DE102017212557A1

DE102017212557A1 - Mikrospektrometermodul und Verfahren zum Aufnehmen eines Spektrums mittels eines Mikrospektrometermoduls

Info

Publication number: DE102017212557A1
Application number: DE102017212557.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Husnik; Christian Huber; Benedikt STEIN; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2019-01-24
Also published as: CN111094918B; EP3655736A1; CN111094918A; WO2019015926A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikrospektrometermodul (100) bestehend aus einem optischen Resonator (102) zum Filtern von Licht, einer Detektoreinrichtung (104) zum Detektieren von von dem optischen Resonator (102) transmittiertem Licht und einem fokussierenden Element (106). Der optische Resonator (102) ist bezüglich eines herauszufilternden Wellenlängenbereichs durchstimmbar. Die Detektoreinrichtung (104) weist zumindest ein erstes Detektorelement (108) und zumindest ein zweites Detektorelement (110) auf. Das fokussierende Element (106) ist ausgeformt, um ein innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das erste Detektorelement (108) zu lenken und ein innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das zweite Detektorelement (110) zu lenken.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
In der US 20140320858 A1 wird ein Mikrospektrometer auf Basis eines optischen Filters, einer Linse und eines Detektorarrays vorgestellt. Je nachdem unter welchem Winkel Licht auf den Filter fällt, wird ein anderer Wellenlängenbereich durchgelassen. Durch die Linse wird dann das Licht unterschiedlicher Winkel auf jeweils eine andere Stelle des Detektorarrays abgebildet und somit ein Spektrum gewonnen. Dabei kann abhängig vom optischen Filter nur ein Wellenlängenintervall von ungefähr 35 nm untersucht werden. Um den untersuchbaren Wellenlängenbereich zu vergrößern, wird die Nutzung segmentierter optischer Filterelemente, eines Mikrolinsenarrays und eines Detektorarrays mit einer hohen Auflösung benötigt. Jedoch kann sich dabei Licht aus unterschiedlichen Segmenten des Mikrolinsenarrays auf dem Detektorarray überschneiden, was zu Messfehlern führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Mikrospektrometermodul, ein Verfahren zum Aufnehmen eines Spektrums mittels eines Mikrospektrometermoduls, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Ein Mikrospektrometer kann beispielsweise auf Basis eines durchstimmbaren, direkt über einem einzelnen Detektor angeordneten Fabry-Perot-Interferometers realisiert sein. Dabei wird die gewünschte durchgelassene Wellenlänge über den Spiegelabstand des Fabry-Perot-Interferometers eingestellt und das Detektorsignal gemessen. Bei diesem Ansatz ist jedoch der nutzbare Winkelbereich begrenzt (wenn man eine gute Auflösung erhalten will), was das detektierbare Licht und somit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis begrenzt. Auch kann sich dadurch die Messzeit entsprechend erhöhen, da jeweils nur das Signal einer Wellenlänge gemessen wird.
Eine Besonderheit des hier beschriebenen Ansatzes liegt dabei nicht in einer Kombination von Filter, Linse und Detektorarray, sondern in einer Kombination mit einem durchstimmbaren Filter. Die Vorteile bei Nutzung eines durchstimmbaren Filters bestehen darin, dass dieser günstiger ist, da eine deutlich geringere Detektorfläche nötig ist (und nur eine Linse). Dies ermöglicht die Nutzung auch bei teureren Detektoren.
Es wird daher ein Mikrospektrometermodul mit folgenden Merkmalen vorgestellt:

einem optischen Resonator zum Filtern von Licht, wobei der optische Resonator bezüglich eines herauszufilternden Wellenlängenbereichs oder mehrerer herauszufilternden Wellenlängenbereiche durchstimmbar ist;
einer Detektoreinrichtung zum Detektieren von von dem optischen Resonator transmittiertem Licht, wobei die Detektoreinrichtung zumindest ein erstes Detektorelement und zumindest ein zweites Detektorelement aufweist; und
einem fokussierenden Element, das ausgeformt ist, um ein innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das erste Detektorelement zu lenken und ein innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das zweite Detektorelement zu lenken.

Unter einem Mikrospektrometermodul kann ein miniaturisiertes Modul zur Analyse der spektralen Zusammensetzung von Licht mittels eines optischen Resonators verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Mikrospektrometermodul um ein miniaturisiertes Spektrometer zur (Nah-) Infrarotspektroskopie handeln. Bei dem optischen Resonator kann es sich beispielsweise um einen Fabry-Perot-Resonator bestehend aus zwei einander gegenüberliegend angeordneten (teildurchlässigen) Spiegelelementen handeln. Die beiden Spiegelelemente können beispielsweise parallel in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sein, der auch als Kavitätslänge bezeichnet werden kann. Der Abstand kann beispielsweise zur Durchstimmung des optischen Resonators mittels einer geeigneten Spiegelaktuierung variierbar sein. Unter einer Detektoreinrichtung kann ein Lichtsensor, etwa in Form eines CCD- oder CMOS-Sensors, einer Fotodiode oder eines Fototransistors, verstanden werden. Die Detektoreinrichtung kann beispielsweise als ein Detektorarray aus Pixeln als den Detektorelementen oder als eine Anordnung aus zumindest zwei separaten Einzeldetektoren als den Detektorelementen realisiert sein. Ein Detektorelement kann gemäß einer Ausführungsform aus vielen einzelnen Detektorpixeln bestehen. Unter einem fokussierenden Element kann eine Linse, beispielsweise eine Sammellinse, verstanden werden. Vorteilhafterweise kann eine solche Linse achromatisch sein.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein durchstimmbarer optischer Resonator, etwa ein Fabry-Pérot-Interferometer, mit einem Fourier-Transformations-Element in Form einer Linse und einem Detektorarray oder mehreren Einzeldetektoren kombiniert werden kann, um eine hochaufgelöste winkelabhängige Messung eines zu untersuchenden Spektrums vornehmen zu können. Vorteilhafterweise kann dadurch auf eine aufwendige optische Isolierung mehrerer optischer Pfade, wie sie beispielsweise bei der Verwendung eines Mikrolinsenarrays mit Subfiltersystem erforderlich ist, verzichtet werden. Ferner ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz kurze Messzeiten und eine hohe Lichtausbeute.
Gemäß einer Ausführungsform kann das fokussierende Element als Linse, als achromatische Linse oder als Reflektor, beispielsweise einem Spiegel, realisiert sein. Dadurch können Messungenauigkeiten vermieden werden.
Das fokussierende Element kann zwischen dem optischen Resonator und der Detektoreinrichtung angeordnet sein. Dadurch kann das Mikrospektrometermodul sehr kompakt ausgeführt werden.
Von Vorteil ist auch, wenn der optische Resonator als Fabry-Perot-Interferometer realisiert ist. Dadurch kann das Mikrospektrometermodul präzise auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche eingestellt werden.
Des Weiteren kann die Detektoreinrichtung zumindest ein drittes Detektorelement aufweisen. Dabei kann das fokussierende Elementausgeformt sein kann, um zumindest ein innerhalb eines dritten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das zumindest eine dritte Detektorelement zu lenken. Dadurch kann auch bei der Messung breiter Wellenlängenbereiche eine hohe Auflösung erreicht werden. Die Detektoreinrichtung kann somit eine Mehrzahl von Detektorelementen aufweisen. Es kann somit eine fein segmentierte Detektoreinrichtung realisiert werden, bei der beispielsweise jeder Pixel oder die feinen Pixelsegmente eines CMOS/CCD-Detektors für die Auswertung genutzt werden.
Das Mikrospektrometermodul kann gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest einen der Detektoreinrichtung vorgeschalteten Vorfilter zum Vorfiltern des Lichts aufweisen. Dadurch können unerwünschte Interferenzen herausgefiltert werden. Der Vorfilter kann dabei vor oder nach dem optischen Resonator angeordnet sein. Der Vorfilter, dessen Aufgabe darin besteht eine einzelne oder die gewünschte Interferenzordnung des Fabry-Perot rauszufiltern, kann auch als ein weiterer optischer Resonator ausgebildet sein. Durch den Vorfilter kann das Licht effizient vorgefiltert werden. Insbesondere kann dadurch ein herauszufilternder Wellenlängenbereich je nach Anwendung präzise eingestellt werden, bzw. können Störungen durch ungewünschte Ordnungen vermieden werden.
Das Mikrospektrometermodul kann zumindest eine Lichtquelle zum Anstrahlen eines mittels des Mikrospektrometermoduls zu analysierenden Objekts aufweisen. Dadurch kann das zu analysierende Objekt gezielt mit Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs beleuchtet werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Aufnehmen eines Spektrums mittels eines Mikrospektrometermoduls gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Ansteuern des optischen Resonators, um den optischen Resonator auf eine einem erwarteten Spektrum zugeordnete Zentralwellenlänge einzustellen; und
Auslesen der Detektoreinrichtung, um zumindest einen Intensitätswert zu erhalten, wobei der Intensitätswert eine vom ersten Detektorelement detektierte Intensität des innerhalb des ersten Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündels und/oder eine vom zweiten Detektorelement detektierte Intensität des innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündels repräsentiert.

Im Schritt des Ansteuerns kann je nachdem, welches Spektrum erwartet wird, bei einer anderen Wellenlänge zu messen angefangen werden. Im Schritt des Ansteuerns kann beispielsweise ein elektrisches Ansteuersignal an eine Schnittstelle des optischen Resonators bereitgestellt werden. Dabei kann das Ansteuersignal geeignet sein, um den optischen Resonator so anzusteuern, dass die gewünschte Zentralwellenlänge eingestellt wird. Beispielsweise kann das Ansteuersignal geeignet sein, um einen Aktor des Resonators so anzusteuern, dass zumindest ein Spiegelelement des Resonators an eine der gewünschten Zentralwellenlänge zugeordnete Position bewegt wird. Der Intensitätswert kann in Form eines elektrischen Signals über eine Schnittstelle zu der Detektoreinrichtung ausgelesen werden. Bei dem Intensitätswert kann es sich um ein n-Tupel von Werten handeln, falls es eine Anzahl von n Detektorelementen gibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Schritt des Ansteuerns ansprechend auf das Auslesen erneut ausgeführt werden, um den optischen Resonator auf eine zur Zentralwellenlänge benachbarte weitere Zentralwellenlänge einzustellen. Der Schritt des Auslesens kann ansprechend auf das Einstellen der weiteren Zentralwellenlänge erneut ausgeführt werden, um zumindest einen weiteren Intensitätswert zu erhalten, wobei der weitere Intensitätswert eine vom ersten Detektorelement detektierte Intensität eines innerhalb des ersten Einfallswinkelbereiches einfallenden weiteren Lichtstrahlbündels des transmittierten Lichts oder, zusätzlich oder alternativ, eine vom zweiten Detektorelement detektierte Intensität eines innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereiches einfallenden weiteren Lichtstrahlbündels des transmittierten Lichts repräsentieren kann. Dadurch wird eine kontinuierliche Abtastung des gesamten Spektrums ermöglicht. Insbesondere können hierbei unterschiedliche Teilbereiche des Spektrums überlappend abgetastet oder auch jeweils mehrfach abgetastet werden. Mit anderen Worten ermöglicht die wiederholte Ausführung der Schritte des Verfahrens das schrittweise Abfahren des gesamten gewünschten Spektralbereichs.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann. Beispielsweise kann der Sensor auch in einem mobilen Endgerät, wie z.B. einem Smartphone eingesetzt werden, wo z.B. auch der Speicher des Endgeräts genutzt werden kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Spektrometers ohne Linse;
3 ein Diagramm zur Darstellung transmittierter Wellenlängen in einem Spektrometer aus 2;
4 eine schematische Darstellung eines Lichtstrahlbündels, das innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul aus 1 einfällt;
5 ein Diagramm zur Darstellung einer gemessenen Intensität, also einer Leistung pro Wellenlänge, des Lichtstrahlbündels aus 4;
6 eine schematische Darstellung von Lichtstrahlbündeln, die innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul aus 1 einfallen;
7 ein Diagramm zur Darstellung einer gemessenen Intensität der Lichtstrahlbündel aus 6;
8 eine schematische Darstellung von Lichtstrahlbündeln, die innerhalb eines dritten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul aus 1 einfallen;
9 ein Diagramm zur Darstellung einer gemessenen Intensität der Lichtstrahlbündel aus 8;
10 eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
12 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometermoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Mikrospektrometermodul 100 umfasst einen optischen Resonator 102 zum Filtern von Licht, beispielsweise ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer, eine Detektoreinrichtung 104 zum Detektieren von von dem optischen Resonator 102 transmittiertem Licht sowie ein fokussierendes Element 106, das hier beispielhaft in Form einer Linse 106 mit einer Brennweite f realisiert ist. Dass fokussierende Element kann anstatt einer solchen Linse 106 auch als ein fokussierender Spiegel realisiert sein. Die Detektoreinrichtung 104 ist beispielsweise als ein Detektorarray mit zumindest einem ersten Detektorsegment 108 und zumindest einem zweiten Detektorelement 110 realisiert. Die Detektoreinrichtung 104 ist in einem der Brennweite f entsprechenden Abstand zur Linse 106 angeordnet, wobei die Linse 106 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem optischen Resonator 102 und der Detektoreinrichtung 104 angeordnet ist. Die Linse 106 ist ausgestaltet, um Licht, das innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches, beispielsweise zur Senkrechten, auf den optischen Resonator 102 fällt, auf das erste Detektorsegment 108 zu lenken. Licht, das innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches auf den optischen Resonator 102 fällt, lenkt die Linse 106 hingegen auf das zweite Detektorelement 110. Beispielsweise ist die Linse 106 als achromatische Sammellinse realisiert.
Je nach Ausführungsbeispiel umfasst die Detektoreinrichtung 104 zusätzlich zumindest ein drittes Detektorelement 112. Dementsprechend lenkt die Linse 106 Licht, das innerhalb eines dritten Einfallswinkelbereiches auf den optischen Resonator 102 fällt, auf das dritte Detektorsegment 112. Insbesondere weist die Detektoreinrichtung 104 eine Mehrzahl von Detektorelementen zur winkelaufgelösten Messung der Intensität des vom optischen Resonator 102 transmittierten Lichts auf.
Zur Aufnahme eines Spektrums wird mithilfe des durchstimmbaren optischen Resonators 102 zunächst ein zu untersuchendes Wellenlängenintervall eingestellt. Dazu kann ein geeignetes Ansteuersignal an eine Schnittstelle des Resonators 102 bereitgestellt werden. Das vorgefilterte Licht wird dann mittels der Linse 106 je nach Einfallswinkel des Lichts auf unterschiedliche Stellen der Detektoreinrichtung 104 abgebildet. Da die Durchlasswellenlänge des optischen Resonators 102 winkelabhängig ist, werden auf unterschiedlichen Positionen der Detektoreinrichtung 104 unterschiedliche Wellenlängenbereiche detektiert. Somit können mit jeder Einstellung des optischen Resonators 102 große Wellenlängenbereiche bei sehr guter Auflösung untersucht werden. Somit weist das Mikrospektrometermodul 100 eine hohe Lichtausbeute und ein sehr gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf. Zudem sind die Messzeiten sehr kurz.
Beispielsweise kann so ein Wellenlängenbereich von mehreren Hundert Nanometern genutzt und ausgewertet werden. Auch oberhalb einer Wellenlänge von 1050 nm ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz eine kostengünstige Nutzung für Spektroskopiezwecke, zumal kein fein segmentiertes Detektorarray erforderlich ist und auch auf eine aufwendige und teure Isolierung der optischen Wege zwischen einzelnen Mikrolinsenelementen verzichtet werden kann. Vorteilhafterweise wird dabei nur eine geringe Detektorfläche benötigt. Die genannten Vorteile gelten auch für einen unter 1100 nm liegenden Wellenlängenbereich.
Durch die einfache Einstellbarkeit des optischen Resonators 102 können wichtige Bereiche des Spektrums besonders genau und mit gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis gescannt werden. Fehler können beispielsweise durch einen geschickt gewählten Überlapp vermieden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Mikrospektrometermodul 100 ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer, ein Fourier-Transformations-Element bzw. eine Linse und ein Detektorarray oder mehrere Einzeldetektoren. Dabei ist das Fourier-Transformations-Element bzw. die Linse direkt hinter dem durchstimmbaren Fabry-Perot-Interferometer platziert. Das Detektorarray oder die Einzeldetektoren sind in der Brennebene der Linse angeordnet, wie dies in 1 dargestellt ist.
Das Licht wird vorzugsweise von einer zu untersuchenden Probe direkt auf das durchstimmbare Fabry-Perot-Interferometer geleitet. Je nach Ausführungsbeispiel sind dazu optional verschiedene Optikkomponenten, etwa eine Linse, ein (gerichteter) Diffusor oder ein das Sichtfeld einschränkendes Element, in das Mikrospektrometermodul 100 integriert.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers 200. Gezeigt ist ein Strahlengang von Lichtstrahlbündeln, die durch ein Fabry-Perot-Interferometer 202 auf einen Detektor 204 fallen. Dadurch, dass das Licht unter verschiedenen Winkeln auf das Fabry-Perot-Interferometer 202 fällt, wird insgesamt ein breiterer Wellenlängenbereich durchgelassen, was zur Folge hat, dass sich die Auflösung des Spektrometers 200 entsprechend verschlechtert.
3 zeigt ein Diagramm 300 zur Darstellung transmittierter Wellenlängen in einem Spektrometer aus 2. Gezeigt ist die Transmission von Licht durch das Spektrometer in Abhängigkeit von einer Wellenlänge. Eine Kurve 302 repräsentiert den Wellenlängenbereich, der insgesamt durchgelassen wird.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtstrahlbündels 400, das innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul 100 aus 1 einfällt. Der erste Einfallswinkelbereich entspricht hier beispielhaft einem Einfallswinkel von 0-7 Grad. Dementsprechend fokussiert die Linse 106 das Lichtstrahlbündel 400 auf das erste Detektorelement 108.
5 zeigt ein Diagramm 500 zur Darstellung einer gemessenen Intensität, also einer Leistung pro Wellenlänge, des Lichtstrahlbündels aus 4. Gezeigt ist eine Transmission T in Abhängigkeit von einer Wellenlänge λ. Die durchgelassene Wellenlänge ist mit λ₁ gekennzeichnet.
6 zeigt eine schematische Darstellung von Lichtstrahlbündeln 600, die innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul 100 aus 1 einfallen. Der zweite Einfallswinkelbereich repräsentiert hier einen Einfallswinkel von beispielsweise 7-10 Grad. Dementsprechend wird das Lichtstrahlbündel 600 mittels der Linse 106 auf das zweite Detektorelement 110 fokussiert.
7 zeigt ein Diagramm 700 zur Darstellung einer gemessenen Intensität der Lichtstrahlbündel aus 6. Gezeigt ist die Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Die durchgelassene Wellenlänge ist mit λ₂ gekennzeichnet.
8 zeigt eine schematische Darstellung von Lichtstrahlbündeln 800, die innerhalb eines dritten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul 100 aus 1 einfallen. Der dritte Einfallswinkelbereich repräsentiert hier beispielsweise einen Einfallswinkelbereich von 10-12,5 Grad, wobei der zweite Einfallswinkelbereich zwischen dem ersten Einfallswinkelbereich und dem dritten Einfallswinkelbereich liegt. Die Einfallswinkelbereiche können sich überlappen. Dementsprechend fokussiert die Linse 106 die Lichtstrahlbündel 800 auf das dritte Detektorelement 112.
9 zeigt ein Diagramm 900 zur Darstellung einer gemessenen Intensität der Lichtstrahlbündel aus 8. Gezeigt ist die Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Die durchgelassene Wellenlänge ist mit λ₃ gekennzeichnet.
Aus den 4 bis 9 ist ersichtlich, dass mit integrierter Linse 106 die aufgrund der verschiedenen Einfallswinkel verschieden durchgelassenen Wellenlängen auf verschiedene Bereiche der Detektoreinrichtung 104 abgebildet werden und somit voneinander unterscheidbar messbar sind.
Je nach Abstand zwischen den beiden Spiegeln des optischen Resonators 102 werden pro Einfallswinkel nur bestimmte Wellenlängen durchgelassen. Fällt Licht senkrecht auf den optischen Resonator 102, so wird bei gegebenem Spiegelabstand nur Licht mit der Wellenlänge λ₁ (und höhere Ordnungen) durchgelassen. Fällt das Licht nun unter einem Winkel α zur Senkrechten auf den optischen Resonator 102, so verschiebt sich der Durchlassbereich beispielsweise ins Blaue nach λ₂. Weist das einfallende Licht einen noch größeren Winkel zur Senkrechten auf, so wird nur die Wellenlänge λ₃ transmittiert. Fällt Licht mit verschiedenen Einfallswinkeln auf einen optischen Resonator ohne zusätzliche Linse, wie beispielsweise in 2 gezeigt, so wird Licht verschiedener Wellenlängenintervalle transmittiert (λ₁, λ₂, λ₃). Dieses überlagert sich, womit sich die Wellenlängenauflösung deutlich verschlechtert, wie dies aus 3 ersichtlich ist.
Um dies zu verhindern, wird gemäß dem hier vorgestellten Ansatz eine zusätzliche Linse 106 zwischen den optischen Resonator 102 und die Detektoreinrichtung 104 platziert. Dadurch wird Licht mit unterschiedlichen Einfallswinkeln an unterschiedlichen Stellen in der fokalen Ebene der Linse 106, die vorzugsweise achromatisch ist, abgebildet. Je größer der Winkel α gegenüber der Senkrechten ist, desto größer ist die räumliche Verschiebung des Fokus in der Brennebene der Linse 106. Bei Verwendung eines Detektorarrays oder mehrerer Einzeldetektoren kann somit gut zwischen den verschiedenen durchgelassenen Wellenlängenbereichen unterschieden werden, wie dies aus den 5, 7 und 9 ersichtlich ist.
Beispielsweise kann bei einem Fabry-Perot-Interferometer mit Si/SiN-Spiegelschichten und einer Zentralwellenlänge von 1300 nm für einen Winkelbereich zur Senkrechten von 0 bis 7 Grad eine Halbwertsbreite (FWHM) des durchgelassenen Wellenlängensegments von 10 nm erreicht werden. Für einen Winkelbereich von 7 bis 10 Grad beträgt die Halbwertsbreite ebenfalls 10 nm und die Zentralwellenlänge verschiebt sich um rund 7 nm. Für einen Winkelbereich von 10 bis 12,5 Grad beträgt die Halbwertsbreite wiederum 10 nm und die Zentralwellenlänge verschiebt sich um weitere 9 nm usw. Somit kann für eine fixe Einstellung des durchstimmbaren Fabry-Perot-Interferometers über einen Wellenlängenbereich von mehreren 10 nm ein Spektrum mit sehr guter spektraler Auflösung und Detektionseffizienz aufgenommen werden.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometermoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt sind die jeweiligen Strahlengänge der Lichtstrahlbündel 400, 600, 800 durch das Mikrospektrometermodul 100. Die Detektoreinrichtung 104 ist hier mit einer im Vergleich zu den 1 und 4 bis 9 deutlich reduzierten Detektorfläche ausgeführt. Wie durch den Pfeil in 10 angedeutet, ist der optische Resonator 102 durchstimmbar.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1100 ist beispielsweise ausgebildet, um ein Spektrum mittels eines vorangehend anhand der 1 und 4 bis 10 beschriebenen Mikrospektrometermoduls aufzunehmen. Dazu weist die Vorrichtung 1100 eine Ansteuereinheit 1110 zum Ausgeben eines Ansteuersignals 1112 zum Ansteuern des optischen Resonators auf. Mittels des Ansteuersignals 1112 wird der optische Resonator auf eine dem zu untersuchenden Spektrum zugeordnete Zentralwellenlänge eingestellt. Eine Ausleseeinheit 1120 ist ausgebildet, um ebenfalls das Ansteuersignal 1112 von der Ansteuereinheit 1110 zu empfangen und unter Verwendung des Ansteuersignals 1112 die Detektoreinrichtung auszulesen. Hierbei empfängt die Ausleseeinheit 1120 über eine geeignete Schnittstelle zur Detektoreinrichtung zumindest einen Intensitätswert 1122, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine vom ersten Detektorsegment detektierte Intensität der innerhalb des ersten Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündel, eine vom zweiten Detektorsegment detektierte Intensität der innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündel sowie gegebenenfalls eine vom dritten Detektorsegment detektierte Intensität der die innerhalb des dritten Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündel repräsentiert.
12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1200 zum Aufnehmen eines Spektrums kann beispielsweise unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand von 11 beschrieben ist, ausgeführt werden. Dabei wird in einem Schritt 1210 der optische Resonator angesteuert. In einem weiteren Schritt 1220 wird die Detektoreinrichtung ansprechend auf das Ansteuern des optischen Resonators ausgelesen. Zur vollständigen Aufnahme des Spektrums werden beispielsweise nacheinander unterschiedliche Zentralwellenlängen des optischen Resonators eingestellt, wobei jeweils eine winkelaufgelöste Messung durchgeführt wird, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird.
Zur Aufnahme des Spektrums wird zunächst das durchstimmbare Fabry-Perot-Interferometer auf eine erste gewünschte Zentralwellenlänge - beispielsweise am Rand des gewünschten Spektrums - eingestellt und es werden mittels der Detektoreinrichtung gleichzeitig die verschiedenen Wellenlängensegmente um diese Zentralwellenlänge herum gemessen. Dann wird die Zentralwellenlänge des durchstimmbaren Fabry-Perot-Interferometers so verfahren, dass die neue Zentralwellenlänge dem äußersten detektierten Wellenlängenbereich der vorherigen Zentralwellenlänge entspricht. Wiederum werden die verschiedenen Wellenlängensegmente aufgenommen. Dies wird so lange durchgeführt, bis das gesamte Spektrum aufgenommen ist. Besonders wichtige Bereiche des Spektrums können dabei auch mehrmals gemessen werden, beispielsweise auch mit unterschiedlichen Überlappungen.
Je nach Wellenlänge des zu untersuchenden Lichts werden verschiedene Arten von Detektoren oder Detektorarrays zur Detektion des durchgelassenen Lichts verwendet, beispielsweise Detektoren aus Si, Ge, InGaAs, Ge-on-Si oder PbSe.
Vorteilhafterweise kann durch geschickte Auswahl von Durchmesser und Brennweite der Linse sowie des Detektors die Fläche des Detektors sehr klein gehalten werden, wie dies aus 10 ersichtlich ist. Dadurch können die Herstellungskosten gesenkt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist dem Fabry-Pérot-Interferometer-Filtersystem ein Kanten- oder Bandpassfilter zur Herausfilterung unerwünschter Ordnungen vorgeschaltet. Dies kann auch durch mehrere serielle Fabry-Perot-Interferometer erreicht werden.
Das Mikrospektrometermodul ist beispielsweise zusammen mit einem geeigneten Beleuchtungssystem in ein Gehäuse integriert. Das Beleuchtungssystem umfasst eine Lichtquelle zum Anstrahlen eines mittels des Mikrospektrometermoduls zu untersuchenden Objekts und optional eine Lichtleit- oder Kollimationsoptik. Als Lichtquelle kommt beispielsweise eine Glühlampe, ein thermischer Emitter, ein Laser, eine Leuchtdiode, gegebenenfalls in Kombination mit einem Leuchtmittel, oder eine Plasmastrahlungsquelle oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten Strahlungsquellen zum Einsatz. Je nach Ausführungsbeispiel umfasst das Beleuchtungssystem mehrere sich spektral überlappende Lichtquellen. Die Lichtquelle ist beispielsweise mechanisch, optisch oder elektrisch modulierbar, um eine Lock-In-Detektion zu ermöglichen. Der Lichtstrahl wird dann auf die Probe geleitet.
Die Detektion sehr kleiner oder verrauschter Signale erfolgt insbesondere mittels Lock-In-Technik.
Für ein hochaufgelöstes Spektrum bei weniger gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis werden die Pixel der Detektoreinrichtung beispielsweise einzeln ausgelesen und ihrer jeweiligen Wellenlänge zugeordnet. Für ein schlechter aufgelöstes Spektrum bei gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis werden die Intensitäten mehrerer Pixel zu einer Gesamtintensität aufintegriert.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20140320858 A1 [0002]

Claims

Mikrospektrometermodul (100) mit folgenden Merkmalen: einem optischen Resonator (102) zum Filtern von Licht, wobei der optische Resonator (102) bezüglich zumindest eines herauszufilternden Wellenlängenbereichs durchstimmbar ist; einer Detektoreinrichtung (104) zum Detektieren von von dem optischen Resonator (102) transmittiertem Licht, wobei die Detektoreinrichtung (104) zumindest ein erstes Detektorelement (108) und zumindest ein zweites Detektorelement (110) aufweist; und einem fokussierenden Element (106), das ausgeformt ist, um ein innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel (400) des transmittierten Lichts auf das erste Detektorelement (108) zu lenken und ein innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel (600) des transmittierten Lichts auf das zweite Detektorelement (110) zu lenken.
Mikrospektrometermodul (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das fokussierende Element (106) als Linse, achromatische Linse, diffraktives optisches Element oder als Reflektor realisiert ist.
Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das fokussierende Element (106) zwischen dem optischen Resonator (102) und der Detektoreinrichtung (104) angeordnet ist.
Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der optische Resonator (102) als Fabry-Perot-Interferometer realisiert ist.
Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Detektoreinrichtung (104) zumindest ein drittes Detektorelement (112) aufweist, wobei das fokussierende Element (106) ausgeformt ist, um zumindest ein innerhalb eines dritten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel (800) des transmittierten Lichts auf das zumindest eine drittes Detektorelement (112) zu lenken.
Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einem der Detektoreinrichtung (104) vorgeschalteten Vorfilter zum Vorfiltern des Lichts.
Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einer Lichtquelle zum Anstrahlen eines mittels des Mikrospektrometermoduls (100) zu analysierenden Objekts.
Verfahren (1200) zum Aufnehmen eines Spektrums mittels eines Mikrospektrometermoduls (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (1200) folgende Schritte umfasst: Ansteuern (1210) des optischen Resonators (102), um den optischen Resonator (102) auf eine einem erwarteten Spektrum zugeordnete Zentralwellenlänge einzustellen; und Auslesen (1220) der Detektoreinrichtung (104), um zumindest einen Intensitätswert (1122) zu erhalten, wobei der Intensitätswert (1122) eine vom ersten Detektorelement (108) detektierte Intensität des innerhalb des ersten Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündels (400) und/oder eine vom zweiten Detektorelement (110) detektierte Intensität des innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündels (600) repräsentiert.
Verfahren (1200) gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt des Ansteuerns (1210) ansprechend auf das Auslesen (1220) erneut ausgeführt wird, um den optischen Resonator (102) auf eine zur Zentralwellenlänge benachbarte weitere Zentralwellenlänge einzustellen, wobei der Schritt des Auslesens (1220) ansprechend auf das Einstellen der weiteren Zentralwellenlänge erneut ausgeführt wird, um zumindest einen weiteren Intensitätswert zu erhalten, wobei der weitere Intensitätswert eine vom ersten Detektorelement (108) detektierte Intensität eines innerhalb des ersten Einfallswinkelbereiches einfallenden weiteren Lichtstrahlbündels des transmittierten Lichts und/oder eine vom zweiten Detektorelement (110) detektierte Intensität eines innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereiches einfallenden weiteren Lichtstrahlbündels des transmittierten Lichts repräsentiert.
Vorrichtung (1100) mit Einheiten (1110, 1120), die ausgebildet sind, um das Verfahren (1200) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9 auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (1200) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.