DE102018202591A1 - Optical system and method of making an optical system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft ein optisches System, umfassend eine erste Trägereinrichtung (2) mit einer Oberseite (2a), ein lichtleitendes Element (3), welches auf der Oberseite (2a) der ersten Trägereinrichtung (2) angeordnet ist oder auf der Oberseite (2a) ausgeprägt ist und einen Einkoppelbereich (5a) zum Einkoppeln von Licht in das lichtleitende Element (3) umfasst; und eine lumineszierende Probe (4), welche auf der Oberseite (2a) der ersten Trägereinrichtung (2) angeordnet ist, so dass die lumineszierende Probe (4) durch einen ersten Teilbereich (3a) des lichtleitenden Elements (3) mit Licht ausleuchtbar ist, wobei der Einkoppelbereich (5a) in einem zweiten Teilbereich (3b) des lichtleitenden Elements (3) ausgeprägt oder angeordnet ist. The present invention provides an optical system comprising a first carrier device (2) with a top side (2a), a light-conducting element (3) which is arranged on the upper side (2a) of the first carrier device (2) or on the upper side (2a ) is pronounced and comprises a coupling-in region (5a) for coupling light into the light-conducting element (3); and a luminescent sample (4) which is arranged on the upper side (2a) of the first carrier device (2) so that the luminescent sample (4) can be illuminated with light by a first partial region (3a) of the light-conducting element (3). wherein the coupling-in region (5a) is pronounced or arranged in a second partial region (3b) of the light-conducting element (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems.The present invention relates to an optical system and a method of manufacturing an optical system.
Stand der TechnikState of the art
Bei der Anwendung von Sensorvorrichtungen, welche Sensoren mit einem lumineszierenden Stoff nutzen, ist es von ausschlaggebender Bedeutung, dass elektromagnetische Strahlung, die durch die Lumineszenz des Sensors erzeugt und abgestrahlt wird, über einen möglichst großen Raumwinkel um den lumineszierenden Stoff herum detektiert wird. Der lumineszierende Stoff strahlt Strahlung in für diesen Stoff charakteristischen Wellenlängen aus, nachdem dieser von einer Einwirkung auf den Stoff zur Lumineszenz angeregt wurde, beispielsweise von einem Laser. Durch einen Außeneinfluss auf den Sensor, etwa durch ein Magnetfeld, Strahlung, Temperatur oder Druck, wird durch Messung der optisch detektierten magnetischen Resonanz (ODMR) auf die Art und Intensität des Außeneinflusses zurückgeschlossen. Bei der optisch detektierten magnetischen Resonanz treten bei der charakteristischen Frequenz der eingestrahlen Mikrowelle (magnetischese Wechselfeld) Resonanzen auf. Diese Resonanzen können im ODMR-Spektrum als Reduktion der Luminezenzintensität nachgewiesen werden. Die charakterisitsche Mikrowellenfrequenz skaliert proportional zu der Intensität des Außeneinflusses. Der lumineszierende Stoff strahlt üblicherweise isotrop in den Raum. Bei einer zu geringen Einsammeleffizienz der Detektionsoptik, etwa einer geringen numerischen Apertur oder einem zu kleinen Detektionsraumwinkel um den lumineszierenden Stoff herum, wird generell nur eine geringe Sensorempfindlichkeit erzielt, da das Signal/Rausch-Verhältnis nur einen kleinen Wert annimmt. Zur Verbesserung der Sensorempfindlichkeit erweist es sich als vorteilhaft, den Raumwinkel der Detektion zu vergrößern, die Probe besser von Störeinflüssen von der Umgebung (Temperaturfluss von der Lichtquelle, elektromagnetische Störsignale) abzuschirmen, und zur besseren Flexibilität und Nutzbarkeit, den Sensor möglichst klein und portabel zu gestalten. Für Sensoren von Magnetfeldern eignen sich beispielsweise Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellen-Defektzentren.When using sensor devices which use sensors with a luminescent substance, it is of decisive importance that electromagnetic radiation which is generated and emitted by the luminescence of the sensor is detected over as large a solid angle around the luminescent substance as possible. The luminescent substance emits radiation in wavelengths characteristic of this substance after it has been excited by an action on the substance for luminescence, for example by a laser. By external influence on the sensor, for example by a magnetic field, radiation, temperature or pressure, the type and intensity of the external influence are deduced by measuring the optically detected magnetic resonance (ODMR). In the case of the optically detected magnetic resonance, resonances occur at the characteristic frequency of the irradiated microwave (alternating magnetic field). These resonances can be detected in the ODMR spectrum as a reduction of the luminescence intensity. The characteristic microwave frequency scales in proportion to the intensity of the external influence. The luminescent substance usually radiates isotropically into the room. If the detection optics have too low a collection efficiency, such as a small numerical aperture or too small a detection space angle around the luminescent substance, generally only a small sensor sensitivity is achieved since the signal-to-noise ratio assumes only a small value. To improve the sensor sensitivity, it proves to be advantageous to increase the solid angle of the detection, the sample better from interference from the environment (temperature flow from the light source, electromagnetic interference) shield, and for better flexibility and usability, the sensor as small and portable too shape. For magnetic field sensors, for example, diamonds with nitrogen vacancy defect centers are suitable.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft ein optisches System nach Anspruch 1, und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems nach Anspruch 15.The present invention provides an optical system according to
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are subject of the dependent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, ein optisches System mit einer lumineszierenden Probe anzugeben, welche die Lumineszenzstrahlung der Probe in einem möglichst großen, nahezu vollständigen, Raumwinkel detektieren kann, wobei der Raumwinkel, unter welchem die Probe angeregt wird, kleinstmöglich gehalten werden kann. Des Weiteren kann vorteilhaft ein hoher Grad einer Abschirmung der Probe bezüglich der Außentemperatur, Temperaturschwankungen im optischen System sowie mechanischer Verspannungen des Probenmaterials, erzielt werden. Durch eine gute Abschirmung der Probe kann vorteilhaft die Messgenauigkeit der zu bestimmenden physikalischen Messgrößen erhöht werden. Das optische System kann weiterhin kleinskalig (im Mikrometerbereich, MEMS), energiesparsam und kostengünstig ausgeführt sein und in einer Sensorvorrichtung integriert werden. The idea underlying the present invention is to specify an optical system with a luminescent sample which can detect the luminescence radiation of the sample in the largest possible, almost complete, solid angle, whereby the solid angle at which the sample is excited is kept as small as possible can. Furthermore, advantageously, a high degree of shielding of the sample with respect to the outside temperature, temperature fluctuations in the optical system and mechanical stresses of the sample material can be achieved. Good shielding of the sample can advantageously increase the measurement accuracy of the physical measured variables to be determined. The optical system can furthermore be of small scale (micrometre range, MEMS), energy-saving and cost-effective and can be integrated in a sensor device.
Erfindungsgemäß umfasst das optische System eine erste Trägereinrichtung mit einer Oberseite, ein lichtleitendes Element, welches auf der Oberseite der ersten Trägereinrichtung angeordnet ist oder auf der Oberseite ausgeprägt ist und einen Einkoppelbereich zum Einkoppeln von Licht in das lichtleitende Element. Das optische System umfasst weiterhin eine lumineszierende Probe, welche auf der Oberseite der ersten Trägereinrichtung angeordnet ist, so dass die lumineszierende Probe durch einen ersten Teilbereich des lichtleitenden Elements mit Licht ausleuchtbar ist, wobei der Einkoppelbereich in einem zweiten Teilbereich des lichtleitenden Elements ausgeprägt oder angeordnet ist.According to the invention, the optical system comprises a first carrier device having an upper side, a photoconductive element which is arranged on the upper side of the first carrier device or which is pronounced on the upper side and a coupling-in region for coupling light into the photoconductive element. The optical system further comprises a luminescent sample, which is arranged on the upper side of the first carrier device, so that the luminescent sample can be illuminated by light through a first partial region of the light-conducting element, wherein the coupling-in region is pronounced or arranged in a second partial region of the light-conducting element ,
Die lumineszierende Probe umfasst vorteilhaft eine Festkörperstruktur, einen Kristall oder einen Diamant mit Stickstoff-Vakanz-Zentren. Bei einer Anregung der lumineszierenden Probe mit Licht, beispielsweise von einem Laser oder einer LED-Lichtquelle, mit Mikrowellenstrahlung oder mit Wärme, strahlt die Probe eine Strahlung mit einer messbaren Wellenlänge ab, beispielsweise im sichtbaren, UV- oder IR-Bereich. Wird die Probe einem äußeren Einfluss ausgesetzt, beispielsweise einer Temperatur, mechanischer Spannung, einem Magnetfeld oder einem elektrischen Feld, so wird vorteilhaft durch Messung der optisch detektierten magnetischen Resonanz (ODMR) auf die Art und Intensität des Außeneinflusses zurückgeschlossen. Bei der optisch detektierten magnetischen Resonanz treten vorteilhaft bei der charakteristischen Frequenz der eingestrahlen Mikrowelle Resonanzen auf. Diese Resonanzen können im ODMR-Spektrum als Reduktion der Luminezenzintensität nachgewiesen werden. Die charakterisitsche Mikrowellenfrequenz skaliert proportional zu der Intensität des Außeneinflusses.The luminescent sample advantageously comprises a solid-state structure, a crystal or a diamond with nitrogen vacancy centers. Upon excitation of the luminescent sample with light, for example from a laser or an LED light source, with microwave radiation or with heat, the sample emits radiation having a measurable wavelength, for example in the visible, UV or IR range. If the sample is exposed to an external influence, for example, a temperature, mechanical stress, a magnetic field or an electric field, it is advantageous by measuring the optically detected magnetic Resonance (ODMR) deduced to the nature and intensity of the external influence. In the case of the optically detected magnetic resonance, resonances advantageously occur at the characteristic frequency of the irradiated microwave. These resonances can be detected in the ODMR spectrum as a reduction of the luminescence intensity. The characteristic microwave frequency scales in proportion to the intensity of the external influence.
Die lumineszierende Probe wird vorteilhaft von einer Distanz aus durch eine Licht- oder Strahlungsquelle bestrahlt, und ist somit vorteilhaft thermisch von dieser isoliert. Die Anregung der Probe von einer Distanz zur Probe wird durch den Transport von Licht durch das lichtleitende Element von dem Einkoppelbereich zum ersten Teilbereich hin erzielt, an welchem das Licht aus dem lichtleitenden Element ausgekoppelt und in die lumineszierende Probe eingekoppelt wird.The luminescent sample is advantageously irradiated from a distance by a light or radiation source, and is thus advantageously thermally insulated from it. The excitation of the sample from a distance to the sample is achieved by the transport of light through the photoconductive element from the coupling region to the first partial region, at which the light is coupled out of the photoconductive element and coupled into the luminescent sample.
Die erste Trägereinrichtung umfasst vorteilhaft ein Material, welches für eine Emissionsstrahlung der lumineszierenden Probe streuend oder reflektierend ausgebildet ist oder zumindest mit einem streuenden oder reflektierenden Material beschichtet oder versehen ist. Des Weiteren ist das Material der ersten Trägereinrichtung vorteilhaft wärme- und spannungsisolierend gegenüber den Umgebungsbedingungen des optischen Systems, um Temperatur- und/oder mechanische Spannungsgradienten nahezu nicht an die lumineszierende Probe weiterzuleiten.The first carrier device advantageously comprises a material which is designed to be scattering or reflective for emission radiation of the luminescent sample or at least coated or provided with a scattering or reflecting material. Furthermore, the material of the first carrier device is advantageously heat and voltage insulating with respect to the ambient conditions of the optical system so that temperature and / or mechanical stress gradients are virtually not forwarded to the luminescent sample.
Das lichtleitende Element kann als eigenständiges Element auf der Oberseite der ersten Trägereinrichtung angeordnet werden, oder auf/in dem Material der ersten Trägereinrichtung hergestellt (strukturiert) werden, beispielsweise abgeschieden, beschichtet, aufgedampft, aufgeklebt werden, oder Ähnliches. Bei dem lichtleitenden Element handelt es sich vorteilhaft um einen Lichtwellenleiter, welcher selbst eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit aufweist und nahezu keine Temperaturschwankungen oder mechanische Spannungen an die lumineszierende Probe weiterleitet. Das lichtleitende Element weist vorteilhaft eine hohe optische Leitfähigkeit auf, und kann insbesondere eine hohe optische Leistung von einer Lichtquelle an die lumieszierende Probe weiterleiten, und die Wärmeübertragung von der Lichtquelle an die Probe dabei nahezu unterlassen.The photoconductive member may be disposed as a discrete member on top of the first support means, or fabricated (patterned) on / in the material of the first support means, e.g., deposited, coated, vapor deposited, adhered, or the like. The light-conducting element is advantageously an optical waveguide which itself has a very low thermal conductivity and conducts almost no temperature fluctuations or mechanical stresses to the luminescent sample. The light-conducting element advantageously has a high optical conductivity, and in particular can pass on a high optical power from a light source to the luminescent sample, and virtually omits the heat transfer from the light source to the sample.
Die lumineszierende Probe kann vorteilhaft nach dem Herstellen des lichtleitenden Elements auf der ersten Trägereinrichtung angeordnet werden. Das lichtleitende Element kann vorteilhaft besonders kleinskalig hergestellt sein, insbesondere mittels MEMS/MOEMS-Anwendungen sowie mittels solcher Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), und kann vorteilhaft so ausgeprägt sein, dass es gegenüber der lumineszierenden Probe nur einen möglichst kleinen Raumwinkel um dieses herum einnimmt und dabei trotzdem die Probe vorteilhaft vollständig und homogen ausleuchtet. Weiterhin weist das lichtleitende Element für eine effiziente Lichtleitung vom zweiten Teilbereich zum ersten Teilbereich vorteilhaft einen hohen Brechungsindex gegenüber dem Umgebungsmaterial (Luft, Material der Trägereinrichtung) auf und umfasst vorteilhaft ein dielektrisches Material, welches transparent für die Lumineszenzstrahlung der Probe ist. Des Weiteren ist das lichtleitende Element vorteilhaft länglich auf der Oberseite ausgeprägt, wobei es eine geringe Breite und eine damit verglichen viel größere Länge zwischen dem ersten Teilbereich und dem zweiten Teilbereich umfasst, um die lumineszierende Probe besser von der Lichtquelle zu isolieren und durch die geringe Breite möglichst wenig von der lumineszierenden Probe auf dessen Unterseite abzudecken. Dadurch kann ein höherer Anteil an abgestrahlter Lumineszenzstrahlung von der ersten Trägereinrichtung zu einem photodetektiven Element gestreut oder reflektiert werden und der Raumwinkel zur Detektion vergrößert werden.The luminescent sample can advantageously be arranged on the first carrier device after the production of the light-conducting element. The light-conducting element may advantageously be produced particularly small-scale, in particular by means of MEMS / MOEMS applications and by such construction and connection technology (AVT), and may advantageously be so pronounced that it occupies only the smallest possible solid angle to the luminescent sample around it while still advantageously illuminating the sample completely and homogeneously. Furthermore, the light-conducting element for efficient light conduction from the second partial region to the first partial region advantageously has a high refractive index relative to the surrounding material (air, material of the carrier device) and advantageously comprises a dielectric material which is transparent to the luminescence radiation of the sample. Furthermore, the light-conducting element is advantageously elongated on the upper side, wherein it has a small width and compared with it much longer length between the first portion and the second portion to better isolate the luminescent sample from the light source and the small width Cover as little as possible of the luminescent sample on its underside. As a result, a higher proportion of radiated luminescence radiation can be scattered or reflected by the first carrier device to form a photodetective element, and the solid angle for detection can be increased.
Der Einkoppelbereich kann vorteilhaft im lichtleitenden Element direkt ausgeformt sein, beispielsweise als eine periodisch strukturierte Oberfläche des lichtleitenden Elements (Gitterkoppler), oder als eigenständiges Element vorteilhaft direkt an das lichtleitende Element, an dessen zweiten Teilbereich, angrenzend angeordnet sein.The coupling-in region can advantageously be formed directly in the light-conducting element, for example as a periodically structured surface of the light-conducting element (grating coupler), or as an independent element advantageously directly adjacent to the light-conducting element, at the second subregion thereof.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des optischen Systems ist die lumineszierende Probe auf dem lichtleitenden Element im ersten Teilbereich des lichtleitenden Elements angeordnet, wobei der erste Teilbereich eine Unterseite der lumineszierenden Probe zumindest teilweise bedeckt.According to a preferred embodiment of the optical system, the luminescent sample is arranged on the photoconductive element in the first subregion of the photoconductive element, wherein the first subregion at least partially covers an underside of the luminescent sample.
Das Material des lichtleitenden Elements ist vorteilhaft in direktem Kontakt mit dem Material der lumineszierenden Probe. Damit das vom lichtleitenden Element in den ersten Teilbereich geführte Licht aus dem lichtleitenden Element effektiv ausgekoppelt und vorteilhaft unmittelbar nach dem Auskoppeln in die lumineszierende Probe eingekoppelt werden kann, weist das Material der lumineszierenden Probe vorteilhaft einen größeren Brechungsindex auf, als das Material des lichtleitenden Elements (dazu weist das lumineszierende Element vorteilhaft auch ein dielektrisches Material auf). Weiterhin erstreckt sich das lichtleitende Element vorteilhaft vollständig entlang einer Längsrichtung der lumineszierenden Probe, um die Probe vorteilhaft vollständig und homogen mit anregendem Licht auszuleuchten. Das lichtleitende Element kann in Draufsicht auf die Oberseite der ersten Trägereinrichtung vorteilhaft auch eine Schleifenform unterhalb der lumineszierenden Probe beschreiben, wodurch der auszuleuchtende Bereich der Probe vergrößert werden kann. Die Schleifenform kann vorteilhaft auch komplexere Strukturen aufweisen, etwa mehrere Schleifenwindungen oder ein y-förmiges Aufspalten aufweisen. Bleibt die Geometrie (Breite, Dicke, Höhe) des lichtleitenden Elements entlang der Probe konstant, nimmt die eingekoppelte Lichtleistung entlang der Probe ab. Im Verlauf unterhalb der lumineszierenden Probe kann das lichtleitende Element vorteilhaft eine sich verändernde Geometrie (Schleifenform, Breite, Dicke, Höhe) aufweisen, um eine konstante Lichtleistung über die Länge (oder Breite) der lumineszierenden Probe in diese einzukoppeln und den vom lichtleitenden Element einnehmenden Raumwinkel vorteilhaft möglichst gering halten. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die charakteristische Länge, auf der die optische Leistung den Lichtleiter verlässt, vergleichbar oder kleiner ist, als die Länge über die das Licht in die Probe! Diamant eingekoppelt werden soll. Mit anderen Worten, kann durch die Geometrie des lichtleitenden Elements unterhalb der lumineszierenden Probe die Verteilung des Lichts über die Probe kontrolliert werden. Die Einkopplung in die lumineszierende Probe basiert vorteilhaft nur auf der Lichtbrechung und nicht auf evaneszenten Effekten. Das lichtleitende Element unterhalb der lumineszierenden Probe absorbiert die Lumineszenzstrahlung der Probe vorteilhaft nicht und ist für diese durchlässig. Daher wird eine Detektion der Lumineszenz unterhalb des lichtleitenden Elements von diesem nicht behindert, und der Raumwinkel der Lichtdetektion durch das lichtleitende Element vorteilhaft nicht durch Abdeckung verringert. Folglich kann vorteilhaft der gesamte Halbraum unterhalb des lichtleitenden Elements zur Detektion der Lumineszenzstrahlung (Emssionsstrahlung der Probe) genutzt werden. Gegenüber Optiken mit Linsen, welche Licht zur Anregung auf die Probe fokussieren, kann durch das lichtleitende Element eine Verringerung des notwendigen Raumwinkels zur Bestrahlung und eine Vergrößerung des zur Verfügung stehenden Raumwinkels zur Detektion isotroper Lumineszenzstrahlung erzielt werden. Die Anordnung mit dem lichtleitenden Element, welches in direktem Kontakt mit der Probe steht, ersetzt vorteilhaft eine Anordnung mit einem optischen Zugang für die Anregung als Freistrahl zur Probe.The material of the photoconductive element is advantageously in direct contact with the material of the luminescent sample. In order that the light guided from the light-guiding element into the first sub-area can be effectively coupled out of the light-conducting element and advantageously coupled into the luminescent sample immediately after decoupling, the material of the luminescent sample advantageously has a greater refractive index than the material of the light-conducting element (US Pat. For this purpose, the luminescent element advantageously also has a dielectric material). Furthermore, the light-conducting element advantageously extends completely along a longitudinal direction of the luminescent sample in order to advantageously illuminate the sample completely and homogeneously with exciting light. The light-conducting element can advantageously also describe a loop shape below the luminescent sample in plan view of the upper side of the first carrier device, as a result of which the area of the sample to be illuminated can be increased. The loop shape can advantageously also have more complex structures have, for example, a plurality of loop turns or a y-shaped splitting. If the geometry (width, thickness, height) of the light-conducting element remains constant along the sample, the coupled-in light power along the sample decreases. In the course below the luminescent sample, the photoconductive element can advantageously have a changing geometry (loop shape, width, thickness, height) in order to inject a constant light output over the length (or width) of the luminescent sample into it and the solid angle occupied by the photoconductive element advantageously keep as low as possible. This is particularly advantageous if the characteristic length at which the optical power leaves the optical fiber is comparable or smaller than the length over which the light in the sample! Diamond should be coupled. In other words, the geometry of the photoconductive element beneath the luminescent sample can control the distribution of the light across the sample. The coupling into the luminescent sample is advantageously based only on the refraction of light and not on evanescent effects. The light-conducting element underneath the luminescent sample advantageously does not absorb the luminescence radiation of the sample and is permeable to it. Therefore, detection of the luminescence below the photoconductive member thereof is not hindered, and the solid angle of light detection by the photoconductive member is advantageously not reduced by capping. Consequently, advantageously, the entire half-space below the light-conducting element can be used to detect the luminescence radiation (emission radiation of the sample). Compared to optics with lenses which focus light for excitation on the sample, a reduction of the necessary solid angle for irradiation and an increase of the available solid angle for the detection of isotropic luminescence radiation can be achieved by the photoconductive element. The arrangement with the light-conducting element, which is in direct contact with the sample, advantageously replaces an arrangement with an optical access for the excitation as a free jet to the sample.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des optischen Systems ist die lumineszierende Probe beabstandet zu dem lichtleitenden Element, und dem ersten Teilbereich zugewandt, angeordnet.According to a preferred embodiment of the optical system, the luminescent sample is arranged at a distance from the light-conducting element and facing the first sub-region.
Als eine Alternative zur Anordnung der lumineszierenden Probe direkt auf dem lichtleitenden Element wird die Probe vorteilhaft zwar ebenfalls auf der Oberseite der ersten Trägereinrichtung angeordnet, ist jedoch vom lichtleitenden Element beabstandet, wobei ein Ende des ersten Teilbereiches der Probe am nähesten liegt und die Probe vorteilhaft direkt mit Licht bestrahlen kann. Um das Licht aus dem lichtleitenden Element zur Bestrahlung der Probe auskoppeln zu können, umfasst das lichtleitende Element vorteilhaft einen Auskoppelbereich, welcher im lichtleitenden Element (im ersten Teilbereich) selbst ausgeprägt ist/wird, oder als eigenständiges Element direkt an das lichtleitende Element (an den ersten Teilbereich) anschließt. Vorteilhaft umfasst der Auskoppebereich einen Gitterkoppler (grating coupler) oder eine andere Auskoppelstruktur auf oder im Material der ersten Trägereinrichtung (oder einer Zwischenträgereinrichtung) zur Anpassung der numerischen Apertur bei der Auskopplung. Strahlt die lumineszierende Probe dann Licht ab, kann der Raumwinkel zur Detektion vorteilhaft maximiert werden, da das lichtleitende Element keinen Bereich der Probe abdeckt. Zur optimalen Bestrahlung der Probe vom lichtleitenden Element aus, wird vorteilhaft ein derartiger Auskoppelbereich verwendet/ausgeprägt, dass die numerische Apertur auf die Brechungsindices des lichtleitenden Elements, der Probe, des Mediums im Zwischenbereich und der Distanz zwischen beiden angepasst wird.As an alternative to the arrangement of the luminescent sample directly on the photoconductive element, the sample is advantageously also arranged on top of the first carrier device, but is spaced from the photoconductive element, with one end of the first portion of the sample being closest and the sample advantageously being direct can irradiate with light. In order to be able to decouple the light from the light-conducting element for irradiating the sample, the light-conducting element advantageously comprises a decoupling area, which is itself pronounced in the light-conducting element (in the first subarea), or as an independent element directly to the light-conducting element (to the first subarea). Advantageously, the output region comprises a grating coupler or another coupling-out structure on or in the material of the first carrier device (or an intermediate carrier device) for adaptation of the numerical aperture during decoupling. If the luminescent sample then emits light, the solid angle for detection can be advantageously maximized, since the light-conducting element does not cover a region of the sample. For optimal irradiation of the sample from the photoconductive element, such a decoupling region is advantageously used / pronounced such that the numerical aperture is adapted to the refractive indices of the photoconductive element, the sample, the medium in the intermediate region and the distance between the two.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des optischen Systems ist der erste Teilbereich vom zweiten Teilbereich beabstandet.According to a preferred embodiment of the optical system, the first portion is spaced from the second portion.
Die beiden Teilbereiche sind vorteilhaft soweit voneinander entfernt, dass an Position des ersten Teilbereichs kein Wärmeeinfluss der Lichtquelle mehr spürbar ist.The two partial regions are advantageously far enough away from each other that no heat influence of the light source is more noticeable at the position of the first partial region.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des optischen Systems umfasst die lumineszierende Probe eine Diamantstruktur mit Stickstoff-Vakanz-Zentren.According to a preferred embodiment of the optical system, the luminescent sample comprises a diamond structure with nitrogen vacancy centers.
Ein Diamant mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Diamant) reagiert auf eine Anregung durch Licht mit einer Lumineszenzstrahlung, welche von der Temperatur des Diamanten abhängt, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 630 nm. Durch eine zusätzliche Bestrahlung mit Mikrowellen kann das Spektrum der Lumineszenz verändert werden, wobei Elektronen im Diamant andere Spinzustände (m=+-1) besetzen und unter anderem auch strahlungsfrei rekombinieren können (unter Mikrowellenstrahlung erfolgt ein Einbruch der Fluoreszenz bei einer Mikrowellenstrahlung von 2.88 GHz, wobei die Elektronen durch die Mikrowellen vom m=0 Niveau auf die m=+-1 Zustände gehoben werden und mittels der Anregung durch Laser/Lichtquellen in das Ausgangsniveau überführt werden und danach strahlungsfrei rekombinieren). Durch ein zusätzliches externes Magnetfeld kommt es vorteilhaft zu einer zusätzlichen Modifizierung der Spin-Niveaus im Diamant (Zeeman-Effekt), wodruch sich die Position der optisch detektierten magnetischen Resonanz (ODMR) im ODMR-Spektrum (in der Wellenlänge) ändert(Aufspaltung der m=+-1 Zustände der Emission in zwei Strahlungsspitzen). Hierbei ist der Frequenzabstand des eingestrahlten Mikrowellenfeldes/ magnetischen Wechselfelds der Resonanzen (m=0 -> m =+1 und m=0 -> m=-1) vorteilhaft proportional zur magnetischen Feldstärke (optisch detektierte magnetische Resonanz ODMR). Zum Erreichen einer hohen Sensorsensivität ist es notwendig, den Diamant nahezu auf konstanter Temperatur, insbesondere auf Raumtemperatur zu halten. Die Betriebstemperatur des Diamanten kann vorteilhaft durch ein Heizelement in einer Sensorvorrichtung (oder dem optischen System) eingestellt werden, und durch die isolierte Anordnung des Diamanten konstant gehalten werden. Die möglichen Temperaturschwankungen liegen vorteilhaft im Bereich von wenigen nK. Insbesondere kann durch das Heizelement und durch die isolierende Anordnung ein Temperaturgradient entlang der lumineszierenden Probe reduziert werden. Auf diese Weise wird eine hohe Magnetfeldsensitivität der Sensorvorrichtung von vorteilhaft wenigen pT/(Hz^1/2) erreicht, welche durch eine mindestauflösbare Frequenzverschiebung bestimmt ist.A diamond with nitrogen vacancy centers (NV-diamond) responds to an excitation by light with a luminescence radiation, which depends on the temperature of the diamond, for example with a wavelength of 630 nm. By additional irradiation with microwaves, the spectrum of luminescence In this case, electrons in the diamond occupy other spin states (m = + 1) and, among other things, can recombine without radiation (under microwave radiation, the fluorescence is collapsed at a microwave radiation of 2.88 GHz, where the electrons are at the m = 0 level due to the microwaves) be lifted to the m = + - 1 states and be transferred by means of the excitation by laser / light sources in the initial level and then recombine radiation-free). An additional external magnetic field advantageously brings about an additional modification of the spin levels in the diamond (Zeeman effect), which changes the position of the optically detected magnetic resonance (ODMR) in the ODMR spectrum (in the wavelength) (splitting of the m = + - 1 states of emission in two radiation peaks). Here, the frequency spacing of the irradiated microwave field / magnetic alternating field of the resonances (m = 0 -> m = + 1 and m = 0 -> m = -1) advantageously proportional to the magnetic field strength (optically detected magnetic resonance ODMR). To achieve a high sensor sensitivity, it is necessary to keep the diamond almost at a constant temperature, in particular at room temperature. The operating temperature of the diamond can be advantageously adjusted by a heating element in a sensor device (or the optical system), and kept constant by the isolated arrangement of the diamond. The possible temperature fluctuations are advantageously in the range of a few nK. In particular, a temperature gradient along the luminescent sample can be reduced by the heating element and by the insulating arrangement. In this way, a high magnetic field sensitivity of the sensor device of advantageously few pT / (Hz ^ 1/2) is achieved, which is determined by a minimum resolvable frequency shift.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des optischen Systems umfasst die erste Trägereinrichtung ein Halbleitersubstrat oder einen Wafer.According to a preferred embodiment of the optical system, the first carrier device comprises a semiconductor substrate or a wafer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des optischen Systems ist ein photodetektives Element auf der Oberseite angeordnet oder ausgeprägt.According to a preferred embodiment of the optical system, a photodetective element is arranged or pronounced on the upper side.
Die erste Trägereinrichtung kann durch Halbleitertechnologien als Chips hergestellt sein, wobei die erste Trägereinrichtung vorteilhaft ein Substrat umfassen kann, beispielsweise einen Chip (umfassend Si, vorteilhaft kristallines Si) oder einen Wafer. Ein photodetektives Element (Photodiode) kann hierbei vorteilhaft als eine Schicht im Chip ausgebildet werden, beispielsweise durch Dotierung als pin- oder pn-Übergang und sich unterhalb der lumineszierenden Probe, an diese angrenzend, und auch unterhalb des lichtleitenden Elements oder auf der gesamten Oberseite der ersten Trägereinrichtung erstrecken. Das lichtleitende Element kann hierbei vorteilhaft auf der Oberseite der ersten Trägereinrichtung im Substrat hergestellt sein, durch Strukturieren, Aufdampfen, Bonden oder Ähnlichem.The first carrier device can be produced by semiconductor technologies as chips, wherein the first carrier device can advantageously comprise a substrate, for example a chip (comprising Si, advantageously crystalline Si) or a wafer. A photodetective element (photodiode) can advantageously be formed as a layer in the chip, for example by doping as pin or pn junction and below the luminescent sample, adjacent to this, and also below the photoconductive element or on the entire top of extend first support means. The light-conducting element may in this case be advantageously produced on the upper side of the first carrier device in the substrate, by structuring, vapor deposition, bonding or the like.
Auch der Einkoppelbereich kann vorteilhaft als eine Struktur direkt im Chip oder Wafer ausgeprägt sein, beispielsweise als periodische Struktur, etwa als ein Gitterkoppler.The coupling-in region can also be advantageously embodied as a structure directly in the chip or wafer, for example as a periodic structure, for example as a grating coupler.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst das optische System eine Zwischenträgereinrichtung, welche auf der Oberseite der ersten Trägereinrichtung angeordnet ist, wobei die erste Trägereinrichtung eine erste Kavität umfasst, die Zwischenträgereinrichtung die erste Kavität überspannt, das lichtleitende Element mit dem ersten Teilbereich auf der Zwischenträgereinrichtung über der ersten Kavität angeordnet ist und mit dem zweiten Teilbereich lateral an die erste Kavität angrenzend angeordnet ist.According to a preferred embodiment, the optical system comprises an intermediate carrier device, which is arranged on the upper side of the first carrier device, wherein the first carrier device comprises a first cavity, the intermediate carrier device spans the first cavity, the light-conducting element with the first partial region on the intermediate carrier device over the first Cavity is arranged and is arranged laterally adjacent to the second portion with the first cavity.
Die Zwischenträgereinrichtung umfasst vorteilhaft ein Material, welches eine hohe Konstanz in Temperatur und mechanischer Verspannung aufweist, so dass die lumineszierende Probe auf der Zwischenträgereinrichtung von der Umgebung (Außenbereich) des optischen Systems, von der Lichtquelle und der Wärme von deren Verlustleistung, und einer Sensorvorrichtung, in welcher das optische System integriert sein kann, nahezu vollständig wärme- und spannungsisoliert ist. Verspannungen durch mechanische Ausdehnungen aufgrund von Temperaturschwankungen im optischen System können durch die Anordnung mit der genannten ersten Trägereinrichtung, den lichtleitenden Element und/oder der Zwischenträgereinrichtung nahezu verhindert werden, da diese nur sehr geringe oder keine thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen bzw. thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, die mit der lumineszierenden Probe, dem Lichtwellenleiter und/oder der Trägereinrichtung übereinstimmen, so dass es bei Temperaturänderungen zu keinen mechanischen Verspannungen kommt (angepasster thermischer Ausdehnungskoeffizient). Mit anderen Worten unterdrückt das Material der Zwischenträgereinrichtung vorteilhaft jeglichen Wärme- und Spannungsgradienten in Richtung der lumineszierenden Probe (auch die Abwärme von einer Lichtquelle in der Umgebung des optischen Systems gelangt so vorteilhaft nicht bis zur Probe). Die Zwischenträgereinrichtung ist vorzugsweise transparent für die Emissionsstrahlung der Probe. Die Zwischenträgereinrichtung umfasst vorteilhaft eine Membran. Die Zwischenträgereinrichtung kann beispielsweise einen alternierenden Stapel von isolierenden Materialien wie etwa SiO2, SiN, oder Ähnliches und leitenden Materialien wie dotiertes Si oder Metalle umfassen. Der Einkoppelbereich mit dem zweiten Teilbereich ist vorteilhaft entfernt von der ersten Kavität angeordnet. Durch die erst Kavität wird vorteilhaft der Raumwinkel zur Detektion vergrößert, da die Kavität im Halbraum unterhalb der Probe eine fokussierende Wirkung auf die Emissionsstrahlung hat (durch Streuung für ein der Kavität gegenüberliegendes separates photodetektives Element oder durch eine verbesserte Einsammelgeometrie für ein in der Kavität angeordnetes photodetektives Element). Die Zwischenträgereinrichtung kann vorteilhaft die gesamte Oberseite der ersten Trägereinrichtung oder nur einen Teil davon abdecken. Das lichtleitende Element kann vorteilhaft auch entsprechend der Anordnung auf der Trägereinrichtung im Material der Zwischenträgereinrichtung direkt ausgeprägt (strukturiert) werden, oder darauf aufgebracht, aufgedampft, gebondet werden oder Ähnliches.The intermediate carrier device advantageously comprises a material which has a high level of constancy in temperature and mechanical stress so that the luminescent sample on the intermediate carrier device can be detected from the environment (outer region) of the optical system, from the light source and the heat from its power loss, and from a sensor device, in which the optical system can be integrated, is almost completely insulated from heat and voltage. Strains due to mechanical expansion due to temperature fluctuations in the optical system can be almost prevented by the arrangement with said first support means, the photoconductive member and / or the intermediate support means, since they have very little or no thermal expansion coefficient or have thermal expansion coefficients with the luminescent sample, the optical waveguide and / or the carrier device match, so that there is no mechanical tension in temperature changes (adapted thermal expansion coefficient). In other words, the material of the intermediate carrier device advantageously suppresses any heat and voltage gradients in the direction of the luminescent sample (also the waste heat from a light source in the vicinity of the optical system advantageously does not reach the sample). The intermediate carrier device is preferably transparent to the emission radiation of the sample. The intermediate carrier device advantageously comprises a membrane. For example, the interposer may comprise an alternating stack of insulating materials such as
Mittels einer Entkopplung der lumineszierenden Probe, insbesondere des Diamanten, bezüglich Spannung und Temperatur von den Außenbedingungen (von der Lichtquelle), insbesondere durch die Anordnung auf einer Zwischenträgereinrichtung, können vorteilhaft eine Tiefe und Breite von Absorptionslinien für die Mikrowellenstrahlung (aus der Bestrahlung) verbessert werden. Zur Magnetfeldmessung kann der Diamant vorteilhaft mit einem Licht im grünen Wellenlängenbereich bestrahlt werden, wonach dieser vorteilhaft Lumineszenz im roten Wellenlängenbereich abgibt. Die Bestrahlung mit Mikrowellen erfolgt beispielsweise im Bereich von 2 GHz bis 4 GHz. Bei der optisch detektierten magnetischen Resonanz kann durch einen vergrößerten Raumwinkel bei der Detektion vorteilhaft das SNR-Verhältnis verbessert werden und die Sensorempfindlichkeit gesteigert werden. Der NV-Diamant weist beispielsweise einen Brechungsindex von n = 2.4 auf.By means of a decoupling of the luminescent sample, in particular of the diamond, with respect Tension and temperature from the external conditions (from the light source), in particular by the arrangement on an intermediate support means, can advantageously be improved a depth and width of absorption lines for the microwave radiation (from the irradiation). For magnetic field measurement, the diamond can advantageously be irradiated with a light in the green wavelength range, after which it advantageously emits luminescence in the red wavelength range. The irradiation with microwaves takes place for example in the range from 2 GHz to 4 GHz. In the case of the optically detected magnetic resonance, an increased solid angle in the detection advantageously enables the SNR ratio to be improved and the sensor sensitivity to be increased. For example, the NV diamond has a refractive index of n = 2.4.
Alternativ zur Anwendung eines NV-Diamanten sind aber auch andere lumineszierende Proben, etwa mit elektrisch anregbaren fluoreszierenden Defekten, beispielsweise in SiC, möglich.As an alternative to the use of an NV diamond, however, other luminescent samples, for example with electrically excitable fluorescent defects, for example in SiC, are also possible.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des optischen Systems ist ein photodetektives Element in der ersten Kavität angeordnet, wobei das photodetektive Element einen Boden und/oder zumindest eine Innenwand der ersten Kavität bedeckt.According to a preferred embodiment of the optical system, a photodetective element is arranged in the first cavity, wherein the photodetective element covers a bottom and / or at least one inner wall of the first cavity.
Die erste Kavität wirkt vorteilhaft fokussierend auf die Strahlung der lumineszierenden Probe, vorteilhaft in einer Richtung der Öffnung der ersten Kavität. Dadurch wird eine verbesserte Sammlung der Emissionsstrahlung von der Probe durch ein photodetektives Element in der Kavität bewirkt, wodurch eine Einsammeleffizienz des photodetektiven Elements signifikant erhöht werden kann. Das photodetektive Element umgibt vorteilhaft einen möglichst großen Raumwinkel um die lumineszierende Probe herum, wobei das photodetektive Element vorzugsweise alle Innenwände der ersten Kavität abdeckt. Das photodetektive Element erhöht dabei selbst durch seine umschließende Form die Einsammeleffizienz.The first cavity advantageously has a focusing effect on the radiation of the luminescent sample, advantageously in a direction of the opening of the first cavity. Thereby, an improved collection of the emission radiation from the sample is effected by a photodetective element in the cavity, whereby a collection efficiency of the photodetective element can be significantly increased. The photodetective element advantageously surrounds the largest possible solid angle around the luminescent sample, wherein the photodetective element preferably covers all inner walls of the first cavity. The photodetective element itself increases its collection efficiency due to its enclosing shape.
Durch die fokussierende Wirkung der ersten Kavität, und vorteilhaft durch den somit abgedeckten großen Raumwinkel zur Detektion von Emissionsstrahlung, kann vorteilhaft die Einsammeleffizienz der von der Probe isotrop abgestrahlten Emissionsstrahlung gegenüber etwa einer Optik mit Linsen signifikant erhöht werden, da eine Linsenoptik eine begrenzte Einsammeleffizienz, etwa durch die begrenzte numerische Apertur oder den begrenzten Raumwinkel, aufweist. Auf diese Weise wird durch die gesteigerte Einsammeleffizienz vorteilhaft die Sensorempfindlichkeit der Vorrichtung erhöht, insbesondere das Verhältnis zwischen Signal und Störrauschen (SNR, signal to noise ratio) signifikant erhöht. Due to the focussing effect of the first cavity, and advantageously by the large solid angle thus covered for detecting emission radiation, the collection efficiency of the emission radiation isotropically emitted by the sample can be increased significantly compared to optics with lenses, since lens optics have a limited collection efficiency, for example through the limited numerical aperture or the limited solid angle. In this way, the sensor sensitivity of the device is advantageously increased by the increased collection efficiency, in particular the ratio between signal and noise (SNR, signal to noise ratio) is significantly increased.
Das SNR ist proportional zur Wurzel aus dem Signal, insbesondere zur Wurzel aus der Anzahl der emittierten Photonen der lumineszierenden Probe.The SNR is proportional to the root of the signal, in particular to the root of the number of emitted photons of the luminescent sample.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des optischen Systems umfasst dieses ein optisches Filterelement, wobei das optische Filterelement zwischen dem photodetektiven Element und der lumineszierenden Probe angeordnet ist.According to a preferred embodiment of the optical system, this comprises an optical filter element, wherein the optical filter element between the photodetective element and the luminescent sample is arranged.
Das optische Filterelement kommt vorteilhaft dann zum Einsatz, falls das Rauschen durch Photonenschrotrauschen limitiert ist.The optical filter element is advantageously used if the noise is limited by photon shot noise.
Bei dem optischen Filterelement kann es sich vorteilhaft um eine Beschichtung (durch Abscheidung) auf dem photodetektiven Element handeln. Um am photodetektiven Element die empfangene Störstrahlung zu verringern, ist das optische Filterelement vorteilhaft lediglich für die zu erwartende Emissionsstrahlung der Probe durchlässig.The optical filter element may advantageously be a coating (by deposition) on the photodetective element. In order to reduce the received interference radiation at the photodetective element, the optical filter element is advantageously permeable only to the expected emission radiation of the sample.
Erfindungsgemäß umfasst die optische Sensorvorrichtung ein erfindungsgemäßes optisches System sowie eine zweite Trägereinrichtung, welche ein photodetektives Element umfasst, welches in einer Abstrahlrichtung der lumineszierenden Probe angeordnet ist.According to the invention, the optical sensor device comprises an optical system according to the invention and a second carrier device, which comprises a photodetective element which is arranged in a radiation direction of the luminescent sample.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Sensorvorrichtung umfasst diese eine Lichtquelle, mittels welcher der Einkoppelbereich mit einer Strahlung zum Anregen der lumineszierenden Probe bestrahlbar ist.According to a preferred embodiment of the sensor device, this comprises a light source, by means of which the coupling-in region can be irradiated with a radiation for exciting the luminescent sample.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Sensorvorrichtung ist die Lichtquelle in einem Halbleiterchip umfasst.According to a preferred embodiment of the sensor device, the light source is included in a semiconductor chip.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Sensorvorrichtung ist diese als Magnetfeldsensor in einer mobilen oder tragbaren Vorrichtung ausgeprägt.According to a preferred embodiment of the sensor device, this is pronounced as a magnetic field sensor in a mobile or portable device.
Das optische System ist vorteilhaft als Bauteil in einer Sensorvorrichtung integriert. Insbesondere durch die Verwendung von Halbleitertechnologien und MEMS- oder MOEMS-Anwendungen sowie mittels solcher Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), kann vorteilhaft eine besonders kleinskalige und kostengünstige sowie energiesparende Sensorvorrichtung in hohen Stückzahlen hergestellt werden und vorteilhaft in Massenanwendungen in Industrie, Privatgebrauch, im Automobilbereich oder anderen Bereichen verwendet werden. Durch die Anwendung von MEMS- oder MOEMS-Anwendungen sowie mittels solcher Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) kann vorteilhaft eine Integration der Probe (Platzierung eines NV-Diamanten auf einer Membran), einer beliebigen Lichtquelle, des photodetektiven Elements und weitere Bauteile, etwa einer Mikrowellenquelle, in die Sensorvorrichtung erfolgen. Diesbezüglich ist die Sensorvorrichtung in einer Größenordnung von kleiner 1 cm^3 ausgeführt. Dabei kann insbesondere bei der Anordnung von Lichtquellen zur Anregung, Mikrowellenstrahlern, Einsammeloptiken (Spiegel) und photodetektiven Elementen auf eine eigene AVT verzichtet werden, wodurch die Sensorvorrichtung kleinskaliger und kostengünstiger wird. Eine kleinskalige Ausführung der Sensorvorrichtung ermöglicht vorteilhaft eine gleiche oder zumindest ähnliche Sensorempfindlichkeit, wie in Laborsensoren, bei welchen Lichtquellen, Mikrowellenstrahler und Lichtdetektoren, als Laborgeräte, beispielsweise als Tischlaserquellen, Mikroskope oder Tisch-Mikrowellengeräte zum Einsatz kommen. Durch eine miniaturisierte Bauweise der Sensorvorrichtung kann auf großskalige, laborgebundene und teuere Laborgeräte vorteilhaft verzichtet werden. Eine derartige mobile Sensorvorrichtung kann vorteilhaft in diversen Produkten als Magnetfeldsensor eingesetzt werden. Die Sensorvorrichtung eignet sich als miniaturisierter Sensor auch in mobilen Telekommunikationseinrichtungen (lOT-Anwendungen, Internet der Dinge), Fahrzeugen oder in Vorrichtungen, welche beispielsweise metallische Elemente (etwa in Wänden und Böden) suchen können oder die Himmelsrichtung zur Navigation bestimmen können.The optical system is advantageously integrated as a component in a sensor device. In particular, by the use of semiconductor technologies and MEMS or MOEMS applications as well as by such a construction and connection technology (AVT), advantageously a particularly small-scale and cost-effective and energy-saving sensor device can be produced in large quantities and advantageous in mass applications in industry, private use, in the automotive sector or other areas. By using MEMS or MOEMS applications, as well as such assembly and connection techniques (AVT), integration of the sample (placement of an NV diamond on a membrane), any light source, of the sample can advantageously be achieved photodetective element and other components, such as a microwave source, done in the sensor device. In this regard, the sensor device is on the order of less than 1 cm ^ 3 executed. In this case, in particular in the arrangement of light sources for excitation, microwave radiators, collection devices (mirrors) and photodetective elements can be dispensed with a separate AVT, whereby the sensor device is kleinscaliger and cheaper. A small-scale version of the sensor device advantageously allows an identical or at least similar sensor sensitivity, as in laboratory sensors, in which light sources, microwave radiators and light detectors, as laboratory equipment, for example as table laser sources, microscopes or table-top microwave ovens are used. By a miniaturized design of the sensor device can be advantageously dispensed großskalige, laboratory-bound and expensive laboratory equipment. Such a mobile sensor device can be advantageously used in various products as a magnetic field sensor. The sensor device is suitable as a miniaturized sensor also in mobile telecommunications equipment (lOT applications, Internet of Things), vehicles or in devices which can search for example metallic elements (such as in walls and floors) or determine the direction of the compass for navigation.
Das photodetektive Element der zweiten Trägereinrichtung ist der lumineszierenden Probe vorteilhaft in einer Abstrahlrichtung der Probe nachgeordnet, vorteilhaft beabstandet von der Probe, um die Probe keiner mechanischen Verspannung oder Temperaturschwankung durch Absorption an dem photodetektiven Element auszusetzen. Des Weiteren ist das photodetektive Element derart geformt, dass es einen möglichst großen Raumwinkel um die lumineszierende Probe herum umschließt. Daher kann sich das photodetektive Element vorteilhaft in gebogener Form zumindest teilweise um die Probe herum erstrecken. Beispielsweise bildet das photodetektive Element zumindest eine Halbkugel. In dem von dem photodetektiven Element gegenüberliegenden Halbraum, der an die lumineszierende Probe anschließt, kann vorteilhaft ein reflektierendes Element (etwa ein Spiegel) angeordnet sein, welches die Lumineszenzstrahlung in Richtung der photodetektiven Elements reflektiert und fokussiert.The photodetective element of the second carrier device is advantageously arranged downstream of the luminescent sample in a radiation direction of the sample, advantageously spaced from the sample so as not to expose the sample to any mechanical strain or temperature variation due to absorption at the photodetective element. Furthermore, the photodetective element is shaped such that it encloses the largest possible solid angle around the luminescent sample. Therefore, the photodetective element may advantageously extend in curved form at least partially around the sample. For example, the photodetective element forms at least one hemisphere. In the half space opposite the photodetective element, which adjoins the luminescent sample, a reflective element (such as a mirror) can be advantageously arranged, which reflects and focuses the luminescence radiation in the direction of the photodetective element.
Ein optisches Filterelement kann dabei auf dem photodetektiven Element angeordnet sein oder von diesem beabstandet und von der Probe beabstandet und eigenständig angeordnet sein. Die zweite Trägereinrichtung kann vorteilhaft eine zweite Kavität umfassen, mit welcher ein Raumwinkel über der lumineszierenden Probe abgedeckt werden kann. Die zweite Trägereinheit umfasst vorteilhaft ein Si-Substrat als Halbleiterchip oder Wafer, wobei in der zweiten Kavität ein photodetektives Element ausgeformt sein kann. Die zweite Trägereinrichtung kann in einer kompakten Bauweise (kleinskalig) als Chip auf der Oberseite der ersten Trägereinrichtung aufgebracht, vorteilhaft aufgebondet, werden. Das photodetektive Element in der zweiten Trägereinrichtung kann vorteilhaft als dotierte Schicht im Substrat des Halbleitermaterials gebildet sein oder als eigentändiges Bauelement in der zweiten Kavität angeordnet sein.An optical filter element can be arranged on the photodetective element or spaced therefrom and spaced from the sample and arranged independently. The second carrier device can advantageously comprise a second cavity, with which a solid angle over the luminescent sample can be covered. The second carrier unit advantageously comprises an Si substrate as a semiconductor chip or wafer, wherein a photodetective element may be formed in the second cavity. The second carrier device can be applied in a compact design (small scale) as a chip on the top of the first carrier device, preferably bonded. The photodetective element in the second carrier device can advantageously be formed as a doped layer in the substrate of the semiconductor material or be arranged as an independent component in the second cavity.
Die zweite Trägereinrichtung kann vorteilhaft das gleiche Material umfassen, wie die erste Trägereinrichtung, oder aus einem anderen Material gefertigt sein. Die beiden Trägereinrichtungen können vorteilhaft einen Innenraum bilden, in welchem die Probe angeordnet ist und somit die lumineszierende Probe vorteilhaft vollständig umschließen und daher vorteilhaft den Rauwinkel zur Detektion der Lumineszenz maximieren, vorzugsweise einen vollständigen Raumwinkel von 4pi erreichen (das photodetektive Element kann vorteilhaft so viele Flächen der Trägereinrichtungen in dem Innenraum abdecken wie möglich).The second carrier device can advantageously comprise the same material as the first carrier device, or be made of a different material. The two carrier devices can advantageously form an inner space in which the sample is arranged and thus advantageously completely surround the luminescent sample and therefore advantageously maximize the roughness angle for the detection of luminescence, preferably reach a complete solid angle of 4pi (the photodetective element can advantageously have as many surfaces cover the carrier devices in the interior as possible).
Die Lichtquelle kann vorteilhaft ebenso als eigenständiges Bauteil in der Sensorvorrichtung verbaut werden, und beispielsweise als ein miniaturisierter Chip auf der Oberseite der ersten Trägereinrichtung derart angeordnet werden (aufgeklebt, aufgebondet, Flip-Chip-Verfahren), dass dieser thermisch von dem zweiten Teilbereich und der lumineszierenden Probe isoliert ist und den Einkoppelbereich mit Licht bestrahlt. Da die Lichtquelle nicht auf der ersten Trägereinrichtung hergestellt werden muss, können prozesstechnische Einflüße durch die Fertigung der Lichtquelle auf das optische System verringert oder vorteilhaft vermieden werden. Als Lichtquelle können beispielsweise LEDs, Laser oder VCSEL-Laser (vertical cavity surface emitting laser) verbaut werden.The light source can advantageously also be installed as an independent component in the sensor device, and arranged, for example as a miniaturized chip on the top of the first support means (glued, bonded, flip-chip method) that this thermally from the second portion and the luminescent sample is isolated and irradiates the coupling region with light. Since the light source does not have to be produced on the first carrier device, process-related influences can be reduced or advantageously avoided by manufacturing the light source on the optical system. For example, LEDs, lasers or VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) lasers can be installed as the light source.
Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems in einem Verfahrensschritt
Das Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems und auch einer Sensorvorrichtung (etwa das Platzieren eines NV-Diamanten auf einer Zwischenträgereinrichtung) kann vorteilhaft in Verbindung mit den Merkmalen der erfindungsgemäßen Ausführungen zum optischen System und der Sensorvorrichtung erfolgen.The method for producing an optical system and also a sensor device (for example, placing an NV diamond on an intermediate carrier device) can advantageously be combined with the features of the invention Versions of the optical system and the sensor device take place.
Die Sensorvorrichtung kann vorteilhaft mittels Halbleitertechnologien und MEMS- oder MOEMS-Anwendungen und Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) hergestellt werden.The sensor device can advantageously be produced by means of semiconductor technologies and MEMS or MOEMS applications and assembly and connection technology (AVT).
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Figurenlistelist of figures
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand den in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
3 eine schematische Draufsicht auf eine erste Trägereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
4 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
5 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematic sectional view of an optical system according to an embodiment of the present invention; -
2 a schematic sectional view of an optical system according to another embodiment of the present invention; -
3 a schematic plan view of a first carrier device according to an embodiment of the present invention; -
4 a schematic sectional view of an optical sensor device according to an embodiment of the present invention; and -
5 a schematic sectional view of an optical sensor device according to another embodiment of the present invention.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
Bei dem optischen System
Die Ausführungsform der
Die Draufsicht auf die Oberseite
Um eine Einstrahlung oder Bestrahlung der Probe
Auf dem optischen System
Die Sensorvorrichtng
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above with reference to the preferred embodiment, it is not limited thereto but may be modified in a variety of manners.
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