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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Spektrometer werden beispielsweise genutzt, um Substanzen oder Objekte auf ihre stoffliche Zusammensetzung zu untersuchen. So kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung wie sichtbares Licht oder Infrarotlicht, die mit einem Objekt wechselwirkt, in ihre Wellenlängenanteile zerlegt werden, die stoffabhängig unterschiedlich stark absorbiert werden. Man erhält ein Spektrum, dessen Form charakteristisch für eine bestimmte Substanz oder Mischungen von Substanzen ist. Eine Möglichkeit, Licht in der gewünschten Weise zu zerlegen, bietet das sogenannte Fabry-Perot-Spektrometer, das im Kern ein Fabry-Perot-Interferometer, auch Etalon genannt, beinhaltet.
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Dabei dringt ein einlaufender Lichtstrahl in das Fabry-Perot-Interferometer ein, das aus zwei gegenübergestellten planparallelen Spiegelflächen besteht, an denen das Licht mehrfach reflektiert wird. Bei jeder Reflexion wird ein Teil des Lichts transmittiert. Hinter dem Fabry-Perot-Interferometer entsteht ein Strahlenbündel mit kohärenten Teilstrahlen, die miteinander interferieren können. Ist d der Spaltabstand zwischen den Spiegeln, lautet die Bedingung für konstruktive Interferenz 2d*cosα = mλ, wobei α der Winkel zwischen einlaufendem Strahl und optischer Achse ist und m eine natürliche Zahl (spektrale Ordnung) ist. Betrachtet man nur die erste Ordnung und parallel zur optischen Achse einlaufendes Licht, so wird nur Licht einer Wellenlänge λ (und höhere Ordnungen) transmittiert. Durch Verändern des Abstands d lässt sich die Transmissionswellenlänge des Fabry-Perot-Interferometers variieren. Man erhält somit einen durchstimmbaren Filter, mit dem man unter Verwendung eines entsprechenden Detektors sequenziell ein Spektrum aufnehmen kann. Ist das Licht nicht exakt parallel zur optischen Achse, so können auch andere (blauverschobene) Wellenlängen abhängig vom Einfallswinkel α transmittiert werden. Ohne zusätzliche Maßnahmen trifft das Licht verschiedener Wellenlängen überlagert auf den Detektor. Um sie zu trennen, kann eine Linse oder allgemein eine Fokussieroptik hinter dem Fabry-Perot-Interferometer platziert werden. Dadurch werden die bei einem Abstand d transmittierten, unterschiedlichen Transmissionswellenlängen auf konzentrische Ringe in der Detektionsebene abgebildet, deren Radien vom Einfallswinkel α und der Brennweite der Linse abhängen. Durch Verwendung einer Linse kann die spektrale Auflösung gesteigert werden und man erhält auch im statischen Fall, d. h. bei festem Abstand d, bei entsprechender Einfallswinkelverteilung ein Spektrum für einen begrenzten Spektralbereich.
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In
US 2002/0126279 A1 ist ein miniaturisiertes Talbot-Spektrometer beschrieben. Mittels einer periodischen Struktur werden Talbot-Bilder bei unterschiedlichen Abständen der periodischen Struktur erzeugt, die von einem Detektor detektiert werden. Die abstandsabhängige Intensitätsverteilung wird fouriertransformiert, um ein Spektrum des Lichts zu bestimmen.
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In
DE 10121499 A1 ist eine Spektroskopievorrichtung beschrieben. Hier wird der Talbot-Effekt ausgenutzt, um eine oder einzelne Moden auszuwählen, die zum Detektor gelangen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Spektrometer, ein Verfahren zum Herstellen eines Spektrometers, ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers, eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, und ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Fabry-Perot-Spektrometer lassen sich aufgrund ihrer flachen Bauart sehr gut miniaturisieren. Dabei sind Bauhöhen von unter einem Millimeter leicht realisierbar. Ein Problem für die Miniaturisierung ist allerdings die oben beschriebene optionale Linse, da diese für eine ausreichende Fokusqualität einer gewissen Brennweite oder numerischen Apertur bedarf. So ist bei einem Aperturdurchmesser von 1 mm eine Brennweite von 1 mm realistisch. Möchte man die Fläche eines optischen Filters des Spektrometers vergrößern, um mehr Licht einzusammeln, sollte auch die Apertur und damit auch die Brennweite der Linse entsprechend vergrößert werden. Dies kann die Dicke des gesamten Spektrometers auf eine Größenordnung von mehreren Millimetern erhöhen, wodurch das Modul bereits für einige Anwendungen, wie beispielsweise die Integration in ein Smartphone, unattraktiv wird. Der hier beschriebene Ansatz umgeht dieses Problem durch Verzicht auf das fokussierende Element und Verlagerung der Winkelselektivität in einen entsprechend ausgebildeten Detektor. Der Vorteil des hier beschriebenen Ansatzes besteht darin, dass durch den Einsatz eines solchen winkelsensitiven Detektors und den damit verbundenen Wegfall einer Linse oder eines sonstigen fokussierenden Elements zwischen Detektor und optischem Filter das Spektrometer deutlich kleiner gebaut werden kann.
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Es wird ein Spektrometer mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
- einem optischen Filter zum Herausfiltern eines zu analysierenden Wellenlängenbereichs aus einer elektromagnetischen Strahlung; und
- einem Detektor mit zumindest einem winkelsensitiven Pixel, insbesondere mehreren winkelsensitiven Pixel zum Detektieren einer Intensität einer vom optischen Filter durchgelassenen Transmissionsstrahlung abhängig von einem Einfallswinkel der Transmissionsstrahlung.
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Unter einem Spektrometer kann ein Gerät zum Messen oder Darstellen eines elektromagnetischen Spektrums verstanden werden. Unter einem optischen Filter kann beispielsweise ein optischer Resonator, insbesondere ein statisches oder durchstimmbares Fabry-Pérot-Interferometer, ein Bragg-Filter, ein Bandpassfilter oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten optischen Filter verstanden werden. Unter einem Detektor kann beispielsweise eine Fotodiode, ein Fototransistor, ein CMOS- oder CCD-Sensor oder eine Anordnung aus mehreren solcher lichtempfindlichen Bauelemente verstanden werden. Unter einem winkelsensitiven Pixel, auch angle-sensitive pixel (ASP) genannt, kann ein zumindest ein Beugungsgitter aufweisendes Detektorelement des Detektors verstanden werden. Das winkelsensitive Pixel kann ausgebildet sein, um die Intensität von Lichtstrahlen unter Ausnutzung des sogenannten Talbot-Effekts abhängig von deren jeweiligen Einfallswinkeln bezüglich einer Pixeloberfläche zu detektieren. Unter einer Transmissionsstrahlung kann ein durch den optischen Filter herausgefilterter Strahlungsanteil der elektromagnetischen Strahlung verstanden werden. Der Detektor kann beispielsweise als ein Array aus einer Mehrzahl solcher winkelsensitiver Pixel ausgeführt sein. Der optische Filter und der Detektor können beispielsweise flächig aufeinanderliegen. Insbesondere können der optische Filter und der Detektor in einem kompakten Schichtverbund miteinander verbunden sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Pixel ausgebildet sein, um die Intensität als sinusförmige Funktion des Einfallswinkels zu detektieren. Dadurch kann die Intensität mit geringem Rechenaufwand abhängig vom Einfallswinkel ermittelt werden.
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Ferner kann das Pixel ein Beugungsgitter zum Erzeugen eines Intensitätsmusters mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase unter Verwendung der Transmissionsstrahlung und ein Sensorelement zum Erzeugen eines das Intensitätsmuster repräsentierenden Intensitätssignals unter Verwendung des Intensitätsmusters aufweisen. Unter einem Beugungsgitter, auch diffraction grating genannt, kann eine mit einer Mehrzahl von in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordneten Durchgangsöffnungen strukturierte Deck- oder Zwischenschicht des Pixels verstanden werden. Unter einem Sensorelement kann ein dem Beugungsgitter nachgeschaltetes lichtsensitives Bauelement, etwa eine Fotodiode oder ein CMOS-Sensor, verstanden werden. Das Sensorelement kann dem Beugungsgitter gegenüberliegend angeordnet sein. Unter einem Intensitätsmuster kann ein durch Beugung von Lichtstrahlen am Beugungsgitter erzeugtes Interferenzmuster, insbesondere ein Nahfeldinterferenzmuster, auch Talbot-Effekt genannt, verstanden werden. Das Intensitätsmuster kann beispielsweise sinusförmig sein. Durch diese Ausführungsform kann das Pixel besonders kompakt ausgeführt werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Pixel zumindest ein zwischen dem Sensorelement und dem Beugungsgitter angeordnetes Zwischengitter zum Erzeugen eines zusätzlichen Intensitätsmusters unter Verwendung des Intensitätsmusters aufweist. Dabei kann das Sensorelement ausgebildet sein, um das Intensitätssignal unter Verwendung des zusätzlichen Intensitätsmusters zu erzeugen. Unter einem Zwischengitter kann ein weiteres Beugungsgitter des Pixels verstanden werden. Das Zwischengitter, auch analyzer grating genannt, kann in einem vorbestimmten Abstand zum Beugungsgitter angeordnet sein. Beispielsweise kann das Zwischengitter in einem einer sogenannten Talbot-Tiefe entsprechenden Abstand zum Beugungsgitter angeordnet sein. Das Zwischengitter kann die gleiche oder eine ähnliche Struktur wie das Beugungsgitter oder auch eine davon abweichende Struktur aufweisen. Durch diese Ausführungsform kann die Messgenauigkeit des Spektrometers erhöht werden.
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Das Zwischengitter kann als Analysatorgitter zum Bestimmen einer Phasenverschiebung des Intensitätsmusters ausgebildet sein. Dadurch kann eine Phasenverschiebung zwischen einem Intensitätsmuster bei senkrecht einfallender Transmissionsstrahlung und einem Intensitätsmuster bei schräg einfallender Transmissionsstrahlung bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Detektor eine Detektormatrix mit dem Pixel und zumindest einem winkelsensitiven weiteren Pixel zum Detektieren der Intensität abhängig vom Einfallswinkel aufweisen. Dabei kann das weitere Pixel ein vom Beugungsgitter abweichendes weiteres Beugungsgitter zum Erzeugen eines weiteren Intensitätsmusters mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase unter Verwendung der Transmissionsstrahlung und ein weiteres Sensorelement zum Erzeugen eines das weitere Intensitätsmuster repräsentierenden weiteren Intensitätssignals unter Verwendung des weiteren Intensitätsmusters aufweisen. Unter einer Detektormatrix kann ein Array aus zumindest zwei winkelsensitiven Pixeln verstanden werden. Dadurch kann eine eindeutige Zuordnung zwischen Einfallswinkel und Intensität sichergestellt werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn der optische Filter als optischer Resonator ausgeführt ist. Bei dem optischen Resonator kann es sich beispielsweise um ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer handeln. Dadurch kann der optische Filter in kompakter Bauform und mit geringem Aufwand bereitgestellt werden.
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Der optische Filter und der Detektor können vorteilhafterweise zu einem Schichtverbund miteinander kombiniert sein. Dadurch kann das Spektrometer besonders kompakt hergestellt werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Herstellen eines Spektrometers, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst:
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Kombinieren eines optischen Filters zum Herausfiltern eines zu analysierenden Wellenlängenbereichs aus einer elektromagnetischen Strahlung mit einem Detektor mit zumindest einem winkelsensitiven Pixel, insbesondere mehreren winkelsensitiven Pixel, um mittels des Pixels und/oder der Pixel eine Intensität einer vom optischen Filter durchgelassenen Transmissionsstrahlung abhängig von einem Einfallswinkel der Transmissionsstrahlung zu detektieren.
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Des Weiteren schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Ansteuern des optischen Filters, um einen zu analysierenden Wellenlängenbereich aus der elektromagnetischen Strahlung herauszufiltern; und
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Auswerten eines Intensitätssignals, das ein unter Verwendung eines Beugungsgitters des Pixels und/oder der Pixel erzeugtes Intensitätsmuster mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase repräsentiert, ansprechend auf das Ansteuern, um ein Spektrum anhand des Intensitätsmusters zu bestimmen.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
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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.
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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.
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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.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels aus den 1 und 2;
- 4 ein Diagramm zur Darstellung eines Intensitätsmusters bei senkrechtem Lichteinfall, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 ein Diagramm zur Darstellung eines Intensitätsmusters bei schrägem Lichteinfall, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels gemäß einem Ausführungsbeispiel bei senkrechtem Lichteinfall;
- 7 eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels aus 6 bei schrägem Lichteinfall;
- 8 ein Diagramm zur Darstellung von Intensitätsmustern bei verschiedenen Einfallswinkeln und bei verschiedenen Gitterparametern, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 9 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Spektrometer 100, beispielsweise ein Mikrospektrometer, umfasst einen optischen Filter 102 zum Herausfiltern eines zu analysierenden Wellenlängenbereichs aus einer elektromagnetischen Strahlung. Beispielhaft ist der optische Filter 102 gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer ausgeführt. Der optische Filter 102 ist mit einem winkelsensitiven Detektor 104 mit zumindest einem winkelsensitiven Pixel 106 verbunden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind der optische Filter 102 und der Detektor 104 miteinander zu einem Schichtverbund kombiniert, wobei der optische Filter 102 direkt auf eine Oberfläche des Detektors 104 aufgebracht ist und das winkelsensitive Pixel 106 dem optischen Filter 102 gegenüberliegt. Das Pixel 106 ist ausgebildet, um eine Intensität einer vom optischen Filter 102 durchgelassenen Transmissionsstrahlung abhängig von einem Einfallswinkel der Transmissionsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixel 106 zu detektieren. Durch die Verwendung des winkelsensitiven Detektors 104 kann eine zusätzliche, dem optischen Filter 102 nachgeschaltete Linse entfallen. Dadurch kann das Spektrometer 100 besonders kompakt gefertigt werden.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist die Größe und damit die lichtsammelnde Fläche des optischen Filters 102 nur durch den Detektor 104 bestimmt. Der Detektor 104 hat beispielsweise eine Ausdehnung von mehreren Millimetern.
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Optional ist auf dem optischen Filter 102 ein weiterer Filter 108 zur Unterdrückung unerwünschter Wellenlängen, beispielsweise höherer Transmissionsordnungen, angeordnet. Ein ebenfalls optionaler optischer Diffusor 110 stellt sicher, dass das einfallende Licht eine gewisse Winkelverteilung besitzt. Der optische Diffusor 110 ist dem weiteren Filter 108 vorgeschaltet und beispielsweise direkt auf diesen aufgebracht.
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Die Transmissionscharakteristik des Fabry-Perot-Interferometers, d. h. die Transmissionswellenlänge als Funktion des Einfallswinkels bei einem bestimmten Spiegelabstand d, wird als bekannt vorausgesetzt und kann simuliert oder gemessen werden. Da der Detektor 104 eine Zuordnung von transmittierter Lichtintensität und Einfallswinkel durchführt, kann das Gesamtsystem eine Zuordnung von Wellenlänge bzw. Einfallswinkel und Intensität durchführen, also ein Spektrum berechnen für denjenigen Teil des Lichts, der für alle Einfallswinkel beim eingestellten Spiegelabstand transmittiert wird. Hierzu sind weder fokussierende noch winkeleinschränkende Elemente erforderlich. Der optionale Diffusor 110 stellt sicher, dass eine ausreichend große Winkelverteilung der Lichtstrahlen auf dem Fabry-Perot-Interferometer existiert, beispielsweise bei spekular reflektiertem Licht oder kollimiertem einfallendem Licht.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das in 2 gezeigte Spektrometer 100 ist ähnlich dem in 1 gezeigten Spektrometer in mehreren Schichten aufgebaut, mit dem Unterschied, dass der optische Filter 102 gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht als durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer, sondern als eine Matrix aus unterschiedlichen optischen Filtern ausgeführt, beispielsweise aus statischen Fabry-Pérot-Interferometern oder Bragg-Filtern, die als winkelabhängige Bandpassfilter dienen und mehrere kleinere Wellenlängenbereiche abdecken.
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Möglich sind auch andere Filter wie etwa linear variable Filterelemente. Die Transmissionsspektren dieser einzelnen Filter sind entweder disjunkt oder überlappen einander teilweise. Wie in 1 weist das Spektrometer 100 gemäß 2 den optionalen weiteren Filter 108 sowie den optionalen optischen Diffusor 110 auf.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist beispielhaft das vorangehend anhand von 1 beschriebene Pixel in vergrößerter Darstellung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Pixel 106 einen schichtartigen Aufbau mit einem Beugungsgitter 300 als Deckschicht, einem Sensorelement 302, hier beispielhaft einer Fotodiode, und einem zwischen dem Beugungsgitter 300 und dem Sensorelement 302 angeordneten weiteren Beugungsgitter als Zwischengitter 304 auf. Die beiden Beugungsgitter 300, 304 sind in einem vorgegebenen senkrechten Gitterabstand z zueinander angeordnet und weisen je eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 306 zum Durchlassen bzw. Beugen der Transmissionsstrahlung auf. Die Durchgangsöffnungen 306 sind in einem Gitterabstand d zueinander angeordnet. Der Gitterabstand d ist je nach Ausführungsbeispiel für beide Beugungsgitter 300, 304 identisch oder unterschiedlich gewählt. Auch die Phase sowie die Orientierung der Beugungsgitter können variieren. Die Durchgangsöffnungen 306 der beiden Beugungsgitter 300, 304 sind beispielsweise horizontal zueinander versetzt. Alternativ liegt je einer Durchgangsöffnung 306 des Beugungsgitters 300 je eine Durchgangsöffnung 306 des Zwischengitters 304 gegenüber.
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Das Beugungsgitter 300 ist ausgebildet, um die einfallende Transmissionsstrahlung je nach Einfallswinkel unterschiedlich stark zu beugen und dadurch ein beispielsweise sinusförmiges Intensitätsmuster mit einer vom jeweiligen Einfallswinkel abhängigen Phasenlage zu erzeugen. Das Sensorelement 302 ist ausgebildet, um das Intensitätsmuster in ein entsprechendes elektrisches Intensitätssignal 306 umzusetzen, das beispielsweise zur Aufnahme eines Spektrums weiterverarbeitet wird.
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Das Zwischengitter 304 dient dabei als Analysatorgitter, um eine Phasenverschiebung eines bei schrägem Lichteinfall erzeugten Intensitätsmusters gegenüber einem bei senkrechtem Lichteinfall erzeugten Intensitätsmuster zu detektieren.
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3 zeigt ein prinzipielles Design des winkelsensitiven Pixels 106. Dabei wird das Beugungsgitter 300, auch diffraction grating genannt, genutzt, um ein Nahfeldinterferenzmuster zu erzeugen, auch Talbot-Effekt genannt. Dieses periodische Muster besitzt bei einem bestimmten Abstand, der sogenannten Talbot-Tiefe, die gleiche räumliche Frequenz wie das erzeugende Gitter und ändert die Phase bei schräg einfallendem Licht in entsprechender Weise. Das Zwischengitter 304 wird als Analysatorgitter, auch analyzer grating genannt, genutzt, um den Einfallswinkel des Lichts zu detektieren.
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Das Spektrometer 100 ist beispielsweise als Kombination eines Fabry-Perot-Etalons oder eines ähnlich wirkenden optischen Filters mit dem winkelsensitiven Detektor 104 realisiert. Ein solcher Detektor kann auch als lensless imager oder planar fourier capture array bezeichnet werden. Der Detektor verfügt über eines oder mehrere winkelsensitive Pixel 106, deren Lichtsensitivität eine sinusförmige Funktion des Einfallswinkels beschreibt. Hierbei handelt es sich um ein System, das ohne Verwendung einer Linse oder eines ähnlichen fokussierenden Elements Rückschlüsse auf die Propagationsrichtung einfallender Strahlen erlaubt.
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Das Beugungsgitter 300 erzeugt ein winkelabhängiges Nahfeldbeugungsmuster. Bei der Talbot-Tiefe hat diese Intensitätsverteilung die gleiche Frequenz wie das Beugungsgitter 300, ist sinusförmig und verschiebt sich mit variierendem Einfallswinkel. Um die resultierende Phasenverschiebung zu messen, wird das Analysatorgitter benutzt, sodass eine winkelabhängige Fluktuation der Gesamtintensität auf dem Sensorelement 302 resultiert, wie in den 6, 7 und 8 zu erkennen.
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Fällt Licht mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf ein solches Pixel 106, kann die Zuordnung von Intensität und Einfallswinkeln unter Umständen nicht eindeutig sein. Um dem entgegenzuwirken, wird das Pixel mit unterschiedlich geformten Gittern zu einer Detektormatrix vereint. Die finale Zuordnung von Einfallsrichtung und Intensität erfolgt durch numerische Nachverarbeitung.
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Der Detektor 104 ist beispielsweise in einem gewöhnlichen CMOS-Prozess herstellbar und eignet sich somit gut für die Massenfertigung. Ein besonderer Vorteil der Kombination eines solchen winkelsensitiven Detektors mit einem Fabry-Perot-Interferometer ist der Wegfall optischer Elemente zur Selektion der Einfallswinkel oder der Wellenlängen, was eine drastische Reduktion der Bauhöhe ermöglicht. Des Weiteren kann das gesamte System in einem Halbleiterprozess hergestellt werden, da ein zusätzliches Bestücken mit optischen Elementen wegfällt, was einen Kosten- und Robustheitsvorteil mit sich bringt.
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4 zeigt ein Diagramm 400 zur Darstellung eines Intensitätsmusters bei senkrechtem Lichteinfall, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa durch das vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebene Pixel. Bei einem Einfallswinkel von 0 Grad einfallende ebene Wellen 402 erzeugen hier ein sinusförmiges Intensitätsmuster mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase.
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5 zeigt ein Diagramm 500 zur Darstellung eines Intensitätsmusters bei schrägem Lichteinfall, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier mit einem von 0 Grad verschiedenen Einfallswinkel einfallenden Wellen 402 erzeugen ein Intensitätsmuster, das im Vergleich zum Intensitätsmuster bei senkrechtem Lichteinfall phasenverschoben ist.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels 106 bei senkrechtem Lichteinfall. Im Unterschied zu den 4 und 5 weist das Pixel 106 gemäß diesem Ausführungsbeispiel das als Analysatorgitter fungierende Zwischengitter 304 auf.
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7 zeigt eine schematische Darstellung des winkelsensitiven Pixels 106 aus 6 bei schrägem Lichteinfall, hier beispielhaft bei einem Einfallswinkel von 10 Grad.
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Aus den 6 und 7 ist ersichtlich, dass es durch Hinzufügen eines zweiten Gitters zu einer vom Einfallswinkel abhängigen Gesamt-Intensitätsmodulation auf dem Pixel 106 kommt.
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8 zeigt ein Diagramm zur Darstellung von Intensitätsmustern bei verschiedenen Einfallswinkeln, erzeugt durch vier winkelsensitive Pixel gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei denen Beugungsgitter 300 und Zwischengitter 304 zueinander unterschiedliche Phasen aufweisen. Ein Diagramm 800 zeigt beispielhaft vier Intensitätsmuster für Einfallswinkel zwischen -20 ° und 20 °, die je einem von vier Phasenwinkeln α = 0, α = π/2, α = π, α = 3π/2 zwischen Beugungsgitter 300 und Zwischengitter 304 zugeordnet sind.
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9 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 900 zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines vorangehend anhand der 1 bis 8 beschriebenen Spektrometers. Die Vorrichtung 900 umfasst eine Ansteuereinheit 910 zum Bereitstellen eines Ansteuersignals 912, das zur Ansteuerung des optischen Filters, d. h. zum Einstellen eines mittels des Spektrometers zu analysierenden Wellenlängenbereichs, dient. Eine Auswerteeinheit 920 wertet unter Verwendung des Ansteuersignals 912 das Intensitätssignal 306 aus, um anhand des dadurch repräsentierten Intensitätsmusters ein Spektrum aufzunehmen. Dabei erzeugt die Auswerteeinheit 920 ein das Spektrum repräsentierendes Auswerteergebnis 922.
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10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa des vorangehend anhand der 1 bis 9 beschriebenen Spektrometers. Dabei erfolgt in einem Schritt 1010 die Ansteuerung des optischen Filters, um den zu analysierenden Wellenlängenbereich am optischen Filter einzustellen. In einem weiteren Schritt 1020 erfolgt die Auswertung des Intensitätssignals, um ein Spektrum anhand des dadurch repräsentierten Intensitätsmusters aufzunehmen.
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11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Herstellen eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa des vorangehend anhand der 1 bis 10 beschriebenen Spektrometers. Dabei werden in einem optionalen vorbereitenden Schritt 1110 der optische Filter und der Detektor gebildet, beispielsweise in einem Halbleiterprozess. In einem weiteren Schritt 1120 werden der optische Filter und der Detektor zum Spektrometer miteinander kombiniert. Dabei wird beispielsweise der optische Filter direkt auf den Detektor aufgebracht. Beispielsweise kann im Schritt 1110 der optische Filter durch Aufbringen auf den Detektor gebildet werden oder umgekehrt der Detektor durch Aufbringen auf den optischen Filter gebildet werden, sodass das Bilden des Schichtverbunds mit dem Bilden zumindest eines der beiden Komponenten des Spektrometers einhergeht.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2002/0126279 A1 [0004]
- DE 10121499 A1 [0005]
