WO2014001074A1 - Monolithische spektrometeranordnung - Google Patents

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WO2014001074A1
WO2014001074A1 PCT/EP2013/061958 EP2013061958W WO2014001074A1 WO 2014001074 A1 WO2014001074 A1 WO 2014001074A1 EP 2013061958 W EP2013061958 W EP 2013061958W WO 2014001074 A1 WO2014001074 A1 WO 2014001074A1
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light
arrangement according
spectrometer arrangement
entrance slit
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Nico Correns
Hans-Juergen Dobschal
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Nico Correns
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Definitions

  • the invention relates to a spectrometer arrangement comprising, in the light propagation direction, one after the other:
  • a collecting optics designed to focus and direct the incident light to an entrance slit
  • an imaging system arranged downstream of the entrance slit, having at least one dispersive element for imaging a dispersion spectrum of the incident light onto a spatially resolving detection device.
  • the object of the invention is to remedy the deficiencies of the prior art as far as possible.
  • the entrance slit is designed to be reflective
  • At least the collection optics, the entrance slit and the dispersive element are combined into a module, where they
  • optically active structures are profiles, for example, grating profiles on the surface or refractive index gradients in the interior of the main body material.
  • Monolithic in the sense of this invention means consisting of one piece, coherent and seamless, or inseparably composed of very small components (from: Langenscheidt Fremdwörterbuch, Duden online, on 14.04.2012).
  • the collection optics is designed to be transmissive and integrally formed as a curved region on the surface of the module base body.
  • This surface area thus also corresponds to an interface at which the light from the external medium, e.g. Air of the free atmosphere into which basic material enters.
  • the inventively reflective entry gap is a preferably rectangular shaped mirrored area on the surface of the base material, which is dimensioned and aligned with respect to the collection optics and the imaging grating such that the incident from the collection optics ago light beam - or at least one sufficient for a spectral measurement Proportion thereof - reflected towards the dispersive element.
  • the extent of this mirror surface is in the dispersion direction, for example, a maximum of 0.5 mm, orthogonal to Dispersion direction maximum 10 mm.
  • the mirror surface is surrounded by surface areas of the base body material which are not or at least slightly reflective, or surface areas whose normal deviates from the normal of the mirror surface, so that the reflection directions are different and the influencing of the result of the spectral measurement by false and scattered light is avoided or at least minimized is held.
  • a surface region of the base body material structured as an imaging grating is preferably provided and, in alternative variants, is designed to be transmissive or reflective.
  • the light diffracted by the grating emerges directly as a measuring light from the module and subsequently becomes
  • either a free beam guidance or a beam guidance by means of optical fibers is provided between the module and the detection device, wherein the measurement light is preferably formed into a parallel, at least approximately parallel beam path.
  • the cross section of the beam path is adapted to the sensor arrangement of the specifically designed spatially resolving detection device.
  • the detection device comprises a microlens array, by which the measuring light focused and focused on the photosensitive areas of the sensor elements is directed and thus efficiently used for the measurement, whereby at the same time the tolerance requirements are lower to the detection device to be used as a less efficient light utilization.
  • the beam path emerging from the module is adapted to the input parameters of the following optical assemblies, for example to the entry slit of a downstream imaging system;
  • the beam path of the measuring light between the module and the subsequent optical assembly is parallel or approximately parallel.
  • Module and handset are mechanically connected to each other by means of a holder, wherein the holder also defines the functional position and orientation of module and handset relative to each other.
  • the light within the module base body is reflected by the grating onto a separate mirrored area of the base material and only exits therethrough from the module.
  • the exiting light is imaged onto the spatially resolving detection device either directly or via separate optical assemblies for further shaping of an imaging beam path.
  • it may be provided to arrange the detection device at a predetermined distance from the module base body.
  • the detection device for example, in the form of a sensor array - to install space-saving directly to the surface region of the body on which the light emerges.
  • the module corresponds to a compact spectrometer arrangement.
  • the module is to be understood as a compact optical unit that is suitable for displaying the light, which is split up into wavelengths or frequencies, including as a spectrometer pre-set.
  • the light entry surface of the collection optics can be provided with an antireflection coating and / or nanostructured
  • the entrance slit can be arranged totally reflecting and / or its mirrored surface can also be nanostructured.
  • the light exit surface on the module base body should likewise be provided with an antireflection coating, so that the entry of undesired radiation opposite to the light exit direction into the interior of the module base body is largely prevented.
  • color filters or partial order filters for filtering out interfering light means for absorbing the false light energy or else means for rejecting false and scattered light from the module can be provided in the beam path, in particular with respect to the grating transmitted or reflected unbowed by the grating , also called zeroth diffraction order light.
  • the sur- face - except for the area of the collecting optics and the area of the grid or the light exit area - provided an opaque, light energy absorbing coating.
  • the light exit surface is antireflex-coated, so that the irradiation of light opposite to the light exit direction is largely prevented here as well.
  • the holder is designed not only for positioning and aligning the handset relative to the module, but at the same time be provided with a light shield enclosing the module, wherein only the light entry surface and the light exit surface are excluded from this shield.
  • the collecting optics is preferably executed aspherically curved.
  • the module base body can also have cavities or recesses filled with air or gas, which pass through the beam paths extending from the collection optics to the light exit surface.
  • the collection optics may be associated with means for homogenizing the intensity of the light, for example with an optical component which is integrated into the collection optics on the object side and which homogenizes the light entering the module.
  • the monolithic base body including the incorporated optically active structures in the form of collection optics, the entrance slit and the imaging grating is made of glass or made of a polymer, preferably by injection molding.
  • the refractive index of the base material used is greater than the refractive index of the environment, and it comes as a base material preferably glass or polymer material with the lowest possible heat expansion coefficient into consideration.
  • the spectrometer arrangement according to the invention can be designed with one or more channels.
  • a multi-channel arrangement requires a two-dimensionally spatially resolving detection device, wherein simultaneously several spectra of different measuring locations in the second detector dimension (transverse to dispersion direction) are imaged side by side. Each detector line then represents one measuring channel in each case.
  • a separate reflecting entrance slit is assigned to each measuring channel, or each measuring channel has a separate area of one and the same reflecting entrance slit.
  • the individual entrance slit areas are reserved for separate detection areas lying next to one another on a two-dimensional sensor array of the detection device, which are adjacent to the dispersion direction.
  • embodiments are expressly provided in which, apart from an imaging grating, at least one second dispersive element is provided with the same or orthogonal dispersion direction as compared to the first element.
  • the spectrum is advantageously further spread, which results in an increase in the resolution. result in a solution.
  • the sensor array of a detection device is optimally utilized, comparable to the echelle spectrometer, and a clear increase in resolution is achieved with the same size and production costs.
  • FIG. 1 shows an example of a spectrometer arrangement according to the invention, consisting of a module with collection optics, entrance slit and imaging transmission grating and a module arranged downstream of the module in the light propagation direction,
  • FIG. 2 shows an example of a spectrometer arrangement according to the invention, consisting of a module with collection optics, entrance slit and imaging reflection grille as well as also a module arranged downstream of the module in the light propagation direction,
  • FIG. 3 shows an example of a spectrometer arrangement according to the invention, consisting of a module with collection optics, entrance slit and imaging reflection grating and a detection device arranged directly on the module main body.
  • a module 1 in the direction of an incident light beam 2 whose spectrum is to be measured comprises a transmissive collection optics 3, a mirrored surface area as a reflecting entrance slit 4 and a transmitting imaging grating 5.
  • Collective optics 3 , Entrance slit 4, and imaging grating 5 are integrated into a basic body 6 which can be produced in a technologically less complicated manner by pressure or injection molding.
  • the collecting optics 3 and the imaging grating 5 are designed, for example, as free-form aspheres.
  • Processes for the production of curved, including aspherically curved, surfaces on pressure-molded or injection-molded plastic bodies are well known from the prior art and therefore need no further explanation here.
  • a procedure for the production of finely structured curved body surfaces by pressure or injection molding, in particular for the molding of concave and convex diffraction gratings, is described for example in detail in DE43401 07A1. It also explains the generation of gratings with advantageous reflection and scattering properties as well as antireflection coatings.
  • Module 1 and smartphone 7 are mechanically connected to each other by means of a holder 12, wherein the holder 12 at the same time defines the position and orientation of module 1 and smartphone 7 relative to each other.
  • the holder 12 is preferably designed such that the connection between the module 1 and the smartphone 7 can be produced by hand and released again without further aids, so that both the module 1 and the smartphone 7 can be used autonomously separately.
  • the module 1 can be used without opto-electronic evaluation only to display the decomposed by wavelengths or frequencies incident light and the smartphone 7 its original purpose accordingly.
  • Smartphones instead of the smartphone 7, other optical systems or devices can be used which are suitable for imaging and measuring the dispersion spectrum.
  • Smartphones advantageously include functions and functional assemblies of a mobile phone, are thus equipped with an internal power source, have data storage and enable the transmission of the result data to external storage and data processing equipment.
  • An opaque, light energy absorbing coating 17 on the surface of the base body 6 ensures that no unwanted light passes through the body surface in the interior of the module.
  • the coating 17 only saves the region of the collecting optics 3 and the region of the grating 5.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the spectrometer arrangement according to the invention, again comprising a module 1 and a smartphone 7.
  • the module 1 has, in addition to the transmissive collection optics 3 and the reflective entrance slit 4, a reflecting grating 13 that is designed to be reflective.
  • the collecting optics 3 and the imaging grating 13 are here also free-form aspheres.
  • the light is reflected within the base body 6 from the grating 13 on a separate light exit surface 14 and only passes through this out of the module 1 and as a light beam 9 in the lens 8 of the smartphone 7 a.
  • Module 1 and smartphone 7 are in turn by means of a holder 12, which defines the position and orientation of module 1 and smartphone 7 relative to each other, mechanically connected, and the holder 12 is preferably designed so that this connection can be made by hand and without further aids is solvable again.
  • Module 1 and Smartphone 7 can be used separately from each other autonomously.
  • an opaque, light energy absorbing coating 17 is provided on the surface of the base body 6, so that no unwanted light passes through the body surface into the interior of the module.
  • the coating 17 only saves the region of the collection optics 3 and the region of the light exit surface 14.
  • the module 1 in addition to the transmissive collecting optics 3 and the reflecting entrance slit 4, again has a reflecting imaging grating 13. Unlike the two preceding exemplary embodiments, however, the module 1 is not followed by a separate imaging system, but the image of the spectrally dispersed light coming from the grid is applied to the sensor array of a two-dimensionally spatially resolving detection device 15 which is connected directly to the module 1 at a light exit surface 16 is. The signal outputs of the detection device 15 are applied to an evaluation circuit, which provides information about the spectrum of the incident light in the collection optics 3 (not shown in the drawing).
  • the non-transparent, light energy absorbing coating 17 on the surface of the base body 6 also prevents the penetration of unwanted light through the body surface into the interior of the module.
  • the coating 17 only saves the area of the collecting optics 3 and the area of the light exit surface 16 or the detection device 15.
  • the module may be separate, ie separated from the downstream smartphone compact spectral apparatus are used only for the decomposition of the incident light according to wavelengths or frequencies.
  • the module serves as an independent compact spectrometer.

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

Titel
MONOLITHISCHE SPEKTROMETERANORDNUNG
Gebiet der Erfindung
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 dispersi- ven Element zur Abbildung eines Dispersionsspektrums des einfallenden Lichtes auf eine ortsauflösende Detektionseinrichtung.
Stand der Technik
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 Gitterspektrome- ter zu, dem die nachfolgend beschriebene Erfindung zuzuordnen ist.
Beschreibung der Erfindung
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 Modulgrund- körper 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 Erfin- dung 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 äu ßeren 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 Spektral- messung 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 Detektionseinrich- tung 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 konzent- riert 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 na- nostrukturiert 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 O- berfläche - außer dem Bereich der Sammeloptik und dem Bereich des Gitters bzw. der Licht- austrittsfläche - 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 ver- bunden 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 Detektionseinrich- tung, 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 ent- weder 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 Auflö- sung 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
Fig.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,
Fig.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,
Fig.3 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Spektrometeranordnung, bestehend aus einem Modul mit Sammeloptik, Eintrittsspalt und abbildendem Reflexionsgitter und einer unmittelbar am Modulgrundkörper angeordneten Detektionseinrichtung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Wie in Fig.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 DE43401 07A1 beschrieben. Erläutert ist dort zugleich auch die Erzeugung von Gittern mit vorteilhaften Reflexions- und Streueigenschaften sowie Antireflexbe- Schichtungen.
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 1 0 auf. Von be- sagten optischen Bauelementen ist der Übersichtlichkeit halber neben dem Objektiv 8 lediglich symbolisch eine Linsengruppe 1 1 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 wei- tere 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 Fig.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 Fig.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 Abbildungssys- tem 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 Be- reich 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 Anwendun- gen. So kann das Modul in der Ausführung nach Fig.1 oder Fig.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 Fig.3 gezeigten, unmittelbar mit einer Detektionseinnchtung ausgestatteten Ausführung dient das Modul als eigenständiges kompaktes Spektrometer.
Bezuqszeichenliste
1 Modul
5 2 Lichtbündel
3 Sammeloptik
4 Eintrittsspalt
5 abbildendes Gitter
6 Grundkörper
10 7 Smartphone
8 Objektiv
9 Lichtbündel
10 Detektionseinrichtung
1 1 Linsengruppe
15 12 Halterung
13 abbildendes Gitter
14 Lichtaustrittsfläche
15 Detektionseinrichtung
16 Lichtaustrittsfläche
20 17 Beschichtung

Claims

Patentansprüche
1 . 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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 Aus- dehnung der verspiegelten Fläche von 0,5 mm in Dispersionsrichtung und von 10 mm orthogonal zur Dispersionsrichtung.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. Spektrometeranordnung nach Anspruch 8, bei welcher als Abbildungssystem ein kommerzielles optoelektronisches Handgerät, bevorzugt in Form eines Smartphones (7), vorgesehen ist.
10. 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.
1 1. 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.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
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