Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Spektrometer bekannt, bei denen eine Miniaturisierung des gesamten Ausbaus angestrebt wird. So zeigt US 6 870 619 Bl beispielsweise ein miniaturisiertes Spektrometer mit nur wenigen optischen Elementen. Dieser Aufbau benötigt jedoch ein preisintensives gebogenes optisches Gitter, eine kleine Apertur sowie elektro-optische Modulatoren. Bei Verwenden einer Vielzahl von optischen Elementen, wie Spiegeln oder Linsen, vor dem optischen Gitter, ist Streulicht ein großes Problem. In der Druckschrift US 2012 0188542 AI wird daher eine zweite Apertur nach einer Eingangsapertur verwendet, um ein einfallendes Strahlenbündel zu begrenzen. Dies begrenzt jedoch ebenso eine Sensitivität des Spektrometers.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer vorzuschlagen, das die genannten Nachteile vermeidet, mit dem also mit möglichst wenigen optischen Elementen eine miniaturisierte Bauform mit hoher Empfindlichkeit erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Spektrometer nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Ein Spektrometer weist ein Gehäuse auf, in dem ein einer Apertur des Gehäuses gegenüberliegend angeordnetes planares optisches Gitter, eine Objektivanordnung und ein Sensorelement angeordnet sind. Das optische Gitter ist unter einem Winkel kleiner 45° zu einer Normalen der Apertur ausgerichtet. Die Apertur ist derartig dimensioniert, dass bei parallel zur Normalen der Apertur einfallender elektromagnetischer Strahlung die Oberfläche des optischen Gitters vollständig bestrahlt ist. Die Objektivanordnung ist zum Fokussieren der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auf das Sensorelement zwischen dem optischen Gitter und dem Sensorelement angeordnet, so dass ausschließlich eine erste Beugungsordnung oder höhere Beugungsordnungen der von dem optischen Gitter gebeugten elektromagnetischen Strahlung auf die Objektivanordnung und das Sensorelement gerichtet ist bzw. sind.

Durch Verwenden eines planaren, also ebenen optischen Gitters kann das Bauteil einfach konstruiert und verbaut werden. Durch die vergleichsweise große Apertur, deren Dimensionen so gewählt sind, dass gerade keine Punktquelle vorliegt, ist das gesamte Spektrometer sehr sensitiv, da viel elektromagnetische Strahlung auf das optische Gitter fällt. Dies wird durch einen spitzen Winkel noch unterstützt, der zudem eine kompakte Bauform des gesamten Spektrometers unterstützt. Unter einer vollständigen Bestrahlung des optischen Gitters soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die gesamte der Apertur zugewandte Oberfläche des optischen Gitters von der einfallenden elektromagnetischen Strahlung bestrahlt wird. Der Winkel kann hierbei sowohl ausgehend von einer Oberfläche des planaren optischen Gitters bis zur Normalen der Apertur als zweiten Winkelschenkel als auch von der Normalen der Apertur zur Oberfläche des planaren optischen Gitters gerichtet verstanden werden.

Typischerweise gelangt die einfallende elektromagnetische Strahlung von Apertur direkt auf das optische Gitter. Indem keine weiteren optischen Elemente wie Spiegel oder eine weitere Apertur durchlaufen werden müssen, ist die gesamte Konstruktion einfach und kompakt und es wird wenig Streulicht generiert.

Die Apertur kann einen Durchmesser oder eine Breite von mindestens zwischen 0,5 mm und 2,5 mm aufweisen. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser bzw. die Breite 1 mm. Die Apertur selbst kann als rechteckige, insbesondere quadratische, oder runde Öffnung in dem Gehäuse ausgebildet sein. Dies ermöglicht es, mit einer vergleichsweise großen Apertur möglichst viel elektromagnetische Strahlung einzufangen.

Der Winkel, unter dem das optische Gitter in Bezug zur Normalen ausgerichtet ist, kann zwischen 5° und 15°, vorzugsweise zwischen 7° und 10°, besonders vorzugsweise 7,5° betragen, um eine flache Bauform zu ermöglichen und den Platzbedarf gering zu halten.

Ein Abstand zwischen der Apertur und dem optischen Gitter beträgt typischerweise zwischen 1 mm und 40 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 30 mm, besonders vorzugsweise 20 mm, so dass das Spektrometer eine entsprechend kompakte Dimensionierung aufweist.

Es kann vorgesehen sein, dass das optische Gitter mit einer Beschichtung versehen ist, die mindestens 90 Prozent, vorzugsweise mindestens 95 Prozent, besonders vorzugsweise mindestens 99 Prozent der einfallenden elektromagnetischen Strahlung reflektiert, um eine ausreichend hohe Intensität auf dem Sensorelement zu erreichen. Vorzugsweise weist die Beschichtung Aluminium auf oder ist aus Aluminium ausgebildet.

Die Objektivanordnung kann mindestens zwei fokussierende Linsen aufweisen, um eine zuverlässige Brennpunkteinstellung zu gewährleisten.

Typischerweise beträgt eine Brennweite der Objektivanordnung zwischen 1 mm und 4 mm, vorzugsweise 2 mm.

Das Sensorelement kann als ein Photodiodenzeilenarray bzw. als CCD- Zeilenarray (charge-coupled device) oder als ein Bildsensor, beispielsweise als CMOS-Sensor (complementary metal-oxide-semiconductor) oder CCD-Sensor, ausgebildet sein. Das Sensorelement ist typischerweise sensitiv für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 780 nm. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement auch für elektromagnetische Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich, insbesondere für Wellenlängen zwischen 780 nm und 1700 nm, oder im ultravioletten Wellenlängenbereich, insbesondere für Wellenlängen zwischen 200 nm und 380 nm, sensitiv sein.

Typischerweise wird jedoch eine Gitterperiode des optischen Gitters und/oder ein Winkel der Verkippung in Abhängigkeit von der zu detektierenden Wellenlänge angepasst. Vorzugsweise weist ein Mobiltelefon das beschriebene Spektrometer auf.

Hierbei kann das Mobiltelefon das beschriebene Spektrometer sowohl integriert in ein Gehäuse des Mobiltelefons aufweisen als auch das Spektrometer auf das Mobiltelefon aufgesetzt sein. Ausführungsbeispiele des Spektrometers sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische seitliche Ansicht des Spektrometers und

Fig. 2 ein Mobiltelefon in seitlicher Ansicht mit dem Spektrometer.

In Figur 1 ist in einer schematischen seitlichen Ansicht ein Spektrometer dar- gestellt. In ein aus Kunststoff oder Metall bestehendes Gehäuse 11 des Spektrometers fällt durch eine Apertur 1 ein Strahlenbündel 5 elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich in einen Innenraum 3 des Gehäuses 11.

Die Apertur 1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel rund und weist einen Durchmesser von 1 mm auf, so dass durch die Apertur 1 keine Punktquelle am Eingang des Spektrometers erzeugt wird. Durch die Größe der Apertur 1 ist das Spektrometer somit sehr sensitiv, da ein quadratischer Zusammenhang zwischen der Größe der Fläche des Apertur 1 und der einfallenden Strahlungsintensität bzw. Lichtintensität besteht.

Von der Apertur 1 fällt die elektromagnetische Strahlung auf ein optische Gitter 2 mit einer Gitterkonstanten zwischen 200 nm und 1200 nm, vorzugsweise zwischen 400 nm und 700 nm, das durch eine Halterung an dem Gehäuse 11 angebracht ist. Da keine weiteren optischen Elemente im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind, wird eine Streulichtausbildung minimiert und es sind keine weiteren Aperturen nötig. Das optische Gitter 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel unter einem flachen Winkel 4 von 7,5° zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung, die parallel zu einer Normalen der Apertur 1 gerichtet ist, gekippt. Der Abstand zwischen der Apertur 1 und dem optischen Gitter 2 beträgt 20 mm.

Die Apertur 1 ist derart dimensioniert, dass bei parallel zu der Normalen der Apertur 1 einfallender elektromagnetischer Strahlung die der Apertur 1 zugewandte Oberfläche des optischen Gitters 2 vollständig bestrahlt ist. Das optische Gitter 2 kann somit mindestens eine Größe eines Durchmessers des einfallenden Strahlungsbündels 5, das durch die Apertur 1 fällt, aufweisen, allerdings kann eine Fläche des optischen Gitters 2 auch kleiner als das Strahlenbündel 5 sein. Das optische Gitter 2 ist als Reflexionsbeugungsgitter mit einer hochreflektierenden Aluminiumbeschichtung versehen, die mindestens 90 Prozent einer einfallenden Intensität reflektiert. Der Kippwinkel 4 des optischen Gitters 2 ist durch die Bragg-Bedingung festgelegt und abhängig von der Gitterperiode des optischen Gitters 2 und dem Wellenlängenbereich der einfallenden elektro- magnetischen Strahlung. Diese einfallende elektromagnetische Strahlung wird in einem Winkelbereich differenziert von dem optischen Gitter 2 reflektiert, so dass die erste Beugungsordnung 9 auf eine Objektivanordnung 6 aus zwei plankonvexen Linsen fällt.

Diese Objektivanordnung 6 ist in einem Winkel von 90° zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung angeordnet. Die nullte Beugungsord- nung 8 fällt nicht auf die Objektivanordnung 6, sondern auf eine Innenwand des Gehäuses 11 im Innenraum 3. Ein Brennpunkt 10 der Objektivanordnung 6 liegt auf einer Seite der Objektivanordnung 6 auf der Oberfläche des optischen Gitters 2 und auf der anderen Seite auf einem Bildsensor 7. Die Objek- tivanordnung 6 ist mit einer zweiten Apertur 12 versehen, um Streulicht nicht auf den Bildsensor 7 gelangen zu lassen. Die zweite Apertur hat einen Durchmesser bzw. eine Breite zwischen 1 mm und 10 mm. Die Brennweite der Objektivanordnung 6 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 2 mm. Dies kann zu einer Bildverzerrung führen, die jedoch durch eine Auswerteeinheit, mit der der Bildsensor 7 elektrisch verbunden ist, korrigiert werden kann. Die

Brennweite sollte jedoch so gewählt werden, dass die nullte Beugungsordnung 8 keinesfalls auf die Objektivanordnung 6 fällt.

Die Objektivanordnung 6 ist auf die Größe des Bildsensors 7 abgestimmt, da- mit das gesamte zu analysierende Spektrum über die komplette Ausdehnung des Bildsensors 7 abgebildet werden kann. Je kleiner der Bildsensor 7 ist, desto größer ist der der sogenannte Crop-Faktor oder Formatfaktor zu wählen, der ein Längenverhältnis zwischen Diagonalen zweier Aufnahmeformate angibt, und umso kleiner kann die Objektivanordnung 6 ausfallen. Eine Pixelgrö- ße beträgt typischerweise 1,5 μιη bei dem Bildsensor 7 (kann in weiteren Ausführungsformen aber auch bis zu 6 μιη betragen), falls anstelle des Bildsensors 7 ein Photodiodenzeilenarray verwendet wird, kann die Pixelgröße 5,5 μιη betragen. Um die Nyquist-Bedingung zu erfüllen, muss eine entsprechend hohe Pixelzahl vorgesehen sein.

Mit der in Figur 1 dargestellten und zuvor beschriebenen Anordnung kann eine spektrale Auflösung trotz eines Aperturdurchmessers von 1 mm nur 1 nm betragen. In Figur 2 ist in einer schematischen seitlichen Ansicht ein Mobiltelefon 13, genauer ein Smartphone, dargestellt, das das beschriebene Spektrometer aufweist. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur mit identischen Bezugszeichen wie in der vorhergehenden Figur bezeichnet. Die Objektivanordnung 6 und der Bildsensor 7 können hierbei durch eine ohnehin in dem Mobil- telefon 13 verbaute Kamera realisiert sein. Die Auswerteeinheit ist typischerweise in dem Mobiltelefon 13 angeordnet und ein Display des Mobiltelefons dient als Ausgabeeinheit des Spektrometers, auf der die von der Auswerteeinheit ermittelten Daten wiedergegeben werden. In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Spektrometer mit seinem Gehäuse 12 auf das Mobiltelefon 13 aufgesetzt, es kann aber auch vorgesehen sein, das Spektrometer in das Mobiltelefon 13 zu integrieren, so dass ein Gehäuse des

Mobiltelefons 13 auch das Spektrometer umschließt.