DE102018128993A1 - Spectroscopy arrangement and method for spectroscopy - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektroskopieanordnung und ein Verfahren zur Spektroskopie.
Insbesondere wird eine Spektroskopieanordnung zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe (300) beschrieben, umfassend:
- einen Beleuchtungsstrahlengang (100) mit einer Lichtquelle (10), dazu ausgebildet, das von der Lichtquelle (10) ausgesandte Licht auf ein Beleuchtungssegment an der Oberfläche der Probe (300) zu leiten,
- einen Detektionsstrahlengang (200), dazu ausgebildet, das von dem Beleuchtungssegment reflektierte Licht spektral aufgelöst zu detektieren,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Lichtquelle (10) als inverses Spektrometer (110) aufgebaut ist, bei dem das von einem Dioden-Lichtquellen-Array (68) erzeugte Licht spektral zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl vereint wird.

Figure DE102018128993A1_0000
The present invention relates to a spectroscopy device and a method for spectroscopy.
In particular, a spectroscopic device for measuring the spectral reflectance of a sample (300) is described, comprising:
- an illumination beam path (100) having a light source (10) adapted to direct the light emitted by the light source (10) to an illumination segment on the surface of the sample (300),
a detection beam path (200) configured to detect the light reflected from the illumination segment spectrally resolved,
characterized in that
- The light source (10) is constructed as an inverse spectrometer (110), wherein the light generated by a diode light source array (68) is spectrally combined to a common illumination beam.
Figure DE102018128993A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektroskopieanordnung und ein Verfahren zur Spektroskopie. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Spektroskopieanordnung zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe sowie ein Verfahren zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe mittels einer solchen Spektroskopieanordnung.The present invention relates to a spectroscopy device and a method for spectroscopy. In particular, the invention relates to a spectroscopy arrangement for measuring the spectral reflection of a sample and to a method for measuring the spectral reflection of a sample by means of such a spectroscopy arrangement.

Stand der TechnikState of the art

Eine typische Anordnung zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe (sog. spektrale Reflexionsmessung) nach dem Stand der Technik (vgl. 1) umfasst eine Weißlichtquelle (z.B. eine Halogen- oder Xenon-Lampe) als Lichtquelle für die Beleuchtung der Probe, abbildende Optiken jeweils innerhalb eines Beleuchtungs- und eines Detektionsstrahlenganges, einen detektierenden Spektrographen (auch als Spektrometer bezeichnet) und ein Mittel zur Auswertung. Bei dem Mittel zur Auswertung kann es sich insbesondere um einen Auswertungscomputer handeln, welcher die am Detektor-Array des Spektrographen gemessenen Intensitätswerte ausliest und auswertet. Weiterhin kann das Mittel zur Auswertung die Steuerparameter des Detektor-Arrays geeignet einstellen, um eine verbesserte Messperformance zu ermöglichen.A typical arrangement for measuring the spectral reflection of a sample (so-called spectral reflection measurement) according to the prior art (see. 1 ) comprises a white light source (eg, a halogen or xenon lamp) as a light source for the illumination of the sample, imaging optics each within an illumination and a detection beam path, a detecting spectrograph (also referred to as a spectrometer) and a means for evaluation. The evaluation means may in particular be an evaluation computer which reads out and evaluates the intensity values measured at the detector array of the spectrograph. Furthermore, the means for evaluation can suitably adjust the control parameters of the detector array in order to allow improved measurement performance.

Eine solche Anordnung zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe weist einige Nachteile auf. So hat eine klassische Weißlichtquelle nur eine begrenzte Lebensdauer (typisch sind 2.000 bis 10.000 Stunden) und besitzt nur eine geringe Energieeffizienz. Die Spektralverteilung des von der Weißlichtquelle emittierten Lichtes ist fest vorgegeben und kann nur aufwändig (z.B. durch teure Filter) an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden. Zur Unterdrückung von Störlicht muss zudem meist ein zusätzlicher mechanischer Chopper/Shutter eingesetzt werden. Weiterhin breiten sich im Spektrographen alle Wellenlängen des reflektierten Lichtes gleichzeitig aus und erzeugen (z.B. durch Lichtstreuung am Beugungsgitter) unerwünschte Streulicht-Offsets auf den Pixeln des Detektor-Arrays. Insbesondere am Rand des Spektrums, wo geringe Intensitäten des eigentlich zu detektierenden gebeugten Lichts auf den Pixeln des Detektor-Arrays vorliegen, kann das unerwünschte Streulicht zu signifikanten Fehler-Offsets führen. Die geringen Intensitäten am Rand des Spektrums sind oft unvermeidbar, da die Integrationszeit des Detektor-Arrays stets auf das Signalmaximum (oft in der Mitte des Spektrums liegend) angepasst werden muss, um eine Übersteuerung in diesem Bereich des Spektrums zu vermeiden.Such an arrangement for measuring the spectral reflection of a sample has some disadvantages. Thus, a classic white light source has only a limited life (typically 2,000 to 10,000 hours) and has only a low energy efficiency. The spectral distribution of the light emitted by the white light source is fixed and can be adapted to the respective measuring task only with great difficulty (for example by expensive filters). In addition, an additional mechanical chopper / shutter must usually be used to suppress stray light. Furthermore, in the spectrograph, all wavelengths of the reflected light propagate simultaneously and produce undesirable stray light offsets on the pixels of the detector array (e.g., by light scattering at the diffraction grating). In particular, at the edge of the spectrum, where low intensities of the diffracted light actually to be detected are present on the pixels of the detector array, the unwanted scattered light can lead to significant error offsets. The low intensities at the edge of the spectrum are often unavoidable because the integration time of the detector array must always be adjusted to the signal maximum (often in the middle of the spectrum) in order to avoid overdriving in this region of the spectrum.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spektroskopieanordnung und ein Verfahren zur Spektroskopie bereitzustellen, welche die im Stand der Technik auftretenden Probleme überwinden oder zumindest deutlich abschwächen. Insbesondere sollen eine verbesserte Spektroskopieanordnung zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe sowie ein Verfahren zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe mittels einer solchen Spektroskopieanordnung bereitgestellt werden.It is therefore an object of the present invention to provide a spectroscopy device and method for spectroscopy which overcome or at least significantly mitigate the problems encountered in the prior art. In particular, an improved spectroscopy arrangement for measuring the spectral reflection of a sample and a method for measuring the spectral reflection of a sample by means of such a spectroscopy arrangement are to be provided.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.These objects are achieved by the features of claims 1 and 7. Advantageous embodiments of the invention are contained in the subclaims.

Eine erfindungsgemäße Spektroskopieanordnung zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe umfasst:

  • - einen Beleuchtungsstrahlengang mit einer Lichtquelle, dazu ausgebildet, das von der Lichtquelle ausgesandte Licht auf ein Beleuchtungssegment auf der Oberfläche der Probe zu leiten,
  • - einen Detektionsstrahlengang, dazu ausgebildet, das (von dem mit dem Beleuchtungsstrahlengang beleuchteten) Beleuchtungssegment (an der Oberfläche der Probe) reflektierte Licht spektral aufgelöst zu detektieren, wobei die Lichtquelle als inverses Spektrometer (sog. SpektroRadiometer, auch als SpektroRadiator bezeichnet) aufgebaut ist. Bei einem inversen Spektrometer wird das von einem Dioden-Lichtquellen-Array erzeugte Licht spektral zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl vereint. Die einzelnen Dioden des Arrays emittieren Licht dabei in unterschiedlichen Spektralbereichen.
A spectroscopy arrangement according to the invention for measuring the spectral reflection of a sample comprises:
  • an illumination beam path having a light source adapted to direct the light emitted by the light source to an illumination segment on the surface of the sample,
  • a detection beam path designed to detect spectrally resolved light reflected from the illumination segment illuminated by the illumination beam path (on the surface of the sample), the light source being constructed as an inverse spectrometer (so-called spectro radiometer, also referred to as a spectro radiator). In an inverse spectrometer, the light generated by a diode light source array is spectrally combined into a common illumination beam. The individual diodes of the array emit light in different spectral ranges.

Dies bedeutet, dass eine Array-Anordnung aus Punktlichtquellen (z.B. LED-, sLED- oder LD-Array, d.h. Leuchtdioden-, Super-Leuchtdioden- oder Laser-Array) positioniert wird an der Stelle, wo sich in einem „normalen“ Spektrometer der Array-Detektor befindet (vgl. 2). Ein solches Lichtquellen-Array wird im Rahmen dieser Beschreibung abkürzend als Dioden-Lichtquellen-Array bezeichnet. Das vom Dioden-Lichtquellen-Array im inversen Spektrometer erzeugte Licht kann durch ein optisches Gitter spektral zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl vereint werden, wenn die passend angeordneten einzelnen Dioden des LED-Arrays ihr Licht in unterschiedlichen und jeweils geeignet ausgewählten Spektralbereichen emittieren.This means that an array of point light sources (eg LED, sLED or LD array, ie light emitting diode, super light emitting diode or laser array) is positioned at the point where in a "normal" spectrometer the Array detector is located (see. 2 ). In the context of this description, such a light source array is referred to in short as a diode light source array. The light generated by the diode light source array in the inverse spectrometer can be spectrally combined by an optical grating to form a common illumination beam when the appropriately arranged individual diodes of the LED array emit their light in different and suitably selected spectral ranges.

Der Beleuchtungsstrahlengang kann neben der SpektroRadiometer-Lichtquelle weitere optische Elemente aufweisen. Insbesondere kann der Beleuchtungsstrahlengang ein optisches Abbildungssystem oder eine Einzellinse zur Abbildung umfassen. Der Beleuchtungsstrahlengang kann eine Lichtleitfaser zur Strahlführung umfassen. Erfindungsgemäß ist der Beleuchtungsstrahlengang dazu ausgebildet, das von der Lichtquelle ausgesandte Licht auf ein Beleuchtungssegment an der Oberfläche der Probe zu leiten. Unter einem Leiten des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes auf ein Beleuchtungssegment an der Oberfläche der Probe ist dabei die Strahlführung des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes sowie die Abbildung des Ausgangs der Lichtquelle auf ein einzelnes Beleuchtungssegment zu verstehen (im Gegensatz zu einer multifokalen oder strukturierten Abbildung).The illumination beam path can have further optical elements in addition to the spectro-radiometer light source. In particular, the illumination beam path can be an optical Imaging system or a single lens for imaging. The illumination beam path may comprise an optical fiber for beam guidance. According to the invention, the illumination beam path is designed to guide the light emitted by the light source to an illumination segment on the surface of the sample. By directing the light emitted by the light source onto an illumination segment on the surface of the sample, the beam guidance of the light emitted by the light source and the mapping of the output of the light source to a single illumination segment are to be understood (in contrast to a multifocal or structured image). ,

Das Beleuchtungssegment kann dabei insbesondere punktförmig (d.h. das Beleuchtungssegment ist ein Punkt), linienförmig oder allgemein flächig ausgebildet sein. Bei einem punktförmigen Beleuchtungssegment kann es sich um einen im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch ausgebildeten Fokuspunkt (Spot) oder eine entsprechend ausgebildete Abbildungsfläche (Abbildung außerhalb des Fokus) handeln. Ein punktförmiges Beleuchtungssegment mit einem Punktdurchmesser über 5 µm wird dabei als flächig (d.h. als flächiger Punkt bzw. punktförmig-flächig) bezeichnet. Entsprechend wird auch ein linienförmig ausgebildetes Beleuchtungssegment mit einer Linienstärke über 5 µm als flächig (d.h. als flächige Linienform bzw. linienförmig-flächig) bezeichnet. Die über die Abbildungseigenschaften des Beleuchtungsstrahlengangs einstellbare Flächenausdehnung des Beleuchtungssegments bestimmt den zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe auswertbaren Bereich an der Oberfläche der Probe.In this case, the illumination segment can be in particular punctiform (i.e., the illumination segment is a point), linear or generally flat. A punctiform illumination segment may be a substantially circular or elliptical focal point (spot) or a correspondingly designed imaging surface (imaging out of focus). A punctiform illumination segment with a dot diameter of more than 5 μm is referred to as a flat (that is to say a flat dot or a dot-shaped area). Correspondingly, a line-shaped illumination segment with a line thickness of more than 5 μm is also referred to as flat (that is to say as a flat line or linear line). The surface extent of the illumination segment, which can be set via the imaging properties of the illumination beam path, determines the region, which can be evaluated for measuring the spectral reflection of a sample, at the surface of the sample.

Der Detektionsstrahlengang kann optische Elemente aufweisen. Insbesondere kann der Detektionsstrahlengang ein optisches Abbildungssystem oder eine Einzellinse zur Abbildung umfassen. Der Detektionsstrahlengang kann eine Lichtleitfaser zur Strahlführung umfassen. Der Detektionsstrahlengang ist dazu ausgebildet, das vom Beleuchtungssegment an der Oberfläche der Probe reflektierte Licht spektral aufgelöst zu detektieren. Insbesondere kann der Detektionsstrahlengang zur spektral aufgelösten Detektion ein Spektrometer umfassen, dazu eingerichtet, das vom Beleuchtungssegment an der Oberfläche der Probe reflektierte Licht spektral aufzulösen und zu detektieren. Beispielsweise kann es sich um ein Gitterspektrometer handeln, bei dem eine spektrale Zerlegung einfallenden Lichtes an einem Beugungsgitter erfolgt.The detection beam path may comprise optical elements. In particular, the detection beam path may comprise an optical imaging system or a single lens for imaging. The detection beam path may comprise an optical fiber for beam guidance. The detection beam path is designed to detect the light reflected from the illumination segment on the surface of the sample spectrally resolved. In particular, the detection beam path for spectrally resolved detection may comprise a spectrometer, configured to spectrally resolve and detect the light reflected from the illumination segment on the surface of the sample. For example, it may be a grating spectrometer, in which a spectral decomposition of incident light takes place on a diffraction grating.

Als Spektrometer gilt jede Art von optischer Anordnung, welche allgemein dazu eingerichtet ist, das vom Beleuchtungssegment an der Oberfläche der Probe reflektierte Licht spektral aufgelöst zu detektieren. Bei einer solchen Anordnung kann es sich beispielsweise um eine Kombination aus unterschiedlichen optischen Filterelementen mit jeweils einem zugeordneten Detektor handeln. In Kombination mit einem erfindungsgemäßen SpektroRadiometer im Beleuchtungsstrahlengang kann auch ein Einzeldetektor im Detektionsstrahlengang die spektrale Reflexion des Beleuchtungssegments messen, indem die Wellenlängen des SpektroRadiometers seriell - also zeitlich nacheinanderangesteuert werden.A spectrometer is any type of optical arrangement which is generally adapted to detect the spectrally resolved light reflected from the illumination segment on the surface of the sample. Such an arrangement may, for example, be a combination of different optical filter elements, each with an associated detector. In combination with a spectroRadiometer according to the invention in the illumination beam path and a single detector in the detection beam path can measure the spectral reflection of the illumination segment by the wavelengths of the spectroRadiometer seriell - are controlled sequentially.

Erfindungsgemäß ist die Lichtquelle als inverses Spektrometer aufgebaut. Unter einem inversen Spektrometer ist dabei ein optischer Aufbau zu verstehen, bei dem anstatt einer in einem „normalen“ Spektrometer stattfindenden spektralen Zerlegung eines einfallenden Lichtstrahls auf einen Array-Detektor (vgl. vorhergehenden Absatz) eine spektrale Vereinigung des vom Dioden-Lichtquellen-Array (welcher sich an der Stelle des Array-Detektors im „normalen“ Spektrometer befindet) jeweils emittierten spektral schmalbandigen Lichtes erfolgt. Diese Vereinigung zu einem austretenden Lichtstrahl erfolgt mittels eines zum klassischen Spektrometer genau umgekehrten Strahlenverlaufs, für welchen die geeignete spektrale Selektion und Anordnung der Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays entscheidend ist. Vorzugsweise ist ein inverses Spektrometer geometrisch also im Wesentlichen baugleich zu einem „normalen“ Spektrometer ausgebildet, wobei lediglich der Array-Detektor des Spektrometers mit einem entsprechend strukturierten Dioden-Lichtquellen-Array ausgetauscht ist und die Strahlrichtung umgekehrt wird.According to the invention, the light source is constructed as an inverse spectrometer. An inverse spectrometer is to be understood as meaning an optical structure in which, instead of a spectral decomposition of an incident light beam into an "ordinary" spectrometer onto an array detector (see the preceding paragraph), a spectral union of the light emitted from the diode light source array (FIG. which is at the location of the array detector in the "normal" spectrometer) each spectrally narrow-band light is emitted. This combination to an emergent light beam by means of a classical spectrometer exactly reversed beam path, for which the appropriate spectral selection and arrangement of the diodes of the diode light source array is crucial. Preferably, therefore, an inverse spectrometer is geometrically constructed substantially identical to a "normal" spectrometer, wherein only the array detector of the spectrometer is exchanged with a correspondingly structured diode light source array and the beam direction is reversed.

Vorzugsweise weist ein inverses Spektrometer ein Beugungsgitter zur spektralen Vereinigung der einzelnen Strahlen aus dem Dioden-Lichtquellen-Array auf (inverses Gitterspektrometer), jedoch können auch andere dispersive oder diffraktive Element (z.B. Prisma, Transmissionsgitter, etc.) zum Einsatz kommen. Des Weiteren ist es möglich, den Ausgangsspalt des SpektroRadiometers durch ein komplettes 2D-Array von entsprechenden Dioden geeigneter Anordnung und Emissionswellenlänge zu beleuchten, um die Lichtintensität zu erhöhen. Dies entspricht dann einer inversen Hyperspektral-Kamera.Preferably, an inverse spectrometer includes a diffraction grating for spectrally combining the individual beams from the diode light source array (inverse grating spectrometer), but other dispersive or diffractive elements (e.g., prism, transmission gratings, etc.) may also be used. Furthermore, it is possible to illuminate the output gap of the spectro-radiometer through a complete 2D array of corresponding diodes of suitable arrangement and emission wavelength in order to increase the light intensity. This then corresponds to an inverse hyperspectral camera.

Die einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays emittieren Licht in unterschiedlichen, in der Regel schmalbandigen Spektralsegmenten, deren Zentralwellenlänge man als Emissionswellenlänge der Diode bezeichnet. Insbesondere kann ihre Anordnung derart erfolgen, dass die Reihenfolge der Emissionswellenlängen im Dioden-Lichtquellen-Array zu einer spektralen Verteilung der Emission führt, welche dazu geeignet ist, durch das inverse Spektrometer spektral vollständig zu einem austretenden Weißlichtstrahl vereint zu werden. Dies bedeutet, die räumliche Anordnung der einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays mit ihren unterschiedlichen Emissionswellenlängen entspricht der räumlichen Verteilung der Wellenlängen des von einem entsprechenden „normalen“ Spektrometer auf einen Array-Detektor abgebildeten Spektrums. Dabei kann es sich je nach Ansteuerung und spektraler Zusammensetzung der Emission der einzelnen Dioden des Arrays bei dem aus dem SpektroRadiometer austretenden Lichtstrahl insbesondere um Weißlicht, allgemein farbiges Licht oder einfarbiges Licht (z.B. entsprechend dem Spektralprofil einer einzeln angesteuerten Diode) handeln.The individual diodes of the diode light source array emit light in different, usually narrowband spectral segments whose central wavelength is referred to as the emission wavelength of the diode. In particular, their arrangement may be such that the order of the emission wavelengths in the diode light source array results in a spectral distribution of the emission which is capable of being spectrally completely united by the inverse spectrometer into an outgoing white light beam. This means the spatial arrangement of the individual diodes of the diode light source array with their different emission wavelengths corresponds to the spatial distribution of the wavelengths of the spectrum imaged by a corresponding "normal" spectrometer on an array detector. Depending on the control and spectral composition of the emission of the individual diodes of the array, the light beam emerging from the spectrograph can be, in particular, white light, generally colored light or monochromatic light (eg corresponding to the spectral profile of a single driven diode).

Die Weißlichtquelle einer herkömmlichen Spektroskopieanordnung wird somit durch einen invertiertes Spektrometer (invertierter Spektrograph), eine als SpektroRadiometer bezeichnete Lichtquelle, ersetzt. Bei diesem kann insbesondere an Stelle des Array-Detektors in einem klassischen Gitterspektrographen ein Array von einzelnen Dioden-Lichtquellen positioniert werden, deren Emissionswellenlängen und Abstrahlcharakteristika exakt auf die Beugungscharakteristik des Beugungsgitters im invertierten Spektrometer angepasst sind. Dadurch verlässt vorzugsweise farblich durchmischtes „Weißlicht“ das SpektroRadiometer, das mit (im Vergleich zur klassischen Weißlichtquelle) zusätzlichen spektral selektiven Modulations- und Intensitätsanpassungs-Optionen für spektrale Reflexionsmessungen eingesetzt werden kann.The white light source of a conventional spectroscopy device is thus replaced by an inverted spectrometer (inverted spectrograph), a light source called a spectro radiometer. In this case, an array of individual diode light sources, whose emission wavelengths and emission characteristics are exactly matched to the diffraction characteristics of the diffraction grating in the inverted spectrometer, can be positioned in place of the array detector in a classical grating spectrograph. As a result, color mixed "white light" preferably leaves the spectro radiometer, which can be used with spectrally selective modulation and intensity adjustment options (compared to the conventional white light source) for spectral reflectance measurements.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Eine erfindungsgemäße Spektroskopieanordnung weist einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Spektroskopieanordnungen auf.A spectroscopy arrangement according to the invention has several advantages over conventional spectroscopy arrangements.

Die Lebensdauer von Dioden-Lichtquellen ist sehr hoch im Vergleich zu den Lebensdauern herkömmlicher Weißlichtquellen. Dadurch wird die Nutzungsdauer der verwendeten Lichtquelle deutlich erhöht und deren Wartungskosten werden reduziert. Zur Unterdrückung von Störlicht können die Dioden ohne einen zusätzlichen mechanischen Chopper/Shutter elektronisch moduliert werden, wodurch sehr hohe Modulationsfrequenzen möglich werden. Die Empfindlichkeit des Detektor-Arrays im Detektionsstrahlengang kann außerdem über die gesamte Breite des Spektrums optimal eingestellt bzw. ausgenutzt werden, indem die Beleuchtungs-Spektralverteilung des SpektroRadiometers an die Messaufgabe (d.h. an die Proben- und Detektor-Eigenschaften) angepasst wird.The lifetime of diode light sources is very high compared to the lifetimes of conventional white light sources. As a result, the useful life of the light source used is significantly increased and their maintenance costs are reduced. To suppress stray light, the diodes can be electronically modulated without an additional mechanical chopper / shutter, whereby very high modulation frequencies are possible. The sensitivity of the detector array in the detection beam path can also be optimally adjusted across the full width of the spectrum by adjusting the illumination spectral distribution of the spectro radiometer to the measurement task (i.e., the sample and detector properties).

Vorzugsweise können die einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays zur unabhängigen Intensitätsregelung und/oder für einen seriellen Einzelbetrieb jeweils individuell angesteuert werden. Die Spektralverteilung des Lichtes kann somit durch geeignete Steuerung der Ströme durch die einzelnen Dioden flexibel und kostengünstig an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden.Preferably, the individual diodes of the diode light source array for independent intensity control and / or for a single serial operation can each be individually controlled. The spectral distribution of the light can thus be flexibly and inexpensively adapted to the respective measuring task by suitable control of the currents through the individual diodes.

Vorzugsweise umfasst der Detektionsstrahlengang einen Detektor, dazu eingerichtet, das von dem Beleuchtungssegment an der Oberfläche der Probe reflektierte Licht bei einem seriellen Einzelbetrieb der einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays spektral korreliert zu detektieren. Dieser Detektor kann, in Abhängigkeit von der Messaufgabe, aus einem einzelnen Detektionselement (0D-Einzeldetektor), aus einem 1D-Array-Detektor (z.B. 1024 Pixel) oder aus einem 2D-Array- bzw. Flächendetektor (z.B. 1024x1024 Pixel eines Kamera-Detektors) bestehen.The detection beam path preferably comprises a detector configured to detect the light reflected by the illumination segment on the surface of the sample in a spectrally correlated manner in a single serial operation of the individual diodes of the diode light source array. This detector can, depending on the measurement task, from a single detection element (0D single detector), from a 1D array detector (eg 1024 pixels) or from a 2D array or area detector (eg 1024x1024 pixels of a camera detector ) consist.

Unter einer spektral korrelierten Detektion ist dabei die zeitliche Zuordnung der gemessenen Intensität an einem oder mehreren Detektorelementen (Pixel) im Detektionsstrahlengang in Bezug zu den einzeln angesteuerten Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (d.h. deren unterschiedlichen Spektralbereichen) im SpektroRadiometer zu verstehen. Insbesondere ist darunter die zeitliche Zuordnung der gemessenen Intensität entweder am Einzeldetektor oder für die einzelnen Detektor-Pixel der 1D-/2D-Array-/Kamera-Detektoren in Bezug zu den einzeln angesteuerten Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (d.h. deren unterschiedlichen Spektralbereichen) im SpektroRadiometer zu verstehen. Eine zeitliche Zuordnung kann über ein Mittel zur Auswertung erfolgen, über das der Detektor entsprechend, d.h. für eine spektral korrelierten Detektion, eingerichtet wird.A spectrally correlated detection means the temporal assignment of the measured intensity at one or more detector elements (pixels) in the detection beam path with respect to the individually driven diodes of the diode light source array (i.e., their different spectral ranges) in the spectro radiometer. In particular, this includes the temporal assignment of the measured intensity either at the single detector or for the individual detector pixels of the 1D / 2D array / camera detectors with respect to the individually driven diodes of the diode light source array (ie their different spectral ranges). to be understood in the spectro radiometer. A time allocation can be made via a means for evaluation over which the detector is correspondingly, i. for spectrally correlated detection.

Durch das genannte Verfahren kann im Falle eines 0D-Einzeldetektors eine großflächige Spektraldetektion erfolgen, die robust ist gegen Vibrationen der Probe („Proben-Taumeln“). Im Falle eines 1D-Array-Detektors können durch das genannte Verfahren innerhalb eines Spektrometers im Detektionsstrahlengang, insbesondere am Rand des Spektrums, unerwünschte Streulicht-Offsets auf den Pixeln eines Detektor-Arrays im Detektionsstrahlengang fast vollständig unterdrückt werden, indem die Dioden des Arrays im SpektroRadiometer nicht gleichzeitig, sondern geeignet nacheinander zum Leuchten angeregt werden und indem dann zusätzlich im Spektrometer des Detektionsstrahlenganges mehrere streulichtarme Einzelspektren aufgenommen werden, welche abschließend in einer Auswerteeinheit, z.B. in einem Computer als Mittel zur Auswertung, zu einem gemeinsamen Ergebnisspektrum zusammengeführt werden. Die gleiche Streulichtunterdrückung ist anwendbar, wenn ein 2D-Kamera-Detektor im Hyperspektralmodus betrieben wird, indem das Ausgangslicht des SpektroRadiometers durch geeignete optische Elemente in ein linienförmiges Beleuchtungssegment auf der Probe abgebildet wird und die Teilabschnitte dieser Linie durch ein geeignetes Abbildungssystem im Detektionsstrahlengang auf einzelne Zeilen des 2D-Kamera-Detektors (Hyperspektral-Detektion) abgebildet werden.In the case of a 0D single detector, a large-area spectral detection, which is robust against vibrations of the sample ("sample tumbling"), can be carried out by the abovementioned method. In the case of a 1D array detector, unwanted scattered light offsets on the pixels of a detector array in the detection beam path can be almost completely suppressed by said method within a spectrometer in the detection beam path, in particular at the edge of the spectrum, by the diodes of the array in the spectroRadiometer not at the same time, but suitably one after the other are excited to shine and then additionally in the spectrometer of the detection beam path several scatter light single spectra are recorded, which are finally combined in an evaluation, eg in a computer as a means of evaluation, to a common range of results. The same stray light suppression is applicable when a 2D-camera detector is operated in the hyperspectral mode by the output light of the spectro-radiometer is imaged by suitable optical elements in a line-shaped illumination segment on the sample and the sections of this line through a suitable imaging system in the detection beam path individual lines of the 2D camera detector (hyperspectral detection) are mapped.

Mit dem genannten Verfahren kann im Falle von 1 D-Array-Detektoren auch das unerwünschte Streulichtverhalten der jeweiligen detektierenden Spektrographenanordnung durch spektral-serielle Beleuchtung komplett quantifiziert und kompensiert werden. Dafür wird im Sinne einer Messsystem-Selbstkalibrierung zuerst einmalig eine 2D-Streulichtmatrix vermessen, welche für jedes Detektionspixel bei spektral reiner Beleuchtung den relativen Streulichtübertrag auf alle anderen Detektionspixel enthält. Durch geeignete Modellbildung und bekannte mathematische Algorithmen kann somit auch im späteren regulären Messbetrieb bei paralleler Weißlichtbeleuchtung (alle Dioden des SpektroRadiometers leuchten gleichzeitig) eine numerische Echtzeitkorrektur von Streulichtartefakten im Spektrographen mit einem 1 D-Array-Detektor vorgenommen werden. Dieses Streulicht-Kompensationsverfahren kann, wenn auch mit erhöhtem numerischen Aufwand, auch auf Hyperspektral-Detektionssysteme mit 2D-Kamera-Detektor übertragen werden.With the mentioned method, in the case of 1 D-array detectors, the unwanted scattered light behavior of the respective detecting spectrograph arrangement can be completely quantified and compensated by spectral-serial illumination. For this purpose, in the sense of a measuring system self-calibration, first a 2D scattered light matrix is measured, which contains the relative scattered light transfer to all other detection pixels for each detection pixel in the case of spectrally pure illumination. By suitable modeling and well-known mathematical algorithms, a real-time numerical correction of scattered light artifacts in the spectrograph with a 1-D array detector can thus also be carried out in the later regular measuring operation with parallel white-light illumination (all diodes of the spectro-radiometer shine simultaneously). This scattered light compensation method can also be transferred to hyperspectral detection systems with a 2D camera detector, albeit with increased numerical complexity.

Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße Spektroskopieanordnung ein Mittel zur Auswertung, dazu ausgebildet, insbesondere im Falle von 1D- und 2D-Array-Detektoren, eine numerische Korrektur von Streulichtartefakten aufgrund von Modelldaten vorzunehmen (z.B. bei paralleler Weißlichtbeleuchtung) und/oder die Steuerparameter der elektronischen Komponenten für den Betrieb der Spektroskopieanordnung festzulegen, insbesondere der elektronischen Komponenten für den Betrieb des SpektroRadiometers, und zwar vorzugsweise derart, dass durch geeignete serielle Beleuchtung Streulicht-Artefakte in 1D- oder 2D-Detektorsystemen minimiert werden. Eine Festlegung von Steuerparametern der elektronischen Komponenten für den Betrieb der Spektroskopieanordnung wird dabei als Teil der Auswertung angesehen, da sich diese Festlegung als Ergebnis der Auswertung einer Referenzmessung zum Streulichtverhalten ergibt. Insbesondere kann über das Mittel zur Auswertung auch die Einrichtung eines Detektors zu einer spektral korrelierten Detektion erfolgen.Preferably, a spectroscopy arrangement according to the invention comprises a means for evaluation, designed, in particular in the case of 1D and 2D array detectors, to numerically correct scattered light artefacts based on model data (eg in parallel white light illumination) and / or the control parameters of the electronic components for determine the operation of the spectroscopy arrangement, in particular the electronic components for the operation of the spectroRadiometers, and preferably such that by appropriate serial illumination stray light artifacts are minimized in 1D or 2D detector systems. A definition of control parameters of the electronic components for the operation of the spectroscopy arrangement is considered as part of the evaluation, since this definition results as the result of the evaluation of a reference measurement for scattered light behavior. In particular, the device for evaluating can also be used to set up a detector for a spectrally correlated detection.

Das Mittel zur Auswertung kann über eine optionale Signalleitung mit der Steuerung der elektronischen Komponenten für den Betrieb der Spektroskopieanordnung, insbesondere mit der Steuerung des Dioden-Lichtquellen-Arrays des SpektroRadiometers, verbunden sein. Weitere elektronische Komponenten für den Betrieb der Spektroskopieanordnung können die Steuerung eines Beugungsgitters im inversen Spektrometer (z.B. Drehwinkelsteuerung), die Steuerung eines Beugungsgitters im Spektrometer (z.B. Drehwinkelsteuerung) oder die Steuerung der Position der Probe umfassen. Die Signalleitung dient dazu, die von dem Mittel zur Auswertung festgelegten Steuerparameter der elektronischen Komponenten für den Betrieb der Spektroskopieanordnung an diese zu übermitteln.The evaluation means may be connected via an optional signal line to the control of the electronic components for the operation of the spectroscopy device, in particular to the control of the diode light source array of the spectro-radiometer. Other electronic components for operating the spectroscopy assembly may include controlling a diffraction grating in the inverse spectrometer (e.g., rotational angle control), controlling a diffraction grating in the spectrometer (e.g., rotational angle control), or controlling the position of the sample. The signal line serves to transmit the control parameters of the electronic components for the operation of the spectroscopy arrangement determined by the means for evaluation to the latter.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird das von der Lichtquelle ausgesandte Licht durch den Beleuchtungsstrahlengang auf eine Fläche, d.h. ein flächig ausgedehntes Beleuchtungssegment (vorzugsweise eine Fläche mit einem Durchmesser von 0.1 Millimetern bis hin zu mehreren Zentimetern), an der Oberfläche der Probe geleitet. Der Detektionsstrahlengang umfasst eine 2D-Kamera, dazu eingerichtet, das von der mit dem Beleuchtungsstrahlengang beleuchteten Fläche an der Oberfläche der Probe reflektierte Licht bei einem seriellen Einzelbetrieb einzelner Dioden des Arrays räumlich aufgelöst und zeitlich spektral korreliert zu detektieren. Das von der beleuchteten Fläche an der Oberfläche der Probe reflektierte Licht wird dabei unmittelbar auf die 2D-Kamera abgebildet, d.h. vor der Detektion findet keine spektrale Zerlegung des reflektierten Lichts statt. Stattdessen erfolgt durch einen erfindungsgemäßen seriellen Einzelbetrieb einzelner Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays pro Wellenlänge bzw. pro Wellenlängen-Segment (aufgrund einer spektralen Breite der Emission der einzelnen Dioden) jeweils eine Beleuchtung.In an alternative embodiment of the invention, the light emitted by the light source is transmitted through the illumination beam path onto a surface, i. a flat extended lighting segment (preferably an area with a diameter of 0.1 millimeters to several centimeters), passed to the surface of the sample. The detection beam path comprises a 2D camera, configured to spatially resolve the light reflected from the surface illuminated by the illumination beam path on the surface of the sample in a single serial operation of individual diodes of the array and to correlate the time spectrally. The light reflected from the illuminated area on the surface of the sample is imaged directly onto the 2D camera, i. before detection no spectral decomposition of the reflected light takes place. Instead, by a serial individual operation according to the invention of individual diodes of the diode light source array per wavelength or per wavelength segment (due to a spectral width of the emission of the individual diodes) in each case a lighting.

Dies entspricht einer vollspektralen Fotografie, denn es werden durch den 2D-Kamera-Detektor mit hoher Messgeschwindigkeit auf allen Pixeln nahezu gleichzeitig Spektren aufgenommen (z.B. in insgesamt nur 0,3 Sekunden, wenn 256 Wellenlängen im SpektroRadiometer jeweils nur 1 ms leuchten). Eine geeignete Spektralauswertung dieser Spektren liefert dann für jedes Pixel Informationen zu den durch die optische Abbildung diesem Kamerapixel zugeordneten Teilbereichen des Beleuchtungssegments (z.B. für eine lokale Schichtdickenmessung).This is equivalent to full-spectral photography, because the 2D camera detector is used to record spectra almost simultaneously on all pixels (e.g., in only 0.3 seconds if 256 wavelengths in the SpectroRadiometer illuminate only 1 ms each). A suitable spectral evaluation of these spectra then provides, for each pixel, information about the subregions of the illumination segment (for example, for a local layer thickness measurement) assigned by the optical image to this camera pixel.

Unter einer spektral korrelierten Detektion ist dabei die zeitliche Zuordnung der in seriellen, schnell aufeinander folgenden Einzelbildern gemessenen Intensität an den einzelnen Pixeln des 2D-Detektors im Detektionsstrahlengang in Bezug zu den einzeln angesteuerten Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (d.h. deren unterschiedlichen Emissionswellenlängen) im SpektroRadiometer zu verstehen. Die räumliche Auflösung ergibt sich daraus, dass vorzugsweise die gesamte beleuchtete Fläche an der Oberfläche der Probe auf den 2D-Detektor abgebildet wird und über die Geometrie dieser Abbildung eine exakte Zuordnung zwischen den einzelnen Pixeln des 2D-Detektors und einzelnen Teilsegmenten der beleuchteten Fläche möglich ist.In this case, the temporal assignment of the intensity measured in serial, rapidly successive individual images at the individual pixels of the 2D detector in the detection beam path in relation to the individually driven diodes of the diode light source array (ie their different emission wavelengths) is referred to as spectrally correlated detection SpektroRadiometer to understand. The spatial resolution results from the fact that preferably the entire illuminated area is imaged on the surface of the sample on the 2D detector and on the geometry of this figure, an exact mapping between the individual pixels of the 2D detector and individual sub-segments of the illuminated area is possible ,

Beleuchtet man daher mit dem SpektroRadiometer ein Fläche und bildet diese Fläche auf eine geeignete 2D-Kamera ab, dann kann durch serielles elektronisches Ansteuern der Dioden mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen (d.h. individuelles Ansteuern der in unterschiedlichen Spektralbereichen emittierenden Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays) und synchronisierte Aufnahmen mit der (z.B. Schwarz/Weiß-) 2D-Kamera für jedes Pixel der 2D-Kamera, d.h. für die auf die einzelnen Pixel der 2D-Kamera abgebildeten Teilsegmente der beleuchteten Fläche auf der Probe, ein Spektrum aufgenommen werden. Alternativ kann der Einsatz einer Farb-2D-Kamera sinnvoll sein, um die Messzeit zu verkürzen. Für solche RGB-Kameras können vorzugsweise bis zu drei Dioden in verschiedenen RGB-Segmenten des SpectroRadiometers gleichzeitig leuchten, so dass das gesamte SpektroRadiometer-Spektrum in bis zu dreifach kürzerer Zeit durchgescannt werden kann. Damit wird bei Einsatz einer SpektroRadiometer-Lichtquelle und geeigneter Software auch vollspektrale Fotografie und ortsaufgelöste Spektroskopie mit sehr einfachen Kamera-Detektoren (z.B. in Smartphones) möglich.If one illuminates a surface with the spectro radiometer and maps this surface onto a suitable 2D camera, then through serial electronic control of the diodes with different emission wavelengths (ie, individually driving the diodes of the diode light source array emitting in different spectral ranges) and synchronized images with the (eg black and white) 2D camera for each pixel of the 2D camera, ie for the sub-segments of the illuminated area on the sample imaged onto the individual pixels of the 2D camera, a spectrum are recorded. Alternatively, the use of a color 2D camera may be useful to shorten the measurement time. For such RGB cameras, preferably up to three diodes in different RGB segments of the SpectroRadiometer may be lit simultaneously, so that the entire SpectroRadiometer spectrum can be scanned in up to three times shorter time. Thus, when using a SpectroRadiometer light source and suitable software also fully spectral photography and spatially resolved spectroscopy with very simple camera detectors (eg in smartphones) possible.

Es handelt sich hierbei um eine Möglichkeit, ohne jede mechanische Bewegung von Probe oder Messkopf, komplette 2D-Verteilungen von Spektren aufzunehmen. Die Geschwindigkeit dieser 2D-Messung ist nicht von mechanischen Bewegungen abhängig, sondern wird ausschließlich durch die elektronische Scangeschwindigkeit des Dioden-Lichtquellen-Arrays im SpektroRadiometer und von der Empfindlichkeit bzw. Zeitauflösung der 2D-Kamera bestimmt. Bisher werden räumlich aufgelöste Weißlicht-Reflexionsmessungen hauptsächlich mittels 2D-Mapping (d.h. Abrastern der Probenoberfläche) in Verbindung mit einem Spektrometer (erfordert mechanische Bewegung in zwei Achsen) oder als 2D-Weißlicht-Reflexionsmessung mit einer Hyperspektralkamera (erfordert mechanische Bewegung in einer Achse) durchgeführt. Eine erfindungsgemäße Spektroskopieanordnung weist demgegenüber vor allem eine verringerte Messdauer und eine erhöhte Zuverlässigkeit auf. Die erfindungsgemäße Spektroskopieanordnung ist jedoch nicht nur für Reflexionsmessungen nutzbar, sondern kann auch für alle vergleichbaren Spektralverfahren, welche mit Weißlicht-Beleuchtung und Spektrometern arbeiten (Transmissionsmessung, Farbmessung etc.), verwendet werden.It is a way to record complete 2D distributions of spectra without any mechanical movement of sample or probe. The speed of this 2D measurement is not dependent on mechanical movements, but is determined solely by the electronic scanning speed of the diode light source array in the spectro radiometer and by the sensitivity or time resolution of the 2D camera. So far, spatially resolved white light reflectance measurements are mainly performed by 2D mapping (ie, scanning the sample surface) in conjunction with a spectrometer (requires mechanical motion in two axes) or as 2D white light reflectance measurement with a hyperspectral camera (requiring mechanical motion in one axis) , On the other hand, a spectroscopy arrangement according to the invention has, in particular, a reduced measuring duration and increased reliability. However, the spectroscopy arrangement according to the invention can not only be used for reflection measurements, but can also be used for all comparable spectral methods which work with white-light illumination and spectrometers (transmission measurement, color measurement, etc.).

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe mittels einer Spektroskopieanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6. Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der jeweiligen Ausführungsform der Spektroskopieanordnung. Auf die in der Beschreibung genannten verfahrensbezogenen funktionalen Merkmale wird verwiesen.Another aspect of the invention relates to a method for measuring the spectral reflection of a sample by means of a spectroscopy arrangement according to one of claims 1 to 6. The advantages of a method according to the invention are analogous to the described advantages of the particular embodiment of the spectroscopy. Reference is made to the procedural functional features mentioned in the description.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • - Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Spektroskopieanordnung,
  • - Beleuchten der Oberfläche einer Probe (d.h. eines Beleuchtungssegments) mit dem Beleuchtungsstrahlengang und spektral aufgelöste Detektion des (vom Beleuchtungssegment) an der Oberfläche der Probe reflektierten Lichtes (über den Detektionsstrahlengang). Das Verfahrens basiert somit auf der Bereitstellung und Anwendung einer erfindungsgemäßen Spektroskopieanordnung, wobei die Lichtquelle als inverses Spektrometer aufgebaut ist, bei dem das von einem Dioden-Lichtquellen-Array erzeugte Licht spektral zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl vereint wird.
A method according to the invention comprises the following steps:
  • Providing a spectroscopy arrangement according to the invention,
  • Illuminating the surface of a sample (ie a lighting segment) with the illumination beam path and spectrally resolved detection of the light (reflected by the illumination segment) on the surface of the sample (via the detection beam path). The method is thus based on the provision and application of a spectroscopy arrangement according to the invention, wherein the light source is constructed as an inverse spectrometer, in which the light generated by a diode light source array is combined spectrally into a common illumination beam.

Vorzugsweise erfolgen die Beleuchtung auf ein Beleuchtungssegment, bevorzugt punktförmig (punktförmiges Beleuchtungssegment), auf der Oberfläche der Probe und die Detektion des an der Oberfläche der Probe reflektierten Lichtes mit einem Spektrometer.Preferably, the illumination is carried out on a lighting segment, preferably punctiform (point-shaped illumination segment), on the surface of the sample and the detection of the light reflected at the surface of the sample with a spectrometer.

Die Beleuchtung (d.h. das entsprechende Beleuchtungssegment) kann auch linienförmig oder allgemein flächig ausgebildet sein. Bei einem punktförmigen Beleuchtungssegment kann es sich um einen im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch ausgebildeten Fokuspunkt (Spot) oder eine entsprechend ausgebildete Abbildungsfläche (Abbildung außerhalb des Fokus) handeln. Ein punktförmiges Beleuchtungssegment mit einem Punktdurchmesser über 5 µm wird dabei als flächig (d.h. als flächiger Punkt) bezeichnet. Entsprechend wird auch ein linienförmig ausgebildetes Beleuchtungssegment mit einer Linienstärke über 5 µm als flächig (d.h. als flächige Linienform) bezeichnet.The illumination (i.e., the corresponding illumination segment) may also be linear or generally planar. A punctiform illumination segment may be a substantially circular or elliptical focal point (spot) or a correspondingly designed imaging surface (imaging out of focus). A punctiform illumination segment with a dot diameter of more than 5 μm is referred to as a flat (that is, as a flat dot). Correspondingly, a line-shaped lighting segment with a line thickness of more than 5 μm is also referred to as flat (that is, as a flat line shape).

Vorzugsweise erfolgen die Beleuchtung auf ein Beleuchtungssegment, bevorzugt punktförmig, auf der Oberfläche der Probe, das Beleuchten der Oberfläche der Probe bei einem seriellen Einzelbetrieb der einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays und die Detektion des an der Oberfläche der Probe reflektierten Lichtes spektral korreliert mit einem Detektor. Unter einer spektral korrelierten Detektion ist dabei die zeitliche Zuordnung der gemessenen Intensität an einem Detektor im Detektionsstrahlengang in Bezug zu den einzeln angesteuerten Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (d.h. deren unterschiedlichen Spektralbereichen) zu verstehen. Insbesondere ist darunter auch die zeitliche Zuordnung der gemessenen Intensität für die einzelnen Pixel des Array-Detektors eines im Detektionsstrahlengang angeordneten Spektrometers in Bezug zu den einzeln angesteuerten Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (d.h. deren unterschiedlichen Spektralbereichen) zu verstehen. Die weiteren Ausführungen hierzu sind dem Beschreibungsabschnitt zur entsprechenden Spektroskopieanordnung analog zu entnehmen.Preferably, the illumination is carried out on a lighting segment, preferably punctiform, on the surface of the sample, the illumination of the surface of the sample in a single serial operation of the individual diodes of the diode light source array and the detection of the light reflected on the surface of the sample spectrally correlated with a detector. A spectrally correlated detection is understood to be the temporal assignment of the measured intensity at a detector in the detection beam path in relation to the individually controlled diodes of the diode light source array (ie their different spectral ranges). In particular, the temporal assignment of the measured intensity for the individual pixels of the array detector of a spectrometer arranged in the detection beam path in relation to the individually driven diodes of the diode light source array (ie their different Spectral regions). The further comments on this can be found in the description section for the corresponding spectroscopy arrangement analogously.

Vorzugsweise erfolgen die Beleuchtung flächig (d.h. punktförmig-flächiges oder allgemein flächiges Beleuchtungssegment) auf der Oberfläche der Probe, das Beleuchten der Oberfläche der Probe bei einem seriellen Einzelbetrieb der einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays und die Detektion des an der Oberfläche der Probe reflektierten Lichtes räumlich aufgelöst und spektral korreliert mit einer 2D-Kamera. Das von der mit dem Beleuchtungsstrahlengang beleuchteten Fläche an der Oberfläche der Probe reflektierte Licht wird dabei unmittelbar auf die 2D-Kamera abgebildet, d.h. vor der Detektion findet keine spektrale Zerlegung des reflektierten Lichts statt. Stattdessen erfolgt durch den erfindungsgemäßen seriellen Einzelbetrieb einzelner Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays pro Spektralbereich jeweils eine Beleuchtung. Die weiteren Ausführungen hierzu sind dem Beschreibungsabschnitt zur entsprechenden Spektroskopieanordnung analog zu entnehmen.Preferably, the illumination is flat (ie dot-flat or generally planar illumination segment) on the surface of the sample, illuminating the surface of the sample in a single serial operation of the individual diodes of the diode light source array and the detection of the reflected on the surface of the sample Light spatially resolved and spectrally correlated with a 2D camera. The light reflected from the surface illuminated by the illumination beam path on the surface of the sample is imaged directly onto the 2D camera, i. before detection no spectral decomposition of the reflected light takes place. Instead, in each case one illumination takes place by the individual serial operation according to the invention of individual diodes of the diode light source array per spectral range. The further comments on this can be found in the description section for the corresponding spectroscopy arrangement analogously.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Spektroskopieanordnung zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe, umfassend einen Beleuchtungsstrahlengang mit einer Lichtquelle, dazu ausgebildet, das von der Lichtquelle ausgesandte Licht auf ein Punkt an der Probenoberfläche zu leiten, einen Detektionsstrahlengang, dazu ausgebildet, das von dem mit dem Beleuchtungsstrahlengang beleuchteten Punkt an der Probenoberfläche reflektierte Licht spektral aufgelöst zu detektieren, wobei die Lichtquelle als inverses Spektrometer aufgebaut ist, bei dem das von einem LED-Array oder LD-Array erzeugte Licht spektral zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl vereint wird, wobei die einzelnen Dioden des Arrays Licht in unterschiedlichen Spektralbereichen emittieren.Another aspect of the invention relates to a spectroscopic device for measuring the spectral reflectance of a sample, comprising an illumination beam path with a light source adapted to direct the light emitted by the light source to a point on the sample surface, a detection beam path, adapted to that of the With the illumination beam path illuminated point on the sample surface reflected light to detect spectrally resolved, wherein the light source is constructed as an inverse spectrometer, in which the light generated by an LED array or LD array is combined spectrally to a common illumination beam, wherein the individual diodes of the array emit light in different spectral ranges.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Spektroskopieanordnung gemäß dem Stand der Technik,
  • 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spektroskopieanordnung, und
  • 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spektroskopieanordnung.
Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
  • 1 a schematic representation of a spectroscopy according to the prior art,
  • 2 a schematic representation of a first embodiment of a spectroscopy arrangement according to the invention, and
  • 3 a schematic representation of a second embodiment of a spectroscopy arrangement according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Spektroskopieanordnung gemäß dem Stand der Technik. Die Spektroskopieanordnung umfasst einen Beleuchtungsstrahlengang 100 mit einer Lichtquelle 10, dazu ausgebildet, das von der Lichtquelle 10 ausgesandte Licht auf einen Punkt an der Oberfläche der Probe 300 zu leiten. Dazu weist die gezeigte Abbildung eine erste Optik 20 auf, bei welcher es sich insbesondere um ein Linsensystem oder eine Einzellinse handeln kann. 1 shows a schematic representation of a spectroscopy according to the prior art. The spectroscopy arrangement comprises an illumination beam path 100 with a light source 10 , designed to be that of the light source 10 emitted light to a point on the surface of the sample 300 to lead. For this purpose, the illustration shown has a first appearance 20 on, which may be in particular a lens system or a single lens.

Weiterhin umfasst die Spektroskopieanordnung einen Detektionsstrahlengang 200, dazu ausgebildet, das von dem Punkt reflektierte Licht spektral aufgelöst zu detektieren. Die gezeigte Abbildung weist eine zweite Optik 30 auf, bei welcher es sich insbesondere um ein Linsensystem oder eine Einzellinse handeln kann. Weiterhin zeigt die Abbildung ein Spektrometer 210 im Detektionsstrahlengang 200. Im Spektrometer 210 wird zunächst durch eine Blende 40 einfallendes Hintergrundlicht ausgeblendet. Das durch die Blende 40 einfallende Licht wird dann durch einen ersten Spiegel 42 auf ein Beugungsgitter 44 umgelenkt und dort spektral zerlegt. Das spektral zerlegte Licht wird anschießend über einen zweiten Spiegel 46 auf einen Array-Detektor 48 umgelenkt. An diesem wird das an der Oberfläche der Probe 300 reflektierte Licht spektral aufgelöst detektiert. Die vom Array-Detektor 48 gemessenen Intensitätswerte werden dann von einem Mittel zur Auswertung 50, z.B. einem Mess-Computer mit entsprechender Auswertungs-Software, ausgewertet. Der dargestellte Aufbau steht dabei beispielhaft für eine Vielzahl von unterschiedlichen Spektrometertypen. Wesentlich ist, dass das von dem mit dem Beleuchtungsstrahlengang 100 beleuchteten Punkt an der Oberfläche der Probe 300 reflektierte Licht spektral aufgelöst detektiert wird.Furthermore, the spectroscopy arrangement comprises a detection beam path 200 , adapted to detect the light reflected from the point spectrally resolved. The illustration shown has a second optic 30 on, which may be in particular a lens system or a single lens. Furthermore, the figure shows a spectrometer 210 in the detection beam path 200 , In the spectrometer 210 is first through an aperture 40 incident background light hidden. That through the aperture 40 incident light is then transmitted through a first mirror 42 on a diffraction grating 44 deflected and spectrally dissected there. The spectrally decomposed light is then connected via a second mirror 46 to an array detector 48 diverted. At this it will be on the surface of the sample 300 reflected light detected spectrally resolved. The from the array detector 48 measured intensity values are then evaluated by a means 50 , eg a measuring computer with appropriate evaluation software, evaluated. The construction shown is an example of a variety of different spectrometer types. What is essential is that of the with the illumination beam path 100 illuminated point on the surface of the sample 300 reflected light is detected spectrally resolved.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spektroskopieanordnung. Die Darstellung entspricht in wesentlichen Teilen der Darstellung in 1, die Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten daher entsprechend. Im Unterschied zur Darstellung in 1 wurde die Lichtquelle 10 im Beleuchtungsstrahlengang 100 erfindungsgemäß durch ein invertiertes Spektrometer 110 (auch als SpektroRadiometer bezeichnet) ersetzt. Vorzugsweise ist das inverse Spektrometer 110 strahlentechnisch als im Wesentlichen baugleich mit dem Spektrometer 210 im Detektionsstrahlengang 200 ausgebildet, wobei lediglich der Array-Detektor 48 des Spektrometers 210 mit einem entsprechend strukturierten Dioden-Lichtquellen-Array 68 ausgetauscht ist und die Strahlrichtung umgekehrt wird. Das vom Dioden-Lichtquellen-Array 68 emittierte Licht wird über einen zweiten Spiegel 66 auf ein Beugungsgitter 64 umgelenkt und dort spektral vereint. Das spektral vereinte Licht wird anschießend über einen ersten Spiegel 62 in Richtung einer Blende 60 umgelenkt. An der Blende 60 wird Hintergrundlicht ausgeblendet. Das Mittel zur Auswertung 50 kann über eine optionale Signalleitung 52 mit der Steuerung der elektronischen Komponenten für den Betrieb der Spektroskopieanordnung, insbesondere mit der Steuerung des Dioden-Lichtquellen-Arrays 68, verbunden sein. Weitere elektronische Komponenten für den Betrieb der Spektroskopieanordnung können die Steuerung des Beugungsgitters 64 im inversen Spektrometer 110 (z.B. Drehwinkelsteuerung), die Steuerung des Beugungsgitters 44 im Spektrometer 210 (z.B. Drehwinkelsteuerung) oder die Steuerung der Position der Probe 300 umfassen. Die Signalleitung 52 dient dazu, die von dem Mittel zur Auswertung 50 festgelegten Steuerparameter der elektronischen Komponenten für den Betrieb der Spektroskopieanordnung an diese zu übermitteln. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a spectroscopy arrangement according to the invention. The illustration corresponds in essential parts to the illustration in FIG 1 , the reference numerals and their assignment therefore apply accordingly. In contrast to the representation in 1 became the light source 10 in the illumination beam path 100 according to the invention by an inverted spectrometer 110 (also known as SpectroRadiometer) replaced. Preferably, the inverse spectrometer 110 Radiotechnically as substantially identical to the spectrometer 210 in the detection beam path 200 formed, wherein only the array detector 48 of the spectrometer 210 with a correspondingly structured diode light source array 68 is exchanged and the beam direction is reversed. That of the diode light source array 68 emitted light is transmitted through a second mirror 66 on a diffraction grating 64 redirected and there spectrally united. The spectrally combined light is then connected via a first mirror 62 in the direction of a panel 60 diverted. At the aperture 60 background light is hidden. The means of evaluation 50 can via an optional signal line 52 with the control of the electronic components for the operation of the spectroscopy device, in particular with the control of the diode light source array 68 be connected. Other electronic components for the operation of the spectroscopy arrangement may include the control of the diffraction grating 64 in the inverse spectrometer 110 (eg rotation angle control), the control of the diffraction grating 44 in the spectrometer 210 (eg rotation angle control) or the control of the position of the sample 300 include. The signal line 52 serves the purpose of evaluation by the means 50 specified control parameters of the electronic components for the operation of the spectroscopy to this.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spektroskopieanordnung. Die Darstellung entspricht in wesentlichen Teilen der Darstellung in 2, die Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten daher entsprechend. Im Unterschied zur Darstellung in 2 wurde das Spektrometer 210 im Detektionsstrahlengang 200 durch eine 2D-Kamera 70 ersetzt. Weiterhin erfolgt die Beleuchtung der Probe flächig, d.h. punktförmig-flächig, linienförmig-flächig oder allgemein flächig. Vorzugsweise erfolgt im Detektionsstrahlengang 200 eine Abbildung dieser Fläche auf die 2D-Kamera 70. Zur Spektroskopie wird das von der Fläche reflektierte Licht bei einem seriellen Einzelbetrieb einzelner Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays 68 räumlich aufgelöst und spektral korreliert mit der 2D-Kamera 70 detektiert. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a spectroscopy arrangement according to the invention. The illustration corresponds in essential parts to the illustration in FIG 2 , the reference numerals and their assignment therefore apply accordingly. In contrast to the representation in 2 became the spectrometer 210 in the detection beam path 200 through a 2D camera 70 replaced. Furthermore, the illumination of the sample is flat, ie punctiform-flat, linear-flat or generally flat. Preferably takes place in the detection beam path 200 a picture of this area on the 2D camera 70 , For spectroscopy, the light reflected from the surface in a single serial operation of individual diodes of the diode light source array 68 spatially resolved and spectrally correlated with the 2D camera 70 detected.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Lichtquellelight source
2020
erste Optik (Beleuchtungsstrahlengang)first optics (illumination beam path)
3030
zweite Optik (Detektionsstrahlengang)second optics (detection beam path)
4040
Blendecover
4242
erster Spiegelfirst mirror
4444
Beugungsgitterdiffraction grating
4646
zweiter Spiegelsecond mirror
4848
Array-DetektorArray detector
5050
Mittel zur AuswertungMeans for evaluation
5252
Signalleitungsignal line
6060
Blendecover
6262
erster Spiegelfirst mirror
6464
Beugungsgitterdiffraction grating
6666
zweiter Spiegelsecond mirror
6868
Dioden-Lichtquellen-ArrayDiode light source array
7070
2D-Kamera 2D camera
100100
BeleuchtungsstrahlengangIllumination beam path
110110
inverses Spektrometer („SpektroRadiometer“)inverse spectrometer ("SpectroRadiometer")
200200
DetektionsstrahlengangDetection beam path
210210
Spektrometerspectrometer
300300
Probesample

Claims (10)

Spektroskopieanordnung zur Messung der spektralen Reflexion einer Probe (300), umfassend: - einen Beleuchtungsstrahlengang (100) mit einer Lichtquelle (10), dazu ausgebildet, das von der Lichtquelle (10) ausgesandte Licht auf ein Beleuchtungssegment an der Oberfläche der Probe (300) zu leiten, - einen Detektionsstrahlengang (200), dazu ausgebildet, das von dem Beleuchtungssegment reflektierte Licht spektral aufgelöst zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass - die Lichtquelle (10) als inverses Spektrometer (110) aufgebaut ist, bei dem das von einem Dioden-Lichtquellen-Array (68) erzeugte Licht spektral zu einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl vereint wird.A spectroscopic device for measuring the spectral reflectance of a sample (300), comprising: - an illumination beam path (100) with a light source (10) adapted to project the light emitted by the light source (10) onto an illumination segment on the surface of the sample (300) a detection beam path (200), designed to detect the light reflected from the illumination segment in a spectrally resolved manner, characterized in that - the light source (10) is constructed as an inverse spectrometer (110) in which the light emitted by a diode Light source array (68) light is spectrally combined into a common illumination beam. Spektroskopieanordnung nach Anspruch 1, wobei die einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (68) zur unabhängigen Intensitätsregelung und/oder für einen seriellen Einzelbetrieb jeweils individuell angesteuert werden können.Spectroscopy arrangement according to Claim 1 , wherein the individual diodes of the diode light source array (68) for independent intensity control and / or for a single serial operation can each be controlled individually. Spektroskopieanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spektroskopieanordnung weiterhin ein Mittel zur Auswertung (50) umfasst, dazu ausgebildet, eine numerische Korrektur von Streulichtartefakten aufgrund von Modelldaten vorzunehmen und/oder die Steuerparameter der elektronischen Komponenten für den Betrieb der Spektroskopieanordnung festzulegen.Spectroscopy arrangement according to Claim 1 or 2 wherein the spectroscopy arrangement further comprises a means for evaluation (50), adapted to perform a numerical correction of scattered light artifacts based on model data and / or set the control parameters of the electronic components for the operation of the spectroscopy. Spektroskopieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Detektionsstrahlengang (200) ein Spektrometer (210) umfasst, dazu eingerichtet, das von dem Beleuchtungssegment reflektierte Licht spektral aufzulösen und zu detektieren.A spectroscope assembly according to any one of the preceding claims, wherein the detection beam path (200) comprises a spectrometer (210) adapted to that of the illumination segment to spectrally resolve and detect reflected light. Spektroskopieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Detektionsstrahlengang (200) einen Detektor (48) umfasst, dazu eingerichtet, das von dem Beleuchtungssegment bei einem seriellen Einzelbetrieb der einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (68) spektral korreliert zu detektieren.Spectroscopy arrangement according to one of the preceding claims, wherein the detection beam path (200) comprises a detector (48), adapted to detect the spectrally correlated by the illumination segment in a single serial operation of the individual diodes of the diode light source array (68). Spektroskopieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das von der Lichtquelle (110) ausgesandte Licht durch den Beleuchtungsstrahlengang (100) auf eine Fläche an der Oberfläche der Probe (300) geleitet wird, und der Detektionsstrahlengang (200) eine 2D-Kamera (70) umfasst, dazu eingerichtet, das von der Fläche reflektierte Licht bei einem seriellen Einzelbetrieb einzelner Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (68) räumlich aufgelöst und spektral korreliert zu detektieren.Spectroscopy arrangement according to one of the preceding claims, wherein the light emitted by the light source (110) is guided through the illumination beam path (100) onto a surface on the surface of the sample (300), and the detection beam path (200) is guided by a 2D camera (70). comprises, configured to spatially resolved and spectrally correlated to detect the light reflected from the surface in a single serial operation of individual diodes of the diode light source array (68). Verfahren zur Spektroskopie, folgende Schritte umfassend: - Bereitstellen einer Spektroskopieanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - Beleuchten der Oberfläche einer Probe (300) mit dem Beleuchtungsstrahlengang (100) und spektral aufgelöste Detektion des an der Oberfläche der Probe (300) reflektierten Lichtes.Method for spectroscopy, comprising the following steps: Providing a spectroscopy arrangement according to one of the preceding claims, Illuminating the surface of a sample (300) with the illumination beam path (100) and spectrally resolved detection of the light reflected at the surface of the sample (300). Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Beleuchtung auf ein Beleuchtungssegment erfolgt und die Detektion des reflektierten Lichtes mit einem Spektrometer (210) erfolgt.Method according to Claim 7 , wherein the illumination takes place on a lighting segment and the detection of the reflected light with a spectrometer (210). Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Beleuchtung auf ein Beleuchtungssegment erfolgt, das Beleuchten bei einem seriellen Einzelbetrieb der einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (68) erfolgt und die Detektion des reflektierten Lichtes mit einem Detektor (48) spektral korreliert erfolgt.Method according to Claim 7 , Wherein the illumination takes place on a lighting segment, the lighting is carried out in a single serial operation of the individual diodes of the diode light source array (68) and the detection of the reflected light is spectrally correlated with a detector (48). Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Beleuchtung flächig erfolgt, das Beleuchten bei einem seriellen Einzelbetrieb der einzelnen Dioden des Dioden-Lichtquellen-Arrays (68) erfolgt und die Detektion des reflektierten Lichtes mit einer 2D-Kamera (70) räumlich aufgelöst und spektral korreliert erfolgt.Method according to Claim 7 , Wherein the illumination is flat, the illumination is carried out in a single serial operation of the individual diodes of the diode light source array (68) and the detection of the reflected light with a 2D camera (70) spatially resolved and spectrally correlated takes place.
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