WO2018134099A1 - Miniaturspektrometer und verfahren eingerichtet zur spektralen analyse eines objekts - Google Patents

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WO2018134099A1
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interferogram
optical imaging
optical
aperture
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PCT/EP2018/050565
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Benedikt Stein
Martin HUSNIK
Eugen BAUMGART
Christian Huber
Robert Weiss
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • US 9316539 B1 describes a static Fourier transformation spectrometer. It comprises a diffuser, an arrangement comprising birefringent crystals and polarizers which generates different path differences, as well as a
  • Compound lens that focuses rays with the same retardation to a point on a detector array.
  • the interferogram produced at the detector is Fourier transformed.
  • the invention relates to a miniature spectrometer and a method set up for the spectral analysis of an object.
  • Light output which can collect such a single-aperture lens, defined by the entrance pupil of the single-aperture lens.
  • the entrance pupil is one real or virtual opening, which is the incident in an optical system
  • the entrance pupil can emerge as an image of the aperture diaphragm by being imaged by the elements lying in front of it, such as lenses or mirrors, into the object space.
  • Single-aperture lens a single lens, as for example in WO
  • the entrance pupil is equal to the mechanical diameter of the lens. The smaller the mechanical diameter, the more
  • an interferogram of an object can be recorded.
  • the interferogram can be transformed by means of a Fourier transformation into the spectrum of the electromagnetic radiation emitted by this object.
  • the principle of a spectrometer based on a Savart element based on the fact that a light beam originating from the object in two beams with preferably the same
  • Intensity is split and one of the two beams separately passes through a visually longer path than the other beam. Thereafter, the two beams are superimposed again by a lens at a point in the detection plane.
  • a Savart element may include one polarizer, one or more
  • birefringent crystals comprising birefringent crystals and an analyzer.
  • Different arrangements of the crystals are known, for example, from the prior art cited above.
  • an A / 2 plate can be arranged in the beam path between two birefringent crystals. If a light beam at a certain angle on a Savart element, it is divided into two orthogonal polarized beams, which leave the Savart element spaced apart by the analyzer parallel to each other again and which by an imaging optics in the detection plane, that is Level in which, for example, a detector or a detector array is arranged to be mapped to a common point.
  • the optical path difference of the two beams relative to each other and the position of the common imaging point in the detection plane depend on the angle of incidence of the light beam on the Savart element.
  • a two-dimensional interferogram in the detection plane generated.
  • This embodiment is very well suited, for example, for pure spectroscopy without simultaneous imaging.
  • smart phone lenses typically include multiple lenses with highly aspherical surfaces to achieve sufficiently good image quality.
  • Such lenses are manufactured with very low manufacturing tolerances to allow good image quality.
  • the lenses have, for example, a
  • Overall length that is, a distance between the object-side vertex of the first lens in the beam path and the detector or camera sensor, of about 5 mm, an image field of typically about 60 ° and the smallest possible f-number, for example, a f-number of 1, 8.
  • Increasing the f-number can enable a reduction of image errors, which is particularly relevant when the image field is increasing.
  • Increasing the number of f-stops also increases the overall length of the lens.
  • a radiation current P, m can be determined on a camera pixel, or a sensor of a sensor array, according to the following equation:
  • Size d with incoming radiation current density B 0 b and transmissivity ⁇ of the optical system is inversely proportional to the f-number (F / #).
  • the f-number results from a ratio of the focal length to the diameter of the
  • vignetting depends on the size of an aperture of a lens, which comes from the Savart element electromagnetic radiation on the detector as a function of
  • An advantage of the invention having the features of the independent claims is that the field of view for each optical imaging channel of the multi-aperture objective is comparatively small compared to a single-aperture objective and the f-number is comparatively large compared to a single-aperture objective and hence image errors in use of a multi-aperture lens are much easier to correct than with single-aperture lenses.
  • the image field is defined by the maximum angle of incidence under which a light beam can impinge on the multi-aperture objective and can propagate unhindered to the detection unit. Furthermore, resulting from the larger f-number a larger imaging depth. This means that the area around the one
  • Detection unit can be defocused relative to a lens to be examined, is greater than a single-aperture lens with a small f-number. This results in the use of a multi-aperture objective, a reliable miniature spectrometer, which has a large mechanical and metrological robustness and fault tolerance. For example, the miniature spectrometer has high robustness to thermal drift during operation. Furthermore, by using a
  • Multi-aperture lens reduces the influence of chromatic aberrations on the measurement results, since the individual wavelengths are simultaneously sharpened over a larger axial range than in a system with the same chromatic aberration but lower f-number.
  • a detection unit adapted to determine an optical quantity of electromagnetic radiation comprising an optical unit comprising a Savart element, the Savart element comprising a polarizer, a first birefringent element and a second birefringent element and an analyzer, and comprising an optical one
  • the miniature spectrometer is characterized in that the optical imaging system comprises a multi-aperture lens, wherein the multi-aperture lens has multiple optical
  • An advantage is that thus the proportion of radiation coming from the object can be increased compared to the use of a single-aperture objective and thus the accuracy and reliability of the
  • the multi-aperture objective may include at least a first optical imaging channel and at least one second optical imaging channel and the detection unit comprises at least a first sensor array and at least one second sensor array, the first optical imaging channel being configured to receive at least a first portion of the one of Optical unit coming to reflect electromagnetic radiation to the first sensor array and the second optical imaging channel is adapted to image at least a second portion of the coming of the optical unit electromagnetic radiation to the second sensor array.
  • the image field that is to say for each image channel, can be comparatively small and the f-number can be large, and therefore image errors can be corrected more easily.
  • each optical imaging channel for each optical imaging channel, for example, one interferogram each can be recorded by the sensor array assigned to the respective imaging channel.
  • a sensor array comprises a plurality of sensors, in particular
  • Radiation sensors which can be arranged adjacent to each other, for example, in an image plane of an optical imaging channel.
  • a spatially resolved radiation detection as a function of the angle of incidence is possible.
  • Fourier transformation of the interferograms spectral information about the object to be examined can be obtained.
  • the multi-aperture objective can comprise at least one first microlens and at least one second microlens, wherein the first optical imaging channel, which is set up, at least a first portion of the electromagnetic coming from the optical unit Imaging radiation onto the first sensor array, comprising the first microlens, and wherein the second optical imaging channel, which is set up to image at least a second portion of the electromagnetic radiation coming from the optical unit onto the second sensor array, comprises the second microlens.
  • the first optical imaging channel which is set up, at least a first portion of the electromagnetic coming from the optical unit Imaging radiation onto the first sensor array, comprising the first microlens
  • the second optical imaging channel which is set up to image at least a second portion of the electromagnetic radiation coming from the optical unit onto the second sensor array, comprises the second microlens.
  • Solid angle range of the collected rays imaged on the detection unit represents a subinterval of the entire angular range that the entire multi-aperture objective can guide onto the detection unit.
  • the microlens is tilted such that the angle between the optical axis of the
  • the entire system can detect an angular range of -30 ° to 30 °, with a microlens imaging a subarea of 5 ° to 15 ° onto the detection unit.
  • Micro lens is ideally tilted so that it is oriented in the direction of 10 °. With a single aperture lens, there are rays with large
  • Vignetting arises from the fact that in a system with multiple apertures, e.g. two microlenses, with increasing angles of incidence the apparent overlap area of the two apertures becomes smaller and smaller until it disappears. Edge shading arises because the single aperture is e.g. a microlens with oblique
  • Main detection axis (in the example the center of the angle subinterval) can the
  • Microlenses for example, can be produced simply and inexpensively as a microlens array. This can advantageously a
  • Positioning of the multi-aperture lens relative to the detection unit can be simplified.
  • the first optical imaging channel may be configured to image an electromagnetic radiation coming from the first solid angle region from the optical unit onto the first sensor array
  • the second optical imaging channel may be configured to be one of the optical unit Imaging electromagnetic radiation coming from a second solid angle range on the second sensor array, wherein the first solid angle range is at least partially different from the second solid angle range or wherein the first solid angle range and the second solid angle range match.
  • Solid angle ranges may be, for example, coincident or overlapping or disjoint.
  • each optical imaging channel forms the same, reduced image on the detection unit. It can be used in this case identical optical imaging channels, resulting in a simplified and robust
  • the optical imaging channels can be realized by means of identical microlenses, which
  • a matrix that can be arranged a microlens array.
  • a cost-effective miniature spectrometer can be realized.
  • the optical imaging system may include at least one aperture array.
  • one or more aperture arrays can be arranged in the beam path in front of the multi-aperture objective, that is to say between the optical unit and the multi-aperture objective, and / or one or more aperture arrays can be arranged in the beam path behind the multi-aperture objective, ie in FIG.
  • the aperture array may be configured to optically shield the optical imaging channels from each other.
  • Phase shift depends on the second angle of incidence and the second
  • Incident angle is different from the first angle of incidence
  • electromagnetic radiation having the second angle of incidence after passing through the optical unit through a second optical imaging channel to a common second point for measuring a second interferogram
  • Interferogram and the second interferogram for analyzing the object are two advantages.
  • One advantage is that the metrological robustness and the reliability of the method can be increased. Furthermore, the advantages mentioned above arise.
  • partial beams of the electromagnetic radiation having angles of incidence from a first solid angle range can be imaged through the first optical imaging channel, wherein partial beams of the electromagnetic radiation are combined with the same angles of incidence each on a common point and for measuring the second interferogram partial beams of electromagnetic radiation with impact angles from a second
  • Solid angle range can match or the first
  • Solid angle range and the second solid angle range may differ at least partially from each other.
  • Lichtsammeieffizienz can be increased. Furthermore, for example, a larger area of the reciprocal space are recorded, thus enabling an increase in the spectral resolution.
  • a Fourier transformation of the first interferogram can be carried out and a Fourier transformation of the second interferogram can be carried out and, to determine the spectrum or the spectral information for the analysis of the object, a merge of the Fourier transform of the first
  • the first interferogram and the second interferogram are combined, resulting in a merged
  • Information for analyzing the object is a Fourier transform of the
  • FIG. 2 shows a cross-section of an optical unit and a Einzelapertur- lens with sketched beam paths
  • FIG. 3 shows a cross-section of a multi-aperture objective and a detection unit with sketched beam paths
  • Fig. 4 shows a cross section of a miniature spectrometer with sketched
  • Fig. 5 shows a cross section of a miniature spectrometer with sketched
  • 6a shows a cross-section of a microlens and a sensor array with simulated beam paths for beams with angles of incidence on the microlens of 0 °, 1 °,
  • 6b is a plan view of a multi-aperture objective comprising an array of 5x5 microlenses
  • FIG. 7 shows a 3D model of an optical unit and a multi-aperture objective on the one beam with an aperture angle of 10 ° and a
  • FIG. 8 shows a 3D model of an optical unit and a multi-aperture objective
  • FIG. 9 shows a 3D model of an optical unit and an optical one
  • optical imaging system wherein the optical imaging system comprises a multi-aperture objective and a first aperture array
  • Fig. 10 is a 3D model of an optical unit and an optical
  • optical imaging system comprises a multi-aperture objective, a first aperture array and a second aperture array located near the image plane,
  • FIG. 12 shows a merged interferogram from the sketched raw data from FIG. 11, FIG.
  • FIG. 13 is an enlarged portion of the raw data of FIG. 1 1,
  • FIG. 14 shows an enlarged region of the merged interferogram from FIG. 12 from the raw data from FIG. 13, FIG.
  • Fig. 15 is a numbering of the raw data of the sensor array of Fig. 1 1 before a
  • Fig. 18 shows a method for analyzing an object, wherein a
  • Description of the embodiments 1 shows a modified Savart element 1 ', as described, for example, in "Wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer" (Zhang et al., Applied Optics 43.33 (2004)) 1 shows the beam parallel to the z axis through the Savart element V.
  • a polarizer 10 with a first polarization axis 10 'and an analyzer 11 with a second one Polarization axis 1 1 ' are formed in the beam path parallel to the xy plane, and the first polarization axis 10' and the second polarization axis 11 'extend in that shown in FIG.
  • the beam first strikes the polarizer
  • the beam When entering through an entrance surface into the first birefringent element 12 ', which has a first extension parallel to the z-direction, ie a first thickness, the beam is split into a first ordinary 100 "and a first extraordinary beam 100' 1 corresponds to a surface parallel to the xy plane through which the beam enters the first birefringent element 12 'A ⁇ / 2 plate 123, which in one embodiment in the beam path between the first birefringent element 12' and a second
  • birefringent element 12 " which has a second thickness, which in this embodiment coincides with the first thickness, can be arranged, the polarization vectors of the first ordinary ray 100" and the first extraordinary ray 100 'by 90 degrees in a plane parallel to xy plane so that upon entering the second birefringent element 12 ", the first ordinary ray becomes a second extraordinary ray 101" and the first extraordinary ray 100 'becomes a second ordinary ray 101'.
  • the second ordinary ray 101 ' forms after leaving the Savart polariscope a first partial ray 102', the second extraordinary ray 101 "forms a second partial ray 102" after emerging from the Savart polariscope 12.
  • the first partial beam 102 'and the second partial beam 102 "run parallel to each other in the beam path behind the Savart polariscope 12. The distance is referred to below as partial beam spacing 102. Thereafter, the first partial beam 102' and the second partial beam 102" pass through the analyzer 1 1.
  • Partial beams 102 ', 102 "have the same after passing through the analyzer 1 1
  • the sub-beams may interfere when merged to a common point.
  • the Savart polariscope comprises two birefringent elements, which are arranged one behind the other in the beam path.
  • a major section of the birefringent element is described by the plane perpendicular to the entrance surface and containing the optical axis of the birefringent element.
  • the angle between the first optical axis and the entrance surface is 45 °.
  • the main section of the second birefringent element is rotated by 90 ° with respect to the main section of the first birefringent element.
  • Savart elements V are known from the prior art.
  • a pre-optic can be arranged in front of the Savart element V, which guides electromagnetic radiation onto the Savart element 1 '.
  • the pre-optic may include, for example, a diffuser.
  • Fig. 2 is a cross section of an optical unit 1, which comprises a Savart element 1 ', wherein the Savart element 1', for example, as described above, a polarizer 10, a first birefringent element 12 ', a second
  • birefringent element 12 "and an analyzer 1 1, an optical imaging system 2 and a detector 31.
  • Imaging system 2 includes a single aperture objective 21, such as a
  • the detector is arranged in an image plane 105 of the single-aperture objective 21. Beams which strike the Savart element 1 'at the same angle are focused by the convergent lens onto a common point in the image plane 105 of the condenser lens.
  • the first impact point 201, the second impact point 202 and the third impact point 203 are different from each other.
  • the beam path through the Savart element V is only sketched, the beam splitting into partial beams and a beam deflection is the
  • Imaging system 2 and are imaged by the Einzelapertur lens 21 to a common first point on the detector 31 in the image plane 105.
  • the rays which may include partial beams, such as in
  • a sixth ray 204 'in a fourth impact point 204, an eighth ray 205' in a fifth impact point 205 and a tenth ray 206 'in a sixth impact point 206 meet with an equal angle deviating from 0 ° with respect to the yz plane on the Savart element 1 'on.
  • Impact point 205 and sixth impact point 206 are different from each other.
  • the sixth beam 204 ', the eighth beam 205' and the tenth beam 206 ' enter the imaging optical system 2 through the through-hole 2' and are transmitted through the single-aperture objective 21 to a common second point that deviates from the first point. imaged on the detector 31 in the image plane 105.
  • the rays which may include partial beams, as shown for example in Fig. 1, interfere with and part of a
  • FIG. 2 shows that rays with a common angle of incidence are imaged onto a point in the image plane. These points together give an interferogram. In Fig. 2 further rays are shown, which are not for
  • a second beam 201 "impinges on the Savart element at the first impact point 201 with a first angle of incidence, which deviates from 0 °, a fifth beam 203" strikes the third impact point 203 with a second angle of incidence which deviates from 0 ° to the Savart element.
  • a seventh beam 204 "impinges on the Savart element 1' with a third angle of incidence which deviates from 0 °
  • a ninth beam 205" impinges on the Savart element at a fourth angle of incidence, which deviates from 0 °.
  • the angles of incidence take on different values in Fig. 2, wherein, as described above, the beam splitting or
  • Lens opening 2 ' which forms the passage opening 2', and thus can not hit the detector 31 and thus not be used for the evaluation.
  • the passage opening here corresponds to the entrance pupil of the single-aperture objective 21.
  • the through hole corresponds to the entrance pupil because it limits the maximum diameter of the incoming beam.
  • aperture diaphragm Through opening is called aperture diaphragm. If the passage opening is enlarged, which corresponds to a reduction in the f-number F / #, the radiation flux also increases since the radiation 201 ", 203" etc. can now also pass through the system. However, the enlargement of the passage opening also increases the aberrations, as already mentioned above. Rays that enter at a great angle see the entrance in perspective distorted as an ellipse whose short major axis appears smaller with increasing angle. This reduces the image intensity to the image edge in each optical system and becomes
  • the image can be recorded sequentially, with the lens tilted between shots.
  • the aperture diaphragm is usually located between the lenses and the entrance pupil corresponds to the image of the aperture diaphragm viewed from the object side through the lens.
  • vignetting would arise towards the edge of the image, if the diameter of the lens 21, for example, equal to the diameter of the opening 2 'would be.
  • the beam 201 ', 202' and 203 'could then pass through the system as a whole, in the bundle 204', 205 'and 206', the beam 204 'would then no longer be able to pass through the lens.
  • a larger converging lens has a larger entrance pupil, resulting in a higher entrance pupil
  • Radiation flow can reach the detector 31.
  • the optical imaging system 2 includes the
  • Detector 31 in Fig. 2 have dimensions of 3 millimeters (mm) x 3mm in cross section.
  • the Savart element V may have a height, that is, a dimension parallel to the x-axis of 4 mm and a thickness, that is, a dimension parallel to the z-axis of 2 mm.
  • the Savart element V may be larger than the optical one
  • Imaging system 2 can be chosen to even oblique rays with large
  • Incidence angles that is, for example, to be able to detect angles of incidence of more than 45 ° with respect to the yz plane.
  • the passage opening may for example be round and have a diameter of 1, 4 mm.
  • a miniature spectrometer is a spectrometer with dimensions in the
  • Spectral information can be for example a chemical
  • FIG. 3 shows a cross section of a miniature spectrometer 1000 comprising an optical unit 1, an optical imaging system 2 comprising
  • Multi-aperture lens 22 and a detection unit 3, with sketched
  • the detection unit 3 is set up to determine an optical quantity of an electromagnetic radiation.
  • the optical size characterizes the incident electromagnetic radiation.
  • the optical variable may include, for example, an intensity of the electromagnetic radiation.
  • the detection unit 3 may include, for example, photodiodes, wherein upon irradiation of the photodiode with electromagnetic radiation, an electrical current or an electrical voltage is generated, which represent a measure of the incident electromagnetic radiation. From an object
  • the optical unit 1 comprises a Savart element 1 ', wherein the Savart element 1' a
  • the optical imaging system 2 is arranged in the beam path between the optical unit 1 and the detection unit 3, wherein the optical imaging system 2 is set up by
  • the optical imaging system 2 comprises in Fig. 3 a multi-aperture objective 22, the multi-aperture objective 22 comprising a plurality of optical imaging channels 3 includes a first optical imaging channel, a second optical
  • the detection unit 3 has a first sensor array 31, a second sensor array 32, a third, fourth and fifth sensor array 33, 34, 35.
  • the sensor arrays 31, 32, 33, 34, 35 may also designate regions of a large sensor array.
  • Each sensor array 31, 32, 33, 34, 35 comprises a plurality of individual sensors 3 'or camera pixels, for example
  • Radiation sensors which are arranged in a one-dimensional or two-dimensional matrix in the image plane 105 of the multi-aperture objective 22.
  • the first optical imaging channel is adapted to at least a first portion 103 'of the coming of the optical unit 1 electromagnetic
  • Imaging radiation onto the first sensor array 31 and the second optical imaging channel 6 " is configured to image at least a second portion 103" of the electromagnetic radiation coming from the optical unit 1 onto the second sensor array 32.
  • Each further optical imaging channel is set up to image further portions of the electromagnetic radiation coming from the optical unit 1 onto its associated sensor array 33, 34, 35, as indicated in FIG. 3 by the sketched beam paths.
  • the multi-aperture objective 22 in FIG. 3 comprises a first microlens 6 ', a second microlens 6 ", a third microlens 6" and further microlenses.
  • the first optical imaging channel which is adapted to at least the first
  • Portion 103 'of the electromagnetic radiation coming from the optical unit 1 onto the first sensor array 31 comprises the first microlens 6' and the second optical imaging channel, which is adapted to at least the second portion 103 "of the electromagnetic unit 1 coming from the optical unit 1 Imaging radiation onto the second sensor array 32 comprises the second microlens 6 ".
  • the third optical imaging channel which is set up to image at least the third portion 103 "'of the electromagnetic radiation coming from the optical unit 1 onto the third sensor array 33, comprises the third microlens 6"'. As shown in FIG.
  • the microlenses 6 ', 6 ", 6”' can be arranged in a microlens array 6, wherein each microlens 6 ', 6 ", 6”' has a different average viewing direction 104 from the other microlenses 6 ', 6 ", 6”'.
  • the central viewing direction 104 of each optical imaging channel, as shown in FIG. 3, is defined by the connecting line between the centroid of the aperture of the microlens 6 ', 6 ", 6"' and the center of the associated sensor array, 31,
  • the size of the total spanned angle range results as the sum of the angular ranges which are transmitted in the respective optical imaging channel. Furthermore, the extent of each determines
  • the third portion 103 "'of the radiation coming from the optical unit 1 comprises, by way of example, six beams with diverging angles of incidence 1004 on the multi-aperture objective 22, with two beams having the same incident angle 1004.
  • the beams with the same angle of incidence 1004 are imaged by the third microlens 6 "'onto a common point on the detection unit 3 as described above.
  • three points on the third sensor array 33 result from the six beams, the two beams having the same
  • the optical imaging system 2 in Fig. 3 comprises a first aperture array 51 which prevents electromagnetic radiation from passing between the microlenses 6 ', 6 ", 6"'.
  • the first aperture array 51 is arranged in the beam path between a first substrate 8 'and the microlenses 6', 6 ", 6" 'in order to suppress stray light that might otherwise fall through the interstices of the microlenses 6', 6 ", 6” ' ,
  • a second aperture array 52 is spaced apart in the beam path behind the microlenses 6 ', 6 ", 6”' by a holding structure 7, that is to say on a side of the microlenses 6 ', 6 ", 6” facing away from the first aperture array 51.
  • the first substrate 8 ' is arranged in the beam path between the first aperture array 51 and the optical unit 1.
  • the radiation coming from the optical unit 1 enters the first through a fourth aperture array 54
  • Substrate 8 ' is refracted there because the first substrate 8' has a different refractive index than the environment, and enters the microlenses 6 ', 6 ", 6"' from the first substrate 8 'through the first aperture array 51.
  • a second substrate is arranged on the second aperture array 52.
  • a third aperture array 53 is arranged behind the second substrate, through which the radiation coming from the multi-aperture objective 22 drops onto a third substrate 8 "'which is arranged in the beam path behind the third aperture array 53.
  • the beam path behind the third substrate 8"' is the
  • Detection unit 3 is arranged.
  • the detection unit 3 comprises in FIG. 3 a
  • Aperture arrays 51, 52, 53 may be formed, for example, of opaque, in particular absorbent or reflective, material to prevent optical crosstalk between the optical imaging channels.
  • the transparent substrates may be made of glass, for example,
  • Plastic or inorganic co-polymer be formed.
  • the aperture arrays 51, 52, 53, 54 may be used as a
  • Layer may be formed from a material which reflects or backscatters the radiation, in which through holes are formed through which electromagnetic radiation can pass through the layer.
  • the aperture arrays 51, 52, 53, 54 may, for example, be made of black anodized aluminum sheet or by vapor deposition with reflective or absorbent
  • the through-holes in the aperture arrays 51, 52, 53, 54 may be rectangular, circular, or otherwise shaped.
  • further aperture arrays 51, 52, 53, 54 can be arranged in the beam path in order to prevent crosstalk of the radiations of the optical imaging channels.
  • optical imaging channels are arranged axially adjacent to one another in the beam path. Further embodiments of optical
  • Imaging systems 2 comprising a multi-aperture objective 22 are described, for example, in US 201 1/10228142 A1.
  • Each microlens 6 ', 6 “, 6”' of the microlens array of FIG. 3 receives a portion 103 ', 103 ", 103"' that deviates at least partially from the other portions 103 ', 103 ", 103”' from the optical unit 1 emerging radiation.
  • a beam which impinges on the optical unit 1 at a first angle of incidence can be split.
  • To Passage through the optical unit 1 results in the beam with the first angle of incidence two partial beams 102 ', 102 ", which run parallel to one another at a distance from one another
  • Partial beams 102 ', 102 "impinge on the first substrate 8' depend on
  • the incident angle 1004 is measured relative to the solder on the first substrate 8 '.
  • the first microlens 6 'in Fig. 3 forms two parallel
  • the detection unit 3 is arranged in the image plane 105 of the microlens 6 ', where the partial beams 103' can interfere there.
  • the microlenses 6 ', 6 ", 6"' can each
  • the first optical imaging channel that is to say the first microlens 6 'in FIG. 3, is set up to image an electromagnetic radiation coming from the first solid angle region from the optical unit 1 onto the first sensor array 31 and the second optical imaging channel, in FIG. 3 the second microlens 6 "is arranged to be one of the optical unit 1 of a second
  • the first solid angle region encompasses the rays coming from the optical unit 1, which impinges on the first substrate 8 'under impact angles 1004 and is imaged onto the sensor array 31 by the first microlens 6'.
  • the first optical unit 1 which impinges on the first substrate 8 'under impact angles 1004 and is imaged onto the sensor array 31 by the first microlens 6'.
  • Each incidence angle 1004 can be assigned an angle of incidence of a beam coming from the object 1001 onto the optical unit 1.
  • the first sensor array 31 receives a first interferogram and the second one
  • Solid angle ranges do not overlap, the two interferograms have no redundant information. Thereby, the spectral resolution of the miniature spectrometer 1000 can be increased.
  • the first solid angle region and the second solid angle region may be in another
  • Example be overlapping, that is, for example, the first solid angle region includes rays with incident angle of 9 ° to 15 ° and the second solid angle region includes rays with impact angles 1004 of 6 ° to 12 °.
  • the first interferogram and the second include
  • Another embodiment provides for vertically stacking the row of microlens array 6 of FIG. 3, i. to produce a microlens array in which the microlenses in one direction (horizontal) correspond to Fig. 3 and are identical in the other direction (vertically).
  • the horizontal direction corresponds to the direction on the image plane perpendicular to the interference fringes. This axis contains the spectral
  • the orthogonal axis contains no additional spectral information and an increase in the acceptance angle in this direction would have no
  • Microlens arrays 6 of FIG. 3 in this direction the light collection efficiency can be increased.
  • Microlens arrays 6, in the beam path one behind the other between the optical unit 1 and the detection unit 3 are arranged.
  • Identical means Here, that the microlenses of a first microlens array, for example, from the same material and have the same dimensions as the microlenses of another microlens array.
  • the microlens arrays can be arranged behind one another in the beam path such that in each case identical first microlenses the first portion 103 'of the optical unit
  • the solid angle ranges can match, then the first and the second interferogram can match.
  • the optical imaging system 2 illustrated in FIG. 3 can be produced, for example, by means of wafer processing and can have the following basic data, wherein the parameters are shown in the first line and the respective value of the parameter in the line below:
  • Single-aperture lenses 21 may have f / # 1 .8 aperture numbers by comparison.
  • This value can be seen as an upper bound on the factor by which a multi-aperture Lens with microlenses each of smaller light intensity (larger f-number) collects more light overall than a single aperture lens with higher light intensity (smaller f-number), it was assumed that the field of view (FOV) of the microlenses equal to the FOV of the single-aperture lens is based on the above aperture numbers. To estimate a lower bound, it is assumed that the FOV of the entire multi-aperture objective is equal to the FOV of the single-aperture objective and is 70 °, with a microlens covering only a portion of the total FOV. The microlenses should be aligned with the center of the respective FOV area.
  • the microlens array consists of 9 lines of 15 microlenses each.
  • the middle row overlooks a horizontal FOV of about 70 °, whereby the orientation of the microlenses in the direction of the respective FOV no edge light drop occurs.
  • the FOV of a single lens is 9.2 °. Since there are 15 lenses, the entire FOV of 70 ° is recorded with dual redundancy.
  • the light intensity of the single-aperture lens falls in proportion to cos 4 (9) (https://de.wikipedia.org/wiki/Cos4-Gesetz), where ⁇ is the angle of incidence on the lens.
  • the integral ⁇ os (d) * de is calculated, which is approximately equal to 0.88, and set in proportion to the weighting for angle-independent light flux passing through the integral over a FOV constant value J de is described and is about 1, 04.
  • Camera module OVM7692 CameraCubeChip from Omnivision as reference can be used, which belongs to the current state of the art with a height of 2.5 mm for the entire camera module to the currently most compact camera systems.
  • the multi-aperture camera shows in terms of low
  • the optical imaging system 2 comprises a first in this embodiment
  • Microlens array 61 comprising a plurality of convex-plane microlenses 61 ', 62', wherein, for example, the first microlens 61 'and the second microlens 62' have different directions of view, as above
  • Microlens arrays 61, the second substrate 8 " is arranged, wherein in
  • Microlens array 61 the first aperture array 51 is formed.
  • a second substrate 8 On a side facing away from the first aperture array 51 side of the second substrate 8 "is, held by the holding structure spaced from the second substrate 8", a second
  • Microlens array 62 is arranged, which has the same number of microlenses, as the first microlens array 61, wherein the microlenses of the second
  • Microlens arrays 62 are plano-concave. On one of the second
  • Beam path behind the third aperture array 53, that is, on a side remote from the third substrate 8 "'side of the third aperture array 53 is a third
  • the first microlenses 61 ', 62', 63 'of the microlens arrays 61, 62, 63 together form the first optical imaging channel, the second microlens array 63, wherein the microlenses 63', 63 "are made plano-convex Microlenses 61 ", 62", 63 “form the second optical imaging channel, etc.
  • the holding structure 7 holds the substrates 8", 8 "'with the aperture arrays 51, 52, 53 and the microlens arrays 61, 62, 63 spaced from the detection unit 3, which is arranged in the image plane 105.
  • the detection unit 3 which is arranged in the image plane 105.
  • Holding structure 7 are formed between the optical imaging channels (as shown for example in Fig. 5).
  • the holding structure 7 can be formed for example of glass, plastic or metal.
  • the support structure 7 may be formed of an opaque material or made opaque by suitable methods, for example by blackening with light-absorbing material when using glass.
  • the support structure 7 and / or the aperture arrays 51, 52, 53, 54 may be made of black anodized aluminum sheet.
  • the microlens arrays 61, 62, 63 may be formed of various materials such as glasses, plastics, inorganic organic polymers, etc. Furthermore, one or more of the microlens arrays 61, 62, 63 may be designed as a field of achromatic elements.
  • Sensor arrays 31, 32, 33, 34, 35 of the detection unit 3 are protected from laterally incident stray light.
  • the described construction results in each optical imaging channel a small micro-objective, which is the coming of the optical unit 1 electromagnetic radiation of the respective assigned portion of the optical unit 1 to the associated sensor array 31, 32, 33, 34, 35, which for example a or two-dimensional arrangement of photodiodes as sensor pixels 3 ', the detection unit 3 images.
  • Fig. 5 shows a cross-section of the miniature spectrometer 1000, wherein a difference from the miniature spectrometer 1000 of Fig. 3 is that the fourth aperture array 54 is applied directly to the optical unit 1, whereby the first substrate 8 'can be saved.
  • a respective beam coming from the object 1001 impinges on the optical unit 1, comprising a Savart element 1 '.
  • the beam entering at the first point of incidence 201 is split into two partial beams 103 'as described above, and the beam entering the second point of incidence 202 is split
  • the first aperture array 51 is arranged on a side of the optical unit 1 facing away from the object, since each microlens 6 ', 6 "has its own
  • Solid angle range 91, 92 of the collected rays arise on the detection unit 3 several small interferograms, one each
  • the solid angle ranges 91, 92 may be overlapping or disjoint.
  • each of the lenses detects a small solid angle range which can be assigned to an incident angle range
  • the thickness 301 of the optical unit 1 may be, for example, 2 mm in FIG. 5 and the height 300 may be 5 mm.
  • microlens arrays 6, 61, 62, 63 may be formed in one piece and manufactured, for example, by injection molding or lithography.
  • FIG. 6a shows a cross-section of a microlens 6 'and a sensor array 31 with simulated beam paths for beams with angles of incidence on the microlens 6' of 0 °, 1 °, 2 °, 3 °, 4 ° and 5 °. This is a spherical one
  • Microlens 6 ' which may be made of PMMA (acrylic glass), Polycabonat or Zeonex, for example, with a focal length of the microlens 6' of 2.5 mm, an entrance pupil, which in this embodiment the
  • Microlens diameter corresponds to, of 1 mm and an F / # f-number of 2.5.
  • the distance 506 from the vertex of the microlens 6 'to the image plane 105 in the simulation is 2.95 mm.
  • the thickness of the microlens 6 ' is 1 mm.
  • Beams with an angle of incidence from a solid angle range of 0 to 5 ° are incident on the microlens 6 '. Rays with the same angle of impact on the
  • Incidence angles of 0 ° are focused on a first point
  • rays 501 with an incident angle of 1 ° are focused on a second point
  • rays 503 with an incident angle of 3 ° are focused on a third point
  • rays 504 become with an incident angle of 4 ° focussed on a fourth point
  • rays 505 with an angle of incidence of 5 ° are focused on a fifth point, the points each differing from each other.
  • an interferogram can be recorded by the sensor array 31.
  • Sensor array 31 takes each sensor pixel 3 ', for example, an intensity of the electromagnetic radiation of the point, wherein the position of the
  • FIG. 6b shows a plan view of a microlens array 6 comprising, for example, twenty-five microlenses arranged in a 5 ⁇ 5 matrix, which, for example, is shown in FIGS. 7 through 9 as multi-aperture objective 22 of FIG
  • Miniature spectrometer 1000 is used.
  • the beam path is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the microlenses in Fig. 6b are identical to each other, that is, they all have the same shape and the same material.
  • Microlens 600 is arranged perpendicular to the beam path, that is, it is not tilted. Towards the edge, the microlenses are each inclined in 10 ° steps with respect to the exit surface 1003, which is illustrated in FIG. 6b by the surfaces becoming smaller towards the edge of the microlens array 6 by the central microlens 600.
  • Fig. 7 and Fig. 8 are two perspectives on a 3D model of the optical unit 1 and a multi-aperture objective 22, comprising a microlens array 6, which is shown in Fig. 6 b in a plan, to which a beam with a Aperture angle of 10 ° and a main incident direction 104 of 20 ° meets shown.
  • microlens array 6 includes twenty-five microlenses arranged in a 5x5 matrix.
  • the central microlens 600 is parallel to the
  • the central microlens 600 thus forms a solid angle range of + 5 ° to -5 ° on the associated sensor array.
  • the microlens 601 directly adjacent to the central microlens 600 receives radiation from a solid angle range of + 15 ° to + 5 ° and the next in turn from + 25 ° to + 15 °.
  • the Mikrolinsenarray 6 has an edge length of about 6mm in this embodiment, the used area of the Savart polariscope an edge length of about 7mm.
  • the total thickness of the imaging optical system 2 is about 4 mm.
  • the aperture arrays 52, 53 which are intended to prevent crosstalk of the individual optical imaging channels, may be formed, for example, from black anodized aluminum sheet. Alternatively or additionally, the aperture arrays 52, 53 can be produced by vapor deposition with reflective or absorbing materials on glass substrates.
  • the microlens array 6 shown is based on the simplest conceivable form in which the lenses are tilted only in accordance with the solid angle ranges which they are intended to receive.
  • the position and shape of the microlenses can be adapted.
  • the microlenses may have different shapes to each other to optimize each microlens 6 ', 6 ", 6"' to its associated image field.
  • the second aperture array 52 is arranged in the beam path between the multi-aperture objective 22 and the image plane 105.
  • Fig. 10 are in
  • the aperture arrays 52, 53 have square passage openings through which
  • electromagnetic radiation can pass through the aperture arrays 52, 53.
  • Figures 1 1 to 14 show simulated interferograms, which of the
  • Each square shows an interferogram, which was recorded by one sensor array each.
  • Interferogram 107 of the second sensor array and a further interferogram 108 of a further sensor array are sketched as raw data in FIG. 11 and shown enlarged in FIG.
  • Each interferogram shows one of the others Interferograms different interference pattern.
  • the individual interferograms are combined into a merged interferogram.
  • the first interferogram 106, the second interferogram 107 and the further interferogram were permuted with the other interferograms, resulting in an entire interference pattern.
  • FIG. 13 and 14 Interferograms are shown in FIG.
  • the enlarged image sections shown in FIGS. 13 and 14 show the characteristic interference fringes.
  • the characteristic interference fringes are not shown in FIGS. 11 and 12 for the sake of clarity.
  • Fig. 12 can also be the typical
  • Interferograms were permuted to obtain the merged interferogram. For example, the interferogram numbered 1 was not permuted.
  • FIG. 17 shows a flow diagram of a method 400 for analyzing an object 1001.
  • the method 400 may be performed by a miniature spectrometer 1000, such as shown in FIG. 5.
  • the method 400 may be performed by a miniature spectrometer 1000, such as shown in FIG. 5.
  • Method 400 comprises the steps of generating 401 two partial beams 103 ', which have a first phase shift relative to one another, from a first incident angle 41 incident on the optical unit
  • Incidence angle 41 depends; Generation 401 of two further partial beams 103 ", which have a second phase shift relative to each other, from a incident on the optical unit at a second angle of incidence 42
  • Incident angle 42 depends and the second angle of incidence 42 from the first
  • Incident angle 41 is different; Merging 402 of the partial beams 103 'of the electromagnetic radiation with the first angle of incidence 41 after
  • Imaging channel 6 to a common first point for measuring a first interferogram 402'; Merging 403 of the other sub-beams
  • Image channel 6 to a common second point for measuring a second interferogram 403 '; Determining 404 a spectrum or spectral information 404 'from the first interferogram 402' and the second interferogram 403 'for analysis of the object 1001.
  • Interferogram 402 ' can be seen in FIG. 5 from the first sensor array 31
  • the second interferogram 402 ' can be recorded in FIG. 5 by the second sensor array.
  • first interferogram 402 ' partial beams of the electromagnetic radiation with angles of incidence, which angles of incidence on the multi-aperture objective 22 from a first solid angle range 91 through the first optical field
  • Imaging channel 6 is shown, wherein partial beams of the
  • Mapping channel are merged, with partial beams of the
  • first solid angle region and the second solid angle region may coincide or the first solid angle region and the second solid angle region may at least partially deviate from one another.
  • first solid angle region 91 is adjacent to the second one
  • the first solid angle range includes beams with impact angles of -15 ° to -9 °
  • the second solid angle range includes beams with impact angles of -9 ° to -3 °.
  • Incident angle incident on the optical unit 1 can be split and / or broken depending on the angle of incidence and polarization. It can be calculated with which angle the beam emerges relative to the solder on the exit surface 1003 from the optical unit 1 after passing through. This angle corresponds to the angle of incidence in FIG. 5, since the multi-aperture objective 22 is arranged parallel to the exit surface 1003.
  • FIG. 18 there is shown a flowchart of method 400 wherein at step 404 of spectrum or spectral information 404 ', a
  • Fourier transformation 406 of the second interferogram 403 ' takes place and for determining 404 of the spectrum or the spectral information 404' for analyzing the object 1001, merging 407 of the Fourier transform 405 'of the first interferogram 402' and the Fourier transform 406 'of the second interferogram 403' takes place.
  • step 404 of the spectrum or spectral information 404 ' merging 408 of the first interferogram 402' and the second interferogram 403 'takes place, resulting in a merged one
  • Interferogram 408 'results.
  • the merged interferogram like it
  • 404 is Fourier-transformed 404 for the purpose of determining 404 of the spectrum or spectral information 404 'for analysis of the object 1001.
  • the detection unit 3 may comprise an evaluation unit, which may be configured to match the spectral information 404 'with a database unit in order thus to determine, for example, whether a particular substance is contained in the object 1001 or to identify the object 1001, for example, based on its spectrum.
  • an evaluation unit which may be configured to match the spectral information 404 'with a database unit in order thus to determine, for example, whether a particular substance is contained in the object 1001 or to identify the object 1001, for example, based on its spectrum.
  • reference spectra can be stored or

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Abstract

Die Erfindung betrifft Miniaturspektrometer (1000), umfassend - eine Detektionseinheit (3), welche zur Bestimmung einer optischen Größe einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, - eine optische Einheit (1), welche ein Savart-Element (V) umfasst, wobei das Savart-Element (V) einen Polarisator, ein erstes doppelbrechendes Element und ein zweites doppelbrechendes Element und einen Analysator umfasst, und - ein optisches Abbildungssystem (2), welches im Strahlengang zwischen der optischen Einheit (1) und der Detektionseinheit (3) angeordnet ist, wobei das optische Abbildungssystem (2) dazu eingerichtet ist, von der optischen Einheit (1) kommende elektromagnetische Strahlung (103', 103") auf die Detektionseinheit (3) abzubilden, wobei das optische Abbildungssystem (2) ein Multiapertur-Objektiv (22) umfasst, wobei das Multiapertur-Objektiv (22) mehrere optische Abbildungskanäle umfasst.

Description

Beschreibung Titel
Miniaturspektrometer und Verfahren eingerichtet zur spektralen Analyse eines
Objekts
Stand der Technik
In US 9316539 B1 ist ein statisches Fourier-Transformationsspektrometer beschrieben. Es umfasst einen Diffusor, eine Anordnung, umfassend doppelbrechende Kristalle und Polarisatoren, die unterschiedliche Gangunterschiede generiert, sowie eine
Sammellinse, die Strahlen mit gleichem Gangunterschied auf einen Punkt eines Detektorarrays fokussiert. Das Interferogramm, welches am Detektor entsteht wird fouriertransformiert.
In WO 201 1/093794 A1 ist ein Abbildungssystem, welches ein Savart-Polariskop für die Erzeugung von Interferenzstreifen umfasst, gezeigt.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Miniaturspektrometer und ein Verfahren eingerichtet zur spektralen Analyse eines Objekts.
Für das Erzeugen des Interferogramms können beispielsweise sogenannte
Einzelapertur-Objektive bzw. Smartphone-Kameras verwendet werden.
Einzelapertur-Objektive bezeichnen klassische Objektivsysteme mit einer
einzelnen Öffnung, das heißt einer Apertur, durch die Licht eindringt. Allgemein ist der maximale Durchmesser eines Lichtbündels und somit die maximale
Lichtleistung, die ein solches Einzelapertur-Objektiv einsammeln kann, durch die Eintrittspupille des Einzelapertur-Objektivs definiert. Die Eintrittspupille ist eine reelle oder virtuelle Öffnung, welche die in ein optisches System einfallenden
Strahlenbündel begrenzt. Die Eintrittspupille kann als Bild der Aperturblende entstehen, indem diese von den vor ihr liegenden Elementen, wie beispielsweise Linsen oder Spiegel, in den Objektraum abgebildet wird. Umfasst das
Einzelapertur-Objektiv eine Einzellinse, wie dies beispielsweise in WO
201 1/093794 A1 gezeigt ist, so ist die Eintrittspupille gleich dem mechanischen Durchmesser der Linse. Je kleiner der mechanische Durchmesser, desto
weniger Lichtleistung kann die Eintrittspupille passieren. Mit Hilfe eines Savart-Elements und eines abbildenden Elements, wie beispielsweise einer Linse, kann ein Interferogramm eines Objekts aufgenommen werden. Das Interferogramm kann mittels einer Fouriertransformation in das Spektrum der von diesem Objekt ausgesandten elektromagnetischen Strahlung transformiert werden. Das Prinzip eines Spektrometers auf Basis eines Savart-Elements beruht darauf, dass ein von dem Objekt herrührender Lichtstrahl in zwei Strahlen mit vorzugsweise gleicher
Intensität aufgespalten wird und einer der beiden Strahlen getrennt einen optisch längeren Pfad durchläuft als der andere Strahl. Danach werden die beiden Strahlen durch ein Objektiv auf einem Punkt in der Detektionsebene wieder überlagert.
Abhängig vom Unterschied des optischen Wegs und der daraus resultierenden Phasendifferenz interferieren die beiden Strahlen und es entsteht ein Lichtfleck mit einer von der Differenz der Phase der beiden Strahlen abhängigen Intensität. Ein Savart-Element kann beispielsweise einen Polarisator, einen oder mehrere
doppelbrechende Kristalle und einen Analysator umfassen. Es sind unterschiedliche Anordnungen der Kristalle beispielsweise aus dem vorstehend zitierten Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann ein A/2-Plättchen im Strahlengang zwischen zwei doppelbrechenden Kristallen angeordnet werden. Tritt ein Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel auf ein Savart-Element, so wird dieser in zwei orthogonal zueinander polarisierte Strahlen aufgeteilt, welche das Savart-Element durch den Analysator voneinander beabstandet parallel zueinander wieder verlassen und welche durch eine Abbildungsoptik in der Detektionsebene, das heißt der Ebene in der beispielsweise ein Detektor oder ein Detektorarray angeordnet ist, auf einen gemeinsamen Punkt abgebildet werden. Der optische Gangunterschied der beiden Strahlen relativ zueinander und die Position des gemeinsamen Abbildungspunktes in der Detektionsebene hängen von dem Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das Savart- Element ab. Somit wird ein zweidimensionales Interferogramm in der Detektionsebene erzeugt. In einer Ausführungsform kann ein Diffusor im Strahlengang vor der
Eintrittsfläche des Savart-Elements angeordnet sein. Diese Ausführungsform ist beispielsweise für reine Spektroskopie ohne gleichzeitige Bildgebung sehr gut geeignet.
Smartphone-Objektive umfassen beispielsweise in der Regel mehrere Linsen mit stark asphärischen Oberflächen, um eine ausreichend gute Bildqualität zu erzielen. Solche Linsen werden mit sehr geringen Fertigungstoleranzen hergestellt, um eine gute Bildqualität zu ermöglichen. Die Objektive weisen beispielsweise eine
Gesamtbaulänge, das heißt einen Abstand zwischen dem objektseitigen Vertex der ersten Linse im Strahlengang und dem Detektor bzw. Kamerasensor, von rund 5 mm, ein Bildfeld von typischerweise rund 60° sowie eine möglichst kleine Blendenzahl, beispielsweise eine Blendenzahl von 1 ,8 auf. Eine Erhöhung Blendenzahl kann eine Reduzierung von Bildfehlern ermöglichen, was insbesondere bei größer werdendem Bildfeld relevant ist. Durch eine Erhöhung der Blendenanzahl erhöht sich auch die Gesamtbaulänge des Objektivs.
Ein Strahlungsstrom P,m auf ein Kamerapixel, bzw. einen Sensor eines Sensorarrays, achfolgenden Gleichung bestimmt werden:
Figure imgf000005_0001
Diese Gleichung zeigt, dass der Strahlungsstrom Pim auf ein Sensorpixel der
Größe d bei einlaufender Strahlungsstromdichte B0b und Transmissivität τ des optischen Systems invers proportional zur Blendenzahl (F/#) ist. Die Blendenzahl ergibt sich aus einem Verhältnis der Brennweite zum Durchmesser der
wirksamen Eintrittspupille. Für die Konstruktion eines Miniaturspektrometers zur spektralen Analyse eines Objekts ist es vorteilhaft, möglichst viel
elektromagnetische Strahlung einzusammeln, welche von dem Objekt kommt, das heißt insbesondere, welche von dem Objekt reflektiert, emittiert, transmittiert oder zurückgestreut wird.
Ein Effekt, der den Strahlungsfluss auf ein Kamerapixel begrenzt, ist die
sogenannte Vignettierung. Die Vignettierung hängt von der Größe einer Apertur eines Objektivs ab, welches die vom Savart-Element kommende elektromagnetische Strahlung auf dem Detektor in Abhängigkeit des
Einfallswinkels zusammenführt. Insbesondere erscheint die Objektivlinse unter großen Einfallswinkel betrachtet als Ellipse (perspektivische Verkürzung), wodurch die Licht transmittierende Fläche effektiv verkleinert wird
(Randlichtabfall).
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass das Bildfeld für jeden optischen Abbildungskanal des Multiapertur- Objektivs verglichen mit einem Einzelapertur-Objektiv vergleichsweise klein ist und die Blendenzahl verglichen mit einem Einzelapertur-Objektiv vergleichsweise groß ist und somit Bildfehler bei der Verwendung eines Multiapertur-Objektivs deutlich leichter zu korrigieren sind als bei Einzelapertur-Objektiven. Das Bildfeld ist definiert durch den maximalen Einfallswinkel unter dem ein Lichtstrahl auf das Multiapertur-Objektiv auftreffen und noch ungehindert bis zur Detektionseinheit propagieren kann. Weiterhin resultiert aus der größeren Blendenzahl eine größere Abbildungstiefe. Dies bedeutet, dass der Bereich, um den eine
Detektionseinheit relativ zu einem zu untersuchenden Objektiv defokussiert sein kann, größer ist als bei einem Einzelapertur-Objektiv mit kleiner Blendenzahl. Somit ergibt sich durch die Verwendung eines Multiapertur-Objektivs ein zuverlässiges Miniaturspektrometer, welches eine große mechanische und messtechnische Robustheit und Fehlertoleranz aufweist. Beispielsweise weist das Miniaturspektrometer im Betrieb eine hohe Robustheit gegenüber einem thermische Drift auf. Des Weiteren wird durch die Verwendung eines
Multiapertur-Objektivs der Einfluss von chromatischen Aberrationen auf die Messergebnisse reduziert, da die einzelnen Wellenlängen über einen größeren axialen Bereich gleichzeitig scharf abgebildet werden als bei einem System mit gleichem chromatischen Fehler aber geringerer Blendenzahl.
Dies wird erreicht mit einem Miniaturspektrometer, umfassend eine
Detektionseinheit, welche zur Bestimmung einer optischen Größe einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist, umfassend eine optische Einheit, welche ein Savart-Element umfasst, wobei das Savart-Element einen Polarisator, ein erstes doppelbrechendes Element und ein zweites doppelbrechendes Element und einen Analysator umfasst, und umfassend ein optisches
Abbildungssystem, welches im Strahlengang zwischen der optischen Einheit und der Detektionseinheit angeordnet ist, wobei das optische Abbildungssystem dazu eingerichtet ist, von der optischen Einheit kommende elektromagnetische Strahlung auf die Detektionseinheit abzubilden. Das Miniaturspektrometer zeichnet sich dadurch aus, dass das optische Abbildungssystem ein Multiapertur- Objektiv umfasst, wobei das Multiapertur-Objektiv mehrere optische
Abbildungskanäle umfasst. Ein Vorteil ist, dass somit den Anteil der vom Objekt kommenden Strahlung gegenüber der Verwendung eines Einzelapertur-Objektivs erhöht werden kann und somit die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der
Messergebnisse erhöht werden kann.
In einer Ausführungsform kann das Multiapertur-Objektiv mindestens einen ersten optischen Abbildungskanal und mindestens einen zweiten optischen Abbildungskanal umfassen und die Detektionseinheit mindestens ein erstes Sensorarray und mindestens ein zweites Sensorarray umfassen, wobei der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Anteil der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, zumindest einen zweiten Anteil der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray abzubilden. Ein Vorteil ist, dass somit beispielsweise das Bildfeld, das heißt für jeden Abbildungskanal vergleichsweise klein und die Blendenzahl groß sein kann und somit Bildfehler leichter korrigiert werden können. Des Weiteren kann für jeden optischen Abbildungskanal beispielsweise jeweils ein Interferogramm von dem dem jeweiligen Abbildungskanal zugeordneten Sensorarray aufgenommen werden. Ein Sensorarray umfasst mehrere Sensoren, insbesondere
Strahlungssensoren, welche beispielsweise in einer Bildebene eines optischen Abbildungskanals zueinander benachbart angeordnet werden können. Somit ist eine ortsaufgelöste Strahlungsdetektion in Abhängigkeit des Einfallswinkels möglich. Durch Fouriertransformation der Interferogramme können spektrale Informationen über das zu untersuchende Objekt gewonnen werden.
Alternativ oder ergänzend kann dass das Multiapertur-Objektiv mindestens eine erste Mikrolinse und mindestens eine zweite Mikrolinse umfassen, wobei der erste optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Anteil der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray abzubilden, die erste Mikrolinse umfasst und wobei der zweite optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest einen zweiten Anteil der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray abzubilden die zweite Mikrolinse umfasst. Ein Vorteil ist, dass jede Mikrolinse einen eigenen
Raumwinkelbereich der aufgesammelten Strahlen auf die Detektionseinheit abbildet. Der Raumwinkelbereich aus dem eine Mikrolinse Lichtstrahlen auf die Detektionseinheit leitet, stellt ein Subintervall des gesamten Winkelbereichs dar, den das gesamte Multiapertur-Objektiv auf die Detektionseinheit führen kann. Die Mikrolinse ist derart gekippt, dass der Winkel zwischen optischer Achse des
Gesamtsystems und optischer Achse der Mikrolinse nahe der Mitte des
entsprechenden Winkel-Subintervalls liegt. Beispielsweise kann das gesamte System einen Winkelbereich von -30° bis 30° detektieren, wobei eine Mikrolinse einen Teilbereich von 5° bis 15° auf die Detektionseinheit abbildet. Diese
Mikrolinse ist idealerweise derart gekippt, dass sie in Richtung 10° ausgerichtet ist. Bei einem Einzelapertur-Objektiv kommt es bei Strahlen mit großen
Einfallswinkeln zu Vignettierung bzw. Randabdunklung. Vignettierung entsteht dadurch, dass bei einem System mit mehreren Aperturen, z.B. zwei Mikrolinsen, bei größer werdenden Einfallswinkeln die scheinbare Überlappfläche der beiden Aperturen immer kleiner wird bis sie verschwindet. Randabschattung entsteht dadurch, dass die einzelne Apertur z.B. einer Mikrolinse mit schrägen
Einfallswinkeln scheinbar immer ovaler, die Querschnittsfläche durch die Licht in ein System eindringen kann, also immer schmaler wird. Durch Kippen, also
Ausrichten der Linse oder des Linsensystems in Richtung der
Hauptdetektionsachse (im Beispiel die Mitte des Winkel-Subintervalls) kann die
Vignettierung und Randabschattung reduziert und die Lichtsammeieffizienz erhöht werden. Mikrolinsen können beispielsweise als Mikrolinsenarray einfach und kostengünstig hergestellt werden. Dadurch kann vorteilhafterweise eine
Positionierung des Multiapertur-Objektivs relativ zur Detektionseinheit vereinfacht werden.
In einer Ausführungsform kann der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet sein, eine von der optischen Einheit aus einem ersten Raumwinkelbereich kommende elektromagnetische Strahlung auf das erste Sensorarray abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal kann dazu eingerichtet sein, eine von der optischen Einheit aus einem zweiten Raumwinkelbereich kommende elektromagnetische Strahlung auf das zweite Sensorarray abzubilden, wobei der erste Raumwinkelbereich zumindest teilweise von dem zweiten Raumwinkelbereich abweichend ist oder wobei der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich übereinstimmen. Die
Raumwinkelbereiche können beispielsweise übereinstimmen oder überlappend oder disjunkt sein. Ein Vorteil ist, dass bei zumindest teilweise überlappenden
Raumwinkelbereichen die Information in den Interferogrammen zum Teil überlappend, das heißt redundant sein kann, was zur Erhöhung der Lichtsammeieffizienz des Multiapertur-Objektivs führt. Gibt es keinen Überlapp des ersten Raumwinkelbereichs und des zweiten Raumwinkelbereichs, so können die Aufnahme eines größeren
Bereichs des reziproken Raums und somit eine Erhöhung der spektralen Auflösung ermöglicht werden. Stimmen der erste Raumwinkelbereich und der zweite
Raumwinkelbereich überein, so bildet jeder optische Abbildungskanal dasselbe, verkleinerte Bild auf die Detektionseinheit ab. Es können hierbei baugleiche optische Abbildungskanäle verwendet werden, wodurch sich ein vereinfachter und robuster
Aufbau des Miniaturspektrometers ergibt. Beispielsweise können die optischen Abbildungskanäle mittels baugleicher Mikrolinsen realisiert werden, welche
beispielsweise in einer Matrix, das heißt einem Mikrolinsenarray angeordnet sein können. Dadurch kann ein kostengünstiges Miniaturspektrometer realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das optische Abbildungssystem mindestens ein Aperturarray umfassen. Beispielsweise können eines oder mehrere Aperturarrays im Strahlengang vor dem Multiapertur-Objektiv, das heißt zwischen der optischen Einheit und dem Multiapertur-Objektiv, angeordnet sein und/ oder es können eines oder mehrere Aperturarrays im Strahlengang hinter dem Multiapertur-Objektiv, das heißt im
Strahlengang zwischen dem Multiapertur-Objektiv und der Detektionseinheit, angeordnet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Übersprechen zwischen den optischen Abbildungskanälen reduziert bzw. vermieden werden. Das Aperturarray kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die optischen Abbildungskanäle optisch gegeneinander abzuschirmen.
Ein Verfahren eingerichtet zur spektralen Analyse eines Objekts mittels des
Miniaturspektrometers zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren die
nachfolgenden Schritte aufweist: Erzeugung von zwei Teilstrahlen, welche relativ zueinander eine erste Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem ersten Einfallswinkel auf die optische Einheit auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom ersten Einfallswinkel abhängt; Erzeugung von zwei weiteren Teilstrahlen, welche relativ zueinander eine zweite Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem zweiten Einfallswinkel auf die optische Einheit auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die
Phasenverschiebung vom zweiten Einfallswinkel abhängt und der zweite
Einfallswinkel vom ersten Einfallswinkel abweichend ist; Zusammenführen der Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit dem ersten Einfallswinkel nach Durchlaufen der optischen Einheit durch einen ersten optischen
Abbildungskanal auf einen gemeinsamen ersten Punkt zur Messung eines ersten
Interferogramms; Zusammenführen der weiteren Teilstrahlen der
elektromagnetischen Strahlung mit dem zweiten Einfallswinkel nach Durchlaufen der optischen Einheit durch einen zweiten optischen Abbildungskanal auf einen gemeinsamen zweiten Punkt zur Messung eines zweiten Interferogramms;
Ermitteln eines Spektrums oder einer spektralen Information aus dem ersten
Interferogramm und dem zweiten Interferogramm zur Analyse des Objekts. Ein Vorteil ist, dass die messtechnische Robustheit und die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht werden kann. Des Weiteren ergeben sich die zuvor genannten Vorteile.
In einer Ausführungsform kann zur Messung des ersten Interferogramms Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln aus einem ersten Raumwinkelbereich durch den ersten optischen Abbildungskanal abgebildet werden, wobei Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden und zur Messung des zweiten Interferogramms Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln aus einem zweiten
Raumwinkelbereich durch den zweiten optischen Abbildungskanal
zusammengeführt werden, wobei Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln jeweils auf einen gemeinsamen Punkt
zusammengeführt werden. Der erste Raumwinkelbereich und der zweite
Raumwinkelbereich können hierbei übereinstimmen oder der erste
Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich können zumindest teilweise voneinander abweichen. Ein Vorteil ist, dass somit die
Lichtsammeieffizienz erhöht werden kann. Des Weiteren kann beispielsweise ein größerer Bereich des reziproken Raums aufgenommen werden und somit eine Erhöhung der spektralen Auflösung ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform kann bei der Ermittlung des Spektrums oder der spektralen Information eine Fouriertransformation des ersten Interferogramms erfolgen und eine Fouriertransformation des zweiten Interferogramms erfolgen und zur Ermittlung des Spektrums oder der spektralen Information zur Analyse des Objekts ein Zusammenführen der Fouriertransformierten des ersten
Interferogramms und der Fouriertransformierten des zweiten Interferogramms erfolgen.
Bei der Ermittlung des Spektrums oder der spektralen Information kann in einer Ausführungsform ein Zusammenführen des ersten Interferogramms und des zweiten Interferogramms erfolgen, wodurch sich ein zusammengeführtes
Interferogramm ergibt und zur Ermittlung des Spektrums oder der spektralen
Information zur Analyse des Objekts eine Fouriertransformation des
zusammengeführten Interferogramms erfolgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche
Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Es zeigen
Fig. 1 eine Skizze eines Strahlenverlaufs durch ein Savart-Element,
Fig. 2 einen Querschnitt einer optischen Einheit und einem Einzelapertur- Objektiv mit skizzierten Strahlenverläufen,
Fig. 3 einen Querschnitt eines Multiapertur-Objektivs und einer Detektionseinheit mit skizzierten Strahlenverläufen,
Fig. 4 einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers mit skizzierten
Strahlenverläufen,
Fig. 5 einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers mit skizzierten
Strahlenverläufen und Raumwinkelbereichen, Fig. 6a einen Querschnitt eines Mikrolinse und einem Sensorarray mit simulierten Strahlenverläufen für Strahlen mit Einfallswinkeln auf die Mikrolinse von 0°, 1 °,
2°, 3°, 4° und 5°,
Fig. 6b eine Aufsicht auf ein Multiapertur-Objektiv umfassend eine Anordnung von 5x5 Mikrolinsen,
Fig. 7 ein 3D-Modell einer optischen Einheit und einem Multiapertur-Objektiv auf das ein Strahlenbündel mit einem Öffnungswinkel von 10° und einer
Haupteinfallsrichtung von 20° trifft,
Fig. 8 ein 3D-Modell einer optischen Einheit und einem Multiapertur-Objektiv, Fig. 9 ein 3D-Modell einer optischen Einheit und einem optischen
Abbildungssystem, wobei das optische Abbildungssystem ein Multiapertur- Objektiv und ein erstes Aperturarray umfasst,
Fig. 10 ein 3D-Modell einer optischen Einheit und einem optischen
Abbildungssystem, wobei das optische Abbildungssystem ein Multiapertur- Objektiv, ein erstes Aperturarray und ein zweites Aperturarray, welches nahe an der Bildebene angeordnet ist, umfasst,
Fig. 1 1 skizzierte Rohdaten von Sensorarrays einer Detektionseinheit eines Miniaturspektrometers, wobei das Miniaturspektrometer eine optische Einheit und ein Multiapertur-Objektiv umfasst,
Fig. 12 ein zusammengeführtes Interferogramm aus den skizzierten Rohdaten aus Fig. 1 1 ,
Fig. 13 einen vergrößerten Bereich der Rohdaten aus Fig. 1 1 ,
Fig. 14 einen vergrößerten Bereich des zusammengeführten Interferogramms aus Fig. 12 aus den Rohdaten aus Fig. 13,
Fig. 15 eine Nummerierung der Rohdaten der Sensorarrays aus Fig. 1 1 vor einer
Permutation zur Ermittlung des zusammengführten Interferogramms,
Fig. 16 die Nummerierung der Rohdaten der Sensorarrays nach der Permutation,
Fig. 17 ein Verfahren zur Analyse eines Objekts,
Fig. 18 ein Verfahren zur Analyse eines Objekts, wobei eine
Fouriertransformation eines zusammengeführten Interferogramms erfolgt und
Fig. 19 ein Verfahren zur Analyse eines Objekts, wobei eine
Fouriertransformation der einzelnen Interferogramme vor einem
Zusammenführen erfolgt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Fig. 1 zeigt ein modifiziertes Savart-Element 1 ', wie es beispielsweise in„Wide-field-of- view polarization interference imaging spectrometer" (Zhang et al., Applied Optics 43.33 (2004)) beschrieben ist. Es ist ein Strahlenverlauf für den Fall eines senkrecht auf das Savart-Element V einfallenden Strahls dargestellt. In Fig. 1 verläuft der Strahl parallel zur z-Achse durch das Savart-Element V. Ein Polarisator 10 mit einer ersten Polarisationsachse 10' und ein Analysator 1 1 mit einer zweiten Polarisationachse 1 1 ' sind im Strahlengang parallel zur x-y-Ebene ausgebildet. Die erste Polarisationsachse 10' und die zweite Polarisationsachse 1 1 ' verlaufen in dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel parallel zueinander. Der Strahl trifft zunächst auf den Polarisator
10, welcher die elektromagnetische Strahlung in der x-y Ebene linear polarisiert. Beim Eintritt durch eine Eintrittsfläche in das erste doppelbrechende Element 12', welches parallel zur z-Richtung eine erste Ausdehnung, das heißt eine erste Dicke, aufweist, wird der Strahl in einen ersten ordentlichen 100" und einen ersten außerordentlichen Strahl 100' aufgespalten. Die Eintrittsfläche entspricht in Fig. 1 einer Fläche parallel zur x-y-Ebene, durch welche der Strahl in das erste doppelbrechende Element 12' eintritt. Ein λ/2-Plättchen 123, welches in einem Ausführungsbeispiel im Strahlengang zwischen dem ersten doppelbrechenden Element 12' und einem zweiten
doppelbrechenden Element 12", welches eine zweite Dicke aufweist, die in diesem Ausführungsbeispiel mit der ersten Dicke übereinstimmt, angeordnet sein kann, kann die Polarisationsvektoren des ersten ordentlichen Strahls 100" und des ersten außerordentlichen Strahls 100' um jeweils 90 Grad in einer Ebene parallel zur x-y- Ebene drehen, sodass beim Eintritt in das zweite doppelbrechende Element 12" der erste ordentliche Strahl zu einem zweiten außerordentlichen Strahl 101 " und der erste außerordentliche Strahl 100' zu einem zweiten ordentlichen Strahl 101 ' wird. Das erste doppelbrechende Element 12' und das zweite doppelbrechende Element 12" sowie das λ/2-Plättchen 123, sofern vorhanden, bilden zusammen ein Savart-Polariskop 12. Eine erste optische Achse 121 ' des ersten doppelbrechenden Elements 12' und eine zweite optische Achse 122' des zweiten doppelbrechenden Elements 12" sind in Fig. 1 in das jeweilige doppelbrechende Element 12', 12" eingezeichnet. Da die Strahlen unter voneinander abweichenden Winkeln im Savart-Polariskop abgelenkt werden, treten sie an voneinander abweichenden Punkten aus dem zweiten doppelbrechenden Element 12" aus. Der zweite ordentliche Strahl 101 ' bildet nach Austritt aus dem Savart-Polariskop einen ersten Teilstrahl 102', der zweite außerordentliche Strahl 101 " bildet nach Austritt aus dem Savart-Polariskop 12 einen zweiten Teilstrahl 102". Der erste Teilstrahl 102' und der zweite Teilstrahl 102" verlaufen im Strahlengang hinter dem Savart-Polariskop 12 voneinander beabstandet parallel zueinander. Der Abstand wird im Folgenden als Teilstrahlabstand 102 bezeichnet. Danach passieren der erste Teilstrahl 102' und der zweite Teilstrahl 102" den Analysator 1 1. Die beiden
Teilstrahlen 102', 102" weisen nach Durchgang durch den Analysator 1 1 die gleiche
Polarisation auf. Somit können die Teilstrahlen interferieren, wenn sie auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden.
In einem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Savart-Polariskop zwei doppelbrechende Elemente, welche im Strahlengang hintereinander angeordnet sind.
Ein Hauptschnitt des doppelbrechenden Elements wird durch die Ebene beschrieben, die senkrecht zur Eintrittsfläche ist und die optische Achse des doppelbrechenden Elements enthält. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen der ersten optischen Achse und der Eintrittsfläche 45°. Der Hauptschnitt des zweiten doppelbrechenden Elements ist um 90° gegenüber dem Hauptschnitt des ersten doppelbrechenden Elements gedreht.
Weitere Ausführungsbeispiele für Savart-Elemente V sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise kann vor dem Savart-Element V eine Vor-Optik angeordnet sein, die elektromagnetische Strahlung auf das Savart-Element 1 ' leitet. Die Vor-Optik kann beispielsweise einen Diffusor umfassen. In Fig. 2 ist ein Querschnitt einer optischen Einheit 1 , welche ein Savart-Element 1 ' umfasst, wobei das Savart-Element 1 ' beispielsweise wie vorstehend beschrieben einen Polarisator 10, ein erstes doppelbrechendes Element 12', ein zweites
doppelbrechendes Element 12" und einen Analysator 1 1 umfasst, einem optischen Abbildungssystem 2 und eines Detektors 31 dargestellt. Das optische
Abbildungssystem 2 umfasst ein Einzelapertur-Objektiv 21 , beispielsweise eine
Sammellinse. Der Detektor ist in einer Bildebene 105 des Einzelapertur-Objektivs 21 angeordnet. Strahlen, die unter gleichem Winkel auf das Savart-Element 1 ' treffen werden durch die Sammellinse auf einen gemeinsamen Punkt in der Bildebene 105 der Sammellinse fokussiert. In Fig. 2 treffen ein erster Strahl 201 ' in einem ersten
Auftreffpunkt 201 , ein dritter Strahl 202' in einem zweiten Auftreffpunkt 202 und ein vierter Strahl 203' in einem dritten Auftreffpunkt 203 senkrecht, das heißt mit einem Winkel von 0° gegenüber der y-z-Ebene, auf das Savart-Element 1 ' auf. Der erste Auftreffpunkt 201 , der zweite Auftreffpunkt 202 und der dritte Auftreffpunkt 203 sind jeweils voneinander abweichend. Der Strahlenverlauf durch das Savart-Element V ist lediglich skizziert, die Strahlaufspaltung in Teilstrahlen und eine Strahlablenkung ist der
Einfachheit halber hier nicht dargestellt. Der erste Strahl 201 ', der dritte Strahl 202' und der vierte Strahl 203' treten durch eine Durchgangsöffnung 2' in das optische
Abbildungssystem 2 ein und werden durch das Einzelapertur-Objektiv 21 auf einen gemeinsamen ersten Punkt auf den Detektor 31 in der Bildebene 105 abgebildet. Dort können die Strahlen, welche Teilstrahlen umfassen können, wie dies beispielsweise in
Fig. 1 dargestellt ist, interferieren und einen Teil eines Interferogramms bilden. In Fig. 2 treffen ein sechster Strahl 204' in einem vierten Auftreffpunkt 204, ein achter Strahl 205' in einem fünften Auftreffpunkt 205 und ein zehnter Strahl 206' in einem sechsten Auftreffpunkt 206 mit einem gleichen von 0° abweichenden Winkel gegenüber der y-z- Ebene auf das Savart-Element 1 ' auf. Der vierte Auftreffpunkt 204, der fünfte
Auftreffpunkt 205 und der sechste Auftreffpunkt 206 sind jeweils voneinander abweichend. Der sechste Strahl 204', der achte Strahl 205' und der zehnte Strahl 206' treten durch die Durchgangsöffnung 2' in das optische Abbildungssystem 2 ein und werden durch das Einzelapertur-Objektiv 21 auf einen gemeinsamen zweiten Punkt, der von dem ersten Punkt abweicht, auf den Detektor 31 in der Bildebene 105 abgebildet. Dort können die Strahlen, welche Teilstrahlen umfassen können, wie dies beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, interferieren und einen Teil eines
Interferogramms bilden. Fig. 2 zeigt, dass Strahlen mit gemeinsamem Einfallswinkel auf einen Punkt in der Bildebene abgebildet werden. Diese Punkte ergeben zusammen ein Interferogramm. In Fig. 2 sind weitere Strahlen eingezeichnet, die nicht zum
Interferogramm beitragen. Ein zweiter Strahl 201 " trifft am ersten Auftreffpunkt 201 mit einem ersten Einfallswinkel, welcher von 0° abweicht auf das Savart Element auf, ein fünfter Strahl 203" trifft am dritten Auftreffpunkt 203 mit einem zweiten Einfallswinkel, welcher von 0° abweicht auf das Savart-Element 1 ' auf, ein siebter Strahl 204" trifft mit einem dritten Einfallswinkel, der von 0° abweicht auf das Savart-Element 1 ' auf und ein neunter Strahl 205" trifft unter einem vierten Einfallswinkel, der von 0° abweicht auf das Savart-Element 1 ' auf. Die Einfallswinkel nehmen in Fig. 2 voneinander abweichende Werte an, wobei wie vorstehend beschrieben, die Strahlaufspaltung bzw.
Strahlablenkung der Einfachheit halber hier nicht gezeigt ist. Diese Strahlen 201 ", 203", 204", 205" treten jedoch nicht in das Einzelapertur-Objektiv 21 ein, sondern treffen auf eine für die Strahlen undurchlässige Fläche 2" neben der ersten
Linsenöffnung 2', welche die Durchgangsöffnung 2' bildet, und können somit nicht auf den Detektor 31 treffen und somit nicht für die Auswertung genutzt werden. Die Durchgangsöffnung entspricht hierbei der Eintrittspupille des Einzelapertur-Objektivs 21 . In diesem Beispiel entspricht die Durchgangsöffnung der Eintrittspupille, da sie den maximalen Durchmesser des einlaufenden Strahlenbündels limitiert. Die
Durchgangsöffnung wird Aperturblende genannt. Wird die Durchgangsöffnung vergrößert, was einer Verkleinerung der Blendenzahl F/# entspricht, erhöht sich auch der Strahlungsfluss erhöhen, da nun auch die Strahlen 201 ", 203" etc. das System passieren können. Allerdings werden durch die Vergrößerung der Durchgangsöffnung auch die Abbildungsfehler verstärkt, wie zuvor schon erwähnt. Strahlen, die unter einem großen Winkel einlaufen, sehen die Eintrittsöffnung perspektivisch verzerrt als eine Ellipse, deren kurze Hauptachse mit zunehmendem Winkel kleiner erscheint. Dies reduziert bei jedem optischen System die Bildintensität zum Bildrand und wird
Abschattung genannt. Um dem entgegenzuwirken, kann das Bild sequentiell aufgenommen werden, wobei das Objektiv zwischen den Aufnahmen gekippt wird. Bei Objektiven die aus mehreren Linsen bestehen liegt die Aperturblende meist zwischen den Linsen und die Eintrittspupille entspricht dem Bild der Aperturblende von der Objektseite durch das Objektiv gesehen. In der Zeichnung Fig. 2 würde Vignettierung zum Bildrand hin entstehen, wenn der Durchmesser der Linse 21 beispielsweise gleich dem Durchmesser der Öffnung 2' wäre. Das Strahlenbündel 201 ', 202' und 203' könnte das System dann noch als Ganzes passieren, bei dem Bündel 204', 205' und 206' würde der Strahl 204' dann nicht mehr die Linse passieren können. Eine größere Sammellinse weist eine größere Eintrittspupille auf, wodurch ein höherer
Strahlungsfluss auf den Detektor 31 gelangen kann.
In einem Ausführungsbeispiel weist das optische Abbildungssystem 2 mit dem
Detektor 31 in Fig. 2 Maße von 3 Millimeter (mm) x 3mm im Querschnitt aufweisen. Das Savart-Element V kann beispielsweise eine Höhe, das heißt eine Abmessung parallel zur x-Achse von 4 mm und eine Dicke, das heißt eine Abmessung parallel zur z-Achse von 2 mm auf. Das Savart-Element V kann größer als das optische
Abbildungssystem 2 gewählt werden, um auch schräge Strahlen mit großen
Einfallswinkeln, das heißt beispielsweise Einfallswinkel von mehr als 45 ° gegenüber der y-z-Ebene, detektieren zu können. Die Durchgangsöffnung kann beispielsweise rund sein und einen Durchmesser von 1 ,4 mm aufweisen. Ein Miniaturspektrometer ist ein Spektrometer mit Abmessungen im
Zentimeterbereich, wobei auch geringere Abmessungen unterhalb des
Zentimeterbereichs eingeschlossen sind.
Spektrale Informationen können beispielsweise eine chemische
Zusammensetzung, das heißt ein Spektrum oder das Vorkommen eines bestimmten Stoffgemischs in einem Objekt umfassen. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Miniaturspektrometers 1000, umfassend eine optische Einheit 1 , ein optisches Abbildungssystem 2, umfassend ein
Multiapertur-Objektiv 22, und eine Detektionseinheit 3, mit skizzierten
Strahlenverläufen. Die Detektionseinheit 3 ist zur Bestimmung einer optischen Größe einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet. Die optische Größe charakterisiert die einfallende elektromagnetische Strahlung. Die optische Größe kann beispielsweise eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung umfassen. Die Detektionseinheit 3 kann beispielsweise Photodioden umfassen, wobei bei der Bestrahlung der Photodiode mit elektromagnetischer Strahlung ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung erzeugt wird, welche ein Maß für die einfallende elektromagnetische Strahlung darstellen. Von einem Objekt
1001 kommende elektromagnetische Strahlung 1001 ' trifft auf die optische Einheit 1 auf und wird in der optischen Einheit 1 wie vorstehend beschrieben abgelenkt und/oder aufgespalten, sodass sich für einen Einfallswinkel jeweils zwei parallele, zueinander beabstandete Teilstrahlen ergeben. Die Teilstrahlen können mittels des optischen Abbildungssystem 2 auf die Detektionseinheit 3 geführt werden und können dort zur Interferenz gebracht werden, sodass die Detektionseinheit 3 ein Interferogramm des Objekts 1001 mittels der vom Objekt kommenden Strahlung 1001 ' aufnehmen kann, woraus ein Spektrum und/oder eine spektrale Information des Objekts 1001 ermittelt werden kann. Die optische Einheit 1 umfasst ein Savart-Element 1 ', wobei das Savart-Element 1 ' einen
Polarisator 10, ein erstes doppelbrechendes Element 12' und ein zweites doppelbrechendes Element 12" und einen Analysator 1 1 umfasst, wie beispielsweise vorstehend beschrieben. Das optische Abbildungssystem 2 ist im Strahlengang zwischen der optischen Einheit 1 und der Detektionseinheit 3 angeordnet, wobei das optische Abbildungssystem 2 dazu eingerichtet ist, von der optischen Einheit 1 kommende elektromagnetische Strahlung 103', 103" auf die Detektionseinheit 3 abzubilden. Das optische Abbildungssystem 2 umfasst in Fig. 3 ein Multiapertur-Objektiv 22, wobei das Multiapertur-Objektiv 22 mehrere optische Abbildungskanäle umfasst. Das Multiapertur-Objektiv 22 in Fig. 3 umfasst einen ersten optischen Abbildungskanal einen zweiten optischen
Abbildungskanal, einen dritten optischen Abbildungskanal und zwei weitere optische Abbildungskanäle. Die Detektionseinheit 3 weist ein erstes Sensorarray 31 , ein zweites Sensorarray 32, ein drittes, viertes und fünftes Sensorarray 33, 34, 35, auf. Die Sensorarrays 31 , 32, 33, 34, 35 können auch Bereiche eines großen Sensorarrays bezeichnen. Jedes Sensorarray 31 , 32, 33, 34, 35 umfasst mehrere Einzelsensoren 3' oder Kamerapixel , beispielsweise
Strahlungssensoren, welche in einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Matrix in der Bildebene 105 des Multiapertur-Objektivs 22 angeordnet sind. Der erste optische Abbildungskanal ist dazu eingerichtet, zumindest einen ersten Anteil 103' der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen
Strahlung auf das erste Sensorarray 31 abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal 6" ist dazu eingerichtet, zumindest einen zweiten Anteil 103" der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray 32 abzubilden. Jeder weitere optische Abbildungskanal ist dazu eingerichtet weitere Anteile der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das ihm zugeordnete Sensorarray 33, 34, 35, wie in Fig.3 durch die skizzierten Strahlenverläufe angedeutet, abzubilden. Das Multiapertur-Objektiv 22 in Fig. 3 umfasst eine erste Mikrolinse 6', eine zweite Mikrolinse 6", eine dritte Mikrolinse 6" sowie weitere Mikrolinsen. Der erste optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den ersten
Anteil 103' der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray 31 abzubilden, umfasst die erste Mikrolinse 6' und der zweite optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den zweiten Anteil 103" der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray 32 abzubilden, umfasst die zweite Mikrolinse 6". Der dritte optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den dritten Anteil 103"' der von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das dritte Sensorarray 33 abzubilden, umfasst die dritte Mikrolinse 6"'. Wie in Fig. 3 dargestellt können die Mikrolinsen 6', 6", 6"' in einem Mikrolinsenarray 6 angeordnet sein, wobei jede Mikrolinse 6', 6", 6"' eine von den anderen Mikrolinsen 6', 6", 6"' abweichende mittlere Blickrichtung 104 aufweist. Die mittlere Blickrichtung 104 jedes optischen Abbildungskanals, wie in Fig. 3 eingezeichnet, ist definiert durch die Verbindungslinie zwischen dem Flächenschwerpunkt der Apertur der Mikrolinse 6', 6", 6"' und dem Mittelpunkt des zugeordneten Sensorarrays, 31 ,
32, 33, 34, 35. Die Größe des insgesamt aufgespannten Winkelbereichs ergibt sich als Summe der Winkelbereiche die im jeweiligen optischen Abbildungskanal übertragen werden. Weiterhin bestimmt die Ausdehnung des jeweiligen
Sensorarrays 31 , 32, 33, 34, 35 zusammen mit der Brennweite der Mikrolinse 6', 6", 6"' den Winkelbereich der im jeweiligen optischen Abbildungskanal übertragen wird. In Fig. 3 umfasst der dritte Anteil 103"' der von der optischen Einheit 1 kommenden Strahlung beispielhaft sechs Strahlen mit voneinander abweichenden Auftreffwinkeln 1004 auf das Multiapertur-Objektiv 22, wobei jeweils zwei Strahlen den gleichen Auftreffwinkel 1004 aufweisen. Die Strahlen mit gleichem Auftreffwinkel 1004 werden wie vorstehend beschrieben durch die dritte Mikrolinse 6"' auf einen gemeinsamen Punkt auf der Detektionseinheit 3 abgebildet. Somit ergeben sich aus den sechs Strahlen drei Punkte auf dem dritten Sensorarray 33, wobei jeweils die zwei Strahlen mit gleichem
Auftreffwinkel auf einen Einzeldetektor 3' abgebildet werden. Das optische Abbildungssystem 2 in Fig. 3 umfasst ein erstes Aperturarray 51 , welches verhindert, dass elektromagnetische Strahlung zwischen den Mikrolinsen 6', 6", 6"' hindurchtritt. Das erste Aperturarray 51 ist im Strahlengang zwischen einem ersten Substrat 8' und den Mikrolinsen 6', 6", 6"' angeordnet, um Streulicht zu unterdrücken, welches sonst durch die Zwischenräume der Mikrolinsen 6', 6", 6"' fallen könnte. Ein zweites Aperturarray 52 ist durch eine Haltestruktur 7 beabstandet im Strahlengang hinter den Mikrolinsen 6', 6", 6"', das heißt auf einer von dem ersten Aperturarray 51 abgewandten Seite der Mikrolinsen 6', 6", 6"' angeordnet. Im Strahlengang zwischen dem ersten Aperturarray 51 und der optischen Einheit 1 ist das erste Substrat 8' angeordnet. Die von der optischen Einheit 1 kommende Strahlung tritt durch ein viertes Aperturarray 54 in das erste
Substrat 8' ein, wird dort gebrochen, da das erste Substrat 8' einen anderen Brechungsindex als die Umgebung aufweist und tritt vom ersten Substrat 8' durch das erste Aperturarray 51 in die Mikrolinsen 6', 6", 6"' ein. Im Strahlengang hinter dem Multiapertur-Objektiv 22 und dem zweiten Aperturarray 52 ist ein zweites Substrat auf dem zweiten Aperturarray 52 angeordnet. Im Strahlengang hinter dem zweiten Substrat ist ein drittes Aperturarray 53 angeordnet, durch welches die vom Multiapertur-Objektiv 22 kommende Strahlung auf ein drittes Substrat 8"' fällt, welches im Strahlengang hinter dem dritten Aperturarray 53 angeordnet ist. Im Strahlengang hinter dem dritten Substrat 8"' ist die
Detektionseinheit 3 angeordnet. Die Detektionseinheit 3 umfasst in Fig. 3 ein
Sensorarray 31 , 32, 33, 34, 35 pro optischem Abbildungskanal. Die
Aperturarrays 51 , 52, 53 können beispielsweise aus lichtundurchlässigen, insbesondere absorbierendem oder reflektierendem, Material ausgebildet sein, um ein optisches Übersprechen zwischen den optischen Abbildungskanälen zu verhindern. Die transparenten Substrate können beispielsweise aus Glas,
Kunststoff oder anorganischen Co-Polymer ausgebildet sein. Alternativ kann auch auf eines oder mehrere der Substrate 8', 8", 8" verzichtet werden, wenn die Aperturarrays 51 , 52, 53 übereinander gestapelt und durch Stützen, welche beispielsweise zwischen den Aperturarrays 51 , 52, 53, 54 angeordnet sein können, separiert werden. Die Aperturarrays 51 , 52, 53, 54 können als eine
Schicht aus einem die Strahlung reflektierenden oder rückstreuenden Material ausgebildet sein, in welcher Durchgangslöcher ausgebildet sind, durch welche elektromagnetische Strahlung die Schicht passieren kann. Die Aperturarrays 51 , 52, 53, 54 können beispielsweise aus schwarz eloxiertem Aluminiumblech ausgeführt sein oder durch Bedampfen mit reflektierenden oder absorbierenden
Materialien auf Glassubstrate erzeugt werden. Die Durchgangslöcher in den Aperturarrays 51 , 52, 53, 54 können beispielsweise rechteckig, kreisförmig oder anderweitig geformt sein. Es können in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch weitere Aperturarrays 51 , 52, 53, 54 im Strahlengang angeordnet werden, um ein Übersprechen der Strahlungen der optischen Abbildungskanäle zu verhindern.
Die optischen Abbildungskanäle sind im Strahlengang axial benachbart zueinander angeordnet. Weitere Ausführungsbeispiele von optischen
Abbildungssystemen 2, welche ein Multiapertur-Objektiv 22 umfassen, sind beispielsweise in US 201 1/10228142 A1 beschrieben.
Jede Mikrolinse 6', 6", 6"' des Mikrolinsenarrays aus Fig. 3 nimmt einen zumindest teilweise von den anderen Anteilen 103', 103", 103"' abweichenden Anteil 103', 103", 103"' der aus der optischen Einheit 1 austretenden Strahlung auf. Wie beispielsweise in Fig. 1 skizziert, kann ein Strahl, der unter einem ersten Einfallswinkel auf die optische Einheit 1 trifft aufgespalten werden. Nach Durchgang durch die optische Einheit 1 ergeben sich zu dem Strahl mit erstem Einfallswinkel zwei Teilstrahlen 102', 102", die zueinander beabstandet parallel zueinander verlaufen. Der Teilstrahlabstand 102, die Austrittsorte der
Teilstrahlen 102', 102" auf der Austrittsfläche 1003 des zweiten
doppelbrechenden Elements 12" und ein Auftreffwinkel 1004 mit dem die
Teilstrahlen 102', 102" auf das erste Substrat 8' auftreffen, hängen vom
Einfallswinkel des vom Objekt kommenden Strahls 1001 ' auf die optische Einheit 1 und vom Eintrittsort der vom Objekt kommenden Strahlung 1001 ' in die optische Einheit 1 ab. Der Auftreffwinkel 1004 wird relativ zum Lot auf das erste Substrat 8' gemessen. Die erste Mikrolinse 6' bildet in Fig. 3 zwei parallele
Strahlen 103', welche an zwei verschiedenen Austrittsorten der Austrittsfläche
1003 aus der optischen Einheit 1 austreten und welche unter dem Auftreffwinkel
1004 auf das erste Substrat 8' auftreffen, auf einen gemeinsamen Punkt auf dem ersten Sensorarray 31 ab. In der Bildebene 105 der Mikrolinse 6' ist die Detektionseinheit 3 angeordnet, dort können die Teilstrahlen 103' interferieren.
Die Teilstrahlen 102', 102" können wie vorstehend beschrieben nach
Durchgang durch die optische Einheit 1 einen Gangunterschied relativ zueinander aufweisen. Die Mikrolinsen 6', 6", 6"' können jeweils
elektromagnetische Strahlung aus einem Raumwinkelbereich aufnehmen, der durch die jeweilige Blickrichtung 104 der Mikrolinsen 6', 6", 6"' und durch das vierte Aperturarray 54 begrenzt wird. Der erste optische Abbildungskanal, das heißt in Fig. 3 die erste Mikrolinse 6', ist dazu eingerichtet, eine von der optischen Einheit 1 aus einem ersten Raumwinkelbereich kommende elektromagnetische Strahlung auf das erste Sensorarray 31 abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal, in Fig. 3 die zweite Mikrolinse 6" ist dazu eingerichtet, eine von der optischen Einheit 1 aus einem zweiten
Raumwinkelbereich kommende elektromagnetische Strahlung auf das zweite Sensorarray 32 abzubilden, wobei der erste Raumwinkelbereich zumindest teilweise von dem zweiten Raumwinkelbereich abweichend sein kann oder mit diesem übereinstimmen kann. Der erste Raumwinkelbereich umfasst die von der optischen Einheit 1 kommenden Strahlen, welche unter Auftreffwinkeln 1004 auf das erste Substrat 8' auftreffen und von der ersten Mikrolinse 6' auf das Sensorarray 31 abgebildet werden. Beispielsweise kann die erste
Mikrolinse 6' dazu eingerichtet sein Strahlen mit Auftreffwinkeln 1004 von 9° bis 15° auf das erste Sensorarray 31 abzubilden und die zweite Mikrolinse 6" kann dazu ausgebildet sein, Strahlen mit Auftreffwinkeln 1004 zwischen 3° und 9° auf das zweite Sensorarray 32 abzubilden. Auftreffwinkel die kleiner als 3° sind und größer als 15° sind, werden dann weder von der ersten Mikrolinse 6' noch von der zweiten Mikrolinse 6" auf das erste Sensorarray 31 bzw. das zweite Sensorarray 32 abgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel bilden Strahlen mit
Auftreffwinkeln 1004 von 9° bis 15° den ersten Raumwinkelbereich und
Strahlen mit Auftreffwinkeln von 3° bis 9° den zweiten Raumwinkelbereich. Jedem Auftreffwinkel 1004 kann ein Einfallswinkel eines vom Objekt 1001 kommenden Strahls auf die optische Einheit 1 zugeordnet werden. Das erste Sensorarray 31 nimmt ein erstes Interferogramm auf und das zweite
Sensorarray nimmt ein zweites Interferogramm auf. Da die
Raumwinkelbereiche nicht überlappen, weisen die beiden Interferogramme keine redundanten Informationen auf. Dadurch kann die spektrale Auflösung des Miniaturspektrometers 1000 erhöht werden. Der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich können in einem weiteren
Ausführungsbeispiel überlappend sein, das heißt beispielsweise, der erste Raumwinkelbereich umfasst Strahlen mit Auftreffwinkel von 9° bis 15° und der zweite Raumwinkelbereich umfasst Strahlen mit Auftreffwinkeln 1004 von 6° bis 12°. In diesem Fall umfassen das erste Interferogramm und das zweite
Interferogramm teilweise überlappende spektrale Informationen. Dadurch kann die Lichtsammeleffizienz erhöht werden. Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, die Zeile des Mikrolinsenarrays 6 aus Fig. 3 vertikal zu stapeln, d.h. ein Mikrolinsenarray zu erzeugen, bei dem die Mikrolinsen in einer Richtung (horizontal) Fig. 3 entsprechen und in der anderen Richtung (vertikal) identisch sind. Die horizontale Richtung entspricht dabei der Richtung auf der Bildebene senkrecht zu den Interferenzstreifen. Diese Achse enthält die spektrale
Information und die Maximierung des Akzeptanzwinkels in dieser Richtung ist für eine Erhöhung des Auflösungsvermögens wünschenswert. Die hierzu orthogonale Achse enthält keine zusätzliche spektrale Information und eine Vergrößerung des Akzeptanzwinkels in diese Richtung hätte keinen
zusätzlichen Nutzen. Vielmehr kann durch Vervielfältigung des
Mikrolinsenarrays 6 aus Fig. 3 in diese Richtung die Lichtsammeleffizienz erhöht werden. Hierzu können beispielsweise mehrere baugleiche
Mikrolinsenarrays 6, im Strahlengang hintereinander zwischen der optischen Einheit 1 und der Detektionseinheit 3 angeordnet werden. Baugleich bedeutet hierbei, dass die Mikrolinsen eines ersten Mikrolinsenarrays beispielsweise aus dem gleichen Material und gleiche Abmessungen wie die Mikrolinsen eines weiteren Mikrolinsenarray aufweisen. Die Mikrolinsenarrays können derart hintereinander im Strahlengang angeordnet werden, dass jeweils baugleiche erste Mikrolinsen den ersten Anteil 103' der von der optischen Einheit
kommenden Strahlung auf die Detektionseinheit 3 führen und die zweiten
Mikrolinsen den zweiten Anteil 103", etc. In einem weiteren
Ausführungsbeispiel können die Raumwinkelbereiche übereinstimmen, dann können auch das erste und das zweite Interferogramm übereinstimmen.
Das in Fig. 3 dargestellte optische Abbildungssystem 2 ist beispielsweise mittels Waferprozessierung herstellbar und kann die folgenden Eckdaten aufweisen, wobei in der ersten Zeile die Parameter und in der Zeile darunter der jeweilige Wert des Parameters angegeben ist:
Figure imgf000023_0002
Das Multiapertur-Objektiv 22 kann in einem Ausführungsbeispiel insgesamt 15 x 9 = 135 Einzellinsen 6', 6", 6"' jeweils mit einer Blendenzahl F/# von 2,8 aufweisen. Einzelapertur-Objektive 21 können im Vergleich dazu Blendenzahlen von F/# 1 .8 aufweisen. Der Lichtfluss einer einzelnen Mikrolinse 6', 6", 6"' pro Detektorpixel 3' ist um einen Faktor (1 ,8/2,8)2 = 0,4 kleiner als der Lichtfluss eines solchen
Einzelapertur-Objektivs 21. Allerdings wird die größere Blendenzahl bei den
Mikrolinsen 6', 6", 6" des Multiapertur-Objektivs 22 durch die Vielzahl an optischen Abbildungskanälen wieder aufgewogen, was den Lichtfluss insgesamt um einen Faktor 135 x 0,4 = 54 gegenüber dem vorstehend beschriebenen Einzelapertur- Objektiv 21 steigert. Nach der vorstehend beschriebenen Gleichung
Figure imgf000023_0001
entspricht der Strahlungsfluss durch das Multiapertur-Objektiv 22 dem Strahlungsfluss durch ein Einzelapertur-Objektiv 21 mit einer Blendenzahl F/# von 0,25. Dieser Wert kann als obere Schranke für den Faktor gesehen werden, um den ein Multiapertur- Objektiv mit Mikrolinsen jeweils kleinerer Lichtstärke (größerer Blendenzahl) insgesamt mehr Licht einsammelt als ein Einzelapertur-Objektiv mit größerer Lichtstärke (kleinerer Blendenzahl), wobei angenommen wurde, dass der Sichtbereich (Field of View, FOV) der Mikrolinsen gleich dem FOV des Einzelapertur-Objektivs ist, die oben genannten Aperturzahlen zugrunde gelegt. Um eine untere Schranke abzuschätzen wird davon ausgegangen, dass das FOV des gesamten Multiapertur-Objektivs gleich dem FOV des Einzelapertur-Objektivs ist und 70° beträgt, wobei eine Mikrolinse nur einen Teil des gesamten FOV abdeckt. Dabei sollen die Mikrolinsen auf die Mitte des jeweiligen FOV-Bereichs ausgerichtet sein. Als Basis werden die gleichen Werte für die F/# von Mikrolinse und Einzelapertur-Objektiv verwendet wie zuvor. Das Mikrolinsenarray besteht wie in der obigen Tabelle aus 9 Zeilen mit je 15 Mikrolinsen. Bei der folgenden Betrachtung wird sich nun auf die mittlere Zeile, also die fünfte Zeile des genannten Mikrolinsenarrays beschränkt. Die Mittlere Zeile überblickt dabei ein horizontales FOV von etwa 70°, wobei durch die Ausrichtung der Mikrolinsen in Richtung des jeweiligen FOV kein Randlichtabfall auftritt. Gleichzeitig beträgt das FOV einer einzelnen Linse 9.2°. Da es 15 Linsen sind wird das gesamte FOV von 70° mit zweifacher Redundanz aufgenommen. Die Lichtintensität des Einzelapertur-Objektivs fällt jedoch proportional zu cos4(9) ab (https://de.wikipedia.org/wiki/Cos4-Gesetz), wobei Θ der Auftreffwinkel auf die Linse ist. Um eine Gewichtung für den gesamten Lichtfluss über das gesamte FOV zu bestimmen wird das Integral £os(d ) *de berechnet, was etwa gleich 0,88 beträgt, und in Verhältnis zu der Gewichtung für winkelunabhängigen Lichtfluss gesetzt, das durch das Integral über einen konstanten Wert J de beschrieben wird und etwa 1 ,04 beträgt. Das Verhältnis dieser beiden Werte ist der Faktor, um den ein Objektiv mit Randlichtabschattung weniger Licht sammelt als ein Multiapertur-Objektiv ohne Randlichtabfall, bei gleicher Aperturzahl, und beträgt 0,88/1 ,04 =0,84. Da die Mikrolinsen eine größere Aperturzahl haben, ergibt sich wie oben berechnet ein neuer Faktor von 0,84/0,4 = 2, 1 1 um den das Einzelapertur-Objektiv mit Randlichtabfall mehr Licht einsammelt. Aufgrund der erwähnten Redundanz der FOVs der Mikrolinsen reduziert sich dieses Verhältnis um den Faktor zwei, so dass das Multiapertur-Objektiv in etwa die gleiche Lichtsammeieffizienz aufweist wie das Einzelapertur-Objektiv. Da letzteres jedoch eine Bauhöhe von etwa 6mm aufweist, das Multiapertur-Objektiv aber eine TTL von nur 1 ,6mm besitzt, ergibt sich dadurch ein eindeutiger Vorteil mit Hinblick auf die Miniaturisierung eines Miniaturspektrometers. Alternativ kann das
Kameramodul OVM7692 CameraCubeChip der Firma Omnivision als Referenz verwendet werden, das nach heutigem Stand der Technik mit einer Bauhöhe von 2,5 mm für das gesamte Kameramodul zu den derzeit kompaktesten Kamerasystemen gehört. Allerdings ist die Lichtstärke mit einer Aperturzahl von F/# = 2.8 gleich der der Mikrolinsen der Multiapertur-Kamera. Auch hier zeigt sich unter Berücksichtigung der vorherigen Argumentationskette, dass die Multiapertur-Kamera im Hinblick auf geringe
Bauhöhe und Lichtausbeute überlegen ist. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass bei Verwendung einer Multiapertur-Kamera die Bauhöhe eines Miniaturspektrometers bei vergleichbarer Lichtstärke deutlich reduziert werden kann. bzw. die Lichtstärke bei vergleichbarer Bauhöhe deutlich höher ist.
Fig. 4 zeigt ein Miniaturspektrometer 1000 in einem Querschnitt. Das optische Abbildungssystem 2 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes
Mikrolinsenarray 61 , umfassend mehrere konvex-plane Mikrolinsen 61 ', 62', wobei beispielsweise die erste Mikrolinse 61 ' und die zweite Mikrolinse 62' voneinander abweichende Blickrichtungen haben, wie dies vorstehend
beschrieben ist. Im Strahlengang hinter dem ersten Mikrolinsenarray 61 , auf einer von der optischen Einheit 1 abgewandten Seite des ersten
Mikrolinsenarrays 61 ist das zweite Substrat 8" angeordnet, wobei im
Strahlengang zwischen dem zweiten Substrat 8" und dem ersten
Mikrolinsenarray 61 das erste Aperturarray 51 ausgebildet ist. Auf einer vom ersten Aperturarray 51 abgewandten Seite des zweiten Substrats 8" ist, durch die Haltestruktur beabstandet vom zweiten Substrat 8" gehalten, ein zweites
Mikrolinsenarray 62 angeordnet, welches die gleiche Anzahl Mikrolinsen, wie das erste Mikrolinsenarray 61 aufweist, wobei die Mikrolinsen des zweiten
Mikrolinsenarrays 62 plan-konkav ausgebildet sind. Auf einer vom zweiten
Substrat 8" abgewandten Seite des zweiten Mikrolinsenarrays 62 ist das dritte Substrat 8"' angeordnet, wobei im Strahlengang zwischen dem dritten Substrat 8"' und dem zweiten Mikrolinsenarray 62 das zweite Aperturarray 52 ausgebildet ist. Im Strahlengang auf einer vom zweiten Aperturarray 52 abgewandten Seite des dritten Substrats 8"' ist das dritte Aperturarray 53 ausgebildet. Im
Strahlengang hinter dem dritten Aperturarray 53, das heißt auf einer vom dritten Substrat 8"' abgewandten Seite des dritten Aperturarrays 53 ist ein drittes
Mikrolinsenarray 63 ausgebildet, wobei die Mikrolinsen 63', 63" plan-konvex ausgeführt sind. Die ersten Mikrolinsen 61 ', 62', 63' der Mikrolinsenarrays 61 , 62, 63 bilden zusammen den ersten optischen Abbildungskanal, die zweiten Mikrolinsen 61 ", 62", 63" bilden den zweiten optischen Abbildungskanal, etc. Die Haltestruktur 7 hält die Substrate 8", 8"' mit den Aperturarrays 51 , 52, 53 und den Mikrolinsenarrays 61 , 62, 63 beabstandet zur Detektionseinheit 3, welche in der Bildebene 105 angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann die
Haltestruktur 7 zwischen den optischen Abbildungskanälen ausgebildet werden (wie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt). Die Haltestruktur 7 kann beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder Metall ausgebildet werden. Die Haltestruktur 7 kann aus einem lichtundurchlässigen Material ausgebildet sein oder durch geeignete Verfahren lichtundurchlässig gemacht werden, beispielsweise durch Schwärzen mit lichtabsorbierendem Material bei der Verwendung von Glas. Die Haltestruktur 7 und/oder die Aperturarrays 51 , 52, 53, 54 können aus schwarz eloxiertem Aluminiumblech ausgeführt sein. Die Mikrolinsenarrays 61 , 62, 63 können aus verschiedenen Materialien, wie beispielsweise Gläser, Kunststoffe, anorganische organische Polymere etc. abgeformt sein. Des Weiteren können eines oder mehrere der Mikrolinsenarrays 61 , 62, 63 als Feld achromatischer Elemente ausgelegt sein. Durch die Haltestruktur können sowohl das Multiapertur-Objektiv 22, das optische Abbildungssystem 2 als auch die photoempfindlichen
Sensorarrays 31 , 32, 33, 34, 35 der Detektionseinheit 3 vor seitlich einfallendem Streulicht geschützt werden. Durch den beschriebenen Aufbau entsteht in jedem optischen Abbildungskanal ein kleines Mikroobjektiv, welches die von der optischen Einheit 1 kommenden elektromagnetische Strahlung des jeweilig zugeordneten Abschnitts der optischen Einheit 1 auf das ihm zugeordnete Sensorarray 31 , 32, 33, 34, 35, welches beispielsweise eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Photodioden als Sensorpixel 3' umfasst, der Detektionseinheit 3 abbildet.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des Miniaturspektrometers 1000, wobei ein Unterschied zum Miniaturspektrometer 1000 aus Fig. 3 darin besteht, dass das vierte Aperturarray 54 direkt auf die optische Einheit 1 aufgebracht ist, wodurch das erste Substrat 8' eingespart werden kann. In einem ersten Auftreffpunkt 201 und in einem zweiten Auftreffpunkt 202 trifft jeweils ein vom Objekt 1001 kommender Strahl auf die optische Einheit 1 , umfassend ein Savart-Element 1 ' auf. Beim Passieren der optischen Einheit 1 wird der am ersten Auftreffpunkt 201 eintretende Strahl wie vorstehend beschrieben in zwei Teilstrahlen 103' aufgespalten und der am zweiten Auftreffpunkt 202 eintretende Strahl wie vorstehend beschrieben ebenfalls in zwei Teilstrahlen 103" aufgespalten. Auf einer vom Objekt abgewandten Seite der optischen Einheit 1 ist das erste Aperturarray 51 angeordnet. Da jede Mikrolinse 6', 6" einen eigenen
Raumwinkelbereich 91 , 92 der aufgesammelten Strahlen abbildet, entstehen auf der Detektionseinheit 3 mehrere kleine Interferogramme, jeweils ein
Interferogramm pro Sensorarray 31 , 32, 33, 34. Die Raumwinkelbereiche 91 , 92 können dabei überlappend oder disjunkt sein. Die Information in den
Interferogrammen ist dann demzufolge redundant, was zur Erhöhung der Lichtsammeieffizienz führt, oder unabhängig voneinander, was die Aufnahme eines größeren Bereichs des reziproken Raums und somit eine Erhöhung der spektralen Auflösung ermöglicht. Die Mikrolinsen 6', 6" im in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel können beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm und eine Brennweite 302 von 2 mm aufweisen. Weiterhin erfasst jede der Linsen einen kleinen Raumwinkelbereich, der einem Einfallswinkelbereich zugeordnet werden kann. Die Raumwinkelbereiche der einzelnen Mikrolinsen 6', 6" können beispielsweise wie folgt gewählt werden (beginnend bei der ersten Mikrolinse 6'): erster Raumwinkelbereich von -15° bis -9°, zweiter Raumwinkelbereich von -9° bis -3°, dritter Raumwinkelbereich von -3° bis 3°, vierter Raumwinkelbereich von 9° bis 3°], fünfter Raumwinkelbereich von 15° bis 9°. Setzt man die von den Sensorarrays 31 , 32, 33, 34, 35 aufgenommenen Interferogramme nach entsprechender Permutation zusammen, wie dies beispielsweise in den Figuren 1 1 bis 16 dargestellt ist, erhält man demzufolge einen gesamten
Raumwinkelbereich mit einem Betrag von 30°. Die Dicke 301 der optischen Einheit 1 kann in Fig. 5 beispielsweise 2 mm betragen und die Höhe 300 5mm.
Die Mikrolinsenarrays 6, 61 , 62, 63 können einstückig ausgebildet sein und beispielsweise im Spritzgussverfahren oder lithografisch gefertigt sein.
Fig. 6a zeigt einen Querschnitt einer Mikrolinse 6' und einem Sensorarray 31 mit simulierten Strahlenverläufen für Strahlen mit Einfallswinkeln auf die Mikrolinse 6' von 0°, 1 °, 2°, 3°, 4° und 5°. Hierbei handelt es sich um eine sphärische
Mikrolinse 6', welche beispielsweise aus PMMA (Acrylglas), Polycabonat oder Zeonex ausgeführt sein kann, mit einer Brennweite der Mikrolinse 6' von 2,5 mm, einer Eintrittspupille, welche in diesem Ausführungsbeispiel dem
Mikrolinsendurchmesser entspricht, von 1 mm und einer Blendenzahl F/# von 2,5. Der Abstand 506 vom Scheitelpunkt der Mikrolinse 6' bis zur Bildebene 105 beträgt in der Simulation 2, 95 mm. Die Dicke der Mikrolinse 6' beträgt 1 mm.
Strahlen mit einem Auftreffwinkel aus einem Raumwinkelbereich von 0 bis 5° treffen auf die Mikrolinse 6'. Strahlen mit gleichem Auftreffwinkel auf die
Mikrolinse 6' werden auf einen gemeinsamen Punkt auf dem Sensorarray 31 abgebildet, wie dies in Fig. 6a dargestellt ist. Strahlen 500 mit einem
Einfallswinkel von 0° werden auf einen ersten Punkt fokussiert, Strahlen 501 mit einem Einfallswinkel von 1 ° werden auf einen zweiten Punkt fokussiert, Strahlen 503 mit einem Einfallswinkel von 3° werden auf einen dritten Punkt fokussiert, Strahlen 504 mit einem Einfallswinkel von 4° werden auf einen vierten Punkt fokussiert, Strahlen 505 mit einem Einfallswinkel von 5° werden auf einen fünften Punkt fokussiert, wobei die Punkte jeweils voneinander abweichen. Somit kann vom Sensorarray 31 ein Interferogramm aufgenommen werden. Auf dem
Sensorarray 31 nimmt jedes Sensorpixel 3' beispielsweise eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung des Punktes auf, wobei die Position des
Sensorpixels im Sensorarray 31 Aufschluss über den Einfallswinkel der auf den Punkt fokussierten Strahlen geben kann. Es ergibt sich somit ein ortsaufgelöstes Interferogramm. Fig. 6b zeigt eine Aufsicht auf ein Mikrolinsenarray 6, umfassend beispielsweise fünfundzwanzig Mikrolinsen, die in einer 5 x 5 Matrix angeordnet sind, welches beispielsweise in den Figuren 7 bis 9 als Multiapertur-Objektiv 22 des
Miniaturspektrometers 1000 verwendet wird. Der Strahlengang verläuft senkrecht zur Zeichenebene. Die Mikrolinsen in Fig. 6b sind baugleichzueinander, das heißt sie weisen alle die gleiche Form und das gleiche Material auf. Die zentrale
Mikrolinse 600 ist dabei senkrecht zum Strahlengang angeordnet, das heißt sie ist nicht verkippt. Zum Rand hin sind die Mikrolinsen jeweils in 10°-Schritten gegenüber der Austrittsfläche 1003 geneigt, was in Fig. 6b durch die von der zentralen Mikrolinse 600 zum Rand des Mikrolinsenarrays 6 kleiner werdenden Flächen illustriert ist.
In Fig. 7 und Fig. 8 sind zwei Perspektiven auf ein 3D-Modell der optischen Einheit 1 und einem Multiapertur-Objektiv 22, umfassend ein Mikrolinsenarray 6, welches in Fig. 6 b in einer Aufsicht gezeigt ist, auf das ein Strahlenbündel mit einem Öffnungswinkel von 10° und einer Haupteinfallsrichtung 104 von 20° trifft, dargestellt. Das Mikrolinsenarray 6 umfasst beispielsweise fünfundzwanzig Mikrolinsen, die in einer 5 x 5 Matrix angeordnet sind. Die zentrale Mikrolinse 600 ist dabei parallel zur
Austrittsfläche der optischen Einheit 1 angeordnet, das heißt sie ist nicht verkippt. Zum Rand hin sind die Mikrolinsen jeweils in 10°-Schritten gegenüber der Austrittsfläche geneigt. Die zentrale Mikrolinse 600 bildet demzufolge einen Raumwinkelbereich von +5° bis -5° auf das ihr zugeordnete Sensorarray ab. Die zur zentralen Mikrolinse 600 direkt benachbarte Mikrolinse 601 nimmt Strahlung aus einem Raumwinkelbereich von +15° bis +5° auf und die nächste wiederum von +25° bis +15°. Das Mikrolinsenarray 6 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Kantenlänge von ca. 6mm, die genutzte Fläche des Savart-Polariskops eine Kantenlänge von ca. 7mm. Die gesamte Dicke des optischen Abbildungssystems 2 liegt bei etwa 4 mm. Die Aperturarrays 52, 53, die ein Übersprechen der einzelnen optischen Abbildungskanäle verhindern sollen, können beispielsweise aus schwarz eloxiertem Aluminiumblech ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend können die Aperturarrays 52, 53 durch Bedampfen mit reflektierenden oder absorbierenden Materialien auf Glassubstrate hergestellt werden.
Das gezeigte Mikrolinsenarray 6 basiert auf der einfachsten denkbaren Form, bei der die Linsen nur entsprechend den Raumwinkelbereichen, die sie aufnehmen sollen, gekippt sind. Alternativ oder ergänzend kann die Position und Form der Mikrolinsen angepasst werden. Beispielsweise können die Mikrolinsen voneinander abweichende Formen aufweisen, um jede Mikrolinse 6', 6", 6"' auf das ihr zugeordnete Bildfeld zu optimieren. In Fig. 9 ist im Strahlengang zwischen dem Multiapertur-Objektiv 22 und der Bildebene 105 das zweite Aperturarray 52 angeordnet. In Fig. 10 sind im
Strahlengang zwischen dem Multiapertur-Objektiv 22 und der Bildebene 105 das zweite Aperturarray 52 und das dritte Aperturarray 53 angeordnet. Die Aperturarrays 52, 53 weisen quadratische Durchgangsöffnungen auf, durch welche
elektromagnetische Strahlung die Aperturarrays 52, 53 passieren kann.
Die Figuren 1 1 bis 14 zeigen simulierte Interferogramme, welche von der
Detektionseinheit 3 des Miniaturspektrometers 1000 mit Multiapertur-Objektiv 22 beispielsweise wie vorstehend beschrieben aufgenommen werden. Jedes Quadrat zeigt ein Interferogramm, welches von jeweils einem Sensorarray aufgezeichnet wurde. Das erste Interferogramm 106 des ersten Sensorarrays, das zweite
Interferogramm 107 des zweiten Sensorarrays und ein weiteres Interferogramm 108 eines weiteren Sensorarrays sind in Fig. 1 1 als Rohdaten skizziert und in Fig. 13 vergrößert dargestellt. Jedes Interferogramm zeigt ein von den anderen Interferogrammen verschiedenes Interferenzmuster. In Fig. 12 sind die Einzel- Interferogramme zu einem zusammengeführten Interferogramm kombiniert. Hierzu wurden das erste Interferogramm 106, das zweite Interferogramm 107 und das weitere Interferogramm mit den anderen Interferogrammen permutiert, sodass sich ein gesamtes Interferenzmuster ergibt. Eine Vergrößerung der permutierten
Interferogramme ist in Fig. 14 gezeigt. Die vergrößerten Bildausschnitte, die in den Figuren 13 und 14 dargestellt sind, zeigen die charakteristischen Interferenzstreifen. Die charakteristischen Interferenzstreifen sind der Übersichtlichkeit halber in den Figuren 1 1 und 12 nicht dargestellt. In Fig. 12 lassen sich auch die typischen
Hintergrundstrukturen in Form eines langsam variierenden, hyperbolischen Musters erkennen. In Fig. 15 ist jedes Interferogramm mit einer Nummer versehen. Durch Vergleich der Fig. 15 und der Fig. 16 lässt sich nachvollziehen, wie die
Interferogramme permutiert wurden, um das zusammengeführte Interferogramm zu erhalten. Das Interferogramm mit der Nummer 1 wurde beispielsweise nicht permutiert.
In Fig. 17 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 zur Analyse eines Objekts 1001 gezeigt. Das Verfahren 400 kann mittels eines Miniaturspektrometers 1000 durchgeführt werden, wie es beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist. Das
Verfahren 400 umfasst die Schritte: Erzeugung 401 von zwei Teilstrahlen 103', welche relativ zueinander eine erste Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem ersten Einfallswinkel 41 auf die optische Einheit auftreffenden
elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom ersten
Einfallswinkel 41 abhängt; Erzeugung 401 von zwei weiteren Teilstrahlen 103", welche relativ zueinander eine zweite Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem zweiten Einfallswinkel 42 auf die optische Einheit auftreffenden
elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom zweiten
Einfallswinkel 42 abhängt und der zweite Einfallswinkel 42 vom ersten
Einfallswinkel 41 abweichend ist; Zusammenführen 402 der Teilstrahlen 103' der elektromagnetischen Strahlung mit dem ersten Einfallswinkel 41 nach
Durchlaufen der optischen Einheit 1 durch einen ersten optischen
Abbildungskanal 6' auf einen gemeinsamen ersten Punkt zur Messung eines ersten Interferogramms 402'; Zusammenführen 403 der weiteren Teilstrahlen
103" der elektromagnetischen Strahlung mit dem zweiten Einfallswinkel nach
Durchlaufen der optischen Einheit durch einen zweiten optischen
Abbildungskanal 6" auf einen gemeinsamen zweiten Punkt zur Messung eines zweiten Interferogramms 403'; Ermitteln 404 eines Spektrums oder einer spektralen Information 404' aus dem ersten Interferogramm 402' und dem zweiten Interferogramm 403' zur Analyse des Objekts 1001 . Das erste
Interferogramm 402' kann in Fig. 5 von dem ersten Sensorarray 31
aufgenommen werden und das zweite Interferogramm 402' kann in Fig. 5 vom zweiten Sensorarray aufgenommen werden. Beispielsweise können zur Messung des ersten Interferogramms 402' Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit Einfallswinkeln, welche Auftreffwinkeln auf das Multiapertur-Objektiv 22 aus einem ersten Raumwinkelbereich 91 durch den ersten optischen
Abbildungskanal 6' abgebildet werden, wobei Teilstrahlen der
elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden wie dies beispielsweise in Fig. 6a gezeigt ist. Die Messdaten der Punkte, welche von dem jeweiligen Sensorpixel 3' am Ort des jeweiligen Punktes aufgenommen werden, ergeben zusammen das erste Interferogramm 402'. Zur Messung des zweiten Interferogramms 403' können Teilstrahlen der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln aus einem zweiten Raumwinkelbereich 92 durch den zweiten optischen
Abbildungskanal zusammengeführt werden, wobei Teilstrahlen der
elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden, wie dies beispielsweise in Fig. 6a gezeigt ist. Der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich können übereinstimmen oder der erste Raumwinkelbereich und der zweite Raumwinkelbereich können zumindest teilweise voneinander abweichen. In Fig. 5 ist der erste Raumwinkelbereich 91 angrenzend an den zweiten
Raumwinkelbereiche 92 gewählt. Der erste Raumwinkelbereich umfasst Strahlen mit Auftreffwinkeln von -15° bis -9°, der zweite Raumwinkelbereich umfasst Strahlen mit Auftreffwinkeln von -9° bis -3°. Ein Strahl, der mit einem
Einfallswinkel auf die optische Einheit 1 auftrifft kann je nach Einfallswinkel und Polarisation aufgespalten und/ oder gebrochen werden. Es kann berechnet werden, mit welchem Winkel der Strahl relativ zum Lot auf die Austrittsfläche 1003 aus der optischen Einheit 1 nach Durchlaufen austritt. Dieser Winkel entspricht in Fig. 5 dem Auftreffwinkel, da das Multiapertur-Objektiv 22 parallel zur Austrittsfläche 1003 angeordnet ist. In Fig. 18 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens 400 gezeigt, wobei beim Schritt der Ermittlung 404 des Spektrums oder der spektralen Information 404' eine
Fouriertransformation 405 des ersten Interferogramms 402' erfolgt und eine
Fouriertransformation 406 des zweiten Interferogramms 403' erfolgt und zur Ermittlung 404 des Spektrums oder der spektralen Information 404' zur Analyse des Objekts 1001 ein Zusammenführen 407 der Fouriertransformierten 405' des ersten Interferogramms 402' und der Fouriertransformierten 406' des zweiten Interferogramms 403' erfolgt.
In Fig. 19 wird beim Schritt der Ermittlung 404 des Spektrums oder der spektralen Information 404' ein Zusammenführen 408 des ersten Interferogramms 402' und des zweiten Interferogramms 403' erfolgt, wodurch sich ein zusammengeführtes
Interferogramm 408' ergibt. Das zusammengeführte Interferogramm, wie es
beispielsweise in Fig. 12 dargestellt ist wird zur Ermittlung 404 des Spektrums oder der spektralen Information 404' zur Analyse des Objekts 1001 fouriertransformiert 409.
Die Detektionseinheit 3 kann eine Auswerteeinheit umfassen, welche dazu eingerichtet sein kann die spektralen Informationen 404' mit einer Datenbankeinheit abzugleichen, um somit beispielsweise zu ermitteln, ob ein bestimmter Stoff im Objekt 1001 enthalten ist oder um das Objekt 1001 beispielsweise anhand seines Spektrums zu identifizieren. In der Datenbankeinheit können Referenz-Spektren hinterlegt sein oder
charakteristische chemische Signaturen, welche chemischen Stoffen oder
Stoffgemischen oder bekannten Objekten, wie beispielsweise Lebensmitteln, zugeordnet sind.

Claims

Ansprüche
1 . Miniaturspektrometer (1000), umfassend
-eine Detektionseinheit (3), welche zur Bestimmung einer optischen
Größe einer elektromagnetischen Strahlung eingerichtet ist,
-eine optische Einheit (1 ), welche ein Savart-Element (V) umfasst, wobei das Savart-Element (1 ') einen Polarisator (10), ein erstes
doppelbrechendes Element (12') und ein zweites doppelbrechendes Element (12") und einen Analysator (1 1 ) umfasst, und -ein optisches Abbildungssystem (2), welches im Strahlengang zwischen der optischen Einheit (1 ) und der Detektionseinheit (3) angeordnet ist, wobei das optische Abbildungssystem (2) dazu eingerichtet ist, von der optischen Einheit (1 ) kommende elektromagnetische Strahlung (103', 103") auf die Detektionseinheit (3) abzubilden, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Abbildungssystem (2) ein
Multiapertur-Objektiv (22) umfasst, wobei das Multiapertur-Objektiv (22) mehrere optische Abbildungskanäle umfasst.
2. Miniaturspektrometer (1000) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
- dass das Multiapertur-Objektiv (22) mindestens einen ersten optischen Abbildungskanal und mindestens einen zweiten optischen Abbildungskanal umfasst,
- dass die Detektionseinheit (3) mindestens ein erstes Sensorarray (31 ) und mindestens ein zweites Sensorarray (32) umfasst, und
- dass der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten Anteil (103') der von der optischen Einheit (1 ) kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, zumindest einen zweiten Anteil (103") der von der optischen Einheit (1 ) kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite
Sensorarray (32) abzubilden. Miniaturspektrometer (1000) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Multiapertur-Objektiv (22) mindestens eine erste Mikrolinse (6') und mindestens eine zweite Mikrolinse (6") umfasst,
- dass der erste optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den ersten Anteil (103') der von der optischen Einheit (1 ) kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das erste Sensorarray (31 ) abzubilden, die erste Mikrolinse (6') umfasst und der zweite optische Abbildungskanal, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest den zweiten Anteil (103") der von der optischen Einheit kommenden elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Sensorarray (32) abzubilden, die zweite Mikrolinse (6") umfasst.
Miniaturspektrometer (1000) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, eine von der optischen Einheit (1 ) aus einem ersten Raumwinkelbereich (91 ) kommende elektromagnetische Strahlung (103') auf das erste Sensorarray (31 ) abzubilden und dass der zweite optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, eine von der optischen Einheit (1 ) aus einem zweiten Raumwinkelbereich (92) kommende elektromagnetische Strahlung (103") auf das zweite Sensorarray (32) abzubilden, wobei der erste Raumwinkelbereich (91 ) zumindest teilweise von dem zweiten Raumwinkelbereich (92) abweichend ist.
Miniaturspektrometer (1000) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, eine von der optischen Einheit (1 ) aus einem ersten Raumwinkelbereich (91 ) kommende elektromagnetische Strahlung auf das erste Sensorarray (31 ) abzubilden und der zweite optische Abbildungskanal dazu eingerichtet ist, eine von der optischen Einheit (1 ) aus einem zweiten Raumwinkelbereich (92) kommende elektromagnetische Strahlung auf das zweite Sensorarray (32) abzubilden, wobei der erste Raumwinkelbereich (91 ) und der zweite
Raumwinkelbereich (92) übereinstimmen.
Miniaturspektrometer (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Abbildungssystem (2) mindestens ein Aperturarray (51 , 52, 53, 54) umfasst.
7. Verfahren (400) eingerichtet zur spektralen Analyse eines Objekts (1001 ) mittels eines Miniaturspektrometers (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (400) die
nachfolgenden Schritte aufweist:
Erzeugung (401 ) von zwei Teilstrahlen (103'), welche relativ zueinander eine erste Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem ersten Einfallswinkel (41 ) auf die optische Einheit (1 ) auftreffenden
elektromagnetischen Strahlung, wobei die Phasenverschiebung vom ersten Einfallswinkel (41 ) abhängt;
Erzeugung (401 ) von zwei weiteren Teilstrahlen (103"), welche relativ zueinander eine zweite Phasenverschiebung aufweisen, aus einer unter einem zweiten Einfallswinkel (42) auf die optische Einheit (1 ) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, wobei die
Phasenverschiebung vom zweiten Einfallswinkel (42) abhängt und der zweite Einfallswinkel (42) vom ersten Einfallswinkel (41 ) abweichend ist; Zusammenführen (402) der Teilstrahlen (103') der elektromagnetischen Strahlung mit dem ersten Einfallswinkel (41 ) nach Durchlaufen der optischen Einheit (1 ) durch einen ersten optischen Abbildungskanal auf einen gemeinsamen ersten Punkt zur Messung eines ersten Interferogramms (402');
Zusammenführen (403) der weiteren Teilstrahlen (103") der elektromagnetischen Strahlung mit dem zweiten Einfallswinkel (42) nach Durchlaufen der optischen Einheit (1 ) durch einen zweiten optischen Abbildungskanal auf einen gemeinsamen zweiten Punkt zur Messung eines zweiten Interferogramms (403');
Ermitteln (404) eines Spektrums oder einer spektralen Information (404') aus dem ersten Interferogramm (402') und dem zweiten Interferogramm (403') zur Analyse des Objekts (1001 ).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
- dass zur Messung des ersten Interferogramms (402') Teilstrahlen (103') der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln (1004) auf das Multiapertur-Objektiv (22) aus einem ersten Raumwinkelbereich (91 ) durch den ersten optischen Abbildungskanal abgebildet werden, wobei Teilstrahlen (103') der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln (1004) jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden und
- dass zur Messung des zweiten Interferogramms (403') Teilstrahlen
(103") der elektromagnetischen Strahlung mit Auftreffwinkeln (1004) aus einem zweiten Raumwinkelbereich (92) durch den zweiten optischen Abbildungskanal zusammengeführt werden, wobei Teilstrahlen (103") der elektromagnetischen Strahlung mit gleichen Auftreffwinkeln (1004) jeweils auf einen gemeinsamen Punkt zusammengeführt werden,
- wobei der erste Raumwinkelbereich (91 ) und der zweite
Raumwinkelbereich (92) übereinstimmen oder der erste
Raumwinkelbereich (91 ) und der zweite Raumwinkelbereich (92) zumindest teilweise voneinander abweichen.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass bei der
Ermittlung (404) des Spektrums oder der spektralen Information (404') eine Fouriertransformation (405) des ersten Interferogramms (402') erfolgt und eine Fouriertransformation (406) des zweiten Interferogramms (403') erfolgt und zur Ermittlung (404) des Spektrums oder der spektralen Information zur Analyse des Objekts ein Zusammenführen (407) der Fouriertransformierten (405') des ersten Interferogramms (402') und der Fouriertransformierten (406') des zweiten Interferogramms (403') erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung (404) des Spektrums oder der spektralen Information (404') ein Zusammenführen (408) des ersten Interferogramms (402') und des zweiten Interferogramms (403') erfolgt, wodurch sich ein zusammengeführtes
Interferogramm (408') ergibt und zur Ermittlung des Spektrums oder der spektralen Information (404') zur Analyse des Objekts (1001 ) eine
Fouriertransformation (409) des zusammengeführten Interferogramms (408') erfolgt.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114739510B (zh) * 2022-03-02 2023-10-17 深圳大学 一种紧凑型成像光谱仪及成像检测方法
US12106599B2 (en) * 2022-06-13 2024-10-01 Omnivision Technologies, Inc. Thin, multi-lens, optical fingerprint sensor adapted to image through cell phone displays and with multiple photodiode groups each having separate fields of view for each microlens
WO2024090134A1 (ja) * 2022-10-27 2024-05-02 富士フイルム株式会社 光学部材、処理装置、処理方法、及びプログラム

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011093794A1 (en) 2010-01-29 2011-08-04 Dso National Laboratories Hyperspectral imaging device
US20110228142A1 (en) 2009-10-14 2011-09-22 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Device, image processing device and method for optical imaging
US20120268745A1 (en) * 2011-04-20 2012-10-25 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Ultra-compact snapshot imaging fourier transform spectrometer
US9316539B1 (en) 2015-03-10 2016-04-19 LightHaus Photonics Pte. Ltd. Compact spectrometer
CN105606217A (zh) * 2016-01-08 2016-05-25 西安交通大学 一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法
CN205506216U (zh) * 2016-01-12 2016-08-24 广东工业大学 一种偏振干涉成像光谱系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101806625B (zh) * 2010-03-18 2012-08-15 西安交通大学 静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置
CN101793558B (zh) * 2010-03-18 2014-04-30 西安交通大学 无源静态共轴干涉成像光谱全偏振探测装置
CN102012267A (zh) * 2010-09-21 2011-04-13 西安交通大学 超大视场静态偏振傅立叶变换成像光谱仪

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110228142A1 (en) 2009-10-14 2011-09-22 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Device, image processing device and method for optical imaging
WO2011093794A1 (en) 2010-01-29 2011-08-04 Dso National Laboratories Hyperspectral imaging device
US20120268745A1 (en) * 2011-04-20 2012-10-25 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Ultra-compact snapshot imaging fourier transform spectrometer
US9316539B1 (en) 2015-03-10 2016-04-19 LightHaus Photonics Pte. Ltd. Compact spectrometer
CN105606217A (zh) * 2016-01-08 2016-05-25 西安交通大学 一种图像、光谱、偏振态一体化获取装置及方法
CN205506216U (zh) * 2016-01-12 2016-08-24 广东工业大学 一种偏振干涉成像光谱系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHANG ET AL.: "Wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer", APPLIED OPTICS, vol. 43.33, 2004

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