WO2019015926A1 - Mikrospektrometermodul und verfahren zum aufnehmen eines spektrums mittels eines mikrospektrometermoduls - Google Patents

Mikrospektrometermodul und verfahren zum aufnehmen eines spektrums mittels eines mikrospektrometermoduls Download PDF

Info

Publication number
WO2019015926A1
WO2019015926A1 PCT/EP2018/067199 EP2018067199W WO2019015926A1 WO 2019015926 A1 WO2019015926 A1 WO 2019015926A1 EP 2018067199 W EP2018067199 W EP 2018067199W WO 2019015926 A1 WO2019015926 A1 WO 2019015926A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
detector
light
optical resonator
incident
detector element
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/067199
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin HUSNIK
Christian Huber
Benedikt Stein
Christoph Schelling
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP18736843.6A priority Critical patent/EP3655736A1/de
Priority to CN201880061180.0A priority patent/CN111094918B/zh
Publication of WO2019015926A1 publication Critical patent/WO2019015926A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/32—Investigating bands of a spectrum in sequence by a single detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors

Definitions

  • the invention relates to a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • the subject of the present invention is also a computer program.
  • Wavelength interval of about 35 nm In order to increase the detectable wavelength range, the use of segmented optical filter elements, a microlens array and a detector array with a high resolution is needed. However, light from different segments of the microlens array can overlap on the detector array, which can lead to measurement errors.
  • a microspectrum module a method of recording a spectrum by means of a microspectrum module, a device using this method, and finally a corresponding computer program according to FIG presented the main claims.
  • the measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.
  • a microspectrometer may, for example, be realized on the basis of a tunable Fabry-Perot interferometer arranged directly above a single detector. The desired transmitted wavelength is adjusted via the mirror spacing of the Fabry-Perot interferometer and the
  • tunable filter are that this is cheaper, since a much smaller detector surface is necessary (and only one lens). This allows the use even with more expensive detectors.
  • a microspectrum module is therefore presented with the following features: an optical resonator for filtering light, wherein the optical resonator is tunable with respect to a wavelength range or a plurality of wavelength ranges to be filtered out; a detector device for detecting light transmitted by the optical resonator, wherein the detector device comprises at least a first
  • Detector element and at least one second detector element comprises; and a focusing element that is shaped to direct a light beam of the transmitted light incident within a first range of incidence angles to the first detector element and one within a second one Einfallswinkel Anlagenes incident light beam of the transmitted light to the second detector element to direct.
  • a micro-spectrometer module can be understood as a miniaturized module for analyzing the spectral composition of light by means of an optical resonator. For example, it may be at the
  • the optical resonator may, for example, be a Fabry-Perot resonator consisting of two mutually opposite (partially transparent) mirror elements.
  • the two mirror elements may, for example, be arranged parallel to one another at a specific distance from one another, which may also be referred to as the cavity length. The distance can be varied, for example, to tune the optical resonator by means of a suitable Spiegelaktu réelle.
  • a detector device may be understood to be a light sensor, for example in the form of a CCD or CMOS sensor, a photodiode or a phototransistor.
  • the detector device may, for example, be realized as a detector array of pixels as the detector elements or as an arrangement of at least two separate individual detectors as the detector elements.
  • a detector element according to one embodiment can consist of many individual detector pixels.
  • a focusing element may be understood to mean a lens, for example a condenser lens.
  • such a lens may be achromatic.
  • a tunable optical resonator such as a Fabry-Perot interferometer
  • a Fourier transform element in the form of a lens and a detector array or a plurality of individual detectors to obtain a high-resolution angle-dependent measurement of a to make the spectrum to be examined.
  • this can be dispensed with a complicated optical isolation of multiple optical paths, as required for example in the use of a microlens array with sub-filter system.
  • the approach presented here allows short measuring times and a high
  • the focusing element can be realized as a lens, as an achromatic lens or as a reflector, for example a mirror. As a result, measurement inaccuracies can be avoided.
  • the focusing element may be arranged between the optical resonator and the detector device. This can do that
  • Microspectrum module can be made very compact.
  • optical resonator is realized as a Fabry-Perot interferometer. This allows the microspectrum module to precisely focus
  • the detector device can at least a third
  • the focusing element can be formed in order to direct at least one light beam of the transmitted light incident within a third angle of incidence range to the at least one third detector element.
  • a high resolution can be achieved even when measuring broad wavelength ranges.
  • Detector device may thus comprise a plurality of detector elements.
  • a finely segmented detector device can be realized in which, for example, each pixel or the fine pixel segments of a CMOS / CCD detector are used for the evaluation.
  • the microspectrum module can have at least one pre-filter arranged upstream of the detector device for pre-filtering the light. This can cause unwanted interference
  • the pre-filter can be arranged before or after the optical resonator.
  • the pre-filter whose task is to filter out a single or the desired interference order of the Fabry-Perot, can also be designed as a further optical resonator.
  • the microspectrum module can have at least one light source for illuminating an object to be analyzed by means of the microspectrum module. As a result, the object to be analyzed can be specifically illuminated with light of a specific wavelength range.
  • the approach presented here also provides a method of recording a spectrum by means of a microspectrum module according to any one of
  • Readout of the detector device in order to obtain at least one intensity value, wherein the intensity value detects an intensity of the incident within the first incident angle range detected by the first detector element
  • Light beam represents.
  • step of driving depending on what spectrum is expected to start at a different wavelength.
  • step of driving for example, an electrical drive signal to a
  • the drive signal may be suitable for driving the optical resonator so that the desired central wavelength is set.
  • the drive signal may be suitable for driving an actuator of the resonator such that at least one mirror element of the resonator is moved to a position assigned to the desired central wavelength.
  • the intensity value may be in the form of an electrical signal via an interface to the
  • the intensity value may be an n-tuple of values if there are a number of n
  • the step of driving in response to the readout may be performed again to move the optical resonator to a further one adjacent to the central wavelength
  • the read-out step may be performed again in response to adjusting the further center wavelength to obtain at least one more intensity value, the further one
  • Intensity value detected by the first detector element intensity of an incident within the first incident angle range furthermore
  • Light beam of the transmitted light or, additionally or alternatively, detected by the second detector element intensity of an incident within the second incident angle range further light beam of the
  • 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 device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • the device may comprise at least one computing 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 data or control signals to the sensor Actuator and / or at least one
  • the arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit is a flash memory, an EPROM or a
  • the magnetic storage unit can be.
  • 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.
  • the sensor may also be used in a mobile terminal, e.g. a smartphone where e.g. also the memory of the terminal can be used.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • 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.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a microspectrum module according to an embodiment
  • Fig. 2 is a schematic representation of a spectrometer without a lens
  • Fig. 3 is a diagram for representing transmitted wavelengths in one
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a light beam bundle that extends within a first angle of incidence range into a microspectrum module.
  • Fig. 5 is a diagram illustrating a measured intensity, so one
  • FIG. 6 is a schematic representation of light beam bundles incident within a second angle of incidence range in a microspectrum module of FIG. 1;
  • FIG. 7 is a diagram showing a measured intensity of FIG.
  • FIG. 8 is a schematic representation of light beam bundles emerging within a third angle of incidence range into a microspectrum module.
  • FIG. 10 is a schematic representation of a microspectrum module according to an embodiment
  • FIG. 11 is a schematic representation of a device according to a
  • the microspectrum module 100 comprises an optical resonator 102 for filtering light, for example a tunable Fabry-Perot interferometer, a detector 104 for detecting light transmitted by the optical resonator 102, and a focusing element 106, here exemplified in the form of a lens 106 a focal length f is realized.
  • the focusing element may instead be realized as a focusing mirror instead of such a lens 106.
  • the detector device 104 is, for example, as a detector array with at least one first detector segment 108 and at least one second
  • the detector device 104 is arranged at a distance f to the lens 106 corresponding to the focal length f, wherein the lens 106 according to this exemplary embodiment is arranged between the optical resonator 102 and the detector device 104.
  • the lens 106 is configured to project light incident on the optical resonator 102 within a first range of incidence angle, for example perpendicular, to the first one
  • Incident angle range incident on the optical resonator 102 directs the lens 106 on the second detector element 110.
  • the lens 106 is realized as an achromatic convex lens.
  • the detector device 104 additionally comprises at least a third detector element 112. Accordingly, the lens 106 deflects light incident on the optical resonator 102 within a third angle of incidence range to the third detector segment 112.
  • the detector device 104 comprises a plurality of detector elements
  • a wavelength interval to be examined is first set using the tunable optical resonator 102.
  • a suitable drive signal can be provided to an interface of the resonator 102.
  • the prefiltered light is then directed to different locations by the lens 106, depending on the angle of incidence of the light Detector device 104 shown. Since the transmission wavelength of the optical resonator 102 is angle-dependent, different wavelength ranges are detected at different positions of the detector device 104. Thus, with each adjustment of the optical resonator 102, large
  • Wavelength ranges are examined at very good resolution.
  • the microspectrum module 100 has a high luminous efficacy and a very good signal-to-noise ratio.
  • the measurement times are very short.
  • such a wavelength range of several hundred nanometers can be used and evaluated. Even above a wavelength of 1050 nm, the approach presented here allows a cost-effective use for spectroscopic purposes, especially since no finely segmented detector array is required and can be dispensed with a costly and expensive isolation of the optical paths between individual microlens elements.
  • the microspectrum module 100 comprises a tunable Fabry-Perot interferometer, a Fourier transform element or a lens and a detector array or a plurality of individual detectors.
  • the Fourier transformation element or the lens is placed directly behind the tunable Fabry-Perot interferometer.
  • the detector array or the individual detectors are arranged in the focal plane of the lens, as shown in Fig. 1.
  • the light is preferably passed directly from a sample to be examined to the tunable Fabry-Perot interferometer. Depending on
  • Exemplary embodiments are optionally different optical components, such as a lens, diffuser (or diffuser) or field-limiting element are integrated into the microspectrum module 100.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a spectrometer 200. Shown is a beam path of light beam bundles, which are separated by a Fabry-Perot beam.
  • Interferometer 202 fall on a detector 204.
  • a wider wavelength range is transmitted overall, with the result that the resolution of the spectrometer 200 correspondingly deteriorates.
  • FIG. 3 shows a diagram 300 for representing transmitted wavelengths in a spectrometer from FIG. 2. Shown is the transmission of light through the spectrometer as a function of a wavelength. A curve 302 represents the wavelength range that is transmitted overall.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a light beam bundle 400 that is incident within a first incident angle range in a microspectrum module 100 from FIG. 1.
  • the first incident angle range here corresponds to an incident angle of 0-7 degrees, for example. Accordingly, the lens 106 focuses the light beam 400 onto the first detector element 108.
  • FIG. 5 shows a diagram 500 for representing a measured intensity, that is to say one power per wavelength, of the light beam of FIG. 4. Shown is a transmission T as a function of a wavelength ⁇ .
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of light beam bundles 600 which are incident within a second incident angle range in a microspectrum module 100 from FIG. 1.
  • the second incident angle range here represents an angle of incidence of, for example, 7-10 degrees. Accordingly, that will
  • FIG. 7 shows a diagram 700 for representing a measured intensity of the light beam bundles from FIG. 6.
  • the transmission T is shown as a function of the wavelength ⁇ .
  • the transmitted wavelength is marked ⁇ 2.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of light beam bundles 800 which are incident within a third incident angle range in a microspectrum module 100 from FIG. 1.
  • the third incident angle range here represents, for example, an incident angle range of 10-12.5 degrees, wherein the second incident angle range lies between the first incident angle range and the third incident angle range.
  • the incident angle ranges may overlap.
  • the lens 106 focuses the light beam 800 onto the third detector element 112.
  • FIG. 9 shows a diagram 900 for representing a measured intensity of the light beam bundles from FIG. 8.
  • the transmission T is shown as a function of the wavelength ⁇ .
  • the transmitted wavelength is marked K3.
  • Detector device 104 placed.
  • the focal plane of the lens 106 which is preferably achromatic.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a microspectrum module 100 according to one exemplary embodiment.
  • the respective beam paths of the light beam bundles 400, 600, 800 are shown by the microspectrum module 100.
  • the detector device 104 is embodied here with a detector surface that is significantly reduced in comparison to FIGS. 1 and 4 to 9. As indicated by the arrow in Fig. 10, the optical resonator 102 is tunable.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a device 1100 according to an exemplary embodiment.
  • the device 1100 is designed, for example, to record a spectrum by means of a microspectrum module described above with reference to FIGS. 1 and 4 to 10.
  • the Device 1100 a drive unit 1110 for outputting a
  • Drive signal 1112 for driving the optical resonator By means of the drive signal 1112, the optical resonator is switched to a to
  • a readout unit 1120 is configured to also receive the drive signal 1112 from the drive unit 1110 and using the
  • the readout unit 1120 receives, via a suitable interface to the detector device, at least one intensity value 1122 which, according to this embodiment, has an intensity detected by the first detector segment within the first one
  • Incident angle range incident light beam an intensity detected by the second detector segment within the second
  • FIG. 12 shows a flow chart of a method 1200 in accordance with FIG. 12
  • the spectrum acquisition method 1200 may be performed using a device as described above with reference to FIG. 11. It is in a
  • Step 1210 the optical resonator is driven.
  • the detector device is read in response to the driving of the optical resonator.
  • successively different central wavelengths of the optical resonator are set, wherein in each case an angle-resolved measurement
  • the tunable Fabry-Perot interferometer is set to a first desired central wavelength, for example at the edge of the desired spectrum, and it is determined by means of the
  • Detector device simultaneously measured the different wavelength segments around this central wavelength around. Then, the center wavelength of the tunable Fabry-Perot interferometer is traversed such that the new center wavelength corresponds to the outermost detected wavelength range of the previous center wavelength. Again, the different ones Wavelength segments recorded. This is done until the entire spectrum is recorded. Particularly important areas of the
  • Spectrum can also be measured several times, for example, with different overlaps.
  • detectors or detector arrays are used to detect the transmitted light, for example detectors made of Si, Ge, InGaAs, Ge-on-Si or PbSe.
  • detectors made of Si, Ge, InGaAs, Ge-on-Si or PbSe are used to detect the transmitted light.
  • the Fabry-Perot interferometer According to one embodiment, the Fabry-Perot interferometer
  • Filter system upstream of an edge or bandpass filter for filtering out unwanted orders. This can also be achieved by several serial Fabry-Perot interferometers.
  • the microspectrum module is, for example, together with a
  • Illumination system comprises a light source for illuminating an object to be examined by means of the microspectrum module and optionally a light-guiding or collimating optics.
  • the light source used is, for example, an incandescent lamp, a thermal emitter, a laser, a light-emitting diode, optionally in combination with a luminous means, or a plasma radiation source or a combination of at least two of the radiation sources mentioned.
  • the illumination system comprises a plurality of spectrally overlapping light sources.
  • the light source can be mechanically, optically or electrically modulated, for example, to enable lock-in detection. The light beam is then directed to the sample.
  • the detection of very small or noisy signals is carried out in particular by means of lock-in technology.
  • the pixels of the detector device are individually read out and assigned to their respective wavelengths.
  • the intensities of several pixels are integrated into a total intensity.
  • an exemplary embodiment comprises an "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikrospektrometermodul (100) bestehend aus einem optischen Resonator (102) zum Filtern von Licht, einer Detektoreinrichtung (104) zum Detektieren von von dem optischen Resonator (102) transmittiertem Licht und einem fokussierenden Element (106). Der optische Resonator (102) ist bezüglich eines herauszufilternden Wellenlängenbereichs durchstimmbar. Die Detektoreinrichtung (104) weist zumindest ein erstes Detektorelement (108) und zumindest ein zweites Detektorelement (110) auf. Das fokussierende Element (106) ist ausgeformt, um ein innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das erste Detektorelement (108) zu lenken und ein innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das zweite Detektorelement (110) zu lenken.

Description

Beschreibung
Titel
Mikrospektrometermodul und Verfahren zum Aufnehmen eines Spektrums mittels eines Mikrospektrometermoduls
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
In der US 20140320858 AI wird ein Mikrospektrometer auf Basis eines optischen Filters, einer Linse und eines Detektorarrays vorgestellt. Je nachdem unter welchem Winkel Licht auf den Filter fällt, wird ein anderer Wellenlängenbereich durchgelassen. Durch die Linse wird dann das Licht unterschiedlicher Winkel auf jeweils eine andere Stelle des Detektorarrays abgebildet und somit ein Spektrum gewonnen. Dabei kann abhängig vom optischen Filter nur ein
Wellenlängenintervall von ungefähr 35 nm untersucht werden. Um den untersuchbaren Wellenlängenbereich zu vergrößern, wird die Nutzung segmentierter optischer Filterelemente, eines Mikrolinsenarrays und eines Detektorarrays mit einer hohen Auflösung benötigt. Jedoch kann sich dabei Licht aus unterschiedlichen Segmenten des Mikrolinsenarrays auf dem Detektorarray überschneiden, was zu Messfehlern führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein
Mikrospektrometermodul, ein Verfahren zum Aufnehmen eines Spektrums mittels eines Mikrospektrometermoduls, weiterhin eine Vorrichtung, die 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 Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Ein Mikrospektrometer kann beispielsweise auf Basis eines durchstimmbaren, direkt über einem einzelnen Detektor angeordneten Fabry-Perot-Interferometers realisiert sein. Dabei wird die gewünschte durchgelassene Wellenlänge über den Spiegelabstand des Fabry-Perot-Interferometers eingestellt und das
Detektorsignal gemessen. Bei diesem Ansatz ist jedoch der nutzbare
Winkelbereich begrenzt (wenn man eine gute Auflösung erhalten will), was das detektierbare Licht und somit das Signal-zu- Rausch- Verhältnis begrenzt. Auch kann sich dadurch die Messzeit entsprechend erhöhen, da jeweils nur das Signal einer Wellenlänge gemessen wird. Eine Besonderheit des hier beschriebenen Ansatzes liegt dabei nicht in einer
Kombination von Filter, Linse und Detektorarray, sondern in einer Kombination mit einem durchstimmbaren Filter. Die Vorteile bei Nutzung eines
durchstimmbaren Filters bestehen darin, dass dieser günstiger ist, da eine deutlich geringere Detektorfläche nötig ist (und nur eine Linse). Dies ermöglicht die Nutzung auch bei teureren Detektoren.
Es wird daher ein Mikrospektrometermodul mit folgenden Merkmalen vorgestellt: einem optischen Resonator zum Filtern von Licht, wobei der optische Resonator bezüglich eines herauszufilternden Wellenlängenbereichs oder mehrerer herauszufilternden Wellenlängenbereiche durchstimmbar ist; einer Detektoreinrichtung zum Detektieren von von dem optischen Resonator transmittiertem Licht, wobei die Detektoreinrichtung zumindest ein erstes
Detektorelement und zumindest ein zweites Detektorelement aufweist; und einem fokussierenden Element, das ausgeformt ist, um ein innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das erste Detektorelement zu lenken und ein innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das zweite Detektorelement zu lenken.
Unter einem Mikrospektrometermodul kann ein miniaturisiertes Modul zur Analyse der spektralen Zusammensetzung von Licht mittels eines optischen Resonators verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem
Mikrospektrometermodul um ein miniaturisiertes Spektrometer zur (Nah-) Infrarotspektroskopie handeln. Bei dem optischen Resonator kann es sich beispielsweise um einen Fabry-Perot- Resonator bestehend aus zwei einander gegenüberliegend angeordneten (teildurchlässigen) Spiegelelementen handeln. Die beiden Spiegelelemente können beispielsweise parallel in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sein, der auch als Kavitätslänge bezeichnet werden kann. Der Abstand kann beispielsweise zur Durchstimmung des optischen Resonators mittels einer geeigneten Spiegelaktuierung variierbar sein. Unter einer Detektoreinrichtung kann ein Lichtsensor, etwa in Form eines CCD- oder CMOS-Sensors, einer Fotodiode oder eines Fototransistors, verstanden werden. Die Detektoreinrichtung kann beispielsweise als ein Detektorarray aus Pixeln als den Detektorelementen oder als eine Anordnung aus zumindest zwei separaten Einzeldetektoren als den Detektorelementen realisiert sein. Ein Detektorelement kann gemäß einer Ausführungsform aus vielen einzelnen Detektorpixeln bestehen. Unter einem fokussierenden Element kann eine Linse, beispielsweise eine Sammellinse, verstanden werden. Vorteilhafterweise kann eine solche Linse achromatisch sein.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein durchstimmbarer optischer Resonator, etwa ein Fabry-Perot-Interferometer, mit einem Fourier- Transformations- Element in Form einer Linse und einem Detektorarray oder mehreren Einzeldetektoren kombiniert werden kann, um eine hochaufgelöste winkelabhängige Messung eines zu untersuchenden Spektrums vornehmen zu können. Vorteilhafterweise kann dadurch auf eine aufwendige optische Isolierung mehrerer optischer Pfade, wie sie beispielsweise bei der Verwendung eines Mikrolinsenarrays mit Subfiltersystem erforderlich ist, verzichtet werden. Ferner ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz kurze Messzeiten und eine hohe
Lichtausbeute. Gemäß einer Ausführungsform kann das fokussierende Element als Linse, als achromatische Linse oder als Reflektor, beispielsweise einem Spiegel, realisiert sein. Dadurch können Messungenauigkeiten vermieden werden.
Das fokussierende Element kann zwischen dem optischen Resonator und der Detektoreinrichtung angeordnet sein. Dadurch kann das
Mikrospektrometermodul sehr kompakt ausgeführt werden.
Von Vorteil ist auch, wenn der optische Resonator als Fabry-Perot-Interferometer realisiert ist. Dadurch kann das Mikrospektrometermodul präzise auf
unterschiedliche Wellenlängenbereiche eingestellt werden.
Des Weiteren kann die Detektoreinrichtung zumindest ein drittes
Detektorelement aufweisen. Dabei kann das fokussierende Elementausgeformt sein kann, um zumindest ein innerhalb eines dritten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel des transmittierten Lichts auf das zumindest eine dritte Detektorelement zu lenken. Dadurch kann auch bei der Messung breiter Wellenlängenbereiche eine hohe Auflösung erreicht werden. Die
Detektoreinrichtung kann somit eine Mehrzahl von Detektorelementen aufweisen. Es kann somit eine fein segmentierte Detektoreinrichtung realisiert werden, bei der beispielsweise jeder Pixel oder die feinen Pixelsegmente eines CMOS/CCD- Detektors für die Auswertung genutzt werden.
Das Mikrospektrometermodul kann gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest einen der Detektoreinrichtung vorgeschalteten Vorfilter zum Vorfiltern des Lichts aufweisen. Dadurch können unerwünschte Interferenzen
herausgefiltert werden. Der Vorfilter kann dabei vor oder nach dem optischen Resonator angeordnet sein. Der Vorfilter, dessen Aufgabe darin besteht eine einzelne oder die gewünschte Interferenzordnung des Fabry-Perot rauszufiltern, kann auch als ein weiterer optischer Resonator ausgebildet sein. Durch den Vorfilter kann das Licht effizient vorgefiltert werden. Insbesondere kann dadurch ein herauszufilternder Wellenlängenbereich je nach Anwendung präzise eingestellt werden, bzw. können Störungen durch ungewünschte Ordnungen vermieden werden. Das Mikrospektrometermodul kann zumindest eine Lichtquelle zum Anstrahlen eines mittels des Mikrospektrometermoduls zu analysierenden Objekts aufweisen. Dadurch kann das zu analysierende Objekt gezielt mit Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs beleuchtet werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Aufnehmen eines Spektrums mittels eines Mikrospektrometermoduls gemäß einer der
vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Ansteuern des optischen Resonators, um den optischen Resonator auf eine einem erwarteten Spektrum zugeordnete Zentralwellenlänge einzustellen; und
Auslesen der Detektoreinrichtung, um zumindest einen Intensitätswert zu erhalten, wobei der Intensitätswert eine vom ersten Detektorelement detektierte Intensität des innerhalb des ersten Einfallswinkelbereiches einfallenden
Lichtstrahlbündels und/oder eine vom zweiten Detektorelement detektierte Intensität des innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereiches einfallenden
Lichtstrahlbündels repräsentiert.
Im Schritt des Ansteuerns kann je nachdem, welches Spektrum erwartet wird, bei einer anderen Wellenlänge zu messen angefangen werden. Im Schritt des Ansteuerns kann beispielsweise ein elektrisches Ansteuersignal an eine
Schnittstelle des optischen Resonators bereitgestellt werden. Dabei kann das Ansteuersignal geeignet sein, um den optischen Resonator so anzusteuern, dass die gewünschte Zentralwellenlänge eingestellt wird. Beispielsweise kann das Ansteuersignal geeignet sein, um einen Aktor des Resonators so anzusteuern, dass zumindest ein Spiegelelement des Resonators an eine der gewünschten Zentralwellenlänge zugeordnete Position bewegt wird. Der Intensitätswert kann in Form eines elektrischen Signals über eine Schnittstelle zu der
Detektoreinrichtung ausgelesen werden. Bei dem Intensitätswert kann es sich um ein n-Tupel von Werten handeln, falls es eine Anzahl von n
Detektorelementen gibt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Schritt des Ansteuerns ansprechend auf das Auslesen erneut ausgeführt werden, um den optischen Resonator auf eine zur Zentralwellenlänge benachbarte weitere
Zentralwellenlänge einzustellen. Der Schritt des Auslesens kann ansprechend auf das Einstellen der weiteren Zentralwellenlänge erneut ausgeführt werden, um zumindest einen weiteren Intensitätswert zu erhalten, wobei der weitere
Intensitätswert eine vom ersten Detektorelement detektierte Intensität eines innerhalb des ersten Einfallswinkelbereiches einfallenden weiteren
Lichtstrahlbündels des transmittierten Lichts oder, zusätzlich oder alternativ, eine vom zweiten Detektorelement detektierte Intensität eines innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereiches einfallenden weiteren Lichtstrahlbündels des
transmittierten Lichts repräsentieren kann. Dadurch wird eine kontinuierliche Abtastung des gesamten Spektrums ermöglicht. Insbesondere können hierbei unterschiedliche Teilbereiche des Spektrums überlappend abgetastet oder auch jeweils mehrfach abgetastet werden. Mit anderen Worten ermöglicht die wiederholte Ausführung der Schritte des Verfahrens das schrittweise Abfahren des gesamten gewünschten Spektralbereichs.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung 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 Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine
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 EPROM 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. Beispielsweise kann der Sensor auch in einem mobilen Endgerät, wie z.B. einem Smartphone eingesetzt werden, wo z.B. auch der Speicher des Endgeräts genutzt werden kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung 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 der Vorrichtung 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.
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
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Spektrometers ohne Linse;
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung transmittierter Wellenlängen in einem
Spektrometer aus Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Lichtstrahlbündels, das innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul aus
Fig. 1 einfällt;
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung einer gemessenen Intensität, also einer
Leistung pro Wellenlänge, des Lichtstrahlbündels aus Fig. 4;
Fig. 6 eine schematische Darstellung von Lichtstrahlbündeln, die innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul aus Fig. 1 einfallen;
Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung einer gemessenen Intensität der
Lichtstrahlbündel aus Fig. 6;
Fig. 8 eine schematische Darstellung von Lichtstrahlbündeln, die innerhalb eines dritten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul aus
Fig. 1 einfallen;
Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung einer gemessenen Intensität der
Lichtstrahlbündel aus Fig. 8;
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometermoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel; und
Fig. 12 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometermoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Mikrospektrometermodul 100 umfasst einen optischen Resonator 102 zum Filtern von Licht, beispielsweise ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer, eine Detektoreinrichtung 104 zum Detektieren von von dem optischen Resonator 102 transmittiertem Licht sowie ein fokussierendes Element 106, das hier beispielhaft in Form einer Linse 106 mit einer Brennweite f realisiert ist. Dass fokussierende Element kann anstatt einer solchen Linse 106 auch als ein fokussierender Spiegel realisiert sein. Die Detektoreinrichtung 104 ist beispielsweise als ein Detektorarray mit zumindest einem ersten Detektorsegment 108 und zumindest einem zweiten
Detektorelement 110 realisiert. Die Detektoreinrichtung 104 ist in einem der Brennweite f entsprechenden Abstand zur Linse 106 angeordnet, wobei die Linse 106 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem optischen Resonator 102 und der Detektoreinrichtung 104 angeordnet ist. Die Linse 106 ist ausgestaltet, um Licht, das innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches, beispielsweise zur Senkrechten, auf den optischen Resonator 102 fällt, auf das erste
Detektorsegment 108 zu lenken. Licht, das innerhalb eines zweiten
Einfallswinkelbereiches auf den optischen Resonator 102 fällt, lenkt die Linse 106 hingegen auf das zweite Detektorelement 110. Beispielsweise ist die Linse 106 als achromatische Sammellinse realisiert.
Je nach Ausführungsbeispiel umfasst die Detektoreinrichtung 104 zusätzlich zumindest ein drittes Detektorelement 112. Dementsprechend lenkt die Linse 106 Licht, das innerhalb eines dritten Einfallswinkelbereiches auf den optischen Resonator 102 fällt, auf das dritte Detektorsegment 112. Insbesondere weist die Detektoreinrichtung 104 eine Mehrzahl von Detektorelementen zur
winkelaufgelösten Messung der Intensität des vom optischen Resonator 102 transmittierten Lichts auf.
Zur Aufnahme eines Spektrums wird mithilfe des durchstimmbaren optischen Resonators 102 zunächst ein zu untersuchendes Wellenlängenintervall eingestellt. Dazu kann ein geeignetes Ansteuersignal an eine Schnittstelle des Resonators 102 bereitgestellt werden. Das vorgefilterte Licht wird dann mittels der Linse 106 je nach Einfallswinkel des Lichts auf unterschiedliche Stellen der Detektoreinrichtung 104 abgebildet. Da die Durchlasswellenlänge des optischen Resonators 102 winkelabhängig ist, werden auf unterschiedlichen Positionen der Detektoreinrichtung 104 unterschiedliche Wellenlängenbereiche detektiert. Somit können mit jeder Einstellung des optischen Resonators 102 große
Wellenlängenbereiche bei sehr guter Auflösung untersucht werden. Somit weist das Mikrospektrometermodul 100 eine hohe Lichtausbeute und ein sehr gutes Signal-zu- Rausch- Verhältnis auf. Zudem sind die Messzeiten sehr kurz.
Beispielsweise kann so ein Wellenlängenbereich von mehreren Hundert Nanometern genutzt und ausgewertet werden. Auch oberhalb einer Wellenlänge von 1050 nm ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz eine kostengünstige Nutzung für Spektroskopiezwecke, zumal kein fein segmentiertes Detektorarray erforderlich ist und auch auf eine aufwendige und teure Isolierung der optischen Wege zwischen einzelnen Mikrolinsenelementen verzichtet werden kann.
Vorteilhafterweise wird dabei nur eine geringe Detektorfläche benötigt. Die genannten Vorteile gelten auch für einen unter 1100 nm liegenden
Wellenlängenbereich.
Durch die einfache Einstellbarkeit des optischen Resonators 102 können wichtige Bereiche des Spektrums besonders genau und mit gutem Signal-zuRausch-Verhältnis gescannt werden. Fehler können beispielsweise durch einen geschickt gewählten Überlapp vermieden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Mikrospektrometermodul 100 ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer, ein Fourier-Transformations- Element bzw. eine Linse und ein Detektorarray oder mehrere Einzeldetektoren. Dabei ist das Fourier-Transformations- Element bzw. die Linse direkt hinter dem durchstimmbaren Fabry-Perot-Interferometer platziert. Das Detektorarray oder die Einzeldetektoren sind in der Brennebene der Linse angeordnet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
Das Licht wird vorzugsweise von einer zu untersuchenden Probe direkt auf das durchstimmbare Fabry-Perot-Interferometer geleitet. Je nach
Ausführungsbeispiel sind dazu optional verschiedene Optikkomponenten, etwa eine Linse, ein (gerichteter) Diffusor oder ein das Sichtfeld einschränkendes Element, in das Mikrospektrometermodul 100 integriert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers 200. Gezeigt ist ein Strahlengang von Lichtstrahlbündeln, die durch ein Fabry-Perot-
Interferometer 202 auf einen Detektor 204 fallen. Dadurch, dass das Licht unter verschiedenen Winkeln auf das Fabry-Perot-Interferometer 202 fällt, wird insgesamt ein breiterer Wellenlängenbereich durchgelassen, was zur Folge hat, dass sich die Auflösung des Spektrometers 200 entsprechend verschlechtert.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm 300 zur Darstellung transmittierter Wellenlängen in einem Spektrometer aus Fig. 2. Gezeigt ist die Transmission von Licht durch das Spektrometer in Abhängigkeit von einer Wellenlänge. Eine Kurve 302 repräsentiert den Wellenlängenbereich, der insgesamt durchgelassen wird.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtstrahlbündels 400, das innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul 100 aus Fig. 1 einfällt. Der erste Einfallswinkelbereich entspricht hier beispielhaft einem Einfallswinkel von 0-7 Grad. Dementsprechend fokussiert die Linse 106 das Lichtstrahlbündel 400 auf das erste Detektorelement 108.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm 500 zur Darstellung einer gemessenen Intensität, also einer Leistung pro Wellenlänge, des Lichtstrahlbündels aus Fig. 4. Gezeigt ist eine Transmission T in Abhängigkeit von einer Wellenlänge λ. Die
durchgelassene Wellenlänge ist mit λι gekennzeichnet.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung von Lichtstrahlbündeln 600, die innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul 100 aus Fig. 1 einfallen. Der zweite Einfallswinkelbereich repräsentiert hier einen Einfallswinkel von beispielsweise 7-10 Grad. Dementsprechend wird das
Lichtstrahlbündel 600 mittels der Linse 106 auf das zweite Detektorelement 110 fokussiert. Fig. 7 zeigt ein Diagramm 700 zur Darstellung einer gemessenen Intensität der Lichtstrahlbündel aus Fig. 6. Gezeigt ist die Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Die durchgelassene Wellenlänge ist mit λ2 gekennzeichnet. Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung von Lichtstrahlbündeln 800, die innerhalb eines dritten Einfallswinkelbereiches in ein Mikrospektrometermodul 100 aus Fig. 1 einfallen. Der dritte Einfallswinkelbereich repräsentiert hier beispielsweise einen Einfallswinkelbereich von 10-12,5 Grad, wobei der zweite Einfallswinkelbereich zwischen dem ersten Einfallswinkelbereich und dem dritten Einfallswinkelbereich liegt. Die Einfallswinkelbereiche können sich überlappen.
Dementsprechend fokussiert die Linse 106 die Lichtstrahlbündel 800 auf das dritte Detektorelement 112.
Fig. 9 zeigt ein Diagramm 900 zur Darstellung einer gemessenen Intensität der Lichtstrahlbündel aus Fig. 8. Gezeigt ist die Transmission T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Die durchgelassene Wellenlänge ist mit K3 gekennzeichnet.
Aus den Figuren 4 bis 9 ist ersichtlich, dass mit integrierter Linse 106 die aufgrund der verschiedenen Einfallswinkel verschieden durchgelassenen Wellenlängen auf verschiedene Bereiche der Detektoreinrichtung 104 abgebildet werden und somit voneinander unterscheidbar messbar sind.
Je nach Abstand zwischen den beiden Spiegeln des optischen Resonators 102 werden pro Einfallswinkel nur bestimmte Wellenlängen durchgelassen. Fällt Licht senkrecht auf den optischen Resonator 102, so wird bei gegebenem
Spiegelabstand nur Licht mit der Wellenlänge λι (und höhere Ordnungen) durchgelassen. Fällt das Licht nun unter einem Winkel α zur Senkrechten auf den optischen Resonator 102, so verschiebt sich der Durchlassbereich
beispielsweise ins Blaue nach λ2. Weist das einfallende Licht einen noch größeren Winkel zur Senkrechten auf, so wird nur die Wellenlänge λ3
transmittiert. Fällt Licht mit verschiedenen Einfallswinkeln auf einen optischen Resonator ohne zusätzliche Linse, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt, so wird Licht verschiedener Wellenlängenintervalle transmittiert (λι, λ2, λ3) . Dieses überlagert sich, womit sich die Wellenlängenauflösung deutlich verschlechtert, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Um dies zu verhindern, wird gemäß dem hier vorgestellten Ansatz eine zusätzliche Linse 106 zwischen den optischen Resonator 102 und die
Detektoreinrichtung 104 platziert. Dadurch wird Licht mit unterschiedlichen Einfallswinkeln an unterschiedlichen Stellen in der fokalen Ebene der Linse 106, die vorzugsweise achromatisch ist, abgebildet. Je größer der Winkel α gegenüber der Senkrechten ist, desto größer ist die räumliche Verschiebung des Fokus in der Brennebene der Linse 106. Bei Verwendung eines Detektorarrays oder mehrerer Einzeldetektoren kann somit gut zwischen den verschiedenen durchgelassenen Wellenlängenbereichen unterschieden werden, wie dies aus den Figuren 5, 7 und 9 ersichtlich ist.
Beispielsweise kann bei einem Fabry-Perot-Interferometer mit Si/SiN- Spiegelschichten und einer Zentralwellenlänge von 1300 nm für einen
Winkelbereich zur Senkrechten von 0 bis 7 Grad eine Halbwertsbreite (FWHM) des durchgelassenen Wellenlängensegments von 10 nm erreicht werden. Für einen Winkelbereich von 7 bis 10 Grad beträgt die Halbwertsbreite ebenfalls 10 nm und die Zentralwellenlänge verschiebt sich um rund 7 nm. Für einen Winkelbereich von 10 bis 12,5 Grad beträgt die Halbwertsbreite wiederum 10 nm und die Zentralwellenlänge verschiebt sich um weitere 9 nm usw. Somit kann für eine fixe Einstellung des durchstimmbaren Fabry-Perot-Interferometers über einen Wellenlängenbereich von mehreren 10 nm ein Spektrum mit sehr guter spektraler Auflösung und Detektionseffizienz aufgenommen werden. Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrospektrometermoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt sind die jeweiligen Strahlengänge der Lichtstrahlbündel 400, 600, 800 durch das Mikrospektrometermodul 100. Die Detektoreinrichtung 104 ist hier mit einer im Vergleich zu den Figuren 1 und 4 bis 9 deutlich reduzierten Detektorfläche ausgeführt. Wie durch den Pfeil in Fig. 10 angedeutet, ist der optische Resonator 102 durchstimmbar.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1100 ist beispielsweise ausgebildet, um ein Spektrum mittels eines vorangehend anhand der Figuren 1 und 4 bis 10 beschriebenen Mikrospektrometermoduls aufzunehmen. Dazu weist die Vorrichtung 1100 eine Ansteuereinheit 1110 zum Ausgeben eines
Ansteuersignais 1112 zum Ansteuern des optischen Resonators auf. Mittels des Ansteuersignais 1112 wird der optische Resonator auf eine dem zu
untersuchenden Spektrum zugeordnete Zentralwellenlänge eingestellt. Eine Ausleseeinheit 1120 ist ausgebildet, um ebenfalls das Ansteuersignal 1112 von der Ansteuereinheit 1110 zu empfangen und unter Verwendung des
Ansteuersignais 1112 die Detektoreinrichtung auszulesen. Hierbei empfängt die Ausleseeinheit 1120 über eine geeignete Schnittstelle zur Detektoreinrichtung zumindest einen Intensitätswert 1122, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine vom ersten Detektorsegment detektierte Intensität der innerhalb des ersten
Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündel, eine vom zweiten Detektorsegment detektierte Intensität der innerhalb des zweiten
Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündel sowie gegebenenfalls eine vom dritten Detektorsegment detektierte Intensität der die innerhalb des dritten Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündel repräsentiert.
Fig. 12 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1200 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1200 zum Aufnehmen eines Spektrums kann beispielsweise unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand von Fig. 11 beschrieben ist, ausgeführt werden. Dabei wird in einem
Schritt 1210 der optische Resonator angesteuert. In einem weiteren Schritt 1220 wird die Detektoreinrichtung ansprechend auf das Ansteuern des optischen Resonators ausgelesen. Zur vollständigen Aufnahme des Spektrums werden beispielsweise nacheinander unterschiedliche Zentralwellenlängen des optischen Resonators eingestellt, wobei jeweils eine winkelaufgelöste Messung
durchgeführt wird, wie dies nachfolgend näher beschrieben wird.
Zur Aufnahme des Spektrums wird zunächst das durchstimmbare Fabry-Perot- Interferometer auf eine erste gewünschte Zentralwellenlänge - beispielsweise am Rand des gewünschten Spektrums - eingestellt und es werden mittels der
Detektoreinrichtung gleichzeitig die verschiedenen Wellenlängensegmente um diese Zentralwellenlänge herum gemessen. Dann wird die Zentralwellenlänge des durchstimmbaren Fabry-Perot-Interferometers so verfahren, dass die neue Zentralwellenlänge dem äußersten detektierten Wellenlängenbereich der vorherigen Zentralwellenlänge entspricht. Wiederum werden die verschiedenen Wellenlängensegmente aufgenommen. Dies wird so lange durchgeführt, bis das gesamte Spektrum aufgenommen ist. Besonders wichtige Bereiche des
Spektrums können dabei auch mehrmals gemessen werden, beispielsweise auch mit unterschiedlichen Überlappungen.
Je nach Wellenlänge des zu untersuchenden Lichts werden verschiedene Arten von Detektoren oder Detektorarrays zur Detektion des durchgelassenen Lichts verwendet, beispielsweise Detektoren aus Si, Ge, InGaAs, Ge-on-Si oder PbSe. Vorteilhafterweise kann durch geschickte Auswahl von Durchmesser und
Brennweite der Linse sowie des Detektors die Fläche des Detektors sehr klein gehalten werden, wie dies aus Fig. 10 ersichtlich ist. Dadurch können die Herstellungskosten gesenkt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist dem Fabry-Perot-Interferometer-
Filtersystem ein Kanten- oder Bandpassfilter zur Herausfilterung unerwünschter Ordnungen vorgeschaltet. Dies kann auch durch mehrere serielle Fabry-Perot- Interferometer erreicht werden.
Das Mikrospektrometermodul ist beispielsweise zusammen mit einem
geeigneten Beleuchtungssystem in ein Gehäuse integriert. Das
Beleuchtungssystem umfasst eine Lichtquelle zum Anstrahlen eines mittels des Mikrospektrometermoduls zu untersuchenden Objekts und optional eine Lichtleitoder Kollimationsoptik. Als Lichtquelle kommt beispielsweise eine Glühlampe, ein thermischer Emitter, ein Laser, eine Leuchtdiode, gegebenenfalls in Kombination mit einem Leuchtmittel, oder eine Plasmastrahlungsquelle oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten Strahlungsquellen zum Einsatz. Je nach Ausführungsbeispiel umfasst das Beleuchtungssystem mehrere sich spektral überlappende Lichtquellen. Die Lichtquelle ist beispielsweise mechanisch, optisch oder elektrisch modulierbar, um eine Lock-In-Detektion zu ermöglichen. Der Lichtstrahl wird dann auf die Probe geleitet.
Die Detektion sehr kleiner oder verrauschter Signale erfolgt insbesondere mittels Lock-In-Technik. Für ein hochaufgelöstes Spektrum bei weniger gutem Signal-zu- Rausch- Verhältnis werden die Pixel der Detektoreinrichtung beispielsweise einzeln ausgelesen und ihrer jeweiligen Wellenlänge zugeordnet. Für ein schlechter aufgelöstes Spektrum bei gutem Signal-zu- Rausch- Verhältnis werden die Intensitäten mehrerer Pixel zu einer Gesamtintensität aufintegriert.
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.

Claims

Ansprüche
1. Mikrospektrometermodul (100) mit folgenden Merkmalen: einem optischen Resonator (102) zum Filtern von Licht, wobei der optische Resonator (102) bezüglich zumindest eines herauszufilternden Wellenlängenbereichs durchstimmbar ist; einer Detektoreinrichtung (104) zum Detektieren von von dem optischen Resonator (102) transmittiertem Licht, wobei die
Detektoreinrichtung (104) zumindest ein erstes Detektorelement (108) und zumindest ein zweites Detektorelement (110) aufweist; und einem fokussierenden Element (106), das ausgeformt ist, um ein innerhalb eines ersten Einfallswinkelbereiches einfallendes
Lichtstrahlbündel (400) des transmittierten Lichts auf das erste
Detektorelement (108) zu lenken und ein innerhalb eines zweiten Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel (600) des transmittierten Lichts auf das zweite Detektorelement (110) zu lenken.
2. Mikrospektrometermodul (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das
fokussierende Element (106) als Linse, achromatische Linse, diffraktives optisches Element oder als Reflektor realisiert ist.
3. Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das fokussierende Element (106) zwischen dem optischen Resonator (102) und der Detektoreinrichtung (104) angeordnet ist.
4. Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der optische Resonator (102) als Fabry-Perot- Interferometer realisiert ist. Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Detektoreinrichtung (104) zumindest ein drittes Detektorelement (112) aufweist, wobei das fokussierende Element (106) ausgeformt ist, um zumindest ein innerhalb eines dritten
Einfallswinkelbereiches einfallendes Lichtstrahlbündel (800) des transmittierten Lichts auf das zumindest eine drittes
Detektorelement (112) zu lenken.
Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einem der Detektoreinrichtung (104) vorgeschalteten Vorfilter zum Vorfiltern des Lichts.
Mikrospektrometermodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einer Lichtquelle zum Anstrahlen eines mittels des Mikrospektrometermoduls (100) zu analysierenden Objekts.
Verfahren (1200) zum Aufnehmen eines Spektrums mittels eines Mikrospektrometermoduls (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (1200) folgende Schritte umfasst:
Ansteuern (1210) des optischen Resonators (102), um den optischen Resonator (102) auf eine einem erwarteten Spektrum zugeordnete Zentralwellenlänge einzustellen; und
Auslesen (1220) der Detektoreinrichtung (104), um zumindest einen Intensitätswert (1122) zu erhalten, wobei der Intensitätswert (1122) eine vom ersten Detektorelement (108) detektierte Intensität des innerhalb des ersten Einfallswinkelbereiches einfallenden Lichtstrahlbündels (400) und/oder eine vom zweiten Detektorelement (110) detektierte Intensität des innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereiches einfallenden
Lichtstrahlbündels (600) repräsentiert.
Verfahren (1200) gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt des
Ansteuerns (1210) ansprechend auf das Auslesen (1220) erneut ausgeführt wird, um den optischen Resonator (102) auf eine zur
Zentralwellenlänge benachbarte weitere Zentralwellenlänge
einzustellen, wobei der Schritt des Auslesens (1220) ansprechend auf das Einstellen der weiteren Zentralwellenlänge erneut ausgeführt wird, um zumindest einen weiteren Intensitätswert zu erhalten, wobei der weitere Intensitätswert eine vom ersten Detektorelement (108) detektierte Intensität eines innerhalb des ersten Einfallswinkelbereiches einfallenden weiteren Lichtstrahlbündels des transmittierten Lichts und/oder eine vom zweiten Detektorelement (110) detektierte Intensität eines innerhalb des zweiten Einfallswinkelbereiches einfallenden weiteren Lichtstrahlbündels des transmittierten Lichts repräsentiert.
Vorrichtung (1100) mit Einheiten (1110, 1120), die ausgebildet sind, um das Verfahren (1200) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9 auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (1200) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprog nach Anspruch 11 gespeichert ist.
PCT/EP2018/067199 2017-07-21 2018-06-27 Mikrospektrometermodul und verfahren zum aufnehmen eines spektrums mittels eines mikrospektrometermoduls WO2019015926A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18736843.6A EP3655736A1 (de) 2017-07-21 2018-06-27 Mikrospektrometermodul und verfahren zum aufnehmen eines spektrums mittels eines mikrospektrometermoduls
CN201880061180.0A CN111094918B (zh) 2017-07-21 2018-06-27 显微光谱仪模块和用于借助于显微光谱仪模块来记录光谱的方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017212557.8 2017-07-21
DE102017212557.8A DE102017212557A1 (de) 2017-07-21 2017-07-21 Mikrospektrometermodul und Verfahren zum Aufnehmen eines Spektrums mittels eines Mikrospektrometermoduls

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019015926A1 true WO2019015926A1 (de) 2019-01-24

Family

ID=62815020

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/067199 WO2019015926A1 (de) 2017-07-21 2018-06-27 Mikrospektrometermodul und verfahren zum aufnehmen eines spektrums mittels eines mikrospektrometermoduls

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3655736A1 (de)
CN (1) CN111094918B (de)
DE (1) DE102017212557A1 (de)
WO (1) WO2019015926A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112964692A (zh) * 2021-02-05 2021-06-15 上海新产业光电技术有限公司 拉曼光谱装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1517165A2 (de) * 2003-09-03 2005-03-23 Fujitsu Limited Gerät für die Spektroskopie
US20140320858A1 (en) 2011-11-03 2014-10-30 Verifood Ltd. Low-cost spectrometry system for end-user food analysis
US20150355024A1 (en) * 2013-08-02 2015-12-10 Verifood, Ltd. Spectrometry system with decreased light path
US20150377706A1 (en) * 2014-06-30 2015-12-31 Seiko Epson Corporation Spectroscopic imaging apparatus and spectroscopic imaging method
US20170082491A1 (en) * 2015-09-17 2017-03-23 U.S.A. As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Recirculating etalon spectrometer

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3682834B2 (ja) * 1998-12-01 2005-08-17 ホーチキ株式会社 波長可変干渉フィルタを用いた光学装置
JP2013181912A (ja) * 2012-03-02 2013-09-12 Seiko Epson Corp 成分分析装置
JP6255992B2 (ja) * 2013-12-27 2018-01-10 セイコーエプソン株式会社 分光測定システム、分光モジュール、及び、位置ズレ検出方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1517165A2 (de) * 2003-09-03 2005-03-23 Fujitsu Limited Gerät für die Spektroskopie
US20140320858A1 (en) 2011-11-03 2014-10-30 Verifood Ltd. Low-cost spectrometry system for end-user food analysis
US20150355024A1 (en) * 2013-08-02 2015-12-10 Verifood, Ltd. Spectrometry system with decreased light path
US20150377706A1 (en) * 2014-06-30 2015-12-31 Seiko Epson Corporation Spectroscopic imaging apparatus and spectroscopic imaging method
US20170082491A1 (en) * 2015-09-17 2017-03-23 U.S.A. As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Recirculating etalon spectrometer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112964692A (zh) * 2021-02-05 2021-06-15 上海新产业光电技术有限公司 拉曼光谱装置
CN112964692B (zh) * 2021-02-05 2022-12-27 上海新产业光电技术有限公司 拉曼光谱装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3655736A1 (de) 2020-05-27
CN111094918A (zh) 2020-05-01
CN111094918B (zh) 2022-05-03
DE102017212557A1 (de) 2019-01-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006059190B4 (de) Vorrichtung zur Wafer-Inspektion
DE3843876A1 (de) Spektralmikroskop mit einem photometer
DE102009059280A1 (de) Spektrometeranordnung
DE102016111747B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Raman-Spektroskopie
DE102011083718A1 (de) Konfokales Spektrometer und Verfahren zur Bildgebung in einem konfokalen Spektrometer
DE102017130772A1 (de) Spektrometeranordnung, Verfahren zur Erzeugung eines zweidimensionalen Spektrums mittels einer solchen
DE102016216842A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Spektrometers
EP2276999B1 (de) Optische anordnung zur beleuchtung eines messobjektes und interferometrische anordnung zur vermessung von flächen eines messobjektes
WO2019015926A1 (de) Mikrospektrometermodul und verfahren zum aufnehmen eines spektrums mittels eines mikrospektrometermoduls
EP3404380A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren eines mikrospektrometermoduls
DE102007028505A1 (de) Spektrometeranordnung
DE4118760A1 (de) Echelle-doppelmonochromator
DE10159234A1 (de) Vorrichtung zur Untersuchung von Dokumenten
EP1650589A1 (de) Mikroskop mit einer Vorrichtung zur Erkennung optischer Bauteile
WO2000021224A2 (de) Anordnung und verfahren zur überwachung der performance von dwdm mehrwellenlängensystemen
DE102019113478A1 (de) Spektrometeranordnung
DE2823514A1 (de) Spektralapparat
DE102015109340A1 (de) Spektrometer und Analysevorrichtung
DE102021111892B3 (de) Vorrichtung zur spektral aufgelösten Erfassung optischer Strahlung
DE10131684C1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur ortsaufgelösten Messung einer Schichtdicke
DE102014108138B4 (de) Spektralsensor zur spektralen Analyse einfallenden Lichts
DE2919925C2 (de) Vorrichtung zur photometrischen Analyse von kleinen Probenmengen
DE102013112376B4 (de) Spektrometersystem
DE102017203880A1 (de) Mikrospektrometermodul, Handgerät und Verfahren zum Betreiben eines Mikrospektrometermoduls
DE102011001695A1 (de) Messvorrichtung und Verfahren zur Spektral auflösenden Messung elektromagnetischer Strahlung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18736843

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018736843

Country of ref document: EP

Effective date: 20200221