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Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Messvorrichtung zur frequenzaufgelösten Messung einer Intensität einer elektromagnetischen Strahlung sowie ein zugehöriges Verfahren. Derartige optoelektronische Messvorrichtungen werden auch als Spektrometer bezeichnet.
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Eine derartige optoelektronische Messvorrichtung kann mehrere Messkanäle umfassen, wobei ein erster der Messkanäle eine erste spektrale Empfindlichkeit aufweist und ein weiterer der Messkanäle eine weitere spektrale Empfindlichkeit aufweist, der sich von der ersten spektralen Empfindlichkeit unterscheidet.
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Es stellt sich die Aufgabe, eine besonders empfindliche und kompakte optoelektronische Messvorrichtung zur frequenzaufgelösten Messung einer Intensität einer elektromagnetischen Strahlung sowie ein entsprechendes Verfahren zur frequenzaufgelösten Messung einer Intensität einer elektromagnetischen Strahlung bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine derartige optoelektronische Messvorrichtung zur frequenzaufgelösten Messung einer Intensität einer elektromagnetischen Strahlung mindestens zwei Messkanäle wobei ein erster der Messkanäle eine erste spektrale Empfindlichkeit aufweist und ein weiterer der Messkanäle eine weitere spektrale Empfindlichkeit aufweist, die sich von der ersten spektralen Empfindlichkeit unterscheidet. Weiterhin umfasst die optoelektronische Messvorrichtung mindestens zwei Kollimatoren zum Kollimieren der elektromagnetischen Strahlung.
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Dabei verläuft durch jeden der Kollimatoren ein separater optischer Pfad zu einem oder mehreren der Messkanäle. Überdies ist jeder der Messkanäle angeordnet, eine Intensität der mittels einem oder mehreren der Kollimatoren kollimierten elektromagnetische Strahlung zu messen.
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Die Verwendung mehrerer Kollimatoren ermöglicht im Vergleich zur Verwendung nur eines Kollimators die Erhöhung der Empfindlichkeit der optoelektronischen Messvorrichtung bei vorgegebener Größe.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Messvorrichtung mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 50 der Messkanäle.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Messvorrichtung mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 50 der Kollimatoren.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen alle der Messkanäle unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten auf. Mit anderen Worten, die Messkanäle weisen jeweils eine spektrale Empfindlichkeit auf, die sich von den spektralen Empfindlichkeiten aller weiterer Messkanäle unterscheidet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst mindestens einer der Kollimatoren eine Kollimationslinse und eine Aperturblende oder er besteht daraus. Besonders bevorzugt umfassen die Kollimatoren oder zumindest mehrere der Kollimatoren jeweils eine Aperturblende und eine Kollimationslinse oder bestehen daraus. Die Aperturblende kann in einem optischen Pfad vor der Kollimationslinse angeordnet sein, d.h. die Kollimationslinse ist angeordnet, eine durch die Aperturblende hindurch transmittierte elektromagnetische Strahlung zu kollimieren.
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Als Aperturblende (auch Öffnungsblende genannt) wird eine Blende bezeichnet, die eine Öffnungsweite begrenzt, vorliegend die Öffnungsweite des Kollimators. Eine derartige Aperturblende besitzt eine für die elektromagnetische Strahlung undurchlässige Blendenmembran, in der mindestens eine Öffnung vorgesehen ist, durch die die elektromagnetische Strahlung hindurchtritt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Blendenmembran der Aperturblende von mindestens einem der Kollimatoren monolithisch mit der Linse dieses Kollimators verbunden. Besonders bevorzugt ist bei den Kollimatoren oder zumindest bei mehreren der Kollimatoren eine Blendenmembran der Aperturblende des jeweiligen Kollimators mit der Linse dieses Kollimators monolithisch verbunden. Insbesondere kann die Blendenmembran eine Schicht auf der Linse umfassen oder daraus bestehen. Dies vereinfacht die Herstellung des Kollimators. Die Blendenmembran kann durch Beschichtung der Kollimationslinse mit der Schicht erzeugt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Kollimatoren oder mindestens zwei der Kollimatoren jeweils eine Kollimationslinse und eine Aperturblende, wobei die Aperturblenden der mindestens zwei Kollimatoren eine gemeinsame Blendenmembran aufweisen. Dies vereinfacht die Herstellung der Kollimatoren.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Kollimatoren oder zumindest zwei der Kollimatoren jeweils Kollimationslinse und eine Aperturblende, wobei die Kollimationslinsen der Kollimatoren monolithisch ausgebildet sind. Dies vereinfacht die Herstellung der Kollimationslinsen, beispielsweise können diese gemeinsam in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Überdies kann ein aus derartigen monolithischen Linsen gebildetes Linsenarray einfach positioniert und gehandhabt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Kollimatoren oder zumindest zwei der Kollimatoren jeweils eine Kollimationslinse und eine Aperturblende, wobei die Aperturblenden der Kollimatoren eine gemeinsame Blendenmembran aufweisen und die Kollimationslinsen der Kollimatoren monolithisch ausgebildet sind. Dabei kann die gemeinsame Blendenmembran mit den monolithisch verbundenen Kollimationslinsen monolithisch verbunden sein. Insbesondere kann die gemeinsame Blendenmembran eine Schicht auf den monolithisch verbundenen Kollimationslinsen umfassen oder daraus bestehen. Dementsprechend kann die Blendenmembran durch Beschichtung der monolithisch verbundenen Kollimationslinsen mit der Schicht erzeugt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Messvorrichtung überdies mindestens ein Strahlungsabsorptionselement, das zwischen zweien der Kollimatoren angeordnet ist. Dadurch kann ein Übersprechen zwischen den Kollimatoren vermieden werden und die Kollimierung verbessert werden. Idealerweise umfasst die optoelektronische Messvorrichtung k der Kollimatoren und mindestens k-1 der Strahlungsabsorptionselemente. Dann kann zwischen allen Kollimatoren ein Strahlungsabsorptionselement angeordnet werden.
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Ein derartiges Strahlungsabsorptionselement ist insbesondere vorteilhaft, wenn es zwischen zwei Kollimatoren angeordnet ist, die jeweils wie zuvor beschrieben eine Kollimationslinse und eine Aperturblende umfassen. Dabei kann das Strahlungsabsorptionselement zwischen den Blendenmembranen der Aperturblenden und den (ggfs. monolithisch ausgebildeten) Kollimationslinsen angeordnet sein oder zwischen einer gemeinsamen Blendenmembran der Aperturblenden und den (ggfs. monolithisch ausgebildeten) Kollimationslinsen angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann es auch zwischen den Kollimationslinsen der zwei Kollimatoren angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst zumindest einer der Messkanäle ein Strahlungsdetektionselement sowie einen Spektralfilter. Bevorzugt umfassen die oder zumindest mehrere der Messkanäle jeweils ein Strahlungsdetektionselement sowie einen Spektralfilter. Der Spektralfilter kann angeordnet sein, die elektromagnetische Strahlung vor Detektion durch das Strahlungsdetektionselement zu filtern.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Messvorrichtung pro Messkanal genau einen zugeordneten Kollimator, wobei der Messkanal angeordnet ist, die mittels des jeweils zugeordneten Kollimators kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen. Beispielsweise sind die Messkanäle angeordnet, überwiegend die mittels des jeweils zugeordneten Kollimators kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen, d.h. mindestens 50 % oder 70 % oder sogar 90 % der von dem jeweiligen Messkanal erfassten elektromagnetischen Strahlung stammt von dem zugeordneten Kollimator. Auch können die Messkanäle angeordnet sein, nur die mittels des jeweils zugeordneten Kollimators kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen, d.h. 100% der von dem jeweiligen Messkanal erfassten elektromagnetischen Strahlung stammt von dem zugeordneten Kollimator.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Messvorrichtung mehr Kollimatoren als Messkanäle. Das bedeutet, die optoelektronische Messvorrichtung kann mindestens zwei Messkanäle umfassen, wobei ein erster der Messkanäle eine erste spektrale Empfindlichkeit aufweist und ein weiterer der Messkanäle eine weitere spektrale Empfindlichkeit aufweist, die sich von der ersten spektralen Empfindlichkeit unterscheidet, und überdies mehr Kollimatoren zum Kollimieren der elektromagnetischen Strahlung als Messkanäle umfassen, wobei durch jeden der Kollimatoren ein separater optischer Pfad zu einem oder mehreren der Messkanälen verläuft und jeder der Messkanäle angeordnet ist, eine Intensität der mittels einem oder mehreren der Kollimatoren kollimierten elektromagnetische Strahlung zu messen.
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Gemäß einer Ausführungsform sind mehreren, vorzugsweise 2, 5 oder 25, der Messkanäle jeweils genau n Kollimatoren, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich zwei ist, derart zugeordnet, dass diese Messkanäle angeordnet sind, die mittels der jeweils zugeordneten Kollimatoren kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen. Beispielsweise sind die Messkanäle angeordnet, überwiegend die mittels der zugeordneten Kollimatoren kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen, d.h. mindestens 50 % oder mindestens 70 % oder sogar mindestens 90 % der von dem jeweiligen Messkanal erfassten elektromagnetischen Strahlung stammt von den zugeordneten Kollimatoren. Auch können die Messkanäle angeordnet sein, nur die mittels der jeweils zugeordneten Kollimators kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen, d.h. 100% der von dem jeweiligen Messkanal erfassten elektromagnetischen Strahlung stammt von den zugeordneten Kollimatoren. Durch die höhere Anzahl an Kollimatoren kann die Größe der optoelektronischen Messvorrichtung weiter reduziert werden, wobei gleichzeitig einfach sichergestellt werden kann, dass die Kollimatoren die Intensität der elektromagnetischen Strahlung bei allen Messkanälen gleichartig beeinflussen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Messvorrichtung weniger Kollimatoren als Messkanäle. Das bedeutet, die optoelektronische Messvorrichtung kann mindestens zwei Kollimatoren zum Kollimieren der elektromagnetischen Strahlung umfassen und überdies mehr Messkanäle als Kollimatoren umfassen, wobei ein erster der Messkanäle eine erste spektrale Empfindlichkeit aufweist und ein weiterer der Messkanäle eine weitere spektrale Empfindlichkeit aufweist, die sich von der ersten spektralen Empfindlichkeit unterscheidet, wobei durch jeden der Kollimatoren ein separater optischer Pfad zu einem oder mehreren der Messkanälen verläuft und jeder der Messkanäle angeordnet ist, eine Intensität der mittels einem oder mehreren der Kollimatoren kollimierten elektromagnetische Strahlung zu messen.
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Gemäß einer Ausführungsform sind mehreren, vorzugsweise 2, 5 oder 20, der Kollimatoren jeweils genau n Messkanäle, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich zwei ist, derart zugeordnet, dass diese Messkanäle angeordnet sind, die die mittels des jeweils zugeordneten Kollimators kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen. Beispielsweise sind die Messkanäle angeordnet, überwiegend die mittels des zugeordneten Kollimators kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen, d.h. mindestens 50 % oder mindestens 70 % oder sogar mindestens 90 % der von dem jeweiligen Messkanal erfassten elektromagnetischen Strahlung stammt von dem zugeordneten Kollimator. Auch können die Messkanäle angeordnet sein, nur die mittels des jeweils zugeordneten Kollimators kollimierte elektromagnetische Strahlung zu erfassen, d.h. 100% der von dem jeweiligen Messkanal erfassten elektromagnetischen Strahlung stammt von dem zugeordneten Kollimator. Durch die geringere Anzahl an Kollimatoren können Herstellungskosten gesenkt werden, wobei gleichzeitig einfach sichergestellt werden kann, dass die Kollimatoren die Intensität der elektromagnetischen Strahlung bei allen Messkanälen gleichartig beeinflussen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Messvorrichtung überdies mindestens ein Streuelement. Dieses kann in einem optischen Pfad vor den oder zumindest mehreren der Kollimatoren angeordnet sein. Das bedeutet, dass die Kollimatoren oder zumindest mehrere der Kollimatoren angeordnet sind, die durch das Streuelement gestreute elektromagnetische Strahlung zu kollimieren.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Messvorrichtung mindestens ein Strahlungsverteilungsmittel, das eingerichtet und angeordnet ist, eine auf die optoelektronische Messvorrichtung treffende elektromagnetischen Strahlung auf die Kollimatoren oder zumindest mehrere der Kollimatoren zu verteilen. Dabei kann es sich um das zuvor beschriebene Streuelement handeln oder das Strahlungsverteilungsmittel kann ein derartiges Streuelement umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Strahlungsverteilungsmittel beispielsweise auch einen Lichtleiter umfassen oder daraus bestehen, wobei der Lichtleiter angeordnet ist, die elektromagnetische Strahlung auf die Kollimatoren zu verteilen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur frequenzaufgelösten Messung einer Intensität einer elektromagnetischen Strahlung den Schritt des Messens der Intensität der elektromagnetischen Strahlung mittels mindestens zwei Messkanälen, wobei ein erster der Messkanäle eine erste spektrale Empfindlichkeit aufweist und ein weiterer der Messkanäle einen weitere spektrale Empfindlichkeit aufweist, die sich von der ersten spektrale Empfindlichkeit unterscheidet, und den Schritt des Kollimierens der elektromagnetischen Strahlung mittels mindestens zwei Kollimatoren vor dem Schritt des Messens der Intensität. Dabei verläuft durch jeden der Kollimatoren ein separater optischer Pfad zu einem oder mehreren der Messkanäle und jeder der Messkanäle misst die Intensität der mittels einem oder mehreren der Kollimatoren kollimierten elektromagnetische Strahlung.
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Bei dem Verfahren kann die zuvor beschriebene optoelektronische Messvorrichtung verwendet werden.
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Verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3: ein Übersprechen zwischen Kollimatoren der optoelektronischen Messvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 5: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
- 6: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
- 7: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel,
- 8: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel,
- 9: eine optoelektronische Messvorrichtung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel,
- 10: die Schritte eines Verfahrens zur frequenzaufgelösten Messung einer Intensität einer elektromagnetischen Strahlung.
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Eine optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist schematisch in 1 dargestellt. Sie umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein erster Kollimator K1 , ein zweiter Kollimator K2 , ein erster Messkanal M1 und ein zweiter Messkanal M2 angeordnet sind. Der erste Kollimator K1 umfasst eine erste Aperturblende A1 und eine erste Kollmationslinse L1 . Der zweite Kollimator K2 umfasst dementsprechend eine zweite Aperturblende A2 und eine zweite Kollmationslinse L2 . Die erste Aperturblende A1 umfasst eine erste Blendenmembran B1 und die zweite Aperturblende A2 umfasst eine zweite Blendenmembran B2 . Die erste Aperturblende A1 ist in einem optischen Pfad vor der ersten Kollimationslinse L1 angeordnet, d.h. die elektromagnetische Strahlung 10 wird erst durch die erste Aperturblende A1 hindurch transmittiert und dann durch die erste Kollimationslinse L1 . Dies gilt analog auch für die zweite Aperturblende A1 und die zweite Kollimationslinse L2 .
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Zwischen den Blendenmembranen B1 , B2 und zwischen den Kollimationslinsen L1 , L2 ist jeweils ein Gehäuseabschnitt 2a angeordnet, der als Halter für die Blendenmembranen B1 , B2 und die Kollimationslinsen L1 , L2 dient.
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Der erste Messkanal M1 umfasst einen ersten Spektralfilter F1 sowie ein erstes Strahlungsdetektionselement D1 . Analog dazu umfasst der zweite Messkanal M2 einen zweiten Spektralfilter F2 sowie ein zweites Strahlungsdetektionselement D2 .
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Detektoren haben einen sensitiven Spektralbereich. Dies ist der Wellenlängenbereich, in dem elektromagnetische Strahlung detektiert wird. Ein Detektor kann eine wellenlängenabhängige Empfindlichkeit, auch spektrale Empfindlichkeit genannt, haben, so dass unterschiedliche Wellenlängen gleicher Intensität unterschiedlich starke Detektorsignale, z.B. Spannungen oder Ströme, generieren.
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Die beiden Spektralfilter F1 und F2 weisen unterschiedliche Filtercharakteristiken auf, so dass die Messkanäle M1 und M2 unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen. Dementsprechend kann die Intensität der elektromagnetischen Strahlung 10 mit der optoelektronischen Messvorrichtung 1 frequenzaufgelöst gemessen werden.
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Durch die Kollimierung der elektromagnetischen Strahlung 10 kann sichergestellt werden, dass die Messkanäle M1 und M2 von einem Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung 10 im Wesentlichen unabhängige spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, selbst wenn die Filtercharakteristiken der Spektralfilter F1 , F2 eine starke Winkelabhängigkeit aufweisen.
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Bei den Spektralfiltern F1 , F2 kann es sich insbesondere um Bandpassfilter handeln. Die Filtercharakteristiken von Bandpassfiltern können eine starke Winkelabhängigkeit aufweisen, insbesondere wenn Mehrschichtinterferenzfilter als Bandpassfilter verwendet werden.
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Die Strahlungsdetektionselemente D1 und D2 sind Bestandteil eines Detektorarrays 4. Vor den Kollimatoren K1 , K2 ist ein Streuelement 3 zum Streuen der elektromagnetischen Strahlung 10 angeordnet. Bei den Strahlungsdetektionselementen D1, D2 kann es sich um baugleiche Siliziumphotodioden handeln.
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Die optoelektronische Messvorrichtung 1 weist mehrere Kollimatoren K1 und K2 auf. Sie besitzt pro Messkanal M1 , M2 genau einen Kollimator K1 , K2 . Die Kollimatoren K1 und K2 sind nicht „optisch in Reihe geschaltet“, d.h. die elektromagnetische Strahlung 10 passiert nicht erst durch einen der Kollimatoren K1 ,K2 und dann durch den anderen der Kollimatoren K1 , K2 . Vielmehr sind die Kollimatoren K1 , K2 „optisch parallel geschaltet“. Damit ist nicht gemeint, dass die Kollimatoren K1 , K2 parallel ausgerichtet sein müssen, sondern, dass durch jeden der Kollimatoren K1 , K2 ein separater optischer Pfad zu einem oder mehreren der Messkanäle M1 , M2 verläuft. Dementsprechend steht sowohl die durch den ersten Kollimator K1 durchgelassene elektromagnetische Strahlung 10 als auch die durch den zweiten Kollimator K2 durchgelassene elektromagnetische Strahlung 10 zur Messung zur Verfügung.
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Im Vergleich zu einer optoelektronischen Messvorrichtung mit einem Kollimator können dadurch Kollimatoren K1 , K2 mit einer geringeren Höhe verwendet werden. Die Höhe der optoelektronischen Messvorrichtung 1 ergibt sich als Summe der Fokallänge f der Kollimationslinsen L1 , L2 , der Dicke t der Linsen und der Arbeitsweite a, die gleich der Entfernung zwischen den Kollimationslinsen L1 , L2 und den Spektralfiltern F1 , F2 ist und gleich Null sein kann. Dementsprechend ist die Höhe der optoelektronischen Messvorrichtung 1 durch die Fokallänge f der Linsen und die Dicke t der Linsen L1 , L2 begrenzt.
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Bei Verwendung von nur einem Kollimator müsste man, um dieselbe Intensität elektromagnetischer Strahlung mit der optoelektronische Messvorrichtung wie in dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel zu erfassen, die Aperturblende größer wählen als im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Um in einem solchen Fall dieselbe Strahldivergenz nach den Kollimatoren wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zu erhalten, müsste man die Fokallänge der Linse erhöhen und auch die Linse vergrößern, wodurch diese auch dicker wird. Dementsprechend wird durch die Verwendung mehrerer Kollimatoren K1 ,K2 im Vergleich zu der Verwendung von nur einem Kollimator gemäß dem Stand der Technik die Höhe (Fokallänge f und Dicke t) der optoelektronischen Messvorrichtung 1 verringert. Ebenfalls kann durch die Verwendung mehrerer Kollimatoren K1 , K2 eine Empfindlichkeit der optoelektronischen Messvorrichtung 1 erhöht werden, indem mehr elektromagnetische Strahlung 10 zu den Messkanälen M1 , M2 gebracht wird.
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In 2 ist eine optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Diese ist im Wesentlichen analog zu der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Statt zwei Messkanälen M1 , M2 besitzt diese allerdings m Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm , wobei m eine natürliche Zahl größer oder gleich zwei ist, vorliegend sind 9 Messkanäle dargestellt.
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Überdies besitzt sie anstatt zwei Kollimatoren K1 , K2 k Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk , wobei k gleich m ist, d.h. die optoelektronische Vorrichtung hat genauso viele Kollimatoren wie Messkanäle. Vorliegend sind neun Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk dargestellt.
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Alle der Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm weisen unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten auf. Mit anderen Worten, die Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm weisen jeweils eine spektrale Empfindlichkeit auf, die sich von der spektralen Empfindlichkeit aller weiterer Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm unterscheidet.
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Folglich kann mit der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bei Verwendung von mehr als 2 Messkanälen eine frequenzaufgelöste Messung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung 10 mit genauerer spektraler Auflösung durchgeführt werden als mit der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Bei Verwendung von mehr als 2 Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk kann dies ohne Erhöhung der Höhe (insbesondere Fokallänge f und Dicke t) der optoelektronischen Messvorrichtung 1 erfolgen.
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Wie erwähnt, kann die optoelektronische Messvorrichtung 1 alternativ zu den neun dargestellten Messkanälen und Kollimatoren auch eine davon abweichende Anzahl m an Messkanälen M und eine davon abweichende Anzahl k an Kollimatoren K aufweisen. Beispielsweise kann sie mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 50 Messkanäle M und Kollimatoren K aufweisen.
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Die Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kg weisen im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Blendenmembranen B1 , B2 vorhanden sind, zwischen denen ein Gehäuseabschnitt 2a angeordnet ist, der als Halter für die Blendenmembranen B1 , B2 dient, eine gemeinsame Blendenmembran B auf, und der dazwischenliegende Gehäuseabschnitt 2a entfällt.
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Die Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk sind monolithisch ausgebildet, d.h. aus einem Stück bestehend ausgebildet. Beispielsweise können diese gemeinsam in einem Spritzgussverfahren hergestellt sein. Ein aus derartigen monolithischen Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk gebildetes Linsenarray kann einfach positioniert und gehandhabt werden.
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Zwischen den Kollimationslinsen L1 , L2 ist dementsprechend im Gegensatz zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kein Gehäuseabschnitt 2a angeordnet.
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Wie in 3 dargestellt, kann es bei der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß und zweiten Ausführungsbeispiel trotz der Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk dazu kommen, dass Licht schräg auf die Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm trifft. Demnach kann elektromagnetische Strahlung 10, die besonders schräg aus einer der Aperturblenden A1, A2 , ..., Ak austritt, auf die Kollimationslinse L1 , L2 , ..., Lk eines anderen Kollimators K1 , K2 , ..., Kk treffen. In 3 ist dargestellt, wie elektromagnetische Strahlung 10, die besonders schräg aus der ersten Aperturblende A1 austritt auf die zweite Kollimationslinse L2 trifft und dementsprechend schräg und unkollimiert auf die Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm trifft. Dasselbe gilt für die optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß und ersten Ausführungsbeispiel, die allerdings in 3 nicht dargestellt ist.
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Um ein derartiges Übersprechen zwischen den Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk zu verhindern, kann zusätzlich mindestens ein Strahlungsabsorptionselement 5 zwischen den Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk angeordnet sein. Die in 4 dargestellte optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen analog zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Im Unterschied zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist sie jedoch derartige Strahlungsabsorptionselemente 5 zwischen den Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk auf. Dabei ist zwischen allen k Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk ein derartiges Strahlungsabsorptionselement 5 angeordnet. Somit umfasst die optoelektronische Messvorrichtung k-1 der Strahlungsabsorptionselemente 5. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Strahlungsabsorptionselemente 5 zwischen der gemeinsamen Blendenmembran B der Aperturblenden A1, A2 , ..., Ak und den Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk angeordnet.
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Die in 5 dargestellte optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen analog zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Im Unterschied zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist allerdings die gemeinsame Blendenmembran B der Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk eine Schicht auf dem durch die monolithisch miteinander verbundenen Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk gebildeten Linsenarray. Dementsprechend ist sie monolithisch mit den Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk verbunden. Dabei sind die Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sich deren Brennpunkt in der Ebene der Blendenmembran B befindet.
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Die in 5 dargestellte optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel besitzt im Gegensatz zu der in optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel keine Strahlungsabsorptionselemente 5. Alternativ dazu können Strahlungsabsorptionselemente 5 allerdings auch bei der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, beispielsweise zwischen den Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk der Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk .
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Die zuvor diskutierten optoelektronischen Messvorrichtungen 1 gemäß den Ausführungsbeispielen eins bis vier umfassen pro Messkanal M1 , M2 , ..., Mm genau einen zugeordneten Kollimator K1 , K2 , ..., Kk . Dabei ist der Messkanal M1 , M2 , ..., Mm angeordnet, überwiegend die mittels des jeweils zugeordneten Kollimators K1 , K2 , ..., Kk kollimierte elektromagnetische Strahlung 10 zu erfassen, d.h. mindestens 50 % der von dem jeweiligen Messkanal M1 , M2 , ..., Mm erfassten elektromagnetischen Strahlung 10 stammt von dem zugeordneten Kollimator K1 , K2 , ..., Kk . Dementsprechend umfasst die optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß den Ausführungsbeispielen eins bis vier genauso viele Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm wie Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk .
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Die in 6 dargestellte optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen analog zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Im Unterscheid zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel k der Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk und m der Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm , die angeordnet sind, eine Intensität der mittels der Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk kollimierten elektromagnetischen Strahlung 10 zu messen, wobei k und m natürliche Zahlen sind und k > m ist und m ≥ 2 ist. Vorliegend sind 9 Kollimatoren und 8 Messkanäle dargestellt.
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Die in 7 dargestellte optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen analog zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Im Unterschied zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind bei der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel jedem Messkanal M1 , M2 , ..., Mm genau 2 Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk derart zugeordnet, dass die Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm angeordnet sind, überwiegend die mittels der zugeordneten Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk kollimierte elektromagnetische Strahlung 10 zu erfassen, d.h. mindestens 50% der von dem jeweiligen Messkanal M1 , M2 , ..., Mm erfassten elektromagnetischen Strahlung 10 stammt von den zugeordneten Kollimatoren K1 ,K2, ..., Kk .
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Alternativ dazu können den mindestens zwei Messkanälen M1 , M2 , ..., Mm jeweils genau n Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk zugeordnet sein, wobei n eine natürliche Zahl größer als zwei ist.
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Durch die Verwendung mehrerer Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk pro Messkanal M1 , M2 , ..., Mm gemäß den fünften und sechsten Ausführungsbeispielen, kann die Höhe der Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk (Fokallänge f und Linsendicke t) weiter reduziert werden. Überdies kann dadurch die Empfindlichkeit der optoelektronischen Messvorrichtung 1 erhöht werden, da mehr elektromagnetische Strahlung 10 zu den Messkanälen M1 , M2 , ..., Mm geleitet werden kann. Durch die Zuordnung von einer festen Anzahl von Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk zu jedem Messkanal M1 , M2 , ..., Mm gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel können die Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk relativ zu den Messkanälen M1 , M2 , ..., Mm für alle Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm gleichartig ausgerichtet werden, um auf einfache Art und Weise sicherzustellen, dass an allen Messkanälen M1 , M2 , ..., Mm dieselbe Intensität elektromagnetischer Strahlung 10 vorhanden ist.
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Die in 8 dargestellte optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen analog zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Im Unterschied zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel k der Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk und m der Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm , die angeordnet sind, eine Intensität der mittels der Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk kollimierten elektromagnetische Strahlung 10 zu messen, wobei k < m und k ≥ 2 ist. Vorliegend sind 9 Kollimatoren und 10 Messkanäle dargestellt.
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Die in 9 dargestellte optoelektronische Messvorrichtung 1 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen analog zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Im Unterscheid zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind bei der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem achten Ausführungsbeispiel jedem Kollimator K1 , K2 , ..., Kk genau zwei Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm derart zugeordnet, dass die Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm angeordnet sind, überwiegend die mittels der beiden zugeordneten Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk kollimierte elektromagnetische Strahlung 10 zu erfassen, d.h. mindestens 50% der von dem jeweiligen Messkanal M1 , M2 , ..., Mm erfassten elektromagnetischen Strahlung 10 stammt von den zugeordneten Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk .
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Alternativ dazu können den mindestens zwei Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk jeweils genau n Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm zugeordnet sein, wobei n eine natürliche Zahl größer als zwei ist.
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Durch die Verwendung mehrerer Messkanäle M1 , M2 , ..., Mm pro Kollimator K1 , K2 , ..., Kk gemäß den siebten und achten Ausführungsbeispielen, können im Vergleich zu der optoelektronischen Messvorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk eingespart werden und dadurch Herstellungskosten gesenkt werden. Durch die Zuordnung von einer festen Anzahl von Messkanälen M1 , M2 , ..., Mm zu jedem Kollimator K1 , K2 , ..., Kk gemäß dem achten Ausführungsbeispiel können die Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk relativ zu den Messkanälen M1 , M2 , ..., Mm derart ausgerichtet werden, dass an allen Messkanälen M1 , M2 , ..., Mm dieselbe Intensität elektromagnetischer Strahlung 10 vorhanden ist.
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Die zuvor beschriebenen optoelektronischen Messvorrichtungen 1 gemäß den fünften bis achten Ausführungsbeispielen können insbesondere auch derart abgewandelt werden, dass, wie im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben, Absorptionselemente 5 zwischen den Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk angeordnet werden. Überdies kann die Blendenmembran B der Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk , wie im Zusammenhang mit dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben, eine Schicht auf den Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk umfassen oder daraus bestehen.
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Die zuvor beschriebenen optoelektronischen Messvorrichtungen 1 gemäß den fünften bis achten Ausführungsbeispielen können analog zu den zweiten bis vierten Ausführungsbeispielen mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 50 Messkanäle M aufweisen. Ebenso können sie mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 50 Kollimatoren K aufweisen.
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Die zuvor beschriebenen optoelektronischen Messvorrichtungen 1 gemäß den zweiten bis achten Ausführungsbeispielen können insbesondere auch derart abgewandelt werden, dass, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, die Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk nicht monolithisch miteinander verbunden sind. Überdies können sie auch derart abgewandelt werden, dass die Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk keine gemeinsame Blendenmembran B aufweisen, sondern jeder Kollimator K1 , K2 , ..., Kk eine eigene Blendenmembran B aufweist.
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Bei allen Ausführungsbeispielen können die im jeweiligen Ausführungsbeispiel verwendeten Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk unterschiedliche optische Eigenschaften haben. Vorzugsweise haben sie identische optische Eigenschaften. Ebenfalls können die Kollimatoren K1 , K2 , ..., Kk eines jeweiligen Ausführungsbeispiels identische optische Eigenschaften haben. Die Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk können bei allen Ausführungsbeispielen Glas und/oder Kunststoff umfassen oder aus Glas bestehen oder aus Kunststoff bestehen. Bei allen Ausführungsbeispielen sind die Kollimationslinsen L1 , L2 , ..., Lk für die zu messende elektromagnetische Strahlung 10 transparent.
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In 10 ist ein Verfahren zur frequenzaufgelösten Messung einer Intensität einer elektromagnetischen Strahlung 10 dargestellt.
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Es umfasst:
- S0: „Start“,
- S1: „Kollimieren der elektromagnetischen Strahlung (10) mittels mindestens zwei Kollimatoren (K1 , K2 , ..., Kk )‟,
- S2: „Messen der Intensität der elektromagnetischen Strahlung (10) mittels mindestens zwei Messkanälen“,
- SE: „Ende“.
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Der Schritt S2 wir nach dem Schritt S1 ausgeführt. Bei dem Schritt S2 weist ein erster der Messkanäle (M1 ) eine erste spektrale Empfindlichkeit auf und ein weiterer der Messkanäle (M2 , ..., Mm ) eine weitere spektrale Empfindlichkeit auf, die sich von der ersten spektralen Empfindlichkeit unterscheidet.
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Die Schritte S1 und S2 werden derart ausgeführt, dass durch jeden der Kollimatoren (K1 , K2 , ..., Kk ) ein separater optischer Pfad zu einem oder mehreren der Messkanäle (M1 , M2 , ..., Mm ) verläuft und jeder der Messkanäle (M1 , M2 , ..., Mm ) die Intensität der mittels einem oder mehreren der Kollimatoren (K1 , K2 , ..., Kk ) kollimierten elektromagnetische Strahlung (10) misst.
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Bei dem Verfahren kann eine optoelektronische Messvorrichtung (1) gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optoelektronische Messvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Gehäuseabschnitt
- 3
- Streuelement
- 4
- Detektorarray
- 5
- Strahlungsabsorptionselemente
- 10
- elektromagnetische Strahlung
- K1,K2, ..., Kk
- Kollimator 1, Kollimator 2, ..., Kollimator k
- A1, A2, ..., Ak
- Aperturblende 1, Aperturblende 2, ..., Aperturblende k
- B1, B2
- Blendenmembran 1, Blendenmembran 2
- B
- gemeinsame Blendenmembran
- L1, L2, ..., Lk
- Kollimationslinse 1, Kollimationslinse 2, ..., Kollimationslinse k
- M1, M2, ..., Mm
- Messkanal 1, Messkanal 2, ..., Messkanal m
- D1, D2, ..., Dm
- Strahlungsdetektionselement 1, Strahlungsdetektionselement 2, ..., Strahlungsdetektionselement m
- F1, F2, ..., Fm
- Spektralfilter 1, Spektralfilter 2, ..., Spektralfilter m
- f
- Fokallänge
- t
- Dicke
- a
- Arbeitsweite