinander beabstandete Teilstrahlen ergeben. Die Teilstrahlen können mittels des optischen Abbildungssystem 2 auf die Detektionseinheit 3 geführt werden und können dort zur Interferenz gebracht werden, sodass die Detektionseinheit 3 ein Interferogramm des Objekts 1001 mittels der vom Objekt kommenden Strahlung 1001' aufnehmen kann, woraus ein Spektrum und/oder eine spektrale Information des Objekts 1001 ermittelt werden kann. Die optische Einheit 1 umfasst ein Savart-Element 1', wobei das Savart-Element 1' einen Polarisator 10, ein erstes doppelbrechendes Element 12' und ein zweites doppelbrechendes Element 12" und einen Analysator 11 umfasst, wie beispielsweise vorstehend beschrieben. Das optische Abbildungssystem 2 ist im Strahlengang zwischen der optischen Einheit 1 und der Detektionseinheit 3 angeordnet, wobei das optische Abbildungssystem 2 dazu eingerichtet ist, von der optischen Einheit 1 kommende elektromagnetische Strahlung 103', 103" auf die Detektionseinheit 3 abzubilden. Das optische Abbildungssystem 2 umfasst in 3 ein Multiapertur-Objektiv 22, wobei das Multiapertur-Objektiv 22 mehrere optische Abbildungskanäle umfasst. Das Multiapertur-Objektiv 22 in 3 umfasst einen ersten optischen Abbildungskanal einen zweiten optischen Abbildungskanal, einen dritten optischen Abbildungskanal und zwei weitere optische Abbildungskanäle. Die Detektionseinheit 3 weist ein erstes Sensorarray 31, ein zweites Sensorarray 32, ein drittes, viertes und fünftes Sensorarray 33, 34, 35, auf. Die Sensorarrays 31, 32, 33, 34, 35 können auch Bereiche eines großen Sensorarrays bezeichnen. Jedes Sensorarray 31, 32, 33, 34, 35 umfasst mehrere Einzelsensoren 3' oder Kamerapixel , beispielsweise Strahlungssensoren, welche in einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Matrix in der Bildebene 105 des Multiapertur-Objektivs 22 angeordnet sind. Der erste optische Abbildungskanal ist dazu eingerichtet, zumindest einen ersten Anteil 103' der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray 31 abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal 6" ist dazu eingerichtet, zumindest einen zweiten Anteil 103" der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray 32 abzubilden. Jeder weitere optische Abbildungskanal ist dazu eingerichtet weitere Anteile der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das ihm zugeordnete Sensorarray 33, 34, 35, wie in 3 durch die skizzierten Strahlenverläufe angedeutet, abzubilden. Das Multiapertur-Objektiv 22 in 3 umfasst eine erste Mikrolinse 6', eine zweite Mikrolinse 6", eine dritte Mikrolinse 6" sowie weitere Mikrolinsen. Der erste optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den ersten Anteil 103' der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray 31 abzubilden, umfasst die erste Mikrolinse 6' und der zweite optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den zweiten Anteil 103" der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray 32 abzubilden, umfasst die zweite Mikrolinse 6". Der dritte optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den dritten Anteil 103'" der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das dritte Sensorarray 33 abzubilden, umfasst die dritte Mikrolinse 6'". Wie in 3 dargestellt können die Mikrolinsen 6', 6", 6'" in einem Mikrolinsenarray 6 angeordnet sein, wobei jede Mikrolinse 6', 6", 6'" eine von den anderen Mikrolinsen 6', 6", 6'" abweichende mittlere Blickrichtung 104 aufweist. Die mittlere Blickrichtung 104 jedes optischen Abbildungskanals, wie in 3 eingezeichnet, ist definiert durch die Verbindungslinie zwischen dem Flächenschwerpunkt der Apertur der Mikrolinse 6', 6", 6'" und dem Mittelpunkt des zugeordneten Sensorarrays, 31, 32, 33, 34, 35. Die Größe des insgesamt aufgespannten Winkelbereichs ergibt sich als Summe der Winkelbereiche die im jeweiligen optischen Abbildungskanal übertragen werden. Weiterhin bestimmt die Ausdehnung des jeweiligen Sensorarrays 31, 32, 33, 34, 35 zusammen mit der Brennweite der Mikrolinse 6', 6", 6'" den Winkelbereich der im jeweiligen optischen Abbildungskanal übertragen wird. In 3 umfasst der dritte Anteil 103'" der von der optischen Einheit 1 kommenden Strahlung beispielhaft sechs Strahlen mit voneinander abweichenden Auftreffwinkeln 1004 auf das Multiapertur-Objektiv 22, wobei jeweils zwei Strahlen den gleichen Auftreffwinkel 1004 aufweisen. Die Strahlen mit gleichem Auftreffwinkel 1004 werden wie vorstehend beschrieben durch die dritte Mikrolinse 6'" auf einen gemeinsamen Punkt auf der Detektionseinheit 3 abgebildet. Somit ergeben sich aus den sechs Strahlen drei Punkte auf dem dritten Sensorarray 33, wobei jeweils die zwei Strahlen mit gleichem Auftreffwinkel auf einen Einzeldetektor 3' abgebildet werden. Das optische Abbildungssystem 2 in 3 umfasst ein erstes Aperturarray 51, welches verhindert, dass elektromagnetische Strahlung zwischen den Mikrolinsen 6', 6", 6'" hindurchtritt. Das erste Aperturarray 51 ist im Strahlengang zwischen einem ersten Substrat 8' und den Mikrolinsen 6', 6", 6'" angeordnet, um Streulicht zu unterdrücken, welches sonst durch die Zwischenräume der Mikrolinsen 6', 6", 6'" fallen könnte. Ein zweites Aperturarray 52 ist durch eine Haltestruktur 7 beabstandet im Strahlengang hinter den Mikrolinsen 6', 6", 6"', das heißt auf einer von dem ersten Aperturarray 51 abgewandten Seite der Mikrolinsen 6', 6", 6'" angeordnet. Im Strahlengang zwischen dem ersten Aperturarray 51 und der optischen Einheit 1 ist das erste Substrat 8' angeordnet. Die von der optischen Einheit 1 kommende Strahlung tritt durch ein viertes Aperturarray 54 in das erste Substrat 8' ein, wird dort gebrochen, da das erste Substrat 8' einen anderen Brechungsindex als die Umgebung aufweist und tritt vom ersten Substrat 8' durch das erste Aperturarray 51 in die Mikrolinsen 6', 6", 6'" ein. Im Strahlengang hinter dem Multiapertur-Objektiv 22 und dem zweiten Aperturarray 52 ist ein zweites Substrat auf dem zweiten Aperturarray 52 angeordnet. Im Strahlengang hinter dem zweiten Substrat ist ein drittes Aperturarray 53 angeordnet, durch welches die vom Multiapertur-Objektiv 22 kommende Strahlung auf ein drittes Substrat 8'" fällt, welches im Strahlengang hinter dem dritten Aperturarray 53 angeordnet ist. Im Strahlengang hinter dem dritten Substrat 8'" ist die Detektionseinheit 3 angeordnet. Die Detektionseinheit 3 umfasst in 3 ein Sensorarray 31, 32, 33, 34, 35 pro optischem Abbildungskanal. Die Aperturarrays 51, 52, 53 können beispielsweise aus lichtundurchlässigen, insbesondere absorbierendem oder reflektierendem, Material ausgebildet sein, um ein optisches Übersprechen zwischen den optischen Abbildungskanälen zu verhindern. Die transparenten Substrate können beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder anorganischen Co-Polymer ausgebildet sein. Alternativ kann auch auf eines oder mehrere der Substrate 8', 8", 8" verzichtet werden, wenn die Aperturarrays 51, 52, 53 übereinander gestapelt und durch Stützen, welche beispielsweise zwischen den Aperturarrays 51, 52, 53, 54 angeordnet sein können, separiert werden. Die Aperturarrays 51, 52, 53, 54 können als eine Schicht aus einem die Strahlung reflektierenden oder rückstreuenden Material ausgebildet sein, in welcher Durchgangslöcher ausgebildet sind, durch welche elektromagnetische Strahlung die Schicht passieren kann. Die Aperturarrays 51, 52, 53, 54 können beispielsweise aus schwarz eloxiertem Aluminiumblech ausgeführt sein oder durch Bedampfen mit reflektierenden oder absorbierenden Materialien auf Glassubstrate erzeugt werden. Die Durchgangslöcher in den Aperturarrays 51, 52, 53, 54 können beispielsweise rechteckig, kreisförmig oder anderweitig geformt sein. Es können in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch weitere Aperturarrays 51, 52, 53, 54 im Strahlengang angeordnet werden, um ein Übersprechen der Strahlungen der optischen Abbildungskanäle zu verhindern. Die optischen Abbildungskanäle sind im Strahlengang axial benachbart zueinander angeordnet. Weitere Ausführungsbeispiele von optischen Abbildungssystemen 2, welche ein Multiapertur-Objektiv 22 umfassen, sind beispielsweise in US 2011/10228142 A1 beschrieben.
Jede Mikrolinse 6', 6", 6'" des Mikrolinsenarrays aus 3 nimmt einen zumindest teilweise von den anderen Anteilen 103', 103", 103'" abweichenden Anteil 103', 103", 103'" der aus der optischen Einheit 1 austretenden Strahlung auf. Wie beispielsweise in 1 skizziert, kann ein Strahl, der unter einem ersten Einfallswinkel auf die optische Einheit 1 trifft aufgespalten werden. Nach Durchgang durch die optische Einheit 1 ergeben sich zu dem Strahl mit erstem Einfallswinkel zwei Teilstrahlen 102', 102", die zueinander beabstandet parallel zueinander verlaufen. Der Teilstrahlabstand 102, die Austrittsorte der Teilstrahlen 102', 102" auf der Austrittsfläche 1003 des zweiten doppelbrechenden Elements 12" und ein Auftreffwinkel 1004 mit dem die Teilstrahlen 102', 102" auf das erste Substrat 8' auftreffen, hängen vom Einfallswinkel des vom Objekt kommenden Strahls 1001' auf die optische Einheit 1 und vom Eintrittsort der vom Objekt kommenden Strahlung 1001' in die optische Einheit 1 ab. Der Auftreffwinkel 1004 wird relativ zum Lot auf das erste Substrat 8' gemessen. Die erste Mikrolinse 6' bildet in 3 zwei parallele Strahlen 103', welche an zwei verschiedenen Austrittsorten der Austrittsfläche 1003 aus der optischen Einheit 1 austreten und welche unter dem Auftreffwinkel 1004 auf das erste Substrat 8' auftreffen, auf einen gemeinsamen Punkt auf dem ersten Sensorarray 31 ab. In der Bildebene 105 der Mikrolinse 6' ist die Detektionseinheit 3 angeordnet, dort können die Teilstrahlen 103' interferieren. Die Teilstrahlen 102', 102" können wie vorstehend beschrieben nach Durchgang durch die optische Einheit 1 einen Gangunterschied relativ zueinander aufweisen. Die Mikrolinsen 6', 6", 6'" können jeweils elektromagnetische Strahlung aus einem Raumwinkelbereich aufnehmen, der durch die jeweilige Blickrichtung 104 der Mikrolinsen 6', 6", 6'" und durch das vierte Aperturarray 54 begrenzt wird. Der erste optische Abbildungskanal, das heißt in 3 die erste Mikrolinse 6', ist dazu eingerichtet, eine von der optischen Einheit 1 aus einem ersten Raumwinkelbereich kommende elektromagnetische Strahlung auf das erste Sensorarray 31 abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal, in 3 die zweite Mikrolinse 6" ist dazu eingerichtet, eine von der optischen Einheit 1 aus einem zweiten Raumwinkelbereich kommende elektromagnetische Strahlung auf das zweite Sensorarray 32 abzubilden, wobei der erste Raumwinkelbereich zumindest teilweise von dem zweiten Raumwinkelbereich abweichend sein kann oder mit diesem übereinstimmen kann. Der erste Raumwinkelbereich umfasst die von der optischen Einheit 1 kommenden Strahlen, welche unter Auftreffwinkeln 1004 auf das erste Substrat 8' auftreffen und von der ersten Mikrolinse 6' auf das Sensorarray 31 abgebildet werden. Beispielsweise kann die erste Mikrolinse 6' dazu eingerichtet sein Strahlen mit Auftreffwinkeln 1004 von 9° bis 15° auf das erste Sensorarray 31 abzubilden und die zweite Mikrolinse 6" kann dazu ausgebildet sein, Strahlen mit Auftreffwinkeln 1004 zwischen 3° und 9° auf das zweite Sensorarray 32 abzubilden. Auftreffwinkel die kleiner als 3° sind und größer als 15° sind, werden dann weder von der ersten Mikrolinse 6' noch von der zweiten Mikrolinse 6" auf das erste Sensorarray 31 bzw. das zweite Sensorarray 32 abgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel bilden Strahlen mit Auftreffwinkeln 1004 von 9° bis 15° den ersten Raumwinkelbereich und Strahlen mit Auftreffwinkeln von 3° bis 9° den zweiten Raumwinkelbereich. Jedem Auftreffwinkel 1004 kann ein Einfallswinkel eines vom Objekt 1001 kommenden Strahls auf die optische Einheit 1 zugeordnet werden. Das erste Sensorarray 31 nimmt ein erstes Interferogramm auf und das zweite Sensorarray nimmt ein zweites Interferogramm auf. Da die Raumwinkelbereiche nicht überlappen, weisen die beiden Interferogramme keine redundanten Informationen auf. Dadurch kann die spektrale Auflösung des Miniaturspektrometers 1000 erhöht werden. Der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich können in einem weiteren Ausführungsbeispiel überlappend sein, das heißt beispielsweise, der erste Raumwinkelbereich umfasst Strahlen mit Auftreffwinkel von 9° bis 15° und der zweite Raumwinkelbereich umfasst Strahlen mit Auftreffwinkeln 1004 von 6° bis 12°. In diesem Fall umfassen das erste Interferogramm und das zweite Interferogramm teilweise überlappende spektrale Informationen. Dadurch kann die Lichtsammeleffizienz erhöht werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, die Zeile des Mikrolinsenarrays 6 aus 3 vertikal zu stapeln, d.h. ein Mikrolinsenarray zu erzeugen, bei dem die Mikrolinsen in einer Richtung (horizontal) 3 entsprechen und in der anderen Richtung (vertikal) identisch sind. Die horizontale Richtung entspricht dabei der Richtung auf der Bildebene senkrecht zu den Interferenzstreifen. Diese Achse enthält die spektrale Information und die Maximierung des Akzeptanzwinkels in dieser Richtung ist für eine Erhöhung des Auflösungsvermögens wünschenswert. Die hierzu orthogonale Achse enthält keine zusätzliche spektrale Information und eine Vergrößerung des Akzeptanzwinkels in diese Richtung hätte keinen zusätzlichen Nutzen. Vielmehr kann durch Vervielfältigung des Mikrolinsenarrays 6 aus 3 in diese Richtung die Lichtsammeleffizienz erhöht werden. Hierzu können beispielsweise mehrere baugleiche Mikrolinsenarrays 6, im Strahlengang hintereinander zwischen der optischen Einheit 1 und der Detektionseinheit 3 angeordnet werden. Baugleich bedeutet hierbei, dass die Mikrolinsen eines ersten Mikrolinsenarrays beispielsweise aus dem gleichen Material und gleiche Abmessungen wie die Mikrolinsen eines weiteren Mikrolinsenarray aufweisen. Die Mikrolinsenarrays können derart hintereinander im Strahlengang angeordnet werden, dass jeweils baugleiche erste Mikrolinsen den ersten Anteil 103' der von der optischen Einheit kommenden Strahlung auf die Detektionseinheit 3 führen und die zweiten Mikrolinsen den zweiten Anteil 103", etc. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Raumwinkelbereiche übereinstimmen, dann können auch das erste und das zweite Interferogramm übereinstimmen.

Das in 3 dargestellte optische Abbildungssystem 2 ist beispielsweise mittels Waferprozessierung herstellbar und kann die folgenden Eckdaten aufweisen, wobei in der ersten Zeile die Parameter und in der Zeile darunter der jeweilige Wert des Parameters angegeben ist:

Diag. FOV	Fno.	Image res. in pixels	TTL	No. Of cells	No. Of pixels per cell	FOV per cell	Max. CRA	Pixel pitch	Sensor die size	Fill factor
70°	2,8	1344 × 768	1,9mm	15 × 9	96 × 96	9,2°	26°	2,2 µm	6,4 mm × 4,15 mm	31%

Das Multiapertur-Objektiv 22 kann in einem Ausführungsbeispiel insgesamt 15 × 9 = 135 Einzellinsen 6', 6", 6'" jeweils mit einer Blendenzahl F/# von 2,8 aufweisen. Einzelapertur-Objektive 21 können im Vergleich dazu Blendenzahlen von F/# 1.8 aufweisen. Der Lichtfluss einer einzelnen Mikrolinse 6', 6", 6'" pro Detektorpixel 3' ist um einen Faktor (1,8/2,8)² = 0,4 kleiner als der Lichtfluss eines solchen Einzelapertur-Objektivs 21. Allerdings wird die größere Blendenzahl bei den Mikrolinsen 6', 6", 6" des Multiapertur-Objektivs 22 durch die Vielzahl an optischen Abbildungskanälen wieder aufgewogen, was den Lichtfluss insgesamt um einen Faktor 135 × 0,4 = 54 gegenüber dem vorstehend beschriebenen Einzelapertur-Objektiv 21 steigert. Nach der vorstehend beschriebenen Gleichung $P_{i m} = π τ \cdot B_{o b} \cdot \frac{d^{2}}{4 \cdot {(\frac{F}{#})}^{2}}$
entspricht der Strahlungsfluss durch das Multiapertur-Objektiv 22 dem Strahlungsfluss durch ein Einzelapertur-Objektiv 21 mit einer Blendenzahl F/# von 0,25. Dieser Wert kann als obere Schranke für den Faktor gesehen werden, um den ein Multiapertur-Objektiv mit Mikrolinsen jeweils kleinerer Lichtstärke (größerer Blendenzahl) insgesamt mehr Licht einsammelt als ein Einzelapertur-Objektiv mit größerer Lichtstärke (kleinerer Blendenzahl), wobei angenommen wurde, dass der Sichtbereich (Field of View, FOV) der Mikrolinsen gleich dem FOV des Einzelapertur-Objektivs ist, die oben genannten Aperturzahlen zugrunde gelegt. Um eine untere Schranke abzuschätzen wird davon ausgegangen, dass das FOV des gesamten Multiapertur-Objektivs gleich dem FOV des Einzelapertur-Objektivs ist und 70° beträgt, wobei eine Mikrolinse nur einen Teil des gesamten FOV abdeckt. Dabei sollen die Mikrolinsen auf die Mitte des jeweiligen FOV-Bereichs ausgerichtet sein. Als Basis werden die gleichen Werte für die F/# von Mikrolinse und Einzelapertur-Objektiv verwendet wie zuvor. Das Mikrolinsenarray besteht wie in der obigen Tabelle aus 9 Zeilen mit je 15 Mikrolinsen. Bei der folgenden Betrachtung wird sich nun auf die mittlere Zeile, also die fünfte Zeile des genannten Mikrolinsenarrays beschränkt. Die Mittlere Zeile überblickt dabei ein horizontales FOV von etwa 70°, wobei durch die Ausrichtung der Mikrolinsen in Richtung des jeweiligen FOV kein Randlichtabfall auftritt. Gleichzeitig beträgt das FOV einer einzelnen Linse 9.2°. Da es 15 Linsen sind wird das gesamte FOV von 70° mit zweifacher Redundanz aufgenommen. Die Lichtintensität des Einzelapertur-Objektivs fällt jedoch proportional zu cos⁴(θ) ab (https://de.wikipedia.org/wiki/Cos4-Gesetz), wobei θ der Auftreffwinkel auf die Linse ist. Um eine Gewichtung für den gesamten Lichtfluss über das gesamte FOV zu bestimmen wird das Integral ${\int_{- 35 °}^{35 °} c o s (θ)}^{4} d θ$
berechnet, was etwa gleich 0,88 beträgt, und in Verhältnis zu der Gewichtung für winkelunabhängigen Lichtfluss gesetzt, das durch das Integral über einen konstanten Wert $\int_{- 35 °}^{35 °} d θ$
beschrieben wird und etwa 1,04 beträgt. Das Verhältnis dieser beiden Werte ist der Faktor, um den ein Objektiv mit Randlichtabschattung weniger Licht sammelt als ein Multiapertur-Objektiv ohne Randlichtabfall, bei gleicher Aperturzahl, und beträgt 0,88/1,04 =0,84. Da die Mikrolinsen eine größere Aperturzahl haben, ergibt sich wie oben berechnet ein neuer Faktor von 0,84/0,4 = 2,11 um den das Einzelapertur-Objektiv mit Randlichtabfall mehr Licht einsammelt. Aufgrund der erwähnten Redundanz der FOVs der Mikrolinsen reduziert sich dieses Verhältnis um den Faktor zwei, so dass das Multiapertur-Objektiv in etwa die gleiche Lichtsammeleffizienz aufweist wie das Einzelapertur-Objektiv. Da letzteres jedoch eine Bauhöhe von etwa 6mm aufweist, das Multiapertur-Objektiv aber eine TTL von nur 1,6mm besitzt, ergibt sich dadurch ein eindeutiger Vorteil mit Hinblick auf die Miniaturisierung eines Miniaturspektrometers. Alternativ kann das Kameramodul OVM7692 CameraCubeChip der Firma Omnivision als Referenz verwendet werden, das nach heutigem Stand der Technik mit einer Bauhöhe von 2,5 mm für das gesamte Kameramodul zu den derzeit kompaktesten Kamerasystemen gehört. Allerdings ist die Lichtstärke mit einer Aperturzahl von F/# = 2.8 gleich der der Mikrolinsen der Multiapertur-Kamera. Auch hier zeigt sich unter Berücksichtigung der vorherigen Argumentationskette, dass die Multiapertur-Kamera im Hinblick auf geringe Bauhöhe und Lichtausbeute überlegen ist. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass bei Verwendung einer Multiapertur-Kamera die Bauhöhe eines Miniaturspektrometers bei vergleichbarer Lichtstärke deutlich reduziert werden kann. bzw. die Lichtstärke bei vergleichbarer Bauhöhe deutlich höher ist.
4 zeigt ein Miniaturspektrometer 1000 in einem Querschnitt. Das optische Abbildungssystem 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes Mikrolinsenarray 61, umfassend mehrere konvex-plane Mikrolinsen 61', 62', wobei beispielsweise die erste Mikrolinse 61' und die zweite Mikrolinse 62' voneinander abweichende Blickrichtungen haben, wie dies vorstehend beschrieben ist. Im Strahlengang hinter dem ersten Mikrolinsenarray 61, auf einer von der optischen Einheit 1 abgewandten Seite des ersten Mikrolinsenarrays 61 ist das zweite Substrat 8" angeordnet, wobei im Strahlengang zwischen dem zweiten Substrat 8" und dem ersten Mikrolinsenarray 61 das erste Aperturarray 51 ausgebildet ist. Auf einer vom ersten Aperturarray 51 abgewandten Seite des zweiten Substrats 8" ist, durch die Haltestruktur beabstandet vom zweiten Substrat 8" gehalten, ein zweites Mikrolinsenarray 62 angeordnet, welches die gleiche Anzahl Mikrolinsen, wie das erste Mikrolinsenarray 61 aufweist, wobei die Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays 62 plan-konkav ausgebildet sind. Auf einer vom zweiten Substrat 8" abgewandten Seite des zweiten Mikrolinsenarrays 62 ist das dritte Substrat 8'" angeordnet, wobei im Strahlengang zwischen dem dritten Substrat 8'" und dem zweiten Mikrolinsenarray 62 das zweite Aperturarray 52 ausgebildet ist. Im Strahlengang auf einer vom zweiten Aperturarray 52 abgewandten Seite des dritten Substrats 8'" ist das dritte Aperturarray 53 ausgebildet. Im Strahlengang hinter dem dritten Aperturarray 53, das heißt auf einer vom dritten Substrat 8'" abgewandten Seite des dritten Aperturarrays 53 ist ein drittes Mikrolinsenarray 63 ausgebildet, wobei die Mikrolinsen 63', 63" plan-konvex ausgeführt sind. Die ersten Mikrolinsen 61', 62', 63' der Mikrolinsenarrays 61, 62, 63 bilden zusammen den ersten optischen Abbildungskanal, die zweiten Mikrolinsen 61", 62", 63" bilden den zweiten optischen Abbildungskanal, etc. Die Haltestruktur 7 hält die Substrate 8", 8'" mit den Aperturarrays 51, 52, 53 und den Mikrolinsenarrays 61, 62, 63 beabstandet zur Detektionseinheit 3, welche in der Bildebene 105 angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann die Haltestruktur 7 zwischen den optischen Abbildungskanälen ausgebildet werden (wie beispielsweise in 5 dargestellt). Die Haltestruktur 7 kann beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder Metall ausgebildet werden. Die Haltestruktur 7 kann aus einem lichtundurchlässigen Material ausgebildet sein oder durch geeignete Verfahren lichtundurchlässig gemacht werden, beispielsweise durch Schwärzen mit lichtabsorbierendem Material bei der Verwendung von Glas. Die Haltestruktur 7 und/oder die Aperturarrays 51, 52, 53, 54 können aus schwarz eloxiertem Aluminiumblech ausgeführt sein. Die Mikrolinsenarrays 61, 62, 63 können aus verschiedenen Materialien, wie beispielsweise Gläser, Kunststoffe, anorganische organische Polymere etc. abgeformt sein. Des Weiteren können eines oder mehrere der Mikrolinsenarrays 61, 62, 63 als Feld achromatischer Elemente ausgelegt sein. Durch die Haltestruktur können sowohl das Multiapertur-Objektiv 22, das optische Abbildungssystem 2 als auch die photoempfindlichen Sensorarrays 31, 32, 33, 34, 35 der Detektionseinheit 3 vor seitlich einfallendem Streulicht geschützt werden. Durch den beschriebenen Aufbau entsteht in jedem optischen Abbildungskanal ein kleines Mikroobjektiv, welches die von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetische Strahlung des jeweilig zugeordneten Abschnitts der optischen Einheit 1 auf das ihm zugeordnete Sensorarray 31, 32, 33, 34, 35, welches beispielsweise eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Photodioden als Sensorpixel 3' umfasst, der Detektionseinheit 3 abbildet.
5 zeigt einen Querschnitt des Miniaturspektrometers 1000, wobei ein Unterschied zum Miniaturspektrometer 1000 aus 3 darin besteht, dass das vierte Aperturarray 54 direkt auf die optische Einheit 1 aufgebracht ist, wodurch das erste Substrat 8' eingespart werden kann. In einem ersten Auftreffpunkt 201 und in einem zweiten Auftreffpunkt 202 trifft jeweils ein vom Objekt 1001 kommender Strahl auf die optische Einheit 1, umfassend ein Savart-Element 1' auf. Beim Passieren der optischen Einheit 1 wird der am ersten Auftreffpunkt 201 eintretende Strahl wie vorstehend beschrieben in zwei Teilstrahlen 103' aufgespalten und der am zweiten Auftreffpunkt 202 eintretende Strahl wie vorstehend beschrieben ebenfalls in zwei Teilstrahlen 103" aufgespalten. Auf einer vom Objekt abgewandten Seite der optischen Einheit 1 ist das erste Aperturarray 51 angeordnet. Da jede Mikrolinse 6', 6" einen eigenen Raumwinkelbereich 91, 92 der aufgesammelten Strahlen abbildet, entstehen auf der Detektionseinheit 3 mehrere kleine Interferogramme, jeweils ein Interferogramm pro Sensorarray 31, 32, 33, 34. Die Raumwinkelbereiche 91, 92 können dabei überlappend oder disjunkt sein. Die Information in den Interferogrammen ist dann demzufolge redundant, was zur Erhöhung der Lichtsammeleffizienz führt, oder unabhängig voneinander, was die Aufnahme eines größeren Bereichs des reziproken Raums und somit eine Erhöhung der spektralen Auflösung ermöglicht. Die Mikrolinsen 6', 6" im in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel können beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm und eine Brennweite 302 von 2 mm aufweisen. Weiterhin erfasst jede der Linsen einen kleinen Raumwinkelbereich, der einem Einfallswinkelbereich zugeordnet werden kann. Die Raumwinkelbereiche der einzelnen Mikrolinsen 6', 6" können beispielsweise wie folgt gewählt werden (beginnend bei der ersten Mikrolinse 6'): erster Raumwinkelbereich von -15° bis -9°, zweiter Raumwinkelbereich von -9° bis -3°, dritter Raumwinkelbereich von -3° bis 3°, vierter Raumwinkelbereich von 9° bis 3°], fünfter Raumwinkelbereich von 15° bis 9°. Setzt man die von den Sensorarrays 31, 32, 33, 34, 35 aufgenommenen Interferogramme nach entsprechender Permutation zusammen, wie dies beispielsweise in den 11 bis 16 dargestellt ist, erhält man demzufolge einen gesamten Raumwinkelbereich mit einem Betrag von 30°. Die Dicke 301 der optischen Einheit 1 kann in 5 beispielsweise 2 mm betragen und die Höhe 300 5mm.
Die Mikrolinsenarrays 6, 61, 62, 63 können einstückig ausgebildet sein und beispielsweise im Spritzgussverfahren oder lithografisch gefertigt sein.
6a zeigt einen Querschnitt einer Mikrolinse 6' und einem Sensorarray 31 mit simulierten Strahlenverläufen für Strahlen mit Einfallswinkeln auf die Mikrolinse 6' von 0°, 1°, 2°, 3°, 4° und 5°. Hierbei handelt es sich um eine sphärische Mikrolinse 6', welche beispielsweise aus PMMA (Acrylglas), Polycabonat oder Zeonex ausgeführt sein kann, mit einer Brennweite der Mikrolinse 6' von 2,5 mm, einer Eintrittspupille, welche in diesem Ausführungsbeispiel dem Mikrolinsendurchmesser entspricht, von 1mm und einer Blendenzahl F/# von 2,5.
Der Abstand 506 vom Scheitelpunkt der Mikrolinse 6' bis zur Bildebene 105 beträgt in der Simulation 2, 95 mm. Die Dicke der Mikrolinse 6' beträgt 1mm. Strahlen mit einem Auftreffwinkel aus einem Raumwinkelbereich von 0 bis 5° treffen auf die Mikrolinse 6'. Strahlen mit gleichem Auftreffwinkel auf die Mikrolinse 6' werden auf einen gemeinsamen Punkt auf dem Sensorarray 31 abgebildet, wie dies in 6a dargestellt ist. Strahlen 500 mit einem Einfallswinkel von 0° werden auf einen ersten Punkt fokussiert, Strahlen 501 mit einem Einfallswinkel von 1° werden auf einen zweiten Punkt fokussiert, Strahlen 503 mit einem Einfallswinkel von 3° werden auf einen dritten Punkt fokussiert, Strahlen 504 mit einem Einfallswinkel von 4° werden auf einen vierten Punkt fokussiert, Strahlen 505 mit einem Einfallswinkel von 5° werden auf einen fünften Punkt fokussiert, wobei die Punkte jeweils voneinander abweichen. Somit kann vom Sensorarray 31 ein Interferogramm aufgenommen werden. Auf dem Sensorarray 31 nimmt jedes Sensorpixel 3' beispielsweise eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung des Punktes auf, wobei die Position des Sensorpixels im Sensorarray 31 Aufschluss über den Einfallswinkel der auf den Punkt fokussierten Strahlen geben kann. Es ergibt sich somit ein ortsaufgelöstes Interferogramm.
6b zeigt eine Aufsicht auf ein Mikrolinsenarray 6, umfassend beispielsweise fünfundzwanzig Mikrolinsen, die in einer 5 × 5 Matrix angeordnet sind, welches beispielsweise in den 7 bis 9 als Multiapertur-Objektiv 22 des Miniaturspektrometers 1000 verwendet wird. Der Strahlengang verläuft senkrecht zur Zeichenebene. Die Mikrolinsen in 6b sind baugleichzueinander, das heißt sie weisen alle die gleiche Form und das gleiche Material auf. Die zentrale Mikrolinse 600 ist dabei senkrecht zum Strahlengang angeordnet, das heißt sie ist nicht verkippt. Zum Rand hin sind die Mikrolinsen jeweils in 10°-Schritten gegenüber der Austrittsfläche 1003 geneigt, was in 6b durch die von der zentralen Mikrolinse 600 zum Rand des Mikrolinsenarrays 6 kleiner werdenden Flächen illustriert ist.
In 7 und 8 sind zwei Perspektiven auf ein 3D-Modell der optischen Einheit 1 und einem Multiapertur-Objektiv 22, umfassend ein Mikrolinsenarray 6, welches in 6 b in einer Aufsicht gezeigt ist, auf das ein Strahlenbündel mit einem Öffnungswinkel von 10° und einer Haupteinfallsrichtung 104 von 20° trifft, dargestellt. Das Mikrolinsenarray 6 umfasst beispielsweise fünfundzwanzig Mikrolinsen, die in einer 5 x 5 Matrix angeordnet sind. Die zentrale Mikrolinse 600 ist dabei parallel zur Austrittsfläche der optischen Einheit 1 angeordnet, das heißt sie ist nicht verkippt. Zum Rand hin sind die Mikrolinsen jeweils in 10°-Schritten gegenüber der Austrittsfläche geneigt. Die zentrale Mikrolinse 600 bildet demzufolge einen Raumwinkelbereich von +5° bis -5° auf das ihr zugeordnete Sensorarray ab. Die zur zentralen Mikrolinse 600 direkt benachbarte Mikrolinse 601 nimmt Strahlung aus einem Raumwinkelbereich von +15° bis +5° auf und die nächste wiederum von +25° bis +15°. Das Mikrolinsenarray 6 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Kantenlänge von ca. 6mm, die genutzte Fläche des Savart-Polariskops eine Kantenlänge von ca. 7mm. Die gesamte Dicke des optischen Abbildungssystems 2 liegt bei etwa 4 mm. Die Aperturarrays 52, 53, die ein Übersprechen der einzelnen optischen Abbildungskanäle verhindern sollen, können beispielsweise aus schwarz eloxiertem Aluminiumblech ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend können die Aperturarrays 52, 53 durch Bedampfen mit reflektierenden oder absorbierenden Materialien auf Glassubstrate hergestellt werden.
Das gezeigte Mikrolinsenarray 6 basiert auf der einfachsten denkbaren Form, bei der die Linsen nur entsprechend den Raumwinkelbereichen, die sie aufnehmen sollen, gekippt sind. Alternativ oder ergänzend kann die Position und Form der Mikrolinsen angepasst werden. Beispielsweise können die Mikrolinsen voneinander abweichende Formen aufweisen, um jede Mikrolinse 6', 6", 6"' auf das ihr zugeordnete Bildfeld zu optimieren. In 9 ist im Strahlengang zwischen dem Multiapertur-Objektiv 22 und der Bildebene 105 das zweite Aperturarray 52 angeordnet. In 10 sind im Strahlengang zwischen dem Multiapertur-Objektiv 22 und der Bildebene 105 das zweite Aperturarray 52 und das dritte Aperturarray 53 angeordnet. Die Aperturarrays 52, 53 weisen quadratische Durchgangsöffnungen auf, durch welche elektromagnetische Strahlung die Aperturarrays 52, 53 passieren kann.
Die 11 bis 14 zeigen simulierte Interferogramme, welche von der Detektionseinheit 3 des Miniaturspektrometers 1000 mit Multiapertur-Objektiv 22 beispielsweise wie vorstehend beschrieben aufgenommen werden. Jedes Quadrat zeigt ein Interferogramm, welches von jeweils einem Sensorarray aufgezeichnet wurde. Das erste Interferogramm 106 des ersten Sensorarrays, das zweite Interferogramm 107 des zweiten Sensorarrays und ein weiteres Interferogramm 108 eines weiteren Sensorarrays sind in 11 als Rohdaten skizziert und in 13 vergrößert dargestellt. Jedes Interferogramm zeigt ein von den anderen Interferogrammen verschiedenes Interferenzmuster. In 12 sind die Einzel-Interferogramme zu einem zusammengeführten Interferogramm kombiniert. Hierzu wurden das erste Interferogramm 106, das zweite Interferogramm 107 und das weitere Interferogramm mit den anderen Interferogrammen permutiert, sodass sich ein gesamtes Interferenzmuster ergibt. Eine Vergrößerung der permutierten Interferogramme ist in 14 gezeigt. Die vergrößerten Bildausschnitte, die in den 13 und 14 dargestellt sind, zeigen die charakteristischen Interferenzstreifen. Die charakteristischen Interferenzstreifen sind der Übersichtlichkeit halber in den 11 und 12 nicht dargestellt. In 12 lassen sich auch die typischen Hintergrundstrukturen in Form eines langsam variierenden, hyperbolischen Musters erkennen. In 15 ist jedes Interferogramm mit einer Nummer versehen. Durch Vergleich der 15 und der Fig. 16 lässt sich nachvollziehen, wie die Interferogramme permutiert wurden, um das zusammengeführte Interferogramm zu erhalten. Das Interferogramm mit der Nummer 1 wurde beispielsweise nicht permutiert.
In 17 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 zur Analyse eines Objekts 1001 gezeigt. Das Verfahren 400 kann mittels eines Miniaturspektrometers 1000 durchgeführt werden, wie es beispielsweise in 5 dargestellt ist. Das Verfahren 400 umfasst die Schritte: Erzeugung 401 von zwei Teilstrahlen 103', welche relativ zueinander eine erste Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem ersten Einfallswinkel 41 auf die optische Einheit auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom ersten Einfallswinkel 41 abhängt; Erzeugung 401 von zwei weiteren Teilstrahlen 103", welche relativ zueinander eine zweite Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem zweiten Einfallswinkel 42 auf die optische Einheit auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom zweiten Einfallswinkel 42 abhängt und der zweite Einfallswinkel 42 vom ersten Einfallswinkel 41 abweichend ist; Zusammenführen 402 der Teilstrahlen 103' der elektromagnetischen Strahlung mit dem ersten Einfallswinkel 41 nach Durchlaufen der optischen Einheit 1 durch einen ersten optischen Abbildungskanal 6' auf einen gemeinsamen ersten Punkt zur Messung eines ersten Interferogramms 402'; Zusammenführen 403 der weiteren Teilstrahlen 103" der elektromagnetischen Strahlung mit dem zweiten Einfallswinkel nach Durchlaufen der optischen Einheit durch einen zweiten optischen Abbildungskanal 6" auf einen gemeinsamen zweiten Punkt zur Messung eines zweiten Interferogramms 403'; Ermitteln 404 eines Spektrums oder einer spektralen Information 404' aus dem ersten Interferogramm 402' und dem zweiten Interferogramm 403' zur Analyse des Objekts 1001. Das erste Interferogramm 402' kann in 5 von dem ersten Sensorarray 31 aufgenommen werden und das zweite Interferogramm 402' kann in 5 vom zweiten Sensorarray aufgenommen werden. Beispielsweise können zur Messung des ersten Interferogramms 402' Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit Einfallswinkeln, welche Auftreffwinkeln auf das Multiapertur-Objektiv 22 aus einem ersten Raumwinkelbereich 91 durch den ersten optischen Abbildungskanal 6' abgebildet werden, wobei Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden wie dies beispielsweise in 6a gezeigt ist. Die Messdaten der Punkte, welche von dem jeweiligen Sensorpixel 3' am Ort des jeweiligen Punktes aufgenommen werden, ergeben zusammen das erste Interferogramm 402'. Zur Messung des zweiten Interferogramms 403' können Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln aus einem zweiten Raumwinkelbereich 92 durch den zweiten optischen Abbildungskanal zusammengeführt werden, wobei Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden, wie dies beispielsweise in 6a gezeigt ist. Der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich können übereinstimmen oder der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich können zumindest teilweise voneinander abweichen. In 5 ist der erste Raumwinkelbereich 91 angrenzend an den zweiten Raumwinkelbereiche 92 gewählt. Der erste Raumwinkelbereich umfasst Strahlen mit Auftreffwinkeln von -15° bis -9°, der zweite Raumwinkelbereich umfasst Strahlen mit Auftreffwinkeln von -9° bis -3°. Ein Strahl, der mit einem Einfallswinkel auf die optische Einheit 1 auftrifft kann je nach Einfallswinkel und Polarisation aufgespalten und/ oder gebrochen werden. Es kann berechnet werden, mit welchem Winkel der Strahl relativ zum Lot auf die Austrittsfläche 1003 aus der optischen Einheit 1 nach Durchlaufen austritt. Dieser Winkel entspricht in 5 dem Auftreffwinkel, da das Multiapertur-Objektiv 22 parallel zur Austrittsfläche 1003 angeordnet ist.
In 18 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens 400 gezeigt, wobei beim Schritt der Ermittlung 404 des Spektrums oder der spektralen Information 404' eine Fouriertransformation 405 des ersten Interferogramms 402' erfolgt und eine Fouriertransformation 406 des zweiten Interferogramms 403' erfolgt und zur Ermittlung 404 des Spektrums oder der spektralen Information 404' zur Analyse des Objekts 1001 ein Zusammenführen 407 der Fouriertransformierten 405' des ersten Interferogramms 402' und der Fouriertransformierten 406' des zweiten Interferogramms 403' erfolgt.
In 19 wird beim Schritt der Ermittlung 404 des Spektrums oder der spektralen Information 404' ein Zusammenführen 408 des ersten Interferogramms 402' und des zweiten Interferogramms 403' erfolgt, wodurch sich ein zusammengeführtes Interferogramm 408' ergibt. Das zusammengeführte Interferogramm, wie es beispielsweise in 12 dargestellt ist wird zur Ermittlung 404 des Spektrums oder der spektralen Information 404' zur Analyse des Objekts 1001 fouriertransformiert 409.
Die Detektionseinheit 3 kann eine Auswerteeinheit umfassen, welche dazu eingerichtet sein kann die spektralen Informationen 404' mit einer Datenbankeinheit abzugleichen, um somit beispielsweise zu ermitteln, ob ein bestimmter Stoff im Objekt 1001 enthalten ist oder um das Objekt 1001 beispielsweise anhand seines Spektrums zu identifizieren. In der Datenbankeinheit können Referenz-Spektren hinterlegt sein oder charakteristische chemische Signaturen, welche chemischen Stoffen oder Stoffgemischen oder bekannten Objekten, wie beispielsweise Lebensmitteln, zugeordnet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9316539 B1 [0001]
WO 2011/093794 A1 [0002, 0004]
US 2011/10228142 A1 [0030]

Claims

Miniaturspektrometer (1000), umfassend - eine Detektionseinheit (3), welche zur Bestimmung einer optischen Größe einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, - eine optische Einheit (1), welche ein Savart-Element (1') umfasst, wobei das Savart-Element (1') einen Polarisator (10), ein erstes doppelbrechendes Element (12') und ein zweites doppelbrechendes Element (12") und einen Analysator (11) umfasst, und - ein optisches Abbildungssystem (2), welches im Strahlengang zwischen der optischen Einheit (1) und der Detektionseinheit (3) angeordnet ist, wobei das optische Abbildungssystem (2) dazu eingerichtet ist, von der optischen Einheit (1) kommende elektromagnetische Strahlung (103', 103") auf die Detektionseinheit (3) abzubilden, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Abbildungssystem (2) ein Multiapertur-Objektiv (22) umfasst, wobei das Multiapertur-Objektiv (22) mehrere optische Abbildungskanäle umfasst.
Miniaturspektrometer (1000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass das Multiapertur-Objektiv (22) mindestens einen ersten optischen Abbildungskanal und mindestens einen zweiten optischen Abbildungskanal umfasst, - dass die Detektionseinheit (3) mindestens ein erstes Sensorarray (31) und mindestens ein zweites Sensorarray (32) umfasst, und - dass der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Anteil (103') der von der optischen Einheit (1) kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, zumindest einen zweiten Anteil (103") der von der optischen Einheit (1) kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray (32) abzubilden.
Miniaturspektrometer (1000) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass das Multiapertur-Objektiv (22) mindestens eine erste Mikrolinse (6') und mindestens eine zweite Mikrolinse (6") umfasst, - dass der erste optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den ersten Anteil (103') der von der optischen Einheit (1) kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray (31) abzubilden, die erste Mikrolinse (6') umfasst und der zweite optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den zweiten Anteil (103") der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray (32) abzubilden, die zweite Mikrolinse (6") umfasst.
Miniaturspektrometer (1000) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, eine von der optischen Einheit (1) aus einem ersten Raumwinkelbereich (91) kommende elektromagnetische Strahlung (103') auf das erste Sensorarray (31) abzubilden und dass der zweite optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, eine von der optischen Einheit (1) aus einem zweiten Raumwinkelbereich (92) kommende elektromagnetische Strahlung (103") auf das zweite Sensorarray (32) abzubilden, wobei der erste Raumwinkelbereich (91) zumindest teilweise von dem zweiten Raumwinkelbereich (92) abweichend ist.
Miniaturspektrometer (1000) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, eine von der optischen Einheit (1) aus einem ersten Raumwinkelbereich (91) kommende elektromagnetische Strahlung auf das erste Sensorarray (31) abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, eine von der optischen Einheit (1) aus einem zweiten Raumwinkelbereich (92) kommende elektromagnetische Strahlung auf das zweite Sensorarray (32) abzubilden, wobei der erste Raumwinkelbereich (91) und der zweite Raumwinkelbereich (92) übereinstimmen.
Miniaturspektrometer (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Abbildungssystem (2) mindestens ein Aperturarray (51, 52, 53, 54) umfasst.
Verfahren (400) eingerichtet zur spektralen Analyse eines Objekts (1001) mittels eines Miniaturspektrometers (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (400) die nachfolgenden Schritte aufweist: - Erzeugung (401) von zwei Teilstrahlen (103'), welche relativ zueinander eine erste Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem ersten Einfallswinkel (41) auf die optische Einheit (1) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom ersten Einfallswinkel (41) abhängt; - Erzeugung (401) von zwei weiteren Teilstrahlen (103"), welche relativ zueinander eine zweite Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem zweiten Einfallswinkel (42) auf die optische Einheit (1) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom zweiten Einfallswinkel (42) abhängt und der zweite Einfallswinkel (42) vom ersten Einfallswinkel (41) abweichend ist; - Zusammenführen (402) der Teilstrahlen (103') der elektromagnetischen Strahlung mit dem ersten Einfallswinkel (41) nach Durchlaufen der optischen Einheit (1) durch einen ersten optischen Abbildungskanal auf einen gemeinsamen ersten Punkt zur Messung eines ersten Interferogramms (402'); - Zusammenführen (403) der weiteren Teilstrahlen (103") der elektromagnetischen Strahlung mit dem zweiten Einfallswinkel (42) nach Durchlaufen der optischen Einheit (1) durch einen zweiten optischen Abbildungskanal auf einen gemeinsamen zweiten Punkt zur Messung eines zweiten Interferogramms (403'); - Ermitteln (404) eines Spektrums oder einer spektralen Information (404') aus dem ersten Interferogramm (402') und dem zweiten Interferogramm (403') zur Analyse des Objekts (1001).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, - dass zur Messung des ersten Interferogramms (402') Teilstrahlen (103') der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln (1004) auf das Multiapertur-Objektiv (22) aus einem ersten Raumwinkelbereich (91) durch den ersten optischen Abbildungskanal abgebildet werden, wobei Teilstrahlen (103') der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln (1004) jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden und - dass zur Messung des zweiten Interferogramms (403') Teilstrahlen (103") der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln (1004) aus einem zweiten Raumwinkelbereich (92) durch den zweiten optischen Abbildungskanal zusammengeführt werden, wobei Teilstrahlen (103") der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln (1004) jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden, - wobei der erste Raumwinkelbereich (91) und der zweite Raumwinkelbereich (92) übereinstimmen oder der erste Raumwinkelbereich (91) und der zweite Raumwinkelbereich (92) zumindest teilweise voneinander abweichen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung (404) des Spektrums oder der spektralen Information (404') eine Fouriertransformation (405) des ersten Interferogramms (402') erfolgt und eine Fouriertransformation (406) des zweiten Interferogramms (403') erfolgt und zur Ermittlung (404) des Spektrums oder der spektralen Information zur Analyse des Objekts ein Zusammenführen (407) der Fouriertransformierten (405') des ersten Interferogramms (402') und der Fouriertransformierten (406') des zweiten Interferogramms (403') erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung (404) des Spektrums oder der spektralen Information (404') ein Zusammenführen (408) des ersten Interferogramms (402') und des zweiten Interferogramms (403') erfolgt, wodurch sich ein zusammengeführtes Interferogramm (408') ergibt und zur Ermittlung des Spektrums oder der spektralen Information (404') zur Analyse des Objekts (1001) eine Fouriertransformation (409) des zusammengeführten Interferogramms (408') erfolgt.