WO2019149526A1 - Spektrometer, verfahren zum herstellen eines spektrometers und verfahren zum betreiben eines spektrometers - Google Patents

Spektrometer, verfahren zum herstellen eines spektrometers und verfahren zum betreiben eines spektrometers Download PDF

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pixel
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optical filter
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Martin HUSNIK
Eugen BAUMGART
Florian Mauch
Christoph Schelling
Robert Weiss
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Spectrometer method of making a spectrometer and method of operating a spectrometer
  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • the subject of the present invention is also a computer program.
  • Spectrometers are used, for example, to examine substances or objects for their material composition.
  • electromagnetic radiation such as visible light or infrared light, which interacts with an object, are decomposed into their wavelength components, which are absorbed differently depending on the substance. This gives a spectrum whose shape is characteristic of a particular substance or mixtures of substances.
  • Fabry-Perot spectrometer the core of a Fabry-Perot interferometer, also called etalon.
  • spectral order is. Considering only the first order and parallel to optical light incoming light, so only light of a wavelength l (and higher orders) is transmitted.
  • the transmission wavelength of the Fabry-Perot interferometer can be varied.
  • a tunable filter with which one can record a spectrum sequentially using a corresponding detector. If the light is not exactly parallel to the optical axis, so can others
  • Wavelengths superimposed on the detector can be placed behind the Fabry-Perot interferometer.
  • a lens or, in general, a focusing optics can be placed behind the Fabry-Perot interferometer.
  • the different transmission wavelengths transmitted at a distance d are imaged onto concentric rings in the detection plane whose radii are at the angle of incidence a and
  • Focal length of the lens depend.
  • the spectral resolution can be increased and obtained in the static case, d. H. at a fixed distance d, with a corresponding incident angle distribution, a spectrum for a limited spectral range.
  • US 2002/0126279 A1 describes a miniaturized Talbot spectrometer.
  • Talbot images are generated at different distances of the periodic structure which are detected by a detector.
  • the distance-dependent intensity distribution is Fourier-transformed to determine a spectrum of the light.
  • a spectrometer a method for producing a spectrometer, a method for operating a spectrometer, a device that uses this method, and a corresponding computer program according to the
  • Fabry-Perot spectrometers can be miniaturized very well due to their flat design. Here, heights of less than one millimeter can be easily realized.
  • the approach described here circumvents this problem by dispensing with the focusing element and shifting the angular selectivity into a correspondingly designed one
  • the spectrometer can be built much smaller.
  • a spectrometer is presented with the following features: an optical filter for filtering out a to be analyzed
  • Wavelength range from electromagnetic radiation and a detector having at least one angle-sensitive pixel, in particular a plurality of angle-sensitive pixels for detecting an intensity of transmitted radiation transmitted by the optical filter depending on an incident angle of the transmission radiation.
  • a spectrometer may be understood to mean a device for measuring or displaying an electromagnetic spectrum.
  • an optical Filter may be, for example, an optical resonator, in particular a static or tunable Fabry-Perot interferometer, a Bragg filter, a
  • Bandpass filter or a combination of at least two of said optical filters are understood.
  • a detector may be understood, for example, a photodiode, a phototransistor, a CMOS or CCD sensor or an arrangement of a plurality of such photosensitive components.
  • An angle-sensitive pixel also called an angle-sensitive pixel (ASP) can be understood to mean a detector element of the detector which has at least one diffraction grating.
  • the angle-sensitive pixel may be configured to detect the intensity of light rays utilizing the so-called Talbot effect depending on their respective angles of incidence with respect to a pixel surface. Under a transmission radiation filtered out by the optical filter radiation component of
  • the detector may be implemented as an array of a plurality of such angle-sensitive pixels.
  • the optical filter and the detector may, for example, lie flat on one another.
  • the optical filter and the detector can be connected to one another in a compact layer composite.
  • the pixel may be configured to detect the intensity as a sinusoidal function of the angle of incidence. As a result, the intensity can be determined with little computation depending on the angle of incidence.
  • the pixel may be a diffraction grating for generating a
  • a diffraction grating also referred to as diffraction grating, can be understood as meaning a cover layer or intermediate layer of the pixel structured with a plurality of passage openings arranged at a predetermined spacing from one another.
  • a sensor element may be understood to be a light-sensitive component connected downstream of the diffraction grating, for example a photodiode or a CMOS sensor. The sensor element may be the diffraction grating be arranged opposite. Under an intensity pattern, one generated by diffraction of light beams at the diffraction grating
  • Interference pattern in particular a near-field interference pattern, also called Talbot effect understood.
  • the intensity pattern may be, for example, sinusoidal.
  • the pixel can be made particularly compact.
  • the pixel has at least one intermediate grid arranged between the sensor element and the diffraction grating for generating an additional intensity pattern using the intensity converter.
  • the sensor element may be formed to the
  • An interlattice can be understood as another diffraction grating of the pixel.
  • the intermediate grid also called analyzer grating, can be arranged at a predetermined distance from the diffraction grating.
  • the interstitial be arranged in a distance corresponding to a so-called Talbot depth to the diffraction grating.
  • Interstitial can have the same or similar structure as that
  • Diffraction grating or have a different structure.
  • the measurement accuracy of the spectrometer can be increased.
  • the interstitial can be used as an analyzer grid for determining a
  • Phase shift of the intensity pattern may be formed. As a result, a phase shift between an intensity pattern with perpendicular incident transmission radiation and an intensity pattern with obliquely incident transmission radiation can be determined.
  • the detector may comprise a detector matrix with the pixel and at least one angle-sensitive further pixel for
  • the further pixel can be a further diffraction grating deviating from the diffraction grating for producing a further intensity pattern with a phase dependent on the angle of incidence using the transmission radiation and a further sensor element for generating the further intensity pattern having representative further intensity signal using the further intensity pattern.
  • a detector matrix can be understood to mean an array of at least two angle-sensitive pixels.
  • optical filter is designed as an optical resonator.
  • the optical resonator may be, for example, a
  • the optical filter can be provided in a compact design and with little effort.
  • the spectrometer can be made particularly compact.
  • the approach presented here also provides a method for producing a spectrometer, the method comprising the following step:
  • an optical filter for filtering out a wavelength range to be analyzed from electromagnetic radiation with a detector having at least one angle-sensitive pixel, in particular a plurality of angle-sensitive pixels, in order to use the pixel and / or the pixels to transmit an intensity of a transmitted radiation transmitted by the optical filter as a function of an angle of incidence To detect transmission radiation.
  • the approach presented here creates a method for operating a spectrometer according to one of the preceding embodiments, wherein the method comprises the following steps:
  • Diffraction grating of the pixel and / or the pixel-generated intensity pattern with a dependent on the angle of incidence phase in response to the driving, to determine a spectrum on the basis of I nte ns techniksmu sters.
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
  • the approach presented here also provides a device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • the device may comprise at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the sensor Actuator and / or at least one
  • the arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit is a flash memory, an EPROM or a
  • the magnetic storage unit can be.
  • the communication interface may be configured to read in or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can input or output line-based data may, for example, electrically or optically send this data from a corresponding data transmission line or output to a corresponding data transmission line.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device can be an interface have, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • Fig. 1 is a schematic representation of a spectrometer according to a
  • Fig. 2 is a schematic representation of a spectrometer according to a
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an angle-sensitive pixel from FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an intensity pattern under normal incidence of light generated by an angle-sensitive pixel according to an embodiment
  • FIG. 5 is a diagram showing an intensity pattern at oblique incidence of light generated by an angle-sensitive pixel according to an embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an angle-sensitive pixel according to an exemplary embodiment in the case of normal incidence of light
  • FIG. FIG. 7 shows a schematic illustration of an angle-sensitive pixel from FIG. 6 at oblique incidence of light
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an angle-sensitive pixel according to an exemplary embodiment in the case of normal incidence of light
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of an angle-sensitive pixel from FIG. 6 at oblique incidence of light
  • FIG. 8 is a diagram illustrating intensity patterns at different angles of incidence and at different grating parameters produced by an angle-sensitive pixel according to an embodiment
  • FIG. 9 shows a schematic representation of an apparatus for operating a spectrometer according to an exemplary embodiment
  • FIG. 10 is a flowchart of a method for operating a
  • 11 is a flowchart of a method for manufacturing a
  • the spectrometer 100 for example a
  • Microspectrometer comprising an optical filter 102 for filtering out a wavelength range to be analyzed from an electromagnetic
  • the optical filter 102 is designed as a tunable Fabry-Perot interferometer.
  • the optical filter 102 is connected to an angle-sensitive detector 104 having at least one angle-sensitive pixel 106. According to this
  • Exemplary embodiments are the optical filter 102 and the detector 104
  • optical filter 102 is applied directly to a surface of the detector 104 and the
  • angle-sensitive pixel 106 is opposed to the optical filter 102.
  • the pixel 106 is formed to have an intensity of one from the optical filter 102
  • Spectrometer 100 are made particularly compact.
  • the size and thus the light-collecting area of the optical filter 102 is determined only by the detector 104.
  • the detector 104 has an extension of several millimeters.
  • a further filter 108 for the optical filter 102 for the optical filter 102, a further filter 108 for the optical filter 102, a further filter 108 for
  • An optional optical diffuser 110 also ensures that the incident light has a certain angular distribution.
  • the optical diffuser 110 is connected upstream of the further filter 108 and, for example, applied directly thereto.
  • the transmission characteristic of the Fabry-Perot interferometer d. H. the transmission wavelength as a function of the angle of incidence in a
  • the detector 104 performs an assignment of transmitted light intensity and angle of incidence, the overall system can perform an assignment of wavelength or incident angle and intensity, ie calculate a spectrum for that part of the light which is transmitted for all angles of incidence at the set mirror distance. For this purpose, neither focusing nor angle-limiting elements are required.
  • the optional diffuser 110 ensures that there is a sufficiently large angular distribution of light rays on the Fabry-Perot interferometer, such as specularly reflected light or collimated incident light.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a spectrometer 100 according to an exemplary embodiment.
  • the spectrometer 100 shown in Fig. 2 is similar to the spectrometer shown in Fig. 1 constructed in multiple layers, with the difference that the optical filter 102 according to this embodiment, not as a tunable Fabry-Perot interferometer, but as a matrix of different optical Filtered, for example, from static Fabry-Perot interferometers or Bragg filters, which are as angle-dependent
  • Bandpass filter serve and cover several smaller wavelength ranges. Also possible are other filters, such as linearly variable filter elements. The transmission spectra of these individual filters are either disjoint or partially overlapping one another. As in FIG. 1, the spectrometer 100 according to FIG. 2 has the optional further filter 108 as well as the optional optical diffuser 110.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an angle-sensitive pixel 106 according to one exemplary embodiment. Shown is an example of the previously described with reference to FIG. 1 pixel in an enlarged view.
  • the pixel 106 has a layered structure with a diffraction grating 300 as a cover layer, a sensor element 302, in this case for example a photodiode, and a further diffraction grating arranged between the diffraction grating 300 and the sensor element 302
  • the two diffraction gratings 300, 304 are arranged at a predetermined vertical grid spacing z from one another and each have a plurality of passage openings 306 for transmitting or diffracting the transmission radiation.
  • the passage openings 306 are arranged at a grid spacing d from each other. The grid spacing d is depending on
  • Embodiment for both diffraction gratings 300, 304 selected identical or different. Also the phase as well as the orientation of the
  • Diffraction gratings can vary.
  • the passage openings 306 of the two diffraction gratings 300, 304 are, for example, horizontally offset from one another.
  • the diffraction grating 300 is formed around the incident
  • transmission radiation diffracts to a different extent, thereby producing an example of a sinusoidal intensity pattern with a phase angle dependent on the respective angle of incidence.
  • Sensor element 302 is formed to the intensity pattern in a
  • the intermediate grid 304 serves as an analyzer grid to a
  • Phase shift of a generated at oblique incidence of light Intensity pattern to detect a generated at normal incidence of light intensity pattern Phase shift of a generated at oblique incidence of light Intensity pattern to detect a generated at normal incidence of light intensity pattern.
  • FIG. 3 shows a basic design of the angle-sensitive pixel 106.
  • the diffraction grating 300 also called diffraction grating
  • the Talbot effect This periodic pattern has at a certain distance, the so-called Talbot depth, the same spatial frequency as the generating grating and changes the phase in obliquely incident light in a corresponding manner.
  • the intermediate grid 304 is used as an analyzer grating, also called analyzer grating, in order to detect the angle of incidence of the light.
  • the spectrometer 100 is realized, for example, as a combination of a Fabry-Perot etalon or a similarly acting optical filter with the angle-sensitive detector 104.
  • a detector can also be referred to as a lensless imager or planar fourier capture array.
  • the detector has one or more angle-sensitive pixels 106 whose light sensitivity describes a sinusoidal function of the angle of incidence. This is a system that does not use a lens or similar focusing lens
  • the diffraction grating 300 generates an angle-dependent near field diffraction pattern. At the Talbot depth, this intensity distribution has the same frequency as the diffraction grating 300, is sinusoidal, and shifts with varying
  • the pixel is combined with differently shaped gratings to form a detector matrix.
  • the final assignment of direction of incidence and intensity is done by numerical postprocessing.
  • the detector 104 can be produced, for example, in an ordinary CMOS process and is thus well suited for mass production.
  • a particular advantage of the combination of such an angle-sensitive detector with a Fabry-Perot interferometer is the elimination of optical elements for selecting the angle of incidence or the wavelengths, which allows a drastic reduction in the height. Furthermore, the entire system can work in one
  • Semiconductor process can be produced as an additional loading with optical elements is eliminated, which brings a cost and robustness advantage.
  • FIG. 4 shows a diagram 400 for representing an intensity converter in the case of normal incidence of light, produced by an angle-sensitive pixel 106 according to an exemplary embodiment, for example by the pixel described above with reference to FIGS. 1 to 3.
  • Planar waves 402 incident at an angle of incidence of 0 degrees here generate a sinusoidal intensity pattern with a phase dependent on the angle of incidence.
  • FIG. 5 shows a diagram 500 for representing an intensity pattern at oblique incidence of light generated by an angle-sensitive pixel 106 according to one exemplary embodiment.
  • the waves 402 incident here with an angle of incidence different from 0 degrees produce an intensity pattern which is phase-shifted in comparison to the intensity pattern in the case of normal incidence of light.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an angle-sensitive pixel 106 in the case of normal incidence of light.
  • the pixel 106 according to this exemplary embodiment has the intermediate grid 304 acting as the analyzer grid.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of the angle-sensitive pixel 106 from FIG. 6 at an oblique incidence of light, here by way of example at an angle of incidence of 10 degrees. It can be seen from FIGS. 6 and 7 that the addition of a second grid results in an angle-dependent total intensity modulation on the pixel 106.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating intensity patterns.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a device 900 for operating a spectrometer according to an embodiment, such as a
  • the device 900 comprises a drive unit 910 for providing a drive signal 912 which is used to drive the optical filter, i. H. for adjusting a to be analyzed by means of the spectrometer
  • Wavelength range serves.
  • An evaluation unit 920 evaluates the intensity signal 306 using the drive signal 912 to record a spectrum based on the intensity pattern represented thereby. In this case, the evaluation unit 920 generates an evaluation result 922 representing the spectrum.
  • FIG. 10 shows a flow diagram of a method 1000 for operating a spectrometer according to an exemplary embodiment, for example of the spectrometer described above with reference to FIGS. 1 to 9.
  • the activation of the optical filter takes place in order to set the wavelength range to be analyzed at the optical filter.
  • the evaluation of the intensity signal takes place in order to record a spectrum on the basis of the identity vector represented thereby.
  • FIG. 11 shows a flow chart of a method 1100 for producing a spectrometer according to an exemplary embodiment, for example the spectrometer described above with reference to FIGS. 1 to 10.
  • the optical filter and the Detector formed, for example in a semiconductor process.
  • the optical filter and the detector are combined to form the spectrometer.
  • the optical filter is applied directly to the detector.
  • the optical filter may be formed by applying it to the detector, or conversely, the detector may be formed by applying it to the optical filter so that forming the layer composite is accompanied by forming at least one of the two components of the spectrometer.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer (100) mit einem optischen Filter (102) zum Herausfiltern eineszu analysierenden Wellenlängenbereichsaus einer elektromagnetischen Strahlungund einem Detektor (104) mit zumindest einem winkelsensitiven Pixel (106), insbesondere mehreren winkelsensitiven Pixel (106) zum Detektieren einer Intensität einer vom optischen Filter (102) durchgelassenen Transmissionsstrahlung abhängig von einem Einfallswinkel der Transmissionsstrahlung.

Description

Beschreibung
Titel
Spektrometer, Verfahren zum Herstellen eines Spektrometers und Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Spektrometer werden beispielsweise genutzt, um Substanzen oder Objekte auf ihre stoffliche Zusammensetzung zu untersuchen. So kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung wie sichtbares Licht oder Infrarotlicht, die mit einem Objekt wechselwirkt, in ihre Wellenlängenanteile zerlegt werden, die stoffabhängig unterschiedlich stark absorbiert werden. Man erhält ein Spektrum, dessen Form charakteristisch für eine bestimmte Substanz oder Mischungen von Substanzen ist. Eine Möglichkeit, Licht in der gewünschten Weise zu zerlegen, bietet das sogenannte Fabry-Perot-Spektrometer, das im Kern ein Fabry-Perot- Interferometer, auch Etalon genannt, beinhaltet.
Dabei dringt ein einlaufender Lichtstrahl in das Fabry-Perot-Interferometer ein, das aus zwei gegenübergestellten planparallelen Spiegelflächen besteht, an denen das Licht mehrfach reflektiert wird. Bei jeder Reflexion wird ein Teil des Lichts transmittiert. Hinter dem Fabry-Perot-Interferometer entsteht ein
Strahlenbündel mit kohärenten Teilstrahlen, die miteinander interferieren können. Ist d der Spaltabstand zwischen den Spiegeln, lautet die Bedingung für konstruktive Interferenz 2d*cosa = rnA, wobei a der Winkel zwischen
einlaufendem Strahl und optischer Achse ist und m eine natürliche Zahl
(spektrale Ordnung) ist. Betrachtet man nur die erste Ordnung und parallel zur optischen Achse einlaufendes Licht, so wird nur Licht einer Wellenlänge l (und höhere Ordnungen) transmittiert. Durch Verändern des Abstands d lässt sich die Transmissionswellenlänge des Fabry-Perot-Interferometers variieren. Man erhält somit einen durchstimmbaren Filter, mit dem man unter Verwendung eines entsprechenden Detektors sequenziell ein Spektrum aufnehmen kann. Ist das Licht nicht exakt parallel zur optischen Achse, so können auch andere
(blauverschobene) Wellenlängen abhängig vom Einfallswinkel a transmittiert werden. Ohne zusätzliche Maßnahmen trifft das Licht verschiedener
Wellenlängen überlagert auf den Detektor. Um sie zu trennen, kann eine Linse oder allgemein eine Fokussieroptik hinter dem Fabry-Perot-Interferometer platziert werden. Dadurch werden die bei einem Abstand d transmittierten, unterschiedlichen Transmissionswellenlängen auf konzentrische Ringe in der Detektionsebene abgebildet, deren Radien vom Einfallswinkel a und der
Brennweite der Linse abhängen. Durch Verwendung einer Linse kann die spektrale Auflösung gesteigert werden und man erhält auch im statischen Fall, d. h. bei festem Abstand d, bei entsprechender Einfallswinkelverteilung ein Spektrum für einen begrenzten Spektralbereich.
In US 2002/0126279 Al ist ein miniaturisiertes Talbot-Spektrometer beschrieben. Mittels einer periodischen Struktur werden Talbot-Bilder bei unterschiedlichen Abständen der periodischen Struktur erzeugt, die von einem Detektor detektiert werden. Die abstandsabhängige Intensitätsverteilung wird fouriertransformiert, um ein Spektrum des Lichts zu bestimmen.
In DE 10121499 Al ist eine Spektroskopievorrichtung beschrieben. Hier wird der Talbot-Effekt ausgenutzt, um eine oder einzelne Moden auszuwählen, die zum Detektor gelangen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein
Spektrometer, ein Verfahren zum Herstellen eines Spektrometers, ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers, eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, und ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den
Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Fabry-Perot-Spektrometer lassen sich aufgrund ihrer flachen Bauart sehr gut miniaturisieren. Dabei sind Bauhöhen von unter einem Millimeter leicht realisierbar. Ein Problem für die Miniaturisierung ist allerdings die oben beschriebene optionale Linse, da diese für eine ausreichende Fokusqualität einer gewissen Brennweite oder numerischen Apertur bedarf. So ist bei einem
Aperturdurchmesser von 1 mm eine Brennweite von 1 mm realistisch. Möchte man die Fläche eines optischen Filters des Spektrometers vergrößern, um mehr Licht einzusammeln, sollte auch die Apertur und damit auch die Brennweite der Linse entsprechend vergrößert werden. Dies kann die Dicke des gesamten Spektrometers auf eine Größenordnung von mehreren Millimetern erhöhen, wodurch das Modul bereits für einige Anwendungen, wie beispielsweise die Integration in ein Smartphone, unattraktiv wird. Der hier beschriebene Ansatz umgeht dieses Problem durch Verzicht auf das fokussierende Element und Verlagerung der Winkelselektivität in einen entsprechend ausgebildeten
Detektor. Der Vorteil des hier beschriebenen Ansatzes besteht darin, dass durch den Einsatz eines solchen winkelsensitiven Detektors und den damit
verbundenen Wegfall einer Linse oder eines sonstigen fokussierenden Elements zwischen Detektor und optischem Filter das Spektrometer deutlich kleiner gebaut werden kann.
Es wird ein Spektrometer mit folgenden Merkmalen vorgestellt: einem optischen Filter zum Herausfiltern eines zu analysierenden
Wellenlängenbereichs aus einer elektromagnetischen Strahlung; und einem Detektor mit zumindest einem winkelsensitiven Pixel, insbesondere mehreren winkelsensitiven Pixel zum Detektieren einer Intensität einer vom optischen Filter durchgelassenen Transmissionsstrahlung abhängig von einem Einfallswinkel der Transmissionsstrahlung.
Unter einem Spektrometer kann ein Gerät zum Messen oder Darstellen eines elektromagnetischen Spektrums verstanden werden. Unter einem optischen Filter kann beispielsweise ein optischer Resonator, insbesondere ein statisches oder durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer, ein Bragg-Filter, ein
Bandpassfilter oder eine Kombination aus zumindest zwei der genannten optischen Filter verstanden werden. Unter einem Detektor kann beispielsweise eine Fotodiode, ein Fototransistor, ein CMOS- oder CCD-Sensor oder eine Anordnung aus mehreren solcher lichtempfindlichen Bauelemente verstanden werden. Unter einem winkelsensitiven Pixel, auch angle-sensitive pixel (ASP) genannt, kann ein zumindest ein Beugungsgitter aufweisendes Detektorelement des Detektors verstanden werden. Das winkelsensitive Pixel kann ausgebildet sein, um die Intensität von Lichtstrahlen unter Ausnutzung des sogenannten Talbot- Effekts abhängig von deren jeweiligen Einfallswinkeln bezüglich einer Pixeloberfläche zu detektieren. Unter einer Transmissionsstrahlung kann ein durch den optischen Filter herausgefilterter Strahlungsanteil der
elektromagnetischen Strahlung verstanden werden. Der Detektor kann beispielsweise als ein Array aus einer Mehrzahl solcher winkelsensitiver Pixel ausgeführt sein. Der optische Filter und der Detektor können beispielsweise flächig aufeinanderliegen. Insbesondere können der optische Filter und der Detektor in einem kompakten Schichtverbund miteinander verbunden sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Pixel ausgebildet sein, um die Intensität als sinusförmige Funktion des Einfallswinkels zu detektieren. Dadurch kann die Intensität mit geringem Rechenaufwand abhängig vom Einfallswinkel ermittelt werden.
Ferner kann das Pixel ein Beugungsgitter zum Erzeugen eines
Intensitätsmusters mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase unter
Verwendung der Transmissionsstrahlung und ein Sensorelement zum Erzeugen eines das Intensitätsmuster repräsentierenden Intensitätssignals unter
Verwendung des I nte ns itätsmu sters aufweisen. Unter einem Beugungsgitter, auch diffraction grating genannt, kann eine mit einer Mehrzahl von in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordneten Durchgangsöffnungen strukturierte Deck- oder Zwischenschicht des Pixels verstanden werden. Unter einem Sensorelement kann ein dem Beugungsgitter nachgeschaltetes lichtsensitives Bauelement, etwa eine Fotodiode oder ein CMOS-Sensor, verstanden werden. Das Sensorelement kann dem Beugungsgitter gegenüberliegend angeordnet sein. Unter einem Intensitätsmuster kann ein durch Beugung von Lichtstrahlen am Beugungsgitter erzeugtes
Interferenzmuster, insbesondere ein Nahfeldinterferenzmuster, auch Talbot- Effekt genannt, verstanden werden. Das Intensitätsmuster kann beispielsweise sinusförmig sein. Durch diese Ausführungsform kann das Pixel besonders kompakt ausgeführt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn das Pixel zumindest ein zwischen dem Sensorelement und dem Beugungsgitter angeordnetes Zwischengitter zum Erzeugen eines zusätzlichen Intensitätsmusters unter Verwendung des I nte ns itätsmu sters aufweist. Dabei kann das Sensorelement ausgebildet sein, um das
Intensitätssignal unter Verwendung des zusätzlichen Inte ns itätsmu sters zu erzeugen. Unter einem Zwischengitter kann ein weiteres Beugungsgitter des Pixels verstanden werden. Das Zwischengitter, auch analyzer grating genannt, kann in einem vorbestimmten Abstand zum Beugungsgitter angeordnet sein. Beispielsweise kann das Zwischengitter in einem einer sogenannten Talbot-Tiefe entsprechenden Abstand zum Beugungsgitter angeordnet sein. Das
Zwischengitter kann die gleiche oder eine ähnliche Struktur wie das
Beugungsgitter oder auch eine davon abweichende Struktur aufweisen. Durch diese Ausführungsform kann die Messgenauigkeit des Spektrometers erhöht werden.
Das Zwischengitter kann als Analysatorgitter zum Bestimmen einer
Phasenverschiebung des Intensitätsmusters ausgebildet sein. Dadurch kann eine Phasenverschiebung zwischen einem Intensitätsmuster bei senkrecht einfallender Transmissionsstrahlung und einem Intensitätsmuster bei schräg einfallender Transmissionsstrahlung bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Detektor eine Detektormatrix mit dem Pixel und zumindest einem winkelsensitiven weiteren Pixel zum
Detektieren der Intensität abhängig vom Einfallswinkel aufweisen. Dabei kann das weitere Pixel ein vom Beugungsgitter abweichendes weiteres Beugungsgitter zum Erzeugen eines weiteren Intensitätsmusters mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase unter Verwendung der Transmissionsstrahlung und ein weiteres Sensorelement zum Erzeugen eines das weitere Intensitätsmuster repräsentierenden weiteren Intensitätssignals unter Verwendung des weiteren Intensitätsmusters aufweisen. Unter einer Detektormatrix kann ein Array aus zumindest zwei winkelsensitiven Pixeln verstanden werden. Dadurch kann eine eindeutige Zuordnung zwischen Einfallswinkel und Intensität sichergestellt werden.
Von Vorteil ist auch, wenn der optische Filter als optischer Resonator ausgeführt ist. Bei dem optischen Resonator kann es sich beispielsweise um ein
durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer handeln. Dadurch kann der optische Filter in kompakter Bauform und mit geringem Aufwand bereitgestellt werden.
Der optische Filter und der Detektor können vorteilhafterweise zu einem
Schichtverbund miteinander kombiniert sein. Dadurch kann das Spektrometer besonders kompakt hergestellt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Herstellen eines Spektrometers, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst:
Kombinieren eines optischen Filters zum Herausfiltern eines zu analysierenden Wellenlängenbereichs aus einer elektromagnetischen Strahlung mit einem Detektor mit zumindest einem winkelsensitiven Pixel, insbesondere mehreren winkelsensitiven Pixel, um mittels des Pixels und/oder der Pixel eine Intensität einer vom optischen Filter durchgelassenen Transmissionsstrahlung abhängig von einem Einfallswinkel der Transmissionsstrahlung zu detektieren.
Des Weiteren schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Ansteuern des optischen Filters, um einen zu analysierenden
Wellenlängenbereich aus der elektromagnetischen Strahlung herauszufiltern; und Auswerten eines Intensitätssignals, das ein unter Verwendung eines
Beugungsgitters des Pixels und/oder der Pixel erzeugtes Intensitätsmuster mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase repräsentiert, ansprechend auf das Ansteuern, um ein Spektrum anhand des I nte ns itätsmu sters zu bestimmen.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine
Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine
magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einiesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einiesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Spektrometers gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Spektrometers gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels aus den Figuren 1 und 2;
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung eines Intensitätsmusters bei senkrechtem Lichteinfall, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung eines Intensitätsmusters bei schrägem Lichteinfall, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels gemäß einem Ausführungsbeispiel bei senkrechtem Lichteinfall; Fig. 7 eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels aus Fig. 6 bei schrägem Lichteinfall;
Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung von Intensitätsmustern bei verschiedenen Einfallswinkeln und bei verschiedenen Gitterparametern, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines
Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines
Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Spektrometer 100, beispielsweise ein
Mikrospektrometer, umfasst einen optischen Filter 102 zum Herausfiltern eines zu analysierenden Wellenlängenbereichs aus einer elektromagnetischen
Strahlung. Beispielhaft ist der optische Filter 102 gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer ausgeführt. Der optische Filter 102 ist mit einem winkelsensitiven Detektor 104 mit zumindest einem winkelsensitiven Pixel 106 verbunden. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel sind der optische Filter 102 und der Detektor 104
miteinander zu einem Schichtverbund kombiniert, wobei der optische Filter 102 direkt auf eine Oberfläche des Detektors 104 aufgebracht ist und das
winkelsensitive Pixel 106 dem optischen Filter 102 gegenüberliegt. Das Pixel 106 ist ausgebildet, um eine Intensität einer vom optischen Filter 102
durchgelassenen Transmissionsstrahlung abhängig von einem Einfallswinkel der Transmissionsstrahlung beim Auftreffen auf das Pixel 106 zu detektieren. Durch die Verwendung des winkelsensitiven Detektors 104 kann eine zusätzliche, dem optischen Filter 102 nachgeschaltete Linse entfallen. Dadurch kann das
Spektrometer 100 besonders kompakt gefertigt werden.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Größe und damit die lichtsammelnde Fläche des optischen Filters 102 nur durch den Detektor 104 bestimmt. Der Detektor 104 hat beispielsweise eine Ausdehnung von mehreren Millimetern.
Optional ist auf dem optischen Filter 102 ein weiterer Filter 108 zur
Unterdrückung unerwünschter Wellenlängen, beispielsweise höherer
Transmissionsordnungen, angeordnet. Ein ebenfalls optionaler optischer Diffusor 110 stellt sicher, dass das einfallende Licht eine gewisse Winkelverteilung besitzt. Der optische Diffusor 110 ist dem weiteren Filter 108 vorgeschaltet und beispielsweise direkt auf diesen aufgebracht.
Die Transmissionscharakteristik des Fabry-Perot-Interferometers, d. h. die Transmissionswellenlänge als Funktion des Einfallswinkels bei einem
bestimmten Spiegelabstand d, wird als bekannt vorausgesetzt und kann simuliert oder gemessen werden. Da der Detektor 104 eine Zuordnung von transmittierter Lichtintensität und Einfallswinkel durchführt, kann das Gesamtsystem eine Zuordnung von Wellenlänge bzw. Einfallswinkel und Intensität durchführen, also ein Spektrum berechnen für denjenigen Teil des Lichts, der für alle Einfallswinkel beim eingestellten Spiegelabstand transmittiert wird. Hierzu sind weder fokussierende noch winkeleinschränkende Elemente erforderlich. Der optionale Diffusor 110 stellt sicher, dass eine ausreichend große Winkelverteilung der Lichtstrahlen auf dem Fabry-Perot-Interferometer existiert, beispielsweise bei spekular reflektiertem Licht oder kollimiertem einfallendem Licht.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das in Fig. 2 gezeigte Spektrometer 100 ist ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten Spektrometer in mehreren Schichten aufgebaut, mit dem Unterschied, dass der optische Filter 102 gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht als durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer, sondern als eine Matrix aus unterschiedlichen optischen Filtern ausgeführt, beispielsweise aus statischen Fabry-Perot-Interferometern oder Bragg- Filtern, die als winkelabhängige
Bandpassfilter dienen und mehrere kleinere Wellenlängenbereiche abdecken. Möglich sind auch andere Filter wie etwa linear variable Filterelemente. Die Transmissionsspektren dieser einzelnen Filter sind entweder disjunkt oder überlappen einander teilweise. Wie in Fig. 1 weist das Spektrometer 100 gemäß Fig. 2 den optionalen weiteren Filter 108 sowie den optionalen optischen Diffusor 110 auf.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist beispielhaft das vorangehend anhand von Fig. 1 beschriebene Pixel in vergrößerter Darstellung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Pixel 106 einen schichtartigen Aufbau mit einem Beugungsgitter 300 als Deckschicht, einem Sensorelement 302, hier beispielhaft einer Fotodiode, und einem zwischen dem Beugungsgitter 300 und dem Sensorelement 302 angeordneten weiteren Beugungsgitter als
Zwischengitter 304 auf. Die beiden Beugungsgitter 300, 304 sind in einem vorgegebenen senkrechten Gitterabstand z zueinander angeordnet und weisen je eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 306 zum Durchlässen bzw. Beugen der Transmissionsstrahlung auf. Die Durchgangsöffnungen 306 sind in einem Gitterabstand d zueinander angeordnet. Der Gitterabstand d ist je nach
Ausführungsbeispiel für beide Beugungsgitter 300, 304 identisch oder unterschiedlich gewählt. Auch die Phase sowie die Orientierung der
Beugungsgitter können variieren. Die Durchgangsöffnungen 306 der beiden Beugungsgitter 300, 304 sind beispielsweise horizontal zueinander versetzt. Alternativ liegt je einer Durchgangsöffnung 306 des Beugungsgitters 300 je eine Durchgangsöffnung 306 des Zwischengitters 304 gegenüber.
Das Beugungsgitter 300 ist ausgebildet, um die einfallende
Transmissionsstrahlung je nach Einfallswinkel unterschiedlich stark zu beugen und dadurch ein beispielsweise sinusförmiges Intensitätsmuster mit einer vom jeweiligen Einfallswinkel abhängigen Phasenlage zu erzeugen. Das
Sensorelement 302 ist ausgebildet, um das Intensitätsmuster in ein
entsprechendes elektrisches Intensitätssignal 306 umzusetzen, das
beispielsweise zur Aufnahme eines Spektrums weiterverarbeitet wird.
Das Zwischengitter 304 dient dabei als Analysatorgitter, um eine
Phasenverschiebung eines bei schrägem Lichteinfall erzeugten Intensitätsmusters gegenüber einem bei senkrechtem Lichteinfall erzeugten Intensitätsmuster zu detektieren.
Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Design des winkelsensitiven Pixels 106. Dabei wird das Beugungsgitter 300, auch diffraction grating genannt, genutzt, um ein Nahfeldinterferenzmuster zu erzeugen, auch Talbot-Effekt genannt. Dieses periodische Muster besitzt bei einem bestimmten Abstand, der sogenannten Talbot-Tiefe, die gleiche räumliche Frequenz wie das erzeugende Gitter und ändert die Phase bei schräg einfallendem Licht in entsprechender Weise. Das Zwischengitter 304 wird als Analysatorgitter, auch analyzer grating genannt, genutzt, um den Einfallswinkel des Lichts zu detektieren.
Das Spektrometer 100 ist beispielsweise als Kombination eines Fabry-Perot- Etalons oder eines ähnlich wirkenden optischen Filters mit dem winkelsensitiven Detektor 104 realisiert. Ein solcher Detektor kann auch als lensless imager oder planar fourier capture array bezeichnet werden. Der Detektor verfügt über eines oder mehrere winkelsensitive Pixel 106, deren Lichtsensitivität eine sinusförmige Funktion des Einfallswinkels beschreibt. Hierbei handelt es sich um ein System, das ohne Verwendung einer Linse oder eines ähnlichen fokussierenden
Elements Rückschlüsse auf die Propagationsrichtung einfallender Strahlen erlaubt.
Das Beugungsgitter 300 erzeugt ein winkelabhängiges Nahfeldbeugungsmuster. Bei der Talbot-Tiefe hat diese Intensitätsverteilung die gleiche Frequenz wie das Beugungsgitter 300, ist sinusförmig und verschiebt sich mit variierendem
Einfallswinkel. Um die resultierende Phasenverschiebung zu messen, wird das Analysatorgitter benutzt, sodass eine winkelabhängige Fluktuation der
Gesamtintensität auf dem Sensorelement 302 resultiert, wie in den Figuren 6, 7 und 8 zu erkennen.
Fällt Licht mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf ein solches Pixel 106, kann die Zuordnung von Intensität und Einfallswinkeln unter Umständen nicht eindeutig sein. Um dem entgegenzuwirken, wird das Pixel mit unterschiedlich geformten Gittern zu einer Detektormatrix vereint. Die finale Zuordnung von Einfallsrichtung und Intensität erfolgt durch numerische Nachverarbeitung. Der Detektor 104 ist beispielsweise in einem gewöhnlichen CMOS-Prozess herstellbar und eignet sich somit gut für die Massenfertigung. Ein besonderer Vorteil der Kombination eines solchen winkelsensitiven Detektors mit einem Fabry-Perot-Interferometer ist der Wegfall optischer Elemente zur Selektion der Einfallswinkel oder der Wellenlängen, was eine drastische Reduktion der Bauhöhe ermöglicht. Des Weiteren kann das gesamte System in einem
Halbleiterprozess hergestellt werden, da ein zusätzliches Bestücken mit optischen Elementen wegfällt, was einen Kosten- und Robustheitsvorteil mit sich bringt.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm 400 zur Darstellung eines I nte ns itätsmu sters bei senkrechtem Lichteinfall, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa durch das vorangehend anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebene Pixel. Bei einem Einfallswinkel von 0 Grad einfallende ebene Wellen 402 erzeugen hier ein sinusförmiges Intensitätsmuster mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm 500 zur Darstellung eines Intensitätsmusters bei schrägem Lichteinfall, erzeugt durch ein winkelsensitives Pixel 106 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier mit einem von 0 Grad verschiedenen Einfallswinkel einfallenden Wellen 402 erzeugen ein Intensitätsmuster, das im Vergleich zum Intensitätsmuster bei senkrechtem Lichteinfall phasenverschoben ist.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines winkelsensitiven Pixels 106 bei senkrechtem Lichteinfall. Im Unterschied zu den Figuren 4 und 5 weist das Pixel 106 gemäß diesem Ausführungsbeispiel das als Analysatorgitter fungierende Zwischengitter 304 auf.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des winkelsensitiven Pixels 106 aus Fig. 6 bei schrägem Lichteinfall, hier beispielhaft bei einem Einfallswinkel von 10 Grad. Aus den Figuren 6 und 7 ist ersichtlich, dass es durch Hinzufügen eines zweiten Gitters zu einer vom Einfallswinkel abhängigen Gesamt-Intensitätsmodulation auf dem Pixel 106 kommt.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm zur Darstellung von Intensitätsmustern bei
verschiedenen Einfallswinkeln, erzeugt durch vier winkelsensitive Pixel gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei denen Beugungsgitter 300 und Zwischengitter 304 zueinander unterschiedliche Phasen aufweisen. Ein Diagramm 800 zeigt beispielhaft vier Intensitätsmuster für Einfallswinkel zwischen -20 ° und 20 °, die je einem von vier Phasenwinkeln a = 0, a = tt/2, a = p, a = 3tt/2 zwischen Beugungsgitter 300 und Zwischengitter 304 zugeordnet sind.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 900 zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines
vorangehend anhand der Figuren 1 bis 8 beschriebenen Spektrometers. Die Vorrichtung 900 umfasst eine Ansteuereinheit 910 zum Bereitstellen eines Ansteuersignals 912, das zur Ansteuerung des optischen Filters, d. h. zum Einstellen eines mittels des Spektrometers zu analysierenden
Wellenlängenbereichs, dient. Eine Auswerteeinheit 920 wertet unter Verwendung des Ansteuersignals 912 das Intensitätssignal 306 aus, um anhand des dadurch repräsentierten Intensitätsmusters ein Spektrum aufzunehmen. Dabei erzeugt die Auswerteeinheit 920 ein das Spektrum repräsentierendes Auswerteergebnis 922.
Fig. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa des vorangehend anhand der Figuren 1 bis 9 beschriebenen Spektrometers. Dabei erfolgt in einem Schritt 1010 die Ansteuerung des optischen Filters, um den zu analysierenden Wellenlängenbereich am optischen Filter einzustellen. In einem weiteren Schritt 1020 erfolgt die Auswertung des Intensitätssignals, um ein Spektrum anhand des dadurch repräsentierten I nte ns itätsmu sters aufzunehmen.
Fig. 11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Herstellen eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa des vorangehend anhand der Figuren 1 bis 10 beschriebenen Spektrometers. Dabei werden in einem optionalen vorbereitenden Schritt 1110 der optische Filter und der Detektor gebildet, beispielsweise in einem Halbleiterprozess. In einem weiteren Schritt 1120 werden der optische Filter und der Detektor zum Spektrometer miteinander kombiniert. Dabei wird beispielsweise der optische Filter direkt auf den Detektor aufgebracht. Beispielsweise kann im Schritt 1110 der optische Filter durch Aufbringen auf den Detektor gebildet werden oder umgekehrt der Detektor durch Aufbringen auf den optischen Filter gebildet werden, sodass das Bilden des Schichtverbunds mit dem Bilden zumindest eines der beiden Komponenten des Spektrometers einhergeht. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Spektrometer (100) mit folgenden Merkmalen: einem optischen Filter (102) zum Herausfiltern eines zu analysierenden Wellenlängenbereichs aus einer elektromagnetischen Strahlung; und einem Detektor (104) mit zumindest einem winkelsensitiven Pixel (106), insbesondere mehreren winkelsensitiven Pixel (106) zum Detektieren einer Intensität einer vom optischen Filter (102) durchgelassenen Transmissionsstrahlung (402) abhängig von einem Einfallswinkel der Transmissionsstrahlung (402).
2. Spektrometer (100) gemäß Anspruch 1, bei dem das Pixel (106)
ausgebildet ist, um die Intensität als sinusförmige Funktion des
Einfallswinkels zu detektieren.
3. Spektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Pixel (106) ein Beugungsgitter (300) zum Erzeugen eines Intensitätsmusters mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase unter Verwendung der Transmissionsstrahlung (402) und ein
Sensorelement (302) zum Erzeugen eines das Intensitätsmuster repräsentierenden Intensitätssignals (306) unter Verwendung des Intensitätsmusters aufweist.
4. Spektrometer (100) gemäß Anspruch 3, bei dem das Pixel (106)
zumindest ein zwischen dem Sensorelement (302) und dem
Beugungsgitter (300) angeordnetes Zwischengitter (304) zum Erzeugen eines zusätzlichen Intensitätsmusters unter Verwendung des
Intensitätsmusters aufweist, wobei das Sensorelement (302) ausgebildet ist, um das Intensitätssignal (306) unter Verwendung des zusätzlichen Intensitätsmusters zu erzeugen.
5. Spektrometer (100) gemäß Anspruch 4, bei dem das
Zwischengitter (304) als Analysatorgitter zum Bestimmen einer
Phasenverschiebung des I nte ns itätsmu sters ausgebildet ist.
6. Spektrometer (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der Detektor (104) eine Detektormatrix mit dem Pixel (106) und zumindest einem winkelsensitiven weiteren Pixel zum Detektieren der Intensität abhängig vom Einfallswinkel aufweist, wobei das weitere Pixel ein vom Beugungsgitter (300) abweichendes weiteres Beugungsgitter zum Erzeugen eines weiteren Intensitätsmusters mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase unter Verwendung der Transmissionsstrahlung (402) und ein weiteres Sensorelement zum Erzeugen eines das weitere Intensitätsmuster repräsentierenden weiteren Intensitätssignals unter Verwendung des weiteren Intensitätsmusters aufweist.
7. Spektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der optische Filter (102) als optischer Resonator ausgeführt ist.
8. Spektrometer (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der optische Filter (102) und der Detektor (104) zu einem
Schichtverbund miteinander kombiniert sind.
9. Verfahren (1100) zum Herstellen eines Spektrometers (100), wobei das Verfahren (1100) folgenden Schritt umfasst:
Kombinieren (1120) eines optischen Filters (102) zum Herausfiltern eines zu analysierenden Wellenlängenbereichs aus einer
elektromagnetischen Strahlung mit einem Detektor (104) mit zumindest einem winkelsensitiven Pixel (106), insbesondere mehreren
winkelsensitiven Pixel (106), um mittels des Pixels (106) und/oder der Pixel (106) eine Intensität einer vom optischen Filter (102)
durchgelassenen Transmissionsstrahlung (402) abhängig von einem Einfallswinkel der Transmissionsstrahlung (402) zu detektieren.
10. Verfahren (1000) zum Betreiben eines Spektrometers (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren (1000) folgende Schritte umfasst:
Ansteuern (1010) des optischen Filters (102), um einen zu
analysierenden Wellenlängenbereich aus der elektromagnetischen Strahlung herauszufiltern; und
Auswerten (1020) eines Intensitätssignals (306), das ein unter
Verwendung eines Beugungsgitters (300, 304) des Pixels (106) und/oder der Pixel (106) erzeugtes Intensitätsmuster mit einer vom Einfallswinkel abhängigen Phase repräsentiert, ansprechend auf das Ansteuern (1010), um ein Spektrum anhand des I nte ns itätsmu sters zu bestimmen.
11. Vorrichtung (900) mit Einheiten (910, 920), die ausgebildet sind, um das Verfahren (1000) gemäß Anspruch 10 auszuführen und/oder anzusteuern.
12. Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (1000) gemäß Anspruch 10 auszuführen und/oder anzusteuern.
13. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist.
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