DE102017204363A1

DE102017204363A1 - Optisches System, Miniaturspektrometer, Verfahren zur Analyse eines Objekts

Info

Publication number: DE102017204363A1
Application number: DE102017204363.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Husnik; Christian Huber; Marc Schmid; Hartmut Kueppers; Benedikt STEIN; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2018-09-20
Also published as: FR3064058A1; FR3064058B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System (100), aufweisend
• mindestens ein erstes Element (1) mit einer ersten Dimensionierung
• und mindestens ein zweites Element (2) mit einer zweiten Dimensionierung, wobei
• das erste Element (1) und das zweite Element (2), bezüglich einer Einstrahlrichtung einer elektromagnetischen Strahlung (10', 10") zueinander benachbart angeordnet sind,
• das erste Element (1) dazu ausgebildet ist eine erste Phase eines ersten Anteils (10') der unter einem Einfallswinkel (3) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung um einen ersten Betrag zu verschieben,
• das zweite Element (2) dazu ausgebildet ist eine zweite Phase eines zweiten Anteils (10") der unter dem Einfallswinkel (3) auftreffende elektromagnetischen Strahlung um einen zweiten Betrag zu verschieben,
• wobei der zweite Betrag unterschiedlich zu dem ersten Betrag ist.

Description

Stand der Technik
In US 9316539 B1 ist ein statisches Fourier-Transformationsspektrometer beschrieben. Das statische Fourier-Transformationsspektrometer umfasst einen Diffusor, eine Anordnung, welche doppelbrechende Kristalle und Polarisatoren umfasst und welche unterschiedliche Gangunterschiede generiert, sowie eine Sammellinse, welche Strahlen mit gleichem Gangunterschied auf einen Punkt eines Detektorarrays fokussiert. Das Interferogramm, welches am Detektor entsteht wird fouriertransformiert.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein optisches System, ein Miniaturspektrometer und ein Verfahren zur Analyse eines Objekts.
Spektrale Informationen eines Objektes können aus einer vom Objekt kommenden elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise aus einer von dem Objekt emittierten, reflektierten, transmittierten und/ oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung, gewonnen werden, indem diese elektromagnetische Strahlung beispielsweise von einem Spektrometer aufgenommen und ausgewertet wird. Ein Beispiel eines Spektrometers ist das Fourier-Transformations-Spektrometer. Bei Fourier-Transformations-Spektrometern können zu jedem Zeitpunkt alle Wellenlängen der von dem Objekt emittierten, reflektierten, transmittierten und/ oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung elektromagnetischen Strahlung zum Messsignal des Spektrometers beitragen. Daher kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis von Fourier-Transformations-Spektrometern gegenüber anderen Spektrometern verbessert werden und eine Zeitdauer zur Durchführung der Messung kann verkürzt werden. Solche Spektrometer basieren auf dem Prinzip die spektrale Information aus einem Interferogramm zu ermitteln. Es wird zwischen zwei Strahlen relativ zueinander eine Phasenverschiebung erzeugt, welche einem Gangunterschied zugeordnet werden kann. Anschließend werden die Strahlen wieder zusammengeführt, sodass sie abhängig von den in den Strahlen enthaltenen Frequenzen und dem Gangunterschied interferieren. Somit kann beispielsweise das Interferogramm erzeugt werden. Mittels Fourier-Transformation kann aus dem Interferogramm ein Spektrum ermittelt werden. Aus dem Spektrum können spektrale Informationen über das Objekt gewonnen werden.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass das optische System eine hohe mechanische und messtechnische Robustheit aufweist. Ein weiterer Vorteil ist, dass das optische System einen sehr kompakten Aufbau und somit eine Miniaturisierung des optischen Systems ermöglicht. Des Weiteren kann das optische System einfach und platzsparend beispielsweise in ein Miniaturspektrometer integriert werden. Zudem kann das optische System kostengünstig hergestellt werden.
Dies wird erreicht mit einem optischen System, aufweisend mindestens ein erstes Element mit einer ersten Dimensionierung und mindestens ein zweites Element mit einer zweiten Dimensionierung. Das optische System zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Element und das zweite Element, bezüglich einer Einstrahlrichtung einer elektromagnetischen Strahlung zueinander benachbart angeordnet sind, dass das erste Element dazu ausgebildet ist, eine erste Phase eines ersten Anteils der unter einem Einfallswinkel auftreffenden elektromagnetischen Strahlung um einen ersten Betrag zu verschieben und dass das zweite Element dazu ausgebildet ist, eine zweite Phase eines zweiten Anteils der unter dem Einfallswinkel auftreffende Strahlung um einen zweiten Betrag zu verschieben, wobei der zweite Betrag unterschiedlich zu dem ersten Betrag ist. Das optische System ermöglicht somit vorteilhafterweise, dass der erste Anteil und der zweite Anteil nach Auftreffen auf das optische System relativ zueinander eine Phasenverschiebung aufweisen. Trifft elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das optische System, so weisen jeweils Strahlen mit gleichem Einfallswinkel, die unterschiedliche Elemente durchlaufen haben, nach Auftreffen auf das optische System relativ zueinander eine Phasenverschiebung auf, die einem Gangunterschied zugeordnet werden kann. Diese relative Phasenverschiebung hängt folglich vom Einfallswinkel ab. Somit können mittels des optischen Systems vorteilhafterweise ohne mechanisch bewegliche Teile unterschiedliche Gangunterschiede erzeugt werden. Daher weist das optische System eine hohe mechanische Robustheit auf. Des Weiteren können vorteilhafterweise Gangunterschiede mit einer hohen Genauigkeit generiert werden und damit die Zuverlässigkeit von Messungen, welche von den Gangunterschieden abhängen, erhöht werden.
In einer Ausführungsform weist das erste Element eine erste Dicke und das zweite Element eine zweite Dicke auf, wobei die erste Dicke und die zweite Dicke voneinander abweichen. Alternativ oder ergänzend kann das erste Element ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindex umfassen und das zweite Element ein zweites Material mit einem zweiten Brechungsindex umfassen, wobei der erste Brechungsindex und der zweite Brechungsindex voneinander abweichen. Ein Vorteil ist, dass somit eine Verwendung von kompakten, statischen Elementen ermöglicht wird und somit ein mechanisch und messtechnisch robustes optisches System realisiert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform können auf einer ersten Oberfläche des optischen Systems eine oder mehrere Reflexions-Schichten ausgebildet sein, welche auf das optische System auftreffende elektromagnetische Strahlung reflektieren. Ein Vorteil ist, dass somit Verluste durch Absorption oder eher in Form einer ungewollten Transmission bzw. Reflexion (je nach Verwendung des FT-Spektrometers) auf im optischen System verringert werden können. Beispielsweise kann auf der ersten Oberfläche des optischen Systems ein winkelangepasster dielektrischer Schichtstapel angeordnet werden.
Ein Vorteil eines Miniaturspektrometers, aufweisend mindestens ein optisches System gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, welches dazu geeignet ist von einem Objekt kommende elektromagnetische Strahlung aufzunehmen, mindestens eine Detektionseinheit, welche dazu eingerichtet ist ein Interferogramm des Objekts aufzuzeichnen und mindestens eine Fokussiereinheit, welche im Strahlengang zwischen dem optischen System und der Detektionseinheit angeordnet ist, ist, dass das Miniaturspektrometer kompakt und kostengünstig realisiert werden kann und des Weiteren eine hohe mechanische und messtechnische Robustheit aufweist. Vorteilhafterweise können alle Wellenlängen gleichzeitig gemessen werden und damit die Messzeit reduziert werden. Des Weiteren weisen die Messergebnisse des Miniaturspektrometers ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf. Ein Miniaturspektrometer ist ein Spektrometer mit Abmessungen im Zentimeterbereich, wobei auch geringere Abmessungen unterhalb des Zentimeterbereichs eingeschlossen sind.
In einer Ausführungsform umfasst die Detektionseinheit eine Recheneinheit, welche dazu eingerichtet ist aus dem Interferogramm ein Spektrum des Objekts zu bestimmen. Somit kann eine spektrale Information, wie beispielsweise eine chemische Zusammensetzung eines Produkts oder Informationen über einen bestimmtes Stoffgemisch in einem Objekt mit einer hohen Zuverlässigkeit ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Fokussiereinheit ein Mikrolinsenarray. Ein Vorteil ist, dass Mikrolinsenarrays einfach und kostengünstig hergestellt werden können und das Mikrolinsenarray platzsparend im Miniaturspektrometer angeordnet werden kann und somit eine Miniaturisierung des Miniaturspektrometers ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Fall, dass mehrere insbesondere unterschiedliche optische Systeme bezüglich der Einstrahlrichtung nebeneinander angeordnet werden, die elektromagnetische Strahlung, die auf die optischen Systeme auftrifft mittels nur einer einfachen Fokussiereinheit auf die Detektionseinheit geleitet werden kann und somit die mechanische Robustheit und die Zuverlässigkeit der Messergebnisse des Miniaturspektrometers erhöht werden kann.
In einer Ausführungsform kann im Strahlengang zwischen dem Objekt und dem optischen System ein Diffusor angeordnet werden. Ein Vorteil ist, dass somit eine gleichmäßige Verteilung der Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung erreicht werden kann. Zum einen wird damit eine gleichmäßige Lichtverteilung über die verschiedenen Bereiche und zum anderen wird wie vorstehend beschrieben eine gleichmäßige Verteilung der Einfallswinkel ermöglicht. Insbesondere ist durch die Verwendung des Diffusors die Einfallswinkelverteilung im Miniaturspektrometer entkoppelt von der Einfallswinkelverteilung des auf das Miniaturspektrometer treffenden Lichts.
Das Miniaturspektrometer kann in einer Ausführungsform ein erstes optisches System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen und ein zweites optisches System gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen umfassen, wobei das erste optische System und das zweite System bei gleichem Einfallswinkel voneinander abweichende Phasenverschiebungen generieren. Insbesondere weist die elektromagnetische Strahlung nach Auftreffen auf das erste optische System einen ersten Gangunterschied auf und die elektromagnetische Strahlung weist nach Auftreffen auf das zweite optische System je nach Winkel einen zweiten Gangunterschied auf. Somit können vorteilhafterweise über einen großen Gangunterschiedsbereich Interferogramme aufgenommen werden, aus denen dann, mittels einer Fourier-Transformation, ein optisches Spektrum mit guter Wellenlängenauflösung gewonnen werden kann.
Ein Verfahren zur Analyse eines Objekts mittels eines Miniaturspektrometers gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das optische System unterschiedliche Phasenverschiebungen einer auf das optische System auftreffenden elektromagnetischen Strahlung generiert, Anteile der elektromagnetischen Strahlung mit gleichem Einfallswinkel zur Interferenz gebracht werden, wobei sich ein Interferogramm ergibt und zur Analyse des Objekts aus dem Interferogramm ein Spektrum oder eine spektrale Information ermittelt wird, ermöglicht vorteilhafterweise eine Aufzeichnung von Interferogrammen über einen großen Gangunterschiedsbereich, aus denen dann ein optisches Spektrum mit guter Wellenlängenauflösung gewonnen werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann und somit die Genauigkeit und Sensitivität der Messung zur Analyse des Objekts erhöht werden kann.
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 einen Querschnitt eines optischen Systems, aufweisend ein erstes Element, welches eine erste Dicke aufweist und ein zweites Element, welches eine von der ersten Dicke abweichende zweite Dicke aufweist,
2 einen Querschnitt eines optischen Systems, aufweisend ein erstes Element, welches ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindex umfasst und eine zweites Element, welches teilweise ein zweites Material mit einem von dem ersten Brechungsindex abweichenden zweiten Brechungsindex umfasst,
3 einen Querschnitt eines optischen Systems, aufweisend ein erstes Element, und eine zweites Element, welche jeweils voneinander verschiedene Anteile eines ersten Materials mit einem ersten Brechungsindex und eines zweiten Materials mit einem von dem ersten Brechungsindex verschiedenen zweiten Brechungsindex umfassen,
4 einen Querschnitt eines optischen Systems, aufweisend ein erstes Element, welches aus einem ersten Material mit einem ersten Brechungsindex ausgebildet ist und ein zweites Element, welches aus einem zweiten Material mit einem von dem ersten Brechungsindex abweichenden zweiten Brechungsindex ausgebildet ist,
5 einen Querschnitt eines optischen Systems, welches eine spiegelnde Beschichtung auf einer ersten Seite des optischen Systems aufweist,
6 einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers, welches ein optisches System, eine Fokussiereinheit und eine Detektionseinheit umfasst,
7 einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers, wobei zwischen einem Objekt und einem optischen System ein Diffusor angeordnet ist,
8 einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers, wobei das optische System eine spiegelnde Beschichtung aufweist,
9 einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers, welches mehrere bezüglich einer Einstrahlrichtung nebeneinander angeordnete optische Systeme umfasst, welche sich voneinander unterscheiden und
10 einen Ablauf eines Verfahrens zur Analyse eines Objekts.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines optischen Systems 100, welches ein erstes Element 1 und ein zweites Element 2 umfasst. Das erste Element 1 weist eine erste Dimensionierung auf und das zweite Element 2 weist eine zweite Dimensionierung auf. Eine Dimensionierung umfasst ein Material und Abmessungen eines Elements 1, 2. In diesem Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Dimensionierungen des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 in einer Abmessung parallel zur z-Richtung in 1. Diese Abmessung parallel zur z-Richtung wird im Folgenden als Dicke bezeichnet. Die Dicke des ersten Elements 1 wird als erste Dicke 1' bezeichnet, die Dicke des zweiten Elements 2 wird als zweite Dicke 2' bezeichnet. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Dicke 1' kleiner als die zweite Dicke 2'. Das erste Element 1 und das zweite Element 2 sind hierbei aus dem gleichen Material ausgebildet. In einem weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können das erste Element 1 und das zweite Element 2 zumindest teilweise unterschiedliche Materialien aufweisen. Solche Ausführungsbeispiele sind beispielsweise auch in 2, 3 und 4 gezeigt, die nachfolgend näher beschrieben werden. Das erste Element 1 und das zweite Element 2 sind bezüglich einer Einstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung 10', 10" nebeneinander, das heißt zu einander benachbart, angeordnet. Die Einstrahlrichtung bezeichnet allgemein eine Richtung aus der elektromagnetische Strahlung 10', 10" auf das optische System 100 auftrifft. Dass das erste Element 1 und das zweite Element 2 bezüglich der Einstrahlrichtung zueinander benachbart angeordnet sind, bedeutet insbesondere, dass das optische System 100 derart ausgebildet ist, dass die elektromagnetische Strahlung 10', 10", welche auf das optische System 100 auftrifft und von dem optischen System 100 transmittiert wird, wie dies beispielsweise in 1 bis 4 gezeigt ist, ein erster Anteil 10' der elektromagnetischen Strahlung existiert, der nur das erste Element 1 passiert und ein zweiter Anteil 10" der elektromagnetischen Strahlung existiert, der nur das zweite Element 2 passiert. Im Fall, dass die elektromagnetische Strahlung 10', 10", welche auf das optische System 100 auftrifft vom optischen System 100 reflektiert wird, bedeutet dass das erste Element 1 und das zweite Element 2 bezüglich der Einstrahlrichtung zueinander benachbart angeordnet sind, dass ein erster Anteil 10' der elektromagnetischen Strahlung existiert, der nur auf das erste Element 1 auftrifft und ein zweiter Anteil 10" der elektromagnetischen Strahlung existiert, der nur auf das zweite Element 2 auftrifft, wie dies beispielsweise in 5 gezeigt ist. Dass das erste Element 1 und das zweite Element 2 bezüglich der Einstrahlrichtung zueinander benachbart angeordnet sind, bedeutet folglich insbesondere, dass das optische System 100 derart ausgebildet ist, dass ein erster Anteil 10' der elektromagnetischen Strahlung, die auf das optische System 100 auftrifft, existiert, der nur auf das erste Element 1 auftrifft und ein zweiter Anteil 10" der elektromagnetischen Strahlung, die auf das optische System 100 auftrifft, existiert, der nur auf das zweite Element 2 auftrifft. „Bezüglich der Einstrahlrichtung zueinander benachbart angeordnet“ ist insbesondere in Abgrenzung zu „bezüglich der Einstrahlrichtung hintereinander angeordnet“ zu verstehen. „Bezüglich der Einstrahlrichtung hintereinander angeordnet“ bedeutet, dass elektromagnetische Strahlung zuerst auf ein erstes Element auftrifft und nur im Fall, dass sie vom ersten Element transmittiert wird in das zweite Element eintritt.
In 1 ist das optische System 100 in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene angeordnet. Das optische System 100 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel fünf erste Elemente 1 und fünf zweite Elemente 2, wobei die Elemente 1, 2 in der Ebene parallel zur x-y-Ebene zueinander benachbart angeordnet sind. Es ist jeweils zwischen zwei ersten Elementen 1 ein zweites Element 2 angeordnet, sodass sich eine periodische Abfolge von ersten und zweiten Elementen 1, 2 ergibt. In 1 trifft elektromagnetische Strahlung 10', 10" unter einem Einfallswinkel 3 auf das optische System 100 auf. Der Einfallswinkel 3 wird bezüglich der x-y-Ebene angegeben und kann beispielsweise einen Wert zwischen 0° und 180° aufweisen, was in 1 einer Einstrahlrichtung von oberhalb des optischen Systems 100 entspricht oder einen Wert zwischen 0° und -180° aufweisen, was in 1 einer Einstrahlrichtung von unterhalb des optischen Systems 100 entsprechen würde (nicht dargestellt). Die elektromagnetische Strahlung 10', 10", welche auf das optische System 100 auftrifft, ist in 1 beispielhaft durch zwei Pfeile dargestellt, welche einen Verlauf der elektromagnetischen Strahlung 10', 10" durch das optische System skizzieren. Ein erster Anteil 10' der elektromagnetischen Strahlung, welche unter dem Einfallswinkel 3 auf das optische System 100 auftrifft, passiert das erste Element 1, welches die erste Dicke 1' aufweist. Das optische System 100 ist aus einem anderen Material als das das optische System 100 umgebende Medium ausgebildet. Insbesondere kann das Material, aus dem das optische System 100 ausgebildet ist, einen Brechungsindex aufweisen, der von einem Brechungsindex des umgebenden Mediums abweicht. Der erste Anteil 10' der elektromagnetischen Strahlung ändert beim Eintritt in das erste Element 1 seine Ausbreitungsrichtung (nicht dargestellt), gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz, da das erste Element 1 einen anderen Brechungsindex als das umgebende Medium aufweist. Beim Austritt aus dem ersten Element 1 wird der erste Anteil 10' wieder gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz gebrochen und ändert folglich seine Ausbreitungsrichtung erneut (nicht dargestellt). Der erste Anteil 10' vor Auftreffen auf das optische System 100 und der erste Anteil 10' nach Passieren des ersten Elements 1 verlaufen parallel zueinander. Daher weist der erste Anteil eine erste Phase auf, welche gegenüber einem Strahl, der ohne Brechung das optische System 100 passiert, um einen ersten Betrag, das heißt eine Differenz der ersten Phase und der Phase des ungebrochenen Strahls, verschoben ist. Der erste Betrag hängt unter anderem von der ersten Dicke 1', dem Brechungsindex des ersten Elements 1 und dem Einfallswinkel 3 ab. Analog dazu wird der zweite Anteil 10" der elektromagnetischen Strahlung 10" von dem zweiten Element 2 transmittiert. Der zweite Anteil 10" der elektromagnetischen Strahlung, welche unter dem Einfallswinkel 3 auf das optische System 100 auftrifft, passiert das zweite Element 2, welches die von der ersten Dicke 1' abweichende zweite Dicke 2' aufweist. Der zweite Anteil 10" der elektromagnetischen Strahlung ändert beim Eintritt in das zweite Element 2 seine Ausbreitungsrichtung (nicht dargestellt), gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz, da das zweite Element 2 wie zuvor beschrieben einen anderen Brechungsindex als das umgebende Medium aufweist. Beim Austritt aus dem zweiten Element 2 wird der zweite Anteil 10" wieder gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz gebrochen und ändert folglich seine Ausbreitungsrichtung erneut (nicht dargestellt). Der zweite Anteil 10" vor Auftreffen auf das optische System 100 und der zweite Anteil 10" nach Passieren des zweiten Elements verlaufen parallel zueinander. Daher weist der zweite Anteil nach Auftreffen auf das optische System 100 eine zweite Phase auf, welche gegenüber einem Strahl, der ohne Brechung das optische System 100 passiert um einen zweiten Betrag, das heißt eine Differenz der zweiten Phase und der Phase des ungebrochenen Strahls, verschoben ist. Der zweite Betrag hängt unter anderem von der zweiten Dicke 2', dem Brechungsindex des zweiten Elements 2 und dem Einfallswinkel 3 ab. Das erste Element 1 ist dazu ausgebildet, die erste Phase des ersten Anteils 10' der unter dem Einfallswinkel 3 auftreffenden Strahlung um den ersten Betrag gegenüber dem ungebrochenen Strahl zu verschieben, das zweite Element ist dazu ausgebildet, die zweite Phase des zweiten Anteils 10" der unter dem Einfallswinkel auftreffenden Strahlung um den zweiten Betrag gegenüber dem ungebrochenen Strahl zu verschieben. Der zweite Betrag ist unterschiedlich zu dem ersten Betrag. Somit weisen der erste Anteil 10' und der zweite Anteil 10", die unter dem gleichen Einfallswinkel 3 und mit der gleichen Phase auf das optische System 100 auftreffen, nach Passieren des optischen Systems 100 relativ zueinander eine Phasenverschiebung auf. Diese relative Phasenverschiebung entspricht einem Gangunterschied zwischen dem ersten Anteil 10' und dem zweiten Anteil 10". Die relative Phasenverschiebung hängt von der Differenz der ersten Dicke 1' und der zweiten Dicke 2', dem Brechungsindex des optischen Systems und dem Einfallswinkel 3 ab. Folglich kann elektromagnetische Strahlung die unter einem von dem Einfallswinkel 3 verschiedenen Winkel auf das gleiche optische System 100 trifft, nach Durchgang durch das optische System 100 einen abweichenden Gangunterschied aufweisen. Mittels des optischen Systems 100 können folglich Gangunterschiede in Abhängigkeit des Einfallswinkels 3 generiert werden. Einige Beispiele von Materialien für die Elemente 1, 2 sind unter anderem: verschiedene Dielektrika, wie beispielsweise Lacke (Polymethylmethacrylat (PMMA), SU-8 Fotolack), Magnesiumfluorid, verschiedene Gläser oder Silizium etc.. Abmessungen der Elemente 1, 2 in der Fläche können beispielsweise wenige mm, beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, betragen. Die Höhe kann je nach gewünschtem Gangunterschied gewählt werden. Die Gangunterschiede können je nach Auflösung im Bereich von einigen zehn bis einige hundert µm liegen.
2 zeigt einen Querschnitt eines optischen Systems 100. Ein Unterschied zu dem optischen System 100 in 1 besteht darin, dass das erste Element 1 und das zweite Element die gleiche Dicke aufweisen. Das erste Element umfasst ein erstes Material 1" mit einem ersten Brechungsindex auf dem ein zweites Material 2" mit einem zweiten Brechungsindex ausgebildet ist, wobei der erste Brechungsindex und der zweite Brechungsindex voneinander abweichen. Das zweite Element 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus dem zweiten Material 2" mit dem zweiten Brechungsindex ausgebildet. Der erste Anteil 10' der elektromagnetischen Strahlung, welcher unter dem Einfallswinkel 3 auf das erste Element 1 auftrifft ändert beim Eintritt in das erste Element 1 seine Ausbreitungsrichtung (nicht dargestellt), gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz, da das erste Element 1 einen anderen Brechungsindex als das umgebende Medium aufweist. Beim Übergang vom ersten Material 1" zum zweiten Material 2" kann sich, aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes der beiden Materialen 1", 2", auch die Ausbreitungsrichtung ändern. Nach Durchlaufen des zweiten Materials 2" wird der erste Anteil 10' wieder gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz gebrochen, da der Strahl aus dem zweiten Material 2" mit dem zweiten Brechungsindex in das erste Material 1" mit dem ersten Brechungsindex eintritt und ändert folglich seine Ausbreitungsrichtung erneut (nicht dargestellt). Der erste Anteil 10' vor Auftreffen auf das erste Element 1 und der erste Anteil 10' nach Passieren des ersten Elements 1 verlaufen parallel zueinander. Daher weist der erste Anteil 10' eine erste Phase auf, welche gegenüber einem Strahl, der ohne Brechung das optische System 100 passiert, um einen ersten Betrag, das heißt eine Differenz der ersten Phase und der Phase des ungebrochenen Strahls, verschoben ist. Der erste Betrag hängt unter anderem von der Dicke der Schicht des ersten Materials 1" und der Dicke der Schicht des zweiten Materials 2" des ersten Elements 1 und dem Einfallswinkel 3 ab. Analog dazu wird der zweite Anteil 10" der elektromagnetischen Strahlung 10" von dem zweiten Element 2 transmittiert wie dies vorstehend zu 1 beschrieben ist. Der zweite Anteil 10" weist nach Passieren des zweiten Elements 2 eine zweite Phase auf, welche gegenüber einem Strahl, der ohne Brechung das optische System 100 passiert, um einen zweiten Betrag, das heißt eine Differenz der zweiten Phase und der Phase des ungebrochenen Strahls, verschoben ist. Der zweite Betrag hängt unter anderem von der Dicke des zweiten Elements 2, dem Brechungsindex des zweiten Elements 2 und dem Einfallswinkel 3 ab. Das erste Element 1 ist dazu ausgebildet, die erste Phase des ersten Anteils 10' der unter dem Einfallswinkel 3 auftreffenden Strahlung um den ersten Betrag zu verschieben, das zweite Element ist dazu ausgebildet, die zweite Phase des zweiten Anteils 10" der unter dem Einfallswinkel auftreffenden Strahlung um den zweiten Betrag zu verschieben. Der zweite Betrag ist unterschiedlich zu dem ersten Betrag. Somit weisen der erste Anteil 10' und der zweite Anteil 10", die unter dem gleichen Einfallswinkel 3 und mit der gleichen Phase auf das optische System 100 auftreffen, nach Passieren des optischen Systems 100 relativ zueinander eine Phasenverschiebung auf. Diese relative Phasenverschiebung entspricht einem Gangunterschied zwischen dem ersten Anteil 10' und dem zweiten Anteil 10". Die relative Phasenverschiebung hängt von der Dicke der Schicht des ersten Materials 1" und der Dicke der Schicht des zweiten Materials 2" im ersten Element 1, den Brechungsindizes der Elemente 1, 2 und dem Einfallswinkel 3 ab. Folglich kann elektromagnetische Strahlung, die unter einem von dem Einfallswinkel 3 verschiedenen Winkel auf das optische System 100 in 1 trifft, nach Durchgang durch das optische System 100 einen abweichenden Gangunterschied aufweisen. Mittels des optischen Systems 100 können folglich Gangunterschiede in Abhängigkeit des Einfallswinkels 3 generiert werden. Der Einfallswinkel 3 wird analog zu 1 auch in 2 bezüglich der x-y-Ebene angegeben. In 2 ist beispielhaft eine Einstrahlung von oberhalb des optischen Systems 100 gezeigt. Alternativ oder ergänzend können auch bei einer Einstrahlung von unterhalb Gangunterschiede in Abhängigkeit des Einfallswinkels 3 generiert werden.
In 3 ist ein Querschnitt eines optischen Systems 100 gezeigt. Ein Unterschied zu dem in 2 gezeigten optischen System liegt darin, dass sowohl das erste Element 1 als auch das zweite Element 2 jeweils eine Schicht aus dem ersten Material 1" mit dem ersten Brechungsindex als auch eine Schicht aus einem zweiten Material 2" mit dem zweiten Brechungsindex aufweisen. Die Dicke der Schicht aus dem ersten Material 1" ist in diesem Ausführungsbeispiel im ersten Element 1 größer als die Dicke der Schicht des ersten Materials 1" im zweiten Element 2. Die Dicke der Schicht aus dem zweiten Material 2" ist im ersten Element 1 kleiner als die Dicke der Schicht des zweiten Materials 2" im zweiten Element 2. In 3 sind die Dicken des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 gleich gewählt. Alternativ können das erste Element 1 und das zweite Element 2 analog zu 1 zusätzlich unterschiedliche Dicken aufweisen.
In einem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann das zweite Element aus einem dritten Material mit einem von dem ersten und zweiten Brechungsindex abweichenden dritten Brechungsindex ausgebildet sein.
4 zeigt einen Querschnitt eines optischen Systems 100. Das erste Element 1 ist aus dem ersten Material 1" mit dem ersten Brechungsindex ausgebildet, das zweite Element ist aus dem zweiten Material 2" mit dem zweiten Brechungsindex ausgebildet. Das erste Element 1 und das zweite Element 2 weisen die gleiche Dicke auf. Alternativ können sie analog zu 1 voneinander abweichende Dicken aufweisen. Die relative Phasenverschiebung des ersten Anteils 10' und des zweiten Anteils 10", die unter dem gleichen Einfallswinkel auf das erste Element 1 und das zweite Element auftreffen, hängt in dem in 4 gezeigten optischen System 100 von dem Unterschied zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex und dem Einfallswinkel 3 ab.
Alternativ oder ergänzend kann das optische System 100 auch mehr als jeweils fünf erste Elemente 1 und fünf zweite Elemente 1, 2 aufweisen oder auch weniger als jeweils fünf erste Elemente 1 und fünf zweite Elemente 1, 2 aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel kann sich die Anzahl erster Elemente 1 von der Anzahl zweiter Elemente 2 unterscheiden. Beispielsweise können jeweils zwischen zwei ersten Elementen 1 mehrere zweite Elemente 2 angeordnet sein oder eine nicht-periodische Abfolge von ersten oder zweiten Elementen 1, 2 gewählt werden. In den 1 bis 5 sind die ersten und zweiten Elemente 1, 2 teilweise durch gestrichelte Linien voneinander abgegrenzt. Dies bedeutet, dass die Elemente 1, 2 separat ausgebildet werden können oder einstückig gefertigt werden können. Alternativ oder ergänzend können die ersten Elemente 1 und die zweiten Elemente 2 zumindest teilweise in z-Richtung versetzt zueinander angeordnet werden (nicht dargestellt).
5 zeigt einen Querschnitt einer optischen Systems. Die Anordnung der ersten Elemente 1 und der zweiten Elemente 2 ist analog zu der in 1 gezeigten Anordnung. Auf einer ersten Seite 5 des optischen Systems 100 ist eine Reflexions-Schicht 4 ausgebildet. Die Reflexions-Schicht 4 umfasst beispielsweise eine oder mehrere metallische Schichten, welche beispielsweise aus Aluminium oder Gold ausgebildet sein können. Alternativ oder ergänzend kann die Reflexions-Schicht 4 als winkelangepasster dielektrischer Schichtstapel (Distributed Bragg Reflector) realisiert sein. Die elektromagnetische Strahlung trifft unter dem Einfallswinkel 3 auf die Reflexions-Schicht 4 des optischen Systems 100 auf. Der erste Anteil 10' der elektromagnetischen Strahlung trifft auf die Reflexions-Schicht 4 auf dem ersten Element 1 auf, der zweite Anteil 10" der elektromagnetischen Strahlung trifft auf die Reflexions-Schicht 4 auf dem zweiten Element 2 auf. Da die erste Dicke 1' des ersten Elements 1 kleiner als die zweite Dicke 2' des zweiten Elements 2 ist, legt der erste Anteil 10' eine weitere Wegstrecke zurück, bevor es auf das die Reflexions-Schicht 4 auftrifft als der zweite Anteil der Strahlung 10". Der erste Anteil 10' und der zweite Anteil 10" werden jeweils an der Reflexions-Schicht 4 reflektiert und verlaufen nach der Reflexion parallel zueinander. Vor Auftreffen auf das optische System 100 stimmten die Phasen des ersten Anteils 10' und des zweiten Anteils 10" überein. Der erste Anteil 10' und der zweite Anteil 10" erfahren bei der Reflexion einen Phasensprung um 180°. Aufgrund dessen, dass der erste Anteil in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel eine längere Wegstrecke als der zweite Anteil 10" zurücklegen muss, weichen die erste Phase des ersten Anteils 10' und die zweite Phase des zweiten Anteils 10" nach der Reflexion voneinander ab. Das erste Element 1 ist dazu ausgebildet, die erste Phase des ersten Anteils 10' der unter dem Einfallswinkel 3 auftreffenden Strahlung um den ersten Betrag zu verschieben, das zweite Element ist dazu ausgebildet, die zweite Phase des zweiten Anteils 10" der unter dem Einfallswinkel auftreffenden Strahlung um den zweiten Betrag zu verschieben. Der zweite Betrag beträgt hier 180° aufgrund des Phasensprungs bei der Reflexion. Der zweite Betrag ist unterschiedlich zu dem ersten Betrag, da der erste Anteil eine weitere Wegstrecke aufgrund der unterschiedlichen Dicken 1', 2' der Elemente 1, 2 zurücklegt. Somit weisen der erste Anteil 10' und der zweite Anteil 10", die unter dem gleichen Einfallswinkel 3 und mit der gleichen Phase auf das optische System 100 auftreffen, nach Passieren des optischen Systems 100 relativ zueinander eine Phasenverschiebung auf. Diese relative Phasenverschiebung entspricht einem Gangunterschied zwischen dem ersten Anteil 10' und dem zweiten Anteil 10". Die relative Phasenverschiebung hängt von dem Unterschied der ersten Dicke 1' zur zweiten Dicke 2' und vom Einfallswinkel 3 ab. Folglich kann elektromagnetische Strahlung die unter einem von dem Einfallswinkel 3 verschiedenen Winkel auf das optische System 100 in 5 trifft, nach der Reflexion am optischen System 100 einen abweichenden Gangunterschied aufweisen. Mittels des optischen Systems 100 können folglich Gangunterschiede in Abhängigkeit des Einfallswinkels 3 generiert werden.
In 6 ist ein Querschnitt eines Miniaturspektrometers 200 dargestellt. Das Miniaturspektrometer 200 umfasst das optische System 100, eine Detektionseinheit 202 und eine Fokussiereinheit 201, welche im Strahlengang zwischen dem optischen System und der Detektionseinheit 100 angeordnet ist. Die Detektionseinheit 202 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Detektor 202' und eine Recheneinheit 202". Das optische System 100 ist dazu geeignet von einem Objekt kommende Strahlung aufzunehmen. Vom Objekt kommende elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise eine von dem Objekt emittierte, reflektierte, transmittierte und/ oder gestreute elektromagnetische Strahlung umfassen. In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein optisches System 100 mit Elementen mit unterschiedlicher Dicke, wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist, verwendet. Alternativ oder ergänzend kann beispielsweise auch ein optisches System wie in den 2 bis 5 dargestellt verwendet werden. Das Miniaturspektrometer 200 kann als Fourier-Transform-Spektrometer verwendet werden. Die vom Objekt kommende Strahlung 10 kann mit unterschiedlichen Einfallswinkeln 3 auf das optische System 100 auftreffen. Durchlaufen zwei Lichtstrahlen bei senkrechtem Einfall das optische System 100 einmal an dem dickeren und einmal an dem dünneren Element 1, 2, haben sie danach einen festen Gangunterschied zueinander, der von der Differenz der Dicken 1', 2' zwischen den beiden Elementen 1, 2 des optischen Systems 100 und dem Brechungsindex der Elemente 1, 2 abhängt. Fallen die beiden Strahlen dann nicht mehr senkrecht auf das optische System 100, sondern unter dem Einfallwinkel 3, addiert sich dazu noch ein winkelabhängiger Gangunterschied. Ursache dessen ist, dass bei schrägem Einfall die Weglängendifferenz und damit der optische Weglängenunterschied zwischen den beiden Strahlen zunimmt. In 6 ist beispielhaft gezeigt, dass elektromagnetische Strahlung unter zwei unterschiedliche Einfallswinkel 3 auf das optische System 100 trifft. Die vom Objekt kommende Strahlung 10 umfasst hierbei eine erste Strahlung 10', 10", die unter einem ersten Einfallswinkel 3 auf das optische System 100, und eine zweite Strahlung 101', 101", die unter einem rechten Winkel, das heißt einem senkrechten Einfall, auf das optische System auftrifft. Die erste Strahlung 10', 10" passiert das optische System 100, wobei der erste Anteil 10' der ersten Strahlung auf das erste Element 1 auftrifft und der zweite Anteil 10" der ersten Strahlung auf das zweite Element 2 auftrifft. Nach Durchgang durch das optische System 100 weisen der erste Anteil 10' und der zweite Anteil 10" der ersten Strahlung wie vorstehend beschrieben relativ zueinander einen Gangunterschied auf. Die Fokussiereinheit 201 kann beispielsweise als Sammellinse ausgeführt sein. Zueinander parallele Strahlen passieren eine Brennebene der Sammellinse in einem gemeinsamen Punkt. In der Brennebene der Linse ist der Detektor 202' angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Detektor 202' als Detektorarray ausgebildet, das heißt der Detektor umfasst mehrere benachbart zueinander angeordnete Sensoren, welche zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung geeignet sind. Da der erste Anteil 10' und der zweite Anteil 10" der ersten Strahlung parallel zueinander verlaufen, werden sie durch die Fokussiereinheit 201 in einem gemeinsamen Punkt in der Brennebene der Fokussiereinheit 201 zusammengeführt. Der erste Anteil 10' und der zweite Anteil 10" der ersten Strahlung interferieren an dem gemeinsamen Punkt in Abhängigkeit der in den Anteilen 10', 10" enthaltenen Frequenzen und dem Gangunterschied, der durch das optische System 100 erzeugt wurde. Der Sensor, der an diesem gemeinsamen Punkt in der Brennebene als Teil des Detektorarrays 202' angeordnet ist, detektiert die Interferenz der Anteile 10', 10" der ersten Strahlung. Die zweite Strahlung umfasst ebenfalls einen ersten Anteil 101', der auf das erste Element 1 des optischen Systems 100 auftrifft und einen zweiten Anteil 101", der auf das zweite Element 2 des optischen Systems 100 auftrifft. Wie vorstehend beschrieben, weisen der erste Anteil 101' und der zweite Anteil 101" der zweiten Strahlung nach Durchlaufen des optischen Systems 100 relativ zueinander einen Gangunterschied auf und verlaufen parallel zueinander. Die Fokussiereinheit 201 fokussiert den ersten Anteil 101' und den zweiten Anteil 101" auf einen gemeinsamen Punkt in der Brennebene. Der erste Anteil 101' und der zweite Anteil 101" der zweiten Strahlung interferieren an dem gemeinsamen Punkt in Abhängigkeit der in den Anteilen 101', 101" enthaltenen Frequenzen und dem Gangunterschied, der durch das optische System 100 erzeugt wurde. Der Sensor, der an diesem gemeinsamen Punkt in der Brennebene als Teil des Detektors 202' angeordnet ist, detektiert die Interferenz der Anteile 101', 101" der zweiten Strahlung. Da sich die Einfallswinkel der ersten Strahlung 10', 10" und der zweiten Strahlung 101', 101" voneinander unterscheiden werden sie jeweils auf unterschiedlich Punkte des Detektors 202'geführt. Für jeden Einfallswinkel bzw. Gangunterschied nimmt ein Sensor des Detektors 202' beispielsweise eine Intensität auf. Der Detektor ist folglich dazu eingerichtet mittels der aus dem optischen System 100 austretenden elektromagnetischen Strahlung ein Interferogramm 203, insbesondere ein ortsaufgelöstes Interferogramm, des Objekts aufzuzeichnen. Die Recheneinheit ist dazu eingerichtet Daten von dem Detektor202' zu empfangen. Die Recheneinheit 202" kann beispielsweise fest oder drahtlos mit dem Detektor 202' verbunden sein. Insbesondere kann der Detektor 202' das gemessene Interferogramm 203 oder Daten, aus welchen sich das Interferogramm 203 ergibt, an die Recheneinheit 202" übertragen. Die Recheneinheit 202" kann aus dem Interferogramm 203 ein Spektrum 204 des Objekts mittels Fourier-Transformation berechnen. Alternativ oder ergänzend kann die Recheneinheit 202" eine spektrale Information aus dem Interferogramm 203 ermitteln. Spektrale Informationen können beispielsweise eine chemische Zusammensetzung eines Produkts oder Informationen über das Vorkommen einer bestimmten chemischen Verbindung in einem Objekt umfassen. Das Spektrum 204 bzw. die spektrale Information kann beispielsweise über eine optische oder akustische Ausgabeeinheit, wie beispielsweise ein Display eines mobilen Endgerätes einen Lautsprecher oder andere bekannte Ausgabevorrichtungen ausgegeben werden und/ oder mittels Datenübertragung an andere Geräte bzw. ins Internet übertragen werden.
7 zeigt einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers 200. Die von dem Objekt 7 kommende elektromagnetische Strahlung fällt oft mit einer relativ gleichmäßigen Winkelvariation - vor allem bei kleinen Winkel gegenüber der Senkrechten auf das optische System 100 - auf das Miniaturspektrometer 200 ein. Reicht dies nicht aus, so kann, um eine gleichmäßige Verteilung der Einfallswinkel zu erreichen, im Strahlengang zwischen dem Objekt 7 und dem optischen System 100 ein Diffusor 6 angeordnet werden, wie dies in 7 gezeigt ist.
In 8 ist ein Querschnitt eines Miniaturspektrometers 200 in einer Reflexionsgeometrie dargestellt. Das Objekt 7, von dem die Strahlung kommt und die Detektionseinheit 202 sind bezüglich des optischen Systems 100 auf der gleichen Seite angeordnet. Auf der ersten Seite 5 des optischen Systems 100 ist eine Reflexions-Schicht 4 ausgebildet. Die Reflexions-Schicht 4 umfasst beispielsweise eine oder mehrere metallische Schichten, welche beispielsweise aus Aluminium oder Gold ausgebildet sein können. Alternativ oder ergänzend kann die Reflexions-Schicht 4 als winkelangepasster dielektrischer Schichtstapel (Distributed Bragg Reflector) realisiert sein. Auf die Reflexions-Schicht 4 auftreffende Strahlung wird reflektiert und trifft auf die Fokussiereinheit 201, welche die elektromagnetische Strahlung auf das Detektorarray 202' fokussiert. Es ist der Verlauf der elektromagnetischen Strahlung für zwei verschiedene Einfallswinkel 3, 30 skizziert, die aufgrund der unterschiedlichen Einfallswinkel 3, 30 auf voneinander abweichende Punkte des Detektors 202' geführt werden.
In 9 ist ein Ausschnitt eines Miniaturspektrometers 200 im Querschnitt dargestellt. Das Miniaturspektrometer 200 umfasst mehrere optische Systeme. In 9 ist beispielhaft ein Ausschnitt, aufweisend ein erstes optisches System 1001, ein zweites optisches System 1002 und ein drittes optisches System 1003 gezeigt, welche bezüglich der Einstrahlrichtung benachbart zueinander im Strahlengang angeordnet sind. Bei gleichem Einfallswinkel 3 der elektromagnetischen Strahlung können die optischen Systeme 1001, 1002, 1003 voneinander abweichenden Phasenverschiebungen erzeugen. In dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel hängt die Phasenverschiebung jeweils unter anderem von der Differenz der ersten Dicke 1' und der zweiten Dicke 2' der optischen Systeme 1001, 1002, 1003 ab, wobei hier optische Systeme 1001, 1002, 1003, wie in 1 gezeigt, angeordnet sind. Alternativ oder ergänzend können eins, mehrere oder alle der optischen Systeme 1001, 1002, 1003 gemäß den anderen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen oder weiteren Ausführungsformen ausgebildet sein. In 9 weist jedes optische System 1001, 1002, 1003 eine von den anderen beiden optischen Systemen abweichende Differenz der ersten Dicke 1' und der zweiten Dicke 2' auf. Die Fokussiereinheit 201 kann als Mikrolinsenarray 201' ausgeführt sein. Die Detektionseinheit 202 kann beispielsweise mehrere Detektoren 2021', 2022', 2023' umfassen und/oder einen großen Detektor und/oder eines oder mehrere Detektorarrays umfassen. In 9 ist jeweils eine Mikrolinse im Strahlengang zwischen einem optischen System 1001, 1002, 1003 und einem Detektor 2021', 2022', 2023' angeordnet. Wie vorstehend beschrieben, werden Strahlen mit gleichem Einfallwinkel 3 mittels der Mikrolinse 201' auf einen gemeinsamen Punkt in der Brennebene fokussiert, in der der jeweilige Detektor 2021', 2022', 2023' angeordnet ist. Der erste Detektor 2021' ist im Strahlengang hinter der Mikrolinse und dem ersten optischen System 1001 angeordnet. Für jeden Einfallswinkel ergibt sich ein Messpunkt auf dem ersten Detektor 2021', wobei jedem Messpunkt ein Gangunterschied zugeordnet werden kann, sodass der Detektor 2021' ein erstes Interferogramm 2032 aufzeichnen kann. Der Strahlenverlauf ist beispielhaft für die erste Strahlung 10', 10" mit dem Einfallswinkel 3 und eine zweite Strahlung 101', 101", die senkrecht auf die optischen Systeme 1001, 1002, 1003 auftrifft, gezeigt. Analog misst der zweite Detektor 2022' ein zweites Interferogramm 2032. Der Gangunterschied der ersten Strahlung 10', 10", die auf das zweite optische System 1002 auftrifft und mittels der Mikrolinse auf den zweiten Detektor 2022' fokussiert wird, unterscheidet sich aufgrund der unterschiedlichen Dimensionierung des ersten optischen Systems 1001 und des zweiten optischen Systems 1002 von dem Gangunterschied der ersten Strahlung 10', 10", die das erste optische System 1002 passiert. Gleiches gilt für die senkrecht auftreffende zweite Strahlung 101', 101". Der dritte Detektor 2023' zeichnet ein drittes Interferogramm 2033 auf, wobei sich aufgrund der unterschiedlichen Dimensionierung des ersten optischen Systems 1001, des zweiten optischen Systems 1002 und des dritten Systems 1003 sich der Gangunterschied der ersten Strahlung 10', 10" nach Auftreffen auf das dritte optische System 1002 von dem vom ersten und zweiten optischen System 1001, 1002 generierten Phasenunterschied unterscheidet. Um ein Übersprechen von elektromagnetischer Strahlung zwischen dem Strahlengang des ersten optischen Systems 1001 und dem Strahlengang des zweiten optischen Systems 1002 bzw. zwischen den Strahlengängen des zweiten und dritten optischen Systems 1002, 1003 zu verhindern, können jeweils Trennelemente 8, welche beispielsweise als strahlungsabsorbierende Schichten ausgeführt sein können, zwischen den Strahlengängen angeordnet werden. In 9 sind die Trennelemente 8 parallel zur z-Richtung ausgebildet. Das Miniaturspektrometer 200 kann mehrere unterschiedliche oder auch gleiche ortsaufgelöste Interferogramme 2031, 2032, 2033 mittels Detektoren 2021', 2022', 2023', welche beispielsweise als Detektorarrays ausgeführt sind, aufzeichnen. Die Detektionseinheit 202 umfasst in 9 neben den Detektoren 2021', 2022', 2023' die Recheneinheit 202". Die Interferogramme 2031, 2032, 2033 bzw. Daten, aus welchen sich die Interferogramme 2031, 2032, 2033 ergeben, werden jeweils vom Detektor 2021', 2022', 2023' an die Recheneinheit 202" übertragen. Die Recheneinheit 202" ist dazu eingerichtet Daten von den Detektoren 2021', 2022', 2023' zu empfangen. Die Recheneinheit 202" kann beispielsweise fest oder drahtlos mit den Detektoren 2021', 2022', 2023' verbunden sein. Die Interferogramme 2031, 2032, 2033 können mittels eines Algorithmus sinnvoll ergänzt werden. Durch Zusammensetzen der Informationen aus den Interferogrammen 2031, 2032, 2033 des ersten, zweiten und dritten Detektors 2021', 2022', 2023', ergibt sich ein durchgehendes Interferogramm, aus dem dann mittels einer Fourier Transformation das Spektrum 204 des Objekts 7 gewonnen werden kann. Somit kann ein größerer Bereich von Gangunterschieden aufgezeichnet werden und damit die Wellenlängen-Auflösung des Miniaturspektrometers 200 erhöht werden. Alternativ oder ergänzend kann die Recheneinheit 202" eine spektrale Information aus den Interferogrammen 2031, 2032, 2033 ermitteln. Spektrale Informationen können beispielsweise eine chemische Zusammensetzung eines Produkts oder Informationen über das Vorkommen einer bestimmten chemischen Verbindung in einem Objekt umfassen. Beispielsweise kann eine chemometrische Auswertung der Spektren erfolgen und als spektrale Information ausgegeben werden. Das Spektrum 204 bzw. die spektrale Information kann beispielsweise über eine optische oder akustische Ausgabeeinheit, wie beispielsweise ein Display eines mobilen Endgerätes einen Lautsprecher oder andere bekannte Ausgabevorrichtungen ausgegeben werden. Es ist anzumerken, dass der Gangunterschied für unterschiedliche Differenzen der ersten Dicke 1' und der zweiten Dicke 2'der optischen Systeme 1001, 1002, 1003, unterschiedlich stark räumlich über den jeweiligen Detektor 2021', 2022', 2023' verteilt abgebildet wird. Dies kann beispielsweise in der Recheneinheit 202" leicht herausgerechnet werden.
Das Miniaturspektrometer kann genau ein optisches System 100 oder mehr als ein optisches Systeme 100, 1001, 1002, 1003 umfassen.
Das Miniaturspektrometer 200 kann sehr kompakt in einem Gehäuse angeordnet werden (nicht dargestellt). Alternativ oder ergänzend kann mindestens eine Lichtquelle, wie beispielsweise Laser, aber auch Glühbirne, MEMS-Emitter, LED, LED-Array, LED mit Phosphor, oder Plasmastrahlungsquelle in dem Gehäuse integriert sein. Somit kann beispielsweise das Objekt 7, das untersucht werden soll beleuchtet werden.
Das optische System 100, 1001, 1002, 1003 kann beispielsweise mit einem Lithographie Prozess und einem anschließendem Ätzprozess hergestellt werden. Weitere denkbare Herstellungsmethoden sind z. B. Nano-Imprint-Verfahren oder Mikro-3D-Drucken. Als Materialien bieten sich beispielsweise je nach Wellenlängenbereich Silizium, Siliziumnitrid, Zinkselenid, spezielle Lacke oder verschiedene Gläser an. Zusätzlich kann das optische System 100, 1001, 1002, 1003 antireflexbeschichtet sein, insbesondere wenn die elektromagnetische Strahlung transmittiert werden soll, wie dies beispielsweise in den in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen der Fall ist. Als Material für die Fokussiereinheit 201 können beispielsweise Gläser oder Kunststoffe verwendet werden. Je nach angestrebten Wellenlängenbereich kann das Detektorarray 201, 2021', 2022', 2023' aus Silizium, Germanium, Germanium auf Silizium, Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) oder anderen geeigneten Detektormaterialien ausgebildet sein.
Zwischen den einzelnen Elementen 1, 2 kann eine optisch undurchlässige Schicht eingebracht sein, um schräge Lichstrahlen, die sonst durch benachbarte Elemente 1, 2 laufen würden, zu blockierenen und somit „gemischten Phasendifferenzen“, welche aus einem Durchlaufen mehrerer Elemente 1, 2 resultieren würde, zu vermeiden. Alternativ oder ergänzend kann ein Auswertealgorithmus dazu verwendet werden, Strahlung, die mehr als ein Element 1, 2 durchlaufen hat, herauszurechnen. Auf den optisch undurchlässigen Schichten/Elementen zwischen den Elementen 1, 2 kann zusätzlich eine Reflexionsschicht aufgebracht sein, um die Lichtstrahlen im jeweiligen Element zu halten und die Lichteffizienz zu erhöhen.
10 zeigt ein Verfahren 300 zur Analyse eines Objekts 7, welches die Schritte: Erzeugung 301 unterschiedlicher Phasenverschiebungen einer auf das optische System 100, 1001, 1002, 1003 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebungen jeweils vom Einfallswinkel (3, 30) der auf das optische System 100, 1001, 1002, 1003 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung abhängen; Zusammenführen 302 von Anteilen der elektromagnetischen Strahlung mit gleichem Einfallswinkel 3, 30 nach Auftreffen auf das optische System 100, 1001, 1002, 1003, wobei sich ein Interferogramm 203, 2031, 2032, 2033 ergibt und Ermittlung 303 eines Spektrums 204 oder einer spektrale Information aus dem Interferogramm 203, 2031, 2032, 2033 zur Analyse des Objekts 7, aufweist. Das Interferogramm 203, 2031, 2032, 2033 kann hierbei auch das zusammengesetzte Interferogramm wie im Ausführungsbeispiel in 9 sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9316539 B1 [0001]

Claims

Optisches System (100, 1001, 1002, 1003), aufweisend • mindestens ein erstes Element (1) mit einer ersten Dimensionierung • und mindestens ein zweites Element (2) mit einer zweiten Dimensionierung, dadurch gekennzeichnet, dass • das erste Element (1) und das zweite Element (2), bezüglich einer Einstrahlrichtung einer elektromagnetischen Strahlung (10, 10', 10") zueinander benachbart angeordnet sind, • das erste Element (1) dazu ausgebildet ist eine erste Phase eines ersten Anteils (10') der unter einem Einfallswinkel (3, 30) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung um einen ersten Betrag zu verschieben, • das zweite Element (2) dazu ausgebildet ist eine zweite Phase eines zweiten Anteils (10") der unter dem Einfallswinkel (3, 30) auftreffende elektromagnetischen Strahlung um einen zweiten Betrag zu verschieben, • wobei der zweite Betrag unterschiedlich zu dem ersten Betrag ist.
Optisches System (100, 1001, 1002, 1003) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (1) eine erste Dicke (1') aufweist und das zweite Element eine zweite Dicke (2') aufweist, wobei die erste Dicke (1') und die zweite Dicke (2') voneinander abweichen.
Optisches System (100, 1001, 1002, 1003) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (1) ein erstes Material (1") mit einem ersten Brechungsindex umfasst und das zweite Element ein zweites Material (2") mit einem zweiten Brechungsindex umfasst, wobei der erste Brechungsindex und der zweite Brechungsindex voneinander abweichen.
Optisches System (100, 1001, 1002, 1003) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer ersten Seite (5) des optischen Systems (100, 1001, 1002, 1003) eine oder mehrere Reflexions-Schichten (4) ausgebildet sind, welche auf das optische System (100, 1001, 1002, 1003) auftreffende elektromagnetische Strahlung reflektieren.
Optisches System (100, 1001, 1002, 1003) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Seite (5) des optischen Systems (100, 1001, 1002, 1003) als Reflexions-Schicht (4) ein winkelangepasster dielektrischer Schichtstapel angeordnet ist.
Miniaturspektrometer (200), aufweisend: • mindestens ein optisches System (100, 1001, 1002, 1003) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches dazu geeignet ist von einem Objekt (7) kommende elektromagnetische Strahlung (10) aufzunehmen, • mindestens eine Detektionseinheit (202), welche dazu eingerichtet ist ein Interferogramm (203, 2031, 2032, 2033) des Objekts (7) aufzuzeichnen und • mindestens eine Fokussiereinheit (201), welche im Strahlengang zwischen dem optischen System (100, 1001, 1002, 1003) und der Detektionseinheit (202) angeordnet ist.
Miniaturspektrometer (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (202) eine Recheneinheit (202") umfasst, welche dazu eingerichtet ist aus dem Interferogramm (203, 2031, 2032, 2033) ein Spektrum (204) des Objekts (7) zu bestimmen.
Miniaturspektrometer (200) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (201) ein Mikrolinsenarray (201') umfasst.
Miniaturspektrometer (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Objekt (7) und dem optischen System (100, 1001, 1002, 1003) ein Diffusor (7) angeordnet ist.
Miniaturspektrometer (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Miniaturspektrometer (200) ein erstes optisches System (1001) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 und ein zweites optisches System (1002) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 umfasst, wobei das erste optische System (1001) und das zweite System (1002) bei gleichem Einfallswinkel (3, 30) voneinander abweichende Phasenverschiebungen generieren.
Verfahren (300) zur Analyse eines Objekts (7) mittels eines Miniaturspektrometers (200) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Verfahren (300) die folgenden Schritte aufweist: • Erzeugung (301) unterschiedlicher Phasenverschiebungen einer auf das optische System (100, 1001, 1002, 1003) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebungen jeweils vom Einfallswinkel (3, 30) der auf das optische System (100, 1001, 1002, 1003) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung abhängen; • Zusammenführen (302) von Anteilen der elektromagnetischen Strahlung mit gleichem Einfallswinkel (3, 30) nach Auftreffen auf das optische System (100, 1001, 1002, 1003), wobei sich ein Interferogramm (203, 2031, 2032, 2033) ergibt; • Ermittlung (303) eines Spektrums (204) oder einer spektralen Information aus dem Interferogramm (203, 2031, 2032, 2033) zur Analyse des Objekts (7).