Titel

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

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.

Dies wird erreicht mit einer spektrometrischen Messvorrichtung, welche zur Erfassung spektrometrischer Daten sowohl von Festkörpern als auch von Fluiden eingerichtet ist, umfassend eine Aufnahmevorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein zu untersuchendes Medium aufzunehmen.„Aufnehmen" bedeutet hierbei, dass das Medium beispielsweise in der Aufnahmevorrichtung angeordnet werden kann oder in die Aufnahmevorrichtung eingebracht werden kann. Ein

Miniaturspektrometer, welches zur Erfassung der spektrometrischen Daten des

Mediums eingerichtet ist, umfasst eine Beleuchtungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, das Medium mit einer elektromagnetischen Strahlung zu bestrahlen und einer Detektionseinheit, welche dazu eingerichtet ist, einen aus Richtung des Mediums kommenden Strahlungsanteil der elektromagnetischen Strahlung zu detektieren. Die spektrometrische Messvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Miniaturspektrometer an einer ersten Seite der

Aufnahmevorrichtung angeordnet ist und dass an einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Aufnahmevorrichtung eine

Einkoppelstruktur angeordnet ist. Die Einkoppelstruktur ist dazu eingerichtet, zumindest einen Strahlungsanteil der von der Beleuchtungseinheit kommenden elektromagnetischen Strahlung in einen Lichtwellenleiter einzukoppeln, wobei der Lichtwellenleiter dazu eingerichtet ist, den Strahlungsanteil von der zweiten Seite zur Detektionseinheit zu leiten, wobei die Detektionseinheit auf der ersten Seite angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass selbst bei unerwünschten Änderungen der Messgeometrie, wobei die Messgeometrie eine Anordnung des

Miniaturspektrometers relativ zur Einkoppelstruktur umfasst, noch zuverlässig spektrometrische Daten erfasst werden können. Die spektrometrische

Messvorrichtung ist robust gegenüber Änderungen der Messgeometrie. Ein weiterer Vorteil ist, dass die spektrometrische Messvorrichtung eine

reproduzierbare Messgeometrie bereitstellt. Insbesondere sind der Abstand zwischen Miniaturspektrometer und Einkoppelstruktur sowie eine Ausrichtung des Miniaturspektrometer und der Einkoppelstruktur relativ zueinander durch die spektrometrische Messvorrichtung vorgegeben. Somit können Messfehler, beispielsweise aufgrund einer fehlerhaften Ausrichtung des

Miniaturspektrometers relativ zur Einkoppelstruktur, vermieden bzw. reduziert werden und dadurch die Zuverlässigkeit der erfassten spektrometrischen Daten erhöht werden. Dadurch kann es auch einem ungeübten oder ungeschulten Benutzer auf einfache Weise ermöglicht werden, eine zuverlässige,

aussagekräftige spektrometrische Messung durchzuführen. Ein weiterer Vorteil ist, dass unerwünschte Messartefakte durch geschickte Wahl der Messgeometrie unterdrückt werden können. Messartefakte können beispielswiese dann entstehen, wenn das Spektrometer in einem für die Messung ungünstigen Winkel relativ zur Probe gehalten wird. Beispielsweise kann durch eine ungünstige Relativausrichtung zwischen Miniaturspektrometer und Probe nur ein geringer Anteil der zu detektierenden elektromagnetischen Strahlung in das

Miniaturspektrometer eintreten, sodass ein großer Anteil des Signals verloren geht oder es wird hauptsächlich nur direkte Reflexion detektiert, welche keine Informationen über das Innere der Probe umfasst. Eine geschickte

Messgeometrie zeichnet sich hier dadurch aus, dass viel diffuse

elektromagnetische Strahlung aber möglichst keine direkte Reflexion in das

Miniaturspektrometer gelangt.

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 Einkoppelstruktur 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 sein. Ein Vorteil ist, dass das Miniaturspektrometer zuverlässig in einem bekannten Abstand und in einer bekannten Ausrichtung relativ zur Einkoppelstruktur 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. 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 zu befestigen. Ein Vorteil ist, dass somit während der Messung ein Verändern der Position des Miniaturspektrometers relativ zur

Einkoppelstruktur 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 Einkoppelstruktur 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 Einkoppelstruktur und der Lichtwellenleiter in die Haltestruktur integriert sein. D.h., die Einkoppelstruktur 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.

Im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinheit und der Aufnahmevorrichtung kann in einer Ausführungsform ein Diffusor angeordnet oder anordenbar sein. Der Diffusor kann eine näherungsweise homogene Ausleuchtung des Mediums ermöglichen. Beispielsweise kann hierfür ein gerichteter Diffusor verwendet werden. Ein Vorteil ist, dass somit die Zuverlässigkeit der spektrometrischen Daten erhöht werden kann. Alternativ oder ergänzend kann eine über einen breiten Winkelbereich abstrahlende Lichtquelle, welche von der

Beleuchtungseinheit umfasst wird, zur Bestrahlung des Mediums verwendet werden.

Ein spektrales Element kann in einer Ausführungsform im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinheit und der Aufnahmevorrichtung angeordnet oder anordenbar sein und/oder von der Detektionseinheit umfasst werden. Das spektrale Element ermöglicht eine wellenlängenselektive Messung des

Strahlungsanteils.

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 Strahlungsanteil nach einem Durchlaufen des Mediums in den Lichtwellenleiter einkoppelt und zum

Detektieren in die Detektionseinheit geführt wird. 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 eine Aufsicht einer spektrometrischen Messvorrichtung in einem

Querschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei ein Diffusor im

Strahlengang angeordnet ist,

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Analyse eines Mediums gemäß einem Ausführungsbeispiel und Fig.8 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 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" angeordnet werden, in welchem das Medium 104' angeordnet ist. 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 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. 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 abnehmbar an der Haltestruktur 102' 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 101 1 " messen.

An einer der ersten Seite 1021 gegenüberliegenden zweiten Seite 1022 der

Aufnahmevorrichtung 102 ist eine Einkoppelstruktur 1030 angeordnet. Die

Einkoppelstruktur 1030 ist dazu eingerichtet, zumindest einen Teil (101 1 ") der von der Beleuchtungseinheit 1010 kommenden elektromagnetischen Strahlung 1010' in einen

Lichtwellenleiter 1031 einzukoppeln. Der Lichtwellenleiter 1031 ist dazu eingerichtet den eingekoppelten Strahlungsanteil 101 1 " von der zweiten Seite 1022 zur

Detektionseinheit 101 1 auf der ersten Seite 1021 zu leiten. 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. Der

Lichtwellenleiter 1031 ist derart mit der Detektionseinheit 101 1 verbunden, dass der im Lichtwellenleiter 1031 geführte Strahlungsanteil 101 1 " in die Detektionseinheit geführt werden kann und dort detektiert werden kann. Beispielsweise kann ein Multimoden-

Lichtwellenleiter als Lichtwellenleiter 1031 verwendet werden, dessen Durchmesser beispielsweise von einschließlich 50 bis einschließlich 1000 μηη betragen kann oder größer als 1000 μηη 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 in die Detektionseinheit erfolgt

beispielsweise mit einem fokussierenden Element zwischen Lichtwellenleiter 1031 und Detektionseinheit (z.B. Kollimationslinse oder eine direkt auf die Faser aufgeprägte Optik).

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', 101 1 " von der Beleuchtungseinheit 1010 zur Einkoppelstruktur 1030 und von der Einkoppelstruktur 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. Dies kann beispielsweise durch geschickt gewählte Materialien und flexible optische Komponenten erreicht werden. Unter geschickt gewählten Materialien können beispielsweise luftfrei abschließende transparente und elastische Materialien verstanden werden. Flexible optische Komponenten sind beispielsweise motorisiert einstellbar oder elektrisch einstellbare Komponenten, wie beispielsweise Mikrospiegel, mittels derer eine Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung 1010', 101 1 " angepasst werden kann. Ein weiteres Beispiel für flexible optische

Komponenten sind beispielsweise diffraktive optische Elemente

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 " mittels der Einkoppelstruktur 1030 in den Lichtwellenleiter 1031 eingekoppelt werden kann.

In Fig. 4 ist die Positioniereinrichtung 107 als Vertiefung 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.

In Fig. 6 ist eine Aufsicht der spektrometrischen Messvorrichtung 100 in einem

Querschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Es ist ein Diffusor 1091 im Strahlengang des Miniaturspektrometers 101 angeordnet. In diesem

Ausführungsbeispiel ist die Positioniereinrichtung 107 als Vorsprung 107' ausgebildet, an welchem das Miniaturspektrometer 101 angeordnet ist, oder an welchem das mobiles Endgerät 108 anordenbar ist. Der Diffusor 1091 ist hier in die

Positioniereinrichtung integriert. Alternativ oder ergänzend kann der Diffusor 1091 in die Haltestruktur 102' oder in das Miniaturspektrometer 101 integriert sein. Die von der Beleuchtungseinheit 1010 kommende elektromagnetische Strahlung 1010' kann zunächst durch einer oder mehrerer optische Komponenten geformt werden, d.h. in diesem Ausführungsbeispiel, dass mithilfe des Diffusor 1091 die Winkelverteilung bzw. die Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung 1010' homogenisiert werden kann und somit eine gleichmäßige Bestrahlung Mediums 104' ermöglicht werden kann. Hierfür kann beispielsweise ein gerichteter Diffusor 1091 verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann eine über einen breiten Winkelbereich abstrahlende Lichtquelle verwendet werden, welche von der Beleuchtungseinheit 1010 umfasst werden kann. In dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Medium 104' ohne Gefäß 104" in der Öffnung 102" angeordnet. Das Medium 104' kann auch, wie zuvor beschrieben, in einem Gefäß 104" angeordnet werden. Von der

Beleuchtungseinheit 1010 kommende elektromagnetische Strahlung 1010', welche durch den Diffusor 1091 geformt ist, tritt durch die Haltestruktur 102' in das Medium 104' ein und wird von dem Medium 104' zumindest teilweise transmittiert. Die transmittiert elektromagnetische Strahlung trifft auf die Einkoppelstruktur 1030 auf, welche auf der zweiten Seite 1022 der Haltestruktur 102' angeordnet ist. Die

Einkoppelstruktur 1030 koppelt den Strahlungsanteil 101 1 " in den Lichtwellenleiter 1031 ein. Der Strahlungsanteil 101 1 " wird von den Lichtwellenleiter 1031 in die Detektionseinheit 101 1 geführt und dort detektiert. Zwischen den Lichtwellenleiter 1031 und der Detektionseinheit 101 1 können optische Abbildungselemente, wie

beispielsweise optische Linsen/ Sammellinsen oder Lichtführungsoptiken 1032, angeordnet werden. Wie bereits zuvor beschrieben, können die Beleuchtungseinheit

1010 und/oder die Detektionseinheit 101 1 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.

Alternativ oder ergänzend kann in einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinheit 1010 und der Aufnahmevorrichtung 102 ein Diffusor 1091 angeordnet oder anordenbar sein. Alternativ oder ergänzend kann in einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel im Strahlengang zwischen der Aufnahmevorrichtung 102 und der Detektionseinheit 101 1 ein optisches

Abbildungselement 1092 angeordnet oder anordenbar sein.

In Fig. 7 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 101 1 " und spektrale Auswertung 204 des aus Richtung des Mediums kommenden Strahlungsanteils 101 1 " zur Analyse des Mediums 104' umfasst. Der Strahlungsanteil 101 1 " koppelt nach einem Durchlaufen des Mediums 104' in den Lichtwellenleiter 1031 ein und wird vom Lichtwellenleiter 1031 zum Detektieren 203 in die Detektionseinheit 101 1 geführt. Das Medium 104' kann beispielsweise in einem Gefäß 104" angeordnet sein und in die Öffnung 102" der Haltestruktur 102' eingebracht werden. 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 101 1 " 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. 8 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.