WO2018046183A1 - Method and device for operating a spectrometer - Google Patents

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WO2018046183A1
WO2018046183A1 PCT/EP2017/069295 EP2017069295W WO2018046183A1 WO 2018046183 A1 WO2018046183 A1 WO 2018046183A1 EP 2017069295 W EP2017069295 W EP 2017069295W WO 2018046183 A1 WO2018046183 A1 WO 2018046183A1
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angle
spectrum
spectrometer
value
incidence
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PCT/EP2017/069295
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Ralf Noltemeyer
Martin HUSNIK
Eugen BAUMGART
Christian Huber
Benedikt Stein
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Robert Bosch Gmbh
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    • GPHYSICS
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    • G01J3/30Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/36Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • the subject of the present invention is also a computer program.
  • a detected spectrum may have an offset when the light falls obliquely on the spectrometer.
  • the method presented here introduces a method for operating a spectrometer, furthermore a device which uses this method, a spectrometer, and finally a corresponding computer program according to the main claims.
  • the measures listed in the dependent claims are advantageous
  • the wavelength error caused by obliquely incident light when detecting a spectrum depends on an angle of incidence of the light. Therefore, in the approach presented here, the angle of incidence is determined and used to determine a compensation value for the spectrum. The compensation value is applied to the offset spectrum and the spectrum is shifted.
  • a method for operating a spectrometer is presented, the method comprising the following steps:
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
  • an apparatus for operating a spectrometer having the following features: a determination device for determining a compensation value for compensating an offset of a spectrum detected by the spectrometer using an angle value, the angle value representing an angle of incidence of light which during collapsing the spectrum onto the spectrometer; and compensation means for compensating the spectrum using the compensation value to obtain an angle compensated spectrum.
  • a spectrometer can be understood as a component which has a spectral element in an optical path in front of a detector.
  • a spectrum is an intensity course over a wavelength range.
  • the spectrum can be recorded in parallel or serially. In the parallel recording, the entire spectrum is spatially resolved by the spectral element and a plurality of Captured intensity values with multiple pixels in a single timeslot. In the case of serial recording, the spectral element only passes through and covers a limited wavelength range of the incident light
  • Intensity value of the wavelength range is detected. In several time slots successively different wavelength ranges are transmitted and the resulting intensity values recorded. The spectrum is composed of the consecutively recorded intensity values.
  • the angle value can be detected using an angle sensor.
  • Compensation values can be stored in a table.
  • the device may comprise an angle detection device which is designed to detect an angle of incidence of light incident on the spectrometer during acquisition of the spectrum and to map it in the angle value.
  • the angle detection device can be integrated in the spectrometer. Thus, the actual angle of incidence can be detected during the acquisition of the spectrum.
  • the angle detector may include a photodetector having a pixel array with a plurality of pixels each providing an intensity value, the angle detector being configured to determine the angle value using the intensity values.
  • the angle may be determined using a centroid of light incident on the detector.
  • the photodetector can use the light that is used to capture the spectrum. This can avoid a systematic error. A totality of
  • Intensity values can be used to capture the spectrum.
  • the device may comprise a lighting device which is arranged laterally offset from the photodetector, wherein the pixels are aligned on an axis between the illumination device and the photodetector.
  • An illumination device can have, for example, an LED.
  • the illumination device may be aligned obliquely to an optical axis of the optical element. By the illumination device, the angle of incidence of the incident light is related to a distance between a lit object and the spectrometer.
  • the spectrometer can be used for distance measurement.
  • the photodetector may be configured to detect the spectrum.
  • the photodetector can use the light that is used to capture the spectrum. This can avoid a systematic error.
  • the pixels can be arranged two-dimensionally flat. Pixels oriented in a first direction can detect the spectrum. Transversely aligned pixels can provide the intensity values. Due to the planar arrangement of the pixels, the spectrum and the angle of incidence can be detected in parallel.
  • a spectral element of the spectrometer can be designed as a linearly variable filter. Through the linear variable filter, the spectrum can be recorded in parallel.
  • the spectral element of the spectrometer can be called micromechanical
  • Interferometer be formed. Through the interferometer, a simple photodetector can be used.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • FIG. 1 is a block diagram of a spectrometer with an apparatus for operating according to an embodiment
  • FIG. 2 is an illustration of angle detection using a pixel array according to an embodiment
  • FIG. 3 shows an illustration of an illumination spot incident centrally on a photodetector according to an exemplary embodiment
  • Fig. 4 is an illustration of a detected spectrum
  • FIG. 5 shows representations of off-center incident on a photodetector according to an embodiment illumination spots.
  • Fig. 6 is an illustration of a spectrum with offset
  • FIG. 7 shows an illustration of a spectrometer with a linearly variable filter according to an exemplary embodiment
  • FIG. 8 shows an illustration of a spectrometer with an interferometer according to an exemplary embodiment
  • FIG. 9 is a flowchart of a method for operating a
  • FIG. 1 shows a block diagram of a spectrometer 100 with an apparatus 102 for operating according to an exemplary embodiment.
  • the spectrometer 100 is configured to detect a spectrum 104 of incident light 106.
  • the spectrometer 100 has a spectral element 108.
  • the spectral element 108 is configured to separate the incident light 106 into its contained wavelengths.
  • a photodetector 110 images radiation intensities of the wavelengths in intensity values 112.
  • a detection device 114 detects the intensity values and maps them in the spectrum 104.
  • the spectral element is angle sensitive. If the incident light is incident at an angle of incidence 116 obliquely to a working axis 118 of the spectrometer 100, the separated wavelengths are shifted by an angle-dependent offset 120. This offset 120 is thus also shown in the spectrum 104. The spectrum 104 thus has the offset 120.
  • the device 102 has a determination device 122 and a
  • the determination device 122 is designed to determine a compensation value 126 for compensating the offset 120 using an angle value 128.
  • the angle value 128 represents the angle of incidence 116 during the detection of the spectrum 104.
  • the compensation device 124 is configured to compensate the spectrum 104 using the compensation value 126
  • the device 102 has a
  • Angle detection device 132 on.
  • the angle detection device 132 is designed to detect the angle of incidence 116 and to map it in the angle value 128.
  • the angle detection device 132 may be arranged next to the spectral element 108. Here is the
  • the angle detector 132 comprises the photodetector 110.
  • the photodetector 110 has a pixel field 134 with a plurality of pixels 136.
  • the pixels 136 each form the incident in the region of the pixel 136
  • the spectral element 108 is formed as an interferometer 108.
  • the interferometer 108 has two mirrors spaced apart by a gap.
  • a gap width 140 of the gap determines a wavelength transmitted through the interferometer 108.
  • a drive device 142 is configured to adjust the gap width 140 in response to a control signal 144, the gap width.
  • Control signal 144 may be provided by detector 114 to adjust gap width 140 to a new wavelength when a wavelength is detected.
  • Fig. 1 shows a device 100 and a miniature spectrometer 100, consisting of a non-illustrated
  • a spectral element 108 with a limited aperture and a photodetector 110, as at least two-part photodiode, quadrants
  • Photodiode or detector array 134 is executed.
  • Angle determination device 132 a difference signal 112 of the photodiode 110 is used to determine the main angle of incidence 116.
  • the spectral element 108 may be a micromechanical Fabry-Perot
  • Interferometer device 108 be.
  • the interferometer then consists of at least two spaced apart by a gap, superimposed mirror elements.
  • the knowledge of the main angle of incidence is used to correct the spectral offset 120.
  • the spectral element 108 may also be a linearly variable filter 108 with a wavelength change in X. Then, the detector 110 a
  • Wavelength offset error 120 is achieved in spectrometers 100.
  • Compensation of the wavelength offset 120 may provide higher accuracy of the
  • Wavelength spectrum 130 at different distances and thus a greater robustness of the system 100 in handling by the end user can be achieved.
  • FIG. 2 shows an illustration of angle detection using a pixel array 134 according to one embodiment.
  • the angle of incidence 116 is detected at a spectrometer 100, as shown for example in Fig. 1.
  • the spectrometer 100 here comprises an illumination device 200, which is arranged laterally offset from the photodetector 110.
  • Lighting device 200 is aligned obliquely to the working axis 118.
  • An illumination axis 202 of the illumination device 200 intersects the working axis 118.
  • An illumination beam of the illumination device 200 is divergent. As a distance 204 between the spectrometer 100 and an illuminated object becomes smaller, an illuminated area 206 on the object travels along the illumination axis 202 in the direction of
  • Lighting device 200 In this case, the illuminated area 206 is smaller. As the distance 204 increases, the illuminated area 206 travels away from the illumination device 200 along the illumination axis 202. At this time, the illuminated area 206 becomes larger. In other words, through the oblique illumination axis 202, the angle of incidence 116 between the spectrometer 100 and the illuminated area 206 changes as the distance 204 changes.
  • the illuminated area 206 may be referred to as a target.
  • Aperture diaphragm 208 or lens optics 208 is incident on the photodetector 110, a position of an illumination spot caused by the reflected light 106 on the photodetector 110 changes with the angle of incidence 116.
  • the pixel field 134 has two neighboring pixels 136. The pixels are along a connecting line between the illumination device 200 and the Photodetector 110 aligned. Depending on the position of the
  • Illumination spots a light intensity of the light 106 on the pixels 136 changes.
  • the light intensity is again mapped in the intensity values of the pixels 136.
  • FIG. 204 A typical eccentric light arrangement is shown in FIG. If 204 is measured at different distances, it will happen
  • spectral element for example, a Fabry Perot filter, which responds sensitively to input angle changes. Input angle deviations from the detector axis 118 are always shifted to shorter wavelengths.
  • FIG. 3 shows an illustration of an illumination spot 300 incident centrally on a photodetector 110 according to an exemplary embodiment
  • Photodetector 110 essentially corresponds to the representations in FIGS. 1 and 2.
  • the pixel field 134 is circular and has four equal pixels 136.
  • the pixels 136 are circular sector-shaped.
  • the illumination spot 300 strikes the pixel field 134 substantially in the center.
  • an illuminated area per pixel 136 is substantially identical.
  • the pixels 136 convert the incidental portion of the light from the illumination spot 300 in FIG.
  • the illumination spot 300 shifts laterally, depending on the distance on the detector 110.
  • a pixel array 134 or a detector 110 divided into at least two parts may reflect the different centroids of the reflected
  • Measure illumination spots 300 on the detector 110 are the same
  • Focal points measured using the four sectors 136 This difference is a measure of the angle of incidence and thus the distance of the target. Based on this data, the respective spectrum offset can be corrected by means of signal processing as in FIG.
  • Four-part detectors 110 may give an indication of sample homogeneity since lateral sectors 136 should have the same signal. Strength Differences may indicate a target inhomogeneity. Furthermore, it can be checked whether the illumination path or the mechanical
  • Focus analysis of the illumination spot 300 is performed over the entire spectrum, because different wavelengths and different angles of incidence are measured at the same time. Heavily varying spectra could lead to different measurement results depending on the setting of the spectral element. By measuring the entire spectrum and comparing the centroid positions, a plausibility check can be made
  • FIG. 4 shows a representation of a detected spectrum 104.
  • the spectrum 104 is plotted in a diagram which has plotted the wavelength ⁇ on the abscissa and an intensity on the ordinate.
  • the measured spectrum 104 has been detected by light incident substantially perpendicular to a spectral element.
  • the spectrum 104 has been detected at the illumination spot shown in FIG.
  • the spectrum 104 corresponds to an actual spectrum 400 or target spectrum due to the vertically incident light.
  • FIG. 5 shows illustrations of off-center illumination spots 300 impinging on a photodetector 110 according to an exemplary embodiment
  • Photodetector 110 is shown twice and essentially corresponds to the photodetector in FIG. 3.
  • the light has dropped obliquely through an optical system or aperture arranged in front of detector 110.
  • the illumination spot 300 is thus shifted laterally on the pixel field 134.
  • Lighting spots 300 each unevenly distributed to the pixels 136 of the pixel array 134.
  • the pixels 136 provide different intensity values.
  • FIG. 6 shows a representation of a spectrum 104 with offset 120.
  • the spectrum 104 is plotted as in FIG. 4 in a diagram which has plotted the wavelength ⁇ on the abscissa and an intensity on the ordinate.
  • Spectrum 104 is light incident obliquely on a spectral element been recorded. For example, the spectrum 104 has been detected at one of the illumination spots shown in FIG. The intensity values of the spectrum 104 are shifted by the offset 120 relative to the actual spectrum 400.
  • Correction value for compensating the offset 120 are read out, for example, from a stored table. Likewise, the correction value can be calculated by a calculation rule. The detected spectrum 104 can thus be shifted by the correction value in order to obtain the compensated spectrum 130, which essentially corresponds to the actual spectrum 400.
  • FIG. 7 shows a representation of a spectrometer 100 with a linearly variable filter 108 according to one exemplary embodiment.
  • the spectrometer essentially corresponds to the spectrometer in FIG. 1.
  • the pixel field 134 is embodied here as a matrix with pixels 136 in rows and columns. In this case, the rows are aligned with a filter direction of the linearly variable filter 108 or an x-direction, while the columns are oriented transversely to the filter direction or in ay direction.
  • the linearly variable filter 108 has two dielectric mirrors 700, which have a decreasing distance from one another via the filter direction. The distance determines a transmitted wavelength. Due to the decreasing distance, the filter 108 passes through a wavelength profile in the filter direction, whereby the rows of the pixel field 134 detect the spectrum 104. The columns of the pixel array 134 detect the angle of incidence.
  • FIG. 8 shows a representation of a spectrometer 100 with an interferometer 108 according to one exemplary embodiment.
  • the spectrometer corresponds to
  • the pixel array 134 is formed here as a matrix with pixels 136 in rows and columns.
  • the interferometer 108 acts as the pinhole 208.
  • the interferometer 108 passes one resonance wavelength and its harmonics at a time.
  • the harmonics can be filtered out.
  • the spectrum is chronologically consecutive subsequent individual measurements at each different transmitted wavelengths detected.
  • both the rows and the columns detect the angle of incidence 116.
  • the angle of incidence 116 is detected in two spatial directions.
  • FIG. 8 shows a spectrometer 100 with a Fabry-Perot interferometer 108 for distance measurement and for incident angle measurement.
  • Micromechanical Fabry-Perot interferometers (FPI) 108 consist of two mirror elements, which are arranged on a substrate above a through hole. Interferometers 108 may also be constructed of two substrates with through holes.
  • the light beam 106 should be routed vertically through the sandwich design with two highly reflective mirrors, narrowband regions being transmitted around a resonant wavelength and their overtones depending on the distance between the two mirrors. By varying the distance, the desired resonant wavelength can be adjusted, measured in a subsequent detector 110, and a spectrum can thus be recorded serially.
  • An additional band pass filter located in front of it can filter out the desired order so that errors due to other orders are minimized.
  • Fabry-Perot interferometers (FPI) 108 as a linear variable filter 108 or mechanically tunable interferometer 108, a variation of the angle of incidence 116 of the light beam 106 causes a shift in the measured one
  • the illumination axis and optical axis 118 of the detector 110 are different. In the case of vertical displacements of the target 206, the illumination spot is displaced laterally, which is measured by the detector 110.
  • the offset of the wavelength shift increases, the more dense the target 206 or object on the wavelength
  • Spectrometer 100 is positioned. With the same lateral displacement to the optical axis 118 of the spectrometer 100, this results in an increase of the angle of incidence 116 to the surface normal 118.
  • An eccentric illumination of the target takes place in order to generate a lateral displacement of the illumination region 206 in relation to the optical axis 118 of the spectrometer 100. This shift produces a photon angle of incidence change on the
  • the Spectrometer 100 which leads to an offset shift of the wave detection.
  • the measurement of the illumination spot position is effected, for example, via the light centroid at the location of the detector 110.
  • the device according to the approach presented here carries out a correction of the wavelength spectrum offset as a function of the illumination spot position on the detector 110.
  • the spectral element 108 is a linearly variable filter 108, as in FIG. 7.
  • the illumination 200 is arranged eccentrically.
  • a variation of the sample spacing results in a varying angle of incidence 116 of the diffusely reflected radiation.
  • the linearly variable filter 108 provides a map of the spectrum.
  • the variation of the angle 11 provides for a Displacement of the difference signal between the lines, from which the angle 116 can be determined.
  • the method 900 includes a step 902 of determining and a step 904 of compensating.
  • step 902 of the determination a compensation value for compensating an offset of a spectrum detected by the spectrometer is subjected to
  • the angle value represents an angle of incidence of light incident on the spectrometer during acquisition of the spectrum.
  • the spectrum is compensated using the compensation value to obtain an angle compensated spectrum.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Abstract

The invention relates to a device (102) for operating a spectrometer (100), wherein the device (102) comprises a determination device (122) for determining a compensation value (126) for compensating an offset (120) of a spectrum (104) detected by the spectrometer (100) using an angle value (128), and a compensating device (124) for compensating the spectrum (104) using the compensation value (126) in order to obtain an angle-compensated spectrum (130), wherein the angle value (128) represents an angle of incidence (116) of light (106) which is incident on the spectrometer (100) during the detection of the spectrum (104).

Description

Beschreibung Titel  Description title
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Spektrometers Stand der Technik  Method and apparatus for operating a spectrometer prior art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm. The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Bei einem Spektrometer kann ein erfasstes Spektrum einen Offset aufweisen, wenn das Licht schräg auf das Spektrometer fällt. In a spectrometer, a detected spectrum may have an offset when the light falls obliquely on the spectrometer.
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Spektrometer, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Against this background, the method presented here introduces a method for operating a spectrometer, furthermore a device which uses this method, a spectrometer, and finally a corresponding computer program according to the main claims. The measures listed in the dependent claims are advantageous
Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Further developments and improvements of the device specified in the independent claim possible.
Der durch schräg einfallendes Licht verursachte Wellenlängenfehler beim Erfassen eines Spektrums ist abhängig von einem Einfallswinkel des Lichts. Daher wird bei dem hier vorgestellten Ansatz der Einfallswinkel bestimmt und zum Ermitteln eines Kompensationswerts für das Spektrum verwendet. Der Kompensationswert wird auf das offsetbehaftete Spektrum angewendet, und das Spektrum verschoben. Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: The wavelength error caused by obliquely incident light when detecting a spectrum depends on an angle of incidence of the light. Therefore, in the approach presented here, the angle of incidence is determined and used to determine a compensation value for the spectrum. The compensation value is applied to the offset spectrum and the spectrum is shifted. A method for operating a spectrometer is presented, the method comprising the following steps:
Ermitteln eines Kompensationswerts zum Kompensieren eines Offsets eines von dem Spektrometer erfassten Spektrums unter Verwendung eines Winkelwerts, wobei der Winkelwert einen Einfallswinkel von Licht repräsentiert, welches während eines Erfassens des Spektrums auf das Spektrometer eingefallen ist; und Determining a compensation value for compensating for an offset of a spectrum sensed by the spectrometer using an angle value, the angle value representing an angle of incidence of light incident on the spectrometer during acquisition of the spectrum; and
Kompensieren des Spektrums unter Verwendung des Kompensationswerts, um ein winkelkompensiertes Spektrum zu erhalten. Compensating the spectrum using the compensation value to obtain an angle compensated spectrum.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines Spektrometers vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines Kompensationswerts zum Kompensieren eines Offsets eines von dem Spektrometer erfassten Spektrums unter Verwendung eines Winkelwerts, wobei der Winkelwert einen Einfallswinkel von Licht repräsentiert, welches während eines Erfassens des Spektrums auf das Spektrometer eingefallen ist; und eine Kompensationseinrichtung zum Kompensieren des Spektrums unter Verwendung des Kompensationswerts, um ein winkelkompensiertes Spektrum zu erhalten. Furthermore, an apparatus for operating a spectrometer is presented, the apparatus having the following features: a determination device for determining a compensation value for compensating an offset of a spectrum detected by the spectrometer using an angle value, the angle value representing an angle of incidence of light which during collapsing the spectrum onto the spectrometer; and compensation means for compensating the spectrum using the compensation value to obtain an angle compensated spectrum.
Unter einem Spektrometer kann ein Bauelement verstanden werden, das ein spektrales Element in einem optischen Pfad vor einem Detektor aufweist. Ein Spektrum ist ein Intensitäts verlauf über einen Wellenlängenbereich. Das Spektrum kann dabei parallel oder seriell aufgezeichnet werden. Bei der parallelen Aufzeichnung wird das ganze Spektrum durch das spektrale Element räumlich aufgelöst und über einen zellenförmigen Detektor eine Mehrzahl von Intensitätswerten mit mehreren Pixeln in einem einzelnen Zeitschlitz erfasst. Bei der seriellen Aufzeichnung lässt das spektrale Element jeweils nur einen begrenzten Wellenlängenbereich des einfallenden Lichts durch und ein A spectrometer can be understood as a component which has a spectral element in an optical path in front of a detector. A spectrum is an intensity course over a wavelength range. The spectrum can be recorded in parallel or serially. In the parallel recording, the entire spectrum is spatially resolved by the spectral element and a plurality of Captured intensity values with multiple pixels in a single timeslot. In the case of serial recording, the spectral element only passes through and covers a limited wavelength range of the incident light
Intensitätswert des Wellenlängenbereichs wird erfasst. In mehreren Zeitschlitzen nacheinander werden verschiedene Wellenlängenbereiche durchgelassen und die resultierenden Intensitäts werte erfasst. Das Spektrum wird aus den nacheinander erfassten Intensitäts werten zusammengesetzt. Der Winkelwert kann unter Verwendung eines Winkelsensors erfasst werden. Intensity value of the wavelength range is detected. In several time slots successively different wavelength ranges are transmitted and the resulting intensity values recorded. The spectrum is composed of the consecutively recorded intensity values. The angle value can be detected using an angle sensor.
Kompensationswerte können in einer Tabelle hinterlegt sein. Compensation values can be stored in a table.
Die Vorrichtung kann eine Winkelerfassungseinrichtung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, einen Einfallswinkel von während eines Erfassens des Spektrums auf das Spektrometer einfallenden Lichts zu erfassen und in dem Winkelwert abzubilden. Die Winkelerfassungseinrichtung kann in das Spektrometer integriert sein. Damit kann der tatsächliche Einfallswinkel während des Erfassens des Spektrums erfasst werden. The device may comprise an angle detection device which is designed to detect an angle of incidence of light incident on the spectrometer during acquisition of the spectrum and to map it in the angle value. The angle detection device can be integrated in the spectrometer. Thus, the actual angle of incidence can be detected during the acquisition of the spectrum.
Die Winkelerfassungseinrichtung kann einen Fotodetektor aufweisen, der ein Pixelfeld mit einer Mehrzahl von je einen Intensitäts wert bereitstellenden Pixeln aufweist, wobei die Winkelerfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, unter Verwendung der Intensitätswerte den Winkelwert zu bestimmen. Der Winkel kann unter Verwendung eines Lichtschwerpunkts von auf den Detektor einfallendem Licht bestimmt werden. Der Fotodetektor kann das Licht verwenden, welches zum Erfassen des Spektrums verwendet wird. Damit kann ein systematischer Fehler vermieden werden. Eine Gesamtheit der The angle detector may include a photodetector having a pixel array with a plurality of pixels each providing an intensity value, the angle detector being configured to determine the angle value using the intensity values. The angle may be determined using a centroid of light incident on the detector. The photodetector can use the light that is used to capture the spectrum. This can avoid a systematic error. A totality of
Intensitätswerte kann zum Erfassen des Spektrums verwendet werden. Intensity values can be used to capture the spectrum.
Die Vorrichtung kann eine Beleuchtungseinrichtung aufweisen, die seitlich versetzt zu dem Fotodetektor angeordnet ist, wobei die Pixel an einer Achse zwischen der Beleuchtungseinrichtung und dem Fotodetektor ausgerichtet sind. Eine Beleuchtungseinrichtung kann beispielsweise eine LED aufweisen. Die Beleuchtungseinrichtung kann schräg zu einer optischen Achse des optischen Elements ausgerichtet sein. Durch die Beleuchtungseinrichtung kann der Einfallswinkel des einfallenden Lichts einen Zusammenhang zu einer Entfernung zwischen einem beleuchteten Objekt und dem Spektrometer repräsentieren. Das Spektrometer kann zur Entfernungsmessung verwendet werden. The device may comprise a lighting device which is arranged laterally offset from the photodetector, wherein the pixels are aligned on an axis between the illumination device and the photodetector. An illumination device can have, for example, an LED. The illumination device may be aligned obliquely to an optical axis of the optical element. By the illumination device, the angle of incidence of the incident light is related to a distance between a lit object and the spectrometer. The spectrometer can be used for distance measurement.
Der Fotodetektor kann dazu ausgebildet sein, das Spektrum zu erfassen. Der Fotodetektor kann das Licht verwenden, welches zum Erfassen des Spektrums verwendet wird. Damit kann ein systematischer Fehler vermieden werden. The photodetector may be configured to detect the spectrum. The photodetector can use the light that is used to capture the spectrum. This can avoid a systematic error.
Die Pixel können zweidimensional flächig angeordnet sein. In einer ersten Richtung ausgerichtete Pixel können das Spektrum erfassen. Quer dazu ausgerichtete Pixel können die Intensitätswerte bereitstellen. Durch die flächige Anordnung der Pixel können Spektrum und der Einfallswinkel parallel erfasst werden. The pixels can be arranged two-dimensionally flat. Pixels oriented in a first direction can detect the spectrum. Transversely aligned pixels can provide the intensity values. Due to the planar arrangement of the pixels, the spectrum and the angle of incidence can be detected in parallel.
Ferner wird ein Spektrometer mit einer Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt. Furthermore, a spectrometer is presented with a device according to the approach presented here.
Ein spektrales Element des Spektrometers kann als linear variabler Filter ausgebildet sein. Durch den linear variablen Filter kann das Spektrum parallel aufgezeichnet werden. A spectral element of the spectrometer can be designed as a linearly variable filter. Through the linear variable filter, the spectrum can be recorded in parallel.
Das spektrale Element des Spektrometers kann als mikromechanisches The spectral element of the spectrometer can be called micromechanical
Interferometer ausgebildet sein. Durch das Interferometer kann ein einfacher Fotodetektor verwendet werden. Interferometer be formed. Through the interferometer, a simple photodetector can be used.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. described embodiments, in particular when the program product or program is executed on a computer or a device.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Spektrometers mit einer Vorrichtung zum Betreiben gemäß einem Ausführungsbeispiel; Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows: 1 is a block diagram of a spectrometer with an apparatus for operating according to an embodiment;
Fig. 2 eine Darstellung einer Winkelerfassung unter Verwendung eines Pixelfelds gemäß einem Ausführungsbeispiel; FIG. 2 is an illustration of angle detection using a pixel array according to an embodiment; FIG.
Fig. 3 eine Darstellung eines mittig auf einen Fotodetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel auftreffenden Beleuchtungsspots; 3 shows an illustration of an illumination spot incident centrally on a photodetector according to an exemplary embodiment;
Fig. 4 eine Darstellung eines erfassten Spektrums; Fig. 4 is an illustration of a detected spectrum;
Fig. 5 Darstellungen von außermittig auf einen Fotodetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel auftreffenden Beleuchtungsspots; 5 shows representations of off-center incident on a photodetector according to an embodiment illumination spots.
Fig. 6 eine Darstellung eines Spektrums mit Offset; Fig. 6 is an illustration of a spectrum with offset;
Fig. 7 eine Darstellung eines Spektrometers mit einem linear variablen Filter gemäß einem Ausführungsbeispiel; 7 shows an illustration of a spectrometer with a linearly variable filter according to an exemplary embodiment;
Fig. 8 eine Darstellung eines Spektrometers mit einem Interferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel; und 8 shows an illustration of a spectrometer with an interferometer according to an exemplary embodiment; and
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines 9 is a flowchart of a method for operating a
Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Spectrometer according to one embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren In the following description of favorable embodiments of the present invention are for the in the various figures
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche represented and similar elements acting the same or similar
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Reference numeral used, wherein a repeated description of these elements is omitted.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Spektrometers 100 mit einer Vorrichtung 102 zum Betreiben gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Spektrometer 100 ist dazu ausgebildet, ein Spektrum 104 von einfallendem Licht 106 zu erfassen. Dazu weist das Spektrometer 100 ein spektrales Element 108 auf. Das spektrale Element 108 ist dazu ausgebildet, das einfallende Licht 106 in seine enthaltenen Wellenlängen aufzutrennen. Ein Fotodetektor 110 bildet Strahlungsintensitäten der Wellenlängen in Intensitätswerten 112 ab. Eine Erfassungseinrichtung 114 erfasst die Intensitäts werte und bildet sie in dem Spektrum 104 ab. 1 shows a block diagram of a spectrometer 100 with an apparatus 102 for operating according to an exemplary embodiment. The spectrometer 100 is configured to detect a spectrum 104 of incident light 106. For this purpose, the spectrometer 100 has a spectral element 108. The spectral element 108 is configured to separate the incident light 106 into its contained wavelengths. A photodetector 110 images radiation intensities of the wavelengths in intensity values 112. A detection device 114 detects the intensity values and maps them in the spectrum 104.
Das spektrale Element ist winkelempfindlich. Wenn das einfallende Licht um einen Einfallswinkel 116 schräg zu einer Arbeitsachse 118 des Spektrometers 100 einfällt, werden die aufgetrennten Wellenlängen um einen winkelabhängigen Offset 120 verschoben. Dieser Offset 120 ist damit auch in dem Spektrum 104 abgebildet. Das Spektrum 104 weist also den Offset 120 auf. The spectral element is angle sensitive. If the incident light is incident at an angle of incidence 116 obliquely to a working axis 118 of the spectrometer 100, the separated wavelengths are shifted by an angle-dependent offset 120. This offset 120 is thus also shown in the spectrum 104. The spectrum 104 thus has the offset 120.
Die Vorrichtung 102 weist eine Ermittlungseinrichtung 122 und eine The device 102 has a determination device 122 and a
Kompensationseinrichtung 124 auf. Die Ermittlungseinrichtung 122 ist dazu ausgebildet, einen Kompensationswert 126 zum Kompensieren des Offsets 120 unter Verwendung eines Winkelwerts 128 zu ermitteln. Der Winkelwert 128 repräsentiert den Einfallswinkel 116 während des Erfassens des Spektrums 104. Die Kompensationseinrichtung 124 ist dazu ausgebildet, das Spektrum 104 unter Verwendung des Kompensationswerts 126 zu kompensieren, um ein Compensation device 124. The determination device 122 is designed to determine a compensation value 126 for compensating the offset 120 using an angle value 128. The angle value 128 represents the angle of incidence 116 during the detection of the spectrum 104. The compensation device 124 is configured to compensate the spectrum 104 using the compensation value 126
winkelkompensiertes Spektrum 130 zu erhalten. angle compensated spectrum 130.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 102 eine In one embodiment, the device 102 has a
Winkelerfassungseinrichtung 132 auf. Die Winkelerfassungseinrichtung 132 ist dazu ausgebildet, den Einfallswinkel 116 zu erfassen und in dem Winkelwert 128 abzubilden. Beispielsweise kann die Winkelerfassungseinrichtung 132 neben dem spektralen Element 108 angeordnet sein. Hier ist die Angle detection device 132 on. The angle detection device 132 is designed to detect the angle of incidence 116 and to map it in the angle value 128. For example, the angle detection device 132 may be arranged next to the spectral element 108. Here is the
Winkelerfassungseinrichtung 132 Teil des Spektrometers 100. Angle detection device 132 part of the spectrometer 100th
Die Winkelerfassungseinrichtung 132 umfasst den Fotodetektor 110. Der Fotodetektor 110 weist ein Pixelfeld 134 mit einer Mehrzahl von Pixeln 136 auf. Die Pixel 136 bilden jeweils die im Bereich des Pixels 136 einfallende The angle detector 132 comprises the photodetector 110. The photodetector 110 has a pixel field 134 with a plurality of pixels 136. The pixels 136 each form the incident in the region of the pixel 136
Strahlungsintensität des Lichts 106 in einem Intensitätswert 112 ab. Da die Position jedes Pixels 136 relativ zu der Arbeitsachse 118 bekannt ist, kann in einer Bestimmungseinrichtung 138 der Winkelerfassungseinrichtung 132 aus den gleichzeitig erfassten Intensitätswerten 112 der einzelnen Pixel 136 auf den Einfallswinkel 116 geschlossen werden. Die Bestimmungseinrichtung 138 bildet den Einfallswinkel 116 in dem Winkelsignal 128 ab und fasst die gleichzeitig erfassten Intensitätswerte 112 zu einem Intensitätswert 112 zusammen. Radiation intensity of the light 106 in an intensity value 112 from. Since the position of each pixel 136 relative to the working axis 118 is known, in a determination device 138 of the angle detection device 132 from the simultaneously detected intensity values 112 of the individual pixels 136 on the Angle of incidence 116 can be closed. The determination device 138 maps the angle of incidence 116 in the angle signal 128 and combines the simultaneously detected intensity values 112 into an intensity value 112.
In einem Ausführungsbeispiel ist das spektrale Element 108 als Interferometer 108 ausgebildet. Das Interferometer 108 weist zwei durch einen Spalt beabstandete Spiegel auf. Eine Spaltweite 140 des Spalts bestimmt eine durch das Interferometer 108 durchgelassene Wellenlänge. Eine Antriebseinrichtung 142 ist dazu ausgebildet, die Spaltweite 140 ansprechend auf ein Steuersignal 144 die Spaltweite einzustellen. In one embodiment, the spectral element 108 is formed as an interferometer 108. The interferometer 108 has two mirrors spaced apart by a gap. A gap width 140 of the gap determines a wavelength transmitted through the interferometer 108. A drive device 142 is configured to adjust the gap width 140 in response to a control signal 144, the gap width.
Das Steuersignal 144 kann von der Erfassungseinrichtung 114 bereitgestellt werden, um die Spaltweite 140 auf eine neue Wellenlänge einzustellen, wenn eine Wellenlänge erfasst ist. Control signal 144 may be provided by detector 114 to adjust gap width 140 to a new wavelength when a wavelength is detected.
In einem Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1 ein Bauelement 100 beziehungsweise ein Miniaturspektrometer 100, bestehend aus einer nicht dargestellten In one embodiment, Fig. 1 shows a device 100 and a miniature spectrometer 100, consisting of a non-illustrated
Lichtquelle, einem spektralen Element 108 mit limitierter Apertur und einem Fotodetektor 110, der als zumindest zweiteilige Fotodiode, Quadranten Light source, a spectral element 108 with a limited aperture and a photodetector 110, as at least two-part photodiode, quadrants
Fotodiode oder Detektor-Array 134 ausgeführt ist. In der Photodiode or detector array 134 is executed. In the
Winkelbestimmungseinrichtung 132 wird ein Differenzsignal 112 der Fotodiode 110 zur Bestimmung des Haupteinfallswinkels 116 genutzt. Angle determination device 132, a difference signal 112 of the photodiode 110 is used to determine the main angle of incidence 116.
Das spektrale Element 108 kann ein mikromechanisches Fabry-Perot The spectral element 108 may be a micromechanical Fabry-Perot
Interferometer-Bauelement 108 sein. Das Interferometer besteht dann aus mindestens zwei durch einen Spalt voneinander beabstandeten, übereinander angeordneten Spiegelelementen. Die Kenntnis des Haupteinfallswinkels wird zur Korrektur des Spektrenoffsets 120 verwendet. Interferometer device 108 be. The interferometer then consists of at least two spaced apart by a gap, superimposed mirror elements. The knowledge of the main angle of incidence is used to correct the spectral offset 120.
Das spektrale Element 108 kann ebenso ein linear variables Filter 108 mit einer Wellenlängenänderung in X sein. Dann kann der Detektor 110 ein The spectral element 108 may also be a linearly variable filter 108 with a wavelength change in X. Then, the detector 110 a
zweidimensionales Detektor-Array 134 mit Pixeln 136 in X für die Wellenlänge und Pixeln 136 in Y für die Winkelkorrektur sein. Die Differenz von Detektorzeilen wird dabei zur Detektion des Haupteinfallswinkels 116 genutzt. Die Kenntnis des Haupteinfallswinkels 116 wird zur Korrektur des Spektrenoffsets 120 verwendet. Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine Kompensation winkelabhängiger und damit bei exzentrischem Beleuchtungsansatz abstandsabhängiger two-dimensional detector array 134 with pixels 136 in X for the wavelength and pixels 136 in Y for the angle correction. The difference of detector lines is used to detect the main angle of incidence 116. The knowledge of the main incident angle 116 is used to correct the spectral offset 120. The approach presented here makes compensation more dependent on the angle and thus more distance-dependent in the case of an eccentric lighting approach
Wellenlängenoffsetfehler 120 bei Spektrometern 100 erreicht. Durch die Wavelength offset error 120 is achieved in spectrometers 100. By the
Kompensation des Wellenlängenoffsets 120 kann eine höhere Genauigkeit desCompensation of the wavelength offset 120 may provide higher accuracy of the
Wellenlängenspektrums 130 bei unterschiedlichen Abständen, und damit eine größere Robustheit des Systems 100 beim Handling durch den Endanwender erreicht werden. Wavelength spectrum 130 at different distances, and thus a greater robustness of the system 100 in handling by the end user can be achieved.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung einer Winkelerfassung unter Verwendung eines Pixelfelds 134 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Einfallswinkel 116 wird dabei an einem Spektrometer 100 erfasst, wie es beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist. Das Spektrometer 100 umfasst hier eine Beleuchtungseinrichtung 200, die seitlich versetzt zu dem Fotodetektor 110 angeordnet ist. Die FIG. 2 shows an illustration of angle detection using a pixel array 134 according to one embodiment. The angle of incidence 116 is detected at a spectrometer 100, as shown for example in Fig. 1. The spectrometer 100 here comprises an illumination device 200, which is arranged laterally offset from the photodetector 110. The
Beleuchtungseinrichtung 200 ist schräg zu der Arbeitsachse 118 ausgerichtet. Eine Beleuchtungsachse 202 der Beleuchtungseinrichtung 200 schneidet die Arbeitsachse 118. Ein Beleuchtungsstrahl der Beleuchtungseinrichtung 200 ist divergent. Wenn eine Entfernung 204 zwischen dem Spektrometer 100 und einem beleuchteten Objekt kleiner wird, wandert ein beleuchteter Bereich 206 auf dem Objekt entlang der Beleuchtungsachse 202 in Richtung der Lighting device 200 is aligned obliquely to the working axis 118. An illumination axis 202 of the illumination device 200 intersects the working axis 118. An illumination beam of the illumination device 200 is divergent. As a distance 204 between the spectrometer 100 and an illuminated object becomes smaller, an illuminated area 206 on the object travels along the illumination axis 202 in the direction of
Beleuchtungseinrichtung 200. Dabei wird der beleuchtete Bereich 206 kleiner. Wenn die Entfernung 204 größer wird, wandert der beleuchtete Bereich 206 entlang der Beleuchtungsachse 202 von der Beleuchtungseinrichtung 200 weg. Dabei wird der beleuchtete Bereich 206 größer. Mit anderen Worten verändert sich durch die schräge Beleuchtungsachse 202 der Einfallswinkel 116 zwischen dem Spektrometer 100 und dem beleuchteten Bereich 206, wenn sich die Entfernung 204 ändert. Der beleuchtete Bereich 206 kann als Target bezeichnet werden. Wenn das im beleuchteten Bereich 206 reflektierte Licht 106 durch eine Lighting device 200. In this case, the illuminated area 206 is smaller. As the distance 204 increases, the illuminated area 206 travels away from the illumination device 200 along the illumination axis 202. At this time, the illuminated area 206 becomes larger. In other words, through the oblique illumination axis 202, the angle of incidence 116 between the spectrometer 100 and the illuminated area 206 changes as the distance 204 changes. The illuminated area 206 may be referred to as a target. When the reflected light 206 in the illuminated area 106 by a
Lochblende 208 oder Linsenoptik 208 auf den Fotodetektor 110 fällt, verändert sich mit dem Einfallswinkel 116 auch eine Position eines durch das reflektierte Licht 106 verursachten Beleuchtungsspots auf dem Fotodetektor 110. Das Pixelfeld 134 weist hier zwei benachbarte Pixel 136 auf. Die Pixel sind entlang einer Verbindungsgeraden zwischen der Beleuchtungseinrichtung 200 und dem Fotodetektor 110 ausgerichtet. Abhängig von der Position des Aperture diaphragm 208 or lens optics 208 is incident on the photodetector 110, a position of an illumination spot caused by the reflected light 106 on the photodetector 110 changes with the angle of incidence 116. Here, the pixel field 134 has two neighboring pixels 136. The pixels are along a connecting line between the illumination device 200 and the Photodetector 110 aligned. Depending on the position of the
Beleuchtungsspots verändert sich eine Lichtintensität des Lichts 106 auf den Pixeln 136. Die Lichtintensität wird wiederum in den Intensitätswerten der Pixel 136 abgebildet. Illumination spots, a light intensity of the light 106 on the pixels 136 changes. The light intensity is again mapped in the intensity values of the pixels 136.
Eine typische exzentrische Lichtanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Wenn in unterschiedlichen Abständen 204 gemessen wird, kommt es zu A typical eccentric light arrangement is shown in FIG. If 204 is measured at different distances, it will happen
unterschiedlichen Eingangswinkeln 116. Zwischen der Lochblende 208 und dem Detektor 110 ist als nicht dargestelltes spektrales Element beispielsweise ein Fabry Perot Filter integriert, welches sensitiv auf Eingangswinkelveränderungen reagiert. Eingangswinkelabweichungen von der Detektor Achse 118 werden immer zu kürzeren Wellenlängen verschoben. different input angles 116. Between the pinhole 208 and the detector 110 is integrated as not shown spectral element, for example, a Fabry Perot filter, which responds sensitively to input angle changes. Input angle deviations from the detector axis 118 are always shifted to shorter wavelengths.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines mittig auf einen Fotodetektor 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel auftreffenden Beleuchtungsspots 300. Der FIG. 3 shows an illustration of an illumination spot 300 incident centrally on a photodetector 110 according to an exemplary embodiment
Fotodetektor 110 entspricht dabei im Wesentlichen den Darstellungen in den Figuren 1 und 2. Hier ist das Pixelfeld 134 kreisförmig und weist vier gleich große Pixel 136 auf. Die Pixel 136 sind kreissektorförmig. Der Beleuchtungsspot 300 trifft im Wesentlichen mittig auf das Pixelfeld 134. Dadurch ist eine beleuchtete Fläche pro Pixel 136 im Wesentlichen identisch. Die Pixel 136 wandeln den auf sie einfallenden Anteil des Lichts aus dem Beleuchtungsspot 300 in im Photodetector 110 essentially corresponds to the representations in FIGS. 1 and 2. Here, the pixel field 134 is circular and has four equal pixels 136. The pixels 136 are circular sector-shaped. The illumination spot 300 strikes the pixel field 134 substantially in the center. As a result, an illuminated area per pixel 136 is substantially identical. The pixels 136 convert the incidental portion of the light from the illumination spot 300 in FIG
Wesentlichen gleiche elektrische Intensitätswerte. Substantially the same electrical intensity values.
Bei Nutzung einer Lochblende oder eines Linsensystems verschiebt sich der Beleuchtungsspot 300 in Abhängigkeit vom Abstand auf dem Detektor 110 lateral. Ein Pixel Array 134 oder ein in mindestens zwei Teile aufgeteilter Detektor 110 kann die unterschiedlichen Schwerpunkte des reflektierten When using a pinhole or a lens system, the illumination spot 300 shifts laterally, depending on the distance on the detector 110. A pixel array 134 or a detector 110 divided into at least two parts may reflect the different centroids of the reflected
Beleuchtungsspots 300 auf dem Detektor 110 messen. Hier werden die Measure illumination spots 300 on the detector 110. Here are the
Schwerpunkte unter Verwendung der vier Sektoren 136 gemessen. Dieser Unterschied ist ein Maß für den Einfallswinkel und damit für den Abstand des Targets. Basierend auf diesen Daten kann der jeweilige Spektrum-Offset mithilfe einer Signalverarbeitung wie in Fig. 1 korrigiert werden. Focal points measured using the four sectors 136. This difference is a measure of the angle of incidence and thus the distance of the target. Based on this data, the respective spectrum offset can be corrected by means of signal processing as in FIG.
Vierteilige Detektoren 110 können einen Hinweis auf die Probenhomogenität geben, da die seitlichen Sektoren 136 das gleiche Signal besitzen sollten. Starke Differenzen können auf eine Target- Inhomogenität hinweisen. Des Weiteren kann überprüft werden, ob der Beleuchtungspfad oder die mechanische Four-part detectors 110 may give an indication of sample homogeneity since lateral sectors 136 should have the same signal. Strength Differences may indicate a target inhomogeneity. Furthermore, it can be checked whether the illumination path or the mechanical
Positionierung der Lochblende zum Detektor 110 verändert wurde. Positioning of the pinhole to the detector 110 has been changed.
Bei großen Einfallswinkelintervallen ist es von Vorteil, dass die At large incident angle intervals, it is advantageous that the
Schwerpunktanalyse des Beleuchtungsspots 300 über das gesamte Spektrum durchgeführt wird, weil unterschiedliche Wellenlängen und unterschiedliche Einfallswinkel zur gleichen Zeit gemessen werden. Stark variierende Spektren könnten je nach Einstellung des spektralen Elements zu unterschiedlichen Messergebnissen führen. Durch Messung des gesamten Spektrums und Vergleich der Schwerpunktpositionen kann eine Plausibilisierung des Focus analysis of the illumination spot 300 is performed over the entire spectrum, because different wavelengths and different angles of incidence are measured at the same time. Heavily varying spectra could lead to different measurement results depending on the setting of the spectral element. By measuring the entire spectrum and comparing the centroid positions, a plausibility check can be made
Messergebnisses erreicht werden. Measurement result can be achieved.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung eines erfassten Spektrums 104. Das Spektrum 104 ist in einem Diagramm aufgetragen, das auf der Abszisse die Wellenlänge λ und auf der Ordinate eine Intensität angetragen hat. Das gemessene Spektrum 104 ist von im Wesentlichen senkrecht auf ein spektrales Element einfallendem Licht erfasst worden. Beispielsweise ist das Spektrum 104 an dem in Fig. 3 dargestellten Beleuchtungsspot erfasst worden. Das Spektrum 104 entspricht durch das senkrecht einfallende Licht einem tatsächlichen Spektrum 400 beziehungsweise Zielspektrum. FIG. 4 shows a representation of a detected spectrum 104. The spectrum 104 is plotted in a diagram which has plotted the wavelength λ on the abscissa and an intensity on the ordinate. The measured spectrum 104 has been detected by light incident substantially perpendicular to a spectral element. For example, the spectrum 104 has been detected at the illumination spot shown in FIG. The spectrum 104 corresponds to an actual spectrum 400 or target spectrum due to the vertically incident light.
Fig. 5 zeigt Darstellungen von außermittig auf einen Fotodetektor 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel auftreffenden Beleuchtungsspots 300. Der FIG. 5 shows illustrations of off-center illumination spots 300 impinging on a photodetector 110 according to an exemplary embodiment
Fotodetektor 110 ist zweimal dargestellt und entspricht im Wesentlichen dem Fotodetektor in Fig. 3. Das Licht ist hier schräg durch eine vor dem Detektor 110 angeordnete Optik oder Blende gefallen. Der Beleuchtungsspot 300 ist damit seitlich auf dem Pixelfeld 134 verschoben. Hier sind die Anteile an den Photodetector 110 is shown twice and essentially corresponds to the photodetector in FIG. 3. Here, the light has dropped obliquely through an optical system or aperture arranged in front of detector 110. The illumination spot 300 is thus shifted laterally on the pixel field 134. Here are the shares in the
Beleuchtungsspots 300 jeweils ungleich auf die Pixel 136 des Pixelfelds 134 verteilt. Damit stellen die Pixel 136 unterschiedliche Intensitätswerte bereit. Lighting spots 300 each unevenly distributed to the pixels 136 of the pixel array 134. Thus, the pixels 136 provide different intensity values.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines Spektrums 104 mit Offset 120. Das Spektrum 104 ist wie in Fig. 4 in einem Diagramm aufgetragen, das auf der Abszisse die Wellenlänge λ und auf der Ordinate eine Intensität angetragen hat. Das FIG. 6 shows a representation of a spectrum 104 with offset 120. The spectrum 104 is plotted as in FIG. 4 in a diagram which has plotted the wavelength λ on the abscissa and an intensity on the ordinate. The
Spektrum 104 ist von schräg auf ein spektrales Element einfallendem Licht erfasst worden. Beispielsweise ist das Spektrum 104 an einem der in Fig. 5 dargestellten Beleuchtungsspots erfasst worden. Die Intensitätswerte des Spektrums 104 sind dabei um den Offset 120 gegenüber dem tatsächlichen Spektrum 400 verschoben. Spectrum 104 is light incident obliquely on a spectral element been recorded. For example, the spectrum 104 has been detected at one of the illumination spots shown in FIG. The intensity values of the spectrum 104 are shifted by the offset 120 relative to the actual spectrum 400.
Da unter Verwendung der unterschiedlichen Intensitätswerte der Pixel in Fig. 5 der Winkelwert des Einfallswinkels bestimmt werden kann, kann ein Since the angle value of the angle of incidence can be determined using the different intensity values of the pixels in FIG
Korrekturwert zum Kompensieren des Offsets 120 beispielsweise aus einer hinterlegten Tabelle ausgelesen werden. Ebenso kann der Korrekturwert durch eine Berechnungsvorschrift berechnet werden. Das erfasste Spektrum 104 kann so um den Korrekturwert verschoben werden, um das kompensierte Spektrum 130 zu erhalten, das im Wesentlichen dem tatsächlichen Spektrum 400 entspricht. Correction value for compensating the offset 120 are read out, for example, from a stored table. Likewise, the correction value can be calculated by a calculation rule. The detected spectrum 104 can thus be shifted by the correction value in order to obtain the compensated spectrum 130, which essentially corresponds to the actual spectrum 400.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung eines Spektrometers 100 mit einem linear variablen Filter 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Spektrometer entspricht im Wesentlichen dem Spektrometer in Fig. 1. Das Pixelfeld 134 ist hier als Matrix mit Pixeln 136 in Zeilen und Spalten ausgebildet. Dabei sind die Zeilen an einer Filterrichtung des linear variablen Filters 108 beziehungsweise einer x-Richtung ausgerichtet, während die Spalten quer zu der Filterrichtung beziehungsweise in einer y-Richtung ausgerichtet sind. Der linear variable Filter 108 weist zwei dielektrische Spiegel 700 auf, die über die Filterrichtung einen abnehmenden Abstand zueinander aufweisen. Der Abstand bestimmt eine durchgelassene Wellenlänge. Durch den abnehmenden Abstand lässt der Filter 108 in der Filterrichtung einen Wellenlängenverlauf durch, wodurch die Zeilen des Pixelfelds 134 das Spektrum 104 erfassen. Die Spalten des Pixelfelds 134 erfassen den Einfallswinkel. FIG. 7 shows a representation of a spectrometer 100 with a linearly variable filter 108 according to one exemplary embodiment. The spectrometer essentially corresponds to the spectrometer in FIG. 1. The pixel field 134 is embodied here as a matrix with pixels 136 in rows and columns. In this case, the rows are aligned with a filter direction of the linearly variable filter 108 or an x-direction, while the columns are oriented transversely to the filter direction or in ay direction. The linearly variable filter 108 has two dielectric mirrors 700, which have a decreasing distance from one another via the filter direction. The distance determines a transmitted wavelength. Due to the decreasing distance, the filter 108 passes through a wavelength profile in the filter direction, whereby the rows of the pixel field 134 detect the spectrum 104. The columns of the pixel array 134 detect the angle of incidence.
Fig. 8 zeigt eine Darstellung eines Spektrometers 100 mit einem Interferometer 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Spektrometer entspricht im FIG. 8 shows a representation of a spectrometer 100 with an interferometer 108 according to one exemplary embodiment. The spectrometer corresponds to
Wesentlichen dem Spektrometer in Fig. 2. Das Pixelfeld 134 ist hier als Matrix mit Pixeln 136 in Zeilen und Spalten ausgebildet. Das Interferometer 108 wirkt als die Lochblende 208. Das Interferometer 108 lässt zu einem Zeitpunkt eine Resonanzwellenlänge und deren Oberwellen durch. Die Oberwellen können ausgefiltert werden. Das Spektrum wird durch viele zeitlich aufeinander abfolgende Einzelmessungen bei jeweils unterschiedlichen durchgelassenen Wellenlängen erfasst. Im Gegensatz zu Fig. 7 erfassen hier sowohl die Zeilen als auch die Spalten den Einfallswinkel 116. Der Einfallswinkel 116 wird dabei in zwei Raumrichtungen erfasst. Essentially the spectrometer in Fig. 2. The pixel array 134 is formed here as a matrix with pixels 136 in rows and columns. The interferometer 108 acts as the pinhole 208. The interferometer 108 passes one resonance wavelength and its harmonics at a time. The harmonics can be filtered out. The spectrum is chronologically consecutive subsequent individual measurements at each different transmitted wavelengths detected. In contrast to FIG. 7, both the rows and the columns detect the angle of incidence 116. The angle of incidence 116 is detected in two spatial directions.
Mit anderen Worten ist in Fig. 8 ein Spektrometer 100 mit einem Fabry-Perot- Interferometer 108 zur Abstandsmessung und zur Einfallswinkelmessung dargestellt. In other words, FIG. 8 shows a spectrometer 100 with a Fabry-Perot interferometer 108 for distance measurement and for incident angle measurement.
Mikromechanische Fabry-Perot-Interferometer (FPI) 108 bestehen aus zwei Spiegelelementen, die auf einem Substrat über einem Durchgangsloch angeordnet sind. Interferometer 108 können auch aus zwei Substraten mit Durchgangslöchern konstruiert sein. Der Lichtstrahl 106 sollte vertikal durch die Sandwichbauform mit zwei hochreflektierenden Spiegeln geleitet werden, wobei jeweils schmalbandige Bereiche um eine Resonanzwellenlänge und deren Obertöne in Abhängigkeit vom Abstand der beiden Spiegel transmittiert werden. Durch Variation des Abstandes kann die gewünschte Resonanzwellenlänge eingestellt werden, in einem nachfolgenden Detektor 110 gemessen werden und so seriell ein Spektrum aufgenommen werden. Ein zusätzlicher sich davor befindender Bandpassfilter kann die gewünschte Ordnung herausfiltern, sodass Fehler durch andere Ordnungen minimiert werden. Micromechanical Fabry-Perot interferometers (FPI) 108 consist of two mirror elements, which are arranged on a substrate above a through hole. Interferometers 108 may also be constructed of two substrates with through holes. The light beam 106 should be routed vertically through the sandwich design with two highly reflective mirrors, narrowband regions being transmitted around a resonant wavelength and their overtones depending on the distance between the two mirrors. By varying the distance, the desired resonant wavelength can be adjusted, measured in a subsequent detector 110, and a spectrum can thus be recorded serially. An additional band pass filter located in front of it can filter out the desired order so that errors due to other orders are minimized.
Bei Fabry-Perot Interferometern (FPI) 108 als linear variabler Filter 108 oder mechanisch abstimmbares Interferometer 108 bewirkt eine Variation des Einfallswinkels 116 des Lichtstrahles 106 eine Verschiebung der zu messendenIn Fabry-Perot interferometers (FPI) 108 as a linear variable filter 108 or mechanically tunable interferometer 108, a variation of the angle of incidence 116 of the light beam 106 causes a shift in the measured one
Wellenlänge. Kommen gleichzeitig Lichtstrahlen 106 mit unterschiedlichen Einfallswinkeln 116 auf das spektrale Element 108, wird die mögliche Wavelength. At the same time light rays 106 with different angles of incidence 116 on the spectral element 108, the possible
Wellenlängenauflösung verringert. Spektren mit starken Wavelength resolution reduced. Spectra with strong
Transmissionsvariationen beziehungsweise Absorptionsvariationen in einem schmalen Wellenlängenbereich sind dadurch nicht mehr gut auflösbar. Ist dieseTransmissionsvariationen or absorption variations in a narrow wavelength range are therefore no longer well resolved. Is this
Verteilung der Einfallswinkel 116 jedoch um einen bestimmten Winkel 116 abseits der Normalen 118 zentriert, führt dies zu einer Verschiebung des kompletten Spektrums, also einem Wellenlängen-Offsetfehler. Bei Triangulationsverfahren sind Beleuchtungsachse und optische Achse 118 des Detektors 110 unterschiedlich. Bei vertikalen Verschiebungen des Targets 206 kommt es zu einer lateralen Verschiebung des Beleuchtungsspots, welche durch den Detektor 110 gemessen wird. Distribution of the angle of incidence 116, however, centered by a certain angle 116 away from the normal 118, this leads to a shift of the entire spectrum, ie a wavelength offset error. In triangulation methods, the illumination axis and optical axis 118 of the detector 110 are different. In the case of vertical displacements of the target 206, the illumination spot is displaced laterally, which is measured by the detector 110.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird ein Triangulationsverfahren mit der Spektrum-Messtechnik kombiniert. In the approach presented here, a triangulation method is combined with the spectrum measurement technique.
Bei Spektrometern 100 wird der Offset der Wellenlängenverschiebung umso größer, desto dichter das Target 206 beziehungsweise Objekt an dem In the case of spectrometers 100, the offset of the wavelength shift increases, the more dense the target 206 or object on the wavelength
Spektrometer 100 positioniert ist. Bei gleicher lateraler Verschiebung zur optischen Achse 118 des Spektrometers 100 ergibt sich so eine Vergrößerung des Einfallswinkels 116 zur Flächennormalen 118.  Spectrometer 100 is positioned. With the same lateral displacement to the optical axis 118 of the spectrometer 100, this results in an increase of the angle of incidence 116 to the surface normal 118.
Je näher das Objekt am Spektrometer 100 positioniert werden kann, umso mehr reflektierte Leistung wird eingesammelt und das Signal zu Rausch Verhältnis kann verbessert werden. Dabei erfolgt eine Sammlung der Photonen eines beleuchtenden Körpers mit einem bestimmten Einfallswinkel und Reflexion, Absorption oder destruktiver Interferenz der nicht benötigten Photonen, sodass keine Fehlsignale erzeugt werden. Es erfolgt eine exzentrische Beleuchtung des Targets, um eine laterale Verschiebung des Beleuchtungsbereiches 206 im Verhältnis zur optischen Achse 118 des Spektrometers 100 zu erzeugen. Diese Verschiebung erzeugt eine Photonen Einfallswinkeländerung auf dem The closer the object can be positioned to the spectrometer 100, the more reflected power is collected and the signal to noise ratio can be improved. In this case, a collection of photons of an illuminating body with a certain angle of incidence and reflection, absorption or destructive interference of the unnecessary photons, so that no false signals are generated. An eccentric illumination of the target takes place in order to generate a lateral displacement of the illumination region 206 in relation to the optical axis 118 of the spectrometer 100. This shift produces a photon angle of incidence change on the
Spektrometer 100, welche zu einer Offsetverschiebung der Wellendetektion führt. Die Messung der Beleuchtungsspotposition erfolgt beispielsweise über den Lichtschwerpunkt am Ort des Detektors 110. Die Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz führt eine Korrektur des Wellenlängen Spektrum Offsets in Abhängigkeit von der Beleuchtungsspotposition auf dem Detektor 110 aus. In einem Ausführungsbeispiel ist das spektrale Element 108 wie in Fig. 7 ein linear variabler Filter 108. Die Beleuchtung 200 ist exzentrisch angeordnet. Eine Variation des Probenabstands resultiert in einem variierenden Einfallswinkel 116 der diffus reflektierten Strahlung. In jeder Zeile sorgt das linear variable Filter 108 für eine Abbildung des Spektrums. Die Variation des Winkels 11 sorgt für eine Verschiebung des Differenzsignals zwischen den Zeilen, woraus der Winkel 116 bestimmt werden kann. Spectrometer 100, which leads to an offset shift of the wave detection. The measurement of the illumination spot position is effected, for example, via the light centroid at the location of the detector 110. The device according to the approach presented here carries out a correction of the wavelength spectrum offset as a function of the illumination spot position on the detector 110. In one embodiment, the spectral element 108 is a linearly variable filter 108, as in FIG. 7. The illumination 200 is arranged eccentrically. A variation of the sample spacing results in a varying angle of incidence 116 of the diffusely reflected radiation. In each line, the linearly variable filter 108 provides a map of the spectrum. The variation of the angle 11 provides for a Displacement of the difference signal between the lines, from which the angle 116 can be determined.
Fig. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 900 zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 900 weist einen Schritt 902 des Ermitteins und einen Schritt 904 des Kompensierens auf. Im Schritt 902 des Ermitteins wird ein Kompensationswert zum Kompensieren eines Offsets eines von dem Spektrometer erfassten Spektrums unter 9 shows a flowchart of a method 900 for operating a spectrometer according to an exemplary embodiment. The method 900 includes a step 902 of determining and a step 904 of compensating. In step 902 of the determination, a compensation value for compensating an offset of a spectrum detected by the spectrometer is subjected to
Verwendung eines Winkelwerts ermittelt. Der Winkelwert repräsentiert einen Einfallswinkel von Licht, welches während eines Erfassens des Spektrums auf das Spektrometer eingefallen ist. Im Schritt 904 des Kompensierens wird das Spektrum unter Verwendung des Kompensationswerts kompensiert, um ein winkelkompensiertes Spektrum zu erhalten. Using an angle value determined. The angle value represents an angle of incidence of light incident on the spectrometer during acquisition of the spectrum. In step 904 of compensating, the spectrum is compensated using the compensation value to obtain an angle compensated spectrum.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist. If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims

Ansprüche claims
1. Vorrichtung (102) zum Betreiben eines Spektrometers (100), wobei die Vorrichtung (102) die folgenden Merkmale aufweist: eine Ermittlungseinrichtung (122) zum Ermitteln eines A device (102) for operating a spectrometer (100), the device (102) having the following features: a detection device (122) for determining a
Kompensationswerts (126) zum Kompensieren eines Offsets (120) eines von dem Spektrometer (100) erfassten Spektrums (104) unter  Compensation value (126) for compensating for an offset (120) of a spectrum (104) detected by the spectrometer (100)
Verwendung eines Winkelwerts (128), wobei der Winkelwert (128) einen Einfallswinkel (116) von Licht (106) repräsentiert, welches während eines Erfassens des Spektrums (104) auf das Spektrometer (100) eingefallen ist; und eine Kompensationseinrichtung (124) zum Kompensieren des  Using an angle value (128), the angle value (128) representing an angle of incidence (116) of light (106) incident upon the spectrometer (100) during detection of the spectrum (104); and compensating means (124) for compensating the
Spektrums (104) unter Verwendung des Kompensationswerts (126), um ein winkelkompensiertes Spektrum (130) zu erhalten.  Spectrum (104) using the compensation value (126) to obtain an angle compensated spectrum (130).
2. Vorrichtung (102) gemäß Anspruch 1, mit einer 2. Device (102) according to claim 1, with a
Winkelerfassungseinrichtung (132), die dazu ausgebildet ist, den Einfallswinkel (116) von während eines Erfassens des Spektrums (104) auf das Spektrometer einfallenden Lichts (106) zu erfassen und in dem Winkelwert (128) abzubilden.  Angle detecting means (132) adapted to detect the angle of incidence (116) of light (106) incident on the spectrometer during detection of the spectrum (104) and to map it in the angle value (128).
3. Vorrichtung (102) gemäß Anspruch 2, bei der die 3. Device (102) according to claim 2, wherein the
Winkelerfassungseinrichtung (132) einen Fotodetektor (110) aufweist, der ein Pixelfeld (134) mit einer Mehrzahl von je einen Intensitätswert (112) bereitstellenden Pixeln (136) aufweist, wobei die  Angle detecting means (132) comprises a photodetector (110) having a pixel array (134) with a plurality of each one intensity value (112) providing pixels (136), wherein the
Winkelerfassungseinrichtung (132) dazu ausgebildet ist, unter  Angle detection device (132) is designed to under
Verwendung der Intensitätswerte (112) den Winkelwert (128) zu bestimmen. Using the intensity values (112) to determine the angle value (128).
4. Vorrichtung (102) gemäß Anspruch 3, mit einer Beleuchtungseinrichtung (200), die seitlich versetzt zu dem Fotodetektor (110) angeordnet ist, wobei die Pixel (136) an einer Achse zwischen der The apparatus (102) of claim 3, further comprising illumination means (200) disposed laterally offset from the photodetector (110), the pixels (136) being disposed on an axis between the
Beleuchtungseinrichtung (200) und dem Fotodetektor (110) ausgerichtet sind.  Lighting device (200) and the photodetector (110) are aligned.
5. Vorrichtung (102) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, bei der die Pixel (136) zweidimensional flächig angeordnet sind, wobei in einer ersten Richtung ausgerichtete Pixel (136) ausgebildet sind, um das Spektrum (104) zu erfassen und quer dazu ausgerichtete Pixel (106) ausgebildet sind, um die Intensitätswerte (112) bereitzustellen. 5. Device (102) according to one of claims 3 to 4, wherein the pixels (136) are arranged two-dimensionally flat, wherein in a first direction aligned pixels (136) are formed to detect the spectrum (104) and transversely thereto aligned pixels (106) are configured to provide the intensity values (112).
6. Vorrichtung (102) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der der 6. Device (102) according to one of claims 3 to 5, wherein the
Fotodetektor (110) dazu ausgebildet ist, das Spektrum (104) zu erfassen.  Photodetector (110) is adapted to detect the spectrum (104).
7. Spektrometer (100) mit einer Vorrichtung (102) gemäß einem der 7. spectrometer (100) with a device (102) according to one of
Ansprüche 1 bis 6.  Claims 1 to 6.
8. Spektrometer (100) gemäß Anspruch 7, bei dem ein spektrales Element (108) des Spektrometers (100) als linear variabler Filter (108) ausgebildet ist. 8. Spectrometer (100) according to claim 7, in which a spectral element (108) of the spectrometer (100) is designed as a linearly variable filter (108).
9. Spektrometer (100) gemäß Anspruch 7, bei dem ein spektrales Element (108) des Spektrometers (100) als mikromechanisches Interferometer (108) ausgebildet ist. 9. spectrometer (100) according to claim 7, wherein a spectral element (108) of the spectrometer (100) is designed as a micromechanical interferometer (108).
10. Verfahren (900) zum Betreiben eines Spektrometers (100), wobei das Verfahren (900) die folgenden Schritte aufweist: 10. A method (900) for operating a spectrometer (100), the method (900) comprising the following steps:
Ermitteln (902) eines Kompensationswerts (126) zum Kompensieren eines Offsets (120) eines von dem Spektrometer (100) erfassten Determining (902) a compensation value (126) for compensating an offset (120) of one detected by the spectrometer (100)
Spektrums (104) unter Verwendung eines Winkelwerts (128), wobei der Winkelwert (128) einen Einfallswinkel (116) von Licht (106) repräsentiert, welches während eines Erfassens des Spektrums (104) auf das Spektrometer (100) eingefallen ist; und Spectrum (104) using an angle value (128), wherein the angle value (128) represents an angle of incidence (116) of light (106), which has collapsed onto the spectrometer (100) during acquisition of the spectrum (104); and
Kompensieren (902) des Spektrums (104) unter Verwendung des Kompensationswerts (126), um ein winkelkompensiertes Spektrum zu erhalten. Compensating (902) the spectrum (104) using the compensation value (126) to obtain an angle compensated spectrum.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren (900) gemäß Anspruch 10 auszuführen. A computer program configured to execute the method (900) of claim 10.
12. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist. 12. A machine-readable storage medium on which the computer program according to claim 11 is stored.
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