Titel

Spektrometrische Messvorrichtunq und Verfahren zur Analyse eines Mediums unter Verwendung einer spektrometrischen Messvorrichtunq

Stand der Technik

In US 5909280 A ist ein Mikrospektrometer beschrieben, welches eine monolithisch integrierte Lichtquelle und einen monolithisch integrierten Detektor umfasst. Das Mikrospektrometer wird als Teil eines Sensorsystems verwendet, welches dazu geeignet ist sowohl Festkörper als auch Flüssigkeiten zu untersuchen. Das

Mikrospektrometer umfasst ein Fabry-Perot Interferometer als spektrales Element und eine Kammer, in die das zu untersuchende Medium über einen Kanal eingelassen werden kann. Die Lichtquelle und der Detektor sind auf einander gegenüberliegenden Seiten der Kammer angeordnet.

Kern und Vorteile der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine spektrometrische Messvorrichtung, ein Verfahren zur Analyse eines Mediums unter Verwendung einer spektrometrischen

Messvorrichtung und ein Computerprogrammprodukt.

Spektrale Informationen eines Mediums können aus einer vom Medium

kommenden elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise aus einer von dem Medium emittierten, reflektierten, transmittierten und/ oder gestreuten

elektromagnetischen Strahlung, gewonnen werden, indem diese

elektromagnetische Strahlung beispielsweise von einem Spektrometer

aufgenommen und ausgewertet wird. Ein spektrales Element, wie beispielsweise ein Gitterspektrometer, Fabry-Perot Interferometer, Transmissionsfilter/ Lineare Variable Filter oder Fourier-Transformations-Spektrometer, kann hierbei zwischen einer Lichtquelle und dem zu untersuchenden Medium und/oder zwischen dem Medium und einem Detektor angeordnet sein. Zur Erfassung spektrometrischer Daten des zu untersuchenden Mediums kann unter anderem eine Transmissionsmessung oder eine Reflexionsmessung durchgeführt werden. Bei Transmissionsmessungen wird elektromagnetische Strahlung von dem zu untersuchenden Medium transmittiert, wobei die transmittierte

elektromagnetische Strahlung spektrale Informationen über das Medium aufweist. Die transmittierte elektromagnetische Strahlung kann

wellenlängenselektiv detektiert werden und Aufschluss über die spektrale Zusammensetzung des Mediums geben. Bei Reflexionsmessungen wird elektromagnetische Strahlung von dem zu untersuchenden Medium reflektiert, wobei die reflektierte elektromagnetische Strahlung spektrale Informationen über das Medium aufweist. Die reflektierte elektromagnetische Strahlung kann wellenlängenselektiv detektiert werden und Aufschluss über die spektrale Zusammensetzung des Mediums geben.

Fluide, d.h. Flüssigkeiten, Gase und Mischungen von Flüssigkeiten und Gasen, reflektieren zum Teil nur einen geringen Teil einer auf das Fluid auftreffenden elektromagnetischen Strahlung, ein größerer Anteil der auf das Fluid

auftreffenden elektromagnetischen Strahlung wird von dem Fluid transmittiert. Es wird somit nur ein kleiner Teil der elektromagnetischen Strahlung, welche spektrale Informationen über das Medium umfasst, reflektiert.

Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass spektrale Informationen sowohl von Festkörpern als auch von Fluiden mit einer hohen Signalstärke und somit mit einer hohen Genauigkeit und

Zuverlässigkeit erfasst werden können. Dadurch kann die Zuverlässigkeit einer spektralen Analyse des Mediums erhöht werden und die

Anwendungsmöglichkeiten der spektrometrische Messvorrichtung erweitert werden. Des Weiteren weist die spektrometrische Messvorrichtung eine verbesserte mechanische und messtechnische Robustheit auf. Eine effiziente Kollimation breitbandiger elektromagnetischer Strahlung, wie beispielsweise von Glühbirnen bzw. Leuchtdioden (LED), ist nach wie vor

herausfordernd. Die Genauigkeit der spektrometrischen Messung kann daher bei der Verwendung breitbandiger elektromagnetischer Strahlung durch Streulicht

verschlechtert werden. Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass die Genauigkeit der Messergebnisse verbessert werden kann, da elektromagnetische Strahlung aus einem Lichtwellenleiter deutlich besser kollimiert werden kann.

Dies wird erreicht mit einer spektrometrische Messvorrichtung zur Bestimmung spektrometrischer Daten eines Mediums, umfassend eine Aufnahmevorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, das Medium aufzunehmen, wobei ein

Miniaturspektrometer an der Aufnahmevorrichtung angeordnet oder anordenbar ist. Das Miniaturspektrometer umfasst eine Beleuchtungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, das Medium mit einer elektromagnetischen Strahlung zu bestrahlen und eine Detektionseinheit, welche dazu eingerichtet ist, einen aus Richtung des Mediums kommenden Strahlungsanteil der elektromagnetischen Strahlung zu detektieren und hieraus spektrometrische Daten bereitzustellen. Die spektrometrische Messvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Miniaturspektrometer, umfassend die

Beleuchtungseinheit und die Detektionseinheit, an einer ersten Seite der

Aufnahmevorrichtung angeordnet oder anordenbar ist und dass die spektrometrische Messvorrichtung einen Lichtwellenleiter und eine Faserauskoppelstruktur umfasst. Des Weiteren zeichnet sich die spektrometrische Messvorrichtung dadurch aus, dass die elektromagnetische Strahlung der Beleuchtungseinheit in den Lichtwellenleiter einkoppelbar ist, wobei der Lichtwellenleiter dazu eingerichtet ist, die

elektromagnetische Strahlung von der Beleuchtungseinheit zu der

Faserauskoppelstruktur, welche an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Aufnahmevorrichtung angeordnet ist, zu führen. Des Weiteren zeichnet sich die spektrometrische Messvorrichtung dadurch aus, dass die Faserauskoppelstruktur dazu eingerichtet ist, die vom Lichtwellenleiter geführte elektromagnetische Strahlung auf der zweiten Seite zum Bestrahlen des Mediums auszukoppeln.

Die Beleuchtungseinheit kann mindestens eine Lichtquelle umfassen, wobei beispielsweise Glühlampen, thermische Emitter, Laser, eine oder mehrere

Leuchtdioden (LED), LEDs mit Phosphorbeschichtung und/oder Plasmastrahlungsquellen, etc. als Lichtquellen verwendet werden können. Die

Beleuchtungseinheit und/oder die Detektionseinheit können ein spektrales Element umfassen.

Das spektrale Element kann beispielsweise ein Fabry-Perot Interferometer, ein

Gitterspektrometer, ein Transmissionsfilter ein statisches oder bewegliches Fourier- Transformationsspektrometer oder einen anderen wellenlängenselektiven Filter umfassen.

Die Detektionseinheit kann 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 Signal ausgeben, welches ein Maß für die Strahlungseigenschaft ist. Strahlungssensoren können beispielsweise eine Intensität oder eine Energieflussdichte der detektierten elektromagnetischen Strahlung messen. Miniaturspektrometer messen Strahlungseigenschaften in Abhängigkeit der Wellenlänge der von dem Medium kommenden Strahlung.

Das Miniaturspektrometer ist ein Spektrometer, welches Abmessungen im

Zentimeterbereich, insbesondere im Bereich von weniger als 15 cm und mehr als 1 cm oder darunter aufweist. Beispielsweise ist das Miniaturspektrometer größer gleich 1 cm ³ und kleiner gleich 1000 cm ³ . Alternativ oder ergänzend kann das

Miniaturspektrometer auch kleiner gleich 1 cm ³ und größer gleich 0,01 cm ³ sein.

Alternativ oder ergänzend kann das Miniaturspektrometer auch kleiner gleich 100 cm ³ und größer gleich 0,01 cm ³ sein.

In einer Ausführungsform umfasst die Aufnahmevorrichtung eine Haltestruktur mit einer Öffnung. Ein Vorteil ist, dass die Haltestruktur einen Bereich definiert, in welchem das Medium zur Erfassung der spektrometrischen Daten des Mediums angeordnet werden kann. Die Haltestruktur kann beispielsweise eine kreisförmige Öffnung umschließen. Beispielsweise kann die Haltestruktur ringförmig ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Öffnung rechteckig,

mehreckig, etc. ausgebildet sein oder eine beliebige Form aufweisen.

Vorteilhafterweise kann beispielsweise ein Gefäß, in welchem das Medium

angeordnet ist, in die Öffnung eingebracht werden. Die Haltestruktur kann das

Gefäß und somit das Medium im Strahlengang zwischen dem

Miniaturspektrometer und der Faserauskoppelstruktur halten. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein einfaches Einbringen des Mediums in die spektrometrische

Messvorrichtung und ein einfaches Herausnehmen des Mediums aus der

spektrometrischen Messvorrichtung durch den Benutzer ermöglicht werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die spektrometrische

Messvorrichtung das Miniaturspektrometer und das Miniaturspektrometer kann in die Haltestruktur integriert oder integrierbar sein. Ein Vorteil ist, dass das

Miniaturspektrometer zuverlässig in einem bekannten Abstand und in einer

bekannten Ausrichtung relativ zur Faserauskoppelstruktur gehalten werden kann, sodass beispielsweise Anwendungsfehler durch einen Benutzer, wie

beispielsweise Aufsetzen des Miniaturspektrometers an einer für die Erfassung der spektrometrischen Daten ungeeigneten Position, reduziert werden können.

Alternativ oder ergänzend kann im Folgenden kann unter dem Begriff

Miniaturspektrometer ein eigenständiges Gerät von wenigen Zentimetern Kantenlänge verstanden, welches über ein spektralsensitives Modul verfügt oder ein Smartphone bei dem ein solches Modul eingebaut ist. Der Begriff Miniaturspektrometer beschreibt im Folgenden das gesamte Gerät mitsamt peripherer Elektronik und

Kommunikationsschnittstelle (Bluetooth, Wifi, USB ....), das in der Hand gehalten wird, wie beispielsweise ein Smartphone mit integrierter Beleuchtungs- und

Detektionseinheit, wobei die Beleuchtungs- und/oder die Detektionseinheit ein spektrales Element umfassen.

Unter dem Begriff Smartphone sind hierbei Geräte zu verstehen, welche die Funktionen und Funktionsbaugruppen eines Mobiltelefons mit einem PDA (Personal Digital Assistant) kombinieren. Sie sind mit mindestens einer Digitalkamera, GPS- und WLAN- Empfänger und interner Energieversorgungsquelle ausgerüstet und

weisen neben dem Prozessor mehrere Datenspeicher auf, beispielsweise einen sehr schnellen, aber flüchtigen Hauptspeicher (RAM), einen nichtflüchtigen NAND-Flash- Speicher für ein Betriebssystem und Programme, und optional Wechseldatenträger, z. B. in Form von Massenspeichern. Zusätzlich zum Betriebssystem kann der Nutzer Applikationsprogramme (Apps) installieren. Die Synchronisation der Daten mit externen Datenspeichern und Datenverarbeitungseinrichtungen ist möglich.

Die vom Miniaturspektrometer ermittelten Daten werden entweder im

Miniaturspektrometer selber mittels einer Rechnerleistung ausgewertet oder z. B. über Mobilfunk an eine Empfangseinheit übertragen, dort ausgewertet und ggf. zurück zum Miniaturspektrometer übertragen werden. Es ist beispielsweise auch möglich, die Daten mit zusätzlichen Informationen aus einer Datenbank zu koppeln.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Aufnahmevorrichtung eine

Positioniereinrichtung aufweisen. Beispielsweise kann die Haltestruktur die

Positioniereinrichtung aufweisen. Die Positioniereinrichtung ist dazu eingerichtet, das Miniaturspektrometer an der ersten Seite der Aufnahmevorrichtung zu

positionieren und den Lichtwellenleiter mit der Detektionseinheit derart zu

verbinden, dass der im Lichtwellenleiter geführte Strahlungsanteil der

elektromagnetischen Strahlung in die Detektionseinheit geführt wird.

Vorteilhafterweise können somit Anwendungsfehler durch einen Benutzer, wie beispielsweise das Aufsetzen des Miniaturspektrometers an einer für die

Erfassung der spektrometrischen Daten ungeeigneten Position, reduziert bzw.

vermieden werden. Beispielsweise kann das Miniaturspektrometer als mobiles

Endgerät ausgeführt sein, welches an der ersten Seite der spektrometrischen

Messvorrichtung aufgesetzt werden kann. Die Positioniereinrichtung kann

beispielsweise eine Markierung, eine Vertiefung, einen Vorsprung, etc. oder eine Kombination davon umfassen, die dem Benutzer das Anordnen des

Miniaturspektrometers erleichtern kann. Die Positioniereinrichtung kann des

Weiteren dazu eingerichtet sein, dass Miniaturspektrometer an der

Aufnahmevorrichtung, beispielsweise durch Aufstecken, zu befestigen. Ein Vorteil ist, dass somit während der Messung ein Verändern der Position des

Miniaturspektrometers relativ zur Faserauskoppelstruktur vermieden werden kann und somit die Zuverlässigkeit der Messergebnisse erhöht werden kann.

In einer Ausführungsform umfasst das Medium ein Fluid in einem Gefäß oder einen Festkörper in einem Gefäß, wobei die Öffnung dazu eingerichtet ist, das Gefäß im Strahlengang des Miniaturspektrometers zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite aufzunehmen. Festkörper können beispielsweise Pulver, Granulate, etc. oder Mischungen derselben umfassen. Fluide können

beispielsweise Flüssigkeiten, Gase, etc. oder Mischungen derselben umfassen. Des Weiteren kann das Medium eine Mischung von Festkörpern und Fluiden umfassen. Ein Vorteil ist, dass das Gefäß ein einfaches Einbringen und

Herausnehmen des Mediums in bzw. aus der Aufnahmevorrichtung ermöglicht. Des Weiteren kann somit verhindert werden, dass die spektrometrische

Messvorrichtung und das Medium in direkten Kontakt miteinander kommen und ein Verschmutzen der spektrometrischen Messvorrichtung vermieden werden. Dadurch können mehrere Messungen verschiedener Medien mit einer hohen Zuverlässigkeit ohne gegenseitige Beeinflussung nacheinander ausgeführt werden.

Eine Abmessung der Öffnung kann in einer Ausführungsform anpassbar sein. Die Abmessung kann beispielsweise einen Durchmesser, einen Umfang, eine Länge, eine Höhe, eine Breite, etc. der Öffnung umfassen. Beispielsweise kann eine der Öffnung zugewandte Fläche der Haltestruktur zumindest abschnittsweise mit einem flexiblen und/oder elastischen Material bedeckt sein. Dabei wird darauf geachtet, dass der optische Strahlweg justiert bleibt.

Alternativ oder ergänzend kann auf der der Öffnung zugewandten Innenfläche der Haltestruktur zumindest abschnittsweise eine lamellenartige Struktur angeordnet sein, wobei die Abmessung der Öffnung von einer Einstellung der lamellenartigen Struktur abhängt. Eine lamellenartige Struktur kann beispielsweise mindestens ein erstes bewegliches Lamellenelement umfassen, wobei ein erster Bereich des beweglichen Lamellenelements fest mit der Haltestruktur verbunden ist und ein zweiter Bereich des beweglichen Lamellenelements einen verstellbaren Winkel zur Haltestruktur aufweist. Durch Verändern des verstellbaren Winkels kann die Öffnung verkleinert oder vergrößert werden. Ein Vorteil ist, dass somit die

Öffnung an das Medium bzw. an das Gefäß, in welchem das Medium angeordnet ist, angepasst werden kann, sodass das Medium bzw. das Gefäß sicher und fest im Strahlengang zwischen dem Miniaturspektrometer und der

Faserauskoppelstruktur gehalten werden kann. Die Einstellung der lamellenartigen Struktur kann beispielsweise mittels

Schrittmotoren erfolgen, welche von der spektrometrischen Messvorrichtung umfasst werden. Beispielsweise kann der Schrittmotor den verstellbaren Winkel einstellen. Ein Vorteil ist, dass die Abmessung der Öffnung an das Medium bzw. an das Gefäß angepasst werden kann.

In einer Ausführungsform können die Faserauskoppelstruktur und der

Lichtwellenleiter in die Haltestruktur integriert sein. D.h., die

Faserauskoppelstruktur und/oder der Lichtwellenleiter können zumindest teilweise oder vollständig in die Haltestruktur eingebettet sein oder an der Haltestruktur angeordnet sein. Ein Vorteil ist, dass die spektrometrische Messvorrichtung somit einen kompakten Aufbau und eine mechanische und messtechnische Robustheit aufweist.

Ein spektrale Element ermöglicht eine wellenlängenselektive Messung des Strahlungsanteils. Das spektrale Element kann in einer Ausführungsform im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinheit und der Aufnahmevorrichtung angeordnet oder anordenbar sein, wobei die Beleuchtungseinheit das spektrale Element umfasst und/oder kann das spektrale Element bzw. ein weiteres spektrales Element in einer Ausführungsform im Strahlengang zwischen der Detektionseinheit und der Aufnahmevorrichtung angeordnet oder anordenbar sein, wobei die Detektionseinheit das spektrale Element umfasst.

Ein Verfahren zur Analyse des Mediums, wobei das Medium sowohl ein

Festkörper als auch eine Flüssigkeit sein kann, unter Verwendung der spektrometrischen Messvorrichtung, umfasst die Schritte:

• Anordnen des Mediums in der Aufnahmevorrichtung der

spektrometrischen Messvorrichtung,

• Bestrahlen des Mediums mit der elektromagnetischen Strahlung,

• Detektieren des aus Richtung des Mediums kommenden

Strahlungsanteils und

• spektrale Auswertung des aus Richtung des Mediums kommenden

Strahlungsanteils zur Analyse des Mediums. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Lichtwellenleiter die elektromagnetische Strahlung zur Faserauskoppelstruktur führt, welche die elektromagnetische Strahlung in das Medium auskoppelt und diese ins Medium eingestrahlte Strahlung nach einem Durchlaufen des Mediums zum Detektieren in die Detektionseinheit eintritt. Ein Vorteil ist, dass mit diesem Verfahren sowohl Festkörper als auch Fluide spektrometrisch untersucht werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Analyse des Mediums nur in geringem Maße von der Messgeometrie abhängt und somit die Analyse des Mediums mit einer hohen Zuverlässigkeit erfolgen kann.

In einer Ausführungsform kann im Schritt des Anordnens des Mediums in der Aufnahmevorrichtung die Abmessung der Öffnung eingestellt werden, wobei die Einstellung in Abhängigkeit von einer Abmessung des Mediums bzw. des

Gefäßes erfolgt. Ein Vorteil ist, dass somit das Medium für die Messung sicher und fest in der Öffnung angeordnet 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 eine Aufsicht einer spektrometrischen Messvorrichtung in einem

Querschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer spektrometrischen Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, welche an einem Gefäß, in welchem ein Medium

eingebracht ist, angeordnet ist,

Fig. 3 einen Ausschnitt einer Aufsicht auf eine spektrometrische Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, an der ein mobiles Endgerät angeordnet ist, Fig. 4 einen Ausschnitt eine Aufsicht auf eine spektrometrische Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, welche ein Miniaturspektrometer umfasst, Fig. 5 einen Ausschnitt einer Aufsicht auf eine spektrometrische Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei in einer Öffnung eine Haltestruktur eine lamellenartige Struktur angeordnet ist,

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Analyse eines Mediums gemäß einem Ausführungsbeispiel und

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Analyse eines Mediums gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

In Fig. 1 ist eine Aufsicht auf eine spektrometrische Messvorrichtung 100 in einem Querschnitt dargestellt. Die spektrometrische Messvorrichtung 100 ist zur Erfassung spektrometrischer Daten eines Mediums, insbesondere von Festkörpern und Fluiden, eingerichtet. In Fig. 1 ist eine Aufnahmevorrichtung 102 dazu eingerichtet, ein zu untersuchendes Medium 104‘ aufzunehmen. Die Aufnahmevorrichtung 102 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Haltestruktur 102‘ mit einer Öffnung 102“. In der Öffnung 102“ kann das Medium 104‘ oder ein Gefäß 104“, in welchem das Medium 104‘ angeordnet ist, angeordnet werden. Unter einer Öffnung 102“ kann

beispielsweise eine Vertiefung in der Haltestruktur 102‘ oder ein durch die Haltestruktur 102‘ durchgehendes Loch verstanden werden. Beispielsweise kann das Medium 104‘ ein Pulver, ein Granulat, eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Mischform der zuvor genannten umfassen. Das Gefäß 104“ kann beispielsweise eine Flasche, ein Trinkglas, ein Reagenzglas oder ein anderes zur Aufnahme des Mediums 104‘ geeignetes Gefäß 104“ sein. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass das Medium 104‘ in einem Gefäß 104“ angeordnet ist, die spektrometrische Messvorrichtung 100 kann beispielsweise in das Medium 104‘ zumindest teilweise eingetaucht oder eingebracht werden, sodass das Medium 104‘ in die Öffnung 102“ gelangen kann. In Fig. 1 ist die Haltestruktur 102‘ im Bereich der Öffnung 102“ ringförmig ausgebildet. Die Haltestruktur 102‘ kann beispielsweise aus einem für die von einer Beleuchtungseinheit 1010 kommende elektromagnetische Strahlung 1010' transparenten Material ausgebildet sein. Die Öffnung 102“ weist hier einen kreisförmigen Querschnitt auf. Beispielsweise kann der Durchmesser der Öffnung im Bereich von 1 Zentimeter (cm) bis 15 cm liegen, wobei die Durchmesser von 1 cm und 15 cm inbegriffen sind, oder kleiner als 1 cm und/oder größer als 15 cm sein. Die Öffnung 102“ ist nicht auf einen kreisförmigen Querschnitt beschränkt, sondern kann beispielsweise auch rechteckig, elliptisch oder andersartig geformt sein. Beispielsweise kann die Öffnung 102“ an das für die Messung

verwendete Gefäß 104“ angepasst sein. Mögliche Abmessungen der Öffnung 102“ liegen im Bereich von einigen Zentimetern. Die Öffnung 102“ ist beispielsweise dazu eingerichtet Flaschen, Reagenzgläser, Küvetten, etc. aufzunehmen. Die Haltestruktur kann beispielsweise aus einem Kunststoff ausgebildet sein.

An einer ersten Seite 1021 der Aufnahmevorrichtung 102 ist ein Miniaturspektrometer 101 angeordnet. Das Miniaturspektrometer 101 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 Mikrospektrometer größer als 1 cm ³ und kleiner als 1000 cm ³ . Alternativ oder ergänzend kann das Mikrospektrometer auch kleiner als 1 cm ³ und größer als 0,01 cm ³ sein. Alternativ oder ergänzend kann das Mikrospektrometer auch kleiner als 100 cm ³ und größer als 0,01 cm ³ sein. Das Miniaturspektrometer 101 ist dazu eingerichtet, Strahlungseigenschaften in Abhängigkeit der Wellenlänge des detektierten elektromagnetischen

Strahlungsanteils 101 1“zu messen. Das Miniaturspektrometer 101 umfasst eine Beleuchtungseinheit 1010, welche dazu eingerichtet ist, das Medium 104‘ mit der elektromagnetischen Strahlung 1010' zu bestrahlen. Des Weiteren umfasst das Miniaturspektrometer 101 eine Detektionseinheit 101 1 , welche dazu eingerichtet ist den aus Richtung des Mediums kommenden Strahlungsanteil 101 1“ der

elektromagnetischen Strahlung 1010' zu detektieren. Die Beleuchtungseinheit 1010 und die Detektionseinheit 101 1 können beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet sein, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Das Miniaturspektrometer 101 ist in Fig. 1 auf einer von der Öffnung 102“ abgewandten Außenfläche 1023 der Haltestruktur 102‘ angeordnet. Das Miniaturspektrometer 101 kann hierbei fest in die Haltestruktur 102‘ integriert sein und somit von der spektrometrischen Messvorrichtung 100 umfasst sein. Alternativ oder ergänzend kann das Miniaturspektrometer 101 auf die Haltestruktur 102‘ aufgesetzt oder lösbar, d. h. beispielsweise auf die Haltestruktur 102‘ aufsteckbar, angeordnet sein. Die Beleuchtungseinheit 1010 kann eine Lichtquelle umfassen. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Glühlampe, ein thermischer Emitter, ein Laser, eine oder mehrere Leuchtdioden (LED), LEDs mit Phosphorbeschichtung,

Plasmastrahlungsquellen, etc. umfassen. Die Beleuchtungseinheit 1010 und/oder die Detektionseinheit 101 1 können ein spektrales Element umfassen. Das spektrale Element kann beispielsweise ein Fabry-Perot Interferometer, ein Gitterspektrometer, ein Transmissionsfilter ein statisches oder bewegliches Fourier- Transformationsspektrometer oder einen anderen wellenlängenselektiven Filter umfassen. Die Detektionseinheit 101 1 kann 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 Signal ausgeben, welches ein Maß für die Strahlungseigenschaft ist. Strahlungssensoren können beispielsweise eine

Intensität oder eine Energieflussdichte des Strahlungsanteils 1011“ messen.

An einer der ersten Seite 1021 gegenüberliegenden zweiten Seite 1022 der

Aufnahmevorrichtung 102 ist eine Faserauskoppelstruktur 1030 angeordnet. Die spektrometrische Messvorrichtung 100 umfasst einen Lichtwellenleiter 1031 und die Faserauskoppelstruktur 1030. Der Lichtwellenleiter ist optisch mit der

Beleuchtungseinheit 1010 gekoppelt, sodass die elektromagnetische Strahlung 1010' der Beleuchtungseinheit 1010 in den Lichtwellenleiter 1031 einkoppeln kann und von diesem zu der Faserauskoppelstruktur 1030 geführt werden kann. In Fig. 1 ist die Faserauskoppelstruktur 1030 in die Haltestruktur 102‘ integriert. Die

Faserauskoppelstruktur 1030 ist dazu eingerichtet, die vom Lichtwellenleiter 1031 geführte elektromagnetische Strahlung 1010' auf der zweiten Seite 1022 zum

Bestrahlen des Mediums 104‘ in das Medium auszukoppeln. In Fig. 1 ist der

Lichtwellenleiter 1031 auf der Außenfläche 1023 der Haltestruktur 102‘ angeordnet. Alternativ oder ergänzend kann der Lichtwellenleiter 1031 zumindest teilweise oder vollständig in die Haltestruktur 102‘ eingebettet sein oder an einer der Öffnung 102“ zugewandten Innenfläche 1024 der Haltestruktur 102‘ angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Multimoden-Lichtwellenleiter als Lichtwellenleiter 1031 verwendet werden, dessen Durchmesser beispielsweise von einschließlich 50 bis einschließlich 1000 pm betragen kann oder größer als 1000 pm sein kann. Alterantiv oder ergänzend kann auch ein Bündel mehrerer Lichtwellenleiter als Lichtwelleneleiter 1031 verwendet werden. Der Lichtwellenleiter 1031 kann beispielsweise aus Glas, dotiertem Glas, Kunststoffen wie Polymer ausgebildet sein. Beispielsweise kann auch ein Hohlleiter als Lichtwellenleiter 1031 verwendet werden. Die Einkopplung des aus Richtung des Mediums kommenden Strahlungsanteil 101 1 in die Detektionseinheit erfolgt beispielsweise mit einem fokussierenden Element, welches von der Detektionseinheit 101 1 umfasst sein kann und/oder in Haltestruktur 102‘ integriert sein kann (z.B.

Kollimationslinse).

Das Medium 104‘ ist im Strahlengang des Miniaturspektrometers 101 zwischen der ersten Seite 1021 und der zweiten Seite 1022 angeordnet. Unter dem Strahlengang des Miniaturspektrometer das 101 wird der geometrische Verlauf der

elektromagnetischen Strahlung 1010“, 1011“ von der Beleuchtungseinheit 1010 zur Faserauskoppelstruktur 1030 und von der Faserauskoppelstruktur 1030 zur

Detektionseinheit 101 1 verstanden. Die Länge eines Weges der elektromagnetischen Strahlung 1010“ durch das Medium 104“ kann durch Wahl eines Durchmessers der Öffnung 102“und/oder durch die Wahl einer Abmessung des Gefäßes 104“ und damit einer Dicke des zu durchdringenden Mediums 104“ eingestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel weisen das Material, aus dem die Haltestruktur 102“ ausgebildet ist und das Material, aus dem das Gefäß 104“ ausgebildet ist, einen ähnlichen Brechungsindex auf. Dadurch können vorteilhafterweise Strahlungsverluste an der Grenzfläche zwischen Haltestruktur 102“ und Gefäß 104“ reduziert oder vermieden werden. Des Weiteren kann die von der Beleuchtungseinheit 1010 kommende elektromagnetische Strahlung 1010“ an die Form des Gefäßes 104“ zur Vermeidung von Strahlungsverlusten angepasst werden.

In Fig. 2 ist eine Seitenansicht der spektrometrischen Messvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei die spektrometrische Messvorrichtung 100 an dem Gefäß 104“ angeordnet ist. Das Gefäß 104“ ist in die Öffnung 102“ der Haltestruktur 102“ eingebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Gefäß 104“ als Flasche ausgeführt, in der das Medium 104“ angeordnet ist. Je nach Größe des Gefäßes 104“ kann die spektrometrische Messvorrichtung 100 beispielsweise auch am Flaschenhals angeordnet werden. Der Lichtwellenleiter 1031 ist hierbei auf der Außenfläche 1023 der Haltestruktur 102“ angeordnet.

Das Miniaturspektrometer 101 kann fest an der Haltestruktur 102“ angeordnet sein oder als eigenständiges Gerät ausgebildet sein, welches an der Haltestruktur 102“ anordenbar oder befestigbar ist. Alternativ oder ergänzend kann das

Miniaturspektrometer 101 in ein mobiles Endgerät 108, die beispielsweise ein

Smartphone, ein Spektrometerstick oder ein Handspektrometer, integriert sein, welches sich passgenau in die spektrometrische Messvorrichtung 100 einstecken lässt und/oder welches an einer vorgegebenen Position der Haltestruktur 102‘ anordenbar ist. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in welchem das mobile Endgerät 108, welches das Miniaturspektrometer 101 umfasst, mittels einer Positioniereinrichtung 107 an einer vorgegebenen Position der Haltestruktur 102‘ angeordnet werden kann. Die Haltestruktur 102‘ weist in Fig. 3 einen Vorsprung 107‘ auf, an welchem das mobile Endgerät 108 angeordnet werden kann, sodass das Miniaturspektrometer 101 an der vorgegebenen Position, hier der ersten Seite 1021 der Haltestruktur 102‘, positioniert werden kann. Die vorgegebene Position ist derart gewählt, dass der Strahlungsanteil 101 1“, der von der Faserauskoppelstruktur 1030 in das Medium 104‘ gestrahlt wird und welcher durch das Durchlaufen des Mediums 104‘ spektrometrische Informationen des Mediums 104‘ enthält, von der Detektionseinheit 1011 aufnehmbar ist.

In Fig. 4 ist die Positioniereinrichtung 107 als Vertiefung 107“ in der Haltestruktur 102‘ ausgebildet. Das Miniaturspektrometer 101 bzw. das mobile Endgerät 108, welches das Miniaturspektrometer 101 umfasst, kann passgenau in der Vertiefung 107“ angeordnet werden und lässt sich somit an einer vorgegebenen Position der

Haltestruktur 102‘ anordnen. Dadurch kann ein Verrutschen des Miniaturspektrometers 101 vermieden werden. Das Miniaturspektrometer 101 kann auch fest mit der

Haltestruktur 102‘ verbunden werden, wobei es beispielsweise bei der Herstellung in die Vertiefung 107“ eingesteckt und mit der Haltestruktur 102‘ verbunden wird.

Das mobile Endgerät 108 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 108 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 der spektrometrischen Messvorrichtung 100 eingerichtet sein. Die Messergebnisse bzw. Ergebnisse einer spektrometrischen Auswertung der Messergebnisse können beispielsweise über eine Anzeigeeinheit des mobilen Endgeräts 108 an den Benutzer ausgegeben werden. Mögliche Anzeigeeinheiten sind beispielsweise Displays oder Lautsprecher mittels derer optische, haptische oder akustische Ausgaben erfolgen können.

In Fig. 5 ist das Miniaturspektrometer 101 beispielhaft als Teil der Haltestruktur 102‘ ausgebildet. Alternativ oder ergänzend kann das Miniaturspektrometer 101 auch separat oder als Teil eines mobilen Endgeräts wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein. Die Haltestruktur 102‘ umschließt die Öffnung 102“ hier ringförmig. Die

Haltestruktur 102‘ ist im Bereich der vorgegebenen Position unterbrochen, wobei das Miniaturspektrometer 101 im Bereich der vorgegebenen Position in die Haltestruktur 102‘ integriert ist. Zwischen Miniaturspektrometer 101 und dem Gefäß 104“ ist hierbei kein Material der Haltestruktur 102‘ angeordnet. In Fig. 5 wird das Gefäß 104“ von einer lamellenartigen Struktur 109 umschlossen, wobei die lamellenartige Struktur 109 auf einer der Öffnung 102“ zugewandten Fläche der Haltestruktur 102‘, d.h. der Innenfläche 1024, angebracht ist. Eine Abmessung der Öffnung 102“ ist in diesem Ausführungsbeispiel anpassbar. Durch das Anbringen der lamellenartigen Struktur 109 auf der Innenfläche 1024 kann beispielsweise ein Umfang, ein Durchmesser, einer Form, etc. der Öffnung 102“ an eine Abmessung des Gefäß 104“ angepasst werden. Somit ist ein einfaches Anordnen der spektrometrische Messvorrichtung 100 an dem Gefäß 104“ möglich. Die lamellenartige Struktur 109 in Fig. 5 umfasst mehrere

Lamellenelemente 109‘. Die Lamellenelemente 109‘ können beispielsweise als bewegliche Strukturelemente ausgebildet sein, welche in einem ersten Bereich fest mit der Haltestruktur 102‘ verbunden sind und welche einen zweiten Bereich aufweisen können, dessen Winkel 109“ zur Haltestruktur 102‘ einstellbar ist. Die möglichen Bewegungsrichtungen der Lamellenelemente 109‘ sind in Fig. 5 beispielhaft durch gebogene Richtungspfeile an einem der Lamellenelemente 109‘ eingezeichnet. Die Lamellenelemente 109‘ können beispielsweise aus einem elastischen Material ausgebildet sein. Beim Einführen des Gefäßes 104“ in die Öffnung 102“, können die Lamellenelemente 109‘ in Richtung Haltestruktur 102‘ angedrückt werden, sodass sich der Durchmesser der Öffnung 102“ gegenüber dem Durchmesser der Öffnung 102“ vor Einführen des Gefäßes 104“ vergrößert. Die Abmessung der Öffnung 102“ hängt somit von einer Einstellung der lamellenartigen Struktur 109 ab. In einem

Ausführungsbeispiel kann die lamellenartige Struktur 109 mithilfe von Schrittmotoren eingestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Einstellung der lamellenartigen Struktur auch manuell erfolgen. Es kann beispielsweise der verstellbare Winkel 109“ der Lamellenelemente 109‘ jeweils relativ zur Haltestruktur 102‘ eingestellt werden, sodass die Abmessung der Öffnung 102“ möglichst genau an die Abmessung des Gefäßes 104“ angepasst werden kann. Die Schrittmotoren der Lamellenelemente 109‘ können mittels einer Steuereinheit angesteuert werden, wobei die Steuereinheit in das Miniaturspektrometer 101 oder bei Verwendung eines mobilen Endgeräts 108 mit Miniatirspektrometer 101 in das mobile Endgerät 108 integriert sein kann Die

Steuereinheit überträgt elektrische Signale an die Schrittmotoren, mithilfe derer die Winkel 109“ eingestellt werden können. Die Bedienung der Steuereinheit durch einen Benutzer kann beispielsweise über einen Bildschirm erfolgen. Der Bildschirm kann beispielsweise als Touchscreen ausgeführt sein.

Im Strahlengang zwischen der Detektionseinheit 1011 und der Aufnahmevorrichtung 102 können optische Abbildungselemente, wie beispielsweise optische Linsen/ Sammellinsen oder Lichtführungsoptiken, angeordnet oder anordenbar sein. Wie bereits zuvor beschrieben, können die Beleuchtungseinheit 1010 und/oder die

Detektionseinheit 1011 ein spektrales Element umfassen, um die Erfassung

spektrometrischer Daten zu ermöglichen. Beispielsweise kann das spektrale Element zwischen der Beleuchtungseinheit 1010 und der Aufnahmevorrichtung 102 angeordnet sein.

In Fig. 6 ist ein Verfahren 200 zur Analyse eines Mediums 104‘ unter Verwendung der spektrometrische Messvorrichtung 100 als Flussdiagramm dargestellt, wobei das Verfahren die Schritte Anordnen 201 des Mediums 104‘ in der Aufnahmevorrichtung 102 der spektrometrische Messvorrichtung 100, Bestrahlen 202 des Mediums 104‘ mit der elektromagnetischen Strahlung 1010“, Detektieren 203 des aus Richtung des Mediums 104“ kommenden Strahlungsanteils 1011“ und spektrale Auswertung 204 des aus Richtung des Mediums kommenden Strahlungsanteils 1011“ zur Analyse des Mediums 104“ umfasst. Der Lichtwellenleiter 1031 führt die elektromagnetische

Strahlung 1010“ von der Beleuchtungseinheit 1010 zur Faserauskoppelstruktur 1030, welche die elektromagnetische Strahlung 1010“ in das Medium 104“ auskoppelt und diese ins Medium eingestrahlte Strahlung 1011“ nach einem Durchlaufen des Mediums 104“ zum Detektieren 203 in die Detektionseinheit 101 1 eintritt. Das Detektieren 203 des Strahlungsanteils 101 1“ kann wie vorstehend beschrieben in der Detektionseinheit 101 1 erfolgen. Im Schritt der spektralen Auswertung 204 wird ein Detektionssignal 203“ ausgewertet, welches die spektrometrischen Daten umfasst, wobei sich das

Detektionssignal 203‘ aus dem Detektieren 203 des Strahlungsanteils 1011“ ergibt. Die spektrometrischen Daten können beispielsweise ein Spektrum oder Ausschnitte eines Spektrums umfassen. Beispielsweise können die spektrometrischen Daten einen Intensitätsverlauf, welcher über die Wellenlänge, die Zeit oder über den Ort aufgetragen ist, oder einen Verlauf eines elektrischen Signals umfassen. Das

Detektionssignal 203‘ kann beispielsweise ein elektrisches Signal umfassen.

Beispielsweise können spektrale Informationen mittels eines Computeralgorithmus und in einem Speicher hinterlegten Referenzdaten, beispielsweise Referenzspektren oder - spektrenausschnitte, aus dem Detektionssignal 203‘ ermittelt werden. Die spektrale Auswertung 204 kann im Miniaturspektrometer 101 , in dem mobilen Endgerät 108 und/oder in einer bezüglich des Miniaturspektrometers 101 extern angeordneten Auswerteeinheit, beispielsweise einer Cloud, erfolgen. Das Ergebnis der spektralen Auswertung 204 kann an einen Benutzer, beispielsweise in Form einer optischen, haptischen oder akustischen Ausgabe, ausgegeben werden. Das Ergebnis der spektralen Auswertung 204, d.h. eine spektrale Information des Mediums 104‘, kann beispielsweise eine Information über eine chemische Zusammensetzung des Mediums 104‘, ein Vorhandensein und/oder eine Konzentration mindestens eines chemischen Stoffs im Medium 104‘ oder eine Identifizierung des Mediums 104‘ sein.

In Fig. 7 wird im Schritt des Anordnens 201 des Mediums 104‘ in der

Aufnahmevorrichtung 102 die Abmessung der Öffnung 102“ eingestellt 2010, wobei die Einstellung 2010 in Abhängigkeit einer Abmessung des Mediums 104‘ oder eines Gefäßes 104“, in welchem das Medium 104‘ angeordnet ist, erfolgt.

Das Anordnen 201 des Mediums 104‘ in der Aufnahmevorrichtung 102 kann beispielsweise durch einen Benutzer erfolgen. Beispielsweise kann die

spektrometrische Messvorrichtung 100 zumindest teilweise in das Medium 104‘ eingetaucht werden oder es kann das Medium 104‘ in das Gefäß 104“ eingebracht werden und das Gefäß 104“ mit dem Medium in die Aufnahmevorrichtung 102 eingebracht werden. Hierzu kann beispielsweise die spektrometrische Messvorrichtung 100 an dem Gefäß 104“ angeordnet werden. Die Ansteuerung der spektrometrischen Messvorrichtung 100 kann über ein in die Aufnahmevorrichtung 102 eingestecktes Smartphone als Steuermodul oder ein separates Steuermodul, welches beispielsweise einen Bildschirm umfassen kann, erfolgen. Beispielsweise kann der Benutzer einem Messung über das Steuermodul starten und/oder die Abmessung der Öffnung 102“ wie vorstehend beschrieben an das Gefäß 104“ oder das Medium 104‘ anpassen.

Beispielsweise kann eine App auf dem Smartphone installiert werden, wobei die App eine Durchführung des Verfahrens 200 zur Analyse des Mediums 104“ unter

Verwendung der spektrometrische Messvorrichtung 100 ermöglichen kann. Des

Weiteren kann die App dem Benutzer Hinweise anzeigen, um ihn bei der Durchführung des Verfahrens 200 zu unterstützen.

Mit der spektrometrische Messvorrichtung 100 bzw. dem Verfahren 200 zur Analyse des Mediums 104‘ können beispielsweise die nachfolgend genannten Flüssigkeiten untersucht werden. Die Flüssigkeiten können in Gefäßen 104“ angeordnet sein, welche in die spektrometrische Messvorrichtung 100 eingebracht werden können, das Medium 104‘ kann in die spektrometrische Messvorrichtung 100 eingebracht werden oder die spektrometrische Messvorrichtung 100 kann in die Flüssigkeiten eingetaucht werden. Gefäße 104“ sind vorzugsweise zumindest teilweise transparent im Bereich der verwendeten elektromagnetischen Strahlung 1010“. Beispielsweise können ein Verhältnis von Ethanol zu Methanol in einer Flüssigkeit, eine Herkunft und/oder Reinheit von Olivenölen, eine Qualität und/oder Inhaltsstoffe von Weinen oder Schaumweinen, ein Zuckergehalt und/oder Inhaltsstoffe von Fruchtsäften oder eine Verschmutzung von Wasser bestimmt werden.