DE10217940A1

DE10217940A1 - microspectrometer

Info

Publication number: DE10217940A1
Application number: DE2002117940
Authority: DE
Inventors: Rainer Bayer; Thomas Hennig; Gerd Laschinski; Markus Boehm; Juergen Sterzel; Matthias Hillebrand; Sven Schoenfelder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2003-11-13
Also published as: AU2003227659A1; WO2003089889A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Spektroskopie, wobei von einer Lichtquelle polychromatisches Licht erzeugt wird, wobei das Licht zu untersuchendes Probenmaterial durchdringt, vom Probenmaterial reflektiert wird und/oder das Probenmaterial zur Fluoreszenz anregt, wobei das Licht in räumlich getrennte Frequenzbänder aufgeteilt wird, wobei das aufgeteilte Licht in ein Spektrometer, aufweisend einen Detektorarray, insbesondere Zeilenspektrometer, mit benachbar angeordneten Einzeldetektoren, insbesondere Photodioden, gelenkt wird und wobei ein Einzeldetektor vom Licht eines Frequenzbandes beaufschlagt und über eine Ausleseelektronik ausgelesen wird, wobei die Intensität des Lichts in seiner Amplitude periodisch moduliert wird und wobei die Frequenz der Modulation als Referenzsignal für einen Korrelations-Verstärker genutzt wird, wobei die Ausgangsspannung eines Einzeldetektors dem Verstärker als Eingangssignal zugeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein optoelektronisches Mikrospektrometer, aufweisend einen Strahlteiler, der einfallendes Licht in räumlich getrennte Frequenzbänder aufteilt, und eine Detektorarray mit nebeneinander angeordneten Einzeldetektoren (Pixeln), wobei das Licht eines Frequenzbandes in ein Pixel fällt, wobei das Detektorarray eine lichtsensitive optische Schicht aufweist, die durch Unterbrechungen in einzelne Pixel aufgeteilt ist, wobei unterhalb der optischen Schicht eine in Dünnfilmtechnik gefertigte ...The present invention relates to a method for optical spectroscopy, in which polychromatic light is generated by a light source, the light to be examined penetrates sample material, is reflected by the sample material and / or excites the sample material to fluoresce, the light being divided into spatially separated frequency bands, wherein the split light is directed into a spectrometer, having a detector array, in particular a line spectrometer, with adjacent individual detectors, in particular photodiodes, and wherein a single detector is acted upon by the light of a frequency band and is read out via readout electronics, the intensity of the light being periodic in its amplitude is modulated and the frequency of the modulation is used as a reference signal for a correlation amplifier, the output voltage of a single detector being fed to the amplifier as an input signal. The invention further relates to an optoelectronic microspectrometer, comprising a beam splitter which divides incident light into spatially separated frequency bands, and a detector array with individual detectors (pixels) arranged next to one another, the light of a frequency band falling into a pixel, the detector array having a light-sensitive optical layer , which is divided into individual pixels by interruptions, with a thin-film technology ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Spektroskopie, wobei von einer Lichtquelle polychromatisches Licht erzeugt wird, wobei das Licht zu untersuchendes Probenmaterial durchdringt, vom Probenmaterial reflektiert wird und/oder das Probenmaterial zur Fluoreszenz anregt, wobei das Licht in räumlich getrennte Frequenzbänder aufgeteilt wird, wobei das aufgeteilte Licht in ein Spektrometer aufweisend einen Detektorarray, insbesondere Zeilenspektrometer, mit benachbart angeordneten Einzeldetektoren, insbesondere Photodioden, gelenkt wird und wobei ein Einzeldetektor von Licht eines Frequenzbandes beaufschlagt und über eine Ausleseelektronik ausgelesen wird. Die Erfindung betrifft ebenso ein optoelektronisches Mikrospektrometer aufweisend einen Strahlteiler, der einfallendes Licht in räumlich getrennte Frequenzbänder aufgeteilt, und einen Detektorarray mit nebeneinander angeordneten Einzeldetektoren (Pixeln), wobei das Licht eines Frequenzbandes in ein Pixel fällt. The invention relates to a method for optical spectroscopy, one of Light source polychromatic light is generated, the light being too penetrating sample material is reflected by the sample material and / or stimulates the sample material to fluoresce, the light being spatially separate frequency bands is split, the split light into one Spectrometer comprising a detector array, in particular a line spectrometer, with adjacent individual detectors, in particular photodiodes, is steered and being a single detector of light of a frequency band is acted upon and read out via readout electronics. The invention also relates to an optoelectronic microspectrometer having one Beam splitter, the incident light in spatially separated frequency bands divided, and a detector array arranged side by side Individual detectors (pixels), the light of a frequency band falling into a pixel.

Ein miniaturisiertes Spektrometersystem dieser Bauart ist beispielsweise aus der DE 100 10 514 A1 bekannt. Die DE 198 36 595 A1 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der die kompakte Anordnung insbesondere hinsichtlich der optoelektronischen und elektronischen Elemente beschrieben wird. Die Offenbarung bezieht sich auf eine Miniaturisierung mittels SMD oder COB-Technik, aber auch auf die Integration der bei CMOS-Zeilensensoren möglichen monolithisch integrierten anschließenden Vorverarbeitung auf dem gleichen Chip. A miniaturized spectrometer system of this type is for example from the DE 100 10 514 A1 known. DE 198 36 595 A1 shows a similar arrangement, in which the compact arrangement, in particular with regard to the optoelectronic and electronic elements is described. The revelation relates to miniaturization using SMD or COB technology, but also to Integration of the monolithic integrated possible with CMOS line sensors subsequent preprocessing on the same chip.

Bis heute sind mit herkömmlichen Mikrospektrometern optische Signale geringer Intensität, insbesondere bei (Auto)-Fluoreszenzmessungen, nicht zu erfassen. Dabei ist das schlechte Signal/Rauschverhältnis das Hauptproblem. Hinzu kommen Störlichtempfindlichkeit (Umgebungslicht) und geringe Dynamik (< 70 dB). To date, optical signals have been reduced with conventional microspectrometers Intensity, especially with (auto) fluorescence measurements, cannot be recorded. The main problem is the poor signal / noise ratio. in addition there is sensitivity to ambient light (ambient light) and low dynamics (<70 dB).

Das erlaubt es nicht, die Intensität der reflektierten Anregungsstrahlung und der Fluoreszenzstrahlung zusammen zu erfassen. Für optische spektroskopische Untersuchungen (Absorptions-, Lumineszenz- oder Reflektionsspektroskopie) werden in Medizin, Naturwissenschaft und Technik zumeist aufwendige und kostenintensive Anordnungen eingesetzt, bestehend aus einem Prisma oder einem optischen Gitter, einem Detektor und einer folgenden Elektronik. Im Falle von Mikrospektrometern löst ein Gitter das Spektrum örtlich auf, ein Zeilensensor wandelt die optischen Werte in elektrische Signale, die eine nachgeschaltete Elektronik aufbereitet. Letzteres wird heute meist von PC und Software unterstützt. Als Lichtquelle dienen bei den bekannten Spektrometern zumeist breitbandige thermische Lichtquellen. Eine direkte Amplitudenmodulation im kHz-Bereich ist hier nicht möglich. Bisher werden in Mikrospektrometern in der Regel CCD oder CMOS-Zeilensensoren eingesetzt. Die bekannten Spektrometer, insbesondere Mikrospektrometer, können mit herkömmlichen Detektoren optische Signale geringer Intensität, insbesondere bei der Autofluoreszenzmessung, nicht erfassen. That does not allow the intensity of the reflected excitation radiation and the fluorescent radiation together. For optical spectroscopic Investigations (absorption, luminescence or reflection spectroscopy) are mostly complex and expensive in medicine, science and technology costly arrangements used, consisting of a prism or an optical grating, a detector and subsequent electronics. In the event of a grid of microspectrometers locally resolves the spectrum, a line sensor converts the optical values into electrical signals that a downstream Electronics processed. Today, the latter is mostly supported by PC and software. In the known spectrometers, mostly broadband serve as the light source thermal light sources. There is a direct amplitude modulation in the kHz range not possible here. So far, CCD or are usually used in microspectrometers CMOS line sensors used. The known spectrometers, in particular Microspectrometers, optical signals can be used with conventional detectors low intensity, especially when measuring autofluorescence.

Im Stand der Technik sind zudem schnelle Messungen mit Mikrospektrometern bekannt, bei denen das Licht mit einem Prisma oder Gitter in die spektralen Anteile zerlegt wird und das gesamte Spektrum mit einer Detektorzeile nahezu zeitgleich aufgenommen wird. Eine solche Detektorzeile besteht aus vielen einzelnen Photodioden, die nebeneinander angeordnet sind. Da in der Regel mehr als 100 Dioden ausgelesen werden, erfolgt die Aufnahme und die Ausgabe der Signale üblicherweise zeitversetzt (sequentiell). Nachteil dieser Art der Mikrospektrometrie ist neben dem großen Zeitaufand die Störlichtempfindlichkeit, eine geringe Rauschunterdrückung sowie ein schlechter Dynamikbereich. The state of the art also includes rapid measurements using microspectrometers known in which the light with a prism or grating in the spectral Shares is broken down and almost the entire spectrum with one detector line is recorded at the same time. Such a detector line consists of many individual photodiodes, which are arranged side by side. Because usually more When 100 diodes are read out, the recording and output of the Signals usually delayed (sequential). Disadvantage of this type of In addition to the large amount of time, microspectrometry is the sensitivity to stray light low noise reduction and poor dynamic range.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Probleme zu lösen und ein Verfahren zur optischen Spektroskopie sowie ein entsprechendes Spektrometer zu schaffen, das bei einfachem Aufbau eine schnelle Aufnahme und präzise Bewertung von Spektren erlaubt. The object of the present invention is to solve the problems described and a method for optical spectroscopy and a corresponding one To create spectrometer that with a simple structure a quick recording and precise evaluation of spectra allowed.

Diese Aufgabe wird durch ein Vervahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 und ein Spektrometer nach Anspruch 8 gelöst. This task is accomplished by dealing with the characteristic features of claim 1 and a spectrometer according to claim 8 solved.

Kern der Erfindung ist, daß die Intensität des Lichts in seiner Amplitude periodisch moduliert wird und daß die Frequenz der Modulation als Referenzsignal für einen Korrelations-Verstärker (z. B. Lock-In Verstärker) genutzt wird, wobei die Ausgangsspannung eines Einzeldetektors dem Verstärker als Eingangssignal zugeführt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Modulationsfequenz im Bereich von kHz bis MHz liegt und/oder zur Beleuchtung optoelektronische Halbleiterbauelemente insbesondere LEDs oder Halbleiterlaser verwendet werden. Die Erfindung sieht demnach vor, (Mikro-)Spektrometrie mit Hilfe einer periodisch amplitudenmodulierten, polychromatischen Lichtquelle zu betreiben. Die Modulation erfolgt elektronisch, um Modulationsfrequenzen im Bereich einiger Kilohertz zu erreichen. Die Ansteuerung der Lichtquelle liefert zusätzlich ein elektrisches Referenzsignal, das proportional zur Intensität der Lichtquelle ist. Als Detektor wird eine Photodiodenzeile verwendet. In unserer Erfindung wird das Signal jeder einzelnen Photodiode mit dem oben genanten Referenzsignal korreliert. Vorteilhafter Weise erfolgt die Korrelation pixelweise innerhalb der Pixelelektronik oder pixelweise in einer nachgeschalteten Elektronik. The essence of the invention is that the intensity of the light is periodic in its amplitude is modulated and that the frequency of the modulation as a reference signal for one Correlation amplifier (e.g. lock-in amplifier) is used, the Output voltage of a single detector to the amplifier as an input signal is fed. It is advantageous if the modulation frequency is in the range from kHz to MHz and / or optoelectronic for lighting Semiconductor components used in particular LEDs or semiconductor lasers become. The invention accordingly provides for (micro) spectrometry with the aid of a to operate periodically amplitude-modulated, polychromatic light source. The modulation is done electronically to modulation frequencies in the range of some To reach kilohertz. The control of the light source also delivers electrical reference signal that is proportional to the intensity of the light source. As A photodiode array is used for the detector. In our invention, it will Signal of each individual photodiode with the reference signal mentioned above correlated. The correlation advantageously takes place pixel by pixel within the Pixel electronics or pixel by pixel in a downstream electronics.

Eine erste Form der Realisierung ist digital und besteht darin, die Signale jeder Photodiode einer Detektorzeile zeitgleich mit jeweils den einzelnen Dioden zugeordneten Analog/Digital-Wandlern zu digitalisieren und die Korrelation mit dem Referenzsignal durch Mikrokontroller oder einen digitalen Signal-Prozessor zu realisieren. Eine zweite Form der Realisierung ist analog und besteht darin, auf der Detektorzeile zu jeder Photodiode zusätzliche Schaltungselemente zu implementieren. Diese bestehen im wesentlichen jeweils aus einem einstellbaren Verstärker, einem Multiplikator einem Hochpass und einem Tiefpass, sowie einem einstellbaren Abschwächen Der Verstärker verstärkt die Signale der zugeordneten Photodiode. Vorteilhaft ist es, wenn sich der Verstärker der einzelnen Dioden individuell in mehreren, diskreten Verstärkungsstufen einstellen fassen. Damit lässt sich der Dynamikbereich der Detektorzeile erweitern. Das verstärkte Signal gelangt an den Multiplikator, wo es mit dem Referenzsignal der Lichtquelle multipliziert wird. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn das Referenzsignal individuell für jeden Multiplikator in diskreten Schritten abgeschwächt werden kann, um ebenfalls den Dynamikbereich zu erweitern. A first form of realization is digital and consists of the signals of everyone Photodiode of a detector line at the same time as the individual diodes digitize assigned analog / digital converters and correlate with the reference signal by microcontroller or a digital signal processor to realize. A second form of implementation is analog and consists of additional circuit elements to the detector row for each photodiode to implement. These essentially consist of an adjustable one Amplifier, a multiplier, a high pass and a low pass, and one adjustable attenuations The amplifier amplifies the signals of the assigned Photodiode. It is advantageous if the amplifier of the individual diodes set individually in several, discrete gain levels. In order to the dynamic range of the detector line can be expanded. The amplified signal gets to the multiplier, where it is with the reference signal of the light source is multiplied. It is also advantageous here if the reference signal is individual for each multiplier can be attenuated in discrete steps to also to expand the dynamic range.

Zur Elimination von Fremdlicht bietet es sich an, einen Hochpass zwischen Verstärker und Multiplikator zu implementieren. Der Hochpass lässt Signale der modulierten Anregungslichtquelle passieren, blockt jedoch Signale von konstantem Untergrundlicht bzw. sehr niederfrequentem Licht (z. B. 50/100 Hz von wechselstrombetriebenen Lichtquellen). Die Signale werden nach Multiplikation von einem Tiefpass integriert und als Messsignal jeder einzelnen Photodiode zugeordnet. Das Messsignal oder der Photostrom können dazu genutzt werden, um den Verstärker jeder einzelnen Photodiode und den Abschwächer des Referenzsignals jeder einzelnen Photodiode unter Ausweitung des Dynamikbereichs optimal einzustellen. To eliminate extraneous light, it is advisable to use a high pass between Implement amplifier and multiplier. The high pass sends signals from the modulated excitation light source pass, but blocks signals from constant background light or very low frequency light (e.g. 50/100 Hz from AC powered light sources). The signals are after multiplication integrated by a low pass and as a measurement signal of each individual photodiode assigned. The measurement signal or the photocurrent can be used to around the amplifier of each individual photodiode and the attenuator of the Reference signal of each individual photodiode by expanding the Optimal adjustment of dynamic range.

Die Detektorzeile wird in den beiden Formen der Realisierungen mit spektral breitbandigem Licht beleuchtet. Bei gegebenem (Mikro-)Spektrometer ist die Zuordnung der Wellenlänge zu den entsprechenden Photodioden bekannt. Daher ist es sinnvoll, die spektrale Empfindlichkeit der Dioden, z. B. durch Dotierung, anzupassen. Dies kann für einzelne als auch für Gruppen von Photodioden erfolgen. Ebenfalls sorgt eine wellenlängenabhängig aufgebrachte Antireflex- Beschichtung für eine erhöhte Empfindlichkeit der Detektorzeile. Eine solche wellenlängenselektive Detektorzeile muss dem (Mikro-)Spektrometer sehr präzise räumlich zugeordnet werden. Auf die Detektorzeile werden daher Positionsmarken aufgebracht, die eine exakte Montage vereinfachen. The detector line is spectral in both forms of implementation broadband light illuminated. Given a (micro) spectrometer, the Assignment of the wavelength to the corresponding photodiodes is known. Therefore it makes sense to adjust the spectral sensitivity of the diodes, e.g. B. by doping, adapt. This can be for single as well as for groups of photodiodes respectively. An anti-reflective Coating for increased sensitivity of the detector line. Such Wavelength-selective detector line must be very precise to the (micro) spectrometer be spatially assigned. Position marks are therefore placed on the detector line applied, which simplify exact assembly.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit amplitudenmodulierter Beleuchtung sowie das neue Spektrometer, das vorteilhafter Weise ausgestattet ist mit einem vertikal strukturierten Zeilendetektor, spektral angepasster Sensitivität, sowie Einzelpixel-Korrelationsverfahren, werden Sensitivität und Dynamik erheblich erhöht und gleichzeitig die Störlichtempfindlichkeit reduziert. Dabei lassen neue Bauelemente, neue Wege bei der optoelektronischen Wandlung zu, z. B. durch den Einsatz von hybrid aufgebauten, unlösbar verbundenen, vertikal strukturierten Sensoren (Thin Film an ASIC (TFA)-Technologie). Durch vertikale Integration einer strahlungsempfindlichen Dünnschichtdiode und eines Application Specific Integrated Circuit (ASIC) bieten diese Sensoren vielfältige Variationsmöglichkeiten hinsichtlich des Detektors als auch der Vorverarbeitung durch umfangreiche Elektronik, die in jedem Pixel integriert werden kann. Im ASIC kann zusätzlich eine pixelübergreifende anwendungsbezogene Weiterverarbeitung integriert werden. Durch band-gap und defect engeneering kann die spektrale Empfindlichkeit der Pixel (z. B. RGB) eingestellt werden. By the method according to the invention with amplitude-modulated lighting as well as the new spectrometer, which is advantageously equipped with a vertically structured line detector, spectrally adjusted sensitivity, as well as Single pixel correlation methods, sensitivity and dynamics become significant increased and at the same time reduced the sensitivity to stray light. Doing so leaves new ones Components, new ways in optoelectronic conversion, for. B. by the use of hybrid, inextricably linked, vertically structured Sensors (thin film on ASIC (TFA) technology). Through vertical integration a radiation sensitive thin film diode and an application specific Integrated Circuit (ASIC), these sensors offer a wide range of variations with regard to the detector as well as the preprocessing by extensive Electronics that can be integrated in every pixel. In the ASIC an additional Cross-pixel application-related processing can be integrated. The spectral sensitivity of the Pixels (e.g. RGB) can be set.

Die Erfindung bezieht sich auch auf herkömmliche Spektrometer, insbesondere Mikrospektrometer mit Glasfasereinkopplung, wobei dafür speziell angepasste Detektoren und auf sie abgestimmte, amplitudenmodulierte Beleuchtungsquellen vorgeschlagen werden. The invention also relates to conventional spectrometers, in particular Microspectrometer with fiber optic coupling, with specially adapted for this Detectors and amplitude-modulated lighting sources matched to them be proposed.

Mit der Erfindung ist in der Biophotonik die Erarbeitung von optischen Diagnoseverfahren sowie von in-vivo und on-line Messtechniken zur funktionalen Analyse von stoffwechselaktiven Zellen möglich. Zudem ist eine Direktdetektion der funktionellen Substanzen des Energiestoffwechsels auch im natürlichen Umfeld gegeben. Die Spektroskopie als diagnostisches Verfahren zur Untersuchung von biologischen Geweben ist bereits eine etablierte, medizinisch, klinische Untersuchungsmethode. Neben der Transmissions- und Reflexions- Spektroskopie wird - z. B. zum Erkennen von Entzündungen und Tumoren - auch die Fluoreszenz-Spektroskopie eingesetzt. Bei in-vivo-Untersuchungen ist es zuweilen schwierig oder gar unmöglich, die relativ schwachen Fluoreszenz- Signale - insbesondere bei nicht abschirmbarem Umgebungslicht - zu detektieren. With the invention in biophotonics, the development of optical Diagnostic procedures as well as in-vivo and on-line measurement techniques for functional Analysis of metabolically active cells possible. There is also a direct detection the functional substances of the energy metabolism also in the natural Given environment. Spectroscopy as a diagnostic procedure for Examination of biological tissues is already an established, medical, clinical examination method. In addition to the transmission and reflection Spectroscopy is - e.g. B. for the detection of inflammation and tumors - also used fluorescence spectroscopy. In in vivo studies it is sometimes difficult or even impossible, the relatively weak fluorescence Detect signals - especially when ambient light is not shieldable.

Vorteilhafterweise wird ein vertikal strukturierter Zeilensensors verwendet, der mit dem optischen Teil eines (Mikro-)Spektrometers verbunden ist und der besteht aus einer geeigneten Detektorschicht lichtwandelnder Pixel und einer darunter liegenden Pixelelektronik. Zudem ist es vorteilhaft eine Pixelelektronik einzusetzen, deren Verstärkung so gestaltet ist, daß hierzu in jedem Pixel Strom- oder Spannungsverstärker eingesetzt werden können. Es ist auch vorteilhaft, wenn eine Korrelation des Photostromes mit einem Referenzsignal in jedem Pixel erfolgt, insbesondere durch Multiplikation und elektronischer Filterung. Bei Korrelation von amplitudenmodulierten optischen Signalen (Photostrom und Referenzsignal) wird so eine Erhöhung des Signal-Rauschabstandes erreicht. Vorteilhaft ist auch eine Verstärkung, die durch globale Variation der Amplitude des Referenzsignals eine Verschiebung des Empfindlichkeitsbereiches ermöglicht oder die durch Variation der Amplitude des Referenzsignals in jedem Pixel individuell und varabel eine Ausweitung des Dynamikbereiches erlaubt. Eine weitere Ausweitung des Dynamikbereiches lässt sich realisieren, indem das Messsignal genutzt wird, um die Beleuchtungsintensität zu regulieren. A vertically structured line sensor is advantageously used, the with is connected to the optical part of a (micro) spectrometer and that exists from a suitable detector layer of light-converting pixels and one below lying pixel electronics. It is also advantageous to use pixel electronics whose amplification is designed in such a way that current or voltage amplifiers can be used. It is also beneficial if there is a correlation of the photocurrent with a reference signal in each pixel takes place, in particular by multiplication and electronic filtering. at Correlation of amplitude modulated optical signals (photocurrent and Reference signal), an increase in the signal-to-noise ratio is achieved. An amplification by global variation of the amplitude is also advantageous of the reference signal enables a shift in the sensitivity range or by varying the amplitude of the reference signal in each pixel an individual and variable extension of the dynamic range allowed. A further expansion of the dynamic range can be realized by the Measurement signal is used to regulate the lighting intensity.

Vorteilhaft ist eine Anordnung, bei der ein im ASIC implementierter Prozessor mit Speicher die Spektralverteilung der Lichtquelle, die unterschiedliche spektralen Empfindlichkeiten des Detektors und technologiebedingte Variationen der Pixelelektronik korrigiert. Zu bevorzugen ist eine Pixelansteuerungsschaltung, welche zur Regulation des Verstärkungsfaktors des Multiplizierers über den Photostrom eine zweite Ausleseleitung zur Verfügung stellt oder welche zur Regulation des Verstärkungsfaktors des Multiplizierers diskret von aussen ein globales Referenzsignal unterschiedlicher Amplitude im gleichen ASIC erzeugt und den Pixeln zur Verfügung stellt, wobei es möglich ist das Referenzsignal in diskrete Schweelenwerte aufzuteilen und mit dem Amplitudensignal zusammenzufügen. Außerdem kann das Spektrometer als Zweikanalspektrometer konzipiert sein. An arrangement in which a processor implemented in the ASIC is advantageous Store the spectral distribution of the light source, the different spectral Sensitivities of the detector and technology-related variations of the Pixel electronics corrected. A pixel drive circuit is preferred, which are used to regulate the amplification factor of the multiplier via the Photostrom provides a second read line or which for Regulation of the amplification factor of the multiplier discretely from the outside global reference signal of different amplitudes generated in the same ASIC and makes available to the pixels, it being possible for the reference signal in to divide discrete threshold values and with the amplitude signal put together. The spectrometer can also be used as a two-channel spectrometer be conceived.

Die Erfindung bezieht sich zudem auf eine Vorrichtung zur optischen Spektrometrie mit einem Zeilensensor, der die optischen Signale in elektrische Signale wandelt, wobei die Pixelelemente einzeln oder in Gruppen in ihrer spektralen Empfindlichkeit, insbesondere durch Verwendung unterschiedlicher Detektormaterialien, auf die jeweilig zu detektierenden Wellenlängen angepasst sind. Bei dieser Vorrichtung ist es vorteilhaft, die Schichtdicke der der Strahlung zugewandten obersten Schicht des Detektors, insbesondere der Transparent Conductive Oxide (TCO)-Schicht, für einzelne Pixel oder Gruppen von Pixeln ausgelegt ist, um Reflexionen innerhalb dieses Spektralbereichs zu reduzieren oder wenn zusätzlich zur TCO-Schicht eine weitere optisch transparente Schicht bzw. Schichtenfolge aufgebracht ist, um Reflexionen, insbesondere breitbandig, zu minimieren. The invention also relates to an optical device Spectrometry with a line sensor that converts the optical signals into electrical ones Converts signals, the pixel elements individually or in groups in their spectral sensitivity, especially by using different Detector materials, adapted to the respective wavelengths to be detected are. In this device it is advantageous to determine the layer thickness of the radiation facing top layer of the detector, especially the transparency Conductive Oxide (TCO) layer, for single pixels or groups of pixels is designed to reduce reflections within this spectral range or if in addition to the TCO layer, another optically transparent layer or layer sequence is applied to reflections, in particular broadband, to minimize.

Es ist auch vorteilhaft, wenn die Strahlung über Taper, insbesondere über ihren Umfang verspiegelte Taper, auf den Sensor geführt wird und/oder wenn der ASIC alle Elemente zur modulierten Versorgung mehrerer Beleuchtungsquellen, insbesondere von LDs/LEDs, enthält. Zudem ist zu bevorzugen, wenn ein oder mehrere Speicherelemente auf dem ASIC die Daten der Commision Internationale de 1'Eclairage (CIE) enthalten. In einer besonders vorteilhaften Form wird konsekutive Beleuchtung mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, Streulichteffekte oder Störeffekte höherer Ordnungen des spektral dispersiven Elements messtechnisch kompensiert. Über eine Kühlung des Detektors kann eine Verbesserung des Dynamikbereichs geschehen, wobei eine Wärmeabfuhr über die Detektor-ASIC-Unterseite erfolgt. Zur Verhinderung einer Kondensation kann eine Schutzgasfüllung zwischen Detektor und optischen Bauteilen des Spektrometers vorgesehen sein. It is also advantageous if the radiation is tapered, in particular via its Scope mirrored taper on which the sensor is guided and / or if the ASIC all elements for the modulated supply of several lighting sources, especially of LDs / LEDs. It is also preferable if one or several storage elements on the ASIC contain the data of the International Commission de 1'Eclairage (CIE) included. In a particularly advantageous form consecutive lighting with different wavelength ranges, Scattered light effects or interference effects of higher orders of the spectrally dispersive Elements compensated by measurement. Cooling the detector can an improvement in the dynamic range happen, with heat dissipation via the detector ASIC underside. To prevent condensation can a protective gas filling between the detector and optical components of the Spectrometer can be provided.

Vorteilhaft ist, wenn zur Herstellungsvereinfachung Positionierhilfen auf Detektor und dem zugeordneten optischen Bauteil des Spektrometers vorgesehen sind. It is advantageous if, to simplify production, positioning aids on the detector and the associated optical component of the spectrometer are provided.

Der Aufbau der Spektrometers/Zeilensensor Einheit und Zusammenwirken des integrierten Photosensorelementes mit der Signalverarbeitungsschaltung (ASIC) bzw. dem Abgleich mit Referenzsignalen und den Auslesemodi ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt. The structure of the spectrometer / line sensor unit and interaction of the integrated photosensor element with the signal processing circuit (ASIC) or the comparison with reference signals and the readout modes is in the Drawings shown schematically.

Claims

1. A method for optical spectroscopy, wherein polychromatic light is generated by a light source, the light to be examined penetrates sample material, is reflected by the sample material and / or excites the sample material to fluoresce, the light being divided into spatially separated frequency bands, the split Light is directed into a spectrometer having a detector array, in particular a line spectrometer, with adjoining individual detectors, in particular photodiodes, and wherein a single detector is acted upon by light from a frequency band and is read out via readout electronics, characterized in that the intensity of the light periodically modulates in its amplitude and that the frequency of the modulation is used as a reference signal for a correlation amplifier, the output voltage of a single detector being fed to the amplifier as an input signal.

2. The method according to claim 1, characterized in that several, in particular all of the simultaneously illuminated individual detectors within the duration of one Light pulse can be read out.

3. The method according to claim 2, characterized in that the individual detectors can be read out simultaneously.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that as a correlation amplifier Lock-in amplifier is used, which the frequency of the modulation as Reference signal is supplied.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the light in a measuring chamber is initiated.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the intensity with a Frequency of more than 500 Hz is modulated.

7. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the amplitude of the Reference signal is changed to the sensitivity and / or the To influence dynamics.

8. Optoelectronic microspectrometer having a beam splitter that incident light is divided into spatially separate frequency bands, and a detector array with individual detectors arranged side by side (Pixels), where the light of a frequency band falls into a pixel, characterized in that the detector array has light-sensitive optical layer, which by interruptions in individual pixels is divided so that an in Thin film technology manufactured electronic layer is arranged, wherein a correlation amplifier realized in thin film technology for each pixel Gain the voltage generated by the light in the pixel is assigned, the amplifier being the frequency at which the light source is modulated in intensity, is supplied as a reference signal.

9. microspectrometer according to claim 8, characterized in that the pixels on the optical Layer in its spectral sensitivity to that to be detected Frequency band are adjusted.

10. microspectrometer according to claim 8 or 9, characterized in that a pixel has the required Electronics, especially a processor with memory, in ASIC Technology contains.