DE102018203840A1

DE102018203840A1 - Fourier-Transform-Spektrometer, Verfahren zum Herstellen eines Fourier-Transform-Spektrometers und Verfahren zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums

Info

Publication number: DE102018203840A1
Application number: DE102018203840.6A
Authority: DE
Inventors: Robert Weiss; Ralf Noltemeyer; Martin Husnik; Eugen Baumgart; Maximilian Busch; Benedikt STEIN
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Also published as: CN110274692A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fourier-Transform-Spektrometer (100) mit einem Diffusorelement (102) zum Streuen von Licht, einem Filterelement (104) zum spektralen Filtern von Licht, einem Umlenkelement (106) zum Umlenken von aus dem Diffusorelement (102) austretendem Licht auf das Filterelement (104) und einem Detektorelement (108) zum Detektieren von aus dem Filterelement (104) austretendem Licht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Bei einem statischen Fourier-Transform-Mikrospektrometer mit einem Savart-Polariskop nach dem Stand der Technik werden die optischen Komponenten Diffusor, Polarisator, doppelbrechende Kristalle, Analysator, Linsensystem und Detektor in der Regel übereinander oder hintereinander auf der optischen Achse platziert. Aufgrund der geringen Bauhöhe der einzelnen optischen Komponenten hat das Mikrospektrometer eine Mindesthöhe von 6,5 mm (zuzüglich Deckglas und Elektronik). Das ist deutlich mehr als die Maximalhöhe, die von Herstellern für den Einbau von Komponenten in Smartphones oder andere mobile Kleingeräte vorgegeben wird.
In der US 7719677 B2 ist ein Fourier-Transform-Spektrometer beschrieben, das einen gefalteten Lichtweg aufweist. Der gefaltete Lichtweg ermöglicht einer Kamera eine ungehinderte Sicht auf einen Bildschirm.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Fourier-Transform-Spektrometer, ein Verfahren zum Herstellen eines Fourier-Transform-Spektrometers und ein Verfahren zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums mittels eines Fourier-Transform-Spektrometers gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein Fourier-Transform-Spektrometer mit folgenden Merkmalen vorgestellt:

einem Diffusorelement zum Streuen von Licht;
einem Filterelement zum spektralen Filtern von Licht;
einem Umlenkelement zum Umlenken von aus dem Diffusorelement austretendem Licht auf das Filterelement; und
einem Detektorelement zum Detektieren von aus dem Filterelement austretendem Licht.

Unter einem Fourier-Transform-Spektrometer, nachfolgend kurz Spektrometer genannt, kann eine Vorrichtung zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums über ein Interferenzbild verstanden werden. Beispielsweise kann das Spektrometer als Mikrospektrometer ausgeführt sein. Unter einem Diffusorelement kann ein optischer Filter zur ungerichteten Verteilung von Licht verstanden werden, beispielsweise eine Streuscheibe. Unter einem Umlenkelement kann ein reflektierendes Element wie beispielsweise ein Spiegel oder eine Anordnung aus einer Mehrzahl spiegelnder Einzelelemente verstanden werden. Das Umlenkelement kann beispielsweise zusätzlich auch als Diffusor fungieren. Je nach Ausführungsform kann das Umlenkelement eben oder gekrümmt ausgeformt sein. Das Umlenkelement kann beispielsweise ausgebildet sein, um einen Lichtweg zwischen dem Diffusorelement und dem Filterelement um 90 Grad zu falten. Unter einem Filterelement kann beispielsweise ein Savart-Polariskop oder ein sonstiges optisches Filterelement zur spektralen Analyse von Licht mittels Fourier-Transformation verstanden werden. Unter einem Detektorelement kann ein optisches Sensorelement verstanden werden. Beispielsweise kann das Detektorelement als ein Array aus einer Mehrzahl lichtsensitiver Pixel ausgeführt sein. Unter austretendem Licht kann ein transmittierter Strahlenanteil verstanden werden.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Fourier-Transform-Spektrometer, etwa in Form eines statischen Fourier-Transform-Mikrospektrometers, durch entsprechendes Falten eines Lichtwegs zwischen einem Diffusorelement zum Einkoppeln von Licht und einem Filterelement zum spektralen Filtern des eingekoppelten Lichts, etwa einem Savart-Polariskop, besonders kompakt ausgeführt werden kann.
Die Aufgabe eines Diffusors in einem statischen Fourier-Transform-Mikrospektrometer ist die gleichmäßige Intensitäts- und Winkelverteilung des einfallenden Lichts. Dies ist für die Leistungsfähigkeit des Spektrometers entscheidend, da das einfallende Licht über die gesamte Oberfläche des Filterelements mit einer homogenen Intensitäts- und Winkelverteilung verteilt sein sollte. Um auch bei inhomogener Ausleuchtung oder schrägem Einfall des Lichts eine gute Intensitäts- und Winkelverteilung zu erreichen, kann beispielsweise vor dem Diffusor ein zusätzlicher Diffusor mit einem gewissen Abstand platziert werden, wobei der Diffusor für die homogene Intensitätsverteilung und der zusätzliche Diffusor für die homogene Winkelverteilung sorgt. Dadurch würde jedoch die Bauhöhe des Spektrometers zusätzlich erhöht.
Demgegenüber schafft der hier vorgestellte Ansatz eine Anordnung, die eine platzsparende Integration mindestens eines Diffusors im Strahlengang des Spektrometers, das beispielsweise ein Savart-Polariskop oder ein anderes Filterelement umfassen kann, ermöglicht. Insbesondere kann damit ein leistungsstarkes Mikrospektrometer basierend auf einem Savart-Polariskop mit einer Höhe von kleiner 10 mm oder kleiner 5 mm und einer Fläche von kleiner 100 mm² hergestellt werden. Es ist von Vorteil, wenn für die Aufbau- und Verbindungstechnik ein besonders flacher Aufbau generiert wird, da sich durch die resultierenden Aufweitungen des Toleranzfeldes die Winkelfehler verringern. Des Weiteren kann mit einem solchen Aufbau die Gleichmäßigkeit der Intensitäts- und Winkelverteilung des einfallenden Lichts deutlich verbessert werden.
Weitere Vorteile sind, dass durch die verbesserte Lichtverteilung zum einen die Lichteffizienz des Spektrometers verbessert werden kann, d. h. mehr Licht auf den Detektor fallen kann, wodurch kürzere Messzeiten und eine bessere Signalqualität erreicht werden können, zum anderen Messartefakte vermieden werden können und der Aufwand zur Datenbearbeitung minimiert werden kann. Vorteilhaft ist auch, dass die optische Eingangsapertur durch spezielle Ausprägungen des Umlenkelements vergrößert werden kann, die Diffusorfunktion an unterschiedlichen Orten platziert werden kann, etwa am Eingang, am Umlenkelement oder direkt vor dem Filterelement, durch eine Bauteilreduzierung eine einfache und billige Fertigung mit früher Verkapselung realisiert werden kann und durch Fertigung eines Linsensitzes und mehrerer reflektierender optischer Flächen in einem Bauteil weitere Ausrichtvorgänge entfallen können.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Umlenkelement spiegelnd und/oder diffus streuend ausgeführt sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Umlenkelement eine Mehrzahl streuender optischer Elemente aufweisen. Dadurch kann eine möglichst homogene Intensitäts- und Winkelverteilung auf dem Filterelement sichergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Filterelement als Savart-Polariskop ausgeführt sein. Das Savart-Polariskop kann ein erstes Polarisatorelement zum Polarisieren von aus dem Umlenkelement austretendem Licht, ein doppelbrechendes Aufspaltungselement zum Aufspalten von aus dem ersten Polarisatorelement austretendem Licht in unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel und ein als Analysator fungierendes zweites Polarisatorelement zum Polarisieren von aus dem Aufspaltungselement austretenden Strahlenbündeln aufweisen. Dabei kann das Detektorelement ausgebildet sein, um aus dem zweiten Polarisatorelement austretendes Licht zu detektieren. Unter einem Polarisatorelement kann ein Polarisator verstanden werden, der eine einfallende Strahlung so filtert, dass den Polarisator nur Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung verlässt. Dies lässt sich mit unterschiedlichen physikalischen Effekten erreichen, beispielsweise durch Lenken desjenigen Anteils der Strahlung, der eine unpassende Polarisationsrichtung hat, an einen zweiten Ausgang oder durch Absorption dieses Anteils. Unter einem Analysator kann ein Polarisator zum Feststellen oder Messen einer vorhandenen Polarisation verstanden werden. Unter einem doppelbrechenden Aufspaltungselement kann ein optisches Bauteil aus zwei oder mehreren doppelbrechenden Kristallen verstanden werden. Das Aufspaltungselement kann auch als Savart-Element bezeichnet werden. Durch diese Ausführungsform kann das Spektrometer besonders kostengünstig gefertigt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Fourier-Transform-Spektrometer eine Höhe von maximal 5 mm und/oder eine Fläche von maximal 100 mm² aufweist. Dadurch wird beispielsweise eine platzsparende Integration des Spektrometers in mobile Endgeräte ermöglicht.
Von Vorteil ist auch, wenn das Fourier-Transform-Spektrometer zumindest ein weiteres Diffusorelement zum Streuen von Licht aufweist. Das weitere Diffusorelement kann dabei in einem Strahlengang zwischen dem Umlenkelement und dem Filterelement angeordnet sein oder dem Diffusorelement vorgeschaltet sein. Durch diese Ausführungsform kann die Effizienz des Spektrometers gesteigert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Fourier-Transform-Spektrometer ein Gehäusebauteil zum Aufnehmen des Diffusorelements, des Filterelements, des Umlenkelements und des Detektorelements aufweisen. Das Gehäusebauteil kann ausgeformt sein, um das Diffusorelement, das Filterelement, das Umlenkelement und das Detektorelement in vorbestimmten Positionen zueinander auszurichten und/oder zu fixieren. Unter einem Gehäusebauteil kann ein platten- oder schalenartiges Bauteil, beispielsweise aus Kunststoff, verstanden werden. Dadurch kann das Spektrometer mit wenigen Einzelteilen und somit besonders effizient gefertigt werden.
Beispielsweise kann das Gehäusebauteil ausgeformt sein, um das weitere Diffusorelement, ein Beleuchtungsmodul, ein Elektronikmodul, ein Optikmodul zum Abbilden des aus dem Filterelement austretenden Lichts auf einen vorbestimmten Abschnitt des Detektorelements oder eine Kombination aus zumindest zwei der vorstehenden Komponenten aufzunehmen. Unter einem Beleuchtungsmodul kann ein Modul mit zumindest einer Lichtquelle zum Beleuchten einer mittels des Spektrometers zu analysierenden Probe mit Licht in einem geeigneten Wellenlängenbereich verstanden werden. Unter einem Elektronikmodul kann beispielsweise eine Auslese- oder Steuerungselektronik zum Betreiben des Spektrometers verstanden werden, etwa in Form eines ASIC-Bausteins. Unter einem Optikmodul kann beispielsweise eine Linse oder eine Anordnung mehrerer Linsen verstanden werden. Dadurch kann die Fertigung des Spektrometers weiter vereinfacht werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Herstellen eines Fourier-Transform-Spektrometers gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren zumindest den folgenden Schritt umfasst:
Anordnen des Diffusorelements, des Filterelements, des Umlenkelements und des Detektorelements in dem Gehäusebauteil, um das Diffusorelement, das Filterelement, das Umlenkelement und das Detektorelement in vorbestimmten Positionen zueinander auszurichten und/oder zu fixieren.
Gegenstand des hier vorgestellten Ansatzes ist ferner ein Verfahren zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums mittels eines Fourier-Transform-Spektrometers, wobei das Fourier-Transform-Spektrometer ein Diffusorelement, ein Filterelement, ein Umlenkelement und ein Detektorelement aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Streuen von Licht mittels des Diffusorelements;
Umlenken von aus dem Diffusorelement austretendem Licht auf das Filterelement mittels des Umlenkelements;
Spektrales Filtern von aus dem Umlenkelement austretendem Licht mittels des Filterelements; und
Detektieren von aus dem Filterelement austretendem Licht mittels des Detektorelements, um das elektromagnetische Spektrum darzustellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Spektrometer gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 verschiedene Ansichten eines Spektrometers aus 1;
3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Darstellung eines Spektrometers zur Kombination mit einem Umlenkelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Spektrometer 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Spektrometer 100 umfasst ein Diffusorelement 102 zum Streuen von Licht, ein Filterelement 104 in Form eines Savart-Polariskops und ein Umlenkelement 106, hier einen ebenen Spiegel, zum Umlenken von aus dem Diffusorelement 102 austretendem Licht auf das Filterelement 104. Insbesondere wird das Licht dabei auf direktem Weg vom Umlenkelement 106 zum Filterelement 104 gelenkt. Beispielhaft ist das Umlenkelement 106 in einem Winkel von 45 Grad zum Diffusorelement 102 ausgerichtet, sodass ein Lichtweg zwischen dem Diffusorelement 102 und dem Filterelement 104 mittels des Umlenkelements 106 um 90 Grad gefaltet ist. Je nach Bauform des Spektrometers 100 kann das Umlenkelement 106 auch in beliebigen anderen Winkeln zum Diffusorelement 102 oder Filterelement 104 ausgerichtet sein oder gekrümmt ausgeformt sein. Das Filterelement 104 ist zwischen dem Umlenkelement 106 und einem Detektorelement 108 zum Detektieren von aus dem Filterelement 104 austretendem Licht angeordnet. Das Detektorelement 108 kann auch als Bildsensor bezeichnet werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Spektrometer 100 ein zwischen dem Filterelement 104 und dem Detektorelement 108 angeordnetes Optikmodul 110 zum Abbilden des aus dem Filterelement 104 austretenden Lichts auf einen vorbestimmten Abschnitt des Detektorelements 108 auf. Beispielsweise ist das Optikmodul 110 als eine Röhre mit drei Linsen ausgeführt.
Das Filterelement 104 in Form des Savart-Polariskops umfasst ein erstes Polarisatorelement 112, ein zweites Polarisatorelement 114, das als Analysator fungiert, und ein zwischen den beiden Polarisatorelementen 112, 114 angeordnetes, doppelbrechendes Aufspaltungselement 116, das aus zwei unterschiedlich orientierten doppelbrechenden Kristallen zusammengesetzt ist. Dabei lenkt das Umlenkelement 106 das aus dem Diffusorelement 102 austretende Licht auf das erste Polarisatorelement 112 um.
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Diffusorelement 102, das Filterelement 104, das Umlenkelement 106, das Detektorelement 108 und das Optikmodul 110 von einem Gehäusebauteil 118 aufgenommen, das die Komponenten des Spektrometers 100 in vorbestimmten Positionen zueinander ausrichtet. Zusätzlich dient das Gehäusebauteil 118 zum Aufnehmen eines Beleuchtungsmoduls 120, das beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden als Lichtquelle umfasst, und eines Elektronikmoduls 122, etwa eines FE-ASIC. Beispielhaft sind das Beleuchtungsmodul 120 und das Elektronikmodul 122 an einem Boden 124 des Gehäusebauteils 118 angebracht. Dabei sind das Beleuchtungsmodul 120 und das Elektronikmodul 122 zwischen einem das Diffusorelement 102, das Filterelement 104, das Umlenkelement 106, das Detektorelement 108 und das Optikmodul 110 aufweisenden Abschnitt des Gehäusebauteils 118 und dem Boden 124 angeordnet, sodass der Lichtweg vom Diffusorelement 102 zum Detektorelement 108 im Wesentlichen oberhalb der beiden Module 120, 122 verläuft.
Das Beleuchtungsmodul 120 ist beispielhaft gegenüber einer trichterförmigen Lichtaustrittsöffnung 126 des Gehäusebauteils 118 angeordnet. Es ist vorteilhaft, wenn die Lichtaustrittsöffnung 126 als Reflektor ausgeführt ist, beispielsweise durch Aufbringen einer reflektierenden Schicht auf eine Innenwand 128 der Lichtaustrittsöffnung 126.
Das Gehäusebauteil 118 kann mit einer Leiterplatte 130 oder Ähnlichem verbunden sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Gehäusebauteil 118 mit als Spiegel oder Reflektor dienenden beschichteten Oberflächen ausgestattet.
Bei dem Spektrometer 100 handelt es sich beispielsweise um ein statisches Fourier-Transform-Mikrospektrometer, dessen Lichtweg durch das Umlenkelement 106 in geeigneter Weise gefaltet wird, um eine besonders kompakte Bauform zu erreichen. Eine optimierte Anordnung des Diffusorelements 102 sorgt für eine homogene Intensitäts- und Winkelverteilung des Lichts nach dem Diffusorelement 102. Das Spektrometer 100 kann auch mehr als ein Diffusorelement oder mehr als ein diffusorähnliches Bauteil aufweisen. Je nach Ausführungsbeispiel ist das Umlenkelement 106 spiegelnd, diffus streuend, richtungsoptimiert spiegelnd oder richtungsoptimiert diffus streuend ausgeführt. Optional ist vor oder nach dem Umlenkelement 106 ein weiteres Diffusorelement angeordnet. Durch eine spezielle Formung des Umlenkelements 106 kann beispielsweise eine optische Eingangsapertur des Spektrometers 100 ohne Änderung dessen Baugröße vergrößert werden. Ferner können dadurch elektrische Bauelemente wie das Beleuchtungsmodul 120 oder das Elektronikmodul 122 unterhalb eines optischen Pfades des Spektrometers 100 platziert werden, wodurch die Fläche dieser Bauelemente reduziert werden kann.
In 1 ist beispielhaft ein Konzept gezeigt, durch das die maximale Höhe des Spektrometers 100 auf 5 mm und die maximale Fläche des Spektrometers 100 auf 100 mm² begrenzt wird. Dazu ist das Beleuchtungsmodul 120 gemeinsam mit dem Spektrometermodul im gleichen Gehäusebauteil 118 integriert. Das vom Beleuchtungsmodul 120 ausgesandte Licht wird mittels des Reflektors zur Probe geleitet und dort diffus gestreut. Hier sind auch andere Beleuchtungsoptiken wie etwa Linsen möglich. Ein Teil des diffus gestreuten Lichts trifft auf den durch das Diffusorelement 102 gebildeten Eingang des Spektrometermoduls. Dort wird das Licht durch das Umlenkelement 106 mit einer möglichst gleichmäßigen Intensitätsverteilung zum Filterelement 104 geleitet. Ein optionales weiteres Diffusorelement kann die Homogenität der Winkelverteilung weiter verbessern.
Im Spektrometermodul wird das Licht nach dem Diffusorelement 102 zuerst mittels des ersten Polarisatorelements 112 polarisiert, beispielsweise mit einem Winkel von 45 Grad zur x- und y-Achse, dann durch das Aufspaltungselement 116, auch Savart-Element genannt, in ein horizontal polarisiertes und ein vertikal polarisiertes Strahlenbündel aufgespalten. Beide Strahlenbündel durchlaufen je nach Polarisation und Einfallswinkel einen unterschiedlich langen Lichtweg in den Kristallen. Der optische Weglängenunterschied zwischen Lichtstrahlen beider Polarisationen ist somit vom jeweiligen Einfallswinkel i des Lichts abhängig. Anschließend projiziert das zweite Polarisatorelement 114 die beiden unterschiedlichen Polarisationszustände wieder auf einen einheitlichen Zustand mit einem Winkel von 45 Grad zur x- und y-Achse, damit das Licht beider Polarisationen miteinander interferieren kann. Im Anschluss bildet das Optikmodul 110, beispielsweise in Form einer Linse oder eines Linsensystems, alle Lichtstrahlen mit der gleichen Ausbreitungsrichtung, also dem gleichen Einfallswinkel i, auf einen eng begrenzten Bereich des Detektorelements 108 ab. Je nach Phasenunterschied interferiert das Licht konstruktiv oder destruktiv. Dadurch entsteht auf dem Detektorelement 108 ein 2D-Interferenzbild, aus dem mittels Fourier-Transformation das Spektrum bestimmt werden kann. Deshalb ist es wichtig, dass die einfallende Lichtintensität räumlich gleichmäßig über das gesamte Savart-Element verteilt ist und die Winkel der Einfallsstrahlen gleichmäßig innerhalb des Akzeptanzkegels der Linse oder des Objektivs verteilt sind.
Das Umlenkelement 106 kann unterschiedlich ausgeprägt sein. Einen Überblick über verschiedene Ausführungsbeispiele geben die 3 bis 6.
In dem in 1 gezeigten Aufbau bedient das beispielsweise als Kunststoffspritzgießteil gefertigte Gehäusebauteil 118 alle Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik, um die einzelnen Baugruppen miteinander zu verbinden und auszurichten, mit dem Ziel, die Anzahl der notwendigen Bauteile zu minimieren. Ein solcher Aufbau ermöglicht zudem eine frühe Kapselung, wodurch Störungen durch Fremdstoffe vermieden werden können.
Die gefaltete Anordnung des optischen Pfades ermöglicht auch die Minimierung und Optimierung einzelner mechanischer Komponenten. Die Zahl der notwendigen Handlingsflächen sinkt ebenfalls, da die mechanischen Komponenten zu einem Bauteil verschmelzen können.
Die Wärmeverteilung innerhalb des Bauteils wird homogenisiert, auch bedingt durch die Verringerung der Bauteilschnittstellen.
Die Oberfläche des Umlenkelements 106 kann mit einer fast beliebigen Form in einem entsprechenden Werkzeug dargestellt werden. Auch eine Oberflächenstrukturierung kann während des Fertigungsprozesses vorgegeben werden. Das folgende Beschichten mit einer reflektierenden Schicht ist optional. Hierdurch entfallen weitere Klebe- und Handlingsschritte.
2 zeigt verschiedene Ansichten eines Spektrometers 100 aus 1. Gezeigt sind eine Seitenansicht 200 von rechts, eine Draufsicht 202, eine Seitenansicht 204 von links, eine Untersicht 206 und eine Vorderansicht 208.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatte 130 als ein Printed Circuit Board oder eine mit Versteifungsmitteln versehene flexible Leiterplatte ausgeführt. Beispielhaft weist die Leiterplatte 130 eine Dicke von 0,1 mm auf. Ein über den Boden 124 überstehender freier Abschnitt der Leiterplatte 130 weist beispielhaft eine Länge von 5 mm und der Boden 124 eine Länge von 14,2 mm auf. Eine Höhe des Bodens 124 zusammen mit dem Gehäusebauteil 118 beträgt beispielsweise 4,8 mm, wobei der Boden 124 eine Dicke von 0,8 mm aufweisen kann. Somit weist das Spektrometer 100 eine Höhe von weniger als 10 mm oder beispielsweise weniger als 5 mm und eine Gesamtlänge von weniger als 30 mm oder beispielsweise weniger als 20 mm auf. Eine Breite des das Spektrometers 100, wie sie in der Vorderansicht 208 gezeigt ist beträgt beispielsweise 5 mm.
Die 3 bis 6 zeigen schematische Darstellungen eines Abschnitts eines Spektrometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa des vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenen Spektrometers. Gezeigt sind verschiedenartige Ausführungsbeispiele des Umlenkelements 106.
Dabei zeigt 3 ein einfaches Ausführungsbeispiel des Umlenkelements 106 in Form eines ebenen Spiegels. Die Homogenisierung der Winkelverteilung erfolgt hier allein durch das Diffusorelement 102 vor dem doppelbrechenden Filterelement 104.
In 4 ist das Umlenkelement 106 diffus streuend ausgeführt. Dadurch wird eine gute Winkelverteilung erreicht.
In 5 ist das Umlenkelement 106 durch eine strukturierte optische Oberfläche optimiert, die beispielsweise als eine Vielzahl kleiner zerstreuender optischer Elemente ausgeführt ist. Diese sind je nach Geometrie des Filterelements 104 mittels Simulationen angepasst, um eine perfekte Ausleuchtung des Filterelements 104 bei möglichst geringen Lichtverlusten und einer möglichst gleichmäßigen Winkelverteilung zu erreichen.
Gemäß dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche der optischen Elemente des Umlenkelements 106 zusätzlich diffus streuend modifiziert, beispielsweise durch Aufrauung.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers 700 zur Kombination mit einem Umlenkelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einem Umlenkelement, wie es vorangehend anhand der 1 bis 6 beschrieben wurde. Gezeigt ist eine Skizze eines Aufbaus eines alternativen Spektroskopieprinzips mit einem ersten Diffusor 701, einem zweiten Diffusor 702, einem zwischen den beiden Diffusoren 701, 702 angeordneten winkelabhängigen Bandpassfilter 704, zumindest einem Fourier-Transform-Element, hier in Form einer Mehrzahl von Mikrolinsen 706, und einem Detektor 708.
In dem in 7 gezeigten Spektrometer 700 wird das Licht mittels der Diffusoren 701, 702 gleichmäßig intensitäts- und winkelverteilt. Durch den Bandpassfilter 704 werden je nach Einfallswinkel des Lichts unterschiedliche Wellenlängen durchgelassen. Diese werden durch Fourier-Transform-Elemente, beispielsweise durch eine oder mehrere Linsen oder Mikrolinsen, so auf den Detektor 108 abgebildet, dass unterschiedliche Einfallswinkel oder Wellenlängen auf unterschiedliche Bereiche des Detektors 708 abgebildet werden. Dadurch werden die Wellenlängen räumlich separiert, was die Generierung des gewünschten Spektrums erleichtert.
Um einen breiteren Wellenlängenbereich abzudecken, können mehrere der oben beschriebenen Segmente mit Mikrolinsen und isolierten optischen Lichtwegen genutzt werden. In jedem dieser Segmente wird die gleiche Lichtintensität benötigt, weshalb eine möglichst homogene Intensitäts- und Winkelverteilung besonders wichtig ist. In kompakter Bauweise ist dies praktisch nur durch Faltung des Lichtwegs mittels eines Umlenkelements, wie es Gegenstand des hier vorgestellten Ansatzes ist, möglich.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Herstellen eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 800 eignet sich beispielsweise zur Herstellung des vorangehend anhand der 1 bis 6 beschriebenen Spektrometers. Dabei wird in einem optionalen Schritt 810 zunächst das Gehäusebauteil gefertigt, beispielsweise in einem Spritzgießverfahren. In einem weiteren Schritt 820 werden das Diffusorelement, das Filterelement, das Umlenkelement und das Detektorelement in dem Gehäusebauteil angeordnet und dadurch in einem Fertigungsschritt zueinander in vorbestimmten Positionen ausgerichtet und fixiert.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 900 zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 900 kann beispielsweise mittels des vorangehend anhand der 1 bis 6 beschriebenen Spektrometers ausgeführt werden. Dabei wird in einem Schritt 910 einfallendes Licht mittels des Diffusorelements gestreut. In einem zweiten Schritt 920 wird das vom Diffusorelement gestreute Licht mittels des Umlenkelements auf das Filterelement umgelenkt. In einem dritten Schritt 930 wird der vom Umlenkelement umgelenkte Lichtanteil mittels des Filterelements spektral gefiltert. In einem vierten Schritt 940 erfolgt die Detektion der vom Filterelement transmittierten Lichtstrahlung mittels des Detektorelements. Dabei wird ein Interferenzbild zur Darstellung des elektromagnetischen Spektrums des einfallenden Lichts erzeugt.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7719677 B2 [0003]

Claims

Fourier-Transform-Spektrometer (100) mit folgenden Merkmalen: einem Diffusorelement (102) zum Streuen von Licht; einem Filterelement (104) zum spektralen Filtern von Licht; einem Umlenkelement (106) zum Umlenken von aus dem Diffusorelement (102) austretendem Licht auf das Filterelement (104); und einem Detektorelement (108) zum Detektieren von aus dem Filterelement (104) austretendem Licht.
Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das Umlenkelement (106) spiegelnd und/oder diffus streuend ausgeführt ist und/oder eine Mehrzahl streuender optischer Elemente aufweist.
Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Filterelement (104) als Savart-Polariskop ausgeführt ist, wobei das Savart-Polariskop ein erstes Polarisatorelement (112) zum Polarisieren von aus dem Umlenkelement (106) austretendem Licht, ein doppelbrechendes Aufspaltungselement (116) zum Aufspalten von aus dem ersten Polarisatorelement (112) austretendem Licht in unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel und ein als Analysator fungierendes zweites Polarisatorelement (114) zum Polarisieren von aus dem Aufspaltungselement (116) austretenden Strahlenbündeln aufweist, wobei das Detektorelement (108) ausgebildet ist, um aus dem zweiten Polarisatorelement (114) austretendes Licht zu detektieren.
Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Fourier-Transform-Spektrometer (100) eine Höhe von maximal 10 mm, insbesondere von maximal 5 mm und/oder eine Fläche von maximal 250 mm², insbesondere von maximal 100 mm² aufweist.
Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einem weiteren Diffusorelement zum Streuen von Licht, wobei das weitere Diffusorelement in einem Strahlengang zwischen dem Umlenkelement (106) und dem Filterelement (104) angeordnet ist.
Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Gehäusebauteil (118) zum Aufnehmen des Diffusorelements (102), des Filterelements (104), des Umlenkelements (106) und des Detektorelements (108), wobei das Gehäusebauteil (118) ausgeformt ist, um das Diffusorelement (102), das Filterelement (104), das Umlenkelement (106) und das Detektorelement (108) in vorbestimmten Positionen zueinander auszurichten und/oder zu fixieren.
Fourier-Transform-Spektrometer (100) gemäß Anspruch 6, bei dem das Gehäusebauteil (118) ausgeformt ist, um das weitere Diffusorelement und/oder ein Beleuchtungsmodul (120) und/oder ein Elektronikmodul (122) und/oder ein Optikmodul (110) zum Abbilden des aus dem Filterelement (104) austretenden Lichts auf einen vorbestimmten Abschnitt des Detektorelements (108) aufzunehmen.
Verfahren (800) zum Herstellen eines Fourier-Transform-Spektrometers (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das Verfahren (800) zumindest den folgenden Schritt umfasst: Anordnen (820) des Diffusorelements (102), des Filterelements (104), des Umlenkelements (106) und des Detektorelements (108) in dem Gehäusebauteil (118), um das Diffusorelement (102), das Filterelement (104), das Umlenkelement (106) und das Detektorelement (108) in vorbestimmten Positionen zueinander auszurichten und/oder zu fixieren.
Verfahren (900) zur Darstellung eines elektromagnetischen Spektrums mittels eines Fourier-Transform-Spektrometers (100), wobei das Fourier-Transform-Spektrometer (100) ein Diffusorelement (102), ein Filterelement (104), ein Umlenkelement (106) und ein Detektorelement (108) aufweist, wobei das Verfahren (900) folgende Schritte umfasst: Streuen (910) von Licht mittels des Diffusorelements (102); Umlenken (920) von aus dem Diffusorelement (102) austretendem Licht auf das Filterelement (104) mittels des Umlenkelements (106); Spektrales Filtern (930) von aus dem Umlenkelement (106) austretendem Licht mittels des Filterelements (104); und Detektieren (940) von aus dem Filterelement (104) austretendem Licht mittels des Detektorelements (108), um das elektromagnetische Spektrum darzustellen.