WO2018149607A1 - Micro-spectrometer, method, and controller for operating a micro-spectrometer - Google Patents

Micro-spectrometer, method, and controller for operating a micro-spectrometer Download PDF

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WO2018149607A1
WO2018149607A1 PCT/EP2018/051803 EP2018051803W WO2018149607A1 WO 2018149607 A1 WO2018149607 A1 WO 2018149607A1 EP 2018051803 W EP2018051803 W EP 2018051803W WO 2018149607 A1 WO2018149607 A1 WO 2018149607A1
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WO
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light
wavelength range
sample
filter
microspectrometer
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/051803
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ingo Herrmann
Andreas Merz
Martin HUSNIK
Benedikt Stein
Christoph Schelling
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • the subject of the present invention is also a computer program.
  • a spectrum of light can be imaged by a plurality of temporally staggered intensity values.
  • the intensity values can each represent a radiation intensity of a wavelength range.
  • the wavelength range can be adjusted by a tunable filter element.
  • Microspectrometer a method for operating a microspectrometer, further a control unit, which uses this method, and finally presented a corresponding computer program according to the main claims.
  • the measures listed in the dependent claims are advantageous developments and improvements in the independent
  • the light emitted by the material may be wavelength-shifted with respect to the irradiating light. This allows a reflection spectrum of the Material difficult to interpret, since the shifted wavelengths are superimposed on similar unshifted wavelengths and falsified
  • the intensities of the wavelength-shifted light can be detected independently and calculated out of the reflection spectrum.
  • the detection of the shifted wavelengths can be prevented by adjusting the detected wavelength range outside the shifted wavelengths.
  • a microspectrometer comprising: a lighting device for providing light, wherein the
  • Microspectrometer is aligned; a first tunable filter device for passing a first selectable wavelength range of the light from the illumination device to the sample location; a detector means for detecting an intensity of the light, the detector means being aligned with the sample location; and second tunable filter means for passing a second selectable wavelength range of the light from the sample location to the first
  • a microspectrometer can be understood as a miniaturized, highly integrated component.
  • An illumination device can have a light source for broadband light.
  • the light source may be an incandescent light source, LED and / or fluorescent light source.
  • the sample location is to be understood as a location that may be one of several possible locations in the vicinity of or in the microspectrometer on which the sample is positioned. The term "sample location" therefore means the position at which the sample is actually arranged for the current measurement.
  • a filter device can be wavelength-selective and / or modulatable.
  • the filter device may adjust the wavelength range in response to a
  • a wavelength range may be a range close to a set resonance wavelength or a set resonance frequency of the filter device.
  • Detector device may comprise a photoelectric element, which is adapted to image the intensity of the light in an electrical value.
  • the illumination device and the detector device can be arranged in a transmission geometry on opposite sides of the sample location.
  • the illumination device can be designed to illuminate the sample.
  • the illumination device and the detector device can be aligned in a reflection geometry at an angle to each other on the sample location.
  • the lighting device and the detector device can be aligned in a reflection geometry at an angle to each other on the sample location.
  • the lighting device and the detector device can be aligned in a reflection geometry at an angle to each other on the sample location.
  • Detector device may be arranged on the same side of the sample location.
  • the microspectrometer can also have a further illumination device, which is likewise aligned with the sample location from another angle.
  • the light from the illumination device can be (diffusely) reflected or scattered at the sample.
  • the first filter device and the illumination device can be combined to form a lighting unit.
  • the second filter device and the detector device can be combined to form a detector unit. Both units can be integrated again. By combining compact dimensions of the microspectrometer can be achieved.
  • the first filter device may comprise at least a first Fabry-Perot filter.
  • the second filter device may comprise at least one second Fabry Include perot filters.
  • a Fabry-Perot filter or interferometer has a gap between two reflective surfaces. A gap width of the gap determines a resonant frequency for incident light in the gap. Light in a wavelength range near the resonance frequency is only slightly attenuated and can pass through the gap. Light outside the set wavelength range is attenuated and does not pass through the interferometer.
  • Fabry-Perot filters are easy to pass through
  • the lighting device can be modulated.
  • Light source can provide different wavelength ranges and / or time-varying emit light of different wavelengths. It is also conceivable that the first tunable filter device and / or the second tunable filter device can also be modulated, in particular wherein the first tunable filter device (104) has a modulatable first Fabry-Perot filter and / or a second Fabry-Perot filter.
  • Filter device rapidly between two wavelengths (areas) continuously back and forth process and the second filter device on one of these
  • Wavelength range and / or a time-controllable release of light can be achieved.
  • the first wavelength range and / or the second wavelength range can be changed over time.
  • a temporal spectrum of the light from the sample can be recorded.
  • the second wavelength range can be varied while the first wavelength range is kept constant.
  • the first wavelength range is kept constant.
  • Wavelength range can be varied while the second wavelength range is kept constant. It is also conceivable methods in which both filters are simultaneously varied in different ways to each other (see here, for example, the following explanations). Also, multiple filters may be serially or in parallel before and after the sample instead of a filter. Furthermore, so different spectra can be recorded. Due to the different spectra, wavelength shifts can be easily detected and compensated and / or evaluated accordingly.
  • the first wavelength range and the second wavelength range can be tuned to different harmonics. Harmonics can be different multiples of a reference wavelength. Different harmonics allow higher order harmonics to be filtered out.
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
  • the approach presented here also provides a control unit which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • control unit may comprise at least one arithmetic unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or or at least one
  • the arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit.
  • the communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output in a corresponding data transmission line.
  • a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In a hardware training, the interfaces may for example be part of a so-called system ASICs, the various functions of the
  • Control unit includes.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • the microspectrometer may comprise a controller according to the approach presented here. Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • FIG. 2 is a block diagram of a microspectrometer according to a
  • Fig. 3 is a representation of excitation states when excited by
  • Fig. 4 is an illustration of a Stokes shift
  • Fig. 5 is an illustration of various harmonics
  • Fig. 6 is a representation of a change over time of a
  • Wavelength range according to an embodiment
  • Microspectrometer according to one embodiment.
  • FIG. 1 shows representations of two microspectrometers 100 in different embodiments. Both microspectrometers 100 each have one
  • Illumination device 102 Illumination device 102, a tunable filter device 104, a sample location 106 and a detector device 108.
  • a tunable filter device 104 At the first
  • the filter device 104 is arranged between the illumination device 102 and the sample location 106. In the second microspectrometer 100 shown, the filter device 104 is arranged between the sample location 106 and the detector device 108.
  • the illumination device 102 provides broadband light 110.
  • the light 110 is emitted by the filter device 104 to the sample location 106.
  • the filter device 104 passes only a selectable wavelength range 112 of the light 110.
  • the light 110 or the wavelength range 112 strikes a sample 114 to be analyzed.
  • the sample 114 interacts with the light 110 or the wavelength range 112.
  • a portion of the light 110 or of the wavelength range 112 is applied to the sample 114 in the direction of the detector device 108 reflected and / or scattered.
  • the light 110 or the wavelength range 112 excites the sample 114 for emitting light.
  • the light 116 originating from the sample 114 has wavelengths dependent on a material of the sample 114.
  • the emitted wavelengths can be outside the
  • Wavelength range 112 are.
  • the light 116 emanating from the sample 114 falls in front of the detector device 108
  • Filter means 104 so that only the wavelength range 112 of the light 116 reaches the detector device 108.
  • an intensity of the incident light 116 is imaged in an intensity value.
  • the filter device 104 transmits different wavelength regions 112 over time, multiple intensity values for the various
  • Wavelength ranges 112 combined into a spectrum of outgoing from the sample 114 light 116.
  • Spectroscopy systems 100 consist in the vast majority of cases of a light source 102, the sample 114, a filter element 104 and a detector 108.
  • the spectral filter element 104 or a plurality of spectral filter elements 104, such as Fabry-Perot filter (FPI) are either before or after the Sample 114.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a microspectrometer 100 according to one exemplary embodiment.
  • the microspectrometer 100 essentially corresponds to one of the microspectrometers shown in FIG. 1 and has a
  • Illumination device 102 a first tunable filter device 104, a sample location 106 and a detector device 108.
  • the microspectrometer 100 has a second tunable filter device 200.
  • the first filter device 104 is arranged between the illumination device 102 and the sample 114 or the sample location 106.
  • the second filter device 200 is between the sample 114 and the
  • Sample location 106 and the detector device 108 arranged. The arrangement can also be reversed.
  • the first filter device 104 passes a first wavelength range 112 of the light of the illumination device 102 to the sample 114 or the sample location 106.
  • the second filter device 200 passes through a second wavelength range of the light 116 emanating from the sample 114.
  • the first wavelength range 112 and the second wavelength range may be substantially coincident.
  • the second wavelength range may deviate from the first wavelength range 112. If the first
  • Wavelength range 112 and the second wavelength range match, deviating wavelengths are not transmitted to the detector device 108. If the second wavelength range of the first Wavelength range 112 deviates and there is no overlap of
  • the light in the second wavelength range is formed by excitation of the sample 114 for luminescence, in particular, for example, for fluorescence or phosphorescence. In other words, light gets in the second
  • the first wavelength range 112 can be kept constant while the second wavelength range is changed.
  • the intensity values represent a spectrum of the sample 114 when irradiated with the first wavelength range 112. Subsequently, the first wavelength range 112 can be changed and again a plurality of intensity values can be detected while the second wavelength range is changed.
  • the first wavelength range 112 may be changed while the second wavelength range is kept constant.
  • Wavelength ranges in which the sample 114 reflects or emits when irradiated with a spectrum of light 116 can be changed and again a plurality of intensity values can be detected while the first wavelength range 112 is changed.
  • the illumination device 102 and the detector device 108 are aligned with the sample location 106.
  • the illumination device 102 and the detector device 108 are arranged at an angle to each other, so that the light from the illumination device 102 is reflected at the sample 114 and thrown to the detector device 108.
  • the illumination device 102 and the detector device 108 may also be aligned with each other while the sample site 106 is interposed therebetween. Then, the light from the illumination device 102 can penetrate the sample 114 to reach the detector device 108.
  • the first filter device 104 and the illumination device 102 are integrated in a lighting unit 202.
  • the second filter device 200 and the detector device 108 are integrated in a detector unit 204.
  • a controller 206 for operating the microspectrometer 100 is connected to the illumination unit 202 and the detector unit 204.
  • Control unit 206 is configured to control the illumination device 102, the first filter device 104, the second filter device 200 and the detector device via control signals 208.
  • the controller 206 is further configured to record and process the intensity values.
  • the filter devices 104, 200 can be designed as a Fabry-Perot filter.
  • the transmitted wavelength range is dependent on one
  • Gap width between two reflective surfaces of the filter device 104, 200 determines a resonant wavelength, which is little attenuated and therefore is transmitted.
  • the gap width is adjustable.
  • Resonance wavelength and its harmonics can penetrate the filter device.
  • the first filter means 104 When the first filter means 104 is set to the resonant wavelength and the second filter means 200 is tuned to one of the harmonics, many higher order harmonics can be filtered out (as will be explained later with reference to FIG. 5) and on
  • the spectroscopy system 100 presented here consists of two subsystems 202, 204.
  • Lighting system 102 for the illumination of the sample 114 and a first A tunable FPI filter system 104 for spectrally filtering the light in front of the sample 114, and a second subsystem 204 having a second tunable FPI filter system 200 for spectrally filtering the light 116 coming from the sample 114 and a detector system 108.
  • the subsystems 202, 204 can be positioned either in a transmission geometry, ie on a common optical axis or in reflection geometry relative to each other.
  • the illumination system 102 and the first FPI filter system 104 as well as the second FPI filter system 200 and the detector system 108 are compactly integrated together.
  • the FPI filters 104, 200 may be MOEMS elements. Both units 202, 204 may in turn be integrated in a common housing.
  • the resonator lengths of the two FPI filter elements 104, 200 are different from each other.
  • FIG. 2 shows a spectroscopy system 100 according to the approach presented here with a filter system 104 in front of and a filter system 200 after the sample 114.
  • both the non-wavelength shifted scattered / transmitted light and the wavelength-shifted light can be detected and distinguished from each other.
  • Unwanted fluorescent light from the sample 114 can be directly quantified and eliminated, or only the fluorescence light can be determined.
  • the spectroscopy system 100 provides more accurate spectra.
  • Detection arm with dichroic beam splitter and detector which is perpendicular to the other detection arm saved. This makes the spectroscopy system 100 more compact and cheaper.
  • By different resonator lengths of the two FPIs 104, 200 can be targeted filter out disturbing, especially higher orders and perform dark current reference measurements and background light measurements.
  • It may be a fast light modulation with a predetermined drive frequency by off-resonance modulation drive of the first FPI filter 104 to
  • the illumination system 102 of the spectroscopic system 100 described herein includes a light source and, if necessary, collimating optics.
  • Light source may, for example, an incandescent lamp, a thermal emitter, a laser, an LED, an LED with a phosphorus light source or a
  • the light source can have a plurality of spectrally overlapping radiation sources.
  • the radiation source can be mechanically, optically or electrically modulated to allow lock-in detection.
  • the first FPI filter system 104 is integrated. This can for example be different from a Fabry-Perot interferometer FPI or several parallel Fabry-Perot interferometers FPI
  • Wavelength ranges can be set extremely precisely, or several serial FPI filters, for example, to filter out higher orders.
  • the or the FPI elements can be constructed, for example, from a MOEMS element. Thereafter, the light beam 112 is directed to the sample 114.
  • the light 112 radiated thereon may be transmitted, reflected, diffused - scattered, as well as absorbed and remitted, for example, materials containing dye molecules or similar behaviors.
  • the wavelength of the remitted light 116 shifts significantly. In practice, a superposition of these processes usually occurs, which makes massively difficult the evaluation of the acquired spectra. That's why this one is here
  • the proportion of light 116 emitted wavelength-shifted is quantified.
  • the light 116 from the sample 114 is then directed into the second FPI filter system 200.
  • various optical components such as a lens, a reflector, a diffuser directed in particular, and / or an element restricting the field of view can be used for this purpose. Alternatively, these can also be located between FPI and detector.
  • the FPI filter system 200 can be made of a Fabry-Perot interferometer FPI, several parallel Fabry-Perot interferometers, for example to be able to set extremely precisely in different wavelength ranges, or several serial Fabry-Perot interferometer filters, for example for filtering out higher orders exist.
  • the light is detected with one or more detectors 108. Depending on the wavelength of the light 116 can also be used.
  • different detectors 108 may be, for example, Si, Ge, InGaAs or PbSe. Again, the second FPI filter system 200 and the detection system 1108 are integrated together.
  • the spectroscopy system 100 is controlled by an electronics 206
  • the lock-in technique can be used.
  • the measurement of a portion of the light 112 after the first FPI filter system 104 by means of an additional detector for referencing the incident on the sample 114 light power.
  • further optical filters can be arranged at different points of the beam path.
  • fixed references may be included in the spectroscopy system 100. The Vernier effect can be used to create very narrow transmitted wavelength ranges.
  • Figures 3 and 4 show a representation of various luminescence / photoluminescent processes with excitation states 300, 306, 308 when excited by radiation and a representation of a Stokes shift 400 at a selected molecule.
  • a fluorescent material is irradiated with light, The fluorophore absorbs a photon and enters an excited state 300. Usually, energy is then released to the environment through vibrational relaxation 302 before the fluorophore relaxes back to ground state 306 by emission 304 of a photon.
  • the transition 302 may form an "intersystem crossing.”
  • the left emission process 304 may be referred to as "intersystem crossing.”
  • Fluorescence, the right transition or emission 304 may be considered as phosporescence. Also, upon emission 304 of a photon, the fluorophore may relax to a higher vibrational state 308 than the ground state 306. Thus, the emitted light 304 is long-wavelength or shifted to lower energies compared to the incident light 110. This effect is referred to as Stokes shift 400.
  • sample materials can also exhibit an anti-Stokes shift, a phosphorescence or even an inelastic scattering.
  • Filtering means before a second filter means after the sample makes it possible to visualize wavelength shifts 400 by various physical or chemical effects of the light 304 irradiated and emitted onto a sample.
  • the spectrometer system has two filter elements in order to be able to distinguish between non-shifted and (anti) Stokes-shifted light.
  • the proportion of the light scattered scattered at a wavelength other than the irradiated wavelength can be quantitatively discriminated from that reflected at the same wavelength.
  • 5 shows a representation of different harmonics 500, 502, 504, 506.
  • the harmonics are shown in a diagram which has plotted on its abscissa a decreasing wavelength or an increasing frequency. On the ordinate an intensity is offered.
  • Harmonics 502, 504, 506 are the higher order harmonics of
  • the filter devices shown in Fig. 2 can be designed as a Fabry-Perot interferometer. Then, a gap width between two reflective surfaces of the interferometer determines the fundamental wavelength 500.
  • the fundamental wavelength 500 corresponds to the resonant frequency corresponding to the gap width. Light with the resonance frequency respectively
  • the interferometer may pass substantially unattenuated. Other frequencies are attenuated and out of the light
  • the harmonics 502, 504, 506 each have an integer multiple frequency of the resonance frequency and can also the
  • Interferometer happen because they are also resonant at the gap width of the fundamental wavelength 500.
  • the second filter device can be set, for example, to the first harmonic 502 as the fundamental wavelength. Then be at the second
  • the third harmonic 506 may pass through the second filter device again because the third harmonic 506 is also the first harmonic of the gap width of the second filter device.
  • Fig. 6 shows a representation of a temporal change of a first
  • Wavelength range 112 according to an embodiment.
  • the change is plotted on a graph, on its abscissa the time and on its ordinate an ascending frequency or decreasing
  • Wavelength range set which is shown in Fig. 6 by the curve with the plateaus 600, 602, 604 and 606.
  • the other FPI is preferably resonant between the desired wavelength range and a
  • Wavelength range 608 next to it small amplitude over the respective
  • This periodic signal change is then used for lock-in detection, which dramatically improves the signal-to-noise ratio of the measurement signal. Also, such a disturbing background signal can be eliminated.
  • FIG. 6 shows a sketch of how the resonator lengths of the two filter devices can be set for lock-in detection, wherein a y-scale of the two resonator lengths is not necessarily identical.
  • the approach presented here for the fresh determination of pork can be used. If Pork with blue / UV light z. B., a wavelength of about 410 nm) is irradiated, depending on the freshness of a varying proportion
  • fluorescent light in a wavelength range of about 500 to 600 nm.
  • broadband lighting and detection can only with
  • FIG. 7 shows a flow chart of a method 700 for operating a microspectrometer according to one exemplary embodiment.
  • the method 700 may be performed on a microspectrometer as in FIG. 2.
  • the method 700 includes a step 702 of providing a step 704 of FIG.
  • step 702 of providing light is provided using a lighting device.
  • the light is broadband, so has a spectrum with a large frequency range.
  • step 704 of passing a first one is selectable using a first filter means
  • Wavelength range of light transmitted to a sample Wavelength range of light transmitted to a sample. Further, in step 704 of passing using a second filter means, a second selectable wavelength range from the sample to a
  • Detector device passed.
  • step 706 of detecting an intensity of the transmitted light from the sample is detected in an intensity value.
  • the wavelengths transmitted by the first and second FPI filter systems are set equal and a wavelength scan is performed. Then, for each wavelength set at the first filter system, the second filter system is scanned.
  • the wavelength shifted components can be determined and subtracted from the first acquired measurement data.
  • algorithms such as Hadamard matrices, the measurement time can be reduced.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment is both the first feature as well as the second feature and according to another embodiment, either only the first feature or only the second feature.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

The invention relates to a micro-spectrometer (100) comprising a lighting device (102) for providing light (110), said lighting device (102) being oriented towards a sample location (106) for a sample (114) of the micro-spectrometer (100); a first adjustable filter device (104) for the passage of a first selectable wavelength range (112) of the light (110) from the lighting device (102) to the sample location (106); a detector device (108) for detecting the intensity of the light (116), said detector device (108) being oriented towards the sample location (106); and a second adjustable filter device (200) for the passage of a second selectable wavelength range of the light (116) from the sample location (106) to the detector device (108).

Description

Beschreibung Titel  Description title
Mikrospektrometer, Verfahren und Steuergerät zum Betreiben eines  Microspectrometer, method and controller for operating a
Mikrospektrometers micro spectrometer
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm. The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
Bei einem Spektrometer kann ein Spektrum von Licht durch eine Mehrzahl von zeitlich versetzt erfassten Intensitätswerten abgebildet werden. Dabei können die Intensitätswerte je eine Strahlungsintensität eines Wellenlängenbereichs repräsentieren. Der Wellenlängenbereich kann durch ein durchstimmbares Filterelement eingestellt werden. In a spectrometer, a spectrum of light can be imaged by a plurality of temporally staggered intensity values. The intensity values can each represent a radiation intensity of a wavelength range. The wavelength range can be adjusted by a tunable filter element.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Against this background, the approach presented here is used
Mikrospektrometer, ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrospektrometers, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Microspectrometer, a method for operating a microspectrometer, further a control unit, which uses this method, and finally presented a corresponding computer program according to the main claims. The measures listed in the dependent claims are advantageous developments and improvements in the independent
Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Claim specified device possible.
Beim Bestrahlen von bestimmten Materialien oder Substanzen mit Licht kann das von dem Material ausgesendete Licht gegenüber dem bestrahlenden Licht wellenlängenverschoben sein. Dadurch kann ein Reflexionsspektrum des Materials schwer interpretierbar sein, da die verschobenen Wellenlängen ähnlichen unverschobenen Wellenlängen überlagert sind und verfälschte When irradiating certain materials or substances with light, the light emitted by the material may be wavelength-shifted with respect to the irradiating light. This allows a reflection spectrum of the Material difficult to interpret, since the shifted wavelengths are superimposed on similar unshifted wavelengths and falsified
Intensitätswerte ergeben. Give intensity values.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz kann ein Wellenlängenbereich des In the approach presented here, a wavelength range of
bestrahlenden Lichts eingestellt werden. Ebenso kann ein zu detektierender Wellenlängenbereich des vom Material ausgehenden Lichts eingestellt werden. So können gezielt die Intensitäten des wellenlängenverschobenen Lichts eigenständig erfasst und aus dem Reflexionsspektrum herausgerechnet werden. Alternativ oder ergänzend kann das Erfassen der verschobenen Wellenlängen verhindert werden, indem der erfasste Wellenlängenbereich außerhalb der verschobenen Wellenlängen eingestellt wird. be adjusted irradiating light. Likewise, a wavelength range of the light emanating from the material can be set. Thus, the intensities of the wavelength-shifted light can be detected independently and calculated out of the reflection spectrum. Alternatively or additionally, the detection of the shifted wavelengths can be prevented by adjusting the detected wavelength range outside the shifted wavelengths.
Es wird ein Mikrospektrometer mit folgenden Merkmalen vorgestellt: einer Beleuchtungseinrichtung zum Bereitstellen von Licht, wobei die A microspectrometer is presented, comprising: a lighting device for providing light, wherein the
Beleuchtungseinrichtung auf einen Probenort für eine Probe des Lighting device on a sample site for a sample of
Mikrospektrometers ausgerichtet ist; einer ersten durchstimmbaren Filtereinrichtung zum Durchlassen eines ersten wählbaren Wellenlängenbereichs des Lichts von der Beleuchtungseinrichtung dem Probenort; einer Detektoreinrichtung zum Detektieren einer Intensität des Lichts, wobei die Detektoreinrichtung auf den Probenort ausgerichtet ist; und einer zweiten durchstimmbaren Filtereinrichtung zum Durchlassen eines zweiten wählbaren Wellenlängenbereichs des Lichts von dem Probenort zu der Microspectrometer is aligned; a first tunable filter device for passing a first selectable wavelength range of the light from the illumination device to the sample location; a detector means for detecting an intensity of the light, the detector means being aligned with the sample location; and second tunable filter means for passing a second selectable wavelength range of the light from the sample location to the first
Detektoreinrichtung. Detector device.
Unter einem Mikrospektrometer kann ein miniaturisiertes, hochintegriertes Bauteil verstanden werden. Eine Beleuchtungseinrichtung kann eine Lichtquelle für breitbandiges Licht aufweisen. Beispielsweise kann die Lichtquelle eine Glühlichtquelle, LED- und/oder Leuchtstofflichtquelle sein. Der Probenort ist als ein Ort zu verstehen, der einer von mehreren möglichen Stellen in der Nähe des oder im Mikrospektrometer sein kann, an welchem die Probe positioniert ist. Unter der Definition„Probenort" ist daher diejenige Position gemeint, an der die Probe für die aktuelle Messung tatsächlich angeordnet ist. A microspectrometer can be understood as a miniaturized, highly integrated component. An illumination device can have a light source for broadband light. For example, the light source may be an incandescent light source, LED and / or fluorescent light source. The sample location is to be understood as a location that may be one of several possible locations in the vicinity of or in the microspectrometer on which the sample is positioned. The term "sample location" therefore means the position at which the sample is actually arranged for the current measurement.
Eine Filtereinrichtung kann wellenlängenselektiv und/oder modulierbar sein. Die Filtereinrichtung kann den Wellenlängenbereich ansprechend auf ein A filter device can be wavelength-selective and / or modulatable. The filter device may adjust the wavelength range in response to a
Wellenlängensignal einstellen. Ein Wellenlängenbereich kann insbesondere ein Bereich nahe an einer eingestellten Resonanzwellenlänge beziehungsweise einer eingestellten Resonanzfrequenz der Filtereinrichtung sein. Eine Set the wavelength signal. In particular, a wavelength range may be a range close to a set resonance wavelength or a set resonance frequency of the filter device. A
Detektoreinrichtung kann ein fotoelektrisches Element aufweisen, das dazu ausgebildet ist, die Intensität des Lichts in einem elektrischen Wert abzubilden. Detector device may comprise a photoelectric element, which is adapted to image the intensity of the light in an electrical value.
Die Beleuchtungseinrichtung und die Detektoreinrichtung können in einer Transmissionsgeometrie auf gegenüberliegenden Seiten des Probenorts angeordnet sein. Die Beleuchtungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Probe zu durchleuchten. The illumination device and the detector device can be arranged in a transmission geometry on opposite sides of the sample location. The illumination device can be designed to illuminate the sample.
Die Beleuchtungseinrichtung und die Detektoreinrichtung können in einer Reflexionsgeometrie in einem Winkel zueinander auf den Probenort ausgerichtet sein. Beispielsweise können die Beleuchtungseinrichtung und die The illumination device and the detector device can be aligned in a reflection geometry at an angle to each other on the sample location. For example, the lighting device and the
Detektoreinrichtung auf der gleichen Seite des Probenorts angeordnet sein. Das Mikrospektrometer kann auch eine weitere Beleuchtungseinrichtung aufweisen, die aus einem anderen Winkel ebenfalls auf den Probenort ausgerichtet ist. Das Licht von der Beleuchtungseinrichtung kann an der Probe (diffus) reflektiert beziehungsweise gestreut werden. Detector device may be arranged on the same side of the sample location. The microspectrometer can also have a further illumination device, which is likewise aligned with the sample location from another angle. The light from the illumination device can be (diffusely) reflected or scattered at the sample.
Die erste Filtereinrichtung und die Beleuchtungseinrichtung können zu einer Beleuchtungseinheit zusammengefasst sein. Die zweite Filtereinrichtung und die Detektoreinrichtung können zu einer Detektoreinheit zusammengefasst sein. Beide Einheiten können wiederum integriert sein. Durch das Zusammenfassen können kompakte Abmessungen des Mikrospektrometers erreicht werden. The first filter device and the illumination device can be combined to form a lighting unit. The second filter device and the detector device can be combined to form a detector unit. Both units can be integrated again. By combining compact dimensions of the microspectrometer can be achieved.
Die erste Filtereinrichtung kann zumindest einen ersten Fabry-Perot-Filter umfassen. Die zweite Filtereinrichtung kann zumindest einen zweiten Fabry- Perot-Filter umfassen. Ein Fabry-Perot-Filter beziehungsweise Interferometer weist einen Spalt zwischen zwei reflektierenden Flächen auf. Eine Spaltweite des Spalts bestimmt eine Resonanzfrequenz für in den Spalt einfallendes Licht. Licht in einem Wellenlängenbereich nahe der Resonanzfrequenz wird nur wenig gedämpft und kann den Spalt passieren. Licht außerhalb des eingestellten Wellenlängenbereichs wird gedämpft und dringt nicht durch das Interferometer. Fabry-Perot-Filter sind einfach auf unterschiedliche durchzulassende The first filter device may comprise at least a first Fabry-Perot filter. The second filter device may comprise at least one second Fabry Include perot filters. A Fabry-Perot filter or interferometer has a gap between two reflective surfaces. A gap width of the gap determines a resonant frequency for incident light in the gap. Light in a wavelength range near the resonance frequency is only slightly attenuated and can pass through the gap. Light outside the set wavelength range is attenuated and does not pass through the interferometer. Fabry-Perot filters are easy to pass through
Wellenlängenbereiche einstellbar. Adjustable wavelength ranges.
Die Beleuchtungseinrichtung kann modulierbar sein. Eine modulierbare The lighting device can be modulated. A modulable
Lichtquelle kann unterschiedliche Wellenlängenbereiche bereitstellen und/oder zeitlich veränderlich Licht unterschiedlicher Wellenlängen aussenden. Denkbar ist ferner, dass auch die erste durchstimmbare Filtereinrichtung und/oder die zweite durchstimmbare Filtereinrichtung modulierbar ist, insbesondere wobei die erste durchstimmbare Filtereinrichtung (104) ein modulierbares erstes Fabry- Perot-Filter und/oder ein zweites Fabry-Perot-Filter aufwfeist. Durch die Light source can provide different wavelength ranges and / or time-varying emit light of different wavelengths. It is also conceivable that the first tunable filter device and / or the second tunable filter device can also be modulated, in particular wherein the first tunable filter device (104) has a modulatable first Fabry-Perot filter and / or a second Fabry-Perot filter. By the
Kombination der modulierbaren Lichtquelle und/oder Filtereinrichtungen kann ein besonders schmalbandiger Wellenlängenbereich und/oder eine zeitlich regelbare Abgabe von Licht auf die Probe gestrahlt werden. Durch ein geschicktes Combination of the modulatable light source and / or filter devices, a particularly narrow-band wavelength range and / or a time-controllable emission of light can be irradiated to the sample. By a clever
Zusammenspiel der nachstehend noch näher beschriebenen Filtereinrichtungen im Beleuchtungs- und Detektionsmodul kann eine sehr schnell modulierbare Lichtquelle bereitgestellt werden und somit ein Spektrum mit Hilfe der Lock-In Technik aufgenommen werden. Dazu wird beispielsweise die erste Interaction of the filter devices described in more detail below in the illumination and detection module can be provided a very quickly modulated light source and thus a spectrum can be recorded using the lock-in technique. For example, this will be the first
Filtereinrichtung schnell zwischen zwei Wellenlängen(bereichen) kontinuierlich hin- und her verfahren und die zweite Filtereinrichtung auf einen dieser Filter device rapidly between two wavelengths (areas) continuously back and forth process and the second filter device on one of these
Wellenlängenbereiche fest eingestellt. Eine umgekehrte Vorgehensweise ist ebenfalls denkbar. Somit kann ein besonders schmalbandiger Fixed wavelength ranges. A reverse procedure is also conceivable. Thus, a particularly narrowband
Wellenlängenbereich und/oder eine zeitlich regelbare Abgabe von Licht erreicht werden. Für die Aufnahme eines Spektrums werden dann die Wavelength range and / or a time-controllable release of light can be achieved. For recording a spectrum then the
Wellenlängenbereiche entsprechend geändert/durchgefahren. Wavelength ranges changed accordingly / driven through.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrospektrometers vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Furthermore, a method for operating a microspectrometer is presented, wherein the method comprises the following steps:
Bereitstellen von Licht; Durchlassen eines ersten wählbaren Wellenlängenbereichs des Lichts zu einer Probe; Providing light; Passing a first selectable wavelength range of the light to a sample;
Durchlassen eines zweiten wählbaren Wellenlängenbereichs von der Probe; und Detektieren einer Intensität des Lichts von der Probe. Passing a second selectable wavelength range from the sample; and detecting an intensity of the light from the sample.
Der erste Wellenlängenbereich und/oder der zweite Wellenlängenbereich kann zeitlich verändert werden. Im Schritt des Detektierens kann ein zeitliches Spektrum des Lichts von der Probe aufgezeichnet werden. The first wavelength range and / or the second wavelength range can be changed over time. In the step of detecting, a temporal spectrum of the light from the sample can be recorded.
Der zweite Wellenlängenbereich kann variiert werden, während der erste Wellenlängenbereich konstant gehalten wird. Alternativ kann der erste The second wavelength range can be varied while the first wavelength range is kept constant. Alternatively, the first
Wellenlängenbereich variiert werden, während der zweite Wellenlängenbereich konstant gehalten wird Es sind auch Verfahren denkbar, bei denen beide Filter gleichzeitig auf verschieden Arten zueinander variiert werden (siehe hier beispielsweise nachfolgende Ausführungen). Ebenfalls können vor und nach der Probe statt einem Filter mehrere Filter seriell oder parallel angeordnet sein. Weiterhin können so verschiedene Spektren aufgezeichnet werden. Durch die verschiedenen Spektren können Wellenlängenverschiebungen einfach erkannt und kompensiert und/oder entsprechend ausgewertet werden. Wavelength range can be varied while the second wavelength range is kept constant. It is also conceivable methods in which both filters are simultaneously varied in different ways to each other (see here, for example, the following explanations). Also, multiple filters may be serially or in parallel before and after the sample instead of a filter. Furthermore, so different spectra can be recorded. Due to the different spectra, wavelength shifts can be easily detected and compensated and / or evaluated accordingly.
Der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich können auf unterschiedliche Harmonische abgestimmt werden. Harmonische können unterschiedliche Vielfache einer Bezugswellenlänge sein. Durch unterschiedliche Harmonische können Oberwellen höherer Ordnung ausgefiltert werden. The first wavelength range and the second wavelength range can be tuned to different harmonics. Harmonics can be different multiples of a reference wavelength. Different harmonics allow higher order harmonics to be filtered out.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in The approach presented here also provides a control unit which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. to implement, control or implement appropriate facilities. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine For this purpose, the control unit may comprise at least one arithmetic unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or or at least one
Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann. Communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol. The arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output in a corresponding data transmission line.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In a hardware training, the interfaces may for example be part of a so-called system ASICs, the various functions of the
Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Control unit includes. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
Das Mikrospektrometer kann ein Steuergerät gemäß dem hier vorgestellten Ansatz aufweisen. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend The microspectrometer may comprise a controller according to the approach presented here. Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer, einem mobilen Gerät, einem Smartphone oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: described embodiments, in particular when the program product or program is executed on a computer, a mobile device, a smartphone or a device. Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
Darstellungen von Mikrospektrometern; Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Mikrospektrometers gemäß einem Representations of microspectrometers; Fig. 2 is a block diagram of a microspectrometer according to a
Ausführungsbeispiel;  Embodiment;
Fig. 3 eine Darstellung von Anregungszuständen beim Anregen durch Fig. 3 is a representation of excitation states when excited by
Strahlung; Radiation;
Fig. 4 eine Darstellung einer Stokesverschiebung; Fig. 4 is an illustration of a Stokes shift;
Fig. 5 eine Darstellung verschiedener Harmonischen; Fig. 6 eine Darstellung einer zeitlichen Veränderung eines Fig. 5 is an illustration of various harmonics; Fig. 6 is a representation of a change over time of a
Wellenlängenbereichs gemäß einem Ausführungsbeispiel; und  Wavelength range according to an embodiment; and
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines 7 is a flowchart of a method for operating a
Mikrospektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Microspectrometer according to one embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren In the following description of favorable embodiments of the present invention are for the in the various figures
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche represented and similar elements acting the same or similar
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Fig. 1 zeigt Darstellungen von zwei Mikrospektrometern 100 in unterschiedlichen Ausführungsformen. Beide Mikrospektrometer 100 weisen je eine Reference numeral used, wherein a repeated description of these elements is omitted. FIG. 1 shows representations of two microspectrometers 100 in different embodiments. Both microspectrometers 100 each have one
Beleuchtungseinrichtung 102, eine durchstimmbare Filtereinrichtung 104, einen Probenort 106 und eine Detektoreinrichtung 108 auf. Bei dem ersten Illumination device 102, a tunable filter device 104, a sample location 106 and a detector device 108. At the first
dargestellten Mikrospektrometer 100 ist die Filtereinrichtung 104 zwischen der Beleuchtungseinrichtung 102 und dem Probenort 106 angeordnet. Bei dem zweiten dargestellten Mikrospektrometer 100 ist die Filtereinrichtung 104 zwischen dem Probenort 106 und der Detektoreinrichtung 108 angeordnet. In the case of the microspectrometer 100 shown, the filter device 104 is arranged between the illumination device 102 and the sample location 106. In the second microspectrometer 100 shown, the filter device 104 is arranged between the sample location 106 and the detector device 108.
Die Beleuchtungseinrichtung 102 stellt breitbandiges Licht 110 bereit. Bei dem ersten Mikrospektrometer 100 wird das Licht 110 durch die Filtereinrichtung 104 an den Probenort 106 emittiert. Die Filtereinrichtung 104 lässt nur einen wählbaren Wellenlängenbereich 112 des Lichts 110 durch. An dem Probenort 106 trifft das Licht 110 beziehungsweise der Wellenlängenbereich 112 auf eine zu analysierende Probe 114. Die Probe 114 wechselwirkt mit dem Licht 110 beziehungsweise dem Wellenlängenbereich 112. Ein Teil des Lichts 110 beziehungsweise des Wellenlängenbereichs 112 wird an der Probe 114 in Richtung der Detektoreinrichtung 108 reflektiert und/oder gestreut. Alternativ oder ergänzend regt das Licht 110 beziehungsweise der Wellenlängenbereich 112 die Probe 114 zum Emittieren von Licht an. Dabei weist das von der Probe 114 ausgehende Licht 116 von einem Material der Probe 114 abhängige Wellenlängen auf. Die emittierten Wellenlängen können außerhalb des The illumination device 102 provides broadband light 110. In the first microspectrometer 100, the light 110 is emitted by the filter device 104 to the sample location 106. The filter device 104 passes only a selectable wavelength range 112 of the light 110. At the sample location 106, the light 110 or the wavelength range 112 strikes a sample 114 to be analyzed. The sample 114 interacts with the light 110 or the wavelength range 112. A portion of the light 110 or of the wavelength range 112 is applied to the sample 114 in the direction of the detector device 108 reflected and / or scattered. Alternatively or additionally, the light 110 or the wavelength range 112 excites the sample 114 for emitting light. In this case, the light 116 originating from the sample 114 has wavelengths dependent on a material of the sample 114. The emitted wavelengths can be outside the
Wellenlängenbereichs 112 liegen. Wavelength range 112 are.
Bei dem zweiten dargestellten Mikrospektrometer 100 fällt das von der Probe 114 ausgehende Licht 116 vor der Detektoreinrichtung 108 durch die In the second illustrated microspectrometer 100, the light 116 emanating from the sample 114 falls in front of the detector device 108
Filtereinrichtung 104, sodass nur der Wellenlängenbereich 112 des Lichts 116 die Detektoreinrichtung 108 erreicht. In der Detektoreinrichtung 108 wird eine Intensität des einfallenden Lichts 116 in einem Intensitätswert abgebildet. Wenn die Filtereinrichtung 104 über die Zeit unterschiedliche Wellenlängenbereiche 112 durchlässt, werden mehrere Intensitätswerte für die verschiedenen Filter means 104, so that only the wavelength range 112 of the light 116 reaches the detector device 108. In the detector device 108, an intensity of the incident light 116 is imaged in an intensity value. As the filter device 104 transmits different wavelength regions 112 over time, multiple intensity values for the various
Wellenlängenbereiche 112 zu einem Spektrum des von der Probe 114 ausgehenden Lichts 116 kombiniert. Spektroskopiesysteme 100 bestehen in den allermeisten Fällen aus einer Lichtquelle 102, der Probe 114, einem Filterelement 104 und einem Detektor 108. Das spektrale Filterelement 104 beziehungsweise mehrere spektrale Filterelemente 104, wie Fabry-Perot-Filter (FPI) befinden sich entweder vor oder nach der Probe 114. Wavelength ranges 112 combined into a spectrum of outgoing from the sample 114 light 116. Spectroscopy systems 100 consist in the vast majority of cases of a light source 102, the sample 114, a filter element 104 and a detector 108. The spectral filter element 104 or a plurality of spectral filter elements 104, such as Fabry-Perot filter (FPI) are either before or after the Sample 114.
Mit solch modernen, kompakten Spektroskopiesystemen 100 können sehr genaue Spektren aufgenommen werden. Anders als große und teure With such modern, compact spectroscopy systems 100, very accurate spectra can be recorded. Unlike big and expensive ones
Laborspektrometer (z. B. durch dichroitische Filtersätze) können diese Systeme 100 wellenlängenabhängige Intensitätsänderungen, die durch die Laboratory spectrometers (for example, by dichroic filter sets), these systems can use 100 wavelength-dependent intensity changes, which are caused by the
Wechselwirkung von Licht mit speziellen Probenmaterialien entstehen, nicht auflösen. Interaction of light with special sample materials arise, do not dissolve.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Mikrospektrometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Mikrospektrometer 100 entspricht im Wesentlichen einem der in Fig. 1 dargestellten Mikrospektrometer und weist eine FIG. 2 shows a block diagram of a microspectrometer 100 according to one exemplary embodiment. The microspectrometer 100 essentially corresponds to one of the microspectrometers shown in FIG. 1 and has a
Beleuchtungseinrichtung 102, eine erste durchstimmbare Filtereinrichtung 104, einen Probenort 106 und eine Detektoreinrichtung 108 auf. Zusätzlich dazu weist das Mikrospektrometer 100 eine zweite durchstimmbare Filtereinrichtung 200 auf. Die erste Filtereinrichtung 104 ist zwischen der Beleuchtungseinrichtung 102 und der Probe 114 beziehungsweise dem Probenort 106 angeordnet. Die zweite Filtereinrichtung 200 ist zwischen der Probe 114 beziehungsweise dem Illumination device 102, a first tunable filter device 104, a sample location 106 and a detector device 108. In addition, the microspectrometer 100 has a second tunable filter device 200. The first filter device 104 is arranged between the illumination device 102 and the sample 114 or the sample location 106. The second filter device 200 is between the sample 114 and the
Probenort 106 und der Detektoreinrichtung 108 angeordnet. Die Anordnung kann auch umgekehrt sein. Sample location 106 and the detector device 108 arranged. The arrangement can also be reversed.
Die erste Filtereinrichtung 104 lässt einen ersten Wellenlängenbereich 112 des Lichts der Beleuchtungseinrichtung 102 zu der Probe 114 beziehungsweise dem Probenort 106 durch. Die zweite Filtereinrichtung 200 lässt einen zweiten Wellenlängenbereich des von der Probe 114 ausgehenden Lichts 116 durch. Der erste Wellenlängenbereich 112 und der zweite Wellenlängenbereich können im Wesentlichen übereinstimmen. Ebenso kann der zweite Wellenlängenbereich von dem ersten Wellenlängenbereich 112 abweichen. Wenn der erste The first filter device 104 passes a first wavelength range 112 of the light of the illumination device 102 to the sample 114 or the sample location 106. The second filter device 200 passes through a second wavelength range of the light 116 emanating from the sample 114. The first wavelength range 112 and the second wavelength range may be substantially coincident. Likewise, the second wavelength range may deviate from the first wavelength range 112. If the first
Wellenlängenbereich 112 und der zweite Wellenlängenbereich übereinstimmen, werden davon abweichende Wellenlängen nicht zu der Detektoreinrichtung 108 durchgelassen. Wenn der zweite Wellenlängenbereich von dem ersten Wellenlängenbereich 112 abweicht und es keine Überschneidung der Wavelength range 112 and the second wavelength range match, deviating wavelengths are not transmitted to the detector device 108. If the second wavelength range of the first Wavelength range 112 deviates and there is no overlap of
Wellenlängenbereiche 112 gibt, dann gelangt kein Licht mit dem ersten Wavelength ranges 112, then no light comes with the first
Wellenlängenbereich 112 zu der Detektoreinrichtung 108. Nur Licht im zweiten Wellenlängenbereich gelangt zu der Detektoreinrichtung 108. Beispielsweise entsteht das Licht im zweiten Wellenlängenbereich durch eine Anregung der Probe 114 zur Lumineszenz, insbesondere beispielsweise zur Fluoreszenz oder zur Phosphoreszenz. Mit anderen Worten gelangt Licht im zweiten Only light in the second wavelength range reaches the detector device 108. For example, the light in the second wavelength range is formed by excitation of the sample 114 for luminescence, in particular, for example, for fluorescence or phosphorescence. In other words, light gets in the second
Wellenlängenbereich zu der Detektoreinrichtung 108, wenn die Probe 114 ein Spektrum des ersten Wellenlängenbereichs 112 in den Bereich des zweiten Wellenlängenbereichs verschiebt. Wavelength range to the detector device 108 when the sample 114 shifts a spectrum of the first wavelength range 112 in the range of the second wavelength range.
Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich 112 konstant gehalten werden, während der zweite Wellenlängenbereich verändert wird. Während des Veränderns wird in der Detektionseinrichtung 108 eine Mehrzahl von For example, the first wavelength range 112 can be kept constant while the second wavelength range is changed. During the modification, a plurality of
Intensitätswerten aufgezeichnet. Die Intensitätswerte repräsentieren ein Spektrum der Probe 114 beim Bestrahlen mit dem ersten Wellenlängenbereich 112. Anschließend kann der erste Wellenlängenbereich 112 verändert werden und erneut mehrere Intensitätswerte erfasst werden, während der zweite Wellenlängenbereich verändert wird. Intensity values recorded. The intensity values represent a spectrum of the sample 114 when irradiated with the first wavelength range 112. Subsequently, the first wavelength range 112 can be changed and again a plurality of intensity values can be detected while the second wavelength range is changed.
Alternativ kann der erste Wellenlängenbereich 112 verändert werden, während der zweite Wellenlängenbereich konstant gehalten wird. Während des Alternatively, the first wavelength range 112 may be changed while the second wavelength range is kept constant. During the
Veränderns wird in der Detektionseinrichtung 108 eine Mehrzahl von In the detection device 108, a plurality of
Intensitätswerten aufgezeichnet. Die Intensitätswerte repräsentieren Intensity values recorded. The intensity values represent
Wellenlängenbereiche, in denen die Probe 114 beim Bestrahlen mit einem Spektrum Licht 116 reflektiert oder emittiert. Anschließend kann der zweite Wellenlängenbereich verändert werden und erneut mehrere Intensitätswerte erfasst werden, während der erste Wellenlängenbereich 112 verändert wird. Wavelength ranges in which the sample 114 reflects or emits when irradiated with a spectrum of light 116. Subsequently, the second wavelength range can be changed and again a plurality of intensity values can be detected while the first wavelength range 112 is changed.
Die Beleuchtungseinrichtung 102 und die Detektoreinrichtung 108 sind auf den Probenort 106 ausgerichtet. Hier sind die Beleuchtungseinrichtung 102 und die Detektoreinrichtung 108 in einem Winkel zueinander angeordnet, sodass das Licht von der Beleuchtungseinrichtung 102 an der Probe 114 reflektiert und zu der Detektoreinrichtung 108 geworfen wird. Die Beleuchtungseinrichtung 102 und die Detektoreinrichtung 108 können auch aufeinander ausgerichtet sein, während der Probenort 106 dazwischen angeordnet ist. Dann kann das Licht von der Beleuchtungseinrichtung 102 die Probe 114 durchdringen, um zu der Detektoreinrichtung 108 zu gelangen. The illumination device 102 and the detector device 108 are aligned with the sample location 106. Here, the illumination device 102 and the detector device 108 are arranged at an angle to each other, so that the light from the illumination device 102 is reflected at the sample 114 and thrown to the detector device 108. The illumination device 102 and the detector device 108 may also be aligned with each other while the sample site 106 is interposed therebetween. Then, the light from the illumination device 102 can penetrate the sample 114 to reach the detector device 108.
In einem Ausführungsbeispiel sind die erste Filtereinrichtung 104 und die Beleuchtungseinrichtung 102 in einer Beleuchtungseinheit 202 integriert. Die zweite Filtereinrichtung 200 und die Detektoreinrichtung 108 sind in einer Detektoreinheit 204 integriert. In one exemplary embodiment, the first filter device 104 and the illumination device 102 are integrated in a lighting unit 202. The second filter device 200 and the detector device 108 are integrated in a detector unit 204.
Ein Steuergerät 206 zum Betreiben des Mikrospektrometers 100 ist mit der Beleuchtungseinheit 202 und der Detektoreinheit 204 verbunden. Das A controller 206 for operating the microspectrometer 100 is connected to the illumination unit 202 and the detector unit 204. The
Steuergerät 206 ist dazu ausgebildet, die Beleuchtungseinrichtung 102, die erste Filtereinrichtung 104, die zweite Filtereinrichtung 200 und die Detektoreinrichtung über Steuersignale 208 anzusteuern. Das Steuergerät 206 ist ferner dazu ausgebildet, die Intensitätswerte aufzuzeichnen und zu verarbeiten. Control unit 206 is configured to control the illumination device 102, the first filter device 104, the second filter device 200 and the detector device via control signals 208. The controller 206 is further configured to record and process the intensity values.
Die Filtereinrichtungen 104, 200 können als Fabry-Perot-Filter ausgeführt sein. Dabei ist der durchgelassene Wellenlängenbereich abhängig von einer The filter devices 104, 200 can be designed as a Fabry-Perot filter. The transmitted wavelength range is dependent on one
Spaltweite zwischen zwei reflektierenden Flächen der Filtereinrichtung 104, 200. Die Spaltweite bestimmt dabei eine Resonanzwellenlänge, die wenig gedämpft wird und deshalb durchgelassen wird. Die Spaltweite ist einstellbar. Die Gap width between two reflective surfaces of the filter device 104, 200. The gap width determines a resonant wavelength, which is little attenuated and therefore is transmitted. The gap width is adjustable. The
Resonanzwellenlänge und ihre Harmonischen können die Filtereinrichtung durchdringen. Resonance wavelength and its harmonics can penetrate the filter device.
Wenn die erste Filtereinrichtung 104 auf die Resonanzwellenlänge eingestellt ist und die zweite Filtereinrichtung 200 auf eine der Harmonischen eingestellt ist, können viele Harmonische höherer Ordnung ausgefiltert werden (wie dies nachfolgend mit Bezug zur Fig. 5 noch näher erläutert wird) und ein When the first filter means 104 is set to the resonant wavelength and the second filter means 200 is tuned to one of the harmonics, many higher order harmonics can be filtered out (as will be explained later with reference to FIG. 5) and on
störungsarmes Spektrum aufgezeichnet werden und/oder ein breiterer low-interference spectrum are recorded and / or a wider range
Wellenlängenbereich störungsfrei gemessen werden. Wavelength range to be measured trouble-free.
Das hier vorgestellte Spektroskopiesystem 100 besteht aus zwei Subsystemen 202, 204. Einem ersten Subsystem 202 mit einem breitbandigen The spectroscopy system 100 presented here consists of two subsystems 202, 204. A first subsystem 202 with a broadband
Beleuchtungssystem 102 für die Beleuchtung der Probe 114 und einem ersten durchstimmbaren FPI-Filtersystem 104 zur spektralen Filterung des Lichts vor der Probe 114, sowie einem zweiten Subsystem 204 mit einem zweiten durchstimmbaren FPI-Filtersystem 200 zur spektralen Filterung des Lichts 116, das von der Probe 114 kommt und einem Detektorsystem 108. Lighting system 102 for the illumination of the sample 114 and a first A tunable FPI filter system 104 for spectrally filtering the light in front of the sample 114, and a second subsystem 204 having a second tunable FPI filter system 200 for spectrally filtering the light 116 coming from the sample 114 and a detector system 108.
Die Subsysteme 202, 204 können entweder in einer Transmissionsgeometrie, also auf einer gemeinsamen optischen Achse oder in Reflexionsgeometrie zueinander positioniert sein. The subsystems 202, 204 can be positioned either in a transmission geometry, ie on a common optical axis or in reflection geometry relative to each other.
Dabei sind jeweils das Beleuchtungssystem 102 und das erste FPI-Filtersystem 104 sowie das zweite FPI-Filtersystem 200 und das Detektorsystem 108 kompakt zusammen integriert. Die FPI-Filter 104, 200 können dabei MOEMS- Elemente sein. Beide Einheiten 202, 204 können wiederum in ein gemeinsames Gehäuse integriert sein. In each case, the illumination system 102 and the first FPI filter system 104 as well as the second FPI filter system 200 and the detector system 108 are compactly integrated together. The FPI filters 104, 200 may be MOEMS elements. Both units 202, 204 may in turn be integrated in a common housing.
In einem Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Resonatorlängen der beiden FPI-Filterelemente 104, 200 voneinander. In one embodiment, the resonator lengths of the two FPI filter elements 104, 200 are different from each other.
Mit anderen Worten zeigt Fig. 2 ein Spektroskopiesystem 100 gemäß dem hier vorgestellten Ansatz mit einem Filtersystem 104 vor und einem Filtersystem 200 nach der Probe 114. In other words, FIG. 2 shows a spectroscopy system 100 according to the approach presented here with a filter system 104 in front of and a filter system 200 after the sample 114.
Durch die Möglichkeit, sowie vor als auch nach der Probe 114 die By the possibility, as well as before and after the sample 114 the
durchgelassenen Wellenlängen mit den durchstimmbaren FPI- Filtersystemen 104, 200 frei einstellen zu können und somit gegeneinander verschieben zu können, kann sowohl das nicht wellenlängenverschobene gestreute/transmittierte Licht als auch das wellenlängenverschobene Licht detektiert und voneinander unterschieden werden. Unerwünschtes Fluoreszenzlicht von der Probe 114 kann direkt quantifiziert und herausgerechnet werden beziehungsweise nur das fluoreszierte Licht bestimmt werden. Dadurch liefert das Spektroskopiesystem 100 genauere Spektren. Somit kann beispielsweise ein zusätzlicher To be able to set freely transmitted wavelengths with the tunable FPI filter systems 104, 200 and thus to be able to shift against each other, both the non-wavelength shifted scattered / transmitted light and the wavelength-shifted light can be detected and distinguished from each other. Unwanted fluorescent light from the sample 114 can be directly quantified and eliminated, or only the fluorescence light can be determined. As a result, the spectroscopy system 100 provides more accurate spectra. Thus, for example, an additional
Detektionsarm mit dichroitischem Strahlteiler und Detektor, der senkrecht auf dem anderen Detektionsarm steht, eingespart werden. Dadurch wird das Spektroskopiesystem 100 vor allem kompakter und auch billiger. Durch unterschiedliche Resonatorlängen der beiden FPIs 104, 200 lassen sich gezielt störende, insbesondere höhere Ordnungen herausfiltern sowie Dunkelstromreferenzmessungen und Hintergrundlichtmessungen durchführen. Detection arm with dichroic beam splitter and detector, which is perpendicular to the other detection arm saved. This makes the spectroscopy system 100 more compact and cheaper. By different resonator lengths of the two FPIs 104, 200 can be targeted filter out disturbing, especially higher orders and perform dark current reference measurements and background light measurements.
Es kann eine schnelle Lichtmodulation mit einer vorgegebenen Ansteuerfrequenz durch Off-Resonanz-Modulationsansteuerung des ersten FPI-Filters 104 zurIt may be a fast light modulation with a predetermined drive frequency by off-resonance modulation drive of the first FPI filter 104 to
Erzeugung eines Lock-in-Signals durchgeführt werden (wie dies nachfolgend mit Bezug zur Fig. 6 noch näher erläutert wird). Generation of a lock-in signal are performed (as will be explained in more detail below with reference to FIG. 6).
Das Beleuchtungssystem 102 des hier beschriebenen Spektroskopiesystems 100 weist eine Lichtquelle und, falls nötig, eine Kollimationsoptik auf. Die The illumination system 102 of the spectroscopic system 100 described herein includes a light source and, if necessary, collimating optics. The
Lichtquelle kann beispielsweise eine Glühlampe, ein thermischer Emitter, ein Laser, eine LED, eine LED mit einer Phosphor-Lichtquelle oder eine  Light source may, for example, an incandescent lamp, a thermal emitter, a laser, an LED, an LED with a phosphorus light source or a
Plasmastrahlungsquelle sein. Ebenfalls kann die Lichtquelle mehrere spektral überlappende Strahlungsquellen aufweisen. Die Strahlungsquelle kann mechanisch, optisch oder elektrisch moduliert werden, um eine Lock-in-Detektion zu ermöglichen. Be plasma radiation source. Likewise, the light source can have a plurality of spectrally overlapping radiation sources. The radiation source can be mechanically, optically or electrically modulated to allow lock-in detection.
In das Beleuchtungssystem 202 ist das erste FPI-Filtersystem 104 integriert. Dieses kann aus einem Fabry-Perot-Interferometer FPI oder mehreren parallelen Fabry-Perot-Interferometern FPI beispielsweise um verschiedene In the illumination system 202, the first FPI filter system 104 is integrated. This can for example be different from a Fabry-Perot interferometer FPI or several parallel Fabry-Perot interferometers FPI
Wellenlängenbereiche äußerst präzise einstellen zu können, oder mehreren seriellen FPI-Filtern beispielsweise zum Herausfiltern höherer Ordnungen bestehen. Das beziehungsweise die FPI-Elemente können beispielsweise aus einem MOEMS-Element aufgebaut sein. Danach wird der Lichtstrahl 112 auf die Probe 114 geleitet.  Wavelength ranges can be set extremely precisely, or several serial FPI filters, for example, to filter out higher orders. The or the FPI elements can be constructed, for example, from a MOEMS element. Thereafter, the light beam 112 is directed to the sample 114.
Je nach Beschaffenheit der Probe 114 kann das auf sie eingestrahlte Licht 112 transmittiert, reflektiert, diffus reflektiert - gestreut, sowie absorbiert und remittiert werden, beispielsweise bei Materialien die Farbstoffmoleküle oder sich ähnlich verhaltende Moleküle enthalten. Insbesondere beim letzten Prozess verschiebt sich die Wellenlänge des remittierten Lichts 116 deutlich. In der Praxis trifft meistens eine Überlagerung dieser Prozesse auf, was die Auswertung der gewonnenen Spektren massiv erschwert. Deshalb wird bei dem hier Depending on the nature of the sample 114, the light 112 radiated thereon may be transmitted, reflected, diffused - scattered, as well as absorbed and remitted, for example, materials containing dye molecules or similar behaviors. In particular, in the last process, the wavelength of the remitted light 116 shifts significantly. In practice, a superposition of these processes usually occurs, which makes massively difficult the evaluation of the acquired spectra. That's why this one is here
vorgestellten Ansatz der Anteil des Lichts 116, das wellenlängenverschoben emittiert wird, quantifiziert. Das Licht 116 von der Probe 114 wird dann in das zweite FPI- Filtersystem 200 geleitet. Je nach Aufbau des Spektroskopiesystems 100 können dafür verschiedene Optikkomponenten, wie beispielsweise eine Linse, ein Reflektor, ein insbesondere gerichteter Diffusor und/oder ein das Sichtfeld einschränkendes Element verwendet werden. Alternativ können diese sich auch zwischen FPI und Detektor befinden. Das FPI-Filtersystem 200 kann je nach Anwendung aus einem Fabry-Perot-Interferometer FPI, mehreren parallelen Fabry-Perot- Interferometern, beispielsweise um verschiedene Wellenlängenbereiche äußerst präzise einstellen zu können, oder mehreren seriellen Fabry-Perot- Interferometer-Filtern, beispielsweise zum Herausfiltern höherer Ordnungen bestehen. Abschließend wird das Licht mit einem oder mehreren Detektoren 108 detektiert. Je nach Wellenlänge des Lichts 116 können das auch approach, the proportion of light 116 emitted wavelength-shifted is quantified. The light 116 from the sample 114 is then directed into the second FPI filter system 200. Depending on the structure of the spectroscopy system 100, various optical components, such as a lens, a reflector, a diffuser directed in particular, and / or an element restricting the field of view can be used for this purpose. Alternatively, these can also be located between FPI and detector. Depending on the application, the FPI filter system 200 can be made of a Fabry-Perot interferometer FPI, several parallel Fabry-Perot interferometers, for example to be able to set extremely precisely in different wavelength ranges, or several serial Fabry-Perot interferometer filters, for example for filtering out higher orders exist. Finally, the light is detected with one or more detectors 108. Depending on the wavelength of the light 116 can also
unterschiedliche Detektoren 108 sein, beispielsweise aus Si, Ge, InGaAs oder PbSe. Auch hier ist das zweite FPI-Filtersystem 200 und das Detektionssystem 1108 zusammen integriert. different detectors 108 may be, for example, Si, Ge, InGaAs or PbSe. Again, the second FPI filter system 200 and the detection system 1108 are integrated together.
Das Spektroskopiesystem 100 wird mit einer Elektronik 206 gesteuert The spectroscopy system 100 is controlled by an electronics 206
beziehungsweise die Messdaten werden über diese ausgewertet. Zur Detektion sehr kleiner oder verrauschter Signale kann die Lock-In-Technik verwendet werden. or the measured data are evaluated via this. To detect very small or noisy signals, the lock-in technique can be used.
In einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel erfolgt die Messung eines Teils des Lichts 112 nach dem ersten FPI-Filtersystem 104 mittels eines zusätzlichen Detektors zur Referenzierung der auf die Probe 114 eingestrahlten Lichtleistung. Zur Einschränkung des spektralen Bereichs können an verschiedenen Stellen des Strahlenganges weitere optische Filter angeordnet werden. Zur Kalibrierung der FPI-Elemente 104, 200 können fixe Referenzen im Spektroskopiesystem 100 enthalten sein. Der Verniereffekt kann genutzt werden, um sehr schmale durchgelassene Wellenlängenbereiche zu erzeugen. In an additional embodiment, the measurement of a portion of the light 112 after the first FPI filter system 104 by means of an additional detector for referencing the incident on the sample 114 light power. To limit the spectral range, further optical filters can be arranged at different points of the beam path. To calibrate the FPI elements 104, 200, fixed references may be included in the spectroscopy system 100. The Vernier effect can be used to create very narrow transmitted wavelength ranges.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Darstellung verschiedener Lumineszenz- /Photolumineszenzprozesse mit den Anregungszuständen 300, 306, 308 beim Anregen durch Strahlung und eine Darstellung einer Stokesverschiebung 400 bei einem ausgewählten Molekül. Wird ein fluoreszentes Material mit Licht bestrahlt, absorbiert der Fluorophor ein Photon und geht in einen angeregten Zustand 300 über. Meistens wird dann durch Schwingungsrelaxation 302 Energie an die Umgebung abgegeben, bevor der Fluorophor durch Emission 304 eines Photons wieder in den Grundzustand 306 relaxiert. Hierbei kann der Übergang 302 ein „Intersystem Crossing" bilden. Der linke Emissionsvorgang 304 kann als Figures 3 and 4 show a representation of various luminescence / photoluminescent processes with excitation states 300, 306, 308 when excited by radiation and a representation of a Stokes shift 400 at a selected molecule. If a fluorescent material is irradiated with light, The fluorophore absorbs a photon and enters an excited state 300. Mostly, energy is then released to the environment through vibrational relaxation 302 before the fluorophore relaxes back to ground state 306 by emission 304 of a photon. Here, the transition 302 may form an "intersystem crossing." The left emission process 304 may be referred to as "intersystem crossing."
Fluoreszenz betrachtet werden, der rechte Übergang bzw. die Emission 304 kann als Phosporeszenz betrachtet werden. Ebenfalls kann der Fluorophor bei der Emission 304 eines Photons in einen höheren Schwingungszustand 308 als den Grundzustand 306 relaxieren. Somit ist das emittierte Licht 304 langwellig beziehungsweise zu niedrigeren Energien hin im Vergleich zum eingestrahlten Licht 110 verschoben. Dieser Effekt wird als Stokes-Verschiebung 400 bezeichnet. Fluorescence, the right transition or emission 304 may be considered as phosporescence. Also, upon emission 304 of a photon, the fluorophore may relax to a higher vibrational state 308 than the ground state 306. Thus, the emitted light 304 is long-wavelength or shifted to lower energies compared to the incident light 110. This effect is referred to as Stokes shift 400.
Bei bestimmten Formen der Beleuchtung der Probe und bestimmten For certain forms of illumination of the sample and certain
Probenmaterialien kann darüber hinaus auch eine Anti-Stokes-Verschiebung, eine Phosphoreszenz oder gar eine inelastische Streuung auftreten. In addition, sample materials can also exhibit an anti-Stokes shift, a phosphorescence or even an inelastic scattering.
Der hier vorgestellte Ansatz eines Mikrospektrometers mit einer ersten The presented approach of a microspectrometer with a first
Filtereinrichtung vor einer zweiten Filtereinrichtung nach der Probe ermöglicht es, Wellenlängenverschiebungen 400 durch verschiedene physikalische oder chemische Effekte des auf eine Probe eingestrahlten und emittierten Lichts 304, sichtbar zu machen. Filtering means before a second filter means after the sample makes it possible to visualize wavelength shifts 400 by various physical or chemical effects of the light 304 irradiated and emitted onto a sample.
Wird eine Probe, die gleichzeitig fluoresziert und streut beziehungsweise diffus reflektiert, mit Licht bestrahlt kann mit dem hier vorgestellten System einfach zwischen dem wellenlängenverschobenen und nicht wellenlängenverschobenen reflektierten/gestreuten/transmittierten/reflektierten Licht unterschieden werden. Das erweitert die Anwendungsmöglichkeiten des Spektrometers wesentlich. Dazu weist das Spektrometersystem zwei Filterelemente auf, um zwischen nicht verschobenem und (Anti-) Stokes-verschobenem Licht unterscheiden zu können. If a sample which simultaneously fluoresces and scatters or diffusely reflects, irradiated with light can be easily distinguished with the system presented here between the wavelength-shifted and non-wavelength-shifted reflected / scattered / transmitted / reflected light. This substantially extends the application possibilities of the spectrometer. For this purpose, the spectrometer system has two filter elements in order to be able to distinguish between non-shifted and (anti) Stokes-shifted light.
Mit dem hier vorgestellten System kann somit der Anteil des Lichts, der mit einer anderen als der eingestrahlten Wellenlänge gestreut emittiert wird, von dem, der mit der gleichen Wellenlänge gestreut reflektiert wird, quantitativ unterschieden werden. Fig. 5 zeigt eine Darstellung verschiedener Harmonischen 500, 502, 504, 506. Die Harmonischen sind in einem Diagramm dargestellt, das auf seiner Abszisse eine abnehmende Wellenlänge beziehungsweise eine zunehmende Frequenz angetragen hat. Auf der Ordinate ist eine Intensität angetragen. Die Thus, with the system presented here, the proportion of the light scattered scattered at a wavelength other than the irradiated wavelength can be quantitatively discriminated from that reflected at the same wavelength. 5 shows a representation of different harmonics 500, 502, 504, 506. The harmonics are shown in a diagram which has plotted on its abscissa a decreasing wavelength or an increasing frequency. On the ordinate an intensity is offered. The
Harmonischen 502, 504, 506 sind die Oberwellen höherer Ordnung der Harmonics 502, 504, 506 are the higher order harmonics of
Grundwellenlänge 500. Fundamental wavelength 500.
Die in Fig. 2 dargestellten Filtereinrichtungen können als Fabry-Perot- Interferometer ausgeführt sein. Dann bestimmt eine Spaltweite zwischen zwei reflektierenden Oberflächen des Interferometers die Grundwellenlänge 500. Die Grundwellenlänge 500 entspricht der zu der Spaltweite korrespondierenden Resonanzfrequenz. Licht mit der Resonanzfrequenz beziehungsweise The filter devices shown in Fig. 2 can be designed as a Fabry-Perot interferometer. Then, a gap width between two reflective surfaces of the interferometer determines the fundamental wavelength 500. The fundamental wavelength 500 corresponds to the resonant frequency corresponding to the gap width. Light with the resonance frequency respectively
Grundwellenlänge 500 kann das Interferometer im Wesentlichen ungedämpft passieren. Andere Frequenzen werden gedämpft und aus dem Licht Fundamental wavelength 500, the interferometer may pass substantially unattenuated. Other frequencies are attenuated and out of the light
herausgefiltert. Die Harmonischen 502, 504, 506 weisen jeweils eine ganzzahlig vielfache Frequenz der Resonanzfrequenz auf und können ebenfalls das filtered out. The harmonics 502, 504, 506 each have an integer multiple frequency of the resonance frequency and can also the
Interferometer passieren, da sie bei der Spaltweite der Grundwellenlänge 500 ebenfalls resonant sind. Interferometer happen because they are also resonant at the gap width of the fundamental wavelength 500.
Bei dem hier vorgestellten Ansatz können an beiden Interferometern In the approach presented here, at both interferometers
unterschiedliche Grundwellenlängen eingestellt werden. Wenn die erste different fundamental wavelengths are set. If the first
Filtereinrichtung auf die Grundwellenlänge 500 eingestellt ist, wird die Probe auch mit den Wellenlängen der Harmonischen 502, 504, 506 bestrahlt. Die zweite Filtereinrichtung kann beispielsweise auf die erste Harmonische 502 als Grundwellenlänge eingestellt werden. Dann werden an der zweiten Filter set to the fundamental wavelength 500, the sample is also irradiated with the wavelengths of the harmonics 502, 504, 506. The second filter device can be set, for example, to the first harmonic 502 as the fundamental wavelength. Then be at the second
Filtereinrichtung die Grundwellenlänge 500 und die zweite Harmonische 504 herausgefiltert. Die dritte Harmonische 506 kann die zweite Filtereinrichtung wieder passieren, da die dritte Harmonische 506 auch die erste Harmonische der Spaltweite der zweiten Filtereinrichtung ist. Filter device, the fundamental wavelength 500 and the second harmonic 504 filtered out. The third harmonic 506 may pass through the second filter device again because the third harmonic 506 is also the first harmonic of the gap width of the second filter device.
Durch die Nutzung der FPI-Filterelemente vor und nach der Probe können gezielt störende, insbesondere höhere Ordnungen 504 herausgefiltert werden. Dafür kann das eine FPI gerade mit der doppelten Spaltbreite des anderen FPIs betrieben werden. So kann jede zweite Ordnung herausgefiltert und der nutzbare Wellenlängenbereich deutlich erweitert werden. By using the FPI filter elements before and after the sample, specifically disturbing, in particular higher orders 504 can be filtered out. One FPI can do this with twice the slit width of the other FPI operate. So every second order can be filtered out and the usable wavelength range can be significantly extended.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung einer zeitlichen Veränderung eines ersten Fig. 6 shows a representation of a temporal change of a first
Wellenlängenbereichs 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Veränderung ist in einem Diagramm aufgetragen, das auf seiner Abszisse die Zeit und auf seiner Ordinate eine aufsteigende Frequenz beziehungsweise abfallende Wavelength range 112 according to an embodiment. The change is plotted on a graph, on its abscissa the time and on its ordinate an ascending frequency or decreasing
Wellenlänge aufgetragen hat. Mit einem FPI wird der gewünschte Wavelength has applied. With an FPI will be the desired
Wellenlängenbereich eingestellt, was in Fig. 6 durch die Kurve mit den Plateaus 600, 602, 604 und 606 dargestellt ist. Das andere FPI wird vorzugsweise resonant zwischen dem gewünschten Wellenlängenbereich und einem Wavelength range set, which is shown in Fig. 6 by the curve with the plateaus 600, 602, 604 and 606. The other FPI is preferably resonant between the desired wavelength range and a
Wellenlängenbereich 608 daneben (kleine Amplitude über die jeweiligen Wavelength range 608 next to it (small amplitude over the respective
Plateaus 600, 602, 604, 606), bei dem das erste FPI nichts mehr transmittiert, hin und her moduliert. Auf diese Weise kann eine An/Aus-Modulation der Lichtquelle z.B. für die Lock-In-Detektion erzielt werden. Dies ist ein anderer Anwendungsfall als die bisher geschilderten, diese Betriebsweise funktioniert jedoch nicht bei fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Proben. Plateaus 600, 602, 604, 606) in which the first FPI no longer transmits, modulates back and forth. In this way, on / off modulation of the light source can be made e.g. be achieved for the lock-in detection. This is a different application than previously described, but this mode of operation does not work with fluorescent or phosphorescent samples.
Der hier vorgestellte Ansatz kann bei der Lock-in-Detektion verwendet werden. Durch eine schnelle Modulation der mit der Lichtquelle integrierten ersten Filtereinrichtung mit einer kleinen Amplitude kann das durchgelassene The approach presented here can be used in lock-in detection. By a rapid modulation of the integrated with the light source first filter device with a small amplitude, the transmitted
Lichtsignal 112 in den Durchlassbereich 608 der mit dem Detektor integrierten zweiten Filtereinrichtung rein und rausgefahren werden. Diese periodische Signaländerung wird dann zur Lock-In-Detektion genutzt, wodurch das Signal-zuRausch-Verhältnis des Messsignals dramatisch verbessert wird. Ebenfalls kann so ein störendes Hintergrundsignal eliminiert werden. Hierfür kann es günstig sein, die schnell modulierte Filtereinrichtung so auszulegen, dass der schnelle Anteil der Modulation resonant erfolgen kann. Light signal 112 in the passage area 608 of the second filter device integrated with the detector in and out. This periodic signal change is then used for lock-in detection, which dramatically improves the signal-to-noise ratio of the measurement signal. Also, such a disturbing background signal can be eliminated. For this purpose, it may be favorable to design the fast-modulated filter device so that the fast portion of the modulation can be resonant.
Mit anderen Worten zeigt Fig. 6 eine Skizze, wie die Resonatorlängen der beiden Filtereinrichtungen für eine Lock-in-Detektion eingestellt werden können, wobei eine y-Skala der beiden Resonatorlängen nicht notwendig identisch ist. In other words, FIG. 6 shows a sketch of how the resonator lengths of the two filter devices can be set for lock-in detection, wherein a y-scale of the two resonator lengths is not necessarily identical.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der hier vorgestellte Ansatz zur Frischebestimmung von Schweinefleisch verwendet werden. Wenn Schweinefleich mit blauem/UV-Licht z. B., einer Wellenlänge von ca. 410 nm) bestrahlt wird, wird je nach Frische ein unterschiedlich starker Anteil According to a further embodiment, the approach presented here for the fresh determination of pork can be used. If Pork with blue / UV light z. B., a wavelength of about 410 nm) is irradiated, depending on the freshness of a varying proportion
fluoreszenten Lichts in einem Wellenlängenbereich von etwa 500 bis 600 nm abgestahlt. Bei breitbandiger Beleuchtung und Detektion kann nur mit fluorescent light in a wavelength range of about 500 to 600 nm. With broadband lighting and detection can only with
Filterelementen vor und nach der Probe der Anteil des fluoreszenten Lichts und somit die Frische des Schweinefleisches genau gemessen / nachgewiesen werden. Filter elements before and after the sample, the proportion of fluorescent light and thus the freshness of the pork meat can be accurately measured / detected.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Betreiben eines Mikrospektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 kann auf einem Mikrospektrometer wie in Fig. 2 ausgeführt werden. Das Verfahren 700 weist einen Schritt 702 des Bereitstellens, einen Schritt 704 des FIG. 7 shows a flow chart of a method 700 for operating a microspectrometer according to one exemplary embodiment. The method 700 may be performed on a microspectrometer as in FIG. 2. The method 700 includes a step 702 of providing a step 704 of FIG
Durchlassens und einen Schritt 706 des Detektierens auf. Im Schritt 702 des Bereitstellens wird Licht unter Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt. Das Licht ist dabei breitbandig, weist also ein Spektrum mit großem Frequenzbereich auf. Im Schritt 704 des Durchlassens wird unter Verwendung einer ersten Filtereinrichtung ein erster wählbarer Passing and a step 706 of detecting. In step 702 of providing, light is provided using a lighting device. The light is broadband, so has a spectrum with a large frequency range. In step 704 of passing, a first one is selectable using a first filter means
Wellenlängenbereich des Lichts zu einer Probe durchgelassen. Weiterhin wird im Schritt 704 des Durchlassens unter Verwendung einer zweiten Filtereinrichtung ein zweiter wählbarer Wellenlängenbereich von der Probe zu einer Wavelength range of light transmitted to a sample. Further, in step 704 of passing using a second filter means, a second selectable wavelength range from the sample to a
Detektoreinrichtung durchgelassen. Im Schritt 706 des Detektierens wird eine Intensität des durchgelassenen Lichts von der Probe in einem Intensitätswert detektiert. In einem Ausführungsbeispiel werden zuerst die Wellenlängen, die vom ersten und vom zweiten FPI-Filtersystem durchgelassen werden, gleich eingestellt und ein Wellenlängenscan durchgeführt. Dann wird für jede beim ersten Filtersystem eingestellte Wellenlänge das zweite Filtersystem durchgescannt. Somit können die wellenlängenverschobenen Anteile bestimmt werden und von den zuerst erfassten Messdaten abgezogen werden. Durch die Nutzung von Algorithmen, wie beispielsweise Hadamard-Matrizen, kann die Messzeit reduziert werden.  Detector device passed. In step 706 of detecting, an intensity of the transmitted light from the sample is detected in an intensity value. In one embodiment, first, the wavelengths transmitted by the first and second FPI filter systems are set equal and a wavelength scan is performed. Then, for each wavelength set at the first filter system, the second filter system is scanned. Thus, the wavelength shifted components can be determined and subtracted from the first acquired measurement data. By using algorithms, such as Hadamard matrices, the measurement time can be reduced.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist. If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment is both the first feature as well as the second feature and according to another embodiment, either only the first feature or only the second feature.

Claims

Ansprüche claims
1. Mikrospektrometer (100) mit folgenden Merkmalen: einer Beleuchtungseinrichtung (102) zum Bereitstellen von Licht (110), wobei die Beleuchtungseinrichtung (102) auf einen Probenort (106) für eine Probe (114) des Mikrospektrometers (100) ausgerichtet ist; einer ersten durchstimmbaren Filtereinrichtung (104) zum Durchlassen eines ersten wählbaren Wellenlängenbereichs (112) des Lichts (110) von der Beleuchtungseinrichtung (102) zu dem Probenort (106); einer Detektoreinrichtung (108) zum Detektieren einer Intensität des Lichts (116), wobei die Detektoreinrichtung (108) auf den Probenort (106) ausgerichtet ist; und einer zweiten durchstimmbaren Filtereinrichtung (200) zum Durchlassen eines zweiten wählbaren Wellenlängenbereichs (608) des Lichts (116) von dem Probenort (106) zu der Detektoreinrichtung (108). A microspectrometer (100) comprising: illumination means (102) for providing light (110), the illumination means (102) being aligned with a sample location (106) for a sample (114) of the microspectrometer (100); a first tunable filter device (104) for passing a first selectable wavelength range (112) of the light (110) from the illumination device (102) to the sample location (106); a detector means (108) for detecting an intensity of the light (116), the detector means (108) being aligned with the sample location (106); and second tunable filter means (200) for passing a second selectable wavelength range (608) of the light (116) from the sample location (106) to the detector means (108).
2. Mikrospektrometer (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die 2. A microspectrometer (100) according to claim 1, wherein the
Beleuchtungseinrichtung (102) und die Detektoreinrichtung (108) in einer Transmissionsgeometrie auf gegenüberliegenden Seiten des Probenorts (106) angeordnet sind.  Lighting device (102) and the detector device (108) are arranged in a transmission geometry on opposite sides of the sample location (106).
3. Mikrospektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen 3. Microspectrometer (100) according to one of the preceding
Ansprüche, bei dem die Beleuchtungseinrichtung (102) und die  Claims in which the illumination device (102) and the
Detektoreinrichtung (108) in einer Reflexionsgeometrie in einem Winkel zueinander auf den Probenort (106) ausgerichtet sind.  Detector device (108) are aligned in a reflection geometry at an angle to each other on the sample location (106).
4. Mikrospektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen 4. Microspectrometer (100) according to one of the preceding
Ansprüche, bei dem die erste Filtereinrichtung (104) und die Beleuchtungseinrichtung (102) zu einer Beleuchtungseinheit (202) zusammengefasst sind und/oder die zweite Filtereinrichtung (200) und die Detektoreinrichtung (108) zu einer Detektoreinheit (204) Claims in which the first filter device (104) and the Lighting device (102) are combined to form a lighting unit (202) and / or the second filter device (200) and the detector device (108) to a detector unit (204)
zusammengefasst sind. are summarized.
Mikrospektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen Microspectrometer (100) according to one of the preceding
Ansprüche, bei dem die erste Filtereinrichtung (104) zumindest einen ersten Fabry-Perot-Filter umfasst und/oder die zweite Filtereinrichtung (200) zumindest einen zweiten Fabry-Perot-Filter umfasst, insbesondere wobei der erste und/oder zweite Fabry-Perot-Filter verstimmbar ausgestaltet ist. Claims in which the first filter device (104) comprises at least one first Fabry-Perot filter and / or the second filter device (200) comprises at least one second Fabry-Perot filter, in particular wherein the first and / or second Fabry-Perot filter Filter tuned designed.
Mikrospektrometer (100) mit einem Steuergerät gemäß Anspruch 12. Microspectrometer (100) with a control device according to claim 12.
Verfahren (700) zum Betreiben eines Mikrospektrometers (100) gemäß einem der vorangeganenen Ansprüche, wobei das Verfahren (700) die folgenden Schritte aufweist: A method (700) of operating a microspectrometer (100) according to any one of the preceding claims, wherein the method (700) comprises the steps of:
Bereitstellen (702) von Licht (110); Providing (702) light (110);
Durchlassen (704) eines ersten wählbaren Wellenlängenbereichs (112) des Lichts (110) zu einer Probe (114); Passing (704) a first selectable wavelength range (112) of the light (110) to a sample (114);
Durchlassen (704) eines zweiten wählbaren Wellenlängenbereichs (806) von der Probe (114); und Passing (704) a second selectable wavelength range (806) from the sample (114); and
Detektieren (706) einer Intensität des Lichts (116) von der Probe (114). Detecting (706) an intensity of the light (116) from the sample (114).
Verfahren (700) gemäß Anspruch 7, bei dem im Schritt (704) des Durchlassens der erste Wellenlängenbereich (112) und/oder der zweite Wellenlängenbereich (806) zeitlich verändert wird, wobei im Schritt (706) des Detektierens ein zeitliches Spektrum des Lichts (116) von der Probe (114) aufgezeichnet wird. Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (704) des Durchlassens der zweite Wellenlängenbereich (806) variiert wird, während der erste Wellenlängenbereich (112) konstant gehalten wird oder bei dem der erste Wellenlängenbereich (112) variiert wird, während der zweite Wellenlängenbereich (806) konstant gehalten wird oder wobei im Schritt (704) des Durchlassens der erste (112) und zweite (806) Wellenlängenbereich variiert werden. The method (700) of claim 7, wherein in step (704) of passing the first wavelength range (112) and / or the second wavelength range (806) is temporally varied, wherein in step (706) of detecting a temporal spectrum of the light ( 116) is recorded by the sample (114). A method (700) according to any one of the preceding claims, wherein in said step (704) of passing said second wavelength range (806) is varied while maintaining said first wavelength range (112) constant or at which said first wavelength range (112) is varied. while the second wavelength range (806) is held constant, or wherein in step (704) of transmitting, the first (112) and second (806) wavelength ranges are varied.
Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (704) des Durchlassens der erste Wellenlängenbereich (112) und der zweite Wellenlängenbereich (806) auf unterschiedliche Harmonische (500, 502, 504, 506) abgestimmt werden. The method (700) of any one of the preceding claims, wherein in step (704) of passing, the first wavelength region (112) and the second wavelength region (806) are tuned to different harmonics (500, 502, 504, 506).
Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im die erste und zweite durchstimmbare Filtereinrichtung (104, 200) eingestellt ist, um denselben Wellenlängenbereich von Licht passieren zu lassen, wobei eine der durchstimmbaren Filtereinrichtungen (104, 200) moduliert wird. The method (700) of any of the preceding claims, wherein the first and second tunable filter means (104, 200) are set to pass the same wavelength range of light, wherein one of the tunable filter means (104, 200) is modulated.
Steuergerät (206), das eingerichtet ist, um Schritte des Verfahrens (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen. A controller (206) arranged to execute steps of the method (700) according to any one of the preceding claims in respective units.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren (700) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen. A computer program adapted to perform the method (700) of any one of the preceding claims.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist. A machine readable storage medium storing the computer program of claim 13.
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