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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektrometervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Spektrometervorrichtung.
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Stand der Technik
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Derzeit gängige MEMS-Mikrospektrometer auf Basis eines Fabry-Perot Interferometers (FPI) weisen üblicherweise eine einzelne, große optische Apertur auf. In dem Mikrospektrometer bilden dabei zwei planparallele Spiegel eine optische Kavität. Durch die große Apertur können systembedingt hohe Lichtintensitätsverluste des spektrometrischen Prinzips kompensiert werden und ein ausreichend hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) eingestellt werden. Bei einer großen Apertur weist das FPI jedoch meist auch eine große Spiegelmasse auf. Eine große zu bewegende Spiegelmasse wirkt sich typischerweise in einer vergleichsweise trägen Durchstimmung des MEMS-FPIs aus. Sind die Spiegel als Membranspiegel ausgebildet, können die Spiegel auch als tensil verspannte Membranen ausgeführt sein, wobei die zu bewegende Spiegelmasse zwar recht gering sein kann, die Eigenfrequenz des Systems - und damit auch die maximal erreichbare Durchstimmgeschwindigkeit - allerdings zum einen von der tensilen Vorspannung, aber auch vom Radius abhängt und invers zu dessen Zunahme absinken kann.
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In der
US 2012/0050751 A1 wird ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer beschrieben, wobei eine Spiegelschicht durch Entfernen einer Opferschicht freigestellt werden kann und einer der Spiegel beweglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Spektrometervorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Spektrometervorrichtung nach Anspruch 8.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Spektrometervorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser anzugeben, bei welchem mehrere Interferometereinrichtungen mit eigenen optischen Kavitäten kleineren Durchmessers definieren, welche individuell zueinander auf gleiche oder verschiedene Wellenlängenbereiche einstellbar sind. Eine Einstellung der Positionen der Spiegeleinrichtung kann dabei simultan erfolgen und jeweils applikationsspezifisch sein und vorteilhaft wesentlich schneller Spektraldaten erzeugen. Des Weiteren kann bei gleicher Aufnahmedauer als mit einer einzigen und großen Apertur ein verbessertes SNR erzielt werden.
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Erfindungsgemäß umfasst die Spektrometervorrichtung mehrere Interferometereinrichtungen, welche jeweils eine erste Spiegeleinrichtung und eine zweite Spiegeleinrichtung umfassen, wobei die erste und die zweite Spiegeleinrichtung sich planparallel zueinander erstrecken und in einem ersten Abstand zueinander angeordnet sind, und die Interferometereinrichtungen jeweils zumindest eine Aktuationseinrichtung umfassen, mittels welcher zumindest eine der Spiegeleinrichtungen bewegbar ist, so dass der erste Abstand veränderbar ist, und wobei die Interferometereinrichtungen lateral versetzt zueinander angeordnet sind. Des Weiteren umfasst die Spektrometereinrichtung zumindest eine Detektoreinrichtung, welche den Interferometereinrichtungen in einer Lichtabstrahlrichtung nachgeordnet ist und dazu eingerichtet ist, ein von zumindest einer der Interferometereinrichtungen transmittiertes Licht zu detektieren; eine Steuereinrichtung welche mit der Detektoreinrichtung und mit den Interferometereinrichtungen verbunden ist und welche dazu eingerichtet ist, die Aktuationseinrichtung in einer jeweiligen Interferometereinrichtung zu betreiben und ein von der Detektoreinrichtung erzeugtes Signal auszulesen.
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Die Interferometereinrichtungen können vorteilhaft als Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet sein. Bei den Aktuationseinrichtungen kann es sich vorteilhaft um alle gängigen und zu einer Aktuierung einer Spiegeleinrichtung oder Spiegelmembran in einem MEMS-Bauelement geeigneten Aktuatoren handeln, beispielsweise elektrostatische oder piezoelektrische oder andere. Die Interferometereinrichtungen sind vorteilhaft über eine Oberfläche der Spektrometervorrichtung verteilt, und mit den Spiegeleinrichtungen derart ausgerichtet, dass ein einfallendes Licht unter jeweils einem gleichen oder einen anderen Winkel auf die einzelne Interferometereinrichtung fallen kann. Eine Lichttransmission durch die jeweilige Interferometereinrichtung kann vorteilhaft nur für bestimmte Wellenlängen erfolgen, welche eine Durchlassbedingung des Fabry-Perot-Interferometers als Filter erfüllen, welche vom ersten Abstand abhängt. Die Detektoreinrichtung kann vorteilhaft dazu eingerichtet sein, eine Intensität des durch den jeweiligen Fabry-Perot-Filter durchgelassenen Lichts zu messen und ein Signal an die Steuereinrichtung abzugeben.
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Die Steuereinrichtung kann die jeweilige Interferometereinrichtung derart ansteuern, dass für eine spezifische und zu untersuchende Wellenlänge der erste Abstand durch die Aktuatoreinrichtung derart eingestellt werden kann, so dass die jeweilige Interferometereinrichtung für die zu untersuchende Wellenlänge des einfallenden Lichts ein Licht durchlassen kann, welches der vorbestimmten und auf diese eingestellte Wellenlänge entspricht. Falls ein solcher Wellenlängenbereich im Spektrum des einfallenden Lichts vorhanden ist, kann die jeweilige Interferometereinrichtung dieses Licht durchlassen und auf die Detektoreinrichtung strahlen, welche dann dieses Licht detektiert (Intensität) und wobei die Steuereinrichtung dann registrieren kann, dass im zu analysierenden Licht Licht dieser Wellenlänge vorhanden ist, auf welche die jeweilige Interferometereinrichtung gezielt eingestellt wurde. Der Detektionsprozess kann also einer Verifizierung entsprechen, nach welcher die gesuchte Wellenlänge tatsächlich im einfallenden Licht vorhanden ist. Die Steuereinrichtung kann also eine gewünschte Wellenlänge oder mehrere an den Interferometereinrichtungen vorteilhaft zumindest an manchen gleichzeitig einstellen und mit einem Erhalten eines Signals von der jeweiligen Interferometereinrichtung am Detektor deren Vorhandensein verifizieren, also eine Wellenlängenspektroskopie betreiben. Nach der Signalmessung kann die Steuereinrichtung die jeweilige Interferometereinrichtung wieder zur Verifizierung einer anderen Wellenlänge ansteuern. Ein erfolgendes Aufnehmen eines (Teil-)Spektrums mit der Spektrometervorrichtung kann einem Abtasten von Wellenlängen einer einfallenden spektralen Intensitätsverteilung mit einem Bandpass definierter Breite entsprechen.
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Bei der Auswertung von Spektren erweisen sich meist nur wenige kleine Wellenlängenbereiche (sog. ROI - Regions of interest) von signifikanter Relevanz, da meist nur diese relevante Information für die jeweilige Fragestellung tragen können. Ein direktes Einstellen des Spektrometers auf bestimmte Wellenlängen kann dabei von applikationsspezifisch orientiertem Interesse sein. Die bestimmten Wellenlängen können vorteilhaft direkt und dynamisch angesteuert werden, mit anderen Worten kann ein Abfahren eines beliebigen „Wellenlängenvektors“ mit frei wählbaren Verweildauern bei einzelnen Wellenlängen erfolgen, was bei herkömmlichen FPI Geometrien mit großen Membranen jedoch nicht möglich oder nur sehr langsam erfolgen kann, da aufgrund der Totzeiten, die beim Verfahren, Abstoppen und Abwarten der Einschwingzeit entstehen können, wenn ein üblicher FPI-Bandpass bestimmte Zielbereiche gezielt einstellt.
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Das Einstellen der Abstände kann dabei simultan erfolgen und jeweils applikationsspezifisch sein und vorteilhaft wesentlich schneller Spektraldaten erzeugen als vergleichbare FPIs mit großer Apertur.
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Des Weiteren kann bei gleicher Aufnahmedauer als mit einer einzigen und großen Apertur ein verbessertes SNR erzielt werden, da die einzelnen Datenpunkte von den jeweiligen Interferometereinrichtungen mit einer höheren Integrationsdauer aufgenommen werden können.
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Die FPIs können beispielsweise gleich oder unterschiedlich ausgelegt sein. Die FPIs können gleich groß oder unterschiedlich groß sein. Eine Menge von FPIs kann eine Zahl gleicher und unterschiedlicher FPIs umfassen. Die Spiegeleinrichtungen der
unterschiedlichen FPIs können ebenso gleich oder unterschiedlich ausgelegt sein, etwa in deren Materialwahl, Schichtdicken, Schichtanzahl und optimiert sein für
unterschiedliche Wellenlängenbereiche, jedoch Unterschiede in anderen Parametern aufweisen. Des Weiteren können auch die Grundabstände der Spiegeleinrichtungen der unterschiedlichen FPIs gleich oder unterschiedlich sein, wobei es sich bei einem Grundabstand um den ersten Abstand in einer nichtaktuierten Ruhelage handeln kann.
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Die Interferometereinrichtungen können weiterhin gleiche oder unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen, beispielsweise durch entsprechende gleiche oder unterschiedliche Federstrukturierungen in den Spiegeln und deren Aufhängungen und/oder unterschiedliche mechanische Vorspannungen in als Membranen ausgelegten Spiegeln.
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Es ist des Weiteren möglich, dass zwischen den Interferometereinrichtungen und der Detektoreinrichtung eine oder mehrere gleiche oder unterschiedliche optische Komponenten angeordnet sein können. Mittels dieser kann beispielsweise das Licht, das
ein oder mehrere FPIs passiert hat auf einen oder mehrere Detektoreinrichtungen fokussiert werden.
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Durch die genannte Mehrzahl der Interferometereinrichtungen kann eine Reduzierung der Zeit erzielt werden, welche zum Einstellen des jeweiligen ersten Abstands zu einer vorbestimmten Wellenlängentransmission notwendig ist, insbesondere gegenüber einer einzelnen und größeren Spiegelmembran. Dies erfolgt vorteilhaft durch die Größenreduktion und Mehrzahl der Spiegeleinrichtungen. Damit können längerer Verweildauern bei einzelnen Wellenlängen oder in einzelnen Wellenlängenbereichen bei dem Detektieren an den jeweiligen Interferometereinrichtungen erzielt werden.
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Bei der Spektrometervorrichtung kann hierbei ein optimiertes Anfahrschema (Variation des ersten Abstands) an den Interferometereinrichtungen an den gewählten ersten Abstand erzielt werden, wobei eine Aufteilung des zu verfahrenden Bereichs (variabler Wellenlängenbereich) auf mehrere Membranen (N>2) und somit längere Verweildauer erzielbar sind.
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Im Vergleich zu einer üblichen beispielsweise sinusoidalen oder linearen Änderung der Wellenlängeneinstellungen an der Interferometereinrichtung (erster Abstand) kann bei einer direkten Einstellung eines ersten Abstands eine Reduzierung des dynamischen Auflösungsverlustes im Vergleich zu einem sinusoidalen oder linearen Verfahrschema erzielt werden. Hierbei kann beispielsweise eine Dämpfungskraft während der Bewegung des Spiegels als eine Drucklast auf den Spiegel wirken, was zu dessen Verwölbung führen kann, und somit die optischen Auflösung verschlechtern, da der Spiegelabstand nicht mehr homogen verteilt sein kann (also die Spiegel nicht mehr parallel sein müssen). Im Falle eines statischen Betriebs, also dem Einstellen des ersten Abstands, einem nachfolgenden Aufnehmen des Signals, einem nachfolgenden Einstellen eines neuen Abstands usw. kann diese Dämpfungskraft vorteilhaft wegfallen und die Spiegel werden nicht mehr deformiert.
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Mittels kleinerer Membranen (Spiegeleinrichtungen) kann eine bessere spektrale Auflösung der gesamten Spektrometervorrichtung erzielt werden, da Defekte wie etwa Verkippung und Krümmung an den kleineren Membranen (Spiegeleinrichtungen) eine kleinere Rolle spielen können, d.h., weniger stark auftreten.
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In der Spektrometervorrichtung kann ein jeweils applikationsspezifischeinstellbare Analyse eines bestimmten Wellenlängenbereiches mit höherem Signal-zu-Rausch Verhältnis oder kürzerer Messdauer, beispielsweise eine gleichzeitige Intensitätsmessung von einzelnen markanten Wellenlängen im Reflexionsspektrum der Probe beispielsweise zur Berechnung eines Intensitätsverhältnisses, erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung sind die jeweiligen Interferometereinrichtungen als baugleiche oder unterschiedliche Einzelchips ausgeformt, wobei die ersten Abstände (d12) gleich oder verschieden sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung sind mehrere der Interferometereinrichtungen in einem Chip umfasst und baugleich oder unterschiedlich ausgeformt.
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Durch eine Anordnung von mehreren Interferometereinrichtungen auf oder in einem Chip kann eine Einsparung betreffend den Aufbau und die Verbindungstechnik sowie eine Platzeinsparung erzielt werden.
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Die Interferometereinrichtungen können sowohl einzeln auf oder in einem Chip in einem periodischen Muster, insbesondere einem quadratischen oder hexagonalen Muster
zueinander angeordnet sein.
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Die periodischen Muster beziehen sich beispielsweise auf die Anordnung der Spiegelmitten oder deren Abstände zueinander.
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Es kann vorteilhaft auch eine Einsparung von der Chipfläche bei monolithischer Integration mehrerer Interferometereinrichtungen in einem Chip, etwa betreffend gleichzeitig nutzbare Bondrahmen und/oder Bondpads, erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfasst die Detektoreinrichtung für eine Teilmenge der Interferometereinrichtungen und/oder für einzelne der Interferometereinrichtungen einen eigenen Detektorbereich, welche dazu eingerichtet ist, zueinander unterschiedliche oder gleiche Wellenlängen des transmittierten Lichts zu detektieren.
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Die Detektoreinrichtung kann einen Detektorkanal für eine einzelne oder mehrere Interferometereinrichtungen umfassen. Es ist auch möglich, dass gemischt als Untermenge mehrere Interferometereinrichtungen auf einen Detektorbereich (Detektorkanal) abstrahlen und bei einer anderen Untermenge von Interferometereinrichtungen jede einzelne auf einen separaten Detektorbereich abstrahlt. Es können bei den Detektoreinrichtungen gleiche oder unterschiedliche Detektoren verwendet werden, welche beispielsweise für unterschiedliche oder gleiche Wellenlängenbereiche optimiert sein können und eine sich unterscheidende oder gleiche Geometrie aufweisen können.
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Des Weiteren können auch einzelne Interferometereinrichtungen mit mehr als einem Detektorbereich versehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfassen die erste und/oder die zweite Spiegeleinrichtung eine Spiegelmembran.
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Die Membran kann durch eine Freistellung, etwa eine Unterätzung, in zumindest einem optischen Bereich (Bereich zur Lichttransmission oder Reflexion) erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfasst diese zumindest eine Filtereinrichtung für eine oder mehrere der Interferometereinrichtungen.
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Die Filtereinrichtung kann gleiche oder verschiedene Bandpass, Kurzpass oder Langpass-Vorfilter, vorteilhaft je Interferometereinrichtung umfassen. Die Filtereinrichtung kann etwa zur Ordnungstrennung oder Ordnungseinschränkung genutzt werden. Die Ordnungstrennung kann ein Spektrum rekonstruieren aus dem Licht, welches mit verschiedenen Ordnungen der Interferometereinrichtung aufgenommen wurde. Durch eine Ordnungseinschränkung kann der Aufnahmebereich eingeschränkt werden, sodass eine einfache Zuordnung der Betriebsspannung zu einer Durchlasswellenlänge möglich sein kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfasst diese zumindest ein Einfallswinkelelement an zumindest einer der Interferometereinrichtungen im Lichteinfallsbereich der jeweiligen Interferometereinrichtung, wobei mittels des Einfallswinkelelements ein Einfallswinkel eines auf die jeweilige Interferometereinrichtung einfallenden Lichts einstellbar ist.
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Die Nutzung eines Einfallswinkelelements kann eine geeignete winkeleinschränkende Methode darstellen. Hiermit kann beispielsweise einen Einfallswinkelbereich des einfallenden Lichts für jede Interferometereinrichtung gleich oder unterschiedlich eingestellt werden. So kann beispielsweise gleichzeitig bei einer Kombination von einem
winkeleinschränkenden Element und einer Interferometereinrichtung die Auflösung dieses verbessert werden, etwa vorteilhaft längere Messzeiten bei besonders wichtigen Wellenlängen (beispielsweise können nur kleine LichtEinfallswinkel gegenüber der Senkrechten akzeptiert werden) erzielt werden, und mit einer anderen Kombination die Signalstärke/SNR, etwa kürzere Messzeiten im restlichen
Wellenlängenbereich erzielt werden, verbessert werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben der Spektrometervorrichtung ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Spektrometervorrichtung; ein Ansteuern zumindest einer der Aktuationseinrichtungen der Interferometereinrichtungen und ein Einstellen des ersten Abstands in einer oder mehreren der Interferometereinrichtungen nach einer Vorgabe für den ersten Abstand durch die Steuereinrichtung; ein Detektieren eines von zumindest einer Interferometereinrichtungen transmittierten Lichts und ein Erzeugen eines Signals durch die Detektoreinrichtung; und ein Auslesen des Signals oder der Signale von der Detektoreinrichtung durch die Steuereinrichtung.
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Das Verfahren kann sich weiterhin auch durch die bereits in Verbindung mit der Spektrometervorrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Das Auslesen durch die Steuereinrichtung kann einer Spektralanalyse entsprechen, wobei eine Interferometereinrichtung für eine gewisse Wellenlänge eingestellt werden kann, vorteilhaft deren erster Abstand, und nun durch ein erzeugtes Signal von der Detektoreinrichtung die Aussage durch die Steuereinrichtung getroffen werden kann, ob diese Wellenlänge im einfallenden Licht vorhanden ist. Wird kein Signal erzeugt, kann die Steuereinrichtung dann registrieren, dass diese Wellenlänge nicht im einfallenden Licht vorhanden ist. Über mehrere Interferometereinrichtungen kann so ein ganzes Spektrum oder Vielzahl von Wellenlängen, vorteilhaft nur die zur Analyse notwendigen oder relevanten, des einfallenden Lichts bestimmt werden.
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Das Detektieren kann vorteilhaft nacheinander oder gleichzeitig an den Interferometereinrichtungen und deren Detektoreinrichtungen erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens entspricht die Vorgabe für den ersten Abstand einer voraussichtlichen Durchlasswellenlänge oder Reflexionswellenlänge der jeweiligen Interferometereinrichtung und das Detektieren erfolgt erst bei eingestelltem erstem Abstand.
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Die Interferometereinrichtung kann mit dem ersten Abstand derart eingestellt werden, dass diese eine Bedingung zur Transmission oder Reflexion einer bestimmten Wellenlänge erfüllt. Soll eine Interferometereinrichtung nicht aktiv sein, kann diese bei für eine am Detektor eingestellte Wellenlänge auch nicht transmissiv, also reflektiv, geschaltet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens bleibt nach dem Einstellen der jeweilige erste Abstand für zumindest eine charakteristische Messzeit konstant.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden an zumindest zwei Interferometereinrichtungen zueinander unterschiedliche erste Abstände eingestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der erste Abstand einer ersten Interferometereinrichtung derart eingestellt dass eine erste Ordnung einer ersten Wellenlänge durch die erste Interferometereinrichtung durchgelassen wird, und der erste Abstand einer zweiten Interferometereinrichtung wird derart eingestellt, dass eine zweite Ordnung der ersten Wellenlänge durch die zweite Interferometereinrichtung durchgelassen wird.
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Die unterschiedlichen oder gleich ausgeführten Interferometereinrichtungen können derart in der gleichen und/oder in unterschiedlichen Interferenzordnungen verwendet werden.
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Unterstützt durch die Filtereinrichtungen kann eine direkte Trennung der transmittierenden Ordnungen an den Interferometereinrichtungen erzielt werden.
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Herkömmliche FPIs erlauben meist, ohne zusätzliche Maßnahmen, keine Trennung zwischen verschiedenen Ordnungen. Eine Ordnungstrennung muss meist etwa über entsprechende Filter und/oder mehrere Lichtquellen sichergestellt werden. Erfindungsgemäß kann durch die getrennt einstellbaren Wellenlängenbereiche bei Bedarf zusätzlich eine Trennung verschiedener Ordnungen der Wellenlängen an den Interferometereinrichtungen erfolgen.
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An mindestens zwei Interferometereinrichtungen können verschiedene Ordnungen getrennt werden. Hierzu können beispielsweise die ersten Abstände zweier Interferometereinrichtungen so eingestellt werden, dass eines der FPIs in erster
Ordnung und das andere FPI in zweiter Ordnung betrieben wird. Die Durchlasscharakteristik sei so, dass, zusammen mit einer Filtereinrichtung, bei der ersten Interferometereinrichtung in erster Ordnung eine einzelne erste Wellenlänge λ1 transmittiert wird. Bei einer zweiten Interferometereinrichtung sei der erste Abstand so eingestellt, dass eine zweite Wellenlänge λ2 in erster Ordnung, die erste Wellenlänge λ1 aber in zweiter Ordnung transmittiert wird. Durch eine zuvor bestimmte Kalibration bzw. die Nutzung von optischen Bandpass-/Kurzpass-/Langpass-Filtern können die Ordnungen schließlich getrennt werden in die Anteile der einzelnen Wellenlängen. Als Anteile kann hierbei ein Anteil der Intensität auf dem Detektor bezüglich des dort detektierten Photostroms identifiziert werden. Ein (zusätzlicher) Bandpassfilter kann beispielsweise dazu verwendet werden, einen größeren Spektralbereich auszuschneiden, damit vorteilhaft nur zwei Ordnungen der Interferometereinrichtungen beteiligt sein können. Ein Langpass/Kurzpass-Filter kann beispielsweise dazu verwendet werden, dass auf beiden Interferometereinrichtungen nur jeweils eine Ordnung einfallend ist. In diesem Fall kann eine gleichzeitige Messung der beiden Wellenlängen λ1 und λ2 erfolgen.
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Der Vorteil gegenüber dem sequentiellen Verfahren einer einzelnen Membran ist hierbei die Gleichzeitigkeit der Messung.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen zeitlichen Ablauf des Einstellens des ersten Abstandes und eine Verweildauer bei einem üblichen Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers mit nur zwei Spiegeln;
- 2 einen zeitlichen Ablauf des Einstellen des ersten Abstandes und eine Verweildauer bei einem Verfahren gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Seitenansicht einer Spektrometervorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Draufsicht auf eine Spektrometervorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine schematische Draufsicht auf eine Spektrometervorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
- 6 eine Blockdarstellung der Verfahrensschritte gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt einen zeitlichen Ablauf des Einstellens des ersten Abstandes und eine Verweildauer bei einem üblichen Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers mit nur einer Kavität einer großen Spiegelmembran bzw. allgemein mit einer niedrigen Eigenfrequenz.
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Für Interferometereinrichtungen mit beispielsweise einer einzigen und großen Membran über einem zweiten Spiegel kann ein beispielhaftes Einstellen des ersten Abstandes nach der 1 erfolgen, wobei eine dem ersten Abstand entsprechende Durchlasswellenlänge auf der Ordinate aufgetragen ist. Die Zeitabhängigkeit der Durchlasswellenlänge
ist im Wesentlichen durch drei aufeinanderfolgende Sprungantworten τ gegeben. Es ist
hierbei deutlich zu erkennen, dass das FPI einen signifikanten Anteil der Zeit damit verbringt, die Wellenlänge einzustellen, wodurch die Verweildauer bei der Wellenlänge λ1, λ2, λ3 im interessanten Wellenlängenbereich reduziert ist.
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2 zeigt einen zeitlichen Ablauf des Einstellens des ersten Abstandes und eine Verweildauer bei einem Verfahren gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Bei einer erfindungsgemäßen kleinen Membran (Spiegeleinrichtung), beispielsweise mit gegenüber einer großen Membran erhöhten Eigenfrequenz, kann die Einstellzeit (bis dieser eingestellt ist) des ersten Abstands signifikant reduziert sein. Diese kann beispielhaft durch 3τ abgeschätzt werden, was eine gängige Abschätzung für den Betrieb beispielsweise eines PT1-Gliedes (Übertragungsglied, bei einer Sprungantworten eines Systems kann sich dieses als eine Art RC Glied verhalten) sein kann. Ein überkritisch gedämpftes FederMasse-System, welches oft zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens eines FPIs herangezogen werden kann, kann näherungsweise auf diese Art beschrieben werden. Durch eine kleinere
Membranfläche kann so eine verlängerte Integrationsdauer erzielt werden und etwaige Einbußen des Messsignals durch kleine Flächen über die längere Integrationszeit wieder kompensiert werden. Gleichzeitig kann auch hier die dynamische Verbreiterung reduziert werden. Mehrere Einzelmembranen können unterschiedlich bezüglich deren ersten Abstand gesteuert werden.
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3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Spektrometervorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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Die Spektrometervorrichtung 1 umfasst mehrere Interferometereinrichtungen 2a; 2b; ...; 2n, welche jeweils eine erste Spiegeleinrichtung SP1 und eine zweite Spiegeleinrichtung SP2 umfassen, wobei die erste und die zweite Spiegeleinrichtung SP1; SP2 sich planparallel zueinander erstrecken und in einem ersten Abstand d12 zueinander angeordnet sind, und die Interferometereinrichtungen 2a; 2b; ...; 2n jeweils zumindest eine Aktuationseinrichtung AE umfassen, mittels welcher zumindest eine der Spiegeleinrichtungen SP1; SP2 bewegbar ist, so dass der erste Abstand d12 veränderbar ist, und wobei die Interferometereinrichtungen 2a; 2b; ...; 2n lateral versetzt zueinander angeordnet sind; zumindest eine Detektoreinrichtung 3, welche den Interferometereinrichtungen 2; 2b; ...; 2n in einer Lichttransmissionsrichtung LA nachgeordnet ist und dazu eingerichtet ist, ein von zumindest einer der Interferometereinrichtungen 2; 2b; ...; 2n transmittiertes Licht Lab zu detektieren; eine Steuereinrichtung SE, welche mit der Detektoreinrichtung 3 und mit den Interferometereinrichtungen 2; 2b; ...; 2n verbunden ist und welche dazu eingerichtet ist, die Aktuationseinrichtung AE in einer jeweiligen Interferometereinrichtung 2; 2b; ...; 2n zu betreiben und ein von der Detektoreinrichtung 3 erzeugtes Signal auszulesen.
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Bei der Spektrometervorrichtung 1 kann es sich um ein Mikrospektrometer handeln.
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Zwischen den Interferometereinrichtungen kann jeweils, oder nur bei bestimmten, eine Filtereinrichtung 5 zwischen der Interferometereinrichtung 2a und der Detektoreinrichtung, vorteilhaft mit dem jeweiligen Detektorbereich 3a, angeordnet sein. Durch die Filtereinrichtung kann beispielsweise eine Ordnungstrennung der transmittierenden Ordnung eingestellt werden. Des Weiteren kann die Filtereinrichtung auch vor der Interferometereinrichtung positioniert sein (in Lichteinfallsrichtung), wobei die Filtereinrichtung alle Interferometereinrichtungen abdecken kann oder zumindest eine.
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Des Weiteren kann zumindest ein Einfallswinkelelement 6 an zumindest einer der Interferometereinrichtungen 2a; 2b; ...; 2n in einem Lichteinfallsbereich Lin der jeweiligen Interferometereinrichtung angeordnet sein, wobei mittels des Einfallswinkelelements 6 ein Einfallswinkel EW eines auf die jeweilige Interferometereinrichtung einfallenden Lichts Lein einstellbar sein kann.
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Die Steuereinrichtung SE kann vorteilhaft zur Steuerung der ersten Abstände d12a, d12b...., d12n mit den jeweiligen Aktuatoreinrichtungen AE verbunden sein, und auch mit der Detektoreinrichtung 3 und deren Detektorbereichen 3a bis 3n, etwa zu einer getrennten Auslesung, und auch mit der Filtereinrichtung, um deren Filterwirkung einzustellen oder zu erkennen, verbunden sein.
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Bei FPI-basierten Spektrometern ist es möglich, um ein gutes SNR zu erzielen, eine große optische Apertur zu verwenden. Im Falle von membranbasierten FPIs bedeutet
dies konkret, dass eine große Membran freigestellt und aktuiert werden soll. Die Eigenfrequenz einer tensil verspannten Membran ist hierbei üblicherweise invers proportional zum Radius der Membran (im Falle einer kreisrunden Membran). Diese Frequenz kann unter anderem auch im Falle eines überkritisch oder aperiodisch gedämpften Systems die Zeitkonstante τ der Sprungantwort des Systems festlegen.
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Durch die Mehrzahl der Interferometereinrichtungen 2a, 2b bis 2n, kann gegenüber einer üblichen großen Membran ein optischer Flächenverlust in der Spiegelfläche vorhanden sein. Bei den kleineren Spiegelflächen (Membranen) kann allerdings ein Einstellen der Wellenlänge (des ersten Abstandes d12) allerdings gegenüber der trägeren größeren Membran verkürzt werden, was in einer möglichen längeren Verweildauer des ersten Abstands d12 für die Messung der Transmission bei der entsprechenden Wellenlänge resultieren kann. Der Verlust des Nutzens der Spektrometervorrichtung durch die optische Fläche kann vorteilhaft durch den Vorteil der Abstandsvariation des ersten Abstands kompensiert oder übertroffen werden.
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Bei der Spektrometervorrichtung 1 kann für die einzelnen Interferometereinrichtungen 2a, 2b bis 2n ein vorteilhafter Betriebsmodus dieser eingestellt werden, indem einzelne, relevante Wellenlängen direkt eingestellt werden, also der erste Abstand d12a, d12b usw., und dort für eine bestimmte Integrationsdauer verweilen, um bei der Detektion und/oder Auslesung zu verweilen. Dadurch kann ein Entfernen überflüssiger Informationen wie auch eine Verringerung der dynamischen Auflösungsverbreiterung erzielt werden. Die Machbarkeit eines solchen Betriebsmodus ist im Wesentlichen durch die Sprungantwort des Systems bzw. die Sprungantworten der Teilsysteme (z.B. der einzelnen Membranen) gegeben, wie in 2 dargestellt. Im Falle eines überkritisch
gedämpften Systems (was im Falle eines membranbasierten FPIs die wünschenswerte
Auslegung der Dämpfung sein kann) kann die charakteristische Zeitkonstante τ der Sprungantwort maßgeblich für die Dauer eines Wellenlängenwechsels sein.
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Das direkte und gezielte Einstellen des ersten Abstands d12a, d12b, ermöglicht vorteilhaft gegenüber einer üblichen, beispielsweise bei einer großen Membran, etwa mit einer sinusoidalen Einstellung der Wellenlänge, eine mögliche Gleichverteilung der Verweildauer für jede Wellenlänge und jede Interferometereinrichtung, obwohl diese auch nach Notwendigkeit variabel sein kann. Gegenüber einer sinusoidalen Einstellung können bei direkter Einstellung nur die relevanten Wellenlängen eingestellt werden und auf außerhalb dieser Wellenlängen liegende Informationen verzichtet werden, was auch das SNR in den relevanten Regionen verbessern kann. Da sich die Spiegel bei der Messung hierbei nicht durchgängig bewegen brauchen, kann eine dynamische Verbreiterung der Messung vorteilhaft verringert oder vermieden werden, da die Durchlasswellenlänge vorteilhaft konstant gehalten werden kann. Die Messung findet somit bei Einstellungen einer genau definierten Wellenlänge statt, anstatt bei solchen einer mittleren (durchschnittlichen) Wellenlänge, wie etwa bei sinusoidaler Schwankung des Abstands.
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Den Interferometereinrichtungen 2a, 2b bis 2n ist eine Detektoreinrichtung 3 nachgeordnet, welche einen oder mehrere Detektorbereiche 3a, 3b bis 3n an den jeweiligen Interferometereinrichtungen umfassen kann, oder mehrere Interferometereinrichtungen mit einem Detektorbereich detektieren kann. Die Detektorbereiche 3a, 3b, bis 3n können voneinander getrennt auslesbare Detektorbereiche sein. Dies ermöglicht bei identischen Detektorcharakteristika eine Signalmittelung über mehrere Detektoren womit sich das Rauschen reduzieren lässt oder bei verschiedenen Detektorcharakteristika ein unabhängiges Einstellen des ersten Abstands, sodass die Einstellzeiten um einen Faktor 1/Anzahl Interferometereinrichtungen
reduziert werden können, da in diesem Fall durch die Parallelisierung mehrere Wellenlängen gleichzeitig angefahren werden können. Eine solche Anordnung erlaubt ebenfalls Rückschlüsse über die Probenhomogenität einer Probe, welche Licht aussendet oder reflektiert und zu analysieren ist, oder eine vorteilhafte Ausrichtung dieser Probe relativ zur Spektrometervorrichtung.
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Die Interferometereinrichtungen 2a, 2b bis 2n können unterschiedlich in deren Dimension, Geometrie, Grundabständen des ersten Abstands, Eigenfrequenzen und weiteres, ausgeformt sein. Zur Veränderung des ersten Abstands kann jeweils eine Spiegeleinrichtung oder beide innerhalb einer Interferometereinrichtung verschoben werden, etwa durch mehrere Aktuatoreinrichtungen AE.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Spektrometervorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die jeweiligen Interferometereinrichtungen 2a; 2b; ...; 2n können als Mehrzahl in einem Chip umfasst sein und baugleich oder unterschiedlich ausgeformt sein. Hierbei können die Kontakte Ki auf dem Chip von mehreren Interferometereinrichtungen genutzt werden, so kann ein Gesamtchip auch nur einen Bondrahmen umfassen.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Spektrometervorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die jeweiligen Interferometereinrichtungen 2a; 2b; ...; 2n können als baugleiche oder unterschiedliche Einzelchips lateral zueinander versetzt oder nebeneinander ausgeformt werden, und beispielsweise alle ihre eigenen Substrate, Kontakte Ki, und Rahmen (Bondrahmen) umfassen.
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Mehrere solcher Chips können des Weiteren in einem Package (Anordnung, Paket) angeordnet werden, und gleich oder unterschiedlich sein. Eine Stückzahl der Chips kann somit weiterhin erhöht und damit beispielsweise die Herstellungskosten pro Stück reduziert werden.
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6 zeigt eine Blockdarstellung der Verfahrensschritte gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Spektrometervorrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Spektrometervorrichtung; ein Ansteuern S2 zumindest einer der Aktuationseinrichtungen der Interferometereinrichtungen und ein Einstellen S2a des ersten Abstands in einer oder mehreren der Interferometereinrichtungen nach einer Vorgabe für den ersten Abstand durch die Steuereinrichtung; ein Detektieren S3 eines von zumindest einer Interferometereinrichtungen transmittierten Lichts und ein Erzeugen S3a eines Signals durch die Detektoreinrichtung; und ein Auslesen S4 des Signals oder der Signale von der Detektoreinrichtung durch die Steuereinrichtung.
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Das Ansteuern S2 und entsprechende Einstellen S2a können für die jeweilige vorbestimmte Wellenlänge, also die zur Analyse interessante Wellenlänge, für mehrere Interferometereinrichtungen gleichzeitig oder zeitlich versetzt und an einer Interferometereinrichtung zeitlich nacheinander erfolgen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0050751 A1 [0003]
