DE112020001454T5

DE112020001454T5 - Selbstkalibrierende spektralsensoren module

Info

Publication number: DE112020001454T5
Application number: DE112020001454.1T
Authority: DE
Inventors: Javier MIGUEL SÁNCHEZ
Original assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2021-12-23
Also published as: CN113646616A; WO2020197498A1; US20220136901A1

Abstract

Ein Beispielsystem umfasst ein Gehäuse, das einen Hohlraum und eine Öffnung definiert, einen in dem Hohlraum angeordneten Fotodetektor, ein spannungsabstimmbares Interferometer, das in dem Hohlraum zwischen der Öffnung und dem Fotodetektor angeordnet ist, eine erste Lichtquelle, die in dem Hohlraum angeordnet ist, und eine elektronische Steuereinrichtung. Die elektronische Steuervorrichtung kann eine an das Interferometer angelegte Eingangsspannung verändern und gleichzeitig die erste Lichtquelle veranlassen, Licht in Richtung des Interferometers zu emittieren und das vom Interferometer reflektierte Licht unter Verwendung des Fotodetektors zu messen. Die elektronische Steuervorrichtung ist auch in der Lage, eine kalibrierte Eingangsspannung auf der Grundlage des vom Interferometer reflektierten und vom Fotodetektor gemessenen Lichts zu bestimmen. Die elektronische Steuervorrichtung ist auch in der Lage, die kalibrierte Eingangsspannung an das Interferometer anzulegen und gleichzeitig eine oder mehrere Spektralmessungen mit dem Fotodetektor durchzuführen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung bezieht sich auf spektrale Sensormodule zur Verwendung in Spektrometern.
HINTERGRUND
Ein Spektrometer ist ein Instrument zur Messung eines Lichtspektrums von Probenlicht (z. B. zur Bestimmung der Spektralkomponenten von ultraviolettem, sichtbarem und/oder infrarotem Licht). In einigen Ausführungen können Spektrometer die Intensität von Licht als Funktion der Wellenlänge oder der Frequenz bestimmen.
Spektrometer können für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel können Spektrometer für Umweltanalysen, industrielle Überwachung, Farbmessungen und pharmakologische Studien eingesetzt werden.
Ein Lichtspektrum kann auf unterschiedliche Weise gemessen werden, z. B. durch direkte Messung oder indirekte Messung. Ein Spektrometer, das für die direkte Messung konfiguriert ist, kann beispielsweise verschiedene Lichtwellenlängen räumlich trennen (z. B. mit wellenlängendispersiven Vorrichtungen wie Beugungsgittern oder Prismen) und die Leistungsverteilung jeder Lichtwellenlänge einzeln messen (z. B. um das Spektrum in Bezug auf bestimmte Wellenlängen „direkt“ zu messen).
Ein weiteres Beispiel: Ein Spektrometer, das für indirekte Messungen konfiguriert ist, kann Licht gemäß einer Reihe bekannter spektraler Modulationsmuster modulieren und Messungen des modulierten Lichts erhalten. Jede Messung liefert Informationen, die von mehreren Wellenlängen und mit unterschiedlichen Gewichtungen übertragen werden, und kann zur Rekonstruktion des Spektrums des ursprünglichen Lichts verwendet werden (z. B. mit einer Multiplextechnik).
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Spektrometersystem kann verwendet werden, um Informationen über eine Probe (z. B. ein Objekt) auf der Grundlage der Eigenschaften von Licht zu bestimmen, das von der Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird. Ein Spektrometersystem kann beispielsweise eine Lichtquelle umfassen, die Licht (z. B. Licht mit bekannten spektralen Eigenschaften) in Richtung der Probe aussendet, sowie einen Detektor, der das von der Probe reflektierte und/oder durch die Probe hindurchgehende Licht misst. Das Spektrometersystem kann die spektralen Eigenschaften des reflektierten und/oder durchgelassenen Lichts (z. B. die Verteilung des Lichts in Bezug auf einen Bereich von Wellenlängen) bestimmen und auf der Grundlage dieser Messungen Informationen über die Probe ermitteln. So kann das Spektrometersystem beispielsweise die physikalische Form oder das Profil der Probe, die Eigenschaften der Oberfläche der Probe und/oder die Zusammensetzung der Probe bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Spektrometersystem Licht in Bezug auf eine bestimmte Wellenlänge oder einen bestimmten Wellenlängenbereich messen. Dies kann z. B. nützlich sein, da Lichtmessungen in Bezug auf bestimmte Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche bei der Bestimmung der Eigenschaften der Probe besonders nützlich sein können (z. B. im Vergleich zu Lichtmessungen in Bezug auf andere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche). Dementsprechend kann das Spektrometersystem selektiv Licht innerhalb bestimmter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche messen (z. B. solche, die mehr Informationen und/oder wünschenswertere Informationen über die Probe liefern), während Licht innerhalb anderer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche nicht gemessen wird (z. B. solche, die weniger Informationen und/oder weniger wünschenswerte Informationen über die Probe liefern), um die Effizienz und Genauigkeit der Messungen zu verbessern.
In einigen Ausführungsformen kann ein Spektrometersystem Licht entsprechend einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich mit Hilfe eines Interferometers messen. Ein Interferometer ist ein Gerät, das Lichtinterferenz (z. B. durch Überlagerung von Lichtwellen) nutzt, um Informationen aus dem Licht zu gewinnen. Ein Interferometer kann beispielsweise von einer Probe reflektiertes und/oder transmittiertes Licht empfangen und durch Überlagerung des empfangenen Lichts entsprechend den verschiedenen Phasen selektiv eine Teilmenge des Lichts mit einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich zur Messung an den Detektor weiterleiten. Dementsprechend misst der Detektor nicht die Gesamtheit des von der Probe empfangenen Lichts, sondern eine begrenzte Teilmenge des empfangenen Lichts, die selektiv vom Interferometer übertragen wird.
In einigen Ausführungsformen kann ein Interferometer „abstimmbar“ sein, so dass ein System oder ein Benutzer eine bestimmte Wellenlänge oder bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichts angeben kann, das vom Interferometer zur Messung übertragen wird. Der Ausgang eines abstimmbaren Interferometers kann beispielsweise von einer Eingangsspannung abhängen, die an das Interferometer angelegt wird. Die Eingangsspannung kann variiert werden, um die Wellenlänge oder den Wellenlängenbereich des Lichts einzustellen, das selektiv vom Interferometer zur Messung an den Detektor übertragen wird.
In einigen Fällen kann die Leistung eines Interferometers jedoch auch von anderen Faktoren abhängen, z. B. von der Temperatur der Umgebung. Außerdem kann die Leistung eines Interferometers während seiner Lebensdauer schwanken. Beispielsweise kann die Leistung eines Interferometers aufgrund der Oxidation einer oder mehrerer Komponenten (z. B. eines Spiegels des Interferometers) variieren, was die Leistung des Interferometers im Laufe der Zeit verändern kann (z. B. eine Drift der vom Interferometer ausgegebenen nominalen zentralen Nennwellenlänge verursachen, die effektive Länge des Hohlraums des Interferometers verändern usw.). Ein weiteres Beispiel ist, dass die Wasseraufnahme in den Materialien des Interferometers im Laufe der Zeit zu einer zusätzlichen Belastung der Komponenten des Interferometers führen kann, was physikalische Veränderungen zur Folge hat, die die Leistung des Interferometers im Laufe der Zeit verändern können (z. B. Biegung aufgrund des größeren Volumens). Ein weiteres Beispiel ist, dass ein Material im Laufe der Zeit an Volumen verlieren kann, was zu einer Änderung der mechanischen Anordnung des Interferometers und einer entsprechenden Änderung der Leistung führt.
Dementsprechend kann ein Interferometer als Reaktion auf eine bestimmte Eingangsspannung Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen abgeben (z. B. aufgrund von Temperaturschwankungen in der Umgebung, des Alters des Geräts usw.). Diese Schwankungen können die Genauigkeit und/oder Präzision der Messungen eines Spektrometersystems beeinträchtigen, insbesondere wenn das Spektrometersystem in unterschiedlichen Umgebungen und/oder in einer nicht regulierten Umgebung eingesetzt wird.
Um seine Leistung zu verbessern, kann das Spektrometersystem die Eingangsspannung des Interferometers kalibrieren, um diesen Schwankungen Rechnung zu tragen. Beispielsweise kann das Spektrometersystem Licht in Richtung des Interferometers emittieren (z. B. mit einer internen Lichtquelle), die Intensität des vom Interferometer reflektierten Lichts messen (z. B. mit einem Fotodetektor) und die Eingangsspannung des Interferometers auf der Grundlage der Messungen kalibrieren.
Die Intensität des vom Interferometer reflektierten Lichts kann je nach den Eigenschaften des emittierten Lichts und den Übertragungseigenschaften des Interferometers variieren. Wenn beispielsweise die Lichtquelle Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich aussendet und das Interferometer so eingestellt ist, dass es Licht mit dieser Wellenlänge oder diesem Wellenlängenbereich durchlässt, wird das vom Interferometer reflektierte Licht relativ gering sein (z. B. weil das ausgesendete Licht im Wesentlichen durch das Interferometer durchgelassen und nicht vom Interferometer reflektiert wird). Wenn die Lichtquelle jedoch Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich aussendet und das Interferometer so eingestellt ist, dass es Licht mit einer anderen Wellenlänge oder einem anderen Wellenlängenbereich durchlässt, wird das vom Interferometer reflektierte Licht relativ höher sein (z. B. weil das ausgesendete Licht im Wesentlichen nicht durch das Interferometer durchgelassen wird).
Dementsprechend kann das Spektrometer die Eingangsspannung des Interferometers über einen Spannungsbereich wobbeln, während es gleichzeitig Licht in Richtung des Interferometers aussendet und die Intensität des reflektierten Lichts misst. Anhand der Messungen kann das Spektrometer eine Beziehung zwischen der Eingangsspannung des Interferometers und der resultierenden Wellenlänge oder dem Wellenlängenbereich des vom Interferometer ausgegebenen Lichts (z. B. entsprechend einer gemessenen Abnahme der Intensität des reflektierten Lichts) bestimmen. Das Spektrometer kann die Eingangsspannung auf der Grundlage dieser Beziehung kalibrieren (z. B. durch Ändern einer angelegten Eingangsspannung, so dass die Ausgabe des Interferometers genauer gesteuert wird).
In einigen Fällen ermöglicht diese Selbstkalibrierungstechnik dem Spektrometersystem, Temperatur- und Leistungsschwankungen auszugleichen und genauere und/oder präzisere Messungen vorzunehmen. Außerdem kann das Spektrometersystem dank dieser Selbstkalibrierungstechnik in einem breiteren Spektrum von Umgebungen und Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, und die effektive Betriebslebensdauer des Spektrometersystems wird verlängert.
In einem Aspekt umfasst ein System ein Gehäuse, das einen Hohlraum und eine Öffnung definiert, einen in dem Hohlraum angeordneten Photodetektor, ein in dem Hohlraum zwischen der Öffnung und dem Photodetektor angeordnetes spannungsabstimmbares Interferometer, eine in dem Hohlraum angeordnete erste Lichtquelle und eine elektronische Steuervorrichtung. Die elektronische Steuervorrichtung kann eine an das Interferometer angelegte Eingangsspannung verändern und gleichzeitig mit der Veränderung der an das Interferometer angelegten Eingangsspannung die erste Lichtquelle veranlassen, Licht in Richtung des Interferometers zu emittieren, und das vom Interferometer reflektierte Licht unter Verwendung des Fotodetektors messen. Die elektronische Steuervorrichtung ist auch in der Lage, auf der Grundlage des vom Interferometer reflektierten und vom Fotodetektor gemessenen Lichts eine kalibrierte Eingangsspannung zu bestimmen. Die elektronische Steuervorrichtung kann die kalibrierte Eingangsspannung an das Interferometer anlegen und gleichzeitig mit dem Anlegen der kalibrierten Eingangsspannung an das Interferometer eine oder mehrere Spektralmessungen unter Verwendung des Fotodetektors durchführen.
Implementierungen dieses Aspekts können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden, dass sie die kalibrierte Eingangsspannung bestimmt, indem sie einen Wert der Eingangsspannung ermittelt, der einer Mindestintensität des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts entspricht.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden, dass sie die kalibrierte Eingangsspannung bestimmt, indem sie feststellt, dass der Wert der Eingangsspannung, der der minimalen Intensität des vom Interferometer reflektierten gemessenen Lichts entspricht, die kalibrierte Eingangsspannung ist.
In einigen Ausführungsformen kann die erste Lichtquelle eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden, dass sie die erste Lichtquelle veranlasst, Licht in Richtung des Interferometers zu emittieren, indem sie die Vielzahl der lichtemittierenden Elemente veranlasst, Licht in einer bestimmten Reihenfolge zu emittieren.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden, dass sie die erste Lichtquelle veranlasst, Licht in Richtung des Interferometers zu emittieren, indem sie die Vielzahl der lichtemittierenden Elemente veranlasst, gleichzeitig Licht zu emittieren.
In einigen Fällen kann die erste Lichtquelle einen oder mehrere oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) enthalten.
In einigen Ausführungen kann das Interferometer ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI) umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann das System eine zweite Lichtquelle umfassen, die außerhalb des Hohlraums angeordnet ist. Die elektronische Steuervorrichtung kann so betrieben werden, dass die eine oder mehrere Spektralmessungen erhalten werden, indem die zweite Lichtquelle veranlasst wird, Probenlicht in Richtung eines Objekts zu emittieren, und indem mit dem Fotodetektor das von dem Objekt reflektierte Probenlicht gemessen wird.
In einigen Ausführungsformen kann die erste Lichtquelle so betrieben werden, dass sie Licht in einem ersten Wellenlängenbereich aussendet. Die zweite Lichtquelle kann so betrieben werden, dass sie Licht innerhalb eines zweiten Wellenlängenbereichs emittiert. Der erste Wellenlängenbereich kann sich von dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheiden.
In einigen Fällen kann der erste Wellenlängenbereich enger sein als der zweite Wellenlängenbereich.
In einigen Ausführungsformen kann das System eine Host-Vorrichtung umfassen. Das Gehäuse, der Photodetektor, das Interferometer, die Lichtquelle und die elektronische Steuervorrichtung können zumindest teilweise in dem Host-Gerät angeordnet sein.
In einigen Implementierungen kann das Host-Gerät mindestens ein Smartphone oder ein tragbares Gerät sein.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Verfahren das Variieren einer an ein spannungsabstimmbares Interferometer angelegten Eingangsspannung und das gleichzeitige Variieren der an das Interferometer angelegten Eingangsspannung, das Aussenden von Licht in Richtung des Interferometers und das Messen des vom Interferometer reflektierten Lichts. Das Verfahren umfasst auch die Bestimmung einer kalibrierten Eingangsspannung auf der Grundlage des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts. Das Verfahren umfasst auch das Anlegen der kalibrierten Eingangsspannung an das Interferometer und gleichzeitig mit dem Anlegen der kalibrierten Eingangsspannung an das Interferometer das Erhalten einer oder mehrerer Spektralmessungen unter Verwendung des Photodetektors,
Implementierungen dieses Aspekts können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Bestimmung der kalibrierten Eingangsspannung die Bestimmung eines Wertes der Eingangsspannung umfassen, der einer minimalen Intensität des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts entspricht.
In einigen Ausführungsformen kann die Bestimmung der kalibrierten Eingangsspannung die Feststellung beinhalten, dass der Wert der Eingangsspannung, der der minimalen Intensität des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts entspricht, die kalibrierte Eingangsspannung ist.
In einigen Ausführungsformen kann das Aussenden von Licht in Richtung des Interferometers das Aussenden von Licht durch eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen in einer Sequenz beinhalten.
In einigen Ausführungsformen kann das Aussenden von Licht in Richtung des Interferometers das gleichzeitige Aussenden von Licht durch eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen beinhalten.
In einigen Ausführungsformen kann das Erhalten der einen oder mehreren Spektralmessungen das Aussenden von Probenlicht auf ein Objekt und das Messen des vom Objekt reflektierten Probenlichts umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann das Licht in einem ersten Wellenlängenbereich liegen, das Probenlicht in einem zweiten Wellenlängenbereich. Der erste Wellenlängenbereich kann sich von dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheiden.
In einigen Fällen kann der erste Wellenlängenbereich enger sein als der zweite Wellenlängenbereich.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargestellt. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen.
Figurenliste

ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Spektrometersystems.
ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der an ein Interferometer angelegten Eingangsspannung und einer entsprechenden Wellenlänge des vom Interferometer ausgegebenen Lichts zeigt.
ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der an ein Interferometer angelegten Eingangsspannung und einer entsprechenden Wellenlänge des vom Interferometer ausgegebenen Lichts in Bezug auf mehrere verschiedene Temperaturen zeigt.
ist ein Diagramm eines Beispiels eines Sensormoduls.
enthält Diagramme, die den Wellenlängenbereich des von einer internen Lichtquelle eines Sensormoduls abgegebenen Lichts und den Wellenlängenbereich des von einem Interferometer des Sensormoduls durchgelassenen Lichts darstellen.
enthält weitere Diagramme, die den Wellenlängenbereich des von einer internen Lichtquelle eines Sensormoduls abgegebenen Lichts und den Wellenlängenbereich des von einem Interferometer des Sensormoduls durchgelassenen Lichts darstellen.
zeigt ein Diagramm der gemessenen Intensität des reflektierten Lichts in Bezug auf einen überstrichenen Bereich von Eingangsspannungen für ein Sensormodul.
ist ein Diagramm eines weiteren Beispiels eines Sensormoduls.
ist ein Diagramm eines weiteren Beispiels eines Sensormoduls.
ist ein Flussdiagramm eines Beispielverfahrens zur Messung der spektralen Verteilung von Licht, das von einer Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird
ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Computersystems.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt Ausführungen eines Spektrometersystems zur Messung der spektralen Verteilung von Licht, das von einer Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird. Ausführungen des Spektrometersystems umfassen ein spannungsabstimmbares Interferometer zur Auswahl bestimmter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche des Lichts für die Messung. Um Schwankungen im Ausgang des Interferometers (z. B. aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur, des Alters des Systems usw.) zu berücksichtigen, kann das Spektrometersystem die an das Interferometer angelegte Eingangsspannung selbst kalibrieren. In einigen Fällen kann das Spektrometersystem dadurch Schwankungen im Betrieb ausgleichen und genauere und/oder präzisere Messungen durchführen. Darüber hinaus kann das Spektrometersystem durch diese Selbstkalibrierungstechnik in einem breiteren Spektrum von Umgebungen und Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, und die effektive Betriebslebensdauer des Spektrometersystems wird verlängert.
zeigt ein Beispiel für ein Spektrometersystem 100. Das Spektrometersystem 100 kann als eigenständiges Gerät (z. B. als Einzelinstrument) oder als Teil eines anderen Geräts (z. B. als Teil eines Mehrzweckgeräts) implementiert werden. In einigen Implementierungen kann das Spektrometersystem 100 als Teil eines mobilen Geräts, wie z. B. eines Smartphones, eines Tablet-Computers oder eines tragbaren Computers, implementiert werden.
Wie in dargestellt, umfasst das Spektrometersystem 100 eine Lichtquelle 102 und ein Sensormodul 150 mit einem Interferometer 104, einer Spannungsquelle 106, einem Detektor 108 und einer elektronischen Steuereinrichtung 110. In einem Anwendungsbeispiel des Spektrometersystems 100 erzeugt die Lichtquelle 102 Licht 112, das in Richtung einer Probe 114 (z. B. eines in einem Probenbereich 160 positionierten Objekts) emittiert wird. Zumindest ein Teil des Probenlichts 116, das von der Probe 114 reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird, fällt auf das Interferometer 104. Basierend auf einer von der Spannungsquelle 106 erzeugten Eingangsspannung überträgt das Interferometer 104 selektiv eine Teilmenge des Probenlichts 118 (z. B. Probenlicht innerhalb einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs) an den Detektor 108. Der Detektor 108 misst die Eigenschaften der Teilmenge des Probenlichts 118 und liefert die Messwerte an die elektronische Steuereinrichtung 110. Auf der Grundlage der Messungen bestimmt die elektronische Steuervorrichtung 110 Informationen über die Probe 114 (z. B. ein Histogramm 120, das die spektrale Verteilung der Teilmenge des Probenlichts 118 darstellt, Merkmale der Probe 114 usw.). ).
Bei der Lichtquelle 102 handelt es sich um ein Bauteil, das Licht erzeugt und dieses in Richtung des Probenbereichs 160 abgibt. Die Lichtquelle 102 kann ein oder mehrere lichtemittierende Elemente enthalten. Die Lichtquelle 102 kann beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs), oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs), organische Leuchtdioden (OLEDs) oder andere Vorrichtungen zur selektiven Lichterzeugung umfassen.
Das Interferometer 104 ist ein Bauteil, das Informationen aus Licht mittels Lichtinterferenz extrahieren kann. Beispielsweise kann das Interferometer das Probenlicht 116 empfangen und durch eine Überlagerung des Probenlichts 116 entsprechend den verschiedenen Phasen selektiv die Teilmenge des Probenlichts 118 mit einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich zur Messung an den Detektor 108 übertragen. Das Interferometer 104 ist „abstimmbar“, so dass ein System oder ein Benutzer eine bestimmte Wellenlänge oder bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichts angeben kann, das vom Interferometer 104 zum Detektor 108 übertragen wird. Beispielsweise kann der Ausgang des Interferometers 104 von einer Eingangsspannung abhängen V_in abhängen, die von der Spannungsquelle 106 erzeugt und an das Interferometer 104 angelegt wird. Die Eingangsspannung V_in kann variiert werden, um die Wellenlänge oder den Wellenlängenbereich des Lichts einzustellen, das selektiv durch das Interferometer 104 zum Detektor 108 übertragen wird. In einigen Ausführungsformen kann das Interferometer 104 ein oder mehrere auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basierende abstimmbare Fabry-Perot-Interferometer (FI) umfassen.
Die Spannungsquelle 106 ist ein Bauteil zur Erzeugung der Eingangsspannung V_in. Die Spannungsquelle 106 kann eine oder mehrere digitale und/oder analoge Schaltungskomponenten zur Spannungserzeugung enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Spannungsquelle 106 eine oder mehrere Batterien oder elektrische Generatoren enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Spannungsquelle 106 elektrische Energie von einer externen Quelle (z. B. einer externen Stromversorgung) empfangen und die Eingangsspannung V_in unter Verwendung der empfangenen elektrischen Energie erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann die Spannungsquelle 106 kommunikativ mit der elektronischen Steuervorrichtung 110 verbunden sein und eine Eingangsspannung V_in Eingangsspannung mit einem bestimmten Spannungswert basierend auf Befehlssignalen s_Spannung die von der elektronischen Steuervorrichtung 110 empfangen werden. Obwohl in die Spannungsquelle 106 als Teil des Sensormoduls 150 dargestellt ist, kann die Spannungsquelle 106 in einigen Ausführungsformen als separate Komponente implementiert werden (z. B. als Teil des Spektrometersystems 100 oder eines anderen Geräts).
Der Detektor 108 ist ein Bauteil, mit dem die Eigenschaften der vom Interferometer 104 empfangenen Teilmenge des Probenlichts 118 gemessen werden können. In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 108 einen oder mehrere Photodetektoren oder andere lichtempfindliche Sensoren umfassen. Der Detektor 108 kann verschiedene Eigenschaften der Teilmenge des Probenlichts 118 messen. So kann der Detektor 108 beispielsweise die Intensität des Lichts und/oder die spektralen Eigenschaften des reflektierten Lichts in Bezug auf bestimmte Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche messen. In einigen Ausführungsformen ist der Detektor 108 in der Lage, die Teilmenge des Probenlichts 118 zu einem oder mehreren diskreten Zeitpunkten zu messen. In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 108 so betrieben werden, dass er Licht kontinuierlich, periodisch, intermittierend oder nach einem anderen Muster misst.
Die elektronische Steuervorrichtung 110 ist eine Komponente, mit der eine oder mehrere Funktionen des Spektrometersystems 100 gesteuert werden können. Beispielsweise kann die elektronische Steuervorrichtung 110 kommunikativ mit der Lichtquelle 102 gekoppelt sein und Befehlssignale an die Lichtquelle 102 senden, um die Lichtquelle 102 selektiv ein- oder auszuschalten (z. B. um Licht während ausgewählter Zeiträume zu erzeugen, wie z. B. während eines Messvorgangs) und/oder die Eigenschaften des erzeugten Lichts zu spezifizieren (z. B. um Licht gemäß einem bestimmten Muster, einer spektralen Zusammensetzung usw. zu erzeugen). Als weiteres Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 kommunikativ mit der Spannungsquelle 106 verbunden sein und Befehlssignale s_Spannung an die Spannungsquelle 106 senden, um eine Eingangsspannung zu erzeugen V_in Eingangsspannung mit einem bestimmten Spannungswert zu erzeugen (z. B. um den Ausgang des Interferometers 104 abzustimmen). Als weiteres Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 kommunikativ mit dem Detektor 108 gekoppelt sein und Messungen von dem Detektor 108 erhalten.
Ferner kann die elektronische Steuereinrichtung 110 auf der Grundlage der Messungen Informationen aus der Probe 114 ermitteln. Beispielsweise kann die elektronische Steuervorrichtung 110 ein Histogramm 120 erzeugen, das die spektrale Verteilung der Teilmenge des Probenlichts 118 darstellt. Als weiteres Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 andere Merkmale der Probe 114 auf der Grundlage der Messungen bestimmen, wie die physikalische Form oder das Profil der Probe, die Merkmale der Oberfläche der Probe und/oder die Zusammensetzung der Probe.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung 110 in Verbindung mit einer oder mehreren der anderen Komponenten des Spektrometersystems 100 und/oder des Sensormoduls 150 implementiert werden (z. B. als eine einzige integrierte Vorrichtung). In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung 110 als eine von einer oder mehreren der anderen Komponenten des Spektrometersystems 100 und/oder des Sensormoduls 150 getrennte Vorrichtung implementiert werden. Beispielsweise kann die elektronische Steuervorrichtung 110 ein Computersystem (z. B. ein Client-Computersystem oder ein Server-Computersystem) oder ein Computerprozessor sein, der von einer oder mehreren der anderen Komponenten des Spektrometersystems 100 und/oder des Sensormoduls 150 getrennt und verschieden ist.
Wie oben beschrieben, kann der Ausgang des Interferometers 104 von der Eingangsspannung V_in abhängen, die an das Interferometer 104 angelegt wird. Die Eingangsspannung V_in kann variiert werden, um die Wellenlänge oder den Wellenlängenbereich des Lichts einzustellen, das selektiv durch das Interferometer 104 zum Detektor 108 übertragen wird.
In einigen Ausführungsformen ist die Beziehung zwischen der an ein Interferometer angelegten Eingangsspannung V_in die an ein Interferometer angelegt wird, und der entsprechenden Wellenlänge des von dem Interferometer ausgegebenen Lichts nichtlinear ist. zeigt beispielsweise ein Diagramm 200, das eine Beziehung zwischen der an das Interferometer 104 angelegten Eingangsspannung V_in die an das Interferometer 104 angelegt wird, und der entsprechenden Wellenlänge des vom Interferometer 104 ausgegebenen Lichts für ein Spektrometersystem mit einem abstimmbaren Interferometer auf MEMS-Basis. In diesem Beispiel würde das Anlegen einer Eingangsspannung V_in Anlegen einer Eingangsspannung an das Interferometer 104 würde in diesem Beispiel dazu führen, dass Licht mit einem Wellenlängenbereich mit einer mittleren Wellenlänge von etwa 1550 nm ausgegeben wird, während andere Lichtwellenlängen außerhalb dieses Bereichs im Wesentlichen nicht vom Interferometer ausgegeben werden. In diesem Beispiel kann die Beziehung durch die Gleichung angenähert werden: $V^{2} = [\frac{2 κ}{ε_{0} ε_{α} A} x {(T - x)}^{2}],$
wobei k eine Federkonstante ist, x die Wellenlängenänderung (z. B. eine Verschiebung des Hohlraums des Interferometers) ist, ε_o die Dielektrizitätskonstante des Vakuums ist, ε_a die relative statische Dielektrizitätskonstante ist, A ist die Fläche der gleichen parallelen Platten des Interferometers, V ist die zwischen den Elektroden angelegte Spannung, und T ein Parameter ist, der mit der Geometrie und der elektrischen Permittivität des betrachteten Mediums zusammenhängt (z. B, $T = g - t_{d} (1 - \frac{ε_{a}}{ε_{b}}),$
wobei g die Dicke des Hohlraums ohne angelegte Spannung ist und t_d die Dicke der Schicht über der Elektrode ist, mit einer relativen statischen Permittivität von ε_b).
In einigen Ausführungsformen kann die Leistung eines Interferometers jedoch auch von der Temperatur der Umgebung abhängen. Dementsprechend kann ein Interferometer als Reaktion auf eine bestimmte Eingangsspannung aufgrund von Temperaturschwankungen in der Umgebung Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen ausgeben. Diese Schwankungen können die Genauigkeit und/oder Präzision der Messungen eines Spektrometersystems beeinträchtigen, insbesondere wenn das Spektrometersystem in unterschiedlichen Umgebungen und/oder in einer ungeregelten Umgebung eingesetzt wird. So kann beispielsweise eine elektronische Steuervorrichtung (110) zwar vorgeben, dass eine bestimmte Lichtwellenlänge zur Messung an den Detektor (108) übertragen wird, doch kann stattdessen eine andere Lichtwellenlänge übertragen werden, was zu Abweichungen bei den Messungen und/oder Fehlern bei der Interpretation dieser Messungen führt.
Als Beispiel zeigt ein Diagramm 210, das eine Beziehung zwischen (i) der an das Interferometer 104 angelegten Eingangsspannung V_in die an das Interferometer 104 angelegt wird, und (ii) der entsprechenden mittleren Wellenlänge des Wellenlängenbereichs des vom Interferometer 104 ausgegebenen Lichts in Bezug auf 7 verschiedene Temperaturen im Bereich von -40° C und 85°C (-40° C, -20° C, 5° C, 25° C, 45° C, 65° C und 85° C). Wie in dargestellt, kann ein Interferometer als Reaktion auf eine bestimmte Eingangsspannung V_in kann ein Interferometer als Reaktion auf eine bestimmte Eingangsspannung Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen ausgeben, die von der Temperatur abhängen. Daher können die Messergebnisse aufgrund von Temperaturschwankungen während und zwischen den einzelnen Messungen variieren.
In einigen Fällen kann sich die Leistung eines Interferometers über seine Lebensdauer hinweg verändern. Wenn das Interferometer altert, ändert sich beispielsweise die Beziehung zwischen der an das Interferometer angelegten Eingangsspannung V_in die an das Interferometer 104 angelegt wird, und der entsprechenden mittleren Wellenlänge des Wellenlängenbereichs des vom Interferometer 104 ausgegebenen Lichts verschieben oder „driften“ kann. „Daher können die resultierenden Messungen aufgrund des Alters des Geräts variieren.
Um seine Leistung zu verbessern, kann das Spektrometersystem die an das Interferometer angelegte Eingangsspannung selbst kalibrieren V_in die an das Interferometer 104 angelegt wird, selbst kalibrieren, um diesen Schwankungen Rechnung zu tragen. Ein Beispiel für ein Sensormodul 150 zur Durchführung von Selbstkalibrierungen ist in dargestellt.
Das Sensormodul 150 umfasst ein Gehäuse 300, das einen Hohlraum 302 und eine Öffnung 304 definiert. Einige oder alle Komponenten des in dargestellten Sensormoduls 150 können den in dargestellten Komponenten ähnlich sein. Beispielsweise kann das Sensormodul 150 einen Detektor 108, der in dem Hohlraum 302 (z. B. auf einem Substrat 306) angeordnet ist, und ein Interferometer 104, das in dem Hohlraum zwischen der Öffnung 304 und dem Detektor 108 (z. B. auf dem Substrat 306) angeordnet ist, umfassen. In einem Betriebsbeispiel des Sensormoduls 150 strahlt eine Lichtquelle (z. B. die in beschriebene Lichtquelle 102) Licht auf eine Probe (z. B. die in beschriebene Probe 114). Zumindest ein Teil des Lichts, das von der Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird, durchläuft die Öffnung 304 und fällt auf das Interferometer 104. Auf der Grundlage einer Eingangsspannung, die von einer Spannungsquelle erzeugt wird (z. B. der in beschriebenen Spannungsquelle 106), überträgt das Interferometer 104 selektiv eine Teilmenge des Probenlichts (z. B. Probenlicht innerhalb einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs) an den Detektor 108. Der Detektor 108 misst die Eigenschaften der Teilmenge des Probenlichts und liefert die Messungen an eine elektronische Steuervorrichtung (z. B. die in beschriebene elektronische Steuervorrichtung 110). Auf der Grundlage der Messungen ermittelt die elektronische Steuereinrichtung Informationen über die Probe (z. B. ein Histogramm, das die spektrale Verteilung der Teilmenge des Probenlichts darstellt, Merkmale der Probe usw.).
Das Sensormodul 150 umfasst auch eine interne Lichtquelle 308 und einen temperaturempfindlichen Sensor 314, der innerhalb des Hohlraums 302 (z. B. auf dem Substrat 306) angeordnet ist, um die Selbstkalibrierung zu erleichtern.
Der temperaturempfindliche Sensor 314 gibt ein variierendes Messsignal aus, das von der Umgebungstemperatur abhängt (z. B. von der Temperatur innerhalb des Hohlraums 302). Der temperaturempfindliche Sensor 314 kann zum Beispiel einen oder mehrere temperaturempfindliche Thermistoren umfassen.
Die interne Lichtquelle 308 ist ein Bauteil, das Licht erzeugt und in Richtung des Interferometers 104 emittiert. Die interne Lichtquelle 308 kann ein oder mehrere lichtemittierende Elemente enthalten. Beispielsweise kann die interne Lichtquelle 308 eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs), oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSELs), organische Leuchtdioden (OLEDs) oder andere Vorrichtungen, die selektiv Licht erzeugen, umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die interne Lichtquelle 308 Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich emittieren λ_emission. In einigen Ausführungsformen kann die interne Lichtquelle 308 Licht in einem relativ engen Wellenlängenbereich emittieren (z.B. in einem Bereich von weniger als 1nm). In einigen Fällen kann die interne Lichtquelle 308 Licht in einem engeren Wellenlängenbereich als die Lichtquelle 108 emittieren.
In einigen Ausführungsformen kann die interne Lichtquelle 308 Licht auf der Grundlage von Messsignalen des temperaturempfindlichen Sensors 314 aussenden (z. B. um temperaturabhängige Schwankungen der Wellenlänge oder des Wellenlängenbereichs zu berücksichtigen λ_emission). Beispielsweise könnte die Emission einer VCSEL-basierten internen Lichtquelle 308 um einen bestimmten Betrag in Abhängigkeit von der Temperatur variieren (z. B. etwa 0,07 nm/° C). Die elektronische Steuervorrichtung 110 kann die Temperatur des Hohlraums 302 auf der Grundlage des temperaturempfindlichen Sensors 314 bestimmen und die interne Lichtquelle 308 so abstimmen, dass die gewünschte Wellenlänge oder der gewünschte Wellenlängenbereich des Lichts emittiert wird.
In einem beispielhaften Selbstkalibrierungsprozess des Sensormoduls 150 sendet das Sensormodul 150 mit Hilfe der internen Lichtquelle 308 Licht 310 in Richtung des Interferometers 104 und misst mit Hilfe des Detektors 108 die Intensität des vom Interferometer 104 reflektierten Lichts 312. Das Sensormodul 150 kalibriert die Eingangsspannung V_in die an das Interferometer angelegt wird, auf der Grundlage der Messungen.
Die Intensität des vom Interferometer 104 reflektierten Lichts 312 kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften des emittierten Lichts 310 und den Übertragungseigenschaften des Interferometers 104 variieren. Als Beispiel zeigt ein Diagramm 400a, das den Bereich der Wellenlängen des von der internen Lichtquelle 308 λ_emission ausgegeben wird, und ein Diagramm 400b, in dem ein erster Wellenlängenbereich des Lichts dargestellt ist der von dem Interferometer 104 übertragen wird λ_{transmission,1} (z. B. entsprechend einer ersten Eingangsspannung V_in,1 die an das Interferometer 104 angelegt wird). In diesem Beispiel stimmen die Wellenlängenbereiche im Wesentlichen nicht überein (z. B., λ_emission liegt im Wesentlichen außerhalb des Bereichs von λ_{transmission,1}). Dementsprechend wird die gemessene Intensität des vom Interferometer 104 reflektierten Lichts relativ höher sein (z. B. weil das emittierte Licht im Wesentlichen nicht durch das Interferometer 104 übertragen wird).
Als weiteres Beispiel zeigt ein Diagramm 402a, das den Wellenlängenbereich des von der internen Lichtquelle 308 ausgegebenen Lichts darstellt λ_emission ausgegeben wird, und ein Diagramm 402b, das einen zweiten Wellenlängenbereich des Lichts darstellt, das vom Interferometer 104 λ_{transmission,2} (z. B. entsprechend einer zweiten Eingangsspannung V_in,2 die an das Interferometer 104 angelegt wird). In diesem Beispiel stimmen die Wellenlängenbereiche im Wesentlichen überein (z. B., λ_emission liegt im Wesentlichen innerhalb des Bereichs von λ_{transmission,2}). Dementsprechend wird die gemessene Intensität des vom Interferometer 104 reflektierten Lichts relativ geringer sein (z. B. weil das emittierte Licht im Wesentlichen durch das Interferometer hindurchgelassen und nicht vom Interferometer reflektiert wird).
Das Sensormodul 150 kann die Eingangsspannung Vin die an das Interferometer 104 angelegt wird, über einen Spannungsbereich abtasten, während es gleichzeitig Licht 310 in Richtung des Interferometers 104 aussendet und die Intensität des reflektierten Lichts 312 misst. Anhand der Messungen kann das Sensormodul 150 eine Beziehung zwischen der Eingangsspannung V_in des Interferometers 104 und der resultierenden Wellenlänge oder dem Wellenlängenbereich des Lichts, das vom Interferometer 104 ausgegeben wird, bestimmen (z. B. entsprechend einer gemessenen Abnahme der Intensität oder der minimalen Intensität des reflektierten Lichts 312). Das Sensormodul 150 kann die Eingangsspannung kalibrieren V_in auf der Grundlage dieser Beziehung kalibrieren (z. B. durch Änderung einer angelegten Eingangsspannung, so dass die Ausgabe des Interferometers genauer gesteuert wird).
zeigt als Beispiel ein Diagramm 404 der gemessenen Intensität des reflektierten Lichts 312 in Bezug auf einen überstrichenen Bereich von Eingangsspannungen V_in. Die gemessene Intensität des reflektierten Lichts 312 ist relativ hoch, wenn die Eingangsspannung zwischen V_in,a und liegt. V_in,b. Die gemessene Intensität des reflektierten Lichts 312 beginnt jedoch zu sinken, wenn die Eingangsspannung beginnt, den Wert V_in,b überschreitet, und ist am geringsten, wenn die Eingangsspannung V_in,c. Die gemessene Intensität des reflektierten Lichts 312 beginnt anzusteigen, wenn die Eingangsspannung beginnt, den Wert von y_in,c überschreitet, und ist wieder relativ hoch, wenn die Eingangsspannung zwischen V_in,d und liegt. V_in,e.
Die Eingangsspannung V_in,c entspricht dem maximalen Transmissionsgrad des Interferometers (z. B. in Übereinstimmung mit der Resonanzfrequenz des Interferometers). Wenn die Wellenlänge oder der Wellenlängenbereich des emittierten Lichts 312 bekannt ist (z. B., λ_emission), dann kann eine Beziehung zwischen der Eingangsspannung V_in,c und der Wellenlänge oder dem Bereich der Wellenlängen λ_emission (z. B. ein Datenpunktpaar aus Eingangsspannung und Ausgangswellenlänge (V_in,c, λ_emission)). In der Praxis bedeutet dies, dass, wenn eine Eingangsspannung V_in,c an das Interferometer 104 angelegt wird, das Interferometer Licht entsprechend einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich überträgt λ_emission.
In einigen Ausführungsformen kann das Sensormodul 150 eine Selbstkalibrierung auf der Grundlage eines einzigen Datenpunktpaares durchführen. Zum Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 die interne Lichtquelle 308 anweisen, Licht in Richtung des Interferometers 104 gemäß einer einzelnen Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs zu emittieren λ_emission. Gleichzeitig mit der Lichtemission kann die elektronische Steuervorrichtung 100 die Spannungsquelle 106 anweisen, einen wandernden Bereich von Eingangsspannungen V_in an das Interferometer anzulegen und die Intensität des reflektierten Lichts mit dem Detektor 108 zu messen. Die elektronische Steuervorrichtung 110 kann ein Datenpunktpaar bestimmen, das (i) die Eingangsspannung $V_{i n}^{'}$
die einer minimalen Intensität des gemessenen reflektierten Lichts entspricht, und (ii) die Wellenlänge oder den Wellenlängenbereich des Lichts λ_emission die von der internen Lichtquelle 308 emittiert werden (z. B. ein Datenpunktpaar $(V_{i n}^{'}, λ_{e m i s s i o n})$
Auf der Grundlage dieser Bestimmung kann die elektronische Steuervorrichtung 110 feststellen, ob der Ausgang des Interferometers von seinen Referenzeigenschaften abgewichen ist (z. B. durch Vergleich des Datenpunktpaares mit einem oder mehreren zuvor bestimmten Datenpunktpaaren oder Kalibrierungsnachschlagetabellen, während des Herstellungsprozesses programmierten Standardeinstellungen usw.), und die Eingangsspannung auf der Grundlage der Bestimmung anpassen. Wenn die elektronische Steuervorrichtung 110 beispielsweise anhand eines Datenpunktpaares feststellt, dass eine bestimmte Eingangsspannung V_in eine bestimmte Eingangsspannung das Interferometer veranlasst, eine andere Wellenlänge oder einen anderen Wellenlängenbereich des Lichts auszugeben als erwartet, kann die elektronische Steuervorrichtung 110 die Eingangsspannung während des Betriebs anpassen, um den Unterschied zu berücksichtigen (z. B. die Eingangsspannung erhöhen oder verringern, um die gewünschte Ausgabe zu erreichen). Die Daten des Kalibrierungsvorgangs (z. B. das Datenpunktpaar, die Anpassung der Eingangsspannung usw.) können zum späteren Abruf und zur Verwendung gespeichert werden (z. B. in einem Datenspeicher).
In einigen Ausführungsformen kann das Sensormodul 150 eine Selbstkalibrierung auf der Grundlage mehrerer Datenpunktpaare durchführen. Zum Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 die interne Lichtquelle 308 anweisen, Licht in Richtung des Interferometers 104 gemäß einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich zu emittieren λ_emission,1. Gleichzeitig mit der Lichtemission kann die elektronische Steuervorrichtung 110 die Spannungsquelle 106 anweisen, einen wandernden Bereich von Eingangsspannungen V_in an das Interferometer anzulegen und die Intensität des reflektierten Lichts mit dem Detektor 108 zu messen. Die elektronische Steuervorrichtung 110 kann ein erstes Datenpunktpaar bestimmen, das (i) eine erste Eingangsspannung $V_{i n,1}^{'}$
die einer minimalen Intensität des gemessenen reflektierten Lichts während des Spannungsdurchlaufs entspricht, und (ii) die erste Wellenlänge oder den ersten Wellenlängenbereich des Lichts λ_emission,1 die von der internen Lichtquelle 308 während des Durchlaufs emittiert werden (z. B. ein Datenpunktpaar $(V_{i n,1}^{'}, λ_{e m i s s i o n,1})$
Die elektronische Steuervorrichtung 110 kann diesen Vorgang ein oder mehrere Male für verschiedene Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche des emittierten Lichts wiederholen, um weitere Datenpunktpaare zu erhalten (z. B. $(V_{i n,2}^{'}, λ_{e m i s s i o n,2}), (V_{i n,3}^{'}, λ_{e m i s s i o n,3}), \dots (V_{i n, n}^{'}, λ_{e m i s s i o n, n})$
Auf der Grundlage dieser Datenpunktpaare kann die elektronische Steuervorrichtung 110 feststellen, ob der Ausgang des Interferometers von seinen Referenzeigenschaften abgewichen ist (z. B. durch Vergleich der Datenpunktpaare mit einem oder mehreren zuvor ermittelten Datenpunktpaaren oder Kalibrierungsnachschlagetabellen, während des Herstellungsprozesses programmierten Standardeinstellungen usw.), und die Eingangsspannung auf der Grundlage dieser Feststellung anpassen. Wenn die elektronische Steuervorrichtung 110 beispielsweise auf der Grundlage von Datenpunktpaaren feststellt, dass bestimmte Eingangsspannungen V_in bestimmte Eingangsspannungen dazu führen, dass das Interferometer andere Wellenlängen oder einen anderen Wellenlängenbereich des Lichts ausgibt als erwartet, kann die elektronische Steuervorrichtung 110 die Eingangsspannung während des Betriebs anpassen, um den Unterschied zu berücksichtigen (z. B. die Eingangsspannung erhöhen oder verringern, um die gewünschte Ausgabe zu erreichen).
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuereinrichtung eine Eingangsspannungsfunktion auf der Grundlage der mehreren Datenpunktpaare kalibrieren. Eine Eingangsspannungsfunktion kann beispielsweise eine Beziehung zwischen einer gegebenen Eingangsspannung und einer entsprechenden Wellenlänge oder einem Bereich von Wellenlängen des vom Interferometer ausgegebenen Lichts beschreiben (z. B. wie in den und dargestellt). Beispielsweise kann die elektronische Steuervorrichtung 110 eine Eingangsspannungsfunktion kalibrieren, indem sie eine Kurvenanpassung in Bezug auf die Eingangsspannungsfunktion durchführt (z. B. unter Verwendung von Regressionstechniken, wie Polynomregression), wobei ein oder mehrere Datenpunktpaare als Anpassungsparameter verwendet werden. Als weiteres Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 eine Eingangsspannungsfunktion kalibrieren, indem sie die Eingangsspannungsfunktion (z. B. in Bezug auf die Eingangsspannungsdimension und/oder die Ausgangswellenlängendimension) auf der Grundlage des einen oder der mehreren Datenpunktpaare verschiebt. In einigen Implementierungen kann die elektronische Steuervorrichtung 110 eine Nachschlagetabelle basierend auf dem Datenpunkt anpassen. Eine Nachschlagetabelle kann beispielsweise eine Anzahl von diskreten Eingangsspannungen und ihre entsprechenden Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche des vom Interferometer ausgegebenen Lichts angeben (z. B. in Form einer Datentabelle). Daten über den Kalibrierungsprozess (z. B. die Datenpunktpaare, die Anpassung der Eingangsspannung, die kalibrierte Eingangsspannungsfunktion, ein angepasstes Nachschlageetikett usw.) können zum späteren Abruf und zur Verwendung gespeichert werden (z. B. in einem Datenspeichergerät).
In einigen Ausführungsformen kann das elektronische Steuergerät 110 vor jeder Spektralmessung eine Selbstkalibrierung durchführen. Zum Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 eine Selbstkalibrierung mit einer internen Lichtquelle 308 durchführen und dann eine kalibrierte Eingangsspannung V_in an das Interferometer anlegen, um eine Spektralmessung in Bezug auf eine ausgewählte Wellenlänge oder einen ausgewählten Wellenlängenbereich durchzuführen (z. B. unter Verwendung der Lichtquelle 102). Dies kann z. B. zur Verbesserung der Präzision und/oder Genauigkeit des Spektrometersystems von Vorteil sein.
In einigen Ausführungsformen kann das elektronische Steuergerät 110 im Laufe des Betriebs regelmäßig eine Selbstkalibrierung durchführen. Zum Beispiel kann die elektronische Steuereinrichtung 110 eine Selbstkalibrierung mit einer internen Lichtquelle 308 bei jeder N Spektralmessungen und/oder einmal pro Zeitintervall T. Die elektronische Steuereinrichtung 110 kann anschließend eine kalibrierte Eingangsspannung V_in an das Interferometer anlegen, um eine oder mehrere Spektralmessungen in Bezug auf eine ausgewählte Wellenlänge oder einen ausgewählten Wellenlängenbereich durchzuführen (z. B. unter Verwendung der Lichtquelle 102). Dies kann beispielsweise zur Verbesserung der Präzision und/oder Genauigkeit des Spektrometersystems beitragen (z. B. im Vergleich zum Verzicht auf jegliche Selbstkalibrierung) und gleichzeitig den Zeitaufwand für die Durchführung des Selbstkalibrierungsprozesses verringern (z. B. im Vergleich zur Durchführung einer Selbstkalibrierung vor jeder Spektralmessung).
In einigen Ausführungsformen kann die Lichtquelle 102 in das Sensormodul integriert werden. Als Beispiel zeigt ein Sensormodul 500. Aspekte des Sensormoduls 500 können dem Sensormodul 150 ähnlich sein, das in Bezug auf gezeigt und beschrieben ist. Das Sensormodul 500 umfasst beispielsweise ein Gehäuse 300, das einen Hohlraum 302 und eine Öffnung 304 definiert. Das Sensormodul 150 umfasst auch einen Detektor 108, der in dem Hohlraum 302 (z. B. auf einem Substrat 306) angeordnet ist, und ein Interferometer 104, das in dem Hohlraum zwischen der Öffnung 304 und dem Detektor 108 (z. B. auf dem Substrat 306) angeordnet ist. Das Sensormodul 150 umfasst auch eine interne Lichtquelle 308 und einen temperaturempfindlichen Sensor 314, der innerhalb des Hohlraums 302 (z. B. auf dem Substrat 306) angeordnet ist, um die Selbstkalibrierung zu erleichtern (z. B. wie in den und beschrieben).
Ferner umfasst das Sensormodul 500 eine Lichtquelle 102, die in einem zweiten Hohlraum 502 des Gehäuses 300 angeordnet ist. In einem Betriebsbeispiel des Sensormoduls 500 strahlt die Lichtquelle 102 durch eine zweite Öffnung 504 des Gehäuses 300 Licht auf eine Probe ab. Zumindest ein Teil des von der Probe reflektierten und/oder durch die Probe durchgelassenen Lichts kehrt durch die Öffnung 304 zum Sensormodul 500 zurück und fällt auf das Interferometer 104. Basierend auf einer Eingangsspannung, die von einer Spannungsquelle erzeugt wird (z. B. der in beschriebenen Spannungsquelle 106), überträgt das Interferometer 104 selektiv eine Teilmenge des Probenlichts (z. B. Probenlicht innerhalb einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs) zum Detektor 108. Der Detektor 108 misst die Eigenschaften der Teilmenge des Probenlichts und liefert die Messungen an eine elektronische Steuervorrichtung (z. B. die in beschriebene elektronische Steuervorrichtung 110). Auf der Grundlage der Messungen ermittelt das elektronische Steuergerät Informationen über die Probe (z. B. ein Histogramm, das die spektrale Verteilung der Teilmenge des Probenlichts darstellt, Merkmale der Probe usw.).
In einigen Ausführungsformen kann ein Sensormodul mehrere interne Lichtquellen (z. B. mehrere Laseremitter, LEDs usw.) enthalten. Zumindest einige der internen Lichtquellen können so konfiguriert sein, dass sie Licht mit anderen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen als andere interne Lichtquellen emittieren. Dies kann zum Beispiel nützlich sein, da es dem Sensormodul 150 ermöglicht, eine Selbstkalibrierung in Bezug auf mehrere verschiedene Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche durchzuführen. Als Beispiel zeigt ein Sensormodul 600 mit zwei internen Lichtquellen 600a und 600b, die in einem Hohlraum 302 des Gehäuses 300 (z. B. auf dem Substrat 306) angeordnet sind. Obwohl in zwei interne Lichtquellen dargestellt sind, kann ein Sensormodul in der Praxis eine beliebige Anzahl interner Lichtquellen enthalten (z. B. eine, zwei, drei, vier oder mehr).
In einigen Fällen können eine oder mehrere der internen Lichtquellen so konfiguriert werden, dass sie Licht aussenden, um das Kontrastsignal am Detektor zu erhöhen oder zu maximieren. Beispielsweise können eine oder mehrere der Lichtquellen Linsen oder Mikrolinsen enthalten, um Licht in einem bestimmten Winkel auf das Interferometer zu richten, so dass das reflektierte Licht im Wesentlichen auf den Detektor fällt.
In einigen Fällen kann das Sensormodul so konfiguriert werden, dass es Licht unter Verwendung mehrerer interner Lichtquellen in einer Sequenz ausstrahlt (z. B. um über mehrere verschiedene Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche des ausgestrahlten Lichts zu fegen). Dies kann z. B. nützlich sein, um die Spitzenlast des Sensormoduls zu reduzieren (z. B. weil nicht alle internen Lichtquellen gleichzeitig Licht emittieren).
In einigen Fällen kann das Sensormodul so konfiguriert werden, dass es Licht unter Verwendung mehrerer interner Lichtquellen gleichzeitig aussendet (z. B. um Licht mit mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen gleichzeitig zu emittieren). Dies kann z. B. nützlich sein, um die für die Selbstkalibrierung benötigte Zeit zu verkürzen.
In einigen Fällen kann das Sensormodul so konfiguriert werden, dass es erkennt, wenn es beschädigt wurde. Beispielsweise kann ein Sensormodul in ähnlicher Weise wie in und beschrieben mit einer internen Lichtquelle Licht in Richtung eines Interferometers aussenden und das reflektierte Licht mit einem Detektor messen. Wenn das gemessene reflektierte Licht null oder im Wesentlichen null ist (z. B. über einen Bereich von gewobbelten Eingangsspannungen), kann das Sensormodul feststellen, dass das Sensormodul beschädigt ist. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn die interne Lichtquelle, der Detektor und/oder das Interferometer beschädigt sind oder auf andere Weise beschädigt wurden. Das Spektrometersystem kann den Benutzer auf diesen Schaden hinweisen (z. B. über einen Bildschirm, eine Anzeigeleuchte, einen Lautsprecher usw.).
Beispiel-Prozesse
Ein Beispielprozess 700 für die Verwendung eines Spektrometersystems ist in dargestellt. Das Verfahren 700 kann durchgeführt werden, um eine spektrale Verteilung von Licht zu messen, das von einer Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird. In einigen Ausführungsformen kann der Prozess 700 von einem oder mehreren der in den , , und dargestellten Spektrometersysteme und/oder Sensormodule durchgeführt werden.
Bei dem Verfahren 700 wird eine an ein spannungsabstimmbares Interferometer angelegte Eingangsspannung variiert (Schritt 702). Wie in dargestellt, kann beispielsweise eine Spannungsquelle 106 eine Eingangsspannung an ein Interferometer 104 auf der Grundlage von Anweisungen von einer elektronischen Steuervorrichtung 110 anlegen und diese Eingangsspannung über einen bestimmten Zeitraum variieren.
Gleichzeitig mit der Änderung der an das Interferometer angelegten Eingangsspannung wird Licht in Richtung des Interferometers emittiert, und das vom Interferometer reflektierte Licht wird gemessen (Schritt 704). Wie in den und gezeigt, kann beispielsweise eine interne Lichtquelle 308 Licht in Richtung des Interferometers 104 emittieren. In einigen Ausführungsformen kann das Licht von einer Vielzahl von lichtemittierenden Elementen in einer Folge emittiert werden. In einigen Ausführungsformen kann Licht von einer Vielzahl von lichtemittierenden Elementen gleichzeitig emittiert werden. Wie in dargestellt, kann beispielsweise Licht von zwei internen Lichtquellen 600a und 600b entweder nacheinander oder gleichzeitig emittiert werden.
Eine kalibrierte Eingangsspannung wird auf der Grundlage des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts bestimmt (Schritt 706). In einigen Ausführungsformen kann die kalibrierte Eingangsspannung bestimmt werden, indem ein Wert der Eingangsspannung ermittelt wird, der einer Mindestintensität des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts entspricht. Ferner kann bestimmt werden, dass der Wert der Eingangsspannung, der der minimalen Intensität des vom Interferometer reflektierten gemessenen Lichts entspricht, die kalibrierte Eingangsspannung ist. Beispielhafte Verfahren zur Bestimmung einer kalibrierten Eingangsspannung werden z. B. in den beschrieben.
Die kalibrierte Eingangsspannung wird an das Interferometer angelegt (Schritt 708). Wie in dargestellt, kann beispielsweise eine Spannungsquelle 106 eine kalibrierte Eingangsspannung an ein Interferometer 104 auf der Grundlage von Anweisungen einer elektronischen Steuervorrichtung 110 (z. B. auf der Grundlage der hier beschriebenen Kalibrierungsverfahren) anlegen.
Gleichzeitig mit dem Anlegen der kalibrierten Eingangsspannung an das Interferometer werden eine oder mehrere Spektralmessungen mit dem Fotodetektor durchgeführt (Schritt 710). Die Ermittlung der einen oder mehreren Spektralmessungen kann das Aussenden von Probenlicht in Richtung eines Objekts und die Messung des vom Objekt reflektierten Probenlichts umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das ursprünglich emittierte Licht in einem ersten Wellenlängenbereich und das Probenlicht in einem zweiten Wellenlängenbereich liegen. Der erste Wellenlängenbereich kann sich von dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheiden. In einigen Fällen kann der erste Wellenlängenbereich schmaler sein als der zweite Wellenlängenbereich.
Beispiel-Systeme
Einige Implementierungen der in dieser Spezifikation beschriebenen Gegenstände und Vorgänge können in digitalen elektronischen Schaltungen oder in Computersoftware, Firmware oder Hardware implementiert werden, einschließlich der in dieser Spezifikation offengelegten Strukturen und ihrer strukturellen Äquivalente oder in Kombinationen aus einem oder mehreren von ihnen. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere Komponenten des Spektrometersystems 100 und/oder der Sensormodule 150, 500 oder 600 (z. B. die elektronische Steuervorrichtung 110) durch digitale elektronische Schaltungen oder durch Computersoftware, Firmware oder Hardware oder durch Kombinationen aus einem oder mehreren davon implementiert werden. In einem anderen Beispiel kann der in gezeigte Prozess mit digitalen elektronischen Schaltungen oder in Computersoftware, Firmware oder Hardware oder in Kombinationen aus einem oder mehreren davon implementiert werden.
Einige der in dieser Spezifikation beschriebenen Implementierungen können als eine oder mehrere Gruppen oder Module digitaler elektronischer Schaltungen, Computersoftware, Firmware oder Hardware oder in Kombinationen von einem oder mehreren davon implementiert werden. Obwohl verschiedene Module verwendet werden können, muss nicht jedes Modul einzeln sein, und mehrere Module können auf derselben digitalen elektronischen Schaltung, Computersoftware, Firmware oder Hardware oder einer Kombination davon implementiert werden.
Einige der in dieser Spezifikation beschriebenen Implementierungen können als ein oder mehrere Computerprogramme implementiert werden, d. h. als ein oder mehrere Module von Computerprogrammanweisungen, die auf einem Computerspeichermedium kodiert sind, um von einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt zu werden oder den Betrieb eines solchen zu steuern. Ein Computerspeichermedium kann ein computerlesbares Speichergerät, ein computerlesbares Speichersubstrat, ein Speicherarray oder -gerät mit wahlfreiem oder seriellem Zugriff oder eine Kombination aus einem oder mehreren dieser Medien sein oder darin enthalten sein. Auch wenn ein Computerspeichermedium kein übertragenes Signal ist, kann ein Computerspeichermedium eine Quelle oder ein Ziel von Computerprogrammanweisungen sein, die in einem künstlich erzeugten übertragenen Signal kodiert sind. Das Computerspeichermedium kann auch aus einer oder mehreren separaten physischen Komponenten oder Medien (z. B. mehrere CDs, Disketten oder andere Speichervorrichtungen) bestehen oder darin enthalten sein.
Der Begriff „Datenverarbeitungsgerät“ umfasst alle Arten von Geräten, Vorrichtungen und Maschinen zur Verarbeitung von Daten, darunter beispielsweise einen programmierbaren Prozessor, einen Computer, ein System auf einem Chip oder mehrere oder Kombinationen der vorgenannten. Das Gerät kann spezielle Logikschaltungen enthalten, z. B. ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Das Gerät kann zusätzlich zur Hardware auch Code enthalten, der eine Ausführungsumgebung für das betreffende Computerprogramm schafft, z. B. Code, der eine Prozessor-Firmware, einen Protokollstapel, ein Datenbankverwaltungssystem, ein Betriebssystem, eine plattformübergreifende Laufzeitumgebung, eine virtuelle Maschine oder eine Kombination aus einem oder mehreren dieser Elemente darstellt. Das Gerät und die Ausführungsumgebung können verschiedene Computermodell-Infrastrukturen realisieren, z. B. Webdienste, verteiltes Rechnen und Grid-Computing-Infrastrukturen.
Ein Computerprogramm (auch als Programm, Software, Softwareanwendung, Skript oder Code bezeichnet) kann in jeder Form von Programmiersprache geschrieben werden, einschließlich kompilierter oder interpretierter Sprachen, deklarativer oder prozeduraler Sprachen. Ein Computerprogramm kann, muss aber nicht, einer Datei in einem Dateisystem entsprechen. Ein Programm kann in einem Teil einer Datei gespeichert werden, die auch andere Programme oder Daten enthält (z. B. ein oder mehrere Skripte, die in einem Auszeichnungssprachendokument gespeichert sind), in einer einzigen Datei, die dem betreffenden Programm gewidmet ist, oder in mehreren koordinierten Dateien (z. B. Dateien, die ein oder mehrere Module, Unterprogramme oder Teile von Code speichern). Ein Computerprogramm kann zur Ausführung auf einem Computer oder auf mehreren Computern bereitgestellt werden, die sich an einem Standort befinden oder über mehrere Standorte verteilt und über ein Kommunikationsnetz miteinander verbunden sind.
Einige der in dieser Spezifikation beschriebenen Prozesse und logischen Abläufe können von einem oder mehreren programmierbaren Prozessoren ausgeführt werden, die ein oder mehrere Computerprogramme ausführen, um Aktionen auszuführen, indem sie auf Eingabedaten einwirken und Ausgaben erzeugen. Die Prozesse und logischen Abläufe können auch von speziellen Logikschaltungen, z. B. einem FPGA (Field Programmable Gate Array) oder einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit), ausgeführt werden, und die Vorrichtung kann auch als solche implementiert werden.
Zu den Prozessoren, die sich für die Ausführung eines Computerprogramms eignen, gehören beispielsweise sowohl allgemeine als auch spezielle Mikroprozessoren sowie Prozessoren aller Arten von Digitalrechnern. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor Befehle und Daten aus einem Festwertspeicher oder einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff oder beidem. Ein Computer umfasst einen Prozessor zur Durchführung von Aktionen in Übereinstimmung mit Anweisungen und einen oder mehrere Speicher zum Speichern von Anweisungen und Daten. Ein Computer kann auch ein oder mehrere Massenspeichergeräte zum Speichern von Daten, z. B. Magnetplatten, magnetooptische Platten oder optische Platten, enthalten oder operativ gekoppelt sein, um Daten von diesen zu empfangen oder an diese zu übertragen, oder beides. Ein Computer muss jedoch nicht über solche Vorrichtungen verfügen. Zu den für die Speicherung von Computerprogrammanweisungen und -daten geeigneten Geräten gehören alle Formen von nichtflüchtigen Speichern, Medien und Speichergeräten, darunter beispielsweise Halbleiterspeichergeräte (z. B. EPROM, EEPROM, Flash-Speichergeräte und andere), Magnetplatten (z. B. interne Festplatten, Wechselplatten und andere), magnetooptische Platten sowie CD-ROM- und DVD-ROM-Platten. Der Prozessor und der Speicher können durch spezielle Logikschaltungen ergänzt werden oder in diese integriert sein.
Um eine Interaktion mit dem Benutzer zu ermöglichen, können Vorgänge auf einem Computer ausgeführt werden, der über eine Anzeigevorrichtung (z. B. einen Monitor oder eine andere Art von Anzeigevorrichtung) zur Darstellung von Informationen für den Benutzer sowie über eine Tastatur und eine Zeigevorrichtung (z. B. eine Maus, einen Trackball, ein Tablet, einen berührungsempfindlichen Bildschirm oder eine andere Art von Zeigevorrichtung) verfügt, über die der Benutzer Eingaben in den Computer machen kann. Auch andere Arten von Geräten können für die Interaktion mit dem Benutzer verwendet werden; so kann die Rückmeldung an den Benutzer in jeder Form von sensorischer Rückmeldung erfolgen, z. B. visuell, auditiv oder taktil, und die Eingaben des Benutzers können in jeder Form empfangen werden, einschließlich akustischer, sprachlicher oder taktiler Eingaben. Darüber hinaus kann ein Computer mit einem Benutzer interagieren, indem er Dokumente an ein vom Benutzer verwendetes Gerät sendet und von diesem empfängt, z. B. durch Senden von Webseiten an einen Webbrowser auf einem Client-Gerät des Benutzers als Reaktion auf vom Webbrowser empfangene Anforderungen.
Ein Computersystem kann ein einzelnes Computergerät oder mehrere Computer umfassen, die in der Nähe oder im Allgemeinen entfernt voneinander betrieben werden und typischerweise über ein Kommunikationsnetz miteinander kommunizieren. Beispiele für Kommunikationsnetze sind ein lokales Netz („LAN“) und ein Weitverkehrsnetz („WAN“), ein Inter-Netzwerk (z. B. das Internet), ein Netz mit einer Satellitenverbindung und Peer-to-Peer-Netze (z. B. Ad-hoc-Peer-to-Peer-Netze). Eine Beziehung zwischen Client und Server kann dadurch entstehen, dass Computerprogramme auf den jeweiligen Computern laufen und eine Client-Server-Beziehung zueinander haben.
zeigt ein Beispiel für ein Computersystem 800, das einen Prozessor 810, einen Speicher 820, ein Speichergerät 830 und ein Eingabe-/Ausgabegerät 840 umfasst. Jede der Komponenten 810, 820, 830 und 840 kann z. B. durch einen Systembus 850 miteinander verbunden sein. In einigen Ausführungsfonnen kann das Computersystem 800 dazu verwendet werden, den Betrieb eines Spektrometers zu steuern. So kann beispielsweise die in gezeigte elektronische Steuervorrichtung 110 ein Computersystem 800 enthalten, um den Betrieb einer oder mehrerer Komponenten eines Spektrometers zu steuern und/oder Messdaten zu verarbeiten. Der Prozessor 810 ist in der Lage, Anweisungen zur Ausführung innerhalb des Systems 800 zu verarbeiten. In einigen Ausführungsformen ist der Prozessor 810 ein Single-Thread-Prozessor, ein Multi-Thread-Prozessor oder eine andere Art von Prozessor. Der Prozessor 810 ist in der Lage, Anweisungen zu verarbeiten, die im Speicher 820 oder auf dem Speichergerät 830 gespeichert sind. Der Speicher 820 und das Speichergerät 830 können Informationen innerhalb des Systems 800 speichern.
Das Eingabe-/Ausgabegerät 840 ermöglicht Eingabe-/Ausgabeoperationen für das System 800. In einigen Implementierungen kann die Eingabe-/Ausgabevorrichtung 840 eine oder mehrere Netzwerkschnittstellenvorrichtungen, z. B. eine Ethernet-Karte, eine serielle Kommunikationsvorrichtung, z. B. einen RS-232-Anschluss, und/oder eine drahtlose Schnittstellenvorrichtung, z. B. eine 802.11-Karte, ein 3G-Funkmodem, ein 4G-Funkmodem, ein 5G-Funkmodem usw. umfassen. In einigen Implementierungen kann das Eingabe-/Ausgabegerät Treibergeräte umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie Eingabedaten empfangen und Ausgabedaten an andere Eingabe-/Ausgabegeräte senden, z. B. Tastatur, Drucker und Anzeigegeräte 860. In einigen Implementierungen können mobile Computergeräte, mobile Kommunikationsgeräte und andere Geräte verwendet werden.
Diese Spezifikation enthält viele Details, die jedoch nicht als Einschränkung des Umfangs der Ansprüche zu verstehen sind, sondern als Beschreibung von Merkmalen, die für bestimmte Beispiele spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Spezifikation im Zusammenhang mit separaten Implementierungen beschrieben werden, können auch kombiniert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Implementierung beschrieben werden, auch in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden.
Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen beschrieben. Dennoch können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne dass der Anwendungsbereich der Offenbarung verlassen wird. Dementsprechend fallen auch andere Ausführungsformen in den Anwendungsbereich der Ansprüche.

Claims

Ein System bestehend aus: ein Gehäuse mit einem Hohlraum und einer Öffnung; einen in der Kavität angeordneten Photodetektor; ein spannungsabstimmbares Interferometer, das in der Kavität zwischen der Öffnung und dem Photodetektor angeordnet ist; eine erste Lichtquelle, die in dem Hohlraum angeordnet ist; und ein elektronisches Steuergerät, das dazu dient: eine an das Interferometer angelegte Eingangsspannung variieren, gleichzeitig mit der Veränderung der an das Interferometer angelegten Eingangsspannung die erste Lichtquelle veranlassen, Licht in Richtung des Interferometers zu emittieren, und das vom Interferometer reflektierte Licht mit Hilfe des Fotodetektors messen, anhand des vom Interferometer reflektierten und vom Fotodetektor gemessenen Lichts eine kalibrierte Eingangsspannung zu bestimmen, Anlegen der kalibrierten Eingangsspannung an das Interferometer und gleichzeitig mit dem Anlegen der kalibrierten Eingangsspannung an das Interferometer eine oder mehrere Spektralmessungen mit dem Fotodetektor durchführen.
Das System nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuervorrichtung die kalibrierte Eingangsspannung bestimmt, indem sie einen Wert der Eingangsspannung bestimmt, der einer minimalen Intensität des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts entspricht.
Das System nach Anspruch 2, wobei die elektronische Steuervorrichtung die kalibrierte Eingangsspannung bestimmen kann, indem sie feststellt, dass der Wert der Eingangsspannung, der der minimalen Intensität des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts entspricht, die kalibrierte Eingangsspannung ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei die erste Lichtquelle eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen umfasst.
Das System nach Anspruch 4, bei dem die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden kann, dass sie die erste Lichtquelle veranlasst, Licht in Richtung des Interferometers zu emittieren, indem sie die Mehrzahl der lichtemittierenden Elemente veranlasst, Licht in einer Sequenz zu emittieren.
Das System nach Anspruch 4, wobei die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden kann, dass sie die erste Lichtquelle veranlasst, Licht in Richtung des Interferometers zu emittieren, indem sie die Mehrzahl der lichtemittierenden Elemente veranlasst, gleichzeitig Licht zu emittieren.
Das System nach Anspruch 1, wobei die erste Lichtquelle einen oder mehrere oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) umfasst.
Das System nach Anspruch 1, wobei das Interferometer ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI) umfasst.
Das System nach Anspruch 1, das ferner eine zweite Lichtquelle umfasst, die außerhalb des Hohlraums angeordnet ist, und wobei die elektronische Steuervorrichtung betreibbar ist, um die eine oder mehrere Spektralmessungen zu erhalten, indem: die zweite Lichtquelle veranlasst, Probenlicht in Richtung eines Objekts zu emittieren, und Messung des vom Objekt reflektierten Probenlichts mit Hilfe des Fotodetektors.
Das System nach Anspruch 9, wobei die erste Lichtquelle so betrieben werden kann, dass sie Licht in einem ersten Wellenlängenbereich emittiert, wobei die zweite Lichtquelle so betrieben werden kann, dass sie Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich emittiert, und wobei der erste Wellenlängenbereich sich von dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheidet.
Das System nach Anspruch 10, wobei der erste Wellenlängenbereich schmaler ist als der zweite Wellenlängenbereich.
Das System nach Anspruch 1, das ferner ein Host-Gerät umfasst, und wobei das Gehäuse, der Photodetektor, das Interferometer, die Lichtquelle und die elektronische Steuervorrichtung zumindest teilweise in der Host-Vorrichtung angeordnet sind.
Das System nach Anspruch 12, wobei das Host-Gerät mindestens ein Smartphone oder ein tragbares Gerät ist.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: eine an ein spannungsabstimmbares Interferometer angelegte Eingangsspannung variieren; bei gleichzeitiger Änderung der an das Interferometer angelegten Eingangsspannung: die Licht in Richtung des Interferometers aussendet, und Messung des vom Interferometer reflektierten Lichts; Bestimmung einer kalibrierten Eingangsspannung auf der Grundlage des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts; Anlegen der kalibrierten Eingangsspannung an das Interferometer; und gleichzeitig mit dem Anlegen der kalibrierten Eingangsspannung an das Interferometer eine oder mehrere Spektralmessungen unter Verwendung des Photodetektors zu erhalten,
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Bestimmung der kalibrierten Eingangsspannung umfasst: Bestimmung eines Wertes der Eingangsspannung, der einer Mindestintensität des gemessenen, vom Interferometer reflektierten Lichts entspricht.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Bestimmung der kalibrierten Eingangsspannung umfasst: Bestimmung, dass der Wert der Eingangsspannung, der der minimalen Intensität des vom Interferometer reflektierten Messlichts entspricht, die kalibrierte Eingangsspannung ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Emittieren von Licht in Richtung des Interferometers das Emittieren von Licht durch eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen in einer Sequenz umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Emittieren von Licht in Richtung des Interferometers das gleichzeitige Emittieren von Licht durch eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Erhalten der einen oder mehreren Spektralmessungen umfasst: das Aussenden von Probenlicht in Richtung eines Objekts und Messung des vom Objekt reflektierten Probenlichts.
Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Licht in einem ersten Wellenlängenbereich liegt, wobei das Probenlicht in einem zweiten Wellenlängenbereich liegt und wobei der erste Wellenlängenbereich sich vom zweiten Wellenlängenbereich unterscheidet.
Das Verfahren nach Anspruch 20, wobei der erste Wellenlängenbereich schmaler ist als der zweite Wellenlängenbereich.