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