WO2020030421A1 - Spektrometer und verfahren zur kalibrierung des spektrometers - Google Patents

Spektrometer und verfahren zur kalibrierung des spektrometers Download PDF

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WO2020030421A1
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light
emitting diode
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Martin HUSNIK
Martin DINSER
Marc Schmid
Dominik Uhlich
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • NIR near infrared
  • Luminescent element comprises, wherein radiation emitted by the LED after passing through the luminescent element illuminates a sample which is to be examined spectroscopically.
  • LEDs light-emitting diodes
  • phosphor lamp
  • the LED usually emits blue light in the
  • Wavelength range from about 450 nanometers (nm) to 470 nm, with a
  • a passive yellow-emitting phosphor often also called phosphorus, for example consisting of cerium-doped yttrium aluminum garnet (J Li et al .: A new rare-earth-free hybrid phosphor for efficient solid-state lighting, ACS Annual Conference Boston, 2015).
  • the illuminant partially converts the incident blue light from the LED into a broad spectrum of yellow light. The mixture of blue light and the broad yellow light spectrum is ultimately perceived as white light.
  • blue-emitting LEDs provide the basis for the so-called "downconversion" of light to lower energies in the illuminant.
  • color quality represented by the correlated color temperature and color rendering index
  • color temperature can be adapt flexibly to specific applications and are determined, among other things, by the ratio of non-converted blue light and converted phosphor spectrum.
  • the non-converted blue light from the LED contributes to the color effect of the illuminant.
  • only the light portion converted by the illuminant is used.
  • the sample to be analyzed i.e. H. the too
  • spectrometric measuring range coming spectrum is recorded and evaluated. Frequently measurements with spectrometers are in one
  • Broadband light sources are used for the spectrometry, which cover the entire relevant spectral range, which is to be taken into account in the measurement, with an intensity that is as constant as possible or as constant as possible
  • the invention relates to a spectrometer and method for calibrating the
  • Power calibration can be implemented in a simple manner.
  • a spectrometer according to claim 1, which is an illumination device for illuminating a spectrometric
  • the lighting device comprises a light-emitting diode with a first central wavelength, which is set up to emit a first electromagnetic radiation with a first spectrum. Furthermore, the lighting device comprises a luminescent element for converting a first portion of the first electromagnetic radiation with the first spectrum into a second electromagnetic radiation with a second spectrum.
  • the spectrometer is characterized in that the first central wavelength of the light-emitting diode has 550 nanometers (nm) or 3000 nm or a value between 550 nm and 3000 nm, and that the first spectrum and the second spectrum have an overlap.
  • the emission spectrum of the illumination device of the spectrometer which is used to illuminate the spectrometric measuring range for the
  • One advantage is that a spectrometer with an illuminating device is thus provided, the illuminating device covering a broad spectral range in the near-infrared wavelength range with a power that is as constant as possible, since the spectrum of the LED is already used for the partial conversion by the luminescent element
  • Spectrometry includes usable wavelength ranges. Due to the high intensity of the electromagnetic radiation emitted by the lighting device, a high signal-to-noise ratio (SNR, Signal to Noise Ratio) be realized, which increases the sensitivity and accuracy of the SNR, Signal to Noise Ratio
  • Spectrometer can advantageously be increased. Furthermore, both the electromagnetic radiation emitted by the light-emitting diode and transmitted by the luminescent element, i. H. the illuminant, but not converted into light of higher wavelengths, as well as the second electromagnetic radiation converted by the illuminant contribute to the usable wavelength range of the spectrometer. That is, in particular that the electromagnetic radiation emitted by the light-emitting diode, which is not converted into light of higher wavelengths by the light-emitting means, after striking the
  • spectrometric measuring range still has a sufficiently high intensity that it can be detected by the detection unit and thus also spectral information of the spectrometric measuring range from this
  • Wavelength range can be reliably detected and evaluated if necessary. This is particularly advantageous for Fourier transformation spectrometers, since they can be used over a large wavelength range due to the technology.
  • Illumination device for spectrometry applications can be increased.
  • Very high light intensities can pose a risk to eye safety.
  • the eye can be damaged by thermal or photochemical effects.
  • Blue light (wavelength between 400nm and 500nm) has a much higher risk potential with regard to thermal and photochemical eye damage than light of higher wavelengths (e.g. red light or NIR light).
  • red light or NIR light Another advantage is therefore that the spectrometer also ensures safe use
  • the first central wavelength of the light-emitting diode can have 550 nanometers (nm) or 1000 nm or a value between 550 nm and 1000 nm.
  • the first central wavelength of the light-emitting diode can have 760 nm or 2500 nm or a value between 760 nm and 2500 nm.
  • the first central wavelength of the light-emitting diode can have 610 nm or 3000 nm or a value between 610 nm and 3000 nm.
  • the first central wavelength of the light-emitting diode can have 610 nm or 1000 nm or a value between 610 nm and 1000 nm.
  • Red-emitting light-emitting diodes with central wavelengths of approximately 625 nm to 700 nm are very efficient in converting electrical power into optical power.
  • GaAs-based material systems with central wavelengths up to 1020 nm can be manufactured much cheaper than InGaAs-based systems, which would have to be used for the wavelength range greater than 1020 nm.
  • the light-emitting diode is, in particular, an LED which emits light in the red or near-infrared wavelength range.
  • the Red is, in particular, an LED which emits light in the red or near-infrared wavelength range.
  • Wavelength range includes wavelengths between 610 nm and 760 nm, including 610 nm and 760 nm.
  • the near infrared wavelength range includes wavelengths from 760 nm to 3000 nm, including the interval limits.
  • the color of an LED depends in particular on the semiconductor material used or the bandgap of the semiconductor material. Red LEDs can be aluminum gallium arsenide (AIGaAs), gallium phosphide (GaP),
  • Gallium arsenide phosphide GaAsP
  • aluminum gallium indium phosphide AIGalnP
  • Near-infrared LEDs can, for example
  • AIGaAs Aluminum gallium arsenide
  • GaAs gallium arsenide
  • the spectrum of an LED can usually be described in good approximation by a Gaussian function.
  • the spectrum of a light emitting diode is usually expressed by a single wavelength, for example a central wavelength of the LED.
  • the central wavelength describes the wavelength which lies in the middle between two points (wavelengths) with a spectral density of 50% of the peak of the spectrum, ie 50% of the maximum of the spectrum.
  • the central wavelength corresponds exactly to the wavelength at which the spectrum is at its maximum.
  • the luminescent element can comprise one or more illuminants.
  • illuminants can be found in “Sunlight-activated long-persistent luminescence in the near-infrared from Cr3 + -doped zinc
  • the luminescent element is emitted by the LED
  • Typical phosphors are based on
  • Garnets Garnets, silicates, oxynitrides or oxicarbide nitrides or nitrides or carbonitrides.
  • the luminescent element is emitted by the LED
  • an additional efficient light source can be used, which broadens the emission of the LED somewhat and whose emission range increases
  • the spectrometric measuring range can be understood to mean, for example, an object which is to be examined with regard to its spectral properties by means of the spectrometer or a section of an object, the object being able to comprise, for example, a gaseous, liquid and / or solid medium.
  • the object can have a homogeneous or a heterogeneous composition.
  • Spectral data of the spectrometric measuring range can be acquired by the electromagnetic radiation coming from the spectrometric measuring range, i. H. for example that of the spectrometric measuring range
  • Radiation is detected by the spectrometer or the detection unit of the spectrometer.
  • the lighting device and / or the detection unit can comprise the spectral element.
  • the spectral element can be designed as a separate component.
  • the spectral element can be arranged in the beam path between the lighting device and the spectrometric measuring range. Alternatively or additionally, the spectral element in the Beam path between the spectrometric measuring range and the
  • the spectral element can, for example, be a tunable Fabry-Perot interferometer (FPI), birefringent crystals and polarizers, or another wavelength-selective filter and optionally optical lenses, optical apertures, microlenses,
  • FPI Fabry-Perot interferometer
  • birefringent crystals and polarizers or another wavelength-selective filter and optionally optical lenses, optical apertures, microlenses,
  • Microlens arrays, beam splitters, mirrors, micromirrors, etc. include.
  • the spectrometer can be designed, for example, as a static or movable Fourier transformation spectrometer or as a Fabry-Perot spectrometer.
  • the illumination device, the spectral element and the detection unit of the spectrometer can, for example, be arranged in a transmission geometry or in a reflection geometry.
  • transmission measurements in particular electromagnetic radiation is detected, which was transmitted by the spectrometric measuring range to be examined, the transmitted electromagnetic radiation having spectral information about the spectrometric measuring range.
  • the transmitted electromagnetic radiation can be detected in a wavelength-selective manner by means of the spectral element and the detection unit and provide information about the spectral composition of the spectrometric measuring range.
  • the illumination device and the detection unit are arranged on sides facing away from one another with respect to the spectrometric measuring range.
  • the reflected electromagnetic radiation In reflection measurements, in particular electromagnetic radiation, which was reflected by the spectrometric measuring range to be examined, is recorded, the reflected electromagnetic radiation having spectral information about the spectrometric measuring range.
  • the reflected electromagnetic radiation can be detected in a wavelength-selective manner and provides information about the spectral composition of the
  • the detection unit being arranged such that in particular the electromagnetic radiation coming from the lighting device and reflected by the spectrometric measuring range hits the detection unit and can be detected by the latter.
  • the detection unit can comprise a detector element or a detector array which comprises a plurality of detector elements.
  • Detector element can be a radiation sensor based for example on silicon (Si), germanium (Ge), germanium on silicon, indium gallium arsenide (InGaAs),
  • Lead selenite (PbSe) can be used.
  • PbSe Lead selenite
  • Radiation sensors can be a function of a property of those striking the radiation sensor
  • Radiation sensors can measure, for example, an intensity or an energy flux density of the electromagnetic radiation coming from the spectrometric measuring range.
  • the detection unit can be designed to detect the detection signal coming from the spectrometric measuring range
  • the spectral data can be, for example, a spectrum or
  • Data include an intensity curve, which is plotted over the wavelength, the time or over the location, or a curve of an electrical signal.
  • the detection signal can comprise, for example, an electrical signal.
  • spectral information can be obtained using a
  • reference spectra or sections of reference spectra from which the detection signal is determined can be carried out in the spectrometer, in a mobile terminal which comprises the spectrometer and / or in an externally arranged one with respect to the spectrometer
  • Evaluation unit for example a cloud.
  • the mobile terminal can include a computing unit which is set up for processing signals or data, a storage unit which is set up for storing signals or data, a communication interface for reading in and / or outputting data and a display unit which is set up for this
  • the computing unit can comprise, for example, a processor or a microcontroller.
  • the Communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or via line.
  • the mobile terminal can be a smartphone, in the storage unit of which a software application (app) can be stored or the app can be downloadable or available online.
  • the app can be set up to carry out a measurement using the spectrometer.
  • the measurement results or results of a spectrometric evaluation of the measurement results can be output to the user, for example, via a display unit of the mobile terminal.
  • Possible display units are, for example, displays or loudspeakers by means of which optical, haptic or acoustic outputs can take place.
  • the result of the spectrometric evaluation ie spectral information of the spectrometric measuring range, can, for example, provide information about a chemical
  • Measuring range or an identification of the spectrometric measuring range is Measuring range or an identification of the spectrometric measuring range.
  • the spectrometer is characterized in that the luminescent element is arranged on the light-emitting diode.
  • the luminescent element can be arranged as a layer directly on the light-emitting diode.
  • the luminescent element can be arranged on a separate carrier as a so-called “remote phosphor”.
  • a separate carrier as a so-called “remote phosphor”.
  • the carrier can be, for example
  • Holding structure or include an optical element, such as an optical lens, a diffuser or a directional diffuser.
  • a directional diffuser is a diffuser with a technically adapted scattering characteristic.
  • the luminescent element can have at least one further illuminant for converting the first portion of the first comprise electromagnetic radiation with the first spectrum into a third electromagnetic radiation with a third spectrum and comprise a first illuminant for converting the third electromagnetic radiation with the third spectrum into the second electromagnetic radiation with the second spectrum.
  • spectrometric measurement usable wavelength range can be realized.
  • the lighting device comprises a
  • SMD surface-mount device.
  • an optical element can be arranged on or in the housing, in particular the SMD housing, which influences the propagation of light.
  • the optical element can have at least one of the following components and / or several of the same type
  • Light propagation of the lighting device can be optimized for spectrometry.
  • the detection unit can comprise a computing unit which is set up to detect a spectrum by means of the electromagnetic radiation coming from the spectrometric measuring range and / or spectral information of the spectrometric
  • the spectrometer is a miniature spectrometer.
  • the miniature spectrometer is a spectrometer which has dimensions in the centimeter range, in particular in the range of less than 10 cm and more than 1 cm or less.
  • the miniature spectrometer is greater than or equal to 1 cm 3 and less than or equal to 1000 cm 3 .
  • the miniature spectrometer can also be less than or equal to 1 cm 3 and greater than or equal to 0.01 cm 3 .
  • the miniature spectrometer can also be less than or equal to 100 cm 3 and greater than or equal to 0.01 cm 3 .
  • One advantage is that an efficient, compact, portable spectrometer can be provided.
  • Wavelength calibration of the detection unit is used.
  • Excitation wavelength that is to say the first central wavelength of the light-emitting diode. Since the detection unit for
  • Wavelength range is sensitive and due to the fact that the first
  • the detection unit can emit the LED
  • the method is characterized in that the emitted intensity of the light-emitting diode is used for
  • Power calibration is used as a power reference for the spectrometric measurement.
  • An advantage in addition to the advantages mentioned for the spectrometer is that the reliability of the measurement results of the spectrometer can thus be increased.
  • FIG. 1 shows a cross section of a lighting device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a cross section of a lighting device according to an exemplary embodiment
  • Fig. 4 shows an excitation spectrum of a light emitting diode
  • FIG. 5 shows a sketch of a first spectrum of a light-emitting diode and a second spectrum of a luminescent element in a common one
  • a spectrometer 1000 comprises an illumination device 100 for
  • electromagnetic radiation 1004 and a spectral element 105 which in the beam path between the lighting device 100 and the
  • Detection unit 106 is arranged.
  • FIG. 1 shows a cross section of the lighting device 100 according to one
  • a light-emitting diode 102 is arranged on a substrate 101.
  • the substrate 101 has a depression in which the light-emitting diode 102 is arranged.
  • the luminescent element 103 is arranged in the depression on the light-emitting diode 102.
  • the light-emitting diode 102 with a first central wavelength 1001 “is set up to emit a first electromagnetic radiation 1001 with a first spectrum 2001, the first spectrum being, for example, the one in FIG Fig. 3 shown Gaussian course.
  • the first electromagnetic radiation 1001 with a first spectrum 2001 the first spectrum being, for example, the one in FIG Fig. 3 shown Gaussian course.
  • Radiation 1001 passes through the luminescent element 103, the luminescent element 103 being set up to convert a first portion 1001 ′ of the first electromagnetic radiation 1001 into a second electromagnetic radiation 1002 with a second spectrum 2002. That is to say that the luminescent element 103 comprises at least one illuminant which can be excited by the first electromagnetic radiation 1001 to emit the second electromagnetic radiation 1002. Not all energy states of charge carriers are allowed in the illuminant. That is why one often speaks of electronic bands or band structures, which define which energies different charge carriers can and which cannot. In addition, energetic bands or states can be created in these band structures through the targeted introduction of foreign atoms (also called activators).
  • the basic mode of operation of the luminescent element 103 is based on the physical principle of luminescence.
  • the light is generated here by exciting an electron with the energy of the first electromagnetic radiation 1001 impinging on the luminescent element 103.
  • the electron is transported from a low energy state (valence band) to a higher energy state (generated by activators) or the so-called conduction band. This process also creates a hole in the valence band. After a certain time, the electron releases its energy again with the emission of light and returns to the valence band.
  • the second spectrum 2002 of the second electromagnetic radiation 1002 converted in this way depends on the band structure of the illuminant and on the activators.
  • a second portion 1001 of the first electromagnetic radiation 1001 impinging on the luminescent element 103 As a result, the electron is transported from a low energy state (valence band) to a higher energy state (generated by activators) or the so-called conduction band. This process also creates a hole in the valence band. After
  • Electromagnetic radiation 1001 passes through the luminescent element 103 without being converted.
  • the emission spectrum 1003 of the lighting device thus results from a superimposition of the spectrum of the non-converted second portion 1001 of the first electromagnetic radiation 1001 and the second spectrum 2002 of the converted first portion 1001 ', i.e. H. of the second electromagnetic radiation 1002.
  • Embodiment is shown in Fig. 6.
  • the light-emitting diode 102 can also be arranged on a substrate without a depression and the luminescent one Element 103, which acts as the illuminant of the lighting device, can be applied to the light-emitting diode 102, for example as a layer or coating.
  • a difference between the embodiment shown in FIG. 1 and the embodiment shown in FIG. 2 is that the luminescent element 103 in FIG. 1 is arranged directly on the light-emitting diode 102, while the luminescent element 103 in FIG. 2 as so-called "remote phosphor" is arranged on a separate carrier 10T.
  • the luminescent element 103 is held at a distance from the carrier 10T from the light-emitting diode 102.
  • the carrier 10T holds the luminescent element 103 at a distance above the substrate 101.
  • the light-emitting diode 103 is arranged on the substrate 101 between the luminescent element 103 and the substrate 101.
  • the light emitting diode 103 can be arranged in a housing, for example an SMD housing.
  • at least one optical element eg diffuser, directional diffuser, reflector, mirror, micromirror, optical lens
  • the luminescent element 103 is usually applied to the light-emitting diode 103, as shown for example in FIG. 1, as “remote phosphor” on a separate carrier 10T, as shown for example in FIG. 2, or can e.g. also be arranged or applied on the optical element.
  • optical elements can be attached to the housing or in the beam path between the LED housing and the spectrometric measuring range.
  • the diffusion of light from the light source can be optimized for spectrometry using a diffuser or directional diffuser or a (further) optical lens.
  • the first spectrum 2001 i. H. an emission spectrum of the light emitting diode 102 before a portion of the first
  • the electromagnetic radiation 1001 is converted by the luminescent element 103, outlined.
  • the wavelength is plotted on the x-axis 200 and the intensity or spectral radiation density is plotted on the y-axis 201.
  • the first spectrum 2001 has a course similar to a Gaussian function.
  • the 2001 spectrum of light emitting diodes is usually represented by a single wavelength, for example, a central wavelength 1001 "of the light emitting diode 102.
  • the central wavelength 1001 "describes the wavelength which lies in the middle between two points (wavelengths) with a spectral density of 50% of the peak of the spectrum, ie 50% of the maximum of the spectrum.
  • a symmetrical spectrum such as the first spectrum 2001 shown in FIG. 3, the corresponds to
  • Central wavelength 1001 adjust the wavelength at which the spectrum is maximum.
  • FIG. 4 shows an excitation spectrum 20 of a light-emitting diode and an emission spectrum 2002 of a light source, as described in the prior art, the excitation spectrum and the emission spectrum not having any overlap.
  • the illuminant used here is excited with blue light (central wavelength 10 'of, for example, 460 nm, 490 nm or a value between 460 nm and 490 nm) and then emits electromagnetic radiation in the near infrared range, in particular in the range from 700 nm to 1050 nm.
  • a part of the blue light is not converted and therefore remains in the emission spectrum of a lighting device with a blue LED and the illuminant described in this example from the prior art, this light component outside the
  • Wavelength interval 2000 which is usually recorded in a spectrometric measurement.
  • the first spectrum 2001 i. H. an emission spectrum of the light-emitting diode 102, which acts as an excitation spectrum for the luminescent element 103
  • the second spectrum 2002 which describes the emission spectrum of the luminescent element 103 after excitation by the first electromagnetic radiation 100T, in a common coordinate system according to one exemplary embodiment.
  • the wavelength is plotted on the x-axis 200 and the intensity or spectral radiation density is plotted on the y-axis 201.
  • a wavelength range 2000 is entered on the x-axis, which for the
  • Spectrometry is usable. Typical wavelength intervals within which a significant photocurrent is generated are 400 nm to 1100 nm for silicon-based photodetectors, and for indium-gallium-arsenide (lno . 53Gao . 47As)
  • the first central wavelength 1001 “of the light-emitting diode 102 is in this case
  • Wavelength interval 2000 which can be used for spectrometry.
  • the first spectrum 2001 and the second spectrum 2002 have an overlap 2000 '. This makes it possible, in particular, in addition to
  • Emission spectrum 2002 of the luminescent element 103 also use the spectrum of the light-emitting diode 102 for the spectrometry.
  • the curve shape of the second spectrum 2002 depends in particular on the chemical composition of the luminescent element 103.
  • the spectrometer 1000 comprises the illumination device 100, the
  • light-emitting diode 102 has the first central wavelength with a value of 630 nm and a near-infrared phosphor as
  • Luminescent element 103 is used, which emits the second electromagnetic radiation 1002 with the second spectrum 2002 with wavelengths in the range from 700 nm to 1 100 nm.
  • Typical phosphors are based, for example, on garnets, silicates, oxynitrides or oxicarbide nitrides or nitrides or carbonitrides.
  • Emission spectrum 2004 of the lighting device 100 includes in this
  • the entire emission spectrum 2004 thus lies in the wavelength interval 2000 that can be used for spectrometry, and points in this
  • Wavelength range has an approximately constant power, in particular electromagnetic radiation is all in the usable wavelength interval 2000
  • Wavelengths with sufficient power are directed at an object which is to be examined spectrometrically, so that the reliability of the measurement results of the detection unit 106 for the wavelengths of the wavelength interval 2000 can be increased.
  • the first central wavelength 1001 ′′ of the light-emitting diode 103 can have, for example, 550 nanometers (nm) or 1000 nm or a value between 550 nm and 1000 nm.
  • the first central wavelength 1001 “of the light-emitting diode 102 can have 760 nm or 2500 nm or a value between 780 nm and 2500 nm.
  • the first central wavelength 1001 “of the light-emitting diode 102 can have 610 nm or 3000 nm or a value between 610 nm and 3000 nm.
  • the first central wavelength 1001 “of the light-emitting diode 102 can have 610 nm or 1000 nm or a value between 610 nm and 1000 nm.
  • the first central wavelength can be 1001 "580 nm, 630 nm, 800 nm or 1200 nm.
  • the light-emitting diode 102 has the
  • Illumination device 100 of the spectrometer 1000 has the first central wavelength 1001 "with a value of 1200 nm and the luminescent element 103 comprises an illuminant which emits the second electromagnetic radiation 1002 with the second spectrum 2002 with wavelengths in the range from 1280 nm to 1800 nm.
  • the emission spectrum 2004 of the lighting device 100 in this exemplary embodiment comprises wavelengths from 1 150 nm to 1800 nm.
  • the entire emission spectrum 2004 is therefore in the wavelength interval 2000 that can be used for spectrometry, and has a wavelength range in this range
  • a light-emitting diode 102 with 800 nm can be used as the first central wavelength.
  • the luminescent element 103 can comprise a plurality of illuminants, which in total emit the second electromagnetic radiation 1002 with the second spectrum 2002 with wavelengths in the range from 850 to 1700 nm.
  • FIG. 6 shows a sketch of the emission spectrum 2004 of the lighting device 100 according to one exemplary embodiment, the first spectrum 2001 of the light-emitting diode 102 and the second spectrum 2002 of the luminescent element 103 being the first spectrum 2001 shown in FIG. 5 and the one in FIG. 5 correspond to the second spectrum shown in 2002.
  • the wavelength is plotted on the x-axis 200 and the intensity or spectral radiation density is plotted on the y-axis 201.
  • the course of the curve generally depends on the chemical composition of the luminescent element 103 and the light-emitting diode 102 used, in particular the first central wavelength 1001 “of the light-emitting diode 102.
  • the wavelength is plotted on the x-axis 200 and the intensity or spectral radiation density is plotted on the y-axis 201.
  • the course of the curve generally depends on the chemical composition of the luminescent element 103 and the light-emitting diode 102 used, in particular the first central wavelength 1001 “
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment in which the spectrometer 1000 is shown in cross section and is arranged in a reflection geometry.
  • Illumination device 100 which for example has the same structure as the illumination device 100 shown in FIG. 1 or FIG. 2, and the
  • Detection unit 106 are in the reflection geometry with respect to
  • the detection unit 106 can comprise, for example, a detector element or a detector array which comprises a plurality of detector elements.
  • a radiation sensor based on silicon (Si), germanium (Ge), germanium on silicon, indium gallium arsenide (InGaAs), lead selenite (PbSe) can be used as the detector element.
  • Photodiodes or bolometers are also suitable as radiation sensors. Radiation sensors can be a function of a property of those striking the radiation sensor
  • Radiation sensors can measure, for example, an intensity or an energy flux density of the electromagnetic radiation coming from the spectrometric measuring range.
  • the spectral element 105 is in FIG. 7 as a separate component in the beam path between the spectrometric
  • Measuring range 105 and the detection unit 106 arranged. In one
  • the detection unit 106 or the illumination device 100 can comprise the spectral element 105 or the spectral element 105 can be arranged in the beam path between the illumination device 100 and the measurement area 104.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment in which the spectrometer 1000 is shown in cross section and is arranged in a transmission geometry.
  • Illumination device 100 which for example has the same structure as the illumination device 100 shown in FIG. 1 or FIG. 2, and the
  • Detection unit 106 are arranged with respect to the spectrometric measuring range 104 on sides of the spectrometric measuring range 104 facing away from one another. That is, the spectrometric measuring range 104 is between the
  • Illumination device 100 and the detection unit 106 arranged.
  • the spectral As described above for FIG. 7, element 105 can be formed as part of the illumination device 100 or as part of the detection unit 106, or can be arranged as a separate component in the beam path between the illumination device 100 and the spectrometric measuring region 104.
  • the spectral element 105 can comprise, for example, a tunable Fabry-Perot interferometer (FPI), birefringent crystals and polarizers, or another wavelength-selective filter and optionally optical lenses, optical apertures, microlenses, microlens arrays, beam splitters, mirrors, micromirrors, etc.
  • the spectrometer 1000 can be designed, for example, as a static or movable Fourier transformation spectrometer or as a Fabry-Perot spectrometer.
  • the lighting device 100, the spectral element 105 and the detection unit 106 can be arranged in a common housing.
  • the spectrometer 1000 can be designed as a portable device.
  • the spectrometer 1000 can be designed as a miniature spectrometer. In one
  • the spectrometer 1000 can be integrated in a mobile terminal, such as a smartphone.
  • 9 is a flowchart of a method 300 for calibrating the
  • the spectrometer comprises, for example, the illumination device 100 shown in FIG. 1 or FIG. 2.
  • the known emission spectrum of the light-emitting diode 102 can be used for the calibration of the spectrometer 100, since the detection unit is sensitive to the first electromagnetic radiation 1001 due to the choice of the first central wavelength is emitted by the LED.
  • the method may include a wavelength calibration 301 and / or a
  • Power calibration 302 include. In the method 300 shown in FIG. 9, both the wavelength calibration 301 and the power calibration 302 are shown in the flowchart.
  • the wavelength calibration 301 makes use of the fact that the first central wavelength 1001 “of the light-emitting diode 102 is known. In the
  • the detection unit 106 detects the first electromagnetic radiation 100T with the first spectrum 2002, the central wavelength of the detected spectrum being assigned the value of the known first central wavelength 1001 ".
  • a reference data record 30T can thus be generated, which can be applied to the measurement result of the spectrometric measurement.
  • the emitted intensity is the Light-emitting diode 102 used as power reference 302 'for the spectrometric measurement.
  • the measured spectrum is evaluated with regard to the LED intensity reflected by the examined object.
  • the measured LED intensity can be compared with a 100% reflection stored in the electronics, so that an absolute value of the reflected intensity results for this wavelength.
  • the LED intensity measured during a test exposure can be used in order to prevent the photodiode from being saturated during the subsequent measurement.
  • the spectrum is recorded multiple times, so that the change in the LED intensity leads to the conclusion that the measurement condition has changed (eg change in the measuring distance, the
  • Measuring angle of the examined object or similar.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Spektrometer (1000), umfassend - eine Beleuchtungseinrichtung (100) zur Beleuchtung eines spektrometrischen Messbereichs (104), - eine Detektionseinheit (106) zur Detektion einer vom spektrometrischen Messbereich kommenden elektromagnetischen Strahlung (1004) und - ein spektrales Element (105), welches im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung (100) und der Detektionseinheit (106) angeordnet ist, wobei die Beleuchtungseinrichtung (100) - eine Leuchtdiode mit einer ersten Zentralwellenlänge umfasst, welche dazu eingerichtet ist eine erste elektromagnetische Strahlung mit einem ersten Spektrum zu emittieren, und - ein lumineszierendes Element zur Wandlung eines ersten Anteils der ersten elektromagnetischen Strahlung mit dem ersten Spektrum in eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einem zweiten Spektrum umfasst, wobei - die erste Zentralwellenlänge 550 nm, 3000 nm oder einen Wert zwischen 550 nm und 3000 nm aufweist, und - das erste Spektrum und das zweite Spektrum einen Überlapp aufweisen.

Description

Beschreibung
Spektrometer und Verfahren zur Kalibrierung des Spektrometers
Stand der Technik
In US 2016/0091367 A1 ist eine Breitband-NIR (NIR= nah infrarot) Lichtquelle für Spektroskopie-Anwendungen beschrieben, welche eine blaue LED und ein
lumineszierendes Element umfasst, wobei von der LED emittierte Strahlung nach Durchgang durch das lumineszierende Element eine Probe beleuchtet, welche spektroskopisch untersucht werden soll.
Für die konventionelle Beleuchtungstechnik werden heutzutage vermehrt„Light- Emitting Diodes“ (LEDs) in Kombination mit einem Leuchtmittel (Phosphor) eingesetzt. Üblicherweise emittiert die LED, als aktive Komponente, blaues Licht im
Wellenlängenbereich von etwa 450 Nanometer (nm) bis 470 nm, mit einer
Halbwertsbreite von ca. 30 nm bis 40 nm. Um das gewünschte weiße Licht zu generieren, wird beispielsweise auf die Oberfläche der LED ein passiver gelb- emittierender Leuchtstoff, oft auch Phosphor genannt, beispielsweise bestehend aus Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (J. Li et al.: A new rare-earth-free hybrid phosphor for efficient solid-state lighting, ACS Jahrestagung Boston, 2015), appliziert. Das Leuchtmittel konvertiert das einfallende blaue Licht der LED teilweise in ein breites Gelblicht-Spektrum. Die Mischung des blauen Lichtes und des breiten Gelblicht- Spektrums wird schließlich als weißes Licht wahrgenommen. Blau emittierende LEDs stellen als Lieferant von hochenergetischem Licht die Grundlage für die sogenannte „Downconversion“ des Lichtes zu niedrigeren Energien im Leuchtmittel bereit.
Für Weißlicht-LEDs bzw. den entsprechenden Leuchtmitteln stehen in der
Beleuchtungstechnik neben der Energie-Effizienz aktuell Kriterien wie die Farbqualität (repräsentiert durch Correlated Color Temperature und Color-Rendering Index) und die Farbtemperatur im Mittelpunkt. Die Farbqualität und die Farbtemperatur lassen sich flexibel anwendungsspezifisch anpassen und werden unter anderem von dem Verhältnis aus nicht-umgewandelten blauen Licht und konvertiertem Phosphor- Spektrum festgelegt.
Die Effizienz von modernen blauen LEDs liegt typischerweise bei etwa 70% und ist lediglich durch die Wärmeentwicklung limitiert. Zusätzliche Verluste durch Applikation eines Phosphors lassen sich hauptsächlich auf Wärmeverluste im Phosphor und auf den sog. Stokes-Verlust zurückführen.
Für Beleuchtungszwecke trägt das nicht konvertierte blaue Licht der LED zur Farbwirkung des Leuchtmittels bei. Bei Spektrometrieanwendungen wird nur der von dem Leuchtmittel konvertierte Lichtanteil genutzt.
Kern und Vorteile der Erfindung
Bei der Spektrometrie wird die zu analysierende Probe, d. h. der zu
untersuchende spektrometrische Messbereich mit elektromagnetischer Strahlung aus einem breiten Wellenlängenspektrum bestrahlt. Je größer der zu
untersuchende Wellenlängenbereich ist, desto besser sind üblicherweise die Ergebnisse und desto größer ist der Anwendungsbereich. Das vom
spektrometrischen Messbereich kommende Spektrum wird aufgenommen und ausgewertet. Häufig werden Messungen mit Spektrometern in einem
Wellenlängenintervall von etwa 600 nm bis 1 100 nm durchgeführt.
Für die Spektrometrie werden breitbandige Lichtquellen verwendet, die den gesamten relevanten Spektralbereich, der bei der Messung berücksichtigt werden soll, mit möglichst konstanter Intensität bzw. möglichst konstanter
Leistung abdecken. Insbesondere für tragbare Geräte, sogenannte
Miniaturspektrometer, sind zudem hohe Effizienzen der Lichtquellen von großer Bedeutung.
Die Erfindung betrifft ein Spektrometer und Verfahren zur Kalibrierung des
Spektrometers. Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass das für die spektrometrische Messung nutzbare Wellenlängenintervall erweitert werden kann und eine Wellenlängenkalibration und/oder eine
Leistungskalibration auf einfache Weise realisiert werden kann.
Dies wird erreicht mit einem Spektrometer gemäß Anspruch 1 , welches eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung eines spektrometrischen
Messbereichs, eine Detektionseinheit zur Detektion einer vom spektrometrischen Messbereich kommenden elektromagnetischen Strahlung und ein spektrales Element, welches im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Detektionseinheit angeordnet ist, umfasst. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst hierbei eine Leuchtdiode mit einer ersten Zentralwellenlänge, welche dazu eingerichtet ist, eine erste elektromagnetische Strahlung mit einem ersten Spektrum zu emittieren. Des Weiteren umfasst die Beleuchtungseinrichtung ein lumineszierendes Element zur Wandlung eines ersten Anteils der ersten elektromagnetischen Strahlung mit dem ersten Spektrum in eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einem zweiten Spektrum. Das Spektrometer zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Zentralwellenlänge der Leuchtdiode 550 Nanometern (nm) oder 3000 nm oder einen Wert zwischen 550 nm und 3000 nm aufweist, und dass das erste Spektrum und das zweite Spektrum einen Überlapp aufweisen.
Das Emissionsspektrum der Beleuchtungseinrichtung des Spektrometers, welches zur Beleuchtung des spektrometrischen Messbereichs für die
spektrometrische Messung verwendet werden kann, umfasst folglich
vorteilhafterweise einen nicht-gewandelten zweiten Anteil der ersten
elektromagnetischen Strahlung und die zweite elektromagnetische Strahlung mit dem zweiten Spektrum. Ein Vorteil ist, dass somit ein Spektrometer mit einer Beleuchtungseinrichtung bereitgestellt wird, wobei die Beleuchtungseinrichtung einen breiten Spektralbereich im nah-infraroten Wellenlängenbereich mit möglichst konstanter Leistung abdeckt, da das Spektrum der LED bereits vor der teilweisen Umwandlung durch das lumineszierende Element, für die
Spektrometrie nutzbare Wellenlängenbereiche umfasst. Durch die hohe Intensität der von der Beleuchtungseinrichtung emittierten elektromagnetischen Strahlung kann ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR, engl. Signal to Noise Ratio) realisiert werden, wodurch die Sensitivität und die Genauigkeit des
Spektrometers vorteilhafterweise erhöht werden kann. Des Weiteren trägt sowohl die von der Leuchtdiode emittierte elektromagnetische Strahlung, die durch das lumineszierende Element, d. h. das Leuchtmittel, aber nicht in Licht höherer Wellenlängen umgewandelt wird, als auch die von dem Leuchtmittel konvertierte zweite elektromagnetische Strahlung zum nutzbaren Wellenlängenbereich des Spektrometers bei. D. h. insbesondere, dass die von der Leuchtdiode emittierte elektromagnetische Strahlung, die durch das Leuchtmittel aber nicht in Licht höherer Wellenlängen umgewandelt wird, nach Auftreffen auf den
spektrometrischen Messbereich noch eine ausreichend hohe Intensität aufweist, sodass sie von der Detektionseinheit erfasst werden kann und somit auch spektrale Informationen des spektrometrischen Messbereichs aus diesem
Wellenlängenbereich zuverlässig detektiert und gegebenenfalls ausgewertet werden können. Dies ist insbesondere für Fourier-Transformations-Spektrometer vorteilhaft, da diese technikbedingt über einen großen Wellenlängenbereich einsetzbar sind. Vorteilhafterweise kann somit die Effizienz der
Beleuchtungseinrichtung für Spektrometrieanwendungen erhöht werden.
Durch den breiten nutzbaren Wellenlängenbereich des Spektrometers, bei dem sowohl das Emissionsspektrum der LED als auch das Emissionsspektrum des lumineszierenden Elements für die Spektrometrie nutzbar ist, ist insbesondere eine Material- bzw. Objekterkennung anhand der mit dem Spektrometer erfassten spektralen Daten mit einer hohen Zuverlässigkeit möglich und eine Messung von Konzentrationen von Inhaltsstoffen mit hoher Genauigkeit möglich.
Sehr hohe Lichtintensitäten können hinsichtlich der Augensicherheit ein Risiko darstellen. So kann das Auge durch thermische oder photochemische Effekte geschädigt werden. Der biologische Effekt auf das Auge und das
Gefährdungspotential ist stark wellenlängenabhängig. Blaues Licht (Wellenlänge zwischen 400nm und 500nm) weist ein weitaus höheres Gefährdungspotential hinsichtlich thermischer und photochemischer Augenschädigungen auf als Licht höherer Wellenlängen (z.B. rotes Licht bzw. NIR-Licht). Ein weiterer Vorteil liegt daher darin, dass das Spektrometer eine sichere Nutzung auch durch
ungeschulte Benutzer ermöglicht. In einer Ausführungsform kann die erste Zentralwellenlänge der Leuchtdiode 550 Nanometern (nm) oder 1000 nm oder einen Wert zwischen 550 nm und 1000 nm aufweisen. Alternativ kann die erste Zentralwellenlänge der Leuchtdiode 760 nm oder 2500 nm oder einen Wert zwischen 760 nm und 2500 nm aufweisen.
Alternativ kann die erste Zentralwellenlänge der Leuchtdiode 610 nm oder 3000 nm oder einen Wert zwischen 610 nm und 3000 nm aufweisen. Alternativ kann die erste Zentralwellenlänge der Leuchtdiode 610 nm oder 1000 nm oder einen Wert zwischen 610 nm und 1000 nm aufweisen. Rot emittierende Leuchtdioden mit Zentralwellenlängen von etwa 625 nm bis 700 nm sind sehr effizient bei der Umwandlung von elektrischer Leistung in optische Leistung. Insbesondere GaAs- basierte Materialsysteme mit Zentralwellenlängen bis 1020 nm können wesentlich günstiger hergestellt werden als InGaAs-basierte Systeme, die für den Wellenlängenbereich größer 1020 nm eingesetzt werden müssten.
Bei der Leuchtdiode (LED) handelt es sich insbesondere um eine im roten oder nah-infraroten Wellenlängenbereich Licht emittierende LED. Der rote
Wellenlängenbereich umfasst Wellenlängen zwischen 610 nm und 760 nm, inklusive 610 nm und 760 nm. Der nah-infrarote Wellenlängenbereich umfasst Wellenlängen von 760 nm bis 3000 nm, inklusive der Intervallgrenzen. Die Farbe einer LED hängt insbesondere von dem verwendeten Halbleitermaterial bzw. dem Bandabstand des Halbleitermaterials ab. Rote LEDs können beispielsweise Aluminiumgalliumarsenid (AIGaAs), Galliumphosphid (GaP),
Galliumarsenidphosphid (GaAsP), Aluminiumgalliumindiumphosphid (AIGalnP), etc. umfassen. Nah-infrarote LEDs können beispielsweise
Aluminiumgalliumarsenid (AIGaAs), Galliumarsenid (GaAs) etc. als
Halbleitermaterial umfassen.
Das Spektrum einer LED kann meist in guter Näherung durch eine Gauß- Funktion beschrieben werden. Das Spektrum einer Leuchtdiode wird meist durch eine einzige Wellenlänge, beispielsweise eine Zentralwellenlänge der LED, ausgedrückt. Die Zentralwellenlänge beschreibt die Wellenlänge, welche in der Mitte zwischen zwei Punkten (Wellenlängen) mit einer spektralen Dichte von 50% des Peaks des Spektrums, d. h. 50% des Maximums des Spektrums, liegt. Für ein symmetrisches Spektrum entspricht die Zentralwellenlänge gerade der Wellenlänge, bei der das Spektrum maximal ist. Das lumineszierende Element kann eines oder mehrere Leuchtmittel umfassen.
Beispiele für Leuchtmittel sind unter anderem in„Sunlight-activated long- persistent luminescence in the near-infrared from Cr3+-doped zinc
gallogermanates“, (Pan et al., Nature Materials 1 1 , 58-63 (2012)) beschrieben.
Das lumineszierende Element ist durch die LED zur Emission
elektromagnetischer Strahlung anregbar. Typische Phosphore basieren auf
Granate, Silikate, Oxinitride bzw. Oxicarbidnitride oder Nitride bzw. Carbonitride.
Insbesondere ist das lumineszierende Element durch die LED zur Emission
elektromagnetischer Strahlung im nah-infraroten Wellenlängenbereich,
beispielsweise im Bereich von 550 nm bis 1100 nm, im Bereich von 1150 nm bis 1800 nm oder im Bereich von 850 nm bis 1700 nm anregbar. Ebenfalls kann in speziellen Ausführungsformen ein zusätzliches effizientes Leuchtmittel, das die Emission der LED etwas verbreitert und dessen Emissionsbereich sich
vollständig im Anregungsbereich des NIR-Leuchtmittels befinden kann,
eingesetzt werden.
Unter dem spektrometrischen Messbereich kann beispielsweise ein Objekt, welches mittels des Spektrometers bezüglich seiner spektralen Eigenschaften untersucht werden soll oder ein Ausschnitt eines Objekts verstanden werden, wobei das Objekt beispielsweise ein gasförmiges, flüssiges und/oder festes Medium umfassen kann. Das Objekt kann eine homogene oder eine heterogene Zusammensetzung aufweisen.
Spektrale Daten des spektrometrischen Messbereichs können erfasst werden, indem die vom spektrometrischen Messbereich kommende elektromagnetische Strahlung, d. h. beispielsweise die von dem spektrometrischen Messbereich
emittierte, reflektierte, transmittierte und/ oder gestreute elektromagnetische
Strahlung, von dem Spektrometer bzw. der Detektionseinheit des Spektrometers detektiert wird.
Die Beleuchtungseinrichtung und/oder die Detektionseinheit können das spektrale Element umfassen. Alternativ oder ergänzend kann das spektrale Element als separates Bauteil ausgeführt sein. Das spektrale Element kann im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung und dem spektrometrischen Messbereich angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann das spektrale Element im Strahlengang zwischen dem spektrometrischen Messbereich und der
Detektionseinheit angeordnet sein. Das spektrale Element kann beispielsweise eine durchstimmbares Fabry-Perot Interferometer (FPI), doppelbrechende Kristalle und Polarisatoren, oder einen anderen wellenlängenselektiven Filter sowie optional optische Linsen, optische Aperturen, Mikrolinsen,
Mikrolinsenarrays, Strahlteiler, Spiegel, Mikrospiegel, etc. umfassen. Das Spektrometer kann beispielsweise als ein statisches oder bewegliches Fourier- Transformationsspektrometer oder als ein Fabry-Perot Spektrometer ausgebildet sein.
Die Beleuchtungseinrichtung, das spektrale Element und die Detektionseinheit des Spektrometers können beispielsweise in einer Transmissionsgeometrie oder in einer Reflexionsgeometrie angeordnet werden. Bei Transmissionsmessungen wird insbesondere elektromagnetische Strahlung erfasst, welche von dem zu untersuchenden spektrometrischen Messbereich transmittiert wurde, wobei die transmittierte elektromagnetische Strahlung spektrale Informationen über den spektrometrischen Messbereich aufweist. Die transmittierte elektromagnetische Strahlung kann mittels des spektralen Elements und der Detektionseinheit wellenlängenselektiv detektiert werden und Aufschluss über die spektrale Zusammensetzung des spektrometrischen Messbereichs geben. Die
Beleuchtungseinrichtung und die Detektionseinheit sind hierbei bezüglich des spektrometrischen Messbereichs auf voneinander abgewandten Seiten angeordnet. Bei Reflexionsmessungen wird insbesondere elektromagnetische Strahlung, welche von dem zu untersuchenden spektrometrischen Messbereich reflektiert wurde, erfasst, wobei die reflektierte elektromagnetische Strahlung spektrale Informationen über den spektrometrischen Messbereich aufweist. Die reflektierte elektromagnetische Strahlung kann wellenlängenselektiv detektiert werden und Aufschluss über die spektrale Zusammensetzung des
spektrometrischen Messbereichs geben. Hierbei sind die
Beleuchtungseinrichtung und die Detektionseinheit bezüglich des
spektrometrischen Messbereichs auf einer gemeinsamen Seite angeordnet, wobei die Detektionseinheit derart angeordnet ist, dass insbesondere die von der Beleuchtungseinrichtung kommende und vom spektrometrischen Messbereich reflektierte elektromagnetische Strahlung auf die Detektionseinheit trifft und von dieser erfasst werden kann. Die Detektionseinheit kann in einer Ausführungsform ein Detektorelement oder ein Detektorarray, welches mehrere Detektorelemente umfasst, umfassen. Als
Detektorelement kann ein Strahlungssensor beispielsweise basierend auf Silizium (Si), Germanium (Ge), Germanium auf Silizium, Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs),
Bleiselenit (PbSe) verwendet werden. Als Strahlungssensoren eignen sich
beispielsweise auch Fotodioden oder Bolometer. Strahlungssensoren können in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auf den Strahlungssensor auftreffenden
elektromagnetischen Strahlung ein elektrisches Detektionssignal ausgeben, welches ein Maß für die Strahlungseigenschaft ist. Strahlungssensoren können beispielsweise eine Intensität oder eine Energieflussdichte der vom spektrometrischen Messbereich kommenden elektromagnetischen Strahlung messen.
In einer Ausführungsform kann die Detektionseinheit dazu ausgebildet sein, das Detektionssignal der von dem spektrometrischen Messbereich kommenden
elektromagnetischen Strahlung, welches die spektralen Daten umfasst, spektral auszuwerten. Die spektralen Daten können beispielsweise ein Spektrum oder
Ausschnitte eines Spektrums umfassen. Beispielsweise können die spektralen
Daten einen Intensitätsverlauf, welcher über die Wellenlänge, die Zeit oder über den Ort aufgetragen ist, oder einen Verlauf eines elektrischen Signals umfassen.
Das Detektionssignal kann beispielsweise ein elektrisches Signal umfassen.
Beispielsweise können spektrale Informationen mittels eines
Computeralgorithmus und in einem Speicher hinterlegten Referenzdaten,
beispielsweise Referenzspektren oder Ausschnitte von Referenzspektren, aus dem Detektionssignal ermittelt werden. Die spektrometrische Auswertung kann im Spektrometer, in einem mobilen Endgerät, welches das Spektrometer umfasst und/oder in einer bezüglich des Spektrometers extern angeordneten
Auswerteeinheit, beispielsweise einer Cloud, erfolgen.
Das mobile Endgerät kann eine Recheneinheit, welche zur Verarbeitung von Signalen oder Daten eingerichtet ist, eine Speichereinheit, welche zum Speichern von Signalen oder Daten eingerichtet, eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen und/oder Ausgeben von Daten und eine Anzeigeeinheit, welche dazu eingerichtet ist
Informationen und/oder Messergebnisse anzuzeigen, umfassen. Die Recheneinheit kann beispielsweise einen Prozessor oder einen Mikrocontroller umfassen. Die Kommunikationsschnittstelle kann dazu ausgebildet sein, Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben. Beispielsweise kann das mobile Endgerät ein Smartphone sein, in dessen Speichereinheit eine Software-Applikation (App) gespeichert werden kann oder wobei die App herunterladbar oder online verfügbar sein kann. Die App kann zur Durchführung einer Messung mittels des Spektrometers eingerichtet sein. Die Messergebnisse bzw. Ergebnisse einer spektrometrischen Auswertung der Messergebnisse können beispielsweise über eine Anzeigeeinheit des mobilen Endgeräts an den Benutzer ausgegeben werden. Mögliche Anzeigeeinheiten sind beispielsweise Displays oder Lautsprecher mittels derer optische, haptische oder akustische Ausgaben erfolgen können. Das Ergebnis der spektrometrischen Auswertung, d.h. eine spektrale Information des spektrometrischen Messbereichs, kann beispielsweise eine Information über eine chemische
Zusammensetzung des spektrometrischen Messbereichs, ein Vorhandensein und/oder eine Konzentration mindestens eines chemischen Stoffs im spektrometrischen
Messbereich oder eine Identifizierung des spektrometrischen Messbereichs sein.
In einer Ausführungsform zeichnet sich das Spektrometer dadurch aus, dass das lumineszierende Element auf der Leuchtdiode angeordnet ist. Insbesondere kann das lumineszierende Element als Schicht direkt auf der Leuchtdiode angeordnet sein. Ein Vorteil ist, dass somit ein sehr kompakter Aufbau des Spektrometers ermöglicht wird.
Alternativ oder ergänzend kann das lumineszierende Element als sogenannter „Remote Phosphor“ auf einem separaten Träger angeordnet sein. Ein Vorteil ist, dass somit eine gleichmäßige Ausleuchtung des spektrometrischen Messbereichs ermöglicht wird. Des Weiteren wird ein Aufheizen des lumineszierenden
Elements, d. h. des„Phosphors“, reduziert, wodurch die spektrale Stabilität des lumineszierenden Elements erhöht werden kann. Somit kann ein zuverlässiges Spektrometer bereitgestellt werden. Der Träger kann beispielsweise eine
Haltestruktur oder ein optisches Element, wie beispielsweise eine optische Linse, ein Diffusor oder ein gerichteter Diffusor umfassen. Ein gerichteter Diffusor ist ein Diffusor mit technisch angepasster Streucharakteristik.
Gemäß einer Ausführungsform kann das lumineszierende Element mindestens ein weiteres Leuchtmittel zur Wandlung des ersten Anteils der ersten elektromagnetischen Strahlung mit dem ersten Spektrum in eine dritte elektromagnetische Strahlung mit einem dritten Spektrum, umfassen und ein erstes Leuchtmittel zur Wandlung der dritten elektromagnetischen Strahlung mit dem dritten Spektrum in die zweite elektromagnetische Strahlung mit dem zweiten Spektrum umfassen. Ein Vorteil ist, dass somit das Emissionsspektrum der Beleuchtungseinrichtung weiter optimiert werden, sodass ein Spektrum mit einer möglichst konstanten Intensität bzw. Leistung über den für die
spektrometrische Messung nutzbaren Wellenlängenbereich realisiert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinrichtung ein
Gehäuse, in welchem die Leuchtdiode angeordnet ist. Insbesondere ist die Leuchtdiode in einem SMD-Gehäuse (SMD=Surface-mount device) angeordnet. Alternativ oder ergänzend kann an oder in dem Gehäuse, insbesondere SMD- Gehäuse, ein optisches Element angeordnet sein, welches die Lichtausbreitung beeinflusst. Das optische Element kann in einer Ausführungsform mindestens eines der nachfolgenden Bauteile und/oder mehrere gleichartige der
nachfolgenden Bauteile umfassen: Diffusor, gerichteter Diffusor, Reflektor, Spiegel, Mikrospiegel, optische Linse. Ein Vorteil ist, dass somit die
Lichtausbreitung der Beleuchtungseinrichtung für die Spektrometrie optimiert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Detektionseinheit eine Recheneinheit umfassen, welche dazu eingerichtet ist, mittels der vom spektrometrischen Messbereich kommenden elektromagnetischen Strahlung ein Spektrum zu erfassen und/oder eine spektrale Information des spektrometrischen
Messbereichs zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Spektrometer ein Miniaturspektrometer. Das Miniaturspektrometer ist ein Spektrometer, welches Abmessungen im Zentimeterbereich, insbesondere im Bereich von weniger als 10 cm und mehr als 1 cm oder darunter aufweist. Beispielsweise ist das Miniaturspektrometer größer gleich 1 cm3 und kleiner gleich 1000 cm3. Alternativ oder ergänzend kann das Miniaturspektrometer auch kleiner gleich 1 cm3 und größer gleich 0,01 cm3 sein. Alternativ oder ergänzend kann das Miniaturspektrometer auch kleiner gleich 100 cm3 und größer gleich 0,01 cm3 sein. Ein Vorteil ist, dass somit ein effizientes, kompaktes, transportables Spektrometer bereitgestellt werden kann.
Ein Verfahren zur Kalibrierung des Spektrometers zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Zentralwellenlänge der Leuchtdiode als Referenz zur
Wellenlängenkalibration der Detektionseinheit verwendet wird. Die
Anregungswellenlänge, das heißt die erste Zentralwellenlänge der Leuchtdiode, kann als bekannt vorausgesetzt werden. Da die Detektionseinheit für
elektromagnetische Strahlung im roten bzw. im nah-infraroten
Wellenlängenbereich sensitiv ist und aufgrund dessen, dass die erste
Zentralwellenlänge der LED ebenfalls in diesem Wellenlängenbereich liegt, aufweist, kann die Detektionseinheit die von der LED emittierte
elektromagnetische Strahlung detektieren und dieser zur Wellenlängenkalibration die bekannte Wellenlänge zuordnen. Alternativ oder ergänzend zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die emittierte Intensität der Leuchtdiode zur
Leistungskalibration als Leistungsreferenz für die spektrometrische Messung verwendet wird. Ein Vorteil neben den zum Spektrometer genannten Vorteilen ist, dass somit die Zuverlässigkeit der Messergebnisse des Spektrometers erhöht werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche
Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Beleuchtungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 zeigt ein erstes Spektrum einer Leuchtdiode gemäß einem
Ausführungsbeispiel, Fig. 4 zeigt ein Anregungsspektrum einer Leuchtdiode und ein
Emissionsspektrum eines Leuchtmittels, wobei das Anregungsspektrum und das Emissionsspektrum keinen Überlapp aufweisen,
Fig. 5 zeigt eine Skizze eines ersten Spektrums einer Leuchtdiode und eines zweiten Spektrums eines lumineszierenden Elements in einem gemeinsamen
Koordinatensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei das erste
Spektrum und das zweite Spektrum einen Überlapp aufweisen,
Fig. 6 zeigt eine Skizze eines Emissionsspektrums einer
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei das erste
Spektrum der Leuchtdiode und das zweite Spektrum des lumineszierenden
Elements dem in Fig. 5 gezeigten ersten Spektrum und dem in Fig. 5 gezeigten zweiten Spektrum entsprechen,
Fig. 7 zeigt ein Spektrometer in einer Reflexionsgeometrie gemäß einem
Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 zeigt ein Spektrometer in einer Transmissionsgeometrie gemäß einem
Ausführungsbeispiel und
Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Kalibrierung des
Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein Spektrometer 1000 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 100 zur
Beleuchtung eines spektrometrischen Messbereichs 104, eine Detektionseinheit 106 zur Detektion einer vom spektrometrischen Messbereich kommenden
elektromagnetischen Strahlung 1004 und ein spektrales Element 105, welches im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung 100 und der
Detektionseinheit 106 angeordnet ist.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der Beleuchtungseinrichtung 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Auf einem Substrat 101 ist eine Leuchtdiode 102 angeordnet. In Fig. 1 weist das Substrat 101 eine Vertiefung auf, in der die Leuchtdiode 102 angeordnet ist. Das lumineszierende Element 103 ist in der Vertiefung auf der Leuchtdiode 102 angeordnet. Die Leuchtdiode 102 mit einer ersten Zentralwellenlänge 1001“ ist dazu eingerichtet, eine erste elektromagnetische Strahlung 1001 mit einem ersten Spektrum 2001 zu emittieren, wobei das erste Spektrum beispielsweise den in Fig. 3 gezeigten gaußförmigen Verlauf aufweist. Die erste elektromagnetische
Strahlung 1001 passiert das lumineszierende Element 103, wobei das lumineszierende Element 103 zur Wandlung eines ersten Anteils 1001 ' der ersten elektromagnetischen Strahlung 1001 in eine zweite elektromagnetische Strahlung 1002 mit einem zweiten Spektrum 2002 eingerichtet ist. Das heißt, das lumineszierende Element 103 umfasst mindestens ein Leuchtmittel, welches durch die erste elektromagnetische Strahlung 1001 zur Emission der zweiten elektromagnetischen Strahlung 1002 angeregt werden kann. In dem Leuchtmittel sind nicht alle Energiezustände von Ladungsträgern erlaubt. Deshalb spricht man oft auch von elektronischen Bändern oder Bandstrukturen, die definieren, welche Energien verschiedene Ladungsträger haben können und welche nicht. In diese Bandstrukturen können zusätzlich energetische Bänder oder Zustände durch gezieltes Einbringen fremder Atome (auch Aktivatoren genannt) erzeugt werden. Die grundsätzliche Wirkungsweise des lumineszierenden Elements 103 basiert auf dem physikalischen Prinzip der Lumineszenz. Die Lichterzeugung erfolgt hier durch die Anregung eines Elektrons mit der Energie der auf das lumineszierenden Element 103 auftreffenden ersten elektromagnetischen Strahlung 1001. Dadurch wird das Elektron von einem niedrigen Energiezustand (Valenzband) in einen höheren Energiezustand (erzeugt durch Aktivatoren) oder dem sogenannten Leitungsband transportiert. Auch wird durch diesen Vorgang ein Loch im Valenzband kreiert. Nach einer gewissen Zeit gibt das Elektron seine Energie unter Emission von Licht wieder ab und kehrt in das Valenzband zurück. Das zweite Spektrum 2002 der so umgewandelten zweiten elektromagnetischen Strahlung 1002 ist von der Bandstruktur des Leuchtmittels und von den Aktivatoren abhängig. Ein zweiter Anteil 1001 der ersten
elektromagnetischen Strahlung 1001 passiert das lumineszierende Element 103 ohne umgewandelt zu werden. Das Emissionsspektrum 1003 der Beleuchtungseinrichtung ergibt sich somit aus einer Überlagerung des Spektrums des nicht-gewandelten zweiten Anteils 1001 der ersten elektromagnetischen Strahlung 1001 und des zweiten Spektrums 2002 des gewandelten ersten Anteils 1001‘, d. h. der zweiten elektromagnetischen Strahlung 1002. Ein beispielhafter Verlauf des
Emissionsspektrums 2004 der Beleuchtungseinrichtung 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt.
Alternativ zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Leuchtdiode 102 auch auf einem Substrat ohne Vertiefung angeordnet werden und das lumineszierende Element 103, welches als Leuchtmittel der Beleuchtungseinrichtung wirkt, kann auf die Leuchtdiode 102, beispielsweise als Schicht oder Beschichtung, aufgebracht sein.
Ein Unterschied zwischen dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel und dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass das lumineszierende Element 103 in der Fig. 1 direkt auf der Leuchtdiode 102 angeordnet ist, während das lumineszierende Element 103 in der Fig. 2 als sogenannter„Remote Phosphor“ auf einem separaten Träger 10T angeordnet ist. In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das lumineszierende Element 103 von dem Träger 10T beabstandet zu der Leuchtdiode 102 gehalten. Der T räger 10T hält das lumineszierende Element 103 in einem Abstand über dem Substrat 101. Die Leuchtdiode 103 ist auf dem Substrat 101 zwischen lumineszierendem Element 103 und Substrat 101 angeordnet.
Beispielsweise kann die Leuchtdiode 103 in einem Gehäuse, beispielsweise einem SMD-Gehäuse angeordnet sein . Ebenfalls am SMD-Gehäuse kann mindestens ein optisches Element (z. B. Diffusor, gerichteter Diffusor, Reflektor, Spiegel, Mikrospiegel, optische Linse) das die Lichtausbreitung beeinflusst und/oder manipuliert befestigt sein. Das lumineszierende Element 103 ist üblicherweise auf der Leuchtdiode 103 aufgebracht, wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt, als„Remote Phosphor“ auf einem separaten Träger 10T angeordnet, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt, oder kann z.B. auch auf dem optischen Element angeordnet oder aufgebracht sein.
Alternativ oder ergänzend können auf dem Gehäuse oder im Strahlengang zwischen dem LED-Gehäuse und dem spektrometrischen Messbereich noch weitere optische Elemente angebracht sein. Beispielsweise kann mit einem Diffusor oder gerichtetem Diffusor oder einer (weiteren) optischen Linse die Lichtausbreitung der Lichtquelle für die Spektrometrie optimiert werden.
In Fig. 3 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel das erste Spektrum 2001 , d. h. ein Emissionsspektrum der Leuchtdiode 102, bevor ein Anteil der ersten
elektromagnetischen Strahlung 1001 durch das lumineszierende Element 103 gewandelt wird, skizziert. Auf der x-Achse 200 ist die Wellenlänge aufgetragen, auf der y-Achse 201 ist die Intensität bzw. spektrale Strahlendichte aufgetragen. Das erste Spektrum 2001 weist hierbei einen Verlauf ähnlich einer Gauß-Funktion auf. Das Spektrum 2001 von Leuchtdioden wird meist durch eine einzige Wellenlänge, beispielsweise eine Zentralwellenlänge 1001“ der Leuchtdiode 102, ausgedrückt. Die Zentralwellenlänge 1001“ beschreibt dabei die Wellenlänge, welche in der Mitte zwischen zwei Punkten (Wellenlängen) mit einer spektralen Dichte von 50% des Peaks des Spektrums, d. h. 50% des Maximums des Spektrums, liegt. Für ein symmetrisches Spektrum, wie das in Fig. 3 gezeigte erste Spektrum 2001 , entspricht die
Zentralwellenlänge 1001“ gerade der Wellenlänge, bei der das Spektrum maximal ist.
In Fig. 4 ist ein Anregungsspektrum 20 einer Leuchtdiode und ein Emissionsspektrum 2002 eines Leuchtmittels skizziert, wie dies im Stand der Technik beschrieben ist, wobei das Anregungsspektrum und das Emissionsspektrum keinen Überlapp aufweisen. Das hier verwendete Leuchtmittel wird mit blauem Licht (Zentralwellenlänge 10‘ von beispielsweise 460 nm, 490 nm oder einen Wert zwischen 460 nm und 490 nm) angeregt und emittiert dann elektromagnetische Strahlung im nah-infrarot-Bereich, insbesondere im Bereich von 700 nm bis 1050 nm. Ein Teil des blauen Lichts wird nicht gewandelt und bleibt daher im Emissionsspektrum einer Beleuchtungseinrichtung mit einer blauen LED und dem in diesem Beispiel aus dem Stand der Technik beschriebenen Leuchtmittel erhalten, wobei dieser Lichtanteil außerhalb des
Wellenlängenintervalls 2000, welches bei einer spektrometrischen Messung üblicherweise erfasst wird, liegt.
In Fig. 5 sind beispielhaft das erste Spektrum 2001 , d. h. ein Emissionsspektrum der Leuchtdiode 102, welches als Anregungsspektrum für das lumineszierende Element 103 wirkt, und das zweite Spektrum 2002, welches das Emissionsspektrum des lumineszierende Element 103 nach Anregung durch die erste elektromagnetische Strahlung 100T beschreibt, in einem gemeinsamen Koordinatensystem, gemäß einem Ausführungsbeispiel skizziert. Auf der x-Achse 200 ist die Wellenlänge aufgetragen, auf der y-Achse 201 ist die Intensität bzw. spektrale Strahlendichte aufgetragen. Auf der x-Achse ist ein Wellenlängenbereich 2000 eingetragen, welcher für die
Spektrometrie nutzbar ist. Typische Wellenlängenintervalle, innerhalb derer ein signifikanter Photostrom generiert wird, sind für Silizium-basierte Photodetektoren 400 nm bis 1100 nm, für lndium-Gallium-Arsenid-(lno.53Gao.47As) basierte
Photodetektoren 600 nm oder 900 nm bis 1700 nm und für Indium-Gallium-Arsenid- (lnxGai-xAs; mit x>0.53) basierte Photodetektoren 900 nm bis maximal 2600 nm. Die erste Zentralwellenlänge 1001“ der Leuchtdiode 102 liegt hierbei im
Wellenlängenintervall 2000, welches für die Spektrometrie nutzbar ist. Wie in Fig. 5 dargestellt, weisen das erste Spektrum 2001 und das zweite Spektrum 2002 einen Überlapp 2000' auf. Dadurch ist es insbesondere möglich, zusätzlich zum
Emissionsspektrum 2002 des lumineszierenden Elements 103 auch das Spektrum der Leuchtdiode 102 für die Spektrometrie zu verwenden. Der Kurvenverlauf des zweiten Spektrums 2002 hängt insbesondere von der chemischen Zusammensetzung des lumineszierenden Elements 103 ab.
Das Spektrometer 1000 umfasst die Beleuchtungseinrichtung 100, wobei die
Leuchtdiode 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel die erste Zentralwellenlänge mit einem Wert von 630 nm aufweist und wobei ein nah-infrarot-Phosphor als
lumineszierendes Element 103 verwendet wird, welches die zweite elektromagnetische Strahlung 1002 mit dem zweiten Spektrum 2002 mit Wellenlängen im Bereich von 700 nm bis 1 100 nm emittiert. Typische Phosphore basieren beispielsweise auf Granate, Silikate, Oxinitride bzw. Oxicarbidnitride oder Nitride bzw. Carbonitride. Das
Emissionsspektrum 2004 der Beleuchtungseinrichtung 100 umfasst in diesem
Ausführungsbeispiel elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Intervall von 600 nm bis 1100 nm. Das gesamte Emissionsspektrum 2004 liegt somit im für die Spektrometrie nutzbaren Wellenlängenintervall 2000, und weist in diesem
Wellenlängenbereich eine näherungsweise konstante Leistung auf, insbesondere wird elektromagnetische Strahlung aller im nutzbaren Wellenlängenintervall 2000
Wellenlängen mit ausreichender Leistung auf ein Objekt, welches spektrometrische untersucht werden soll, gerichtet, sodass die Zuverlässigkeit der Messergebnisse der Detektionseinheit 106 für die Wellenlängen des Wellenlängenintervalls 2000 erhöht werden kann.
Die erste Zentralwellenlänge 1001“ der Leuchtdiode 103 kann beispielsweise 550 Nanometern (nm) oder 1000 nm oder einen Wert zwischen 550 nm und 1000 nm aufweisen. Alternativ kann die erste Zentralwellenlänge 1001“ der Leuchtdiode 102 760 nm oder 2500 nm oder einen Wert zwischen 780 nm und 2500 nm aufweisen. Alternativ kann die erste Zentralwellenlänge 1001“ der Leuchtdiode 102 610 nm oder 3000 nm oder einen Wert zwischen 610 nm und 3000 nm aufweisen. Alternativ kann die erste Zentralwellenlänge 1001“ der Leuchtdiode 102 610 nm oder 1000 nm oder einen Wert zwischen 610 nm und 1000 nm aufweisen. Alternativ kann die erste Zentralwellenlänge 1001“ 580 nm, 630 nm, 800 nm oder 1200 nm betragen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Leuchtdiode 102 der
Beleuchtungseinrichtung 100 des Spektrometers 1000 die erste Zentralwellenlänge 1001“ mit einem Wert von 1200 nm auf und das lumineszierende Element 103 umfasst ein Leuchtmittel, welches die zweite elektromagnetische Strahlung 1002 mit dem zweiten Spektrum 2002 mit Wellenlängen im Bereich von 1280 nm bis 1800 nm emittiert. Somit umfasst das Emissionsspektrum 2004 der Beleuchtungseinrichtung 100 in diesem Ausführungsbeispiel Wellenlängen von 1 150 nm bis 1800 nm. Das gesamte Emissionsspektrum 2004 liegt somit im für die Spektrometrie nutzbaren Wellenlängenintervall 2000, und weist in diesem Wellenlängenbereich eine
näherungsweise konstante Leistung auf, insbesondere wird elektromagnetische Strahlung aller im nutzbaren Wellenlängenintervall 2000 Wellenlängen mit
ausreichender Leistung auf ein Objekt, welches spektrometrische untersucht werden soll, gerichtet, sodass die Zuverlässigkeit der Messergebnisse der Detektionseinheit 106 für die Wellenlängen des Wellenlängenintervalls 2000 erhöht werden kann.
In einer weiteren Ausprägungsform des Spektrometers 1000 kann eine Leuchtdiode 102 mit 800 nm als erste Zentralwellenlänge verwendet werden. Das lumineszierende Element 103 kann mehrere Leuchtmittel umfassen, die in Summe die zweite elektromagnetische Strahlung 1002 mit dem zweiten Spektrum 2002 mit Wellenlängen im Bereich von 850 bis 1700 nm emittieren.
In Fig. 6 ist eine Skizze des Emissionsspektrums 2004 der Beleuchtungseinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei das erste Spektrum 2001 der Leuchtdiode 102 und das zweite Spektrum 2002 des lumineszierenden Elements 103 dem in Fig. 5 gezeigten ersten Spektrum 2001 und dem in Fig. 5 gezeigten zweiten Spektrum 2002 entsprechen. Auf der x-Achse 200 ist die Wellenlänge aufgetragen, auf der y-Achse 201 ist die Intensität bzw. spektrale Strahlendichte aufgetragen. Der Kurvenverlauf hängt im Allgemeinen von der chemischen Zusammensetzung des lumineszierenden Elements 103 und der verwendeten Leuchtdiode 102, insbesondere der ersten Zentralwellenlänge 1001“ der Leuchtdiode 102 ab. Das
Emissionsspektrums 2004 der Beleuchtungseinrichtung 100 ergibt sich aus einer Überlagerung der Spektren des nicht-gewandelten zweiten Anteils 1001 der ersten elektromagnetischen Strahlung 1001 und der von dem lumineszierenden Element 103 emittierten zweiten elektromagnetischen Strahlung 1002. Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem das Spektrometer 1000 im Querschnitt dargestellt ist und in einer Reflexionsgeometrie angeordnet ist. Die
Beleuchtungseinrichtung 100, welche beispielsweise den gleichen Aufbau wie die in Fig. 1 oder Fig. 2 gezeigte Beleuchtungseinrichtung 100 aufweist, und die
Detektionseinheit 106 sind bei der Reflexionsgeometrie bezüglich des
spektrometrischen Messbereichs 104 auf einer gemeinsamen Seite angeordnet, wobei die Detektionseinheit 106 derart angeordnet ist, dass insbesondere die von der Beleuchtungseinrichtung 100 emittierte 1003 und vom spektrometrischen Messbereich 104 reflektierte elektromagnetische Strahlung 1004 auf die Detektionseinheit 106 trifft und von dieser erfasst werden kann. Die Detektionseinheit 106 kann beispielsweise ein Detektorelement oder ein Detektorarray, welches mehrere Detektorelemente umfasst, umfassen. Als Detektorelement kann ein Strahlungssensor beispielsweise basierend auf Silizium (Si), Germanium (Ge), Germanium auf Silizium, Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), Bleiselenit (PbSe) verwendet werden. Als Strahlungssensoren eignen sich beispielsweise auch Fotodioden oder Bolometer. Strahlungssensoren können in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auf den Strahlungssensor auftreffenden
elektromagnetischen Strahlung ein elektrisches Detektionssignal ausgeben, welches ein Maß für die Strahlungseigenschaft ist. Strahlungssensoren können beispielsweise eine Intensität oder eine Energieflussdichte der vom spektrometrischen Messbereich kommenden elektromagnetischen Strahlung messen. Das spektrale Element 105 ist in Fig. 7 als separates Bauteil im Strahlengang zwischen dem spektrometrischen
Messbereich 105 und der Detektionseinheit 106 angeordnet. In einem
Ausführungsbeispiel kann die Detektionseinheit 106 oder die Beleuchtungseinrichtung 100 das spektrale Element 105 umfassen oder es kann das spektrale Element 105 im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung 100 und dem Messbereich 104 angeordnet sein.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem das Spektrometer 1000 im Querschnitt dargestellt ist und in einer Transmissionsgeometrie angeordnet ist. Die
Beleuchtungseinrichtung 100, welche beispielsweise den gleichen Aufbau wie die in Fig. 1 oder Fig. 2 gezeigte Beleuchtungseinrichtung 100 aufweist, und die
Detektionseinheit 106 sind bezüglich des spektrometrischen Messbereichs 104 auf voneinander abgewandten Seiten des spektrometrischen Messbereichs 104 angeordnet. D. h. der spektrometrische Messbereich 104 ist zwischen der
Beleuchtungseinrichtung 100 und der Detektionseinheit 106 angeordnet. Das spektrale Element 105 kann, wie vorstehend zu Fig. 7 beschrieben, als Teil der Beleuchtungseinrichtung 100 oder als Teil der Detektionseinheit 106 ausgebildet sein, oder als separates Bauteil im Strahlengang zwischen Beleuchtungseinrichtung 100 und spektrometrischem Messbereich 104 angeordnet sein.
Das spektrale Element 105 kann beispielsweise eine durchstimmbares Fabry-Perot Interferometer (FPI), doppelbrechende Kristalle und Polarisatoren, oder einen anderen wellenlängenselektiven Filter sowie optional optische Linsen, optische Aperturen, Mikrolinsen, Mikrolinsenarrays, Strahlteiler, Spiegel, Mikrospiegel, etc. umfassen. Das Spektrometer 1000 kann beispielsweise als ein statisches oder bewegliches Fourier- Transformationsspektrometer oder als ein Fabry-Perot Spektrometer ausgebildet sein. Die Beleuchtungseinrichtung 100, das spektrale Element 105 und die Detektionseinheit 106 können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Beispielsweise kann das Spektrometer 1000 als tragbares Gerät ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Spektrometer 1000 als Miniaturspektrometer ausgebildet sein. In einem
Ausführungsbeispiel kann das Spektrometer 1000 in ein mobiles Endgerät, wie beispielsweise ein Smartphone, integriert sein.
In Fig. 9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zur Kalibrierung des
Spektrometers 1000 dargestellt. Das Spektrometer umfasst beispielsweise die in Fig. 1 oder Fig. 2 gezeigte Beleuchtungseinrichtung 100. Das bekannte Emissionsspektrum der Leuchtdiode 102 kann zur Kalibrierung des Spektrometers 100 verwendet werden, da die Detektionseinheit aufgrund der Wahl der ersten Zentralwellenlänge sensitiv auf die erste elektromagnetische Strahlung 1001 , die von der Leuchtdiode emittiert wird, ist. Das Verfahren kann eine Wellenlängenkalibration 301 und/oder eine
Leistungskalibration 302 umfassen. In dem in Fig. 9 dargestellten Verfahren 300 ist sowohl die Wellenlängenkalibration 301 als auch die Leistungskalibration 302 im Flussdiagramm dargestellt. Bei der Wellenlängenkalibration 301 wird ausgenutzt, dass die erste Zentralwellenlänge 1001“ der Leuchtdiode 102 bekannt ist. Bei der
Wellenlängenkalibration erfasst die Detektionseinheit 106 die erste elektromagnetische Strahlung 100T mit dem ersten Spektrum 2002, wobei der Zentralwellenlänge des erfassten Spektrums der Wert der bekannten ersten Zentralwellenlänge 1001“ zugeordnet wird. Beispielsweise kann somit ein Referenzdatensatz 30T erzeugt werden, welcher auf das Messergebnis der spektrometrischen Messung angewandt werden kann. Bei der Leistungskalibrierung 302 wird die emittierte Intensität der Leuchtdiode 102 als Leistungsreferenz 302‘ für die spektrometrische Messung verwendet. Hierzu wird das gemessene Spektrum hinsichtlich der vom untersuchten Objekt reflektierten LED-Intensität ausgewertet. Beispielsweise kann die gemessene LED-Intensität mit einer in der Elektronik hinterlegten 100% Reflexion abgeglichen werden, so dass ein Absolutwert der reflektierten Intensität für diese Wellenlänge resultiert. In einem weiteren Beispiel kann die während einer Testbelichtung gemessene LED-Intensität verwendet werden um eine Sättigung der Photodiode bei der nachfolgenden Messung zu verhindern. In einem weiteren Beispiel wird das Spektrum mehrfach aufgenommen, so dass die Veränderung der LED-Intensität den Schluss auf eine veränderte Messbedingung (z.B. Änderung des Messabstandes, des
Messwinkels, des untersuchten Objektes o.ä.) zulässt.

Claims

Ansprüche
1. Spektrometer (1000), umfassend
• eine Beleuchtungseinrichtung (100) zur Beleuchtung eines
spektrometrischen Messbereichs (104),
• eine Detektionseinheit (106) zur Detektion einer vom spektrometrischen Messbereich kommenden elektromagnetischen Strahlung (1004) und
• ein spektrales Element (105), welches im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung (100) und der Detektionseinheit (106) angeordnet ist,
wobei die Beleuchtungseinrichtung (100)
• eine Leuchtdiode (102) mit einer ersten Zentralwellenlänge (1001“) umfasst, welche dazu eingerichtet ist eine erste elektromagnetische Strahlung (1001 ) mit einem ersten Spektrum (2001 ) zu emittieren, und
• ein lumineszierendes Element (103) zur Wandlung eines ersten Anteils (1001‘) der ersten elektromagnetischen Strahlung (1001 ) mit dem ersten Spektrum (2001 ) in eine zweite elektromagnetische Strahlung (1002) mit einem zweiten Spektrum (2002) umfasst,
dadurch gekennzeichnet,
• dass die erste Zentralwellenlänge (1001“) 550 nm, 3000 nm oder einen Wert zwischen 550 nm und 3000 nm aufweist, und
• dass das erste Spektrum (2001 ) und das zweite Spektrum (2002) einen Überlapp (2000‘) aufweisen.
2. Spektrometer (1000) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das lumineszierende Element (103) im Strahlengang der Leuchtdiode (102) angeordnet ist.
3. Spektrometer (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lumineszierende Element (103)
• mindestens ein weiteres Leuchtmittel zur Wandlung des ersten Anteils (1001‘) der ersten elektromagnetischen Strahlung (1001 ) mit dem ersten Spektrum (2001 ) in eine dritte elektromagnetische Strahlung mit einem dritten Spektrum, und • ein erstes Leuchtmittel zur Wandlung der dritten elektromagnetischen Strahlung mit dem dritten Spektrum in die zweite elektromagnetische Strahlung (1002) mit dem zweiten Spektrum (2002) aufweist.
4. Spektrometer (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lumineszierende Element (103) als Beschichtung auf der Leuchtdiode (102) aufgebracht ist.
5. Spektrometer (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lumineszierende Element (103) auf einem Träger (10T) oder auf einem optischen Element aufgebracht ist.
6. Spektrometer (1000) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (100) ein Gehäuse umfasst, in welchem die Leuchtdiode (102) angeordnet ist.
7. Spektrometer (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (100) mindestens ein optisches Element zur Einstellung einer Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung aufweist.
8. Spektrometer (1000) nach einem der Ansprüche 5 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das optische Element mindestens eines der
nachfolgenden Bauteile umfasst: Diffusor, gerichteter Diffusor, Reflektor, Spiegel, Mikrospiegel, optische Linse.
9. Spektrometer (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (106) eine Recheneinheit umfasst, welche dazu eingerichtet ist mittels der vom spektrometrischen Messbereich kommenden elektromagnetischen Strahlung (1004) ein Spektrum und/oder eine spektrale Information des spektrometrischen Messbereichs (104) zu
bestimmen.
10. Spektrometer (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zentralwellenlänge (1001“) 550 nm, 1800 nm oder einen Wert zwischen 550 nm und 1800 nm aufweist.
1 1. Spektrometer (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (1000) ein Miniaturspektrometer ist.
12. Verfahren zur Kalibrierung des Spektrometers (1000) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Zentralwellenlänge (1001“) der Leuchtdiode (102) als Referenz zur
Wellenlängenkalibration (301 ) der Detektionseinheit (106) verwendet wird und/oder zur Leistungskalibration (302) die emittierte Intensität der Leuchtdiode (102) als Leistungsreferenz für die spektrometrische Messung verwendet wird.
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