WO2019072867A2 - Halbleiterlichtquelle, betriebsverfahren und spektrometer - Google Patents

Halbleiterlichtquelle, betriebsverfahren und spektrometer Download PDF

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chip
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Tim Boescke
Thomas Kippes
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Daniel Dietze
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    • H01L33/50—Wavelength conversion elements

Definitions

  • a semiconductor light source is indicated.
  • an operating procedure and a spectrometer are given.
  • Semiconductor light source as a light source, in particular as the only light source, in a spectrometer.
  • the spectrometer is a specimen reflected on an object or transmitted through an object
  • Radiation intensity of radiation of the semiconductor light source measurable.
  • Semiconductor light source one or more multipixel chips.
  • the at least one multipixel chip has a plurality of independently controllable emission regions.
  • Emission area is set up to generate radiation.
  • the pixelization of the chip is in particular by a structuring of electrodes and / or a
  • Semiconductor layer sequence of the multi-pixel chip achieved.
  • all emission regions of the multipixel chip are manufactured from the same semiconductor layer sequence or comprise the same semiconductor layer sequence partially or completely and can be designed to generate radiation with the same spectral properties.
  • the multipixel chip has a plurality of emission regions for different wavelengths, for example not only for blue light, but additionally also for red and / or hyperrotic light, for example.
  • the semiconductor layer sequence is designed as described in document US 2015/0014716 A1.
  • the disclosure of this document is incorporated by reference, in particular with regard to paragraphs 41 to 45, 66 and 67 of this document.
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is In] __ n _ m N m Ga or a for example, a nitride compound semiconductor material such as Al n
  • Phosphide compound semiconductor material such as
  • Compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m As or as
  • the at least one color adjusting means is optically subordinate to some or all emission regions, in particular optically arranged directly downstream, so that between the
  • Spectral filtering ie by adding and / or removing or attenuating spectral components of the
  • Semiconductor light source a drive unit.
  • Control unit is set up to independently the emission areas and time sequentially
  • the emission areas can be switched on laterally sequentially, so that everyone
  • Emission range emitted only for a short period of radiation Preferably, no two emission regions which are assigned to different spectral emission behavior are operated simultaneously.
  • an activation of the emission regions could hop from the lower left to the upper right, for example into the
  • Single spectra is one from the semiconductor light source
  • the overall spectrum is one
  • Narrow-band means, for example, that spectral widths of the individual spectra are at most 20% or 10% or 5 ⁇ 6 of a spectral width of the total spectrum.
  • the individual spectra preferably do not overlap or do not significantly overlap, for example at most 20% or 10% of a spectral width, referred to a full width at half the height of the maximum, also referred to as FWHM.
  • Semiconductor light source provided for a spectrometer and comprises at least one multi-pixel chip with multiple
  • At least one color adjusting agent is optically subordinate to at least some of the emission regions or is in the Emission ranges integrated and is a change of a spectral radiation behavior of the assigned
  • a drive unit is particularly preferably configured to operate the emission areas one after the other, so that in operation many spectrally narrow-band individual spectra are emitted from the emission areas together with the associated color adjustment means, from which an overall spectrum emitted by the semiconductor light source is composed.
  • Color adjusting means is in particular a laser resonator, a color filter, a phosphor or a combination thereof.
  • optical spectrometers are laboratory devices. Such spectrometers are usually technically complex, large and expensive. In particular, the cost of such spectrometers is a few thousand euros.
  • Plants, medicines, fabrics, textiles, paints, prints and the like are analyzed and / or identified and / or automatically monitored.
  • Plants, medicines, fabrics, textiles, paints, prints and the like are analyzed and / or identified and / or automatically monitored.
  • moving components usually on the detector side, for example by a spectral splitting or by a field of filters, or by moving components.
  • moving components are critical because such components tend to be sensitive to shocks.
  • CMOS image sensors used in spectrometers
  • Silicon bases are usually pixelated and show
  • Wavelengths of about 1.1 ym sensitive For many substances, this corresponds to the third molecular ringing, which means that only an indirect measurement of molecular spectra can take place. Other substances, such as some plants, do not provide a sufficient and / or significant signal in the spectral range below 1.1 ⁇ m.
  • a spectral resolution takes place on the side of the light source and not only on the detection side. This allows the use of single-channel photodiodes as a detector. As a result, inexpensive photodiodes can be used, for example based on InGaAs or germanium, without the costs of
  • detector surfaces can be used, for example of at least 0.1 mm x 0.1 mm and / or of at most 1 mm x 1 mm or
  • the area cost of an InGaAs photodiode per mm2 is approximately 100 times higher than that of silicon. With the use of others, more expensive Materials for the photodiode and thereby smaller detection surfaces, the interesting spectral range above 1.1 ym cost-effectively accessible. To the spectrally high-resolution and inexpensive, described here spectrometer of small size
  • a spectrally tunable pixelized LED chip is preferably used as a light source with a preferably simply constructed, single-channel photodiode as a detector. This shifts the generation of the
  • the object to be analyzed is sequentially illuminated or irradiated with spectrally narrow pulses and an intensity of the reflected or transmitted light is detected by the simple, small and therefore inexpensive photodiode.
  • no elaborate spectral filtering or spectral decomposition is required on the detector side.
  • no consuming, on the detector side no consuming, on the detector side
  • Spectrometer further miniaturization of the detector can be achieved, especially with respect to a detector with a
  • the spectrum emitted by the multipixel chip and / or the phosphor for this purpose is as wide as the spectral passband of the color filter.
  • the or at least one of the multipixel chips is one over the
  • Phosphor layer is for the absorption of the
  • Multipixel chip generated radiation and converts this radiation into radiation of another, preferably larger wavelength.
  • the Multipixel chip generated radiation and converts this radiation into radiation of another, preferably larger wavelength.
  • the phosphor layer can extend completely over the multipixel chip.
  • the phosphor layer is island-shaped or strip-shaped and on
  • individual emission areas is applied island-like or strip-like. Between adjacent islands or strips, optical isolation, in particular of a material impermeable to the generated radiation, may be applied.
  • each of the emission ranges is one of
  • the color filters are permeable only to a portion of the spectrum generated by the phosphor layer. Thus, the individual spectra by the Defined color filter.
  • the color adjusting means is in this case for the relevant multipixel chip of the
  • Phosphor layer and composed of the color filters. It is possible that several color filters are stacked
  • stacked are arranged. For example, several smaller color filters are located on a larger color filter extending over several emission areas, so that cascading filtering is possible.
  • Different types of filters can be combined with one another, for example Fabry-Perot filters and filter materials, which have a filtering effect due to their absorption spectrum.
  • Emission regions of at least one of the multi-pixel chips each downstream of a phosphor layer.
  • Each of the emission areas may be provided with a different phosphor layer.
  • Phosphor mixture of the phosphor layer at least one the following substances: rare earth-doped gallogermanates such as La3Ga5GeOi4: Cr; Eu 2+ -doped nitrides such as (Ca, Sr) AlSiN 3 : Eu 2+ ,
  • N divalent element
  • D trivalent or tetravalent element
  • RE rare earth elements
  • Sulfides such as (Ca, Sr, Ba) S: Eu 2+ ; Eu 2+ doped SiONs like
  • Chlorosilicates such as CagMg (S1O4) 4C1 2 : Eu 2+ ; Chlorophosphates such as (Sr, Ba, Ca, Mg)] _Q (PO4) g Cl 2 : Eu 2+ ; BAM phosphors from the BaO-MgO-Al 2 O 3 system such as BaMgAl OOl 7: Eu 2+ ; Halophosphates such as M 5 (PO 4) 3 (Cl, F): (Eu 2+ , Sb 2+ , Mn 2+ ); SCAP phosphors such as (Sr, Ba, Ca) 5 (PO4) 3Cl: Eu 2+ .
  • the luminescent materials which can also be used are the phosphors specified in EP 2 549 330 A1. With regard to the phosphors used, the disclosure of this document is incorporated by reference. In addition, so-called
  • Quantum dots are introduced as a converter material.
  • Quantum dots in the form of nanocrystalline materials which include a Group II-VI compound and / or a Group III-V compounds and / or a Group IV-VI compound and / or metal nanocrystals are preferred herein. According to at least one embodiment, the
  • Emission areas of at least one of the multi-pixel chips or the multi-pixel chip combined into several groups. That is, each group includes multiple emission areas.
  • At least one of the groups is or is some of the groups or is each of the groups
  • the optical ones vary
  • each of the groups has, for example, the same phosphor mixture.
  • several groups are present, each associated with one of the phosphor layers.
  • the phosphor layers are preferably arranged next to one another over the relevant multipixel chip and preferably do not overlap one another in plan view. It is possible that the relevant multipixel chip is completely or almost completely covered by the phosphor layers as a whole.
  • Color filters can be assigned to the individual groups and / or the
  • Color filters are spectrally narrow-band, so that the
  • Color filters define the individual spectra. That is, the color filters each cut out a part of the emission spectrum of the phosphor layer, and this part forms the relevant individual spectrum.
  • the color adjustment means of the respective multipixel chip is composed of the phosphor layers and the color filters. According to at least one embodiment, at least some of the multi-pixel chips are different in emission
  • Wavelength ranges can all be in the near-infrared
  • Spectral range in particular from 750 nm to 1.4 ym ranges, and / or in the short-wave infrared range, also referred to as SWIR, which ranges in particular from 1.4 ym to 3 ym lie.
  • SWIR short-wave infrared range
  • Emission regions of the multi-pixel chips which emit preferably in different wavelength ranges, each arranged downstream of one or more color filters.
  • the color filters define the individual spectra. That is, that
  • Multipixel chips correspond and are divided by the color filters into the individual spectra.
  • the color adjustment means of the respective multipixel chips are composed of the color filters.
  • the semiconductor light source can be free from
  • the multi-pixel chips are different in emission Wavelength areas set up.
  • the emission areas of these multi-pixel chips are subordinate to several adjacent phosphor layers and each of the
  • Phosphor layers are preferably emission regions of one of the color filters or are more of the color filters
  • Multipixel chips can be a one-to-one association.
  • the color adjustment means of the respective multipixel chips are formed of the phosphor layers together with the color filters.
  • the spectral width of the individual spectra is at least 2 nm or 4 nm.
  • this spectral width is at most 30 nm or 12 nm or 10 nm or 8 nm or 5 nm.
  • This spectral width preferably corresponds to a spectral width of an emission of the phosphor layers and / or a spectral width of a transmission window of the color filter, in particular as a full Width at half height of the maximum, short FWHM.
  • the spectral width of the individual spectra is at most 600 cm -1 or 300 cm "
  • spectral width of 300 cm -1 corresponds to approximately 10 nm, which is significantly less than the usual spectral width
  • Half widths of LED chips of approximately 30 nm.
  • the total spectrum is composed of at least three or five or 20 or 40 or 60 of the individual spectra.
  • the number of individual spectra for the entire spectrum is at most 1030 or 520 or 260 or 130 or 70. Due to the comparatively large number of individual spectra in
  • the spectral resolution which can be achieved with the semiconductor light source in the spectrometer lies in particular in the range of the spectral width of the individual spectra, that is to say at a few nm, and can be predetermined by its spectral width.
  • the or is at least one of the multipixel chips for generating
  • the total spectrum which is composed of the individual spectra, particularly preferably coherently extends at least over the spectral range of 910 nm to 1.2 ⁇ m or from 650 nm to 1.1 ⁇ m.
  • This spectral range preferably extends from 650 nm to 1.3 ⁇ m or to 1.4 ⁇ m.
  • Semiconductor light source has a thickness of at least 0.1 mm or 0.2 mm or 0.5 mm or 1 mm. Alternatively or additionally, the thickness of the semiconductor light source is at most 7 mm or 5 mm or 3 mm. By such a thickness is the
  • Semiconductor light source on the one hand mechanically self-supporting executable, on the other hand, a small footprint is achieved.
  • Such small thicknesses are achieved, for example, by using a growth substrate of one
  • the drive unit is in this case, for example, a Silicon chip, in particular an integrated circuit, short IC, based on silicon.
  • the drive unit is a carrier for the semiconductor layer sequence. That is, the drive unit may be the component mechanically supporting the semiconductor light source.
  • the drive unit has a thickness of at least 150 ym or 250 ym or 400 ym. Alternatively or additionally, this thickness is at most 1 mm or 0.5 mm. It is possible for the thickness of the drive unit to make up a proportion of a total thickness of the semiconductor light source of at least 30% or 50% or 60% and / or of at most 85% or 70%.
  • Semiconductor light source has a footprint of at least
  • this base area is at most 5 mm ⁇ 5 mm or 3 mm ⁇ 3 mm.
  • the semiconductor light source is compact. According to at least one embodiment, the
  • Emission areas can be made relatively small. There is a gap between adjacent emission areas for example at least 1 ym or 2 ym and / or at most 10 ym or 5 ym or 3 ym.
  • At least 4 or 16 or 25 or 100 or 256 are the per-pixel chip
  • the number of emission regions is at most 10000 or 1000 or 256 or 64.
  • the drive unit is adapted to each of the emission regions for at least 50 ys or 0.5 ms or 5 ms and / or for at most 1 s or to initiate emission for 0.1 s or 30 ms.
  • Suppression of ambient light may be provided.
  • a multipixel chip is configured for generating near ultraviolet radiation and / or blue light and / or green light.
  • near ultraviolet radiation refers to the spectral range from 300 nm to 400 nm or from 360 nm to 400 nm.
  • Blue light denotes in particular wavelengths from 400 nm to 480 nm.
  • Green light denotes in particular
  • Semiconductor light source preferably a plurality of multipixel chips, in particular additionally one in the red, hyperroten,
  • the multipixel chip comprises a plurality of vertically emitting laser units. Such laser units are also referred to as VCSELs. It is possible that the multipixel chip is a VCSEL chip.
  • the individual laser units or groups of laser units of the same emission wavelength are preferably electrically independently controllable, but can alternatively all be operated together.
  • Laser units or groups of laser units are for
  • the wavelengths can be filtered or split on the detector side, for example by means of a spectrometer or by means of the color filters. According to at least one embodiment, the
  • the color adjusting agent is integrated in the laser units. This may mean that the resonators and / or the active laser media of the laser units or groups of
  • Laser units are designed so that only the spectrally narrowband single spectra are emitted from the laser units. In this case, separate color filters can be omitted.
  • the color adjustment means is thus formed by the resonators and / or by the active laser media. In accordance with at least one embodiment, no phosphor is assigned to the laser units. It is possible that the
  • Semiconductor light source is completely free of phosphors. Thus, preferably predominantly or only radiation is generated, which can pass through the optional, detector-side and / or mounted in front of the semiconductor light source color filter. This completely eliminates the need for light conversion, resulting in significantly increased efficiency by avoiding the Stokes shift and the relatively low quantum efficiency of available converter materials.
  • differently colored light such as green light or yellow light or orange light or red light, may be present, emitting multipixel chips.
  • Semiconductor light source in this configuration contiguous over the spectral range from 450 nm to 580 nm and / or from 590 nm to 730 nm, ie red and hyperrot.
  • a phosphor it is possible for a phosphor to be present which converts the light generated directly by the multipixel chip partially or completely into differently colored light, such as yellow light and / or green light, which can then be filtered.
  • Semiconductor light source provided for a portable device and includes a plurality of light-emitting diode chips having a plurality of independently controllable emission regions. At least one color adjustment agent is at least some of the
  • the Drive unit is configured to operate the emission areas one after the other, so that in operation many spectrally narrow-band individual spectra are emitted from the emission areas together with the associated color adjustment means, from which a total spectrum emitted by the semiconductor light source is composed.
  • Semiconductor light source can be used in combination.
  • a spectrometer includes at least one semiconductor light source as described in connection with one or more of the above embodiments. Characteristics of the spectrometer are therefore also disclosed for the semiconductor light source and vice versa.
  • the spectrometer comprises at least one semiconductor light source and one or more detector chips.
  • the at least one detector chip is set up for the sequential detection of radiation of the individual spectra. At least part of the radiation intended for detection is preferably located in the near-infrared and / or short-wave infrared spectral range.
  • a spectral resolution achievable with the detector chip together with the semiconductor light source is preferably 30 nm or less or 25 nm or less or 18 nm or less or 12 nm or less or 8 nm or less or 6 nm or less.
  • the spectral resolution is 600 cm -1 or less or 300 cm -1 or less or 100 cm -1 or less or 50 cm -1 or less.
  • the detector chip is a photodiode, in particular a
  • single-channel photodiodes approximately optimized for different spectral ranges, combined with one another in the spectrometer.
  • Spectrometer represents.
  • the light source for the spectrometer is a field of spectrally narrow-band emitting laser units, in particular VCSELs.
  • Emission of the individual laser units is preferably such spectrally narrowband that on the side of
  • the color adjusting means is then in particular through the resonators of the laser units
  • color filters may be present on the detector side.
  • Detector chip is then preferably multi-channel or there are several different detector chips, which due to the color filter in different wavelength ranges
  • the photodiode or one of the photodiodes is based on the AlInGaAs material system.
  • the photodiode for detecting radiation is up to at least 1.3 ym or 1.5 ym or 1.7 ym
  • the spectrometer has a mass of at least 2 g or 5 g. Alternatively or additionally, the mass of the spectrometer is at most 20 g or 10 g. This low weight is particularly due to the use of the multipixel chips and by the
  • Waiver of moving components achieved.
  • this consists
  • the spectrometer is particularly preferably free of moving optical components.
  • Optical components are particular in this context Radiation sources, detectors, optical elements such as lenses or mirrors as well as wavelength-resolving elements such as
  • the spectrometer does not include movable Fabry-Perot elements
  • the spectrometer is designed as a reflection spectrometer. That is, with the spectrometer, an object is illuminated and the approximately diffuse reflected light on the object is detected by the detector chip.
  • the spectrometer can be used as
  • Transmission spectrometer be designed so that the light to be detected is passed through the object.
  • the semiconductor light source and the detector chip can be accommodated spatially separated from one another and do not necessarily have to be located in a common component housing of a device such as a smartphone, but can be divided into a plurality of component housings or to a plurality of interconnected devices.
  • Spectra one or more subsurface measurements are made, also referred to as lock-in method. According to at least one embodiment, this includes
  • Spectrometer an electronic evaluation.
  • the evaluation electronics can be housed in a device in which the spectrometer is installed.
  • the evaluation electronics can contain a memory unit with spectral data of different objects, which can be compared with measured data
  • the spectrometer and / or the evaluation electronics are set up to
  • based on a moisture content or based on a sugar content For example, based on a moisture content or based on a sugar content.
  • Spectrometer and / or the evaluation electronics is adapted to detect a reflection of radiation to the skin, especially human skin, and thus to detect a hue, for example, due to make-up, or infer to certain diseases. That is, that
  • Spectrometer can be used in medicine for diagnosis.
  • Spectrometer and / or the evaluation electronics is adapted to analyze a reflection on a chemical, a drug or a drug.
  • a material composition for example, a moisture content or a degree of oxidation or a degree of corrosion, can be determined. It is also possible to conclude on a shelf life of about a drug and to assess whether this drug can still be used. It is also possible that body fluids such as blood undergo a rapid test
  • Spectrometer and / or the evaluation electronics is adapted to detect a mechanical material properties, such as a degree of weathering of building materials such as wood or plastics. Based on the spectral properties For example, it should be concluded that the mechanical properties of the materials concerned are mechanical.
  • the spectrometer and / or the evaluation electronics for one or more of the following
  • the spectrometer is provided for installation in a portable device.
  • portable device is for example a
  • the spectrometer preferably comprises
  • Computing unit and / or an energy source of the device in which the spectrometer is installed, allow.
  • the emission regions are controlled by means of the drive unit in such a way that the emission regions are successively timed
  • a portable device in particular a smartphone, is specified.
  • the portable device includes at least one spectrometer as disclosed in connection with one or more of the above embodiments. Characteristics of the spectrometer are therefore also for the portable device
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a
  • FIGS. 2B, 3B, 4B, 5B and 6B are schematic representations of spectral characteristics of embodiments of semiconductor light sources described herein;
  • FIGS. 7A, 7B and 7C are schematic representations of
  • Figure 8 is a schematic perspective view of a
  • Figure 9 is a schematic perspective view of a
  • Figures 10A and IIA are schematic sectional views of
  • Figures 10B and IIB are schematic representations of spectral
  • FIG. 1 shows an embodiment of a spectrometer 10 is shown schematically.
  • the spectrometer 10 is a
  • a smartphone for example, a smartphone.
  • the spectrometer 10 comprises a semiconductor light source 1 for emitting radiation R. Furthermore, the spectrometer 10 has one or more detector chips 6 and a
  • the radiation R generated by the semiconductor light source 1 is reflected on a reflection object 8, for example a food, medicine or human skin, diffusely or even speculatively. Part of the reflected light is spectrally altered due to spectrally different absorption to the detector chip 6 and is detected there.
  • the detector chip 6 is preferably a single-channel and a division of a total spectrum G in spectrally narrow-band individual spectra E takes place on the side of the semiconductor light source 1.
  • About the evaluation electronics 7 is, for example
  • Semiconductor light source 1 illustrated in more detail. The
  • Semiconductor light source 1 comprises a drive unit 4, for example a silicon chip with integrated
  • the multipixel chip 2 On the drive unit 4 there is a multipixel chip 2 with a semiconductor layer sequence 21. As seen in plan view, the multipixel chip 2 can extend over the entire drive unit 4. It is possible that the drive unit 4, the multipixel chip 2 and thus the Semiconductor layer sequence 21 mechanically supports and supports and thus acts as a carrier.
  • the multipixel chip 2 is
  • the semiconductor layer sequence 21 which preferably extends integrally over the entire multipixel chip 2, there is an active zone 22 to
  • Emissive regions 20 structured, with a structuring in the emission regions 20 can pass through the active zone 22 therethrough.
  • the active zone 22 is island-shaped limited to the respective emission regions 22.
  • optical isolation between the emission regions 20 can also be provided.
  • radiopaque material be provided, not drawn.
  • Phosphor layer 31 is preferably a full conversion of radiation generated in emission regions 20
  • the semiconductor layer sequence 21 emits, for example, red or near-infrared light, so that the phosphor layer 31 preferably has broad spectral broadband
  • the phosphor layer 31 If no full conversion takes place through the phosphor layer 31, then it is possible for the phosphor layer 31 to have a filter element (not shown) for filtering out the radiation the semiconductor layer sequence 21 is arranged downstream.
  • a filter element can in the spectral range of the
  • Phosphor layer 31 generated broadband radiation
  • a thickness of the phosphor layer 31 is, for example, between 10 ⁇ m and 150 ⁇ m inclusive.
  • Phosphor layer 31 may comprise phosphor particles which are sintered into a ceramic or in a
  • the phosphor layer 31 preferably includes a
  • broadband infrared-generating phosphor for example a phosphor, as described in the publication WO 2016/174236 AI.
  • the disclosure of this document is incorporated by reference, in particular with respect to the claims 7 and 8 of this document.
  • the following phosphors are suitable: Ga203,
  • Gd3Ga50i2 Ni, Ni 2+ -doped Gd3Ga50i2 (GGG), YA10: i, Ti, LGO: Ni, Ti, GGG: Ni, Gd3Ga50i2: Ni coded with M 4+ , Zr 4+ and / or Ge 4+ , Gd3Ga50i 2: Ni codoped with Zr 4+ , Ti 4+ , Si 4+ and / or Ge 4+ .
  • the phosphor layer 31 is followed by a plurality of color filters 32.
  • the color filters 32 are uniquely associated with the emission regions 20.
  • Multipixel chip 2 is emitted a total spectrum Gl.
  • Radiation from the total spectrum G1 preferably does not come from the semiconductor light source 1.
  • the overall spectrum G1 serves to excite the phosphor layer 31 and may be in the red
  • the semiconductor layer sequence 21 is preferably based on the AlInGaAs material system, for example for red or near-infrared light, or else on AlInGaN approximately for blue light.
  • the spectrum G2 as generated by the phosphor layer 31, is converted by the color filters 32 into a plurality of
  • Single spectra E a spectrally coherent region formed, which extends over a majority or over the entire spectrum G2 of the phosphor layer 31.
  • the individual emission regions 20 are temporally related.
  • Single spectra E are emitted in chronological succession and the total spectrum G forms only on average over time. This can be done with the preferred single-channel detector chip. 6 a spectrum can be recorded sequentially due to the spectral selectivity of the semiconductor light source 1.
  • the semiconductor light source 1 includes separately
  • the control takes place via the drive unit 4, which is preferably an IC.
  • the phosphor layer 31 is preferably deposited over the entire surface, for example as a glued plate, as a full encapsulation or as a layer which is applied by means of spray coating or electrophoretically.
  • Phosphor layer 31 and the color filters 32 which may also be present in all other embodiments, are not drawn in each case.
  • Such adhesive layers are preferably not suitable for the spectral properties
  • Spectral regions are transparent and in particular have only low layer thicknesses of about 5 ym at the most.
  • the color filters 32 are, for example, line filters and can be arranged like a checkerboard, seen in plan view, see also FIG. 8.
  • FIG. 8 also illustrates that an optical filter
  • Insulation 33 is disposed between the emission regions 20.
  • a lateral size of the color filters 32 preferably corresponds to the size of the individual emission regions 20, for example with a tolerance of at most 20% or 10% or 5% of a lateral extent.
  • the individual color filters 32 may face away from the phosphor layer 31 Page on a coherent, transparent support, see also below the comments on Figure 9.
  • the individual color filters 32 are, for example, each Fabry-Perot filter with different optical thicknesses.
  • the color filters 32 are on the
  • color filters 32 simple Fabry-Perot filters are suitable.
  • the two mirrors of the Fabry-Perot filter can either be made of metal or purely dielectric
  • the individual color filters 32 could all have the same mirrors and a respective center layer thickness adapted to the target wavelength.
  • Emission regions 20 different phosphor layers 31 are applied, preferably in a one-to-one
  • the phosphor layers 31 contain different phosphors and emit spectrally narrow band in slightly different spectral ranges. Thus, by driving the individual emission regions 20, the wavelength emitted by the semiconductor light source 1 is
  • the phosphors 31 used are
  • quantum dots also referred to as quantum dots, based for example on PbS or CdS, where a exact emission wavelength can be adjusted by an organic shell around the semiconductor cores of the quantum dots.
  • quantum dots also referred to as quantum dots, based for example on PbS or CdS, where a exact emission wavelength can be adjusted by an organic shell around the semiconductor cores of the quantum dots.
  • Such phosphors are described, for example, in the document Liangfeng Sun et al. , Bright infrared quantum dot light emitting diodes through inter-dot spacing control, in Nature Nanotechnology, Vol. 7, pages 369-373, from 2012, doi: 10.1038 / nnano .2012.63 described.
  • such phosphors are described in Nobuhiko Ozakil et al. , Near-infrared superluminescent diode using stacked self-assembled InAs quantum dots with controlled emission
  • the following phosphors are suitable: Ga203,
  • Gd3Ga50i2 Ni, Ni 2+ -doped Gd3Ga50i2 (GGG), YA10: i, Ti, LGO: Ni, Ti, GGG: Ni, Gd3Ga50i2: Ni coded with M 4+ , Zr 4+ and / or Ge 4+ , Gd3Ga50i 2: Ni codoped with Zr 4+ , Ti 4+ , Si 4+ and / or Ge 4+ .
  • the phosphor layers 31 are applied, for example, as described in WO 2016/034388 A1.
  • the disclosure of this document is by reference included, in particular with respect to the claims 16 and 18 of this document.
  • Semiconductor layer sequence 21, as drawn in FIGS. 3A and 2A, can likewise be used in all other exemplary embodiments.
  • FIG. 3B shows that the emitted total spectrum G from the individual emission spectra G2 of FIG. 3B
  • Luminescent layers 31, which simultaneously represent the spectrally narrow-band single spectra E, is composed. Portions of the spectrum Gl of the multipixel chip 2 are preferably not emitted from the semiconductor light source 1.
  • the semiconductor layer sequence and the phosphor layers of FIG. 3A are designed as in FIG.
  • Fluorescent layers of Figure 3A be designed as described in US 2012/0273807 AI.
  • a plurality of multipixel chips 2 are present.
  • the multipixel chips 2 can emit light of the same spectral range and
  • the multipixel chips 2 may be identical to each other. Alternatively, unlike that illustrated in FIG. 4B, it is also possible for the multipixel chips 2 to generate radiation of different spectral ranges in each case,
  • blue, green and / or red light and infrared radiation For example, blue, green and / or red light and infrared radiation.
  • a phosphor layer 31 is preferably applied over the whole area.
  • Phosphor layers 31 of the multipixel chips 2 differ from each other and emit preferably in
  • the phosphor layers 31 are seen in plan view next to each other and can cover the drive unit 4 partially or completely.
  • the phosphor layers 31 are for example as
  • Filter plate applied. There is preferably a one-to-one correspondence between the color filters 32 and the associated emission regions 20. Seen in plan view are the
  • Color filter 32 as preferably also the color filter 32 of Figure 2A or the phosphors 31 of Figure 3A, arranged like a checkerboard in a preferably regular field, see also Figure 8.
  • the spectral properties of the configuration of FIG. 4A can be seen in FIG. 4B.
  • Multipixel chips 2 identical in construction according to Figure 4A multipixel chips 2, is not emitted from the semiconductor light source 1.
  • the various spectra G2 of the phosphor layers 31 are decomposed by the color filters 32 into the individual spectra E, which are sequentially emitted in temporal succession.
  • Multipixel chips 2 available. Each of the multi-pixel chips 2 emits radiation in another spectral range, for example blue, green and / or red light and infrared radiation, for example near-infrared radiation, short-wave infrared and / or medium infrared, also referred to as MIR.
  • MIR medium infrared
  • Emission regions 20 can thereby within the
  • Multipixel chips 2 to groups 5 summarized, as this may be the case in all other embodiments.
  • all of the emission regions 20 of one of the groups 5 are arranged downstream of a phosphor layer 31, which in turn is arranged downstream of color filters 32.
  • the color filters 32 may be on a larger one
  • Filter plate 32 a be attached, the more of the
  • the filter plate 32a is a fabric filter and the color filters 32 are Fabry-Perot filters.
  • the color filters 32 are Fabry-Perot filters.
  • another group can receive 5 from
  • Another multipixel chip 2 is provided, for example, with individual, soap-like phosphor layers 31.
  • the embodiments of the semiconductor light source 1, as shown in connection with FIGS. 2 to 5, can also be combined with each other.
  • LED chips 29 are present, each one of the
  • Such light-emitting diode chips 29 can alternatively also be used for multipixel chips 2.
  • Figure 6B can be a spectrally broad
  • Multipixel chips 2 on the other hand by the division of the radiation G2 of the phosphor 31 and the
  • FIG. 7 shows conventional possibilities for achieving a spectral resolution.
  • a broadband light source 12 is used whose light is collimated by means of a lens 11. For example, this light goes through
  • the detector chip 6 steered.
  • the detector chip 6 is based on
  • a prism is present as the dispersive optical element 13. About one
  • Spatial filter 14 such as a diaphragm
  • spectral resolution is achieved, for example, by a rotation of the prism 13 and / or by a method of the diaphragm 14.
  • a grating is provided as the dispersive optical element 13, in combination with a mirror.
  • FIG. 9 shows schematically a production method for a semiconductor light source 1. The applied
  • Phosphor layers 31 and / or color filters 32 are located on an intermediate carrier 34.
  • the phosphor layers 31 and / or color filters 32 may be in the desired
  • Phosphor layers 31 and / or color filter 32 are applied together to the multipixel chip 2 and / or to an optionally previously existing phosphor layer 31. It is then possible that the intermediate carrier 34 with on the
  • Multipixel chip 2 is transmitted and is a part of the finished semiconductor light source 1, for example as a protective layer.
  • Color filter 32 on the intermediate carrier 34 all be the same, so that only one of the phosphor layers 31 and / or the color filter 32 from the intermediate carrier 34 approximately by means of
  • Phosphor layers 31 and / or the color filter 32 may then be present its own intermediate carrier 34.
  • Figure 10A is another embodiment of a
  • the continuous phosphor layer 31 which generates spectrally broadband red light and near-infrared radiation from blue light from the multipixel chip 2.
  • the Phosphor layer 31 may be spaced from multipixel chip 2.
  • the phosphor layer 31 is followed by the pixelized color filters 32 with the different, spectrally narrowband passbands for the individual spectra.
  • the drive unit electrically with the
  • Multipixel chip 2 is connected, but spatially
  • the associated emission spectrum of the multipixel chip 2 and the phosphor layer 31 is shown in FIG. 10B.
  • the relative intensity I is logarithmic with respect to
  • Wavelength L is plotted.
  • the multipixel chip 2 is, for example, a pixelated variant of the OSRAM OS SFH 4735 or SFH 4736 LED chip.
  • the phosphor in the phosphor layer 31 is, in particular, Cr-doped lanthanum gallogermanate.
  • the multipixel chip 2 is an array of vertical
  • the laser units are preferably independent of each other
  • Detector side of the detector chip 6 is optionally provided with color filters 32. Have the laser units
  • the laser units and / or the color filters 32 are arranged in plan view, for example, in a 3 x 4 matrix.
  • color filters are also in front of the
  • VCSELs are tuned to the transmission spectrum, so that the wavelength emission preferably exhibits the same characteristics as the filter transmission. If the emission spectra of the VCSELs are matched to the filter curves and the individual VCSEL units are individually timed one after the other, filtering can be completely dispensed with and it can be done
  • the VCSELs are constructed, for example, as in the
  • VCSELs for the multipixel chip 2 results in a significantly increased efficiency of the semiconductor light source 1 especially in the desired IR spectral range by avoiding conversion losses and the Stokes shift achievable. In addition, a much more directed

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Abstract

In einer Ausführungsform ist die Halbleiterlichtquelle (1) für ein Spektrometer (10) vorgesehen und umfasst einen Multipixelchip (2) mit mehreren unabhängig voneinander ansteuerbaren Emissionsbereichen (20). Ein Farbeinstellmittel (31, 32) ist den Emissionsbereichen (20) optisch nachgeordnet oder ist in den Emissionsbereichen (20) integriert und ist zu einer Veränderung eines spektralen Abstrahlverhaltens der zugeordneten Emissionsbereiche (20) eingerichtet. Eine Ansteuereinheit (4) ist dazu eingerichtet, die Emissionsbereiche (20) nacheinander zu betreiben, sodass von den Emissionsbereichen (20) zusammen mit dem zugehörigen Farbeinstellmittel (31, 32) im Betrieb nacheinander viele spektral schmalbandige Einzelspektren (E) emittiert werden, aus denen ein von der Halbleiterlichtquelle (1) emittiertes Gesamtspektrum (G) zusammengesetzt ist.

Description

HALBLEITERLICHTQUELLE , BETRIEBSVERFAHREN UND SPEKTROMETER
Es wird eine Halbleiterlichtquelle angegeben. Darüber hinaus werden ein Betriebsverfahren und ein Spektrometer angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, eine
Halbleiterlichtquelle für ein Spektrometer anzugeben, das kostengünstig herstellbar ist. Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine
Halbleiterlichtquelle, durch ein Betriebsverfahren und durch ein Spektrometer mit den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterlichtquelle für ein Spektrometer vorgesehen. Das heißt, im bestimmungsgemäßen Einsatz befindet sich die
Halbleiterlichtquelle als Lichtquelle, insbesondere als einzige Lichtquelle, in einem Spektrometer. Mit dem
Spektrometer ist wellenlängenabhängig eine an einem Objekt reflektierte oder durch ein Objekt transmittierte
Strahlungsintensität von Strahlung der Halbleiterlichtquelle messbar .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterlichtquelle einen oder mehrere Multipixelchips. Der mindestens eine Multipixelchip weist mehrere unabhängig voneinander ansteuerbare Emissionsbereiche auf. Jeder
Emissionsbereich ist dabei zur Erzeugung von Strahlung eingerichtet. Die Pixelierung des Chips ist insbesondere durch eine Strukturierung von Elektroden und/oder einer
Halbleiterschichtenfolge des Multipixelchips erreicht. Insbesondere sind alle Emissionsbereiche des Multipixelchips aus der gleichen Halbleiterschichtenfolge gefertigt oder umfassen die gleiche Halbleiterschichtenfolge teilweise oder vollständig und können zur Erzeugung von Strahlung mit den gleichen spektralen Eigenschaften eingerichtet sein.
Alternativ weist der Multipixelchip mehrere Emissionsbereiche für unterschiedliche Wellenlängen auf, beispielsweise nicht nur für blaues Licht, sondern zusätzlich auch etwa für rotes und/oder hyperrotes Licht.
Beispielsweise ist die Halbleiterschichtenfolge gestaltet, wie in der Druckschrift US 2015/0014716 AI beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Rückbezug mit aufgenommen, insbesondere hinsichtlich der Absätze 41 bis 45, 66 und 67 dieser Druckschrift.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III- V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamN oder um ein
Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie
AlnIn]__n_mGamP oder auch um ein Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamAs oder wie
AlnGamIn]__n_mAskP]__k, wobei jeweils 0 ^ n 1, 0 ^ m 1 und n + m < 1 sowie 0 -S k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der
Halbleiterschichtenfolge 0 < n < 0,8, 0,4 < m < 1 und n + m < 0,95 sowie 0 < k < 0,5. Dabei kann die
Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterlichtquelle ein oder mehrere Farbeinsteilmittel.
Das mindestens eine Farbeinsteilmittel ist einigen oder allen Emissionsbereichen optisch nachgeordnet, insbesondere optisch unmittelbar nachgeordnet, sodass zwischen dem
Farbeinsteilmittel und dem zugehörigen Emissionsbereich dann keine weitere optische Komponente angebracht ist. Das
Farbeinsteilmittel ist ferner zur Veränderung eines
spektralen Abstrahlverhaltens der zugeordneten
Emissionsbereiche eingerichtet. Mit anderen Worten wird durch das Farbeinsteilmittel ein Spektrum, wie in den
Emissionsbereichen des Multipixelchips erzeugt, verändert, beispielsweise durch Wellenlängenkonversion und/oder
spektrale Filterung, also durch Hinzufügen und/oder Entfernen oder Abschwächen spektraler Komponenten der von den
Emissionsbereichen emittierten Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterlichtquelle eine Ansteuereinheit . Die
Ansteuereinheit ist dazu eingerichtet, die Emissionsbereiche unabhängig voneinander und zeitlich nacheinander zu
betreiben. Mit anderen Worten können die Emissionsbereiche seitlich sequentiell angeschaltet werden, sodass jeder
Emissionsbereich nur für eine kurze Zeitspanne Strahlung emittiert. Bevorzugt werden keine zwei Emissionsbereiche, die unterschiedlichen spektralen Abstrahlverhalten zugeordnet sind, zeitgleich betrieben.
Zwecks verbesserter Wärmeabführung ist es möglich, räumlich direkt nebeneinander liegende Emissionsbereiche zeitlich nicht direkt nacheinander anzusteuern, sondern hüpfend.
Beispielsweise bei einem quadratischen Multipixelchip könnte eine Ansteuerung der Emissionsbereiche etwa von unten links nach oben rechts hüpfen, dann beispielsweise in die
verbleibenden Ecken und anschließend über einen
Zentralbereich hinweg.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden von den
Emissionsbereichen zusammen mit den je zugehörigen
Farbeinsteilmitteln im Betrieb nacheinander viele spektral schmalbandige Einzelspektren emittiert. Aus den
Einzelspektren ist ein von der Halbleiterlichtquelle
emittiertes Gesamtspektrum zusammengesetzt. Insbesondere handelt es sich bei dem Gesamtspektrum um ein
kontinuierliches Spektrum, das keine oder keine signifikanten spektralen Lücken aufweist. Alternativ kann das
Gesamtspektrum auch spektrale Lücken aufweisen.
Schmalbandig bedeutet zum Beispiel, dass spektrale Breiten der Einzelspektren je höchstens 20 % oder 10 % oder 5 ~6 einer spektralen Breite des Gesamtspektrums betragen.
Die Einzelspektren überlappen dabei bevorzugt nicht oder nicht signifikant, beispielsweise zu höchstens 20 % oder 10 % einer spektralen Breite, bezogen auf eine volle Breite auf halber Höhe des Maximums, auch als FWHM bezeichnet.
In mindestens einer Ausführungsform ist die
Halbleiterlichtquelle für ein Spektrometer vorgesehen und umfasst mindestens einen Multipixelchip mit mehreren
unabhängig voneinander ansteuerbaren Emissionsbereichen.
Mindestens ein Farbeinsteilmittel ist zumindest einigen der Emissionsbereiche optisch nachgeordnet oder ist in die Emissionsbereiche integriert und ist zu einer Veränderung eines spektralen Abstrahlverhaltens der zugeordneten
Emissionsbereiche eingerichtet. Eine Ansteuereinheit ist besonders bevorzugt dazu eingerichtet, die Emissionsbereiche nacheinander zu betreiben, sodass von den Emissionsbereichen zusammen mit dem zugehörigen Farbeinsteilmittel im Betrieb nacheinander viele spektral schmalbandige Einzelspektren emittiert werden, aus denen ein von der Halbleiterlichtquelle emittiertes Gesamtspektrum zusammengesetzt ist. Das
Farbeinsteilmittel ist insbesondere ein Laserresonator, ein Farbfilter, ein Leuchtstoff oder eine Kombination hieraus.
Optische Spektrometer sind im Regelfall Laborgeräte. Solche Spektrometer sind üblicherweise technisch aufwändig, groß und teuer. Insbesondere liegen die Kosten solcher Spektrometer bei einigen tausend Euro.
Mit Spektrometern, die im nahinfraroten Bereich arbeiten, wie dies bei dem hier beschriebenen Spektrometer der Fall sein kann, können Materialien wie Lebensmittel, Flüssigkeiten,
Pflanzen, Medikamente, Stoffe, Textilien, Farben, Drucke und dergleichen analysiert und/oder identifiziert und/oder automatisch überwacht werden. Für portable Geräte und
Endverbraucherprodukte wie Smartphones oder tragbare Computer sind dabei gegenüber Laborgeräten kostengünstigere und deutlich kleinere Spektrometer notwendig. Dies ist mit der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle erreichbar.
Bei herkömmlichen, bereits vergleichsweise miniaturisierten Spektrometern ist lediglich eine relativ geringe spektrale Auflösung gegeben. Ferner ist eine Sensorempfindlichkeit insbesondere im Spektralbereich oberhalb von 1,1 ym aufgrund der reduzierten Siliziumempfindlichkeit von den üblicherweise verwendeten Siliziumdetektoren stark reduziert. Bei solchen Spektrometern erfolgt eine spektrale Selektion zudem
normalerweise detektorseitig, beispielsweise durch eine spektrale Aufspaltung oder durch ein Feld von Filtern, oder durch bewegliche Komponenten. Speziell bei tragbaren Geräten wie Smartphones sind bewegliche Komponenten jedoch kritisch zu sehen, da solche Komponenten in der Regel empfindlich gegenüber Erschütterungen sind.
Die in Spektrometern verwendeten CMOS-Bildsensoren auf
Siliziumbasis sind in der Regel pixeliert und weisen
üblicherweise mehrere Megapixel auf und sind deshalb
vergleichsweise teuer. Zudem sind diese Sensoren wegen der spektralen Eigenschaften von Silizium lediglich bis
Wellenlängen von ungefähr 1,1 ym sensitiv. Dies entspricht bei vielen Substanzen der dritten Moleküloberschwingung, das heißt, es kann nur eine indirekte Messung von Molekülspektren stattfinden. Andere Substanzen, wie beispielsweise einige Pflanzen, liefern im Spektralbereich unterhalb von 1,1 ym kein ausreichendes und/oder kein signifikantes Signal.
Bei der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle erfolgt eine spektrale Auflösung auf Seiten der Lichtquelle und nicht erst auf der Detektionsseite . Dies ermöglicht den Einsatz von einkanaligen Fotodioden als Detektor. Hierdurch können kostengünstige Fotodioden etwa auf Basis von InGaAs oder Germanium zum Einsatz kommen, ohne die Kosten des
Gesamtsystems signifikant zu erhöhen. So können lediglich kleine Detektorflächen verwendet werden, etwa von mindestens 0,1 mm x 0,1 mm und/oder von höchstens 1 mm x 1 mm oder
0,5 mm x 0,5 mm. Beispielsweise liegen die Flächenkosten einer InGaAs-Fotodiode pro mm2 ungefähr um einen Faktor 100 höher als für Silizium. Mit der Verwendung anderer, teurerer Materialien für die Fotodiode und dabei kleineren Detektionsflachen ist der interessante Spektralbereich oberhalb von 1,1 ym kosteneffizient zugänglich. Um das spektral hochaufgelöste und kostengünstige, hier beschriebene Spektrometer mit geringer Baugröße zu
realisieren, wird bevorzugt ein spektral durchstimmbarer pixelierter LED-Chip als Lichtquelle mit einer bevorzugt einfach aufgebauten, einkanaligen Fotodiode als Detektor verwendet. Damit verlagert sich die Generierung der
spektralen Auflösung vom Detektor auf die Lichtquelle. Das zu analysierende Objekt wird der Reihe nach mit spektral engen Impulsen beleuchtet oder durchleuchtet und eine Intensität des reflektierten oder transmittierten Lichts wird von der einfachen, kleinen und damit kostengünstigen Fotodiode detektiert. Damit ist auf Detektorseite keine aufwändige spektrale Filterung oder spektrale Zerlegung erforderlich. Weiterhin ist detektorseitig keine aufwändige, auf
integrierten Schaltkreisen basierte Intelligenz erforderlich, eine Intensitätsmessung ist ausreichend. Hierdurch sind die Kosten des Detektors stark reduzierbar.
Insgesamt ist mit der hier beschriebenen
Halbleiterlichtquelle und mit dem hier beschriebenen
Spektrometer eine weitere Miniaturisierung des Detektors erreichbar, speziell gegenüber einem Detektor mit einer
Vielzahl von Spektralfiltern ist der Flächenbedarf stark reduziert. Aufgrund der Reduzierung der Komplexität auf der Detektorseite ist eine Kostensenkung erreichbar. Insbesondere sind, bezogen auf deren Flächenkosten, teure Materialsysteme wie InGaAs verwendbar, ohne die Systemkosten signifikant zu beeinflussen. Dadurch sind Wellenlängenbereiche insbesondere oberhalb von 1,1 ym adressierbar und somit genauere Analysen zum Beispiel im Bereich von Lebensmitteln, Medikamenten oder Substanzanalysen im Chemiebereich eröffnet.
Werden Farbfilter verwendet, so ist im Idealfall das von dem Multipixelchip und/oder dem Leuchtstoff hierzu emittierte Spektrum so breit wie der spektrale Durchlassbereich des Farbfilters .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist dem oder zumindest einem der Multipixelchips eine sich über die
Emissionsbereiche dieses Multipixelchips zusammenhängend erstreckende LeuchtstoffSchicht vorhanden. Die
LeuchtstoffSchicht ist zur Absorption der von dem
Multipixelchip erzeugten Strahlung eingerichtet und wandelt diese Strahlung in eine Strahlung einer anderen, bevorzugt größeren Wellenlänge um. Insbesondere ist die
LeuchtstoffSchicht zur Vollkonversion der Strahlung des
Multipixelchips eingerichtet. Die LeuchtstoffSchicht kann sich lückenlos über den Multipixelchip erstrecken.
Alternativ ist es möglich, dass die LeuchtstoffSchicht inselförmig oder streifenförmig gestaltet ist und auf
einzelne Emissionsbereiche inselartig oder streifenartig aufgebracht ist. Zwischen benachbarten Inseln oder Streifen kann eine optische Isolierung, insbesondere aus einem für die erzeugte Strahlung undurchlässigen Material, angebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der
LeuchtstoffSchicht mehrere Farbfilter nachgeordnet.
Insbesondere ist jedem der Emissionsbereiche einer der
Farbfilter nachgeordnet. Die Farbfilter sind je nur für einen Teil des von der LeuchtstoffSchicht erzeugten Spektrums durchlässig. Damit sind die Einzelspektren durch die Farbfilter definiert. Das Farbeinsteilmittel ist in diesem Fall für den betreffenden Multipixelchip aus der
LeuchtstoffSchicht und aus den Farbfiltern zusammengesetzt. Es ist möglich, dass mehrere Farbfilter übereinander
gestapelt angeordnet sind. Beispielsweise liegen mehrere kleinere Farbfilter auf einem größeren, sich über mehrere Emissionsbereiche hinweg erstreckenden Farbfilter auf, sodass eine kaskadenartige Filterung möglich ist. Es können dabei unterschiedliche Arten von Filtern miteinander kombiniert werden, beispielsweise Fabry-Perot-Filter und Filterstoffe, die aufgrund ihres Absorptionsspektrums filternd wirken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist den einzelnen
Emissionsbereichen des Multipixelchips oder den
Emissionsbereichen von zumindest einem der Multipixelchips je eine LeuchtstoffSchicht nachgeordnet. Insbesondere besteht zwischen den Emissionsbereichen und den Leuchtstoffschichten eine eindeutige oder eine eineindeutige Zuordnung. Jeder der Emissionsbereiche kann mit einer anderen LeuchtstoffSchicht versehen sein.
Über die Leuchtstoffschichten sind die Einzelspektren
definiert. Das heißt, bei den Leuchtstoffen, die insbesondere in Draufsicht gesehen nebeneinander angeordnet sind, handelt es sich besonders bevorzugt um spektral schmalbandig
emittierende Leuchtstoffe. In diesem Fall ist das
Farbeinsteilmittel des oder der betreffenden Multipixelchips aus den Leuchtstoffschichten, die den Emissionsbereichen zugeordnet sind, zusammengesetzt.
Beispielsweise umfasst ein Leuchtstoff oder eine
Leuchtstoffmischung der LeuchtstoffSchicht zumindest einen der folgenden Stoffe: Seltenerddotierte Gallogermanate wie La3Ga5GeOi4 :Cr; Eu2+-dotierte Nitride wie (Ca, Sr) AlSiN3 : Eu2+,
Sr (Ca, Sr) Si2Al2N6 : Eu2+, (Sr, Ca) AlSiN3*Si2N20 : Eu2+,
(Ca, Ba, Sr) 2Si5 8 :Eu2 + , ( Sr , Ca) [L1AI3N4 ] : Eu2 + ; Granate aus dem allgemeinen System (Gd, Lu, b, Y) 3 (AI , Ga, D) 5 (0, X) i2 : RE mit X =
Halogenid, N oder zweiwertiges Element, D = dreiwertiges oder vierwertiges Element und RE = Seltenerdmetalle wie
LU3 (Ali_xGax) 50i2 :Ce3+, Y3 (Ali_xGax) 5θ 2 : Ce3+; Eu2+-dotierte
Sulfide wie (Ca, Sr , Ba) S : Eu2+ ; Eu2+-dotierte SiONe wie
(Ba, Sr, Ca) Si202N2 :Eu2+; SiAlONe etwa aus dem System
LixMyLnzSi]_2_ (m+n) AI (m+n) OnN]_ g_n; beta-SiAlONe aus dem System Si5_xAlzOy g_y :REZ mit RE = Seltenerdmetalle; Nitrido- Orthosilikate wie AE2_x_aRExEuaSi04_xNx oder
AE2_x_aRExEuaSii_y04_x_2yNx mit RE = Seltenerdmetall und AE = Erdalkalimetall oder wie (Ba, Sr , Ca, Mg) 2Si04 : Eu2+ ;
Chlorosilikate wie CagMg ( S1O4 ) 4C12 : Eu2+ ; Chlorophosphate wie (Sr,Ba,Ca,Mg) ]_Q (PO4) gCl2:Eu2+; BAM-Leuchtstoffe aus dem BaO-MgO-Al203-System wie BaMgAl oOl 7 : Eu2+ ; Halophosphate wie M5 (PO4) 3 (Cl, F) : (Eu2+ , Sb2+,Mn2+) ; SCAP-LeuchtStoffe wie ( Sr , Ba, Ca) 5 ( PO4 ) 3CI : Eu2+ . Als Leuchtstoffe sind auch die in der Druckschrift EP 2 549 330 AI angegebenen Leuchtstoffe einsetzbar. Hinsichtlich der verwendeten Leuchtstoffe wird der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift durch Rückbezug mit aufgenommen. Außerdem können auch sogenannte
Quantenpunkte als Konvertermaterial eingebracht werden.
Quantenpunkte in der Form nanokristalliner Materialien, welche eine Gruppe II-VI-Verbindung und/oder eine Gruppe III- V-Verbindungen und/oder eine Gruppe IV-VI-Verbindung und/oder Metall-Nanokristalle beinhalten, sind hierbei bevorzugt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Emissionsbereiche von zumindest einem der Multipixelchips oder des Multipixelchips zu mehreren Gruppen zusammengefasst . Das heißt, jede Gruppe umfasst mehrere Emissionsbereiche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest einer der Gruppen oder ist einigen der Gruppen oder ist jeder der
Gruppen eine zusammenhängende LeuchtstoffSchicht
nachgeordnet. Alternativ kann die LeuchtstoffSchicht
inselförmig auf die Emissionsbereiche der Gruppe aufgebracht sein. Innerhalb einer Gruppe variieren die optischen
Eigenschaften der LeuchtstoffSchicht bevorzugt nicht. Das heißt, jede der Gruppen weist beispielsweise die gleiche Leuchtstoffmischung auf. Bevorzugt sind mehrere Gruppen vorhanden, denen jeweils eine der Leuchtstoffschichten zugeordnet ist. Die Leuchtstoffschichten sind über den betreffenden Multipixelchip hinweg bevorzugt nebeneinander angeordnet und überlappen in Draufsicht einander bevorzugt nicht. Es ist möglich, dass der betreffende Multipixelchip von den Leuchtstoffschichten insgesamt vollständig oder nahezu vollständig bedeckt ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgen den
Leuchtstoffschichten in den einzelnen Emissionsbereichen der Gruppen jeweils die Farbfilter nach. Das heißt, die
Farbfilter können den einzelnen Gruppen und/oder den
einzelnen Emissionsbereichen zugeordnet sein, bevorzugt eineindeutig zugeordnet sein. Transmissionsspektren der
Farbfilter sind dabei spektral schmalbandig, sodass die
Farbfilter die Einzelspektren definieren. Das heißt, die Farbfilter schneiden je einen Teil des Emissionsspektrums der Leuchtstoffschicht heraus und dieser Teil bildet das betreffende Einzelspektrum. Somit ist das Farbeinsteilmittel des betreffenden Multipixelchips aus den Leuchtstoffschichten und aus den Farbfiltern zusammengesetzt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zumindest einige der Multipixelchips zur Emission in unterschiedlichen
Wellenlängenbereichen eingerichtet, insbesondere in paarweise voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen. Die
Wellenlängenbereiche können allesamt im nahinfraroten
Spektralbereich liegen, wobei der nahinfrarote
Spektralbereich insbesondere von 750 nm bis 1,4 ym reicht, und/oder im kurzwelligen Infrarotbereich, auch als SWIR bezeichnet, welcher insbesondere von 1,4 ym bis 3 ym reicht, liegen. Alternativ können die unterschiedlichen
Wellenlängenbereiche sich über größere Spektralbereiche verteilen und beispielsweise vom nahultravioletten Bereich bis in den infraroten Bereich reichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind den
Emissionsbereichen der Multipixelchips, die bevorzugt in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren, jeweils ein oder mehrere Farbfilter nachgeordnet. Die Farbfilter definieren dabei die Einzelspektren. Das heißt, das
Gesamtspektrum kann den Emissionsspektren des oder der
Multipixelchips entsprechen und wird durch die Farbfilter in die Einzelspektren aufgeteilt. In dieser Konfiguration ist das Farbeinsteilmittel der betreffenden Multipixelchips aus den Farbfiltern zusammengesetzt. Es sind keine Leuchtstoffe erforderlich, die Halbleiterlichtquelle kann frei von
Leuchtstoffen zur Wellenlängenumwandlung sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zumindest einige der Multipixelchips zur Emission in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet. Den Emissionsbereichen dieser Multipixelchips sind mehrere nebeneinanderliegende Leuchtstoffschichten nachgeordnet und jeder der
Leuchtstoffschichten ist bevorzugt emissionsbereichsweise einer der Farbfilter oder sind mehrere der Farbfilter
zugeordnet. Durch die Farbfilter sind damit aus den
Emissionsspektren der Leuchtstoffschichten heraus die
Einzelspektren definiert, sodass die Farbfilter
vergleichsweise spektral schmalbandige Transmissionsfenster aufweisen. Zwischen den Leuchtstoffschichten und den
Multipixelchips kann eine eineindeutige Zuordnung bestehen. In dieser Konfiguration ist das Farbeinstellmittel der betreffenden Multipixelchips aus den Leuchtstoffschichten zusammen mit den Farbfiltern gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die spektrale Breite der Einzelspektren bei mindestens 2 nm oder 4 nm.
Alternativ oder zusätzlich liegt diese spektrale Breite bei höchstens 30 nm oder 12 nm oder 10 nm oder 8 nm oder 5 nm. Diese spektrale Breite entspricht bevorzugt einer spektralen Breite einer Emission der Leuchtstoffschichten und/oder einer spektralen Breite eines Transmissionsfensters der Farbfilter, insbesondere als volle Breite auf halber Höhe des Maximums, kurz FWHM. Alternativ oder zusätzlich liegt die spektrale Breite der Einzelspektren bei höchstens 600 cm~l oder 300 cm"
1 oder 100 cm~l oder 50 cm--'-. Bei einer Wellenlänge von 600 nm entspricht eine spektrale Breite von 300 cm~l ungefähr 10 nm und damit deutlich weniger als übliche spektrale
Halbwertsbreiten von Leuchtdiodenchips von ungefähr 30 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Gesamtspektrum aus mindestens drei oder fünf oder 20 oder 40 oder 60 der Einzelspektren zusammengesetzt. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Einzelspektren für das Gesamtspektrum bei höchstens 1030 oder 520 oder 260 oder 130 oder 70. Durch die vergleichsweise große Anzahl von Einzelspektren in
Kombination mit deren geringer spektraler Breite ist eine vergleichsweise hohe spektrale Auflösung erzielbar. Die spektrale Auflösung, die mit der Halbleiterlichtquelle in dem Spektrometer erzielbar ist, liegt insbesondere im Bereich der spektralen Breite der Einzelspektren, also bei einigen nm, und kann durch deren spektraler Breite vorgegeben sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der oder ist zumindest einer der Multipixelchips zur Erzeugung von
nahinfraroter oder kurzwelliger infraroter Strahlung
eingerichtet. Dabei erstreckt sich das Gesamtspektrum, das aus den Einzelspektren zusammengesetzt ist, besonders bevorzugt zusammenhängend zumindest über den Spektralbereich von einschließlich 910 nm bis 1,2 ym oder von 650 nm bis 1,1 ym. Bevorzugt erstreckt sich dieser Spektralbereich von 650 nm bis 1,3 ym oder bis 1,4 ym.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterlichtquelle eine Dicke von mindestens 0,1 mm oder 0,2 mm oder 0,5 mm oder 1 mm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Halbleiterlichtquelle bei höchstens 7 mm oder 5 mm oder 3 mm. Durch eine solche Dicke ist die
Halbleiterlichtquelle einerseits mechanisch selbsttragend ausführbar, andererseits ist ein geringer Platzbedarf erzielbar. Solche geringen Dicken werden beispielsweise dadurch erreicht, dass ein Wachstumssubstrat von einer
Halbleiterschichtenquelle der Multipixelchips entfernt wird und die Halbleiterschichtenfolge direkt auf die
Ansteuereinheit aufgebracht wird. Bei der Ansteuereinheit handelt es sich in diesem Fall beispielsweise um einen Siliziumchip, insbesondere um einen integrierten Schaltkreis, kurz IC, auf Basis von Silizium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Ansteuereinheit ein Träger für die Halbleiterschichtenfolge. Das heißt, die Ansteuereinheit kann die die Halbleiterlichtquelle mechanisch tragende und stützende Komponente sein. Zum Beispiel weist die Ansteuereinheit dazu eine Dicke von mindestens 150 ym oder 250 ym oder 400 ym auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke bei höchstens 1 mm oder 0,5 mm. Es ist möglich, dass die Dicke der Ansteuereinheit einen Anteil an einer Gesamtdicke der Halbleiterlichtquelle von mindestens 30 % oder 50 % oder 60 % und/oder von höchstens 85 % oder 70 % ausmacht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterlichtquelle eine Grundfläche von mindestens
0,3 mm x 0,3 mm oder 0,5 mm x 0,5 mm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Grundfläche bei höchstens 5 mm x 5 mm oder 3 mm x 3 mm. Durch eine solche Grundfläche ist
einerseits eine hohe Anzahl von Emissionsbereichen
realisierbar, andererseits ist die Halbleiterlichtquelle kompakt aufgebaut. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Emissionsbereiche in Draufsicht gesehen Abmessungen von mindestens 10 ym x 10 ym oder 20 ym x 20 ym oder
40 ym x 40 ym oder 0,1 mm x 0,1 mm auf. Alternativ oder zusätzlich liegen diese Abmessungen bei höchstens
0,5 mm x 0,5 mm oder 0,2 mm x 0,2 mm oder 0,1 mm x 0,1 mm oder 50 ym x 50 ym oder 30 ym x 30 ym. Das heißt, die
Emissionsbereiche können relativ klein gestaltet sein. Ein Abstand zwischen benachbarten Emissionsbereichen liegt beispielsweise bei mindestens 1 ym oder 2 ym und/oder bei höchstens 10 ym oder 5 ym oder 3 ym.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind pro Multipixelchip mindestens 4 oder 16 oder 25 oder 100 oder 256 der
Emissionsbereiche vorhanden. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Emissionsbereiche bei höchstens 10000 oder 1000 oder 256 oder 64. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Ansteuereinheit dazu eingerichtet, jeden der Emissionsbereiche für mindestens 50 ys oder 0,5 ms oder 5 ms und/oder für höchstens 1 s oder 0,1 s oder 30 ms zur Emission anzusteuern. Hierdurch ist eine hohe Sensitivität und gleichzeitig eine rasche Aufnahme der Spektren möglich. Es können zwischen aufeinanderfolgenden AnPerioden je Aus-Perioden für eine Dunkelmessung zur
Unterdrückung von Umgebungslicht vorgesehen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Multipixelchip zur Erzeugung von nahultravioletter Strahlung und/oder von blauem Licht und/oder von grünem Licht eingerichtet.
Nahultraviolette Strahlung bezieht sich insbesondere auf den Spektralbereich von 300 nm bis 400 nm oder von 360 nm bis 400 nm. Blaues Licht bezeichnet insbesondere Wellenlängen von 400 nm bis 480 nm. Grünes Licht bezeichnet insbesondere
Wellenlängen von 480 nm bis 560 nm. Ist ein blau
emittierender Multipixelchip vorhanden, so weist die
Halbleiterlichtquelle bevorzugt mehrere Multipixelchips auf, insbesondere zusätzlich einen im roten, hyperroten,
nahinfraroten und/oder im kurzwelligen infraroten
Spektralbereich emittierenden Multipixelchip. Rotes Licht bezeichnet insbesondere Wellenlängen von 590 nm bis 650 nm und hyperrotes Licht von 650 nm bis 750 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Multipixelchip mehrere vertikal emittierende Lasereinheiten. Solche Lasereinheiten werden auch als VCSEL bezeichnet. Es ist möglich, dass der Multipixelchip ein VCSEL-Chip ist. Die einzelnen Lasereinheiten oder Gruppen von Lasereinheiten gleicher Emissionswellenlänge sind bevorzugt elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar, können alternativ aber auch alle gemeinsam betrieben werden. Die einzelnen
Lasereinheiten oder Gruppen von Lasereinheiten sind zur
Emission von Strahlung verschiedener Wellenlängen maximaler Intensität eingerichtet.
Sind die Lasereinheiten oder die Gruppen von Lasereinheiten gleicher Emissionswellenlänge nicht unabhängig voneinander ansteuerbar, so kann eine Filterung oder Aufteilung der Wellenlängen detektorseitig erfolgen, zum Beispiel mittels eines Spektrometers oder mittels der Farbfilter. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterlichtquelle mehrere Farbfilter, die den vertikal emittierenden Lasereinheiten als Farbeinsteilmittel optisch nachgeordnet sind. Diese Farbfilter, aus denen das
Farbeinsteilmittel bestehen kann, sind bevorzugt jeweils auf die verschiedenen Wellenlängen maximaler Intensität
abgestimmt. Das heißt insbesondere, dass die Wellenlängen maximaler Intensität mit einer Toleranz von höchstens 20 nm oder 10 nm oder 5 nm oder 1 nm jeweils gleich einer
Zentralwellenlänge eines spektralen Durchlassbereichs des zugehörigen Farbfilters sind.
Alternativ oder zusätzlich zu solchen Farbfiltern, die den Lasereinheiten zugeordnet sind, ist es ebenso möglich, dass das Farbeinsteilmittel in den Lasereinheiten integriert ist. Dies kann bedeuten, dass die Resonatoren und/oder die aktiven Lasermedien der Lasereinheiten oder der Gruppen von
Lasereinheiten so gestaltet sind, dass aus den Lasereinheiten nur die spektral schmalbandigen Einzelspektren emittiert werden. In diesem Fall können separate Farbfilter entfallen. Das Farbeinstellmittel ist somit durch die Resonatoren und/oder durch die aktiven Lasermedien gebildet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist den Lasereinheiten kein Leuchtstoff zugeordnet. Es ist möglich, dass die
Halbleiterlichtquelle gänzlich frei von Leuchtstoffen ist. Somit wird bevorzugt überwiegend oder nur Strahlung erzeugt, welche durch die optionalen, detektorseitigen und/oder vor der Halbleiterlichtquelle angebrachten Farbfilter gelangen kann. Damit kann vollständig auf Lichtkonversion verzichtet werden, was durch Vermeiden des Stokes-Shifts und der relativ geringen Quanteneffizienz verfügbarer Konvertermaterialien zu einer deutlich erhöhten Effizienz führt.
Alternativ oder zusätzlich können andersfarbiges Licht, wie grünes Licht oder gelbes Licht oder oranges Licht oder rotes Licht, emittierende Multipixelchips vorhanden sein.
Beispielsweise erstreckt sich das Gesamtspektrum der
Halbleiterlichtquelle in dieser Konfiguration zusammenhängend über den Spektralbereich von einschließlich 450 nm bis 580 nm und/oder von 590 nm bis 730 nm, also rot und hyperrot. Dabei ist es möglich, dass ein Leuchtstoff vorhanden ist, der das direkt vom Multipixelchip generierte Licht teilweise oder vollständig in andersfarbiges Licht wie gelbes Licht und/oder grünes Licht umwandelt, welches dann gefiltert werden kann. In mindestens einer Ausführungsform ist die
Halbleiterlichtquelle für ein tragbares Gerät vorgesehen und umfasst mehrere Leuchtdiodenchips mit mehreren unabhängig voneinander ansteuerbaren Emissionsbereichen. Mindestens ein Farbeinstellmittel ist zumindest einigen der
Emissionsbereiche optisch nachgeordnet und ist zu einer Veränderung eines spektralen Abstrahlverhaltens der
zugeordneten Emissionsbereiche eingerichtet. Eine
Ansteuereinheit ist dazu eingerichtet, die Emissionsbereiche nacheinander zu betreiben, sodass von den Emissionsbereichen zusammen mit dem zugehörigen Farbeinstellmittel im Betrieb nacheinander viele spektral schmalbandige Einzelspektren emittiert werden, aus denen ein von der Halbleiterlichtquelle emittiertes Gesamtspektrum zusammengesetzt ist. Die oben im Zusammenhang mit dem zumindest einen Multipixelchip
aufgeführten Merkmale gelten entsprechend für die Verwendung von mehreren Leuchtdiodenchips, die je nur genau einen
Emissionsbereich oder je nur eine geringe Anzahl von
Emissionsbereichen aufweisen, beispielsweise höchstens vier oder neun oder 16 Emissionsbereiche. Ebenso können
Multipixelchips mit solchen Leuchtdiodenchips in einer
Halbleiterlichtquelle kombiniert eingesetzt werden.
Darüber hinaus wird ein Spektrometer angegeben. Das
Spektrometer umfasst mindestens eine Halbleiterlichtquelle, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale des Spektrometers sind daher auch für die Halbleiterlichtquelle offenbart und umgekehrt .
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Spektrometer mindestens eine Halbleiterlichtquelle sowie einen oder mehrere Detektorchips. Der mindestens eine Detektorchip ist zur sequentiellen Detektion von Strahlung der Einzelspektren eingerichtet. Dabei liegt bevorzugt zumindest ein Teil der Strahlung, die zur Detektion vorgesehen ist, im nahinfraroten und/oder im kurzwelligen infraroten Spektralbereich. Eine spektrale Auflösung, die mit dem Detektorchip zusammen mit der Halbleiterlichtquelle erreichbar ist, liegt bevorzugt bei 30 nm oder weniger oder 25 nm oder weniger oder 18 nm oder weniger oder 12 nm oder weniger oder 8 nm oder weniger oder bei 6 nm oder weniger. Alternativ oder zusätzlich liegt die spektrale Auflösung bei 600 cm~l oder weniger oder 300 cm~l oder weniger oder 100 cm~l oder weniger oder 50 cm~l oder weniger .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Detektorchip um eine Fotodiode, insbesondere um eine
einkanalige Fotodiode. Es ist möglich, dass mehrere
einkanalige Fotodioden, etwa optimiert für unterschiedliche Spektralbereiche, miteinander kombiniert in dem Spektrometer vorliegen. Bevorzugt jedoch ist genau eine einkanalige
Fotodiode vorhanden, die den einzigen Detektorchip des
Spektrometers darstellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform dient als Lichtquelle für das Spektrometer ein Feld von spektral schmalbandig emittierenden Lasereinheiten, insbesondere VCSELs . Eine
Emission der einzelnen Lasereinheiten ist bevorzugt derart spektral schmalbandig, dass auf Seite der
Halbleiterlichtquelle weder separate Farbfilter noch
Leuchtstoffe vorhanden sind. Das Farbeinsteilmittel ist dann insbesondere durch die Resonatoren der Lasereinheiten
gebildet . Emittieren die Lasereinheiten spektral schmalbandig, so können detektorseitig Farbfilter vorhanden sein. Der
Detektorchip ist dann bevorzugt vielkanalig oder es sind mehrere verschiedene Detektorchips vorhanden, die aufgrund der Farbfilter in verschiedenen Wellenlängenbereichen
sensitiv sind. In diesem Fall ist es möglich, dass die
Lasereinheiten alle zeitgleich emittieren. Emittieren die Lasereinheiten die jeweilige Strahlung zeitlich nacheinander, so braucht nur ein einkanaliger Detektorchip vorhanden zu sein und Farbfilter zur spektralen Aufteilung der Strahlung der Lasereinheiten können ganz entfallen. Sind Farbfilter vorhanden, so sind deren Transmissionskurven auf die
Emissionsspektren der Lasereinheiten angepasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Fotodiode oder eine der Fotodioden auf dem Materialsystem AlInGaAs. Insbesondere ist die Fotodiode zur Detektion von Strahlung bis zu mindestens 1,3 ym oder 1,5 ym oder 1,7 ym
eingerichtet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Spektrometer eine Masse von mindestens 2 g oder 5 g auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Masse des Spektrometers bei höchstens 20 g oder 10 g. Dieses geringe Gewicht wird insbesondere durch die Verwendung der Multipixelchips und durch den
Verzicht auf bewegliche Komponenten erreicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht das
Spektrometer insbesondere hinsichtlich der optisch wirksamen Komponenten nur aus relativ zueinander feststehenden
Komponenten. Das heißt, das Spektrometer ist besonders bevorzugt frei von beweglichen optischen Komponenten.
Optische Komponenten sind in diesem Zusammenhang insbesondere Strahlungsquellen, Detektoren, optische Elemente wie Linsen oder Spiegel sowie wellenlängenauflösende Elemente wie
Prismen oder Gitter. Das heißt, das Spektrometer umfasst dann insbesondere keine Fabry-Perot-Elemente mit beweglichen
Spiegeln und/oder keine MEMS-Komponenten .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Spektrometer als Reflexionsspektrometer gestaltet. Das heißt, mit dem Spektrometer wird ein Objekt beleuchtet und das an dem Objekt etwa diffus reflektierte Licht wird von dem Detektorchip detektiert. Alternativ kann das Spektrometer als
Transmissionsspektrometer gestaltet sein, sodass das zu detektierende Licht durch das Objekt hindurch geleitet wird. Im letztgenannten Fall können die Halbleiterlichtquelle und der Detektorchip räumlich getrennt voneinander untergebracht sein und müssen sich nicht zwingend in einem gemeinsamen Bauteilgehäuse eines Geräts wie einem Smartphone befinden, sondern können auf mehrere Bauteilgehäuse oder auf mehrere miteinander verschaltete Geräte aufgeteilt sein.
Es ist möglich, dass vor oder während der Messung der
Spektren eine oder mehrere Untergrundmessungen vorgenommen werden, auch als Lock-in-Verfahren bezeichnet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das
Spektrometer eine Auswertelektronik. Alternativ kann die Auswertelektronik in einem Gerät untergebracht sein, in das das Spektrometer eingebaut ist. Die Auswertelektronik kann eine Speichereinheit mit spektralen Daten von verschiedenen Objekten enthalten, die zum Vergleich mit Messdaten
eingerichtet sind. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Spektrometer und/oder ist die Auswertelektronik dazu eingerichtet,
aufgrund einer Reflexion der erzeugten Strahlung an einem Lebensmittel wie Obst dessen Frische zu erkennen,
beispielsweise anhand eines Feuchtigkeitsgehalts oder anhand eines Zuckergehalts.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das
Spektrometer und/oder die Auswertelektronik dazu eingerichtet ist, eine Reflexion von Strahlung an Haut, insbesondere menschlicher Haut, zu erkennen und damit eine Farbtönung zu erkennen, beispielsweise aufgrund von Schminke, oder auf bestimmte Krankheiten rückzuschließen. Das heißt, das
Spektrometer kann in der Medizin zur Diagnose verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das
Spektrometer und/oder die Auswertelektronik dazu eingerichtet ist, eine Reflexion an einer Chemikalie, einer Arznei oder einem Medikament zu analysieren. Beispielsweise kann so eine Materialzusammensetzung, beispielsweise ein Feuchtegehalt oder ein Oxidationsgrad oder ein Korrosionsgrad, ermittelt werden. Ebenso ist es möglich, so auf eine Haltbarkeit etwa eines Medikaments zu schließen und zu beurteilen, ob dieses Medikament noch verwendet werden kann. Ebenso ist es möglich, dass Körperflüssigkeiten wie Blut einem Schnelltest
unterziehbar sind.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das
Spektrometer und/oder die Auswertelektronik dazu eingerichtet ist, eine mechanische Materialbeschaffenheit zu erkennen, beispielsweise einen Verwitterungsgrad von Baustoffen wie Holz oder Kunststoffen. Anhand der spektralen Eigenschaften ist beispielsweise auf eine mechanische Festigkeit der betreffenden Materialien zu schließen.
Alternativ oder zusätzlich sind das Spektrometer und/oder die Auswertelektronik für eine oder mehrere der folgenden
Anwendungen eingerichtet:
- Bestimmung eines Wassergehalts von Haut und/oder Gewebe, zum Beispiel zur Empfehlung von Produkten der
Kosmetikindustrie,
- Erkennung von Arzneimittelfälschungen,
- Erkennung von gefälschtem und/oder gestrecktem Milchpulver,
- Lackdickenerkennung etwa bei Autos,
- Erkennung der Materialzusammensetzung von Textilien, beispielsweise für eine Waschempfehlung, und/oder
- Bestimmung eines Kaloriengehalts, Wassergehalts,
Fettgehalts und/oder Kohlenhydratgehalts bei Lebensmitteln,
- automatische Überwachung von Lebensmitteln, Pflanzen und/oder Chemikalien sowie Arzneimitteln. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Spektrometer zum Einbau in ein tragbares Gerät vorgesehen. Bei dem
tragbaren Gerät handelt es sich beispielsweise um ein
Smartphone . Dazu umfasst das Spektrometer bevorzugt
elektrische Kontaktstellen und/oder Schnittstellen, die insbesondere ein elektrisches Verbinden zu einer
Recheneinheit und/oder einer Energiequelle des Geräts, in das das Spektrometer verbaut wird, ermöglichen.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben der
Halbleiterlichtquelle und/oder des Spektrometers angegeben. Mit dem Verfahren werden ein Spektrometer und/oder eine
Halbleiterlichtquelle betrieben, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Merkmale des Spektrometers und der
Halbleiterlichtquelle sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt. In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Emissionsbereiche mittels der Ansteuereinheit so angesteuert, dass die Emissionsbereiche zeitlich nacheinander die
Einzelspektren emittieren, sodass das Gesamtspektrum im zeitlichen Mittel erzeugt wird. Von dem Detektorchip wird eine an einem Objekt reflektierte oder durch ein Objekt transmittierte Strahlung der Halbleiterlichtquelle
detektiert, sodass die spektralen Eigenschaften des Objekts gemessen werden. Anhand der spektralen Eigenschaften kann auf weitere Eigenschaften des Objekts rückgeschlossen werden.
Darüber hinaus wird ein tragbares Gerät, insbesondere ein Smartphone, angegeben. Das tragbare Gerät umfasst zumindest ein Spektrometer, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen offenbart. Merkmale des Spektrometers sind daher auch für das tragbare Gerät
offenbart und umgekehrt.
Nachfolgend werden eine hier beschriebene
Halbleiterlichtquelle und ein hier beschriebenes Spektrometer unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen
Spektrometers in einem Smartphone, Figuren 2A, 3A, 4A, 5A und 6A schematische
Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen,
Figuren 2B, 3B, 4B, 5B und 6B schematische Darstellungen von spektralen Eigenschaften von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen,
Figuren 7A, 7B und 7C schematische Darstellungen von
Spektrometern mit herkömmlichen
Breitbandlichtquellen,
Figur 8 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen
HalbleiterIichtquelle,
Figur 9 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Herstellungsverfahrens für ein Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle, Figuren 10A und IIA schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Halbleiterlichtquellen und Spektrometern, und
Figuren 10B und IIB schematische Darstellungen von spektralen
Eigenschaften von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen HalbleiterIichtquellen . In Figur 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Spektrometers 10 gezeigt. Das Spektrometer 10 ist ein
integraler Bestandteil eines tragbaren Geräts 9, das
beispielsweise ein Smartphone ist.
Das Spektrometer 10 umfasst eine Halbleiterlichtquelle 1 zur Emission einer Strahlung R. Ferner weist das Spektrometer 10 einen oder mehrere Detektorchips 6 sowie eine
Auswertelektronik 7 auf. Optische Komponenten wie Linsen sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht eigens gezeichnet.
Die von der Halbleiterlichtquelle 1 erzeugte Strahlung R wird an einem Reflexionsobjekt 8, beispielsweise ein Lebensmittel, Medikamente oder menschliche Haut, diffus oder auch spekular reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichts gelangt aufgrund spektral unterschiedlicher Absorption spektral verändert zu dem Detektorchip 6 und wird dort detektiert. Dabei ist der Detektorchip 6 bevorzugt einkanalig und eine Aufteilung eines Gesamtspektrums G in spektral schmalbandige Einzelspektren E erfolgt auf Seiten der Halbleiterlichtquelle 1. Über die Auswertelektronik 7 ist beispielsweise
feststellbar, ob es sich bei dem Reflexionsobjekt 8 um reifes und/oder frisches Obst und/oder Gemüse handelt. In Figur 2A ist ein Ausführungsbeispiel für die
Halbleiterlichtquelle 1 detaillierter illustriert. Die
Halbleiterlichtquelle 1 umfasst eine Ansteuereinheit 4, beispielsweise einen Siliziumchip mit integrierten
Schaltkreisen. Auf der Ansteuereinheit 4 befindet sich ein Multipixelchip 2 mit einer Halbleiterschichtenfolge 21. In Draufsicht gesehen kann sich der Multipixelchip 2 über die gesamte Ansteuereinheit 4 erstrecken. Es ist möglich, dass die Ansteuereinheit 4 den Multipixelchip 2 und damit die Halbleiterschichtenfolge 21 mechanisch trägt und stützt und somit als Träger fungiert. Der Multipixelchip 2 ist
insbesondere ein pixelierter Leuchtdiodenchip. In der Halbleiterschichtenfolge 21, die sich bevorzugt zusammenhängend über den gesamten Multipixelchip 2 hinweg erstreckt, befindet sich eine aktive Zone 22 zur
Strahlungserzeugung mittels Elektrolumineszenz . Die
Halbleiterschichtenfolge 21 ist zu einzelnen
Emissionsbereichen 20 strukturiert, wobei eine Strukturierung in die Emissionsbereiche 20 durch die aktive Zone 22 hindurch reichen kann. Damit ist die aktive Zone 22 inselförmig auf die jeweiligen Emissionsbereiche 22 beschränkt. Durch diese Strukturierung kann auch eine optische Isolierung zwischen den Emissionsbereichen 20 gegeben sein. Dazu können die
Bereiche, aus denen die Halbleiterschichtenfolge 21 zwischen den Emissionsbereichen 20 entfernt ist, mit einem
strahlungsundurchlässigen Material versehen sein, nicht gezeichnet .
Zusammenhängend über alle Emissionsbereiche 20 hinweg
erstreckt sich eine LeuchtstoffSchicht 31. Die
LeuchtstoffSchicht 31 ist bevorzugt zu einer Vollkonversion von in den Emissionsbereichen 20 erzeugter Strahlung
eingerichtet. Dazu emittiert die Halbleiterschichtenfolge 21 beispielsweise rotes oder nahinfrarotes Licht, sodass von der LeuchtstoffSchicht 31 bevorzugt spektral breitbandig
nahinfrarote und kurzwellige infrarote Strahlung erzeugt wird .
Erfolgt durch die LeuchtstoffSchicht 31 keine Vollkonversion, so ist es möglich, dass der LeuchtstoffSchicht 31 ein nicht gezeichnetes Filterelement zum Herausfiltern der Strahlung der Halbleiterschichtenfolge 21 nachgeordnet ist. Ein solches Filterelement kann im Spektralbereich der von der
LeuchtstoffSchicht 31 erzeugten Strahlung breitbandig
transmittierend sein und braucht somit keine spektrale
Einengung der Strahlung von der LeuchtstoffSchicht 31 zu bewirken .
Eine Dicke der LeuchtstoffSchicht 31 liegt beispielsweise zwischen einschließlich 10 ym und 150 ym. Die
LeuchtstoffSchicht 31 kann Leuchtstoffpartikel aufweisen, die zu einer Keramik gesintert sind oder die in ein
Matrixmaterial, wie ein Silikon oder ein Glas, eingebettet sind . Die LeuchtstoffSchicht 31 beinhaltet bevorzugt einen
breitbandig infraroterzeugenden Leuchtstoff, beispielsweise einen Leuchtstoff, wie in der Druckschrift WO 2016/174236 AI beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Rückbezug mit aufgenommen, insbesondere hinsichtlich der Patentansprüche 7 und 8 dieser Druckschrift.
Insbesondere für den Spektralbereich von 600 nm bis 1100 nm kommen etwa die folgenden Leuchtstoffe in Frage: Ga203,
Na (Ga, AI) 3O5, Mg4 b20g, Mg2Si04:Cr, La3 (Gag .6A1Q _ 4 ) 5GeOi4 , La3Ga5GeO]_4. Insbesondere für den Spektralbereich von 1450 nm bis 1550 nm kommen etwa die folgenden Leuchtstoffe in Frage: Gd3Ga50i2 :Ni, Ni2+-dotiertes Gd3Ga50i2 (GGG) , YA10 : i , Ti, LGO: Ni, Ti, GGG : Ni , Gd3Ga50i2:Ni kododiert mit M4+, Zr4+ und/oder Ge4+, Gd3Ga50i2:Ni kodotiert mit Zr4+, Ti4+, Si4+ und/oder Ge4+. Ebenso ist in Figur 2A gezeigt, dass der LeuchtstoffSchicht 31 mehrere Farbfilter 32 nachfolgen. Die Farbfilter 32 sind eineindeutig den Emissionsbereichen 20 zugeordnet. Jeder der Farbfilter 32 weist nur eine spektral schmalbandige
Transmission im Bereich der von der LeuchtstoffSchicht 31 erzeugten Strahlung auf. Dies ist auch in Verbindung mit Figur 2B illustriert. Dabei sind in Figur 2B eine Intensität I in Abhängigkeit von einer Wellenlänge L aufgetragen. Von den Emissionsbereichen 20 und damit von dem
Multipixelchip 2 wird ein Gesamtspektrum Gl emittiert.
Strahlung aus dem Gesamtspektrum Gl gelangt bevorzugt nicht aus der Halbleiterlichtquelle 1. Das Gesamtspektrum Gl dient zum Anregen der LeuchtstoffSchicht 31 und kann im roten
Spektralbereich liegen. Die Halbleiterschichtenfolge 21 basiert dazu bevorzugt auf dem Materialsystem AlInGaAs etwa für rotes oder nahinfrarotes Licht oder auch auf AlInGaN etwa für blaues Licht. Das Spektrum G2, wie von der LeuchtstoffSchicht 31 erzeugt, wird durch die Farbfilter 32 in eine Vielzahl von
Einzelspektren E zerlegt, wobei die Summe der Einzelspektren E das Gesamtspektrum G bildet. Bevorzugt ist durch die
Einzelspektren E ein spektral zusammenhängender Bereich gebildet, der sich über einen Großteil oder über das gesamte Spektrum G2 der LeuchtstoffSchicht 31 erstreckt.
Die einzelnen Emissionsbereiche 20 werden zeitlich
sequentiell nacheinander angesteuert, sodass die
Einzelspektren E zeitlich nacheinander emittiert werden und sich das Gesamtspektrum G erst in zeitlichem Mittel bildet. Damit kann mit dem bevorzugt einkanaligen Detektorchip 6 sequentiell ein Spektrum aufgenommen werden, aufgrund der spektralen Selektivität der Halbleiterlichtquelle 1.
Somit umfasst die Halbleiterlichtquelle 1 separat
adressierbare Pixel in Form der Emissionsbereiche 20. Die Ansteuerung erfolgt über die Ansteuereinheit 4, welche bevorzugt ein IC ist. Die LeuchtstoffSchicht 31 ist bevorzugt vollflächig abgeschieden, beispielsweise als aufgeklebtes Plättchen, als Vollverguss oder als Schicht, die mittels Spraycoating oder elektrophoretisch aufgebracht ist.
Eventuell vorhandene Klebstoffschichten für die
LeuchtstoffSchicht 31 und die Farbfilter 32, welche auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein können, sind jeweils nicht gezeichnet. Solche Klebstoffschichten sind für die spektralen Eigenschaften bevorzugt nicht
ausschlaggebend, da entsprechende Klebstoffe, die
insbesondere auf Silikonen basieren, in den relevanten
Spektralbereichen transparent sind und insbesondere nur geringe Schichtdicken etwa von höchstens 5 ym aufweisen.
Die Farbfilter 32, bevorzugt als Filterplättchen gestaltet, sind beispielsweise Linienfilter und können schachbrettartig angeordnet sein, in Draufsicht gesehen, siehe auch Figur 8. In Figur 8 ist zudem illustriert, dass eine optische
Isolierung 33 zwischen den Emissionsbereichen 20 angeordnet ist .
Eine laterale Größe der Farbfilter 32 entspricht bevorzugt der Größe der einzelnen Emissionsbereiche 20, beispielsweise mit einer Toleranz von höchstens 20 % oder 10 % oder 5 % einer lateralen Ausdehnung. Die einzelnen Farbfilter 32 können sich an einer der LeuchtstoffSchicht 31 abgewandten Seite auf einem zusammenhängenden, transparenten Träger befinden, siehe auch unten die Ausführungen zu Figur 9. Die einzelnen Farbfilter 32 sind beispielsweise jeweils Fabry- Perot-Filter mit unterschiedlichen optischen Dicken.
Insbesondere sind die Farbfilter 32 auf die
Leuchtstoffschicht 31 aufgeklebt.
Bezüglich der Farbfilter 32 bieten sich einfache Fabry-Perot- Filter an. Die beiden Spiegel des Fabry-Perot-Filters können entweder aus Metall sein oder als rein dielektrische
hochreflektierende Spiegel ausgelegt sein. In letzterem Fall sind wesentlich mehr Schichten notwendig und der Filter entsprechend teurer, dafür ist eine höhere Transmission erreichbar. Die Reflektivität der Spiegel bestimmt die
Linienbreite und die Dicke der Schicht in der Mitte zwischen den Spiegeln, zum Beispiel aus einem transparenten Oxid wie SiC>2, die Mittenwellenlänge. Die einzelnen Farbfilter 32 könnten alle die gleichen Spiegel und eine jeweils an die Zielwellenlänge angepasste Dicke der Mittenschicht aufweisen.
In Figur 3A ist gezeigt, dass auf die einzelnen
Emissionsbereiche 20 unterschiedliche Leuchtstoffschichten 31 aufgebracht werden, bevorzugt in einer eineindeutigen
Zuordnung. Die Leuchtstoffschichten 31 enthalten verschiedene Leuchtstoffe und emittieren spektral schmalbandig in leicht voneinander verschiedenen Spektralbereichen. Damit ist durch die Ansteuerung der einzelnen Emissionsbereiche 20 die von der Halbleiterlichtquelle 1 emittierte Wellenlänge
durchstimmbar .
Bei den verwendeten Leuchtstoffen 31 handelt es sich
beispielsweise um Quantenpunkte, auch als Quantum Dots bezeichnet, etwa auf Basis von PbS oder CdS, wobei eine exakte Emissionswellenlänge durch eine organische Hülle um die Halbleiterkerne der Quantenpunkte eingestellt werden kann . Solche Leuchtstoffe sind beispielsweise in der Druckschrift Liangfeng Sun et al . , Bright infrared quantum-dot light- emitting diodes through inter-dot spacing control, in Nature Nanotechnology, Vol. 7, Seiten 369 bis 373, aus dem Jahr 2012, doi : 10.1038/nnano .2012.63, beschrieben. Ferner sind solche Leuchtstoffe in der Druckschrift Nobuhiko Ozakil et al . , Near-infrared superluminescent diode using stacked self- assembled InAs quantum dots with controlled emission
wavelengths, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 53, 04EG10, aus dem Jahr 2014, doi : 10.7567 /JJAP .53.04EG10 , beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften hinsichtlich der Quantenpunkte wird durch Rückbezug mit aufgenommen .
Insbesondere für den Spektralbereich von 600 nm bis 1100 nm kommen etwa die folgenden Leuchtstoffe in Frage: Ga203,
Na (Ga, AI) 3O5, ^M^Og, Mg2Si04:Cr, La3 (GaQ .6A10.4 ) 5Ge014 ' La3Ga5GeO]_4. Insbesondere für den Spektralbereich von 1450 nm bis 1550 nm kommen etwa die folgenden Leuchtstoffe in Frage: Gd3Ga50i2 :Ni, Ni2+-dotiertes Gd3Ga50i2 (GGG) , YA10 : i , Ti, LGO: Ni, Ti, GGG : Ni , Gd3Ga50i2:Ni kododiert mit M4+, Zr4+ und/oder Ge4+, Gd3Ga50i2:Ni kodotiert mit Zr4+, Ti4+, Si4+ und/oder Ge4+.
Die Leuchtstoffschichten 31 werden zum Beispiel aufgebracht, wie in der Druckschrift WO 2016/034388 AI beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Rückbezug mit aufgenommen, insbesondere hinsichtlich der Ansprüche 16 und 18 dieser Druckschrift.
Anders als in Figur 2A dargestellt, erstreckt sich die
Strukturierung der Halbleiterschichtenfolge 21 im
Ausführungsbeispiel der Figur 3A nicht bis in die aktive Zone 22 hinein. Entsprechende Konfigurationen der
Halbleiterschichtenfolge 21, wie in den Figuren 3A sowie 2A gezeichnet, können in gleicher Weise auch in allen anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
In Figur 3B ist gezeigt, dass das emittierte Gesamtspektrum G aus den einzelnen Emissionsspektren G2 der
Leuchtstoffschichten 31, die gleichzeitig die spektral schmalbandigen Einzelspektren E darstellen, zusammengesetzt ist. Anteile des Spektrums Gl des Multipixelchips 2 werden bevorzugt nicht aus der Halbleiterlichtquelle 1 emittiert.
Beispielsweise sind die Halbleiterschichtenfolge und die Leuchtstoffschichten der Figur 3A gestaltet, wie in der
Druckschrift US 2016/0027765 AI beschrieben. Der
Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Rückbezug mit aufgenommen, insbesondere hinsichtlich der Absätze 46 bis 54 und 68 bis 70 dieser Druckschrift.
Alternativ können die Halbleiterschichtenfolge und die
Leuchtstoffschichten der Figur 3A gestaltet sein, wie in der Druckschrift US 2012/0273807 AI beschrieben. Der
Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Rückbezug mit aufgenommen, insbesondere hinsichtlich der Absätze 55 bis 60 und 66 bis 69 dieser Druckschrift. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4A sind mehrere Multipixelchips 2 vorhanden. Die Multipixelchips 2 können Licht des gleichen Spektralbereichs emittieren und
untereinander baugleich sein. Alternativ ist es anders als in Figur 4B illustriert auch möglich, dass die Multipixelchips 2 jeweils Strahlung anderer Spektralbereiche erzeugen,
beispielsweise blaues, grünes und/oder rotes Licht sowie infrarote Strahlung.
Auf die Multipixelchips 2 wird bevorzugt jeweils vollflächig eine LeuchtstoffSchicht 31 aufgebracht. Die
Leuchtstoffschichten 31 der Multipixelchips 2 unterscheiden sich dabei voneinander und emittieren bevorzugt in
verschiedenen Spektralbereichen G2, die aneinanderstoßen und/oder sich überdecken können. Die Leuchtstoffschichten 31 liegen in Draufsicht gesehen nebeneinander und können die Ansteuereinheit 4 teilweise oder auch vollständig bedecken. Die Leuchtstoffschichten 31 sind beispielsweise als
Vollverguss gestaltet oder als Plättchen aufgebracht oder können über Spraycoaten auf der Halbleiterschichtenfolge 21 angebracht sein.
Daraufhin werden auf die einzelnen Leuchtstoffschichten 31 jeweils mehrere Farbfilter 32, beispielsweise
Filterplättchen, aufgebracht. Zwischen den Farbfiltern 32 und den zugehörigen Emissionsbereichen 20 besteht bevorzugt eine eineindeutige Zuordnung. In Draufsicht gesehen sind die
Farbfilter 32, wie bevorzugt auch die Farbfilter 32 aus Figur 2A oder die Leuchtstoffe 31 aus Figur 3A, schachbrettartig in einem bevorzugt regelmäßigen Feld angeordnet, siehe auch Figur 8. Die spektralen Eigenschaften der Konfiguration aus Figur 4A sind in Figur 4B zu sehen. Das Spektrum Gl der
Multipixelchips 2, gemäß Figur 4A baugleiche Multipixelchips 2, wird von der Halbleiterlichtquelle 1 nicht emittiert. Die verschiedenen Spektren G2 der Leuchtstoffschichten 31 werden durch die Farbfilter 32 in die Einzelspektren E zerlegt, die zeitlich sequentiell nacheinander emittiert werden.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 5A sind mehrere
Multipixelchips 2 vorhanden. Jeder der Multipixelchips 2 emittiert dabei Strahlung in einem anderen Spektralbereich, beispielsweise blaues, grünes und/oder rotes Licht sowie infrarote Strahlung, beispielsweise nahinfrarote Strahlung, kurzwelliges Infrarot und/oder mittleres Infrarot, auch als MIR bezeichnet. MIR bezieht sich insbesondere auf
Wellenlängen von 3 ym bis 5 ym oder von 3 ym bis 8 ym. Den einzelnen Emissionsbereichen 20 sind passende Farbfilter 32 zugeordnet . Das Gesamtspektrum G ist damit, siehe Figur 5B, aus den
Einzelspektren E der Farbfilter 32 zusammengesetzt, wobei sich die Spektren Gl der Multipixelchips 2 bevorzugt spektral aneinander anschließen. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 6A sind verschiedenfarbig emittierende Multipixelchips 2 vorhanden. Die
Emissionsbereiche 20 können dabei innerhalb der
Multipixelchips 2 zu Gruppen 5 zusammengefasst sein, wie dies auch in allen anderen Ausführungsbeispielen der Fall sein kann. Beispielsweise ist allen Emissionsbereichen 20 von einer der Gruppen 5 gemeinsam eine LeuchtstoffSchicht 31 nachgeordnet, der wiederum Farbfilter 32 nachgeordnet sind. Optional können die Farbfilter 32 auf einer größeren
Filterplatte 32a angebracht sein, die mehrere der
Emissionsbereiche 20 überdeckt. Beispielsweise handelt es sich bei der Filterplatte 32a um einen Stofffilter und bei den Farbfiltern 32 um Fabry-Perot-Filter. Durch eine solche Filterstaffelung können Seitenbänder der Fabry-Perot-Filter einfach unterdrückt werden.
Gleichzeitig kann einer anderen Gruppe 5 von
Emissionsbereichen 20 inselförmig nur ein Feld von
Farbfiltern 32 nachgeordnet sein, ohne Leuchtstoff. Ein weiterer Multipixelchip 2 ist beispielsweise mit einzelnen, inseiförmigen Leuchtstoffschichten 31 versehen. Mit anderen Worten können die Ausführungen der Halbleiterlichtquelle 1, wie in Verbindung mit den Figuren 2 bis 5 dargestellt, auch miteinander kombiniert werden.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass zusätzlich ein oder mehrere unpixelierte
Leuchtdiodenchips 29 vorhanden sind, die je eines der
Einzelspektren E emittieren, in Figur 6A gestrichelt
gezeichnet. Solche Leuchtdiodenchips 29 können alternativ auch zu Multipixelchips 2 verwendet werden. Somit, siehe Figur 6B, lässt sich ein spektral breites
Gesamtspektrum G erzielen, einerseits durch eine Unterteilung des Spektrums Gl des in Figur 6A links gezeichneten
Multipixelchips 2, andererseits durch die Aufteilung der Strahlung G2 des Leuchtstoffs 31 sowie der
Leuchtstoffeinzelspektren G2 des in Figur 6A rechts
gezeichneten Multipixelchips 2, siehe auch die in Figur 6B rechts gezeichneten Einzelspektren G2. Das Einzelspektrum des optionalen Leuchtdiodenchips 29, das die spektrale Lücke zwischen dem Spektrum Gl und dem breiten Spektrum G2
ausfüllen könnte, ist in Figur 6B nicht gezeichnet.
In Figur 7 sind herkömmliche Möglichkeiten gezeichnet, eine spektrale Auflösung zu erzielen. Gemäß der perspektivischen Darstellung in Figur 7A wird eine Breitbandlichtquelle 12 verwendet, deren Licht mittels einer Linse 11 kollimiert wird. Dieses Licht geht beispielsweise durch ein
Transmissionsobjekt 15 hindurch und wird über Farbfilter 32, die arrayförmig angeordnet sind, auf den pixelierten
Detektorchip 6 gelenkt. Der Detektorchip 6 basiert auf
Silizium und ist für Strahlung oberhalb von 1,1 ym nicht geeignet. Eine spektrale Auflösung erfolgt somit gemäß Figur 7A durch die Farbfilter 32 auf Seiten des Detektorchips 6.
Bei der Schnittdarstellung der Figur 7B ist als dispersives optisches Element 13 ein Prisma vorhanden. Über einen
Raumfilter 14, etwa eine Blende, erfolgt eine spektrale Auflösung. Die spektrale Auflösung wird beispielsweise durch eine Drehung des Prismas 13 und/oder durch ein Verfahren der Blende 14 erreicht. Demgegenüber, siehe Figur 7C, ist als dispersives optisches Element 13 ein Gitter vorgesehen, in Kombination mit einem Spiegel. Die Konfigurationen der Figuren 7B und 7C erfordern
bewegliche Komponenten, was bei tragbaren Geräten mit den damit verbundenen Erschütterungen üblicherweise zu
Schwierigkeiten führt und zudem die Komplexität des Bauteils erhöht. Demgegenüber ist bei dem hier beschriebenen
Spektrometer 10 eine hohe spektrale Auflösung kostengünstig mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau realisierbar. In Figur 9 ist schematisch ein Herstellungsverfahren für eine Halbleiterlichtquelle 1 gezeigt. Die aufzubringenden
Leuchtstoffschichten 31 und/oder Farbfilter 32 befinden sich an einem Zwischenträger 34. Die Leuchtstoffschichten 31 und/oder Farbfilter 32 können sich in der gewünschten
Anordnung an dem Zwischenträger 34 befinden, sodass die
Leuchtstoffschichten 31 und/oder Farbfilter 32 gemeinsam auf den Multipixelchip 2 und/oder auf eine optional zuvor bereits vorhandene LeuchtstoffSchicht 31 aufgebracht werden. Es ist dann möglich, dass der Zwischenträger 34 mit auf den
Multipixelchip 2 übertragen wird und ein Bestandteil der fertigen Halbleiterlichtquelle 1 ist, beispielsweise als Schutzschicht . Alternativ können die Leuchtstoffschichten 31 und/oder
Farbfilter 32 an dem Zwischenträger 34 allesamt gleich sein, sodass nur eine der Leuchtstoffschichten 31 und/oder der Farbfilter 32 von dem Zwischenträger 34 etwa mittels
Laserstrahlung übertragen wird. Für jede der
Leuchtstoffschichten 31 und/oder der Farbfilter 32 kann dann ein eigener Zwischenträger 34 vorhanden sein.
Ein solches Übertragen ist etwa in der Druckschrift US
2013/0292724 AI beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Rückbezug mit aufgenommen,
insbesondere hinsichtlich der Absätze 49 bis 54 dieser
Druckschrift .
In Figur 10A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Halbleiterlichtquelle 1 gezeigt. Dem Multipixelchip 2 ist die durchgehende LeuchtstoffSchicht 31 nachgeordnet, die aus blauem Licht vom Multipixelchip 2 spektral breitbandig rotes Licht und nahinfrarote Strahlung erzeugt. Die LeuchtstoffSchicht 31 kann beabstandet zu dem Multipixelchip 2 angeordnet sein. Der LeuchtstoffSchicht 31 folgen die pixelierten Farbfilter 32 mit den verschiedenen, spektral schmalbandigen Durchlassbereichen für die Einzelspektren nach. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die Ansteuereinheit elektrisch mit dem
Multipixelchip 2 verbunden ist, jedoch räumlich
vergleichsweise unabhängig von diesem arrangiert sein kann. Das zugehörige Emissionsspektrum des Multipixelchips 2 sowie der LeuchtstoffSchicht 31 ist in Figur 10B gezeigt. Die relative Intensität I ist logarithmisch gegenüber der
Wellenlänge L aufgetragen. Bei dem Multipixelchip 2 handelt es sich zum Beispiel um eine pixelierte Variante des LED-Chips OSRAM OS SFH 4735 oder SFH 4736. Der Leuchtstoff in der LeuchtstoffSchicht 31 ist insbesondere Cr-dotiertes Lanthan-Gallogermanat ,
La3Ga5GeO]_4:Cr.
Im Ausführungsbeispiel des Spektrometers der Figur IIA ist der Multipixelchip 2 durch ein Array von vertikal
emittierenden Lasereinheiten, kurz VCSELs, gebildet. Die Lasereinheiten sind bevorzugt unabhängig voneinander
ansteuerbar. Detektorseitig ist der Detektorchip 6 optional mit Farbfiltern 32 versehen. Die Lasereinheiten haben
Emissionswellenlängen, die auf die Durchlassbereiche der Farbfilter 32 vor dem Detektorchip 6 abgestimmt sind. Damit wird ein hoher Anteil der in den Lasereinheiten erzeugten Strahlung nach Reflexion an einem in Figur IIA nicht
gezeichneten Objekt in Richtung hin zu dem Detektorchip 6 durch die Farbfilter 32 transmittiert . Die Lasereinheiten und/oder die Farbfilter 32 sind in Draufsicht gesehen zum Beispiel in einer 3 x 4-Matrix angeordnet.
Optional befinden sich solche Farbfilter auch vor den
Lasereinheiten, nicht gezeichnet. Ist eine Emission der
Lasereinheiten bereits ausreichend spektral schmalbandig, zum Beispiel aufgrund einer Gestaltung der Resonatoren der
Lasereinheiten, so entfallen Farbfilter unmittelbar nach den Lasereinheiten bevorzugt.
In Figur IIB sind die Durchlassspektren der Farbfilter 32 gezeigt. Ebenso sind bevorzugte Stützwellenlängen der beispielsweise zwölf Farbfilter 32 angegeben. Eine spektrale Halbwertbreite, kurz FWHM, liegt bei allen Farbfiltern 32 bevorzugt bei ungefähr 10 nm. Die Emissionsspektren der
VCSELs sind auf die Durchlassspektrum abgestimmt, sodass die Wellenlängenemission bevorzugt die gleiche Charakteristik aufzeigt wie die Filtertransmission. Werden die Emissionsspektren der VCSELs auf die Filterkurven abgestimmt und die einzelnen VCSEL-Einheiten zeitlich nacheinander individuell angesteuert, so kann auch gänzlich auf eine Filterung verzichtet werden und es können
Einzelchip-Detektoren verwendet werden.
Die VCSELs sind zum Beispiel aufgebaut, wie in den
Druckschriften DE 10 2017 130 582 AI oder DE 10 2018 104 785 AI beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften hinsichtlich des Aufbaus der VCSELs wird durch Rückbezug aufgenommen.
Durch den Einsatz von VCSELs für den Multipixelchip 2 ist eine deutlich erhöhte Effizienz der Halbleiterlichtquelle 1 insbesondere im gewünschten IR-Spektralbereich durch die Vermeidung von Konversionsverlusten und des Stokes-Shifts erzielbar. Außerdem ist ein deutlich gerichteteres
Abstrahlprofil durch den Einsatz der VCSELs im Gegensatz zu einem Lambertschen Emitter wie einer LED möglich. Dadurch lassen sich Zusatzoptiken zur Strahlkollimation vermeiden, was Kostenvorteile mit sich bringt.
Insgesamt ist eine vielfach höhere optische Ausgangsleistung der Halbleiterlichtquelle 1 mit VCSELs im gewünschten
Spektralbereich erreichbar. Damit lassen sich größere
Abstände in der Anwendung zwischen der Halbleiterlichtquelle 1 und dem zu untersuchenden Reflexionsobjekt verwirklichen. Somit sind eine höhere Marktakzeptanz und eine einfachere sowie zuverlässigere Handhabung durch den Nutzer möglich. Hierdurch lassen sich neue Anwendungsfelder wie
beispielsweise in der automatisierten Pflanzenüberwachung und in der Lebensmittelüberwachung erschließen. Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen
Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben .
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 123 414.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
1 Halbleiterlichtquelle
2 Multipixelchip
20 Emissionsbereich
21 Halbleiterschichtenfolge
22 aktive Zone
29 unpixelierter Leuchtdiodenchip
31 Farbeinsteilmittel - LeuchtstoffSchicht
32 Farbeinsteilmittel - Farbfilter
33 optische Isolierung
34 Zwischenträger
4 Ansteuereinheit
5 Gruppe von Emissionsbereichen
6 Detektorchip
7 Auswertelektronik
8 Reflexionsobjekt (Lebensmittel, Haut)
9 Smartphone
10 Spektrometer
11 Linse
12 Breitbandlichtquelle
13 dispersives optisches Element
14 Blende/Raumfilter
15 Transmissionsobjekt
E spektral schmalbandiges Einzelspektum
G Gesamtspektrum
I Intensität
L Wellenlänge
R Strahlung

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterlichtquelle (1) für ein Spektrometer (10) mit
- mindestens einem Multipixelchip (2) mit mehreren unabhängig voneinander ansteuerbaren Emissionsbereichen (20),
- mindestens einem Farbeinsteilmittel (31, 32), das zumindest einigen der Emissionsbereiche (20) optisch nachgeordnet ist oder das in die Emissionsbereiche (20) integriert ist und das zur Veränderung eines spektralen Abstrahlverhaltens der zugeordneten Emissionsbereiche (20) eingerichtet ist, und
- einer Ansteuereinheit (4), die besonders bevorzugt dazu eingerichtet ist, die Emissionsbereiche (20) nacheinander zu betreiben, sodass von den Emissionsbereichen (20) zusammen mit dem zugehörigen Farbeinsteilmittel (31, 32) im Betrieb nacheinander mindestens drei spektral schmalbandige
Einzelspektren (E) emittiert werden, aus denen ein von der Halbleiterlichtquelle (1) emittiertes Gesamtspektrum (G) zusammengesetzt ist.
2. Halbleiterlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden
Anspruch,
bei der zumindest einem Multipixelchip (2) eine sich über die Emissionsbereiche (20) zusammenhängend erstreckende
LeuchtstoffSchicht (31) nachgeordnet ist,
wobei der LeuchtstoffSchicht (31) den einzelnen
Emissionsbereichen (20) zugeordnete Farbfilter (32)
nachfolgen, sodass die Farbfilter (32) die Einzelspektren (E) definieren, und
wobei das Farbeinsteilmittel (31, 32) dieses Multipixelchips (2) aus der LeuchtstoffSchicht (31) und aus den Farbfiltern (32) zusammengesetzt ist.
3. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der den einzelnen Emissionsbereichen (20) zumindest eines Multipixelchips (2) je eine LeuchtstoffSchicht (31)
zugeordnet ist, sodass die Leuchtstoffschichten (31) die Einzelspektren (E) definieren,
wobei das Farbeinsteilmittel (31) dieses Multipixelchips (2) aus den Leuchtstoffschichten (31) zusammengesetzt ist.
4. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Emissionsbereiche (20) zumindest eines
Multipixelchips (2) zu mehreren Gruppen (5) zusammengefasst sind,
wobei jeder Gruppe (5) eine zusammenhängende
Leuchtstoffschicht (31) zugeordnet ist, sodass die
Leuchtstoffschichten (31) über diesen Multipixelchip (2) hinweg nebeneinander angeordnet sind,
wobei den Leuchtstoffschichten (31) der Gruppen (5) jeweils den einzelnen Emissionsbereichen (20) zugeordnete Farbfilter (32) nachfolgen, sodass die Farbfilter (32) die
Einzelspektren (E) definieren, und
wobei das Farbeinsteilmittel (31, 32) dieses Multipixelchips (2) aus den Leuchtstoffschichten (31) und aus den Farbfiltern (32) zusammengesetzt ist.
5. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend mehrere Multipixelchips (2),
wobei zumindest einige der Multipixelchips (2) zur Emission in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet sind, wobei den Emissionsbereichen (20) dieser Multipixelchips (2) jeweils zumindest ein Farbfilter (32) nachfolgt, sodass die Farbfilter (32) die Einzelspektren (E) definieren, und wobei das Farbeinsteilmittel (32) dieser Multipixelchips (2) aus den Farbfiltern (32) zusammengesetzt ist.
6. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
umfassend mehrere Multipixelchips (2),
wobei zumindest einige der Multipixelchips (2) zur Emission in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen eingerichtet sind, wobei den Emissionsbereichen (20) dieser Multipixelchips (2) mehrere nebeneinanderliegende Leuchtstoffschichten (31) nachgeordnet sind und jeder der Leuchtstoffschichten (31) emissionsbereichsweise mehrere Farbfilter (32) zugeordnet sind, sodass die Farbfilter (32) die Einzelspektren (E) definieren, und
wobei das Farbeinsteilmittel (31, 32) dieser Multipixelchips (2) aus den Leuchtstoffschichten (31) und aus den Farbfiltern (32) zusammengesetzt ist.
7. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der eine spektrale Breite der Einzelspektren (E) je zwischen einschließlich 2 nm und 10 nm und/oder zwischen
300 cm~l und 50 cm~l liegt,
wobei das Gesamtspektrum (G) aus mindestens 40 und aus höchstens 520 Einzelspektren (E) zusammengesetzt ist.
8. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der zumindest ein Multipixelchip (2) zur Erzeugung von nahinfraroter und kurzwelliger infraroter Strahlung (R) eingerichtet ist und das Gesamtspektrum (G) sich
zusammenhängend zumindest über den Spektralbereich von einschließlich 650 nm bis 1,3 ym erstreckt,
wobei eine Dicke der Halbleiterlichtquelle (1) zwischen einschließlich 0,1 mm und 5 mm liegt und eine Grundfläche der Halbleiterlichtquelle (1) in Draufsicht gesehen höchstens 5 mm x 5 mm beträgt.
9. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der zumindest ein Multipixelchip (2) zur Erzeugung von blauem Licht eingerichtet ist und das Gesamtspektrum (G) sich zusammenhängend zumindest über den Spektralbereich von einschließlich 450 nm bis 580 nm erstreckt.
10. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
die zumindest zwei in voneinander verschiedenen
Wellenlängenbereichen emittierende Multipixelchips (2) umfasst ,
wobei innerhalb des jeweiligen Multipixelchips (2) alle
Emissionsbereiche (20) zur Erzeugung von Strahlung desselben Wellenlängenbereichs vorgesehen sind.
11. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Ansteuereinheit (4) die mechanisch tragende und stützende Komponente ist, sodass die Ansteuereinheit (4) zu einer Gesamtdicke der Halbleiterlichtquelle (1) zu mindestens 30 % und zu höchstens 70 % beiträgt.
12. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der der mindestens eine Multipixelchip (2) eine
Halbleiterschichtenfolge (21) mit einer aktiven Zone (22) zur Strahlungserzeugung aufweist, wobei sich die Halbleiterschichtenfolge (21) und/oder die aktive Zone (22) durchgehend über alle Emissionsbereiche (20) des betreffenden Multipixelchips (2) erstreckt.
13. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Emissionsbereiche (20) in Draufsicht gesehen je Abmessungen von mindestens 10 ym x 10 ym und von höchstens 50 ym x 50 ym aufweisen,
wobei pro Multipixelchip (2) mindestens 25 und höchstens 1000 der Emissionsbereiche (20) vorhanden sind.
14. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
die zusätzlich einen Leuchtdiodenchip umfasst, der einkanalig ist und der zur Erzeugung von einem der Einzelspektren (E) vorgesehen ist.
15. Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der der Multipixelchip (2) mehrere vertikal emittierende Lasereinheiten umfasst, die zur Emission von Strahlung verschiedener Wellenlängen maximaler Intensität eingerichtet sind,
wobei das Farbeinsteilmittel bevorzugt durch Resonatoren der Lasereinheiten gebildet ist.
16. Betriebsverfahren für eine Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei der mindestens eine Multipixelchip (2) mittels der Ansteuereinheit (4) so betrieben wird, dass nacheinander die mindestens drei spektral schmalbandigen Einzelspektren (E) emittiert werden, sodass aus den Einzelspektren (E) das von der Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Gesamtspektrum (G) zusammengesetzt wird.
17. Spektrometer (10) mit
- mindestens einer Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, und
- mindestens einem Detektorchip (6) zur sequentiellen
Detektion von Strahlung (R) der Einzelspektren (E) ,
wobei die Strahlung (R) zumindest zum Teil im nahinfraroten Spektralbereich liegt, und
wobei eine spektrale Auflösung des Detektorchips (6) zusammen mit der Halbleiterlichtquelle (1) bei 30 nm oder weniger liegt .
18. Spektrometer (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Detektorchip (6) oder zumindest einer der
Detektorchips (6) eine Fotodiode ist,
wobei die Fotodiode auf dem Materialsystem InGaAs oder Ge basiert und zur Detektion von Strahlung (R) bis zu mindestens 1,3 ym eingerichtet ist, und
wobei die spektrale Auflösung des Detektorchips (6) zusammen mit der Halbleiterlichtquelle (1) bei 8 nm oder weniger liegt .
19. Spektrometer (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
das aus relativ zueinander feststehenden Komponenten besteht, sodass das Spektrometer (10) frei von beweglichen Komponenten ist .
20. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 19 und mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle (1) nach Anspruch 15,
ferner umfassend mehrere Farbfilter (32), die dem mindestens einen Detektorchip (6) optisch vorgeordnet sind, wobei diese Farbfilter (32) jeweils auf die verschiedenen Wellenlängen maximaler Intensität abgestimmt sind, sodass die Wellenlängen maximaler Intensität mit einer Toleranz von höchstens 10 nm je gleich einer Zentralwellenlänge eines spektralen Durchlassbereichs des zugehörigen Farbfilters (32) sind,
wobei den Lasereinheiten kein Leuchtstoff zugeordnet ist, und wobei die Lasereinheiten insbesondere dazu eingerichtet sind, zeitgleich betrieben zu werden.
21. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 19 und mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle (1) nach Anspruch 15,
wobei die Emissionsbereiche (20) durch die Lasereinheiten gebildet sind und dazu eingerichtet sind, zeitlich
nacheinander betrieben zu werden, sodass von den
Emissionsbereichen (20) im Betrieb nacheinander die
mindestens drei spektral schmalbandigen Einzelspektren (E) emittiert werden, aus denen das von der Halbleiterlichtquelle (1) emittierte Gesamtspektrum (G) zusammengesetzt ist, wobei weder lichtquellenseitig noch detektorseitig ein
Farbfilter oder ein Wellenlängenaufspaltungsmittel vorhanden ist und der genau eine Detektorchip (6) einkanalig ist.
22. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, das als Reflexionsspektrometer gestaltet ist und ferner eine
Auswertelektronik (7) umfasst,
wobei die Auswertelektronik (7) dazu eingerichtet ist,
- aufgrund einer Reflexion der Strahlung (R) an einem
Lebensmittel (8) dessen Frische zu erkennen,
- aufgrund einer Reflexion der Strahlung (R) an Haut (8) dessen Farbtönung oder Wassergehalt zu erkennen, - Arzneimittel oder Chemikalien zu erkennen,
- gefälschtes und/oder gestrecktes Milchpulver zu erkennen,
- eine Lackdicke zu erkennen,
- eine Materialzusammensetzung von Textilien zu erkennen, und/oder
- einen Kaloriengehalt, Wassergehalt, Fettgehalt und/oder Kohlenhydratgehalt bei Lebensmitteln zu bestimmen.
23. Spektrometer (10) nach einem der Ansprüche 17 bis 22, das zum Einbau in ein Smartphone (9) vorgesehen ist.
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