DE102018208684B4

DE102018208684B4 - Monolithisch ausgestalteter spektralapparat

Info

Publication number: DE102018208684B4
Application number: DE102018208684.2A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Grüger; Jens Knobbe; Tino Pügner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2038-06-02
Also published as: US10732040B2; DE102018208684A1; US20190368931A1

Abstract

Spektralapparat (10) miteiner ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung (11), einer zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12), einem ersten Spiegel (14), einem beweglichen MEMS-Spiegel (15) und einem von dem MEMS-Spiegel (15) räumlich getrennten dispersiven Element (18), wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) relativ zu dem dispersiven Element (18) beweglich ist,wobei der erste Spiegel (14) ausgestaltet ist, um durch die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung (11) einfallende elektromagnetische Strahlung (13) strahlformend zu beeinflussen und die beeinflusste Strahlung zu dem beweglichen MEMS-Spiegel (15) zu leiten,wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) ausgestaltet ist, um die beeinflusste Strahlung zu dem dispersiven Element (18) zu reflektieren,wobei das dispersive Element (18) ausgestaltet ist, um die beeinflusste Strahlung spektral aufzuspalten und in einem beschränkten Wellenlängenbereich zu dem beweglichen MEMS-Spiegel (15) zurück zu reflektieren, und wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) ferner ausgestaltet ist, um die spektral aufgespaltene Strahlung mit dem beschränkten Wellenlängenbereich zu dem ersten Spiegel (14) oder zu einem zweiten Spiegel (19) und von dort zu der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) zu reflektieren,wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) mit zumindest einem von der ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung (11), der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) und dem dispersiven Element (18) monolithisch als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt ist, und wobei die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung (11, 12) räumlich von dem beweglichen MEMS-Spiegel (15) getrennt angeordnet sind und einen lateralen Versatz (D1, D2) zu einer Drehachse (21) des beweglichen MEMS-Spiegels (15) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spektralapparat mit einem MEMS-Spiegel, der mit zumindest einer Aperturbegrenzungsvorrichtung oder einem dispersiven Element monolithisch als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt ist. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen miniaturisierten Spektralapparat mit großem Spektralbereich, der für Spektralanalysen verschiedener Art eingesetzt werden kann.
Das Verfahren der Spektralanalyse ist seit langer Zeit bekannt und für den Laboreinsatz etabliert. Verschiedene Ansätze sind möglich. Proben, die selbst Strahlung in einem adressierbaren Bereich emittieren, können direkt analysiert werden, sog. „Emissionsspektroskopie“.
Emittiert die Probe keine Strahlung oder wird ein Spektralbereich adressiert, in dem die Intensität nicht ausreicht, so muss eine zusätzliche Beleuchtungseinrichtung verwendet werden. Bei Raumtemperatur ist dies fast ausnahmslos der Fall. Nach der Wechselwirkung mit der Materie der Probe wird die Veränderung des eingestrahlten Lichts durch ein geeignetes System analysiert.
Die Lichtquelle kann von unterschiedlicher Natur sein. Oftmals werden breitbandig emittierende Quellen, deren spektrale Verteilung möglichst nahe am physikalischen Ideal eines sogenannten Schwarzkörperstrahlers liegen, verwendet, oder solche, die diesem zumindest nahe kommen und eine hohe Stabilität aufweisen. Alternativ kann auch mit einer spektral schmalbandigen Lichtquelle beleuchtet werden. Hierbei sind mehrere Verfahren möglich.
Die sogenannte Ramanspektroskopie analysiert die Verschiebung einer Wellenlänge, in der Regel eines sehr schmalbandigen Lasers, wobei sowohl höhere als auch niedrigere Wellenlängen möglich sind.
Fluoreszenzmessungen nutzen die Anregung mittels einer Wellenlänge und erfassen eine hiervon abweichende Fluoreszenzwellenlänge eines wohldefinierten Fluoreszenzprozesses. Steht eine Lichtquelle zur Verfügung, deren Spektralverteilung eingestellt werden kann (sog. durchstimmbare Lichtquelle), dann kann diese vorteilhaft für die Spektralanalytik eingesetzt werden. Es ist zudem möglich, eine solche Anordnung einer durchstimmbaren Lichtquelle durch Kombination einer breitbandigen Lichtquelle und eines Spektralapparats bereitzustellen.
Begrifflich wird in der Fachliteratur zwischen Monochromatoren, d.h. Geräten, die eine einfallende Spektralverteilung in ihre Bestandteile aufspaltet, und Spektrometer, d.h. Geräte, die die Intensitätsverteilung des einfallenden Lichts in einer geeigneten Form zur Verfügung stellen, unterschieden. Je nach Bildfeld am optischen Ausgang eines solchen Geräts kann dann noch in Spektrograph (Bildfeld in einer Dimension korrigiert) oder Imaging-Spektrometer (Bildfeld in zwei Dimensionen korrigiert) unterschieden werden. Dies ist für spezielle Anwendungen unter Umständen sehr wichtig. Die hier beschriebene Lösung eines Spektralapparats kann prinzipiell für alle Designvarianten verwendet werden. Im Folgenden wird der Begriff Spektralapparat, oder gelegentlich auch Spektrometer, als Sammelbegriff für alle möglichen Typen einschließlich des Monochromators verwendet.
Der Stand der Technik offenbart zahlreiche Systemansätze, die in der Lage sind, die spektrale Verteilung elektromagnetischer Strahlung zu analysieren.
Frühe Spektrometer verwendeten einen Schirm, auf dem das Spektrum dargestellt und vom Benutzer betrachtet werden konnte. Die Spektren konnten zudem durch die Verwendung klassischer Fotoplatten festgehalten und qualitativ und quantitativ analysiert werden. Hierbei konnten als diffraktives Element sowohl Prismen als auch Gitter verwendet werden. Joseph von Fraunhofer (1787 - 1826) wurde unter anderem für die Entdeckung der Natriumlinien im Sonnenspektrum berühmt.
Prismenspektrographen sind aber wegen der unvermeidlichen Absorption durch das stets nichtideale Material des Prismas nachteilhaft. Vorteilhaft sind Gitterspektrometer, die die Beugung des Lichts an periodischen Strukturen, in Transmission oder Reflexion nutzen. Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden unterschiedliche Anordnungen unter anderem von Czerny-Turner, Ebert-Fastie und Monk-Gilleson beschrieben. Besondere Varianten, beispielsweise Gitter mit speziellen Strukturen (Blaze) oder die sogenannte Littrowanordnung weisen spezifische Vorteile auf. Detaillierte Beschreibungen finden sich in der Fachliteratur.
Mit dem Aufkommen von elektrisch auslesbaren Detektoren erfolgte die Weiterentwicklung zum scanning Monochromator, bei dem die Intensität durch einen fotoempfindlichen Schaltkreis erfolgt. Verstellbare diffraktive Elemente erlauben das Durchstimmen des Systems und die Erfassung eines Gesamtspektrums.
Die Weiterentwicklung der Detektoren zu linearen oder flächigen Anordnungen (Detektorarrays) ermöglichte die Entwicklung sogenannter Diodenzeilenspektrometer. Diese spezielle Ausführungsvariante eines Gitterspektrographen weist ein feststehendes Gitter und ein Detektorarray oder eine Kamera auf. Von diesem Typ existieren auch stark verkleinerte Ausführungsvarianten. Die Baugröße wird von der Größe des Detektors begrenzt.
Für den sichtbaren Spektralbereich sind Elemente mit sehr kleinen Abmessungen verfügbar. Diese sind zudem durch die Verwendung der Silizium-Halbleitertechnologien sehr preisgünstig verfügbar.
Für den sogenannten Infrarotbereich, der insbesondere für die Analyse organischer Materie wichtig ist, können Siliziumdetektoren bislang aufgrund der spektralen Empfindlichkeit des Materials nur bis ca. 1100 nm verwendet werden. Darüber müssen weniger verbreitete Materialien oder Materialkombinationen eingesetzt werden. Diese sind speziell für Arrayanordnungen sehr kostspielig und vergleichsweise groß. Typische Elementbreiten betragen mindestens 25 µm aber typischerweise 50 µm oder mehr, da sonst das Signalrauschen problematisch wird.
Ein sinnvoller Spektralbereich für Analyseanforderungen umfasst typischerweise eine spektrale Breite von 900 nm bis 1000 nm oder mehr. Die Auflösung sollte für eine zuverlässige Auswertung mindestens 10 nm betragen. Hieraus folgt, dass die Detektoren etwa 100 Elemente aufweisen müssen, sodass bei den in der Digitaltechnik typischerweise verwendeten 2er Inkrementen also typischerweise 128er Elemente oder mehr eingesetzt werden müssen. Hieraus ergibt sich eine Breite von mindestens 6 mm für den Detektor, und somit also neben den hohen Kosten auch ein eingeschränktes Miniaturisierungspotenzial. Zudem muss der optische Aufbau ein entsprechend breites Bildfeld bereitstellen, wodurch zusätzlicher Aufwand erforderlich wird.
Parallel zur Entwicklung diffraktiver Spektralapparate wurden Systeme auf Basis von Interferometern realisiert. Wichtige Vertreter sind Fabry Perrot Filter und Fourriertransform-(FT-) Spektrometer. Hierbei wird die Spektralcharakteristik eines Interferometers verändert bzw. durchgestimmt und die zeitgleich erfasste Intensitätsverteilung ausgewertet. Durch eine geeignete Transformation der Daten wird die spektrale Intensitätsverteilung berechnet. Derartige Ansätze existieren schon seit langer Zeit. Aufgrund der Empfindlichkeit des Interferometers gegen Vibrationen sind entsprechende Maßnahmen erforderlich. Aktuelle Entwicklungen von MEMS basierten Fabry-Perrot Filtern und in Silizium geätzten FT-Spektrometern sind vielversprechende Ansätze für stark miniaturisierte Systeme im Bereich der Infrarot-Spektralanalyseanwendungen.
Ein wichtiger Schritt zur Realisierung kostengünstiger NIR Spektrometer war die Entwicklung des „Scanning grating Spektrometers“. In der EP 1 474 665 A1 und der EP 1 474 666 A1 sind MEMS (engl.: Micro Electro Mechanical System) basierte Ansätze beschrieben, die ein bewegliches Element nutzen und dadurch mit einem Einzeldetektor auskommen. Neben dem Kostenvorteil können die Abmessungen des Systems erheblich verkleinert werden. Die Systeme sind sehr robust und können auch außerhalb von Laborräumen eingesetzt werden. Die Miniaturisierung wird im Wesentlichen durch die erforderliche Justage der Komponenten begrenzt.
Eine Weiterentwicklung dieses Ansatzes wurde anhand einer in der DE 10 2008 019 600 A1 beschriebenen bevorzugten Fertigungsvariante realisiert und als MEMS Hybridspektrometer bezeichnet. Hierbei wird eine weitere Miniaturisierung durch zwei wesentliche Verbesserungen erzielt. Zum einen werden mehr Funktionselemente in das MEMS-Bauelement integriert. Hierdurch kann die Justage des Gitters und der Spalte durch die Fotolithografie der Prozesstechnologie mit einer Präzision erfolgen, die sehr viel genauer ist als jede Bauelementjustage. Zum anderen wird das Spektrometer als Stapel von Substraten realisiert, so dass es prinzipiell möglich ist, eine große Zahl von Systemen im Verbund aufzubauen, die Justage zu vereinfachen und danach die Systeme zu vereinzeln.
Die Eigenschaften dieses Systemansatzes wurden eingehend untersucht und in der Fachliteratur beschrieben [1]. Die Natur des beschriebenen Ansatzes, bei dem sich das Gitter in seiner nichtausgelenkten Ruheposition in der Chipebene zusammen mit den beiden Spalten befindet, führte zu einer neuen mathematischen Beschreibung [2]. Die prinzipbedingte Symmetrie des Ansatzes, d.h. das Gitter schwingt immer in beide Winkelrichtungen gleich weit aus der Ruhelage, macht es erforderlich, vom klassischen Ansatz eines Czerny-Turner Spektrometers in der ersten Beugungsordnung abzuweichen, da sonst der gleiche Spektralbereich für positive und negative Auslenkwinkel doppelt überstrichen wird. Gelöst wurde dieses Problem durch Nutzung der ersten negativen Beugungsordnung. Hierbei wird der W-förmige Strahlengang des Czerny-Turner Spektrometers gefaltet, und Eintrittsspalt und Austrittsspalte werden auf die gleiche Seite des Gitters verschoben. Es ist gelungen, ein Spektrometer zu realisieren, das eine Baugröße von nur 18 × 16 × 10 mm³ aufweist.
Es wurde gezeigt [3], dass die Bauhöhe auf nur 6 mm oder darunter reduziert werden kann, wodurch die Integration in ein Mobiltelefon möglich wird. Die Verwendung des gefalteten Strahlengangs bringt aber auch ein Problem mit sich. Anstelle der bei Czerny-Turner üblichen sphärischen on-axis Spiegel müssen bikonische off-axis Spiegel für eine akzeptable Abbildungsleistung verwendet werden. Diese sind komplex in der Herstellung und mit derzeitig verfügbaren Technologien in großen Stückzahlen nur eingeschränkt bzw. nicht ausreichend kostengünstig herstellbar.
Eine spezielle Ausführungsvariante des Spektrometers mit feststehendem Gitter wurde in den letzten Jahren vorgestellt. Hierbei wird die Notwendigkeit einer Detektorzeile durch die Verwendung eines Flächenlichtmodulators (digital light processor, DLP) ersetzt. Ein Flächenlichtmodulator, hier der bekannte DLP Chip von Texas Instruments aus dem Projektor („Beamer“), wird in die Bildebene des Spektrographen mit feststehendem Gitter positioniert und das Spektrum in geeigneter Weise auf einen Einzeldetektor abgebildet.
Im Betrieb wird ein Spiegel ausgewählt und so gestellt, dass seine korrespondierenden spektralen Intensitäten des Wellenlängenintervalls den (Einzel-) Detektor treffen, alle anderen Wellenlängenbereiche werden ausgeblendet. Dieser vielversprechende Ansatz wird in ersten Produkten eingesetzt. Das Miniaturisierungspotenzial ist durch die DLP Baugröße beschränkt, die Kosten des DLP sind im Vergleich zu aktuellen Nahinfrarotspektrometern vergleichsweise gering, für den Einsatz in Mobiltelefonen aber neben der Größe ein limitierender Faktor.
Die oben beschriebenen Verfahren der Spektralanalyse etablieren sich derzeit vom Laborverfahren zur Standardmethode für den Feldeinsatz. Neben portablen Systemen für professionelle Anwender sind auch erste Geräte für Massenanwendungen im Markt und auf dem Weg ins Mobiltelefon.
Zur zuverlässigen Spektralanalyse sind Laborverfahren bekannt und etabliert. In den vergangenen Jahren wurde sehr viel in die Miniaturisierung der notwendigen Komponenten für den mobilen Einsatz investiert. Ein vielversprechender Ansatz ist die MEMS basierte Spektralanalytik, die insbesondere im sogenannten nahinfraroten (NIR) Spektralbereich, d.h. elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenintervall von 780 nm bis 2500 nm, Vorteile gegenüber Systemen mit feststehenden Gittern aufweist. In Bezug auf die Baugröße wurde erheblicher Fortschritt erzielt [3]. Eine ausreichende Miniaturisierung erscheint machbar.
Viele Anwendungen der Spektralanalyse profitieren zusätzlich von einem großen Messbereich, der von Ultraviolett (UV) beginnend über das Sichtbare (VIS) bis ins Infrarot (IR) reichen könnte. Je größer die geplanten Stückzahlen sind, desto geringer kann der Realisierungsaufwand ausfallen. Trotzdem erwartet der Nutzer eine gute Auflösung, hohe Stabilität und Zuverlässigkeit seines möglichst kompakten portablen Systems.
Die Fragestellung des Spektralbereichs kann beispielsweise über den Aussteuerbereich eines beweglichen Gitters gelöst werden, oder über die Breite eines Detektorarrays in Verbindung mit einem feststehenden Gitter. Neben physikalischen Grenzen, beispielsweise der maximalen Auslenkbarkeit eines miniaturisierten Gitters, sind auch wirtschaftliche Aspekte und die erreichbare Baugröße wichtig. Mit den Systemansätzen, die im Stand der Technik offenbart sind, bestehen hier Grenzen.
Die Miniaturisierung wird insbesondere durch die erforderliche Justage der einzelnen Komponenten begrenzt. Zur Lösung dieses Problems schlägt die DE 100 61 765 A1 vor, Spaltblenden in ein Torsionselement zu integrieren. Die Spaltblenden sind entlang der Kipp- bzw. Torsionsachse des Torsionselements angeordnet, was jedoch die Herstellung des Torsionselements erschwert und somit verteuert. Das auf dem Torsionselement angeordnete Gitter erfordert darüber hinaus eine große Auslenkung des Torsionselements, um die einzelnen Wellenlängenbereiche zu selektieren.
Es wäre demnach wünschenswert, einen verbesserten Spektralapparat bereitzustellen, der die vorgenannten Probleme des Stands der Technik löst. Insbesondere wäre es wünschenswert, ein Spektralanalysesystem bereitzustellen, das bei hohem Miniaturisierungsgrad einen breiten Spektralbereich adressieren kann und gleichzeitig sowohl bezüglich der Baugröße als auch des Herstellungsaufwands vorteilhaft ausgeführt werden kann. Insbesondere soll der Aussteuerbereich der aktiven Komponente (z.B. MEMS-Spiegel) möglichst gering sein und die verwendete Technologie so einfach wie möglich ausgeführt werden, um massenfertigungstauglich und gleichzeitig kostengünstig herstellbar zu sein.
Daher wird ein Spektralapparat mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte dieses Spektralapparats sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Der erfindungsgemäße Spektralapparat weist unter anderem eine erste Aperturbegrenzungsvorrichtung, eine zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung, einen ersten Spiegel, einen beweglichen MEMS-Spiegel und ein von dem MEMS-Spiegel räumlich getrenntes dispersives Element auf. Der bewegliche MEMS-Spiegel ist relativ zu dem dispersiven Element beweglich ist. Der erste Spiegel ist ausgestaltet, um durch die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung einfallende elektromagnetische Strahlung strahlformend zu beeinflussen und die beeinflusste Strahlung zu dem beweglichen MEMS-Spiegel zu leiten. Der bewegliche MEMS-Spiegel ist ausgestaltet, um die mittels des ersten Spiegels strahlformend beeinflusste Strahlung zu dem dispersiven Element zu reflektieren. Das dispersive Element ist ausgestaltet, um den reflektierten Anteil der mittels des ersten Spiegels strahlformend beeinflussten Strahlung spektral aufzuspalten, sodass diese Strahlung einen beschränkten Wellenlängenbereich aufweist. Ferner ist das dispersive Element ausgestaltet, um die den beschränkten Wellenlängenbereich aufweisende Strahlung zu dem beweglichen MEMS-Spiegel zurückzuleiten. Der bewegliche MEMS-Spiegel ist ferner ausgestaltet, um die zurückgeleitete spektral aufgespaltete Strahlung mit dem beschränkten Wellenlängenbereich zu dem ersten Spiegel, oder zu einem zweiten Spiegel, und von dort zu der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung zu reflektieren. Erfindungsgemäß ist der bewegliche MEMS-Spiegel mit zumindest einem von der ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung, der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung und dem dispersiven Element monolithisch als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt. Außerdem sind die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung jeweils räumlich von dem beweglichen MEMS-Spiegel getrennt angeordnet. Darüber hinaus weisen die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung jeweils einen lateralen Versatz zu einer Drehachse des beweglichen MEMS-Spiegels auf.
Durch die oben beschriebene Anordnung ergibt sich ein bestimmter Strahlengang innerhalb des Spektralapparats. Die elektromagnetische Strahlung kann durch die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung in den Spektralapparat eintreten. Die Strahlung kann dann über einen ersten Spiegel zu einem dreh- bzw. kippbaren MEMS-Spiegel, und von dort aus weiter auf ein dispersives Element geleitet werden. Von diesem dispersiven Element aus kann ein wellenlängenselektierter Anteil der Strahlung zu dem beweglichen MEMS-Spiegel zurückgeleitet, und von dort aus weiter zu dem ersten Spiegel, oder einem zweiten Spiegel, reflektiert werden. Der erste, oder gegebenenfalls der zweite, Spiegel refokussiert den wellenlängenselektierten Anteil der Strahlung dann auf die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung.
Diese Anordnung der doppelten Reflektion an dem MEMS-Spiegel erlaubt es, die Amplitude des Auslenkbereichs (bzw. Aussteuerbereichs) des MEMS-Spiegels zu halbieren. Das heißt, der erfindungsgemäße MEMS-Spiegel muss nur halb so weit ausgelenkt werden wie ein vergleichbarer Spiegel aus dem Stand der Technik, um denselben Betrag der Wellenlängenselektion bereitzustellen.
Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Spektralapparat den Vorteil auf, dass die monolithische Ausgestaltung des MEMS-Spiegels mit der ersten und/oder zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung und/oder mit dem dispersiven Element die ansonsten im Stand der Technik notwendige Justage der jeweiligen Komponenten zueinander überflüssig macht. Dadurch kann die Anordnung der Komponenten zueinander mit einer deutlich höheren Genauigkeit erfolgen, was wiederum eine weitere Miniaturisierung gegenüber Spektralapparaten aus dem Stand der Technik ermöglicht.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Spektralapparats gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Draufsicht auf einen beweglichen MEMS-Spiegel und monolithisch damit ausgestalteten Aperturbegrenzungsvorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Draufsicht auf einen beweglichen MEMS-Spiegel und monolithisch damit ausgestalteten Aperturbegrenzungsvorrichtungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4 eine schematische Seitenansicht eines Spektralapparats gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei welchem der bewegliche MEMS-Spiegel und das dispersive Element in einem Chip ausgebildet sind,
5 eine schematische Seitenansicht eines Spektralapparats gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei welchem der bewegliche MEMS-Spiegel und die Aperturbegrenzungsvorrichtungen in einem Chip ausgebildet sind,
6 eine schematische Seitenansicht eines Spektralapparats gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei welchem der bewegliche MEMS-Spiegel und das dispersive Element und die Aperturbegrenzungsvorrichtungen in einem Chip ausgebildet sind,
7 eine schematische Seitenansicht eines Spektralapparats mit mehreren Detektoren unterschiedlicher Spektralbereiche bzw. mit Ordnungsfiltern gemäß einem Ausführungsbeispiel,
8 eine schematische Seitenansicht eines Spektralapparats mit einem gemeinsamen Spiegelelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
9 eine schematische Seitenansicht eines Spektralapparats mit einem Positionssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Außerdem wird hierin eine optische Strahlung exemplarisch als ein Beispiel für elektromagnetische Strahlung im Allgemeinen erwähnt. Je nach Ausführung des erfindungsgemäßen Spektralapparats kann es sich bei der optischen Strahlung um Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche handeln. Zum Beispiel kann es sich um Infrarotlicht, zum Beispiel im nahen Infrarotbereich, handeln. Es kann aber auch optische Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen, z.B. in Wellenlängenbereichen, die von Ultraviolett (UV) beginnend über das Sichtbare (VIS) bis ins Infrarot (IR) reichen können, in dem erfindungsgemäßen Spektralapparat genutzt werden.
Ferner werden nachfolgend Spaltblenden als ein Beispiel für aperturbegrenzende Vorrichtungen bzw. Aperturbegrenzungsvorrichtungen erwähnt. Weitere denkbare Beispiele für Aperturbegrenzungsvorrichtungen können beispielsweise kleine Öffnungen, sogenannte Pinholes, die Enden von optischen Fasern bzw. Lichtwellenleitern, oder aber auch die physischen Abmessungen eines Detektors, einer Gehäuseöffnung eines Detektorbauelements oder der sensitiven Fläche eines Detektors sein. Öffnungen, wie beispielsweise im Falle von Spaltblenden oder Pinholes, müssen nicht zwingend als physische Öffnungen ausgeführt sein. Es können auch Substrate mit einer entsprechend ausgeführten Beschichtung oder Substratstapel mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften sein, die eine Aperturbegrenzungsvorrichtung bereitstellen.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Spektralapparat 10. Der Spektralapparat 10 weist eine erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 und eine zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 auf.
Elektromagnetische Strahlung 13 kann durch die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 hindurch in einen Innenraum des Spektralapparats 10 eintreten. Die elektromagnetische Strahlung 13 kann außerdem durch die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 hindurch aus dem Innenraum des Spektralapparats 10 austreten. Die elektromagnetische Strahlung 13 kann beim Hindurchtreten durch die jeweilige Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 gefiltert werden, wobei die Filterung der Strahlung 13 beispielsweise in der Bildebene, einer Aperturebene, einer zu diesen konjugierten Ebene oder zwischen diesen Ebenen erfolgen kann. Dabei kann die Strahlung 13 bezüglich einer Objektebene örtlich und/oder räumlich gefiltert werden.
Der Spektralapparat 10 weist ferner einen ersten Spiegel 14 auf, der ausgestaltet ist, um die Strahlung 13 strahlformend zu beeinflussen. Der erste Spiegel 14 kann beispielsweise ein Konkavspiegel sein. Zum Beispiel kann es sich bei dem ersten Spiegel 14 um einen Kollimatorspiegel handeln, der ausgestaltet ist, um die Strahlung 13 zu kollimieren. Der erste Spiegel 14 kann beispielsweise ortsfest angeordnet beziehungsweise unbeweglich ausgestaltet sein.
Der Spektralapparat 10 weist ferner einen beweglichen MEMS-Spiegel 15 auf. Der bewegliche MEMS-Spiegel 15 kann als ein mikromechanisches Bauteil ausgestaltet sein und kann Abmessungen im Bereich von wenigen Mikrometern aufweisen. Der MEMS-Spiegel 15 kann mittels Mikrostrukturierungsverfahren (z.B. Lithografie, Ätztechniken, etc.) in ein geeignetes Substrat strukturiert sein.
Der MEMS-Spiegel 15 weist eine Dreh- bzw. Kippachse 16 auf. Der MEMS-Spiegel 15 ist um diese Dreh- bzw. Kippachse verdrehbar beziehungsweise verkippbar, was mittels des Doppelpfeils 17 angedeutet ist.
Die elektromagnetische Strahlung 13 kann von dem ersten Spiegel 14 reflektiert und zu dem beweglichen MEMS-Spiegel 15 geleitet werden, wobei die Strahlung 13 gleichzeitig von dem ersten Spiegel 14 strahlformend beeinflusst wird. Die strahlformend beeinflusste Strahlung 13 gelangt zu dem beweglichen MEMS-Spiegel 15 und kann dort erneut reflektiert werden. Erfindungsgemäß wird die Strahlung von dem MEMS-Spiegel 15 zu einem von dem MEMS-Spiegel 15 räumlich getrennt angeordneten dispersiven Element 18 reflektiert. Bei dem dispersiven Element 18 kann es sich beispielsweise um ein optisches Beugungsgitter, ein Prisma oder einen photonischen Kristall handeln.
Das dispersive Element 18 kann als mikrosystemtechnisch gefertigtes Element, unter Umständen auch im Verbund hergestellt werden, aber auch durch Abformverfahren oder andere Replikationstechnologien.
Das dispersive Element 18 ist vorzugsweise ortsfest angeordnet beziehungsweise unbeweglich ausgestaltet. Der bewegliche MEMS-Spiegel 15 ist somit relativ zu dem ortsfest angeordneten dispersiven Element 18 beweglich, genauer gesagt verdreh- bzw. verkippbar. Gemäß eines weiteren denkbaren Ausführungsbeispiels kann das dispersive Element 18 ebenfalls beweglich sein.
Das dispersive Element 18 ist ausgestaltet, um die von dem ersten Spiegel 14 strahlformend beeinflusste und von dem beweglichen MEMS-Spiegel 15 reflektierte Strahlung 13 spektral in verschiedene Beugungsordnungen aufzuspalten. Das dispersive Element 18 wirkt dabei wellenlängenselektiv, das heißt die ankommende Strahlung 13 wird in unterschiedliche Wellenlängen aufgespalten, wobei Strahlungsanteile einer gewünschten Wellenlänge oder eines gewünschten Wellenlängenbereichs selektiv in einem bestimmten Winkel zurückgeworfen werden.
Die mittels des dispersiven Elements 18 in einen beschränkten Wellenlängenbereich aufgespaltenen Anteile der Strahlung 13 werden von dem dispersiven Element 18 zu dem beweglichen MEMS-Spiegel 15 zurückreflektiert. Von dem beweglichen MEMS-Spiegel 15 wiederum wird die spektral aufgespaltene Strahlung mit dem beschränkten Wellenlängenbereich zu einem zweiten Spiegel 19 weiterreflektiert. Der zweite Spiegel 19 kann beispielsweise ein Konkavspiegel sein.
Alternativ kann anstatt dem ersten Spiegel 14 und dem zweiten Spiegel 19 lediglich der erste Spiegel 14 als ein einzelner Spiegel vorhanden sein, wie dies beispielhaft in 8 gezeigt und unter Bezugnahme auf 8 auch beschrieben ist.
Mittels des ersten bzw. zweiten Spiegels 14, 19 kann die spektral aufgespaltene Strahlung 13 mit dem beschränkten Wellenlängenbereich auf die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 refokussiert werden. Optional kann der Spektralapparat 10 einen Detektor 27 für elektromagnetische Strahlung 13 aufweisen, wobei dieser Detektor 27 im Strahlengang hinter der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 angeordnet sein kann.
Die mit Bezug auf 1 exemplarisch beschriebene Anordnung der einzelnen Elemente zueinander führt zu dem abgebildeten Strahlengang, wobei die Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung 13 entlang diesem Strahlengang durch Pfeile gekennzeichnet ist.
Hierbei ist unter anderem zu erkennen, dass die von dem beweglichen MEMS-Spiegel 15 zu dem dispersiven Element 18 reflektierte Strahlung an ebendiesem dispersiven Element 18 aufgespalten wird. Ein Anteil der Strahlung 13, der einen begrenzten aber gewünschten Wellenlängenbereich aufweist, wird zu dem MEMS-Spiegel 15 zurückreflektiert. Andere Anteile der Strahlung 13, deren Wellenlängen außerhalb des gewünschten Wellenlängenbereichs liegen, werden ausgefiltert. Beispielsweise wird ein solcher Anteil der Strahlung 13 zwar in Richtung des MEMS-Spiegels 15, jedoch seitlich an dem MEMS-Spiegel 15 vorbei geleitet. Ein anderer Anteil der Strahlung 13 kann beispielsweise zu einem Strahlungsabsorptionselement 28 geleitet werden, in dem die Strahlung 13 absorbiert wird. Das Strahlungsabsorptionselement 28 kann beispielsweise als eine Pyramide ausgebildet, und vorzugsweise der Hauptreflektionsfläche des MEMS-Spiegels 15 gegenüberliegend angeordnet, sein.
All die oben aufgeführten Elemente des Spektralapparats 10, das heißt der bewegliche MEMS-Spiegel 15, die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12, und das dispersive Element 18, müssten bei Spektralapparaten nach dem Stand der Technik sorgsam zueinander ausgerichtet werden, was auch als Justage bezeichnet wird.
Um den Justage-Aufwand möglichst gering zu halten, ist in dem erfindungsgemäßen Spektralapparat 10 der bewegliche MEMS-Spiegel 15 erfindungsgemäß mit der ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 und/oder mit der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 und/oder mit dem dispersiven Element 18 monolithisch als ein gemeinsames Bauteil ausgestaltet.
Es ist beispielsweise vorstellbar, dass der bewegliche MEMS-Spiegel 15 und die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 und/oder die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 in demselben Substrat ausgebildet sind, was einer zuvor erwähnten monolithischen Ausgestaltung entspräche. Alternativ oder zusätzlich wäre es außerdem beispielsweise vorstellbar, dass der bewegliche MEMS-Spiegel 15 und das dispersive Element 18 in demselben Substrat ausgebildet sind, was ebenfalls einer zuvor erwähnten monolithischen Ausgestaltung entspräche. Der MEMS-Spiegel 15 kann beispielsweise mit der ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 und/oder mit der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 und/oder mit dem dispersiven Element 18 auf einem gemeinsamen Chip strukturiert bzw. ausgebildet sein.
Darüber hinaus sind, wie in der Draufsicht in 2 dargestellt, die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 räumlich von dem beweglichen MEMS-Spiegel 15 getrennt angeordnet und weisen einen lateralen Versatz zu einer Drehachse 21 des beweglichen MEMS-Spiegels 15 auf. Dieser laterale Versatz ist in 2 mit den Versatzachsen 23, 24 gekennzeichnet. Die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 ist lateral um ein Maß D₁ von der Drehachse 21 des beweglichen MEMS-Spiegels 15 beabstandet. Die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 ist lateral um ein Maß D₂ von der Drehachse 21 des beweglichen MEMS-Spiegels 15 beabstandet.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Maße D₁ und D₂ voneinander. Das heißt, die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 sind unterschiedlich weit von der Drehachse 21 des MEMS-Spiegels 15 beabstandet, bzw. weisen einen betragsmäßig unterschiedlichen lateralen Versatz zu der Drehachse 21 des MEMS-Spiegels 15 auf.
In anderen, hier nicht explizit dargestellten Ausführungsbeispielen können die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 gleich weit von der Drehachse 21 des MEMS-Spiegels 15 beabstandet sein. In diesem Falle wären die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 auf gleicher lateraler Versatzhöhe nebeneinander angeordnet, das heißt in axialer Richtung (bezogen auf die Drehachse 21) zueinander versetzt angeordnet.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 ebenfalls in einer (bezogen auf die Drehachse 21) axialen Richtung X zueinander versetzt angeordnet, was mit dem Bemaßungspfeil 26 gekennzeichnet ist.
Beide Versatzachsen 23, 24 verlaufen etwa orthogonal zu der Drehachse 21 des beweglichen MEMS-Spiegels 15. Bezogen auf die Drehachse 21 des MEMS-Spiegels 15 kann auch gesagt werden, dass die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 jeweils radial von der Drehachse 21 des MEMS-Spiegels 15 beabstandet bzw. zu dieser versetzt sind.
Dabei sind die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 jeweils entlang ihrer jeweiligen Versatzachse 23, 24 radial zur Drehachse 21 versetzt. Dabei ist zu erkennen, dass die Versatzachse 23 der ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 und die Versatzachse 24 der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 jeweils durch den MEMS-Spiegel 15 verlaufen. Die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 sind also jeweils benachbart zu einer Seite (hier: Längsseite 25) des MEMS-Spiegels 15 angeordnet.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Hier sind die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 entlang einer gemeinsamen Versatzachse 31 angeordnet. Das heißt, die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 sind in radialer Richtung (bezogen auf die Drehachse 21) hintereinander angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 näher an dem MEMS-Spiegel 15 angeordnet als die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11. Es wäre aber ebenso denkbar, dass die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 näher zu dem MEMS-Spiegel 15 angeordnet ist als die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Maße D₁ und D₂ voneinander. Das heißt, die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 sind unterschiedlich weit von der Drehachse 21 des MEMS-Spiegels 15 beabstandet, bzw. weisen einen betragsmäßig unterschiedlichen lateralen Versatz zu der Drehachse 21 des MEMS-Spiegels 15 auf, wobei die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 einen größeren Abstand D₁ zu dem MEMS-Spiegel 15 aufweist als die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12.
Wie in den 2 und 3 zu sehen ist, sind die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, 12 räumlich von dem MEMS-Spiegel 15 beabstandet angeordnet. Mindestens eine, aber vorzugsweise beide Aperturbegrenzungsvorrichtungen 11, 12 können monolithisch mit dem MEMS-Spiegel 15 als ein gemeinsames Bauteil ausgebildet sein. Beispielsweise kann mindestens eine der Aperturbegrenzungsvorrichtungen 11, 12 gemeinsam mit dem MEMS-Spiegel 15 in demselben Substrat 22 ausgebildet sein.
Der MEMS-Spiegel 15 selbst weist keine Aperturbegrenzungsvorrichtungen auf. Das heißt, der MEMS-Spiegel 15 weist eine zusammenhängende Aperturbegrenzungsvorrichtungs-lose Spiegelfläche auf. In anderen Worten ist der gesamte MEMS-Spiegel 15 als eine Aperturbegrenzungsvorrichtungs-lose Fläche ausgebildet.
Gemäß Ausführungsformen kann der MEMS-Spiegel 15 eine homogene Oberfläche aufweisen. Beispielsweise kann der MEMS-Spiegel 15 als ein Planspiegel ausgestaltet sein. Der MEMS-Spiegel 15 kann außerdem auf beiden Seiten, d.h. auf der Oberseite (15a - siehe 9) und auf der Unterseite (15b - siehe 9), eine reflektive Fläche aufweisen.
Der MEMS-Spiegel 15 ist beweglich, und insbesondere beidseitig um die Dreh- bzw. Kippachse 21 herum dreh- bzw. verkippbar, was in 3 mit dem Doppelpfeil 32 angedeutet ist. Hierfür kann der MEMS-Spiegel 15 beispielsweise einen resonanten Antrieb aufweisen. Hierdurch kann die Reproduktionsgenauigkeit der Position des MEMS-Spiegels 15 vergrößert und gegebenenfalls dessen Auslenkbereich erhöht werden.
Beispielsweise kann der MEMS-Spiegel 15 in einem Bereich zwischen ± 8 °, oder zwischen ± 5 ° oder zwischen ± 3 ° auslenkbar sein. Wie nachfolgend näher beschrieben wird, sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Vergleich zum Stand der Technik deutlich kleinere Auslenkbereiche des MEMS Spiegels 15 ausreichend, um eine gewünschte Wellenlängenselektion der elektromagnetischen Strahlung 13 zu erzielen.
4 zeigt ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektralapparats 10. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Spektralapparat 10, jedoch mit dem Unterschied, dass hier lediglich das dispersive Element 18 monolithisch mit dem beweglichen MEMS-Spiegel 15 ausgebildet ist, was hier exemplarisch mittels schraffierten Linien dargestellt ist.
Diese monolithische Ausgestaltung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der bewegliche MEMS-Spiegel 15 und das dispersive Element 18 in demselben Substrat 22 ausgebildet werden, beispielsweise mittels Verfahren der Mikrostrukturierung (z.B. Lithografie, Ätztechniken, etc.), wobei das dispersive Element 18 relativ zu dem MEMS-Spiegel 15 verkippt werden kann. Die monolithische Ausgestaltung des dispersiven Elements 18 mit dem MEMS-Spiegel 15 ist in 4 außerdem anhand des Verbindungspunkts 41 schematisch angedeutet.
5 zeigt ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektralapparats 10. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Spektralapparat 10, jedoch mit dem Unterschied, dass hier sowohl die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 als auch die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 monolithisch miteinander, als auch monolithisch mit dem MEMS-Spiegel 15, als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt sind. In dem in 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel ist es hingegen denkbar, dass die beiden Aperturbegrenzungsvorrichtungen 11, 12 als diskrete Elemente bzw. Bauteile, und eben nicht monolithisch als ein gemeinsames Bauteil ausgestaltet sind, wobei dennoch wenigstens eine der beiden Aperturbegrenzungsvorrichtungen 11, 12 monolithisch mit dem MEMS-Spiegel 15 ausgestaltet sein kann.
In dem in 5 abgebildeten Ausführungsbeispiel können beispielsweise der MEMS-Spiegel 15, die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 monolithisch, z.B. gemeinsam in demselben Substrat 22, welches hier schraffiert gekennzeichnet ist, ausgebildet sein. Diese Anordnung entspräche etwa der in 3 dargestellten Draufsicht.
6 zeigt ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektralapparats 10. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Spektralapparat 10, jedoch mit dem Unterschied, dass hier die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 und das dispersive Element 18 monolithisch mit dem MEMS-Spiegel 15 als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt sind.
Hierfür können beispielsweise der MEMS-Spiegel 15, die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 und das dispersive Element 18 monolithisch, z.B. gemeinsam in demselben Substrat 22, welches hier schraffiert gekennzeichnet ist, ausgebildet sein. Die monolithische Ausgestaltung des dispersiven Elements 18 mit dem MEMS-Spiegel 15 ist hier außerdem schematisch anhand des Verbindungspunkts 41 dargestellt.
7 zeigt ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektralapparats 10. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Spektralapparat 10, jedoch mit dem Unterschied, dass der Spektralapparat 10 eine dritte Aperturbegrenzungsvorrichtung 12' aufweist. Die dritte Aperturbegrenzungsvorrichtung 12' kann ebenso wie die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 ausgestaltet bzw. angeordnet sein, sodass die zurückgeworfene elektromagnetische Strahlung 13 durch diese hindurchtritt.
Ganz allgemein kann die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11 als eine Eintritts-Aperturbegrenzungsvorrichtung, und die zweite und dritte Aperturbegrenzungsvorrichtungen 12, 12' können als Austritts-Aperturbegrenzungsvorrichtungen bezeichnet werden.
Ferner kann der Spektralapparat 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen zusätzlichen Detektor 27' für elektromagnetische Strahlung 13 aufweisen, der im Strahlengang hinter der dritten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12' angeordnet ist. Der sich in diesem Spektralapparat 10 ergebende Strahlengang ist wiederum mittels Pfeilen symbolisiert.
Hierbei ist unter anderem zu erkennen, dass die von dem beweglichen MEMS-Spiegel 15 zu dem dispersiven Element 18 reflektierte Strahlung an ebendiesem dispersiven Element 18 aufgespalten wird. Ein erster Anteil der Strahlung 13, der einen begrenzten aber gewünschten ersten Wellenlängenbereich aufweist, wird zu dem MEMS-Spiegel 15 zurückreflektiert. Ebenso wird ein zweiter Anteil der Strahlung 13, der einen begrenzten aber ebenfalls gewünschten zweiten Wellenlängenbereich aufweist, zu dem MEMS-Spiegel 15 zurückreflektiert.
Andere Anteile der Strahlung 13, deren Wellenlängen außerhalb der gewünschten Wellenlängenbereiche liegen, werden ausgefiltert. Beispielsweise wird ein solcher unerwünschter Anteil der Strahlung 13 zwar in Richtung des MEMS-Spiegels 15, jedoch seitlich an dem MEMS-Spiegel 15 vorbei geleitet. Ein anderer unerwünschter Anteil der Strahlung 13 kann beispielsweise zu einem Strahlungsabsorptionselement 28 geleitet werden, in dem die Strahlung 13 absorbiert wird.
Die Strahlungsanteile, die die gewünschten ersten und zweiten Wellenlängenbereiche aufweisen, werden über den MEMS-Spiegel 15 zurückreflektiert und können nun entweder über den ersten Spiegel 14 oder, wie abgebildet, über den zweiten Spiegel 19 zu einer der beiden Austritts-Aperturbegrenzungsvorrichtungen 12, 12' geleitet werden.
Genauer gesagt kann ein erster Anteil der Strahlung 13 mit dem ersten gewünschten Wellenlängenbereich zu der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12, und ein zweiter Anteil der Strahlung 13 mit dem zweiten gewünschten Wellenlängenbereich zu der dritten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12' geleitet werden.
Demnach trifft auf dem hinter der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 angeordneten Detektor 27 der erste Anteil der Strahlung 13 mit dem ersten gewünschten Wellenlängenbereich, und auf dem hinter der dritten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12' angeordneten Detektor 27' der zweite Anteil der Strahlung 13 mit dem zweiten gewünschten Wellenlängenbereich auf. Die Detektion der jeweils auftreffenden Strahlungsanteile kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel also wellenlängenselektiv für zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche erfolgen.
Um diese Wellenlängenbereiche noch genauer eingrenzen zu können, können spektrale Ordnungsfilter eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein spektraler Ordnungsfilter 71 an der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein spektraler Ordnungsfilter 72 an der dritten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12' angeordnet sein. Vorzugsweise unterscheiden sich die spektralen Filterbereiche der beiden spektralen Ordnungsfilter 71, 72 voneinander.
Ein spektraler Ordnungsfilter 71, 72 kann aber beispielsweise auch in Ausführungsformen des Spektralapparats 10 eingesetzt werden, in denen nur eine Austritts- Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 vorgesehen ist, wie beispielsweise in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.
In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel des Spektralapparats 10 können zumindest die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 und die dritte Aperturbegrenzungsvorrichtung 12' monolithisch miteinander ausgestaltet sein. Außerdem können die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 und die dritte Aperturbegrenzungsvorrichtung 12' monolithisch mit zumindest einem von der ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, dem MEMS-Spiegel 15 und dem dispersiven Element 18 ausgebildet sein.
Vorzugsweise können alle Elemente, das heißt die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung 12, die dritte Aperturbegrenzungsvorrichtung 12', der MEMS-Spiegel 15 und das dispersive Element 18 monolithisch miteinander als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt sein.
Bei dem in 7 abgebildeten Ausführungsbeispiel kann ein besonders großer Spektralbereich adressiert erdend, der wegen höherer Beugungsordnungen Mehrdeutigkeiten aufweisen kann. Es können jedoch mehrere Austritts-Aperturbegrenzungsvorrichtungen 12, 12' (in 7 sind exemplarisch zwei Austrittspalte gezeigt) verwendet werden, die in Kombination mit spektralen Filtern 71, 72 (sogenannte Ordnungsfilter) in ihrer spektralen Eigenschaft gezielt eingestellt werden können. Hierdurch kann insbesondere ein System erreicht werden, das zwei Spektralbereiche mit unterschiedlichen Grenzwellenlängen erfassen kann.
Beispielsweise kann einer der beiden Detektoren 27, 27' als ein kostengünstiger Detektor auf Basis von Siliziumbauelementen ausgestaltet sein, der einen ersten Spektralbereich bis zu einer oberen Grenzwellenlänge von 1100 nm erfassen kann. Der jeweils andere der beiden Detektoren 27, 27' kann beispielsweise als ein mittels InGaAs bzw. extended InGaAs Bauelementen realisierbarer Detektor sein, der einen zweiten Spektralbereich erfassen kann, wobei sich dieser zweite Spektralbereich an den ersten Spektralbereich anschließen und eine obere Grenzwellenlänge von bis zu 1900 nm oder sogar bis zu 2500 nm (bei Verwendung gekühlter Detektoren) abdecken kann.
Etwas allgemeiner formuliert kann ein erster Detektor 27 Silizium aufweisen, und ein zweiter Detektor 27' kann eine Verbindung von Materialien aus den chemischen Hauptgruppen III und V, oder eine Verbindung von Materialien aus den chemischen Hauptgruppen II und VI aufweisen, wobei der zweite Detektor 27' ausgestaltet sein kann, um einen Spektralbereich bis zu einer oberen Grenzwellenlänge zu detektieren, die größer ist als eine obere Grenzwellenlänge des ersten Detektors 27 und optional an die erste Grenzwellenlänge anschließt.
Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass auch der der ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 zugehörige Detektor 27 Silizium und/oder eine Verbindung von Materialien aus den chemischen Hauptgruppen III und V, oder eine Verbindung von Materialien aus den chemischen Hauptgruppen II und VI aufweisen kann. Beispielsweise kann der Detektor 27 Indiumgalliumarsenid (InGaAs) mit einer Bandkante bis 2,6 µm (E-IGA: Extended Indium-Gallium-Arsenid) aufweisen, das auf Indium-Phosphid-(lnP-) Wafern gewachsen werden kann, wenn zusätzliche Schichten zur Anpassung der Gitterkonstante verwendet werden.
Ebenfalls gilt generell für alle Ausführungsbeispiele, dass der Spektralapparat 10 ausgestaltet sein kann, um eine Spektralanalyse von Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 2500 nm oder zwischen 900 nm und 2200 nm, oder zwischen 950 nm und 1900 nm durchzuführen. Vorzugsweise weist der Spektralapparat 10 eine spektrale Auflösung von 10 nm oder weniger auf.
8 zeigt ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spektralapparats 10. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in den vorherigen Figuren gezeigten Spektralapparat 10, jedoch mit dem Unterschied, dass der Spektralapparat 10 nur den ersten Spiegel 14 aufweist. Wie bereits unter Bezugnahme auf die vorherigen Ausführungsbeispiele erwähnt wurde, kann die von dem MEMS-Spiegel 15 zurückreflektierte Strahlung 13 auf den ersten Spiegel 14 zurückreflektiert werden. Hierbei kann es sich um einen Konkavspiegel mit ausreichend großer reflektiver Oberfläche handeln, sodass der von dem MEMS-Spiegel 15 zurückreflektierte Anteil der Strahlung 13 zu der Austritts-Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 (bzw. zu allen vorhandenen Austritts-Aperturbegrenzungsvorrichtungen 12, 12') geleitet werden kann.
Demgemäß kann also der erste Spiegel 14 für eine Strahlformung (z.B. Kollimation) und eine Refokussierung (z.B. zu einer Austritts-Aperturbegrenzungsvorrichtung 12, 12') verwendet werden. Die Ausgestaltung mit lediglich dem ersten Spiegel 14 kann mit allen anderen Ausführungsformen des Spektralapparats 10 kombiniert werden.
Wie eingangs erwähnt, kann der MEMS-Spiegel 15 erfindungsgemäß mit zumindest einem von der ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung 11, der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung 12 und dem dispersiven Element 18 monolithisch als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt sein. Dies bietet den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass die einzelnen Elemente 11, 12, 15, 18 nicht aufwändig zueinander positioniert werden müssen. Somit entfällt die im Stand der Technik aufwändige Justage, was mit deutlichen Kostenreduktionen bei der Herstellung einerseits und mit deutlich höherer Präzision des Spektralapparats 10 andererseits verbunden ist.
Ein weiterer entscheidender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik liegt darin begründet, dass derselbe Spektralbereich mit lediglich der halben Auslenkung des MEMS-Spiegels 15 im Vergleich zum Stand der Technik mit beweglichen Beugungsgittern adressierbar ist. Erfindungsgemäß können hierbei bereits Auslenkungen des MEMS-Spiegels 15 im Bereich von ± 8 °, oder zwischen ± 5 ° oder sogar nur zwischen ± 3 ° ausreichend sein, um in Kombination mit dem räumlich getrennt angeordneten unbeweglichen dispersiven Element 18 den hierin angegebenen Spektralbereich adressieren zu können.
Dies liegt unter anderem darin begründet, dass der bewegliche MEMS-Spiegel 15 sowohl für die Reflektion der Strahlung 13 zu dem dispersiven Element 18 hin, als auch für die Rückreflektion der an dem dispersiven Element aufgespaltenen Strahlung genutzt werden kann.
Um eine möglichst präzise Auslenkung des MEMS-Spiegels 15 zu gewährleisten, kann der Spektralapparat 10 einen Positionssensor zum Erfassen der Ist-Position des MEMS-Spiegels 15 aufweisen.
9 zeigt exemplarisch einen erfindungsgemäßen Spektralapparat 10, der einen solchen Positionssensor 90 aufweist. Der Positionssensor 90 kann beispielsweise benachbart zu einer Rückseite 15a des MEMS-Spiegels 15 angeordnet sein. Die Rückseite 15a entspräche einer dem Strahlengang abgewandten Seite des MEMS-Spiegels 15. Diese Rückseite 15a kann ebenfalls eine für optische Strahlung reflektive Fläche aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Positionssensor 90 und/oder ein zusätzlicher Positionssensor 90' benachbart zu einer Vorderseite 15b des MEMS-Spiegels 15 angeordnet sein. Die Vorderseite 15b entspräche einer dem Strahlengang zugewandten Seite des MEMS-Spiegels 15. Die Positionierung an dem Strahlungsabsorptionselement 28 ist hier lediglich exemplarisch und dient lediglich der Veranschaulichung.
Vorzugsweise ist der Positionssensor 90, 90' ein optischer Positionssensor, der eine Strahlungsquelle 91, 91' zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung 93, 93' und mindestens einen Strahlungsdetektor 92, 92' zum Erfassen der von der Strahlungsquelle 91, 91' emittierten elektromagnetischen Strahlung 93, 93' aufweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Strahlungsdetektor 92, 92' mindestens zwei strahlungsdetektierende Elemente aufweisen.
Gemäß einem weiteren denkbaren Ausführungsbeispiel kann der bewegliche MEMS-Spiegel 15 ausgestaltet sein, um die von der dem Positionssensor 90, 90' zugehörigen Strahlungsquelle 91, 91' emittierte elektromagnetische Strahlung 93, 93' zumindest teilweise zu reflektieren. Somit spart man sich einen für den optischen Positionssensor 90, 90' benötigten separaten Spiegel zum Reflektieren der emittierten Strahlung 93, 93'.
Wie dies exemplarisch in 9 dargestellt ist, kann bei einem zur Rückseite 15a des MEMS-Spiegels 15 benachbart angeordneten Positionssensor 90 entsprechend die Rückseite 15a des MEMS-Spiegels 15 genutzt werden, und bei einem zur Vorderseite 15b des MEMS-Spiegels 15 benachbart angeordneten Positionssensor 90' kann entsprechend die Vorderseite 15b des MEMS-Spiegels 15 genutzt werden.
Gemäß einem weiteren denkbaren Ausführungsbeispiel kann der Positionssensor 90, 90' ausgestaltet sein, um die Auslenkung des beweglichen MEMS-Spiegels 15 zeitkontinuierlich oder zeitdiskret zu erfassen.
Ferner kann der Positionssensor 90, 90' ausgestaltet sein, um eine Position des beweglichen MEMS-Spiegels 15 differenziell mittels einer Differenzbildung zwischen einem ersten Positionssensorsignal und einem zweiten Positionssensorsignal zu bestimmen. Hierfür kann der Spektralapparat 10 zwei Positionssensoren 90, 90' aufweisen, die entweder, wie in 9 gezeigt, benachbart zu unterschiedlichen Seiten 15, 15b des MEMS-Spiegels 15, oder aber auch benachbart zu einer der beiden Seiten 15a, 15b des MEMS-Spiegels 15 angeordnet sein können.
Einer der beiden Positionssensoren 90, 90' kann hierbei das erste Positionssensorsignal liefern, und der jeweils andere der beiden Positionssensoren 90, 90' kann dementsprechend das zweite, zur Differenzbildung genutzte, Positionssensorsignal liefern.
Alternativ oder zusätzlich zu den beiden Positionssensoren 90, 90' kann zumindest einer der beiden Positionssensoren 90, 90' zumindest zwei Strahlungsquellen aufweisen, wobei eine erste Strahlungsquelle das erste Positionssensorsignal und eine zweite Strahlungsquelle das zweite, zur Differenzbildung genutzte, Positionssensorsignal liefert. In diesem Falle wäre ein einzelner Positionssensor, mit eben mindestens zwei Strahlungsquellen, ausreichend, um die Position des MEMS-Spiegels 15 differenziell zu erfassen.
Der mindestens eine Positionssensor 90, 90' kann prinzipiell mit allen weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Spektralapparats 10 kombiniert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung nochmals in anderen Worten zusammengefast werden:

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung kann gelöst werden, indem im optischen Aufbau ein beweglicher Spiegel 15, in der Regel ein Planspiegel, verwendet wird, der die Lichtstrahlen 13 auf ein feststehendes Gitter 18 lenkt und von dort in einem bestimmten Winkelintervall zurückkommendes monochromatisches Licht auf einen Detektor 27 lenkt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die dynamische Auslenkung des Bauelements 15 gegenüber einem bewegten Gitter 18 nur die halbe Amplitude aufweisen muss, um den gleichen Spektralbereich zu adressieren. Zudem reicht unter Umständen ein einfacher Spiegel aus. Das feststehende Gitter 18 kann als mikrosystemtechnisch gefertigtes Element, unter Umständen auch im Verbund hergestellt werden, aber auch durch Abformverfahren oder andere Replikationstechnologien.

Das erfindungsgemäße System 10 kann überall dort eingesetzt werden, wo durch eine Spektralanalyse, insbesondere im nahinfraroten Spektralbereich, Informationen über ein Objekt gewonnen werden sollen. Die Option der extremen Miniaturisierung lässt mobile Anwendungen und insbesondere auch die Integration in ein mobiles Endgerät, wie beispielsweise in ein Mobiltelefon, aussichtsreich erscheinen. Die mobile Messung, beispielsweise an einem Lebensmittel in einem Geschäft vor dem Kauf, kann durch einen Laien und Nutzung einer entsprechenden Software durchgeführt werden. Die Probe wird mit dem Licht einer entsprechenden Quelle, die im Gerät eingebaut ist, beleuchtet und die rückgestreute elektromagnetische Strahlung mit dem erfindungsgemäßen System analysiert. Die Messwerte werden ausgewertet, wozu beispielsweise eine Datenbank mit Referenzdaten online oder im Gerät gespeichert genutzt werden kann. Die Ergebnisse werden dem Nutzer angezeigt. Eine Kombination mit anderen Einrichtungen wie in DE 10 2017 204 740.2 beschrieben ist möglich.
Relevant für die Ausführungsbeispiele ist die Realisierung des eigentlichen Systems 10, das in verschiedenen Ausführungsvarianten für die benannten und zahlreiche andere Anwendungen eingesetzt werden kann.

1. In einem ersten Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße System 10, wie es in 1 gezeigt ist, wird ein Spektrometer realisiert, das auf einem bewegten Spiegel 15 aufbaut, der in einer MEMS Technologie gefertigt wird und einen resonanten Antrieb besitzt. Ein feststehendes Gitter 18 spaltet das einfallende Licht 13 in seine spektralen Bestandteile auf. Ein bestimmtes Wellenlängenintervall wird, abhängig von der aktuellen Position des Spiegels 15, über den Spiegel 15 und durch einen aperturbegrenzenden Spalt 12 auf einen Detektor 27 geleitet, der ein elektronisch auswertbares Signal erzeugt. Unter Verwendung eines Gitters 18 mit etwa 600 Linien pro Millimeter kann mit einem MEMS-Spiegel 15, der mechanisch um +/- 5 ° ausgelenkt werden kann, ein Spektralbereich von 950 nm bis 1900 nm adressiert werden. Mittels eines Detektors 27 der Gruppe „extended InGaAs“ kann auch ohne Kühlung auf niedrige Temperaturen ein Signal mit ausreichendem Signal-Rausch Abstand aufgenommen werden. Mit einer geeignet gewählten Breite der Eintritts- und Austrittsspalte 11, 12 kann eine Auflösung von beispielsweise 10 nm erreicht werden, die als vorteilhaft für die Auswertung der Daten erachtet wird. Das System 10 kann eine Baugröße von weniger als 30 × 20 × 15 mm³ aufweisen und ist somit im Vergleich zu handelsüblichen Nahinfrarotspektrometern sehr klein. Eine weitere Verkleinerung des Systems 10, beispielsweise mit dem Ziel der Integration in ein Mobiltelefon, erscheint aussichtsreich. Mit leicht reduzierter Auflösung sind Abmessungen von 10 × 10 × 6 mm³ realistisch, gegebenenfalls auch eine geringere Höhe von nur 4,5 mm, allerdings bei einer reduzierten Lichtstärke des Systems 10.
2. Die in den 4, 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiele stellen eine Variante für das Bauelement der vorliegenden Erfindung dar. Scannerspiegel 15 und Gitter 18 sind in einem Chip, gegeneinander auslenkbar, gefertigt. Ein großer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht in der Tatsache, dass keine Justage erforderlich ist, um Gitter 18 und Scanner 15 (bzw. optional auch Spalte 11, 12) gegeneinander auszurichten.
3. Das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Mehrfachdetekor bzw. Ordnungsfilter, bei dem ein besonders großer Spektralbereich adressiert wird, der wegen höherer Beugungsordnungen Mehrdeutigkeiten aufweisen kann, jedoch mehrere Austrittsspalte 12, 12' (in 7 sind exemplarisch zwei Austrittspalte 12, 12' gezeigt) verwendet werden, die durch die Verwendung von spektralen Filtern 71, 72 (sogenannte Ordnungsfilter) in ihrer spektralen Eigenschaft gezielt eingestellt werden können. Hierdurch kann insbesondere ein System 10 erreicht werden, das mit einem kostengünstigen ersten Detektor 27 auf Basis von Siliziumbauelementen einen ersten Spektralbereich bis zur oberen Grenzwellenlänge im Bereich von 1100 nm erfasst, und das mit einem zweiten Detektor 27' zusätzlich einen zweiten, sich an den ersten Spektralbereich anschließenden zweiten Spektralbereich erfasst, der bis 1900 nm oder sogar bis 2200 nm (bei Verwendung gekühlter Detektoren) reicht, wobei der zweite Detektor 27' mittels InGaAs bzw. extended InGaAs Bauelementen realisierbar ist.
4. Aufbau als Stapel von Substraten, wie in der US 8,045,159 B2 beschrieben.
5. Aufbau mittels Faltmontage

Der erfindungsgemäße Spektralapparat 10 kann ferner in Gestalt der folgenden Ausführungsbeispiele realisiert werden:

A1. Spektralapparat 20 und Bauelement zur Herstellung desselben, gekennzeichnet dadurch, dass das System 10 ein feststehendes Gitter 18 zur Aufspaltung elektromagnetischer Strahlung 13 (z.B. Licht) in seine Bestandteile aufweist, sowie einen beweglichen Spiegel 15, der in einem mikrosystemtechnischen Verfahren hergestellt wird, einfallendes Licht 13 mit begrenzter Apertur zumindest näherungsweise kollimiert auf den beweglichen Spiegel 15 eintrifft, von diesem auf das feststehende Gitter 18 gelenkt wird und zurückfallendes Licht eines beschränkten Wellenlängenintervalls über den gleichen Spiegel 15 und ein optionales weiteres optisches Element 19 auf einen Detektor 27 mit begrenzter räumlicher Apertur oder auf einen Austrittsspalt 12 des Systems 10 trifft, hierdurch der auf die Auslenkung des beweglichen Bauelements 15 erzielbare Wellenlängenbereich gegenüber einem System mit beweglichem Gitter bei gleichem Auslenkungsbereich vergrößert (verdoppelt) wird.
A2. Spektralapparat 10 und Bauelement gemäß Ausführungsbeispiel A1, gekennzeichnet dadurch, dass ein Eintrittsspalt 11 und ein Austrittsspalt 12 zur Aperturbegrenzung verwendet werden.
A3. Spektralapparat 10 und Bauelement gemäß Ausführungsbeispiel A1 oder A2, gekennzeichnet dadurch, dass ein resonanter Antrieb für das Bauelement verwendet wird und hierdurch die Reproduktionsgenauigkeit der Position vergrößert und gegebenenfalls der Auslenkbereich erhöht wird.
A4. Spektralapparat 10 und Bauelement gemäß einem der Ausführungsbeispiele A1 bis A3, gekennzeichnet dadurch, dass ein Positionssensor 90 verwendet wird, der eine mit der aktuellen Position des Scannerbauelements 15 korrelierte Information zur Verfügung stellt, und/oder einen Triggerpositionssensor aufweist, der für mindestens eine bestimmte Position ein Signal zur Verfügung stellt, und/oder ein Rückseitenpositionssensor die rückwärtige Seite 15a des Scannerbauelements 15 zur Erfassung der Position verwendet wird, und/oder ein integrierter Positionssensor direkt in das Bauelement aufgenommen wird.
A5. Spektralapparat 10 und Bauelement gemäß einem der Ausführungsbeispiele A1 bis A4, gekennzeichnet dadurch, dass das Gitter 18 zur spektralen Zerlegung der elektromagnetischen Strahlung 13 und der bewegliche Spiegel 15 in einem Bauelement gemeinsam realisiert werden, wobei die Ausführung derart gestaltet wird, dass beide Teile zumindest einmal gegeneinander ausgelenkt werden können.
A6. Spektralapparat 10 und Bauelement gemäß einem der Ausführungsbeispiele A1 bis A5, gekennzeichnet dadurch, dass Gitter 18 und Spalte 11, 12 bzw. Gitter 18, Spalte 11, 12 und Spiegel 15 in einem Bauelement gemeinsam bereitgestellt werden
A7. Spektralapparat 10 und Bauelement gemäß einem der Ausführungsbeispiele A1 bis A6, gekennzeichnet dadurch, dass eine Mehrzahl von Detektoren 27, 27' verwendet werden, die sich in ihrer spektralen Empfindlichkeitsverteilung unterscheiden können bzw. durch das Verwenden von spektralen Filtereinrichtungen 71, 72, beispielsweise sogenannte Ordnungsfilter, die Empfindlichkeitsverteilung gezielt beeinflusst wird, wobei die Mehrzahl von Detektoren 27, 27' hinter einem oder mehreren Austrittsspalten 12, 12' angeordnet sein können, deren Position voreinander abweichen kann.
A8. Spektralapparat 10 und Bauelement gemäß einem der Ausführungsbeispiele A1 bis A7, gekennzeichnet dadurch, dass die gleiche Spiegelfläche 14 für Kollimation und Refokussierung verwendet wird.
A9. Spektralapparat 10 und Bauelement gemäß einem der Ausführungsbeispiele A1 bis A8, gekennzeichnet dadurch, dass der Spektralapparat 10 als ein Stapel von funktionalen Substraten aufgebaut ist.
A10. Spektralapparat und Bauelement gemäß einem der Ausführungsbeispiele A1 bis A9, gekennzeichnet dadurch, dass der Spektralapparat 10 nach dem Prinzip einer Faltschachtel aufgebaut ist.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
QUELLEN

[1] H. Grüger, T. Pügner, J. Knobbe, H. Schenk, „First application close measurements applying the new hybrid integrated MEMS spectrometer", Proc. of SPIE Val. 8726 872609-1 - 872609-09 (2013)
[2] Tino Puegner, Jens Knobbe, Hubert Lakner, „Basic angles in microelectromechanical system scanning grating spectrometers, APPLIED OPTICS Val. 50, No. 24, 20 August 2011, 4894 - 4902
[3] T. Pügner, J. Knobbe, H. Grüger, „Near-Infrared Grating Spectrometer for Mobile Phone Applications", Applied Spectroscopy 2016, Val. 70(5) 734-745 (2016)

Claims

Spektralapparat (10) mit einer ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung (11), einer zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12), einem ersten Spiegel (14), einem beweglichen MEMS-Spiegel (15) und einem von dem MEMS-Spiegel (15) räumlich getrennten dispersiven Element (18), wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) relativ zu dem dispersiven Element (18) beweglich ist, wobei der erste Spiegel (14) ausgestaltet ist, um durch die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung (11) einfallende elektromagnetische Strahlung (13) strahlformend zu beeinflussen und die beeinflusste Strahlung zu dem beweglichen MEMS-Spiegel (15) zu leiten, wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) ausgestaltet ist, um die beeinflusste Strahlung zu dem dispersiven Element (18) zu reflektieren, wobei das dispersive Element (18) ausgestaltet ist, um die beeinflusste Strahlung spektral aufzuspalten und in einem beschränkten Wellenlängenbereich zu dem beweglichen MEMS-Spiegel (15) zurück zu reflektieren, und wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) ferner ausgestaltet ist, um die spektral aufgespaltene Strahlung mit dem beschränkten Wellenlängenbereich zu dem ersten Spiegel (14) oder zu einem zweiten Spiegel (19) und von dort zu der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) zu reflektieren, wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) mit zumindest einem von der ersten Aperturbegrenzungsvorrichtung (11), der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) und dem dispersiven Element (18) monolithisch als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt ist, und wobei die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung (11, 12) räumlich von dem beweglichen MEMS-Spiegel (15) getrennt angeordnet sind und einen lateralen Versatz (D₁, D₂) zu einer Drehachse (21) des beweglichen MEMS-Spiegels (15) aufweisen.
Spektralapparat (10) nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung (11, 12) jeweils entlang einer orthogonal zur Drehachse (21) des beweglichen MEMS-Spiegels (15) verlaufenden Versatzachse (23, 24) versetzt sind, wobei die jeweilige Versatzachse (23, 24) der jeweiligen Aperturbegrenzungsvorrichtung (11, 12) durch den MEMS-Spiegel (15) verläuft.
Spektralapparat (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung (11) und die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) auf einer gemeinsamen Versatzachse (31) angeordnet sind.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) eine zusammenhängende Aperturbegrenzungsvorrichtungs-lose Fläche aufweist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) als ein Planspiegel ausgestaltet ist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) einen resonanten oder einen quasi-statischen Antrieb aufweist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) in einem Bereich zwischen ± 8 °, oder zwischen ± 5 ° oder zwischen ± 3 ° auslenkbar ist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Spektralapparat (10) ferner einen Positionssensor (90, 90') zum Erfassen der Auslenkung des beweglichen MEMS-Spiegels (15) aufweist.
Spektralapparat (10) nach Anspruch 8, wobei der Positionssensor (90, 90') als ein optischer Positionssensor ausgestaltet ist, der eine Strahlungsquelle (91, 91') zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung (93, 93') und mindestens einen Strahlungsdetektor (92, 92') zum Erfassen der von der Strahlungsquelle (91, 91') emittierten elektromagnetischen Strahlung (93, 93') aufweist.
Spektralapparat (10) nach Anspruch 9, wobei der Strahlungsdetektor (92, 92') mindestens zwei strahlungsdetektierende Elemente aufweist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15) ausgestaltet ist, um die von der dem Positionssensor (90, 90') zugehörigen Strahlungsquelle (91, 91') emittierte elektromagnetische Strahlung (93, 93') zumindest teilweise zu reflektieren.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Positionssensor (90, 90') ausgestaltet ist, um die Auslenkung des beweglichen MEMS-Spiegels (15) zeitkontinuierlich oder zeitdiskret zu erfassen.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Positionssensor (90, 90') ausgestaltet ist, um eine Position des beweglichen MEMS-Spiegels (15) differenziell mittels einer Differenzbildung zwischen einem ersten Positionssensorsignal und einem zweiten Positionssensorsignal zu bestimmen.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Spektralapparat (10) zumindest einen Detektor (27) für elektromagnetische Strahlung (13) aufweist, der im Strahlengang hinter der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) angeordnet ist.
Spektralapparat (10) nach Anspruch 14, wobei der Detektor (27) Silizium, oder eine Verbindung von Materialien aus den chemischen Hauptgruppen III und V, oder eine Verbindung von Materialien aus den chemischen Hauptgruppen II und VI aufweist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei der Spektralapparat (10) eine dritte Aperturbegrenzungsvorrichtung (12') und einen zusätzlichen Detektor (27') für elektromagnetische Strahlung (13) aufweist, wobei der Detektor (27) für elektromagnetische Strahlung (13) im Strahlengang hinter der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) und der zusätzliche Detektor (27') für elektromagnetische Strahlung (13) im Strahlengang hinter der dritten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12') angeordnet ist.
Spektralapparat (10) nach Anspruch 16, wobei der MEMS-Spiegel (15), das dispersive Element (18), die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung (11), die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) und die dritte Aperturbegrenzungsvorrichtung (12') monolithisch als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt sind.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei an der zweiten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) ein erster spektraler Ordnungsfilter (72) angeordnet ist, und wobei an der dritten Aperturbegrenzungsvorrichtung (12') ein zweiter spektraler Ordnungsfilter (71) angeordnet ist, wobei sich die spektralen Filterbereiche des ersten Ordnungsfilters (72) und des zweiten Ordnungsfilters (71) voneinander unterscheiden.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der Detektor (27) für elektromagnetische Strahlung (13) Silizium aufweist, und wobei der zusätzliche Detektor (27') für elektromagnetische Strahlung (13) eine Verbindung von Materialien aus den chemischen Hauptgruppen III und V, oder eine Verbindung von Materialien aus den chemischen Hauptgruppen II und VI aufweist, und wobei der zusätzliche Detektor (27') für elektromagnetische Strahlung (13) ausgestaltet ist, um einen Spektralbereich bis zu einer oberen Grenzwellenlänge zu detektieren, die größer ist als eine obere Grenzwellenlänge des Detektors (27) für elektromagnetische Strahlung (13).
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei der Detektor (27) für elektromagnetische Strahlung (13) ausgestaltet ist, um einen Spektralbereich bis zu einer oberen Grenzwellenlänge von 1100 nm zu erfassen, und wobei der zusätzliche Detektor (27') für elektromagnetische Strahlung (13) ausgestaltet ist, um einen Spektralbereich bis zu einer oberen Grenzwellenlänge von 1700 nm, oder 1900 nm, oder 2200 nm, oder 2500 nm zu detektieren.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Spektralapparat (10) ausgestaltet ist, um eine Spektralanalyse von Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 2500 nm oder zwischen 900 nm und 2200 nm, oder zwischen 950 nm und 1900 nm durchzuführen.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Spektralapparat (10) eine spektrale Auflösung von 10 nm oder weniger aufweist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das dispersive Element (18) ein optisches Beugungsgitter ist.
Spektralapparat (10) nach Anspruch 23, wobei das Beugungsgitter zwischen 150 und 1200 Linien pro Millimeter aufweist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das dispersive Element (18) ein Prisma ist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei der Spektralapparat (10) Abmessungen bezüglich einem Verhältnis von Länge x Breite x Höhe von 30 x 20 x 15 mm³ oder weniger, oder von 10 x 10 x 6 mm³ oder weniger, oder von 10 x 10 x 4,5 mm³ oder weniger aufweist.
Spektralapparat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei der bewegliche MEMS-Spiegel (15), das dispersive Element (18) sowie die erste Aperturbegrenzungsvorrichtung (11) und/oder die zweite Aperturbegrenzungsvorrichtung (12) unter Verwendung einer Silizium-Mikrotechnologie oder mittels Mikrostrukturierungsverfahren in einem gemeinsamen Substrat (22) ausgebildet sind.