DE102012210954A1

DE102012210954A1 - Spektrometeranordnung

Info

Publication number: DE102012210954A1
Application number: DE102012210954.4A
Authority: DE
Inventors: Nico Correns; Hans-Jürgen Dobschal
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: US9625317B2; CN104718478B; WO2014001074A1; US20150241277A1; CN104718478A; DE102012210954B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spektrometeranordnung, in Lichtausbreitungsrichtung nacheinander umfassend: – eine Sammeloptik (3), ausgebildet zur Bündelung und Ausrichtung des einfallenden Lichtes auf einen Eintrittsspalt (4), und – ein dem Eintrittsspalt (4) nachgeordnetes Abbildungssystem mit mindestens einem dispersiven Element, ausgebildet zur Abbildung eines Dispersionsspektrums des einfallenden Lichtbündels (2) auf eine ortsauflösende Detektionseinrichtung. Erfindungsgemäß ist bei einer Spektrometeranordnung dieser Art – der Eintrittsspalt (4) reflektierend ausgeführt, und – mindestens die Sammeloptik (3), der Eintrittsspalt (4) und ein abbildendes Gitter (5, 13) sind in einem Modul (1) zusammengefasst, wobei sie – als Komponenten in einen monolithischen Grundkörper (6) integriert sind, oder – als optisch wirksame Formen oder Strukturen an einem monolithischen Grundkörper (6) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spektrometeranordnung, in Lichtausbreitungsrichtung nacheinander umfassend:

– eine Sammeloptik, ausgebildet zur Bündelung und Ausrichtung des einfallenden Lichtes auf einen Eintrittsspalt, und
– ein dem Eintrittsspalt nachgeordnetes Abbildungssystem mit mindestens einem dispersiven Element zur Abbildung eines Dispersionsspektrums des einfallenden Lichtes auf eine ortsauflösende Detektionseinrichtung.

Spektrometeranordnungen an sich sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Allerdings erfüllt der erreichte Entwicklungsstand trotz international hoher Aufwendungen für Weiterentwicklungen auch gegenwärtig noch nicht alle technischen Erfordernisse.
Eines der wichtigsten Ziele bei der Entwicklung neuer Spektrometer ist neben der Erreichung der geforderten optischen Parameter die Reduzierung der Herstellungskosten und des Bauraumes bei gleichzeitiger Erhöhung der Robustheit gegenüber mechanischen und thermischen Einflüssen. Je kleiner, je kompakter ein System aufgebaut und je geringer die Anzahl der Einzelteile ist, desto besser ist das Verhältnis vom Aufwand bei der Herstellung zum Nutzen für den Kunden.
Einige bekannte Ausführungen von Spektrometern mit Sammeloptik sind bereits justagefrei aufgebaut, bestehen aber aus einer Vielzahl funktionsbestimmender Einzelteile, wodurch Montage- und Herstellungsaufwand immer noch recht hoch sind. Die trotz des komplexen Aufbaus und der damit verbundenen nachteiligen Verknüpfung der Einzelteil-Toleranzen bisher erzielte Justagefreiheit hat die Einschränkung von Systemparametern zur Folge. So kann z.B. nicht die gesamte an sich verfügbare Empfangsfläche der Detektionseinrichtung genutzt werden, oder es wird die spektrale Auflösung verringert. Die im Strahlengang vorhandenen optischen Grenzflächen tragen weiterhin zur Verschlechterung optischer Parameter des Systems bei. Auch das Bauvolumen ist noch verhältnismäßig hoch, und die Robustheit, insbesondere im Hinblick auf Temperatureinflüsse, ist unzureichend. Das trifft auch auf das Sachgebiet der Gitterspektrometer zu, dem die nachfolgend beschriebene Erfindung zuzuordnen ist.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Mängel des Standes der Technik weitestgehend zu beheben.
Erfindungsgemäß ist bei einer Spektrometeranordnung der eingangs beschriebenen Art

– der Eintrittsspalt reflektierend ausgeführt, und
– mindestens die Sammeloptik, der Eintrittsspalt und das dispersive Element sind zu einem Modul zusammengefasst, wobei sie – als Komponenten in einen monolithischen Modulgrundkörper integriert sind, oder – als optisch wirksame Formen oder Strukturen an einem monolithischen Modulgrundkörper ausgebildet sind.

Unter optisch wirksamen Formen sind beispielsweise Oberflächenkrümmungen zu verstehen, optisch wirksame Strukturen sind Profile, beispielsweise Gitterprofile an der Oberfläche oder Brechzahlgradienten im Inneren des Grundkörpermaterials. Monolithisch im Sinne dieser Erfindung bedeutet aus einem Stück bestehend, zusammenhängend und fugenlos, oder aus sehr kleinen Bauelementen untrennbar zusammengesetzt (aus: Langenscheidt Fremdwörterbuch, Duden online, am 14.04.2012).
Bevorzugt ist die Sammeloptik transmittierend ausgeführt und als ein gekrümmter Bereich an die Oberfläche des Modulgrundkörpers angeformt. Dieser Oberflächenbereich entspricht damit zugleich einer Grenzfläche, an der das Licht vom äußeren Medium, z.B. Luft der freien Atmosphäre, in das Grundmaterial eintritt.
Der erfindungsgemäß reflektierend ausgeführte Eintrittsspalt ist ein vorzugsweise rechteckig geformter verspiegelter Bereich an der Oberfläche des Grundkörpermaterials, der in Bezug auf die Sammeloptik und das abbildende Gitter so bemessen und ausgerichtet ist, dass das von der Sammeloptik her auftreffende Lichtbündel – oder mindestens ein für eine Spektralmessung ausreichender Anteil davon – zum dispersiven Element hin reflektiert wird. Die Ausdehnung dieser Spiegelfläche beträgt in Dispersionsrichtung beispielsweise maximal 0,5 mm, orthogonal zur Dispersionsrichtung maximal 10 mm. Die Spiegelfläche ist von nicht oder zumindest geringer reflektierenden Flächenbereichen des Grundkörpermaterials umgeben oder von Flächenbereichen, deren Normale von der Normalen der Spiegelfläche abweicht, sodass die Reflexionsrichtungen verschieden sind und diesbezüglich die Beeinflussung des Ergebnisses der Spektralmessung durch Falsch- und Streulicht vermieden oder zumindest gering gehalten wird.
Als dispersives Element ist vorzugsweise ein als abbildendes Gitter strukturierter Oberflächenbereich des Grundkörpermaterials vorgesehen und in alternativen Varianten transmittierend oder reflektierend ausgeführt.
Im erstgenannten Fall, also der transmittierenden Ausführung, tritt das durch das Gitter gebeugte Licht als Messlicht unmittelbar aus dem Modul aus und wird nachfolgend

– in einer ersten Ausgestaltungsvariante direkt auf die ortsauflösende Detektionseinrichtung abgebildet, oder
– in einer zweiten Ausgestaltungsvariante zunächst durch optische Baugruppen zur Beeinflussung bzw. Formung des Abbildungsstrahlengangs geleitet, der auf die ortsauflösende Detektionseinrichtung gerichtet ist.

In der ersten Ausgestaltungsvariante ist zwischen dem Modul und der Detektionseinrichtung entweder eine freie Strahlführung oder eine Strahlführung mittels Lichtleitfasern vorgesehen, wobei das Messlicht bevorzugt zu einem parallelen, zumindest näherungsweise parallelen Strahlengang geformt ist. Der Querschnitt des Strahlengangs ist der Sensoranordnung der konkret ausgeführten ortsauflösenden Detektionseinrichtung angepasst. Optional umfasst die Detektionseinrichtung ein Mikrolinsenarray, durch welches das Messlicht gebündelt und konzentriert auf die lichtempfindlichen Bereiche der Sensorelemente gerichtet ist und auf diese Weise effizient zur Messung genutzt wird, wodurch zugleich die Toleranzforderungen an die zu verwendende Detektionseinrichtung geringer sind als bei einer weniger effizienten Lichtausnutzung.
In der zweiten Ausgestaltungsvariante ist der aus dem Modul austretende Strahlengang an die Eingangsparameter der nachfolgenden optischen Baugruppen angepasst, beispielsweise an die Eintrittsschnittweite eines nachgeordneten Abbildungssystems; vorzugsweise ist der Strahlengang des Messlichtes zwischen dem Modul und der nachfolgenden optischen Baugruppe parallel oder näherungsweise parallel. So liegt es im Rahmen der Erfindung, das aus dem Modul austretende Messlicht in das Objektiv eines nachgeordneten multimedialen Handgerätes, etwa in der Form eines handelsüblichen Smartphones, einzukoppeln. Modul und Handgerät sind dabei mittels einer Halterung mechanisch miteinander verbunden, wobei die Halterung zugleich die funktionsgerechte Position und Ausrichtung von Modul und Handgerät relativ zueinander definiert.
Im Fall eines reflektierend ausgeführten abbildenden Gitters wird das Licht innerhalb des Modulgrundkörpers vom Gitter auf einen gesonderten verspiegelten Bereich des Grundkörpermaterials reflektiert und tritt erst durch diesen hindurch aus dem Modul aus. Auch hierbei wird das austretende Licht entweder direkt oder über gesonderte optische Baugruppen zur weiteren Formung eines Abbildungsstrahlengangs auf die ortsauflösende Detektionseinrichtung abgebildet. Auch hierbei kann vorgesehen sein, die Detektionseinrichtung in einem vorgegebenen Abstand zum Modulgrundkörper anzuordnen. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, die Detektionseinrichtung – beispielsweise in Form eines Sensorarrays – raumsparend unmittelbar an dem Oberflächenbereich des Grundkörpers anzubringen, an dem das Licht austritt.
In der letztgenannten Ausführungsform, also mit integrierter Detektionseinrichtung, entspricht das Modul einer kompakten Spektrometeranordnung. In der Ausführungsform ohne Detektionseinrichtung dagegen ist das Modul als kompakte optische Baueinheit aufzufassen, die zur Darstellung des nach Wellenlängen bzw. Frequenzen zerlegten Lichts geeignet ist, darunter auch als Spektrometervorsatz.
Zwecks Vermeidung von Messwert-Verfälschungen durch Falsch- und Streulicht kann die Lichteintrittsfläche der Sammeloptik mit einer Antireflexbeschichtung versehen und/oder nanostrukturiert sein, der Eintrittsspalt kann totalreflektierend angeordnet und/oder seine verspiegelte Fläche ebenfalls nanostrukturiert sein. Die Lichtaustrittsfläche am Modulgrundkörper sollte ebenfalls mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein, sodass der Eintritt unerwünschter Strahlung entgegengesetzt zur Lichtaustrittsrichtung in das Innere des Modulgrundkörpers weitestgehend verhindert wird.
Alternativ zu den Antireflexbeschichtungen oder auch zusätzlich können im Strahlengang Farbfilter oder partielle Ordnungsfilter zum Herausfiltern von störendem Licht, Mittel zur Absorption der Falschlichtenergie oder auch Mittel zur Herausleitung von Falsch- und Streulicht aus dem Modul vorgesehen sein, insbesondere hinsichtlich des vom Gitter ungebeugt transmittierten oder reflektierten, auch als nullte Beugungsordnung bezeichneten Lichtes.
Um zu verhindern, dass Licht ausschließlich durch die Sammeloptik, nicht jedoch auch durch die sonstige Oberfläche des Modulgrundkörpers hindurch in das Modul gelangt, ist auf der Oberfläche – außer dem Bereich der Sammeloptik und dem Bereich des Gitters bzw. der Lichtaustrittsfläche – eine intransparente, Lichtenergie absorbierende Beschichtung vorgesehen. Die Lichtaustrittsfläche ist antireflexbeschichtet, sodass auch hier die Einstrahlung von Licht entgegengesetzt zur Lichtaustrittsrichtung weitestgehend verhindert ist.
Anstelle einer solchen intransparenten, Lichtenergie absorbierende Außenbeschichtung oder auch zusätzlich dazu kann bei der bereits oben beschriebenen Ausführungsform, die eine mechanische Verbindung des Moduls mit einem multimedialen Handgerät mittels einer Halterung vorsieht, die Halterung nicht nur zur Positionierung und Ausrichtung des Handgerätes relativ zum Modul ausgebildet, sondern zugleich mit einer das Modul umgreifenden Lichtabschirmung versehen sein, wobei lediglich die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche von dieser Abschirmung ausgenommen sind.
Die Sammeloptik ist bevorzugt asphärisch gekrümmt ausgeführt. Der Modulgrundkörper kann in speziellen Ausgestaltungen auch mit Luft oder Gas gefüllte Hohlräume oder Ausnehmungen aufweisen, welche die von der Sammeloptik bis zur Lichtaustrittsfläche verlaufenden Strahlengänge passieren.
Optional kann die Sammeloptik mit Mitteln zur Homogenisierung der Intensität des Lichtes verbunden sein, beispielsweise mit einer optischen Komponente, die objektseitig in die Sammeloptik integriert ist und die das in das Modul eintretende Licht homogenisiert.
Bevorzugt ist der monolithische Grundkörper einschließlich der eingearbeiteten optisch wirksamen Strukturen in Form der Sammeloptik, des Eintrittsspaltes und des abbildenden Gitters aus Glas gefertigt oder aus einem Polymer vorzugsweise durch Spritzgießen hergestellt. Der Brechungsindex des verwendeten Grundkörpermaterials ist dabei größer als der Brechungsindex der Umgebung, und es kommt als Grundkörpermaterial vorzugsweise Glas oder Polymer-Werkstoff mit dem geringstmöglichen Wärme-Ausdehnungs-Koeffizienten in Betracht.
Die erfindungsgemäße Spektrometeranordnung kann ein- oder mehrkanalig ausgeführt sein. Eine mehrkanalige Anordnung erfordert eine zweidimensional ortsauflösende Detektionseinrichtung, wobei simultan mehrere Spektren von unterschiedlichen Mess-Orten in der zweiten Detektordimension (quer zu Dispersionsrichtung) nebeneinander abgebildet werden. Jede Detektorzeile stellt dann jeweils einen Messkanal dar. Bei einer mehrkanaligen Ausführung ist entweder jedem Messkanal ein separater reflektierender Eintrittsspalt zugeordnet, oder zu jedem Messkanal gehört ein separater Bereich von ein und demselben reflektierenden Eintrittsspalt. Dabei sind den einzelnen Eintrittsspaltbereichen gesonderte, auf einem zweidimensionalen Sensorarray der Detektionseinrichtung vertikal zur Dispersionsrichtung nebeneinander liegende Detektionsbereiche vorbehalten.
Im Rahmen der Erfindung liegen ausdrücklich auch Ausführungsformen, bei denen außer einem abbildenden Gitter mindestens ein zweites dispersives Element mit im Vergleich zum ersten Element gleicher oder orthogonaler Dispersionsrichtung vorgesehen ist. Bei gleicher Dispersionsrichtung wird das Spektrum vorteilhaft weiter gespreizt, was eine Erhöhung der Auflösung zur Folge hat. Bei gekreuzter Dispersionsrichtung wird, vergleichbar zum Echelle-Spektrometer, das Sensorarray einer Detektionseinrichtung optimal genutzt und eine deutliche Erhöhung der Auflösung bei gleicher Baugröße und Herstellungskosten erzielt.
Die Vorteile der Erfindung bestehen vor allem hinsichtlich einer im Vergleich zum Stand der Technik fortgeschrittenen Minimierung der Herstellungskosten, einer weiteren Reduzierung des Bauraumes bei gleichzeitiger Verbesserung der optischen, mechanischen und thermischen Parameter und der Messgenauigkeit sowie in der modularen Bauweise.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
1 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Spektrometeranordnung, bestehend aus einem Modul mit Sammeloptik, Eintrittsspalt und abbildendem Transmissionsgitter sowie einem dem Modul in Lichtausbreitungsrichtung nachgeordneten Smartphone,
2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Spektrometeranordnung, bestehend aus einem Modul mit Sammeloptik, Eintrittsspalt und abbildendem Reflexionsgitter sowie ebenfalls einem dem Modul in Lichtausbreitungsrichtung nachgeordneten Smartphone,
3 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Spektrometeranordnung, bestehend aus einem Modul mit Sammeloptik, Eintrittsspalt und abbildendem Reflexionsgitter und einer unmittelbar am Modulgrundkörper angeordneten Detektionseinrichtung.
Wie in 1 anhand eines ersten Ausführungsbeispiels prinzipiell dargestellt, umfasst ein Modul 1 in Richtung eines einfallenden Lichtbündels 2, dessen Spektrum gemessen werden soll, eine transmittierende Sammeloptik 3, einen verspiegelten Flächenbereich als reflektierenden Eintrittsspalt 4 und ein transmittierendes abbildendes Gitter 5. Sammeloptik 3, Eintrittsspalt 4, und abbildendes Gitter 5 sind in einen durch Druck- oder Spritzgießen in technologisch wenig aufwendiger Weise herstellbaren Grundkörper 6 integriert.
Die Sammeloptik 3 und das abbildende Gitter 5 sind beispielsweise als Freiform-Asphären ausgeführt. Verfahren zur Herstellung von gekrümmten, darunter auch asphärisch gekrümmten Oberflächen an druck- oder spritzgegossenen Kunststoffkörpern sind aus dem Stand der Technik hinreichen bekannt und bedürfen deshalb hier keiner weiteren Erläuterung. Ein Verfahren zur Herstellung von fein strukturierten gekrümmten Körperoberflächen durch Druck- oder Spritzgießen, insbesondere zur Anformung von konkaven und konvexen Beugungsgittern, ist zum Beispiel ausführlich in DE4340107A1 beschrieben. Erläutert ist dort zugleich auch die Erzeugung von Gittern mit vorteilhaften Reflexions- und Streueigenschaften sowie Antireflexbeschichtungen.
Ein Smartphone 7, das dem Modul 1 in Lichtausbreitungsrichtung nachgeordnet ist, weist optische Bauelemente und Strahlengänge zur Abbildung eines in sein Objektiv 8 einfallenden Lichtbündels 9 auf eine zweidimensional ortsauflösende Detektionseinrichtung 10 auf. Von besagten optischen Bauelementen ist der Übersichtlichkeit halber neben dem Objektiv 8 lediglich symbolisch eine Linsengruppe 11 dargestellt. Modul 1 und Smartphone 7 sind mittels einer Halterung 12 mechanisch miteinander verbunden, wobei die Halterung 12 zugleich die Position und Ausrichtung von Modul 1 und Smartphone 7 relativ zueinander definiert. Die Halterung 12 ist bevorzugt so gestaltet, dass die Verbindung zwischen Modul 1 und Smartphone 7 ohne weitere Hilfsmittel von Hand herstellbar und wieder lösbar ist, so dass sowohl das Modul 1 als auch das Smartphone 7 getrennt voneinander autonom genutzt werden können. So kann das Modul 1 ohne optoelektronische Auswertung lediglich zur Darstellung des nach Wellenlängen bzw. Frequenzen zerlegten einfallenden Lichts verwendet werden und das Smartphone 7 seiner ursprünglichen Zweckbestimmung entsprechend.
Prinzipiell sind anstelle des Smartphones 7 auch andere optische Systeme oder Geräte nutzbar, die zur Abbildung und Messung des Dispersionsspektrums geeignet sind. Smartphones jedoch umfassen vorteilhaft Funktionen und Funktionsbaugruppen eines Mobiltelefons, sind demzufolge mit einer internen Energieversorgungsquelle ausgerüstet, weisen Datenspeicher auf und ermöglichen die Übertragung der Ergebnisdaten zu externen Speichern und Datenverarbeitungseinrichtungen.
Eine intransparente, Lichtenergie absorbierende Beschichtung 17 auf der Oberfläche des Grundkörpers 6 sorgt dafür, dass kein unerwünschtes Licht durch die Grundkörperoberfläche in das Innere des Moduls gelangt. Die Beschichtung 17 spart lediglich den Bereich der Sammeloptik 3 und den Bereich des Gitters 5 aus.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung dargestellt, wiederum ein Modul 1 und ein Smartphone 7 umfassend. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist hier das Modul 1 neben der transmittierenden Sammeloptik 3 und dem reflektierenden Eintrittsspalt 4 ein reflektierend ausgeführtes abbildendes Gitter 13 auf. Die Sammeloptik 3 und das abbildende Gitter 13 sind hier ebenfalls Freiform-Asphären.
Das Licht wird innerhalb des Grundkörpers 6 vom Gitter 13 auf eine gesondert Lichtaustrittsfläche 14 reflektiert und tritt erst durch diesen hindurch aus dem Modul 1 aus und als Lichtbündel 9 in das Objektiv 8 des Smartphones 7 ein.
Modul 1 und Smartphone 7 sind wiederum mittels einer Halterung 12, die zugleich die Position und Ausrichtung von Modul 1 und Smartphone 7 relativ zueinander definiert, mechanisch verbunden, und die Halterung 12 ist bevorzugt so gestaltet, dass diese Verbindung ohne weitere Hilfsmittel von Hand herstellbar und wieder lösbar ist. Modul 1 und Smartphone 7 können getrennt voneinander autonom genutzt werden.
Auch hier ist eine intransparente, Lichtenergie absorbierende Beschichtung 17 auf der Oberfläche des Grundkörpers 6 vorgesehen, sodass kein unerwünschtes Licht durch die Grundkörperoberfläche in das Innere des Moduls gelangt. Die Beschichtung 17 spart lediglich den Bereich der Sammeloptik 3 und den Bereich der Lichtaustrittsfläche 14 aus.
In einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung nach 3 weist das Modul 1 neben der transmittierenden Sammeloptik 3 und dem reflektierenden Eintrittsspalt 4 wieder ein reflektierendes abbildendes Gitter 13 auf. Anders als bei den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen jedoch ist dem Modul 1 kein separates Abbildungssystem nachgeordnet, sondern die Abbildung des vom Gitter kommenden spektral zerlegten Lichts erfolgt auf das Sensorarray einer zweidimensional ortsauflösenden Detektionseinrichtung 15, die an einer Lichtaustrittsfläche 16 unmittelbar mit dem Modul 1 verbunden ist. Die Signalausgänge der Detektionseinrichtung 15 liegen an einer Auswerteschaltung an, welche Informationen über das Spektrum des in die Sammeloptik 3 einfallenden Lichtes liefert (zeichnerisch nicht dargestellt).
Die intransparente, Lichtenergie absorbierende Beschichtung 17 auf der Oberfläche des Grundkörpers 6 verhindert auch hier das Eindringen von unerwünschtem Licht durch die Grundkörperoberfläche in das Innere des Moduls. Die Beschichtung 17 spart lediglich den Bereich der Sammeloptik 3 und den Bereich der Lichtaustrittsfläche 16 bzw. der Detektionseinrichtung 15 aus.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung liegt in der modularen Bauweise und der sich daraus ergebenden Flexibilität in Bezug auf verschiedene Anwendungen. So kann das Modul in der Ausführung nach 1 oder 2 gesondert, das heißt vom nachgeordneten Smartphone getrennt, als kompakter Spektralapparat lediglich zur Zerlegung des einfallenden Lichts nach Wellenlängen bzw. Frequenzen verwendet werden.
In der in 3 gezeigten, unmittelbar mit einer Detektionseinrichtung ausgestatteten Ausführung dient das Modul als eigenständiges kompaktes Spektrometer.
Bezugszeichenliste

1: Modul
2: Lichtbündel
3: Sammeloptik
4: Eintrittsspalt
5: abbildendes Gitter
6: Grundkörper
7: Smartphone
8: Objektiv
9: Lichtbündel
10: Detektionseinrichtung
11: Linsengruppe
12: Halterung
13: abbildendes Gitter
14: Lichtaustrittsfläche
15: Detektionseinrichtung
16: Lichtaustrittsfläche
17: Beschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4340107 A1 [0031]

Claims

Spektrometeranordnung, in Lichtausbreitungsrichtung bestehend aus: – einer Sammeloptik (3), ausgebildet zur Bündelung und Ausrichtung des Lichtes auf einen Eintrittsspalt (4), und – einem dem Eintrittsspalt (4) nachgeordneten Abbildungssystem, das mindestens ein dispersives Element umfasst und zur Abbildung eines Dispersionsspektrums des Lichtes auf eine ortsauflösende Detektionseinrichtung ausgebildet ist, wobei – der Eintrittsspalt reflektierend ausgeführt ist, und – mindestens die Sammeloptik, der Eintrittsspalt und das dispersive Element in einem Modul (1) zusammengefasst sind, wobei sie – als Komponenten in einen monolithischen Grundkörper (6) integriert sind, oder – als optisch wirksame Formen oder Strukturen an einem monolithischen Grundkörper (6) ausgebildet sind.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 1, bei der – die Sammeloptik (3) transmittierend ausgeführt und als ein gekrümmter Oberflächenbereich an den Grundkörper (6) angeformt ist, und – das Licht durch die Sammeloptik (3) hindurch in das Modul (1) eintritt.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der – das dispersive Element als transmittierendes abbildendes Gitters (5) ausgeführt und als ein Oberflächenbereich mit vorgegebener Gitterstruktur an den Grundkörper (6) angeformt ist, wobei – das Licht durch das abbildende Gitter (5) hindurch aus dem Modul (1) austritt.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der – das dispersive Element als reflektierendes abbildendes Gitters (13) ausgeführt und als ein Oberflächenbereich mit vorgegebener Gitterstruktur an den Grundkörper (6) angeformt ist, wobei – das vom Gitter (13) reflektierte Licht innerhalb des Grundkörpers (6) auf einen weiteren Oberflächenbereich (14) des Grundkörpers (6) gerichtet ist und durch diesen hindurch als Lichtbündel (9) aus dem Modul (1) austritt.
Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der reflektierende Eintrittsspalt (4) als ein verspiegelter Bereich bestimmter Größe und Ausrichtung an der Oberfläche des Grundkörpers (6) ausgebildet ist, bevorzugt mit einer Ausdehnung der verspiegelten Fläche von 0,5 mm in Dispersionsrichtung und von 10 mm orthogonal zur Dispersionsrichtung.
Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher das aus dem Modul (1) austretende Licht auf die ortsauflösende Detektionseinrichtung (15) gerichtet ist, die – unmittelbar am Modul (1) angeordnet ist, oder – in einem vorgegebenen Abstand zum Modul (1) positioniert ist, wobei bevorzugt eine parallele oder kollimierte Strahlführung zwischen dem Modul (1) und der Detektionseinrichtung (15) vorgesehen ist und/oder im Lichtweg zwischen dem Modul (1) und der Detektionseinrichtung (15) Lichtleitfasern vorgesehen sind.
Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das aus dem Modul (1) austretende Lichtbündel (9) in ein nachgeordnetes Abbildungssystem mit integrierter Detektionseinrichtung (10) gerichtet ist, wobei die optischen Parameter des Lichtbündels (9) auf die Eingangsparameter des Abbildungssystems abgestimmt sind.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 7, bei welcher – das nachgeordnete Abbildungssystem mit dem Modul (1) mechanisch über eine Halterung (12) verbunden ist, – die Halterung (12) zugleich die Position und Ausrichtung des Moduls (1) und des Abbildungssystems relativ zueinander definiert, und – die mechanische Verbindung zwischen Modul (1) und nachgeordnetem Abbildungssystem bevorzugt ohne weitere Hilfsmittel von Hand herstellbar und wieder lösbar ist.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 8, bei welcher als Abbildungssystem ein kommerzielles optoelektronisches Handgerät, bevorzugt in Form eines Smartphones (7), vorgesehen ist.
Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Sammeloptik (3) und/oder das abbildende Gitter (5, 13) als asphärische Linsen, bevorzugt als Freiform-Asphären, ausgebildet sind.
Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Sammeloptik (3) mit Mitteln zur Homogenisierung der Intensität und der Apertur des einfallenden Lichtbündels (2) versehen ist.
Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher – das Modul (1) einschließlich der optisch wirksamen Formen und Strukturen aus einem Polymer gefertigt, vorzugsweise spritzgegossen ist, und – der Brechungsindex des Polymers größer ist als der Brechungsindex der Umgebung.
Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, ein- oder mehrkanalig ausgeführt, wobei jedem Kanal ein separater reflektierender Eintrittsspalt (4) oder ein separater Bereich ein und desselben reflektierenden Eintrittsspaltes (4) zugeordnet ist.
Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher zwecks Vermeidung von Falsch- und Streulicht Antireflexschichten oder Totalreflexionen vorgesehen oder Farbfilter in den Strahlengang eingeordnet sind.
Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher mindestens ein zweites dispersives Element mit einer zum abbildenden Gitter (5, 13) gleicher oder orthogonaler Dispersionsrichtung vorgesehen ist.