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WO2021058260A1 - Spektrometervorrichtung und verfahren zur kalibrierung einer spektrometervorrichtung - Google Patents

Spektrometervorrichtung und verfahren zur kalibrierung einer spektrometervorrichtung Download PDF

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WO2021058260A1
WO2021058260A1 PCT/EP2020/074717 EP2020074717W WO2021058260A1 WO 2021058260 A1 WO2021058260 A1 WO 2021058260A1 EP 2020074717 W EP2020074717 W EP 2020074717W WO 2021058260 A1 WO2021058260 A1 WO 2021058260A1
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WO
WIPO (PCT)
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spectrometer device
spectral
calibration
photodetector
extinction
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2020/074717
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin HUSNIK
Reinhold Roedel
Christoph Schelling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction

Definitions

  • the present invention relates to a spectrometer device and a method for calibrating a spectrometer device.
  • Spectral sensors are currently gaining in importance. For example, spectral sensors can be used to examine substances or objects for their material composition. The increasing miniaturization of sensors in particular results in increasingly interesting areas of application.
  • a spectral filter element in a spectrometer for example, a tunable microelectromechanical system with a Fabry-Perot interferometer represents a promising approach to miniaturizing the overall system.
  • the publication DE 102018200378 A1 describes an interferometer, for example an ME MS-Fabry-Perot interferometer with two mirrors which are applied to two substrates which are connected to one another.
  • the present invention provides a spectrometer device and a method for calibrating a spectrometer device having the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • a spectrometer device having a light emitter, a spectral element, a photodetector and a calibration element.
  • the light emitter is also included designed to emit light in a predetermined spectrum.
  • the light emitter can emit the light in the direction of a sample.
  • the photodetector is designed to detect light. Furthermore, the photodetector can provide an output signal corresponding to the detected light.
  • the spectral element is arranged in an optical path between the sample and the photodetector.
  • the calibration element is arranged in a beam path from the light emitter and the photodetector.
  • the calibration element can have one or more extinction lines. In other words, light components with one or more wavelengths or wavelength ranges which correspond to the corresponding extinction lines are at least partially absorbed by the calibration element. The remaining light components that do not correspond to the wavelength or the wavelength ranges of the extinction lines, on the other hand, can transmit largely unhindered through the calibration element.
  • the spectrometer device includes a light emitter and a photodetector. Furthermore, the spectrometer device comprises a calibration element which is arranged in a beam path between the light emitter and the photodetector and which has one or more extinction lines.
  • the method comprises a step of controlling a spectral element which is located in the beam path between the light emitter and the photodetector. By controlling the spectral element, the filter properties of the spectral element can be adapted. In particular, the wavelength or the wavelength range through which the spectral element can pass can be adapted in accordance with the control.
  • the method further comprises a step of identifying a setting of the spectral element which corresponds to an extinction line of the calibration element. In other words, it is determined at which control of the spectral element the spectral element is set to a wavelength or a wavelength range which corresponds to an extinction line of the calibration element.
  • the present invention is based on the knowledge that spectrometer devices must be calibrated very precisely in order to be able to precisely identify the wavelength or wavelength ranges of the light to be analyzed.
  • the present invention is based on the knowledge that the settings of the spectrometer device can change over the operating time or the lifetime of a spectrometer device due to numerous effects, such as the effects of temperature, aging, etc. Therefore, such spectrometer devices may need to be recalibrated.
  • an additional element in the light path between the emitter and detector of a spectrometer which has known and as stable as possible absorption properties for light of a known wavelength or a known wavelength range.
  • a setting can be identified in which the spectral element is set as precisely as possible to an extinction line, i.e. an absorption range of the calibration element in the beam path between the light source and the photodetector. This results in one or more precisely known calibration points. Using these calibration points, the setting or the evaluation of the measuring process of the spectrometer device can then be adapted in a simple manner.
  • the calibration element can already be built into the spectrometer device during manufacture of the spectrometer device, a simple and quick calibration can take place in this way at any later point in time. Since no additional external components are required for the calibration, the calibration can also be carried out on site.
  • the calibration element has at least one extinction line in the spectral filter range of the spectral element. Accordingly, the spectrometer device can identify a setting for the spectral element in which the spectral element is set to the extinction line of the calibration element. According to one embodiment, the calibration element has at least one extinction line in the lower and / or upper spectral edge region of the filter region of the spectral element. By choosing extinction lines in the edge area of the spectral filter element, calibration points can be determined which are very well suited as support points for a calibration characteristic. In addition, calibration points in the edge area of the filter area of the spectral element are generally only slightly disruptive for the operational operation of the spectrometer device. In addition to one or more individual extinction lines, the calibration element can also include any known extinction line shapes, in particular complex spectra or the like.
  • the calibration element is arranged in the beam path between the sample and the spectral element.
  • the calibration element can be attached to a cover glass or the like, which covers the spectral element.
  • a cover glass can be provided over the spectral element, for example, as protection against contamination or damage.
  • the calibration element is arranged in the beam path between the light emitter and the sample.
  • the calibration element can be arranged on a cover glass which covers the light emitter.
  • the calibration element can also be arranged on any optical element which deflects or focuses the light from the light emitter.
  • the calibration element can be arranged in a luminous layer of the light emitter. In this way, for example, light can already be emitted by the light emitter in which one or more predetermined wavelengths or wavelength ranges are not included.
  • the calibration element can be arranged on the photodetector.
  • a surface of the photodetector can be coated with a suitable substance which has one or more extinction lines.
  • the spectrometer device comprises a further photodetector.
  • the calibration element can be in a beam path between the light emitter and the further photodetector be arranged. In this way, the beam path for analyzing a sample is not influenced by the absorption of one or more wavelengths by the calibration element.
  • the spectrometer device comprises a control device.
  • the control device can be designed to determine a setting of the spectral element that corresponds to the extinction line.
  • the setting can include, for example, a control voltage or the like.
  • a calibration value can be determined which can be used as a basis for evaluating the measurement data during the analysis of a sample.
  • a suitable function can be determined which can be used as a basis for the calibration.
  • the function can include a linear function, but also a function of a higher degree.
  • control device is designed to carry out a measuring process for analyzing a sample using the settings corresponding to the extinction lines of the calibration element. In this way, a measurement of a sample can be carried out with constant quality and quality. In particular, aging effects and fluctuations due to temperature effects or the like can be compensated for by regular calibration.
  • the spectral element comprises a Fabry-Perot interferometer, a grating spectrometer, a static or movable Fourier transform spectrometer and / or a wavelength-selective filter.
  • a Fabry-Perot interferometer a Fabry-Perot interferometer
  • a grating spectrometer a static or movable Fourier transform spectrometer
  • a wavelength-selective filter any elements or assemblies that are capable of filtering or separating the light coming from the object to be examined in a spectral manner are possible as a spectral element.
  • At least one of the extinction lines of the calibration element shifts with the temperature by less than 0.5 nm / K (nanometers per Kelvin). At least one of the extinction lines of the calibration element is preferably shifted by less than 0.05 nm / K.
  • the calibration element can have at least one extinction line which shifts with the temperature by less than 0.01 nm / K.
  • Figure 1 a schematic representation of a cross section through a
  • Figure 2 is a schematic representation of a course that detects the
  • Figure 3 a flow chart of how a method for calibrating a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a spectrometer device 1 according to an embodiment.
  • the spectrometer device 1 comprises a light emitter 10, a spectral element 20 and a photodetector 30.
  • the light emitter 10 can emit light in a predetermined spectrum.
  • the predetermined spectrum can be light in the visible or invisible wavelength range.
  • the light emitter 10 can also be infrared in addition to visible light or emit ultraviolet light.
  • the light emitter 10 can comprise optics in order to emit or focus the emitted light in the direction of a sample 100.
  • the light from the light emitter 10 can interact with the sample.
  • the light can be reflected or scattered on the sample. Part of the light scattered by the sample 100 is reflected / scattered in the direction of the spectral element 20.
  • the spectral element 20 can be a Fabry-Perot interferometer, for example. In particular, it can be a tunable Fabry-Perot interferometer with a microelectromechanical system (MEMS).
  • MEMS microelectromechanical system
  • any other spectral elements are also possible in principle.
  • the spectral element 20 can comprise a grating spectrometer, a static or moving Fourier transform spectrometer and / or another wavelength-selective filter.
  • the spectral element 20 can filter the incident light in such a way that only light of a narrow-band spectrum can pass the spectral element 20.
  • the filtered light strikes the photodetector 30.
  • the photodetector 30 can provide an output signal corresponding to the light intensity.
  • a signature can also be impressed on the passing light by the spectral element 20, which makes it possible, for example by means of a suitable computing unit and an evaluation algorithm, to determine the spectrum of the light reflected or scattered by the sample 100.
  • the spectral element 20 can be controlled with a corresponding control signal.
  • this can be an electrical voltage, the value of which corresponds to the filter frequency of the spectral element.
  • the control signal can be an electrical voltage, the value of which corresponds to the filter frequency of the spectral element.
  • a calibration element 40a-d can be provided in the beam path between light emitter 10 and photodetector 30.
  • the calibration element 40a-d can be permanently installed in the spectrometer device 10. In particular, the calibration element 40a-d also remains in the spectrometer device 1 during the normal measuring process.
  • the calibration element 40c can be arranged in the beam path between the sample 100 and the spectral element 20.
  • the calibration element 40c can be applied to a cover glass or the like, which covers the spectrometer device 1, in particular the area with the spectral element 20.
  • the calibration element 40b can also be arranged in the beam path between the light emitter 10 and the sample 100.
  • the calibration element 40b can be arranged on a cover glass which covers the light exit, in particular the area above the light emitter 10.
  • the calibration element 40d is located between the spectral element 20 and the photodetector 30, in particular it can be located directly above the photodetector 30.
  • the calibration element 40d can be applied to a surface of the photodetector 30.
  • the calibration element 40a can be introduced directly into the light emitter 10.
  • the calibration element 40a can be introduced into the phosphor or a luminescent layer of the light emitter 10.
  • the calibration element 40a-d can be arranged in the beam path between the light emitter 10 and the further photodetector. In this way, the calibration element 40a-d does not influence the measuring process by means of the actual photodetector 30.
  • the spectrometer device 1 can have a control device for controlling the calibration process and for evaluating a measurement process exhibit.
  • the control device can, for example, provide the necessary control signals for controlling the spectral element 20.
  • the control device can receive and evaluate the signals provided by the photodetector 30. In this way, the control device can determine a relationship between the control of the spectral element 20 and the corresponding wavelength.
  • the calibration element 40a-d is a substance which has one or more extinction lines or a more complex extinction spectrum.
  • the calibration element 40a-d thus absorbs / scatters the light of the wavelength corresponding to the extinction lines. This property can therefore be used for a calibration process of the spectrometer device 1.
  • the spectral element 20 can be tuned through the filter area, and the light intensity detected by the photodetector 30 can be related to the corresponding control of the spectral element 20. This then results in a significant drop in the detected light intensity precisely at the extinction lines of the calibration element 40a-d.
  • the calibration element 40a-d can have one or more fluorescence lines, in which the calibration element 40a-d emits light with one or more wavelengths corresponding to the fluorescence lines after a corresponding excitation. In this case there is a significant increase in the detected light intensity at the wavelengths of the fluorescence lines.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the course of the detected light intensity I over a control signal V for the spectral element 20.
  • a narrow-band significant drop in the detected intensity I can be seen both at the lower and upper edge area.
  • these notches in the detected intensity I can be assigned to the corresponding wavelengths.
  • This information can be used for a calibration, for example a linear interpolation of the relationship between wavelength and control signal.
  • any other calibration method For example, the determination of complex functions of a higher degree or the like are also possible.
  • the embodiment shown here with two extinction lines is only used for better understanding.
  • the calibration can in principle also be carried out with only one extinction line or more than two extinction lines in the calibration element 40a-d.
  • the extinction lines of the calibration element 40a-d are preferably located in the edge area of the filter area of the spectral element 20. In this way, the extinction lines influence the actual measuring process of the spectrometer device 1 only to a small extent.
  • plasmonic filter elements can be used as substances for the calibration element 40a-d.
  • such filter elements can be based on so-called Fano resonances, for example.
  • nanostructures or structures with nanoparticles are also possible, which have special materials, in particular dielectric particles or special molecules, which lead to the desired extinction lines.
  • special materials with a sharp extinction spectrum such as erbium or the like, can also be used.
  • any other materials, structures, particles or the like that have the desired properties with characteristic extinction lines are also possible.
  • the half-width of the extinction lines should preferably be significantly narrower than the resolution of the spectral element.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a flowchart on the basis of a method for calibrating a spectrometer device 1 according to an embodiment.
  • the method can in particular also include any steps, as already described above in connection with FIGS. 1 and 2.
  • the spectrometer device 1 described above can also have any components, as will be described below in connection with the calibration process.
  • the calibration method can be carried out with any spectrometer device 1 in which a calibration element 40a-d with at least one extinction line is arranged between the light emitter 10 and the photodetector 30.
  • a step S1 light is emitted by the light emitter 10 and, in the process, a spectral element 20 is activated, which is located in the beam path between the light emitter 10 and the photodetector 20.
  • step S2 a setting of the spectral element 20 is identified which corresponds to an extinction line of the calibration element 40a-d.
  • a subsequent measuring process of the spectrometer device 1 can be evaluated on the basis of this setting.
  • the present invention relates to a spectrometer device and a calibration method for a spectrometer device.
  • a calibration element with one or more known extinction lines is arranged in the beam path between the light emitter and the photodetector of the spectrometer device.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Spektrometervorrichtung und ein Kalibrierverfahren für eine Spektrometervorrichtung. Im Strahlengang zwischen Lichtemitter und Fotodetektor der Spektrometervorrichtung ist ein Kalibrierelement mit einer oder mehreren bekannten Extinktionslinien angeordnet. Durch die Ermittlung der Einstellung eines spektralen Elements, die zu einer Extinktionslinie des Kalibrierelements korrespondiert, kann eine genaue Zuordnung zwischen Ansteuerung des spektralen Elements und korrespondierender Wellenlänge getroffen werden.

Description

Beschreibung
Titel
Spektrometervorrichtung und Verfahren zur Kalibrierung einer Spektrometervorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektrometervorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung einer Spektrometervorrichtung.
Stand der Technik
Spektrale Sensoren gewinnen aktuell stetig an Bedeutung. Beispielsweise können spektrale Sensoren dazu genutzt werden, um Substanzen oder Objekte auf ihre stoffliche Zusammensetzung zu untersuchen. Insbesondere durch die zunehmende Miniaturisierung der Sensoren ergeben sich zunehmend interessante Einsatzgebiete. Für die Implementierung eines spektralen Filterelements in einem Spektrometer stellt beispielsweise ein durchstimmbares mikroelektromechanisches System mit einem Fabry-Perot Interferometer einen vielversprechenden Ansatz zur Miniaturisierung des Gesamtsystems.
Die Druckschrift DE 102018200378 Al beschreibt ein Interferometer, beispielsweise ein ME MS- Fabry-Perot Interferometer mit zwei Spiegeln, die auf zwei Substraten aufgebracht sind, welche miteinander verbunden sind.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Spektrometervorrichtung und ein Verfahren zur Kalibrierung einer Spektrometervorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Spektrometervorrichtung mit einem Lichtemitter, einem spektralen Element, einem Fotodetektor und einem Kalibrierelement. Der Lichtemitter ist dazu ausgelegt, Licht in einem vorbestimmten Spektrum zu emittieren. Insbesondere kann der Lichtemitter das Licht in Richtung einer Probe emittieren. Der Fotodetektor ist dazu ausgelegt, Licht zu erfassen. Ferner kann der Fotodetektor ein zu dem erfassten Licht korrespondierendes Ausgangssignal bereitstellen.
Das spektrale Element ist in einem optischen Pfad zwischen der Probe und dem Fotodetektor angeordnet. Das Kalibrierelement ist in einem Strahlengang von dem Lichtemitter und dem Fotodetektor angeordnet. Das Kalibrierelement kann dabei eine oder mehrere Extinktionslinien aufweisen. Mit anderen Worten, Lichtanteile mit einer oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, die zu den entsprechenden Extinktionslinien korrespondieren, werden von dem Kalibrierelement zumindest teilweise absorbiert. Die übrigen Lichtanteile, die nicht zu der Wellenlänge oder den Wellenlängenbereichen der Extinktionslinien korrespondieren, können durch das Kalibrierelement dagegen weitestgehend ungehindert transmittieren.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Kalibrieren einer Spektrometervorrichtung. Die Spektrometervorrichtung umfasst einen Lichtemitter und einen Fotodetektor. Ferner umfasst die Spektrometervorrichtung ein Kalibrierelement, das in einem Strahlengang zwischen dem Lichtemitter und dem Fotodetektor angeordnet ist, und das eine oder mehrere Extinktionslinien aufweist. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Ansteuern eines spektralen Elements, welches sich im Strahlengang zwischen dem Lichtemitter und dem Fotodetektor befindet. Durch das Ansteuern des spektralen Elements können die Filtereigenschaften des spektralen Elements angepasst werden. Insbesondere können die Wellenlänge bzw. der Wellenlängenbereich, der das spektrale Element passieren kann, entsprechend der Ansteuerung angepasst werden. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Identifizieren einer Einstellung des spektralen Elements, die zu einer Extinktionslinie des Kalibrierelements korrespondiert. Mit anderen Worten, es wird festgestellt, bei welcher Ansteuerung des spektralen Elements das spektrale Element auf eine Wellenlänge bzw. ein Wellenlängenbereich eingestellt ist, der einer Extinktionslinie des Kalibrierelements entspricht.
Vorteile der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Spektrometervorrichtungen sehr präzise kalibriert sein müssen, um die Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereiche des zu analysierenden Lichts genau identifizieren zu können. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass durch zahlreiche Effekte, wie beispielsweise Temperatureinwirkung, Alterung etc. sich die Einstellungen der Spektrometervorrichtung über die Betriebsdauer bzw. die Lebenszeit einer Spektrometervorrichtung verändern können. Daher müssen solche Spektrometervorrichtungen gegebenenfalls neu kalibriert werden.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit für eine möglichst einfache, kostengünstige und effiziente Kalibrierung einer Spektrometervorrichtung zu schaffen.
Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, in dem Lichtpfad zwischen Emitter und Detektor eines Spektrometers ein zusätzliches Element vorzusehen, welches bekannte und möglichst stabile Absorptionseigenschaften für Licht einer bekannten Wellenlänge oder eines bekannten Wellenlängebereiches aufweist. Somit kann durch geeignetes Ansteuern des spektralen Elements in der Spektrometervorrichtung eine Einstellung identifiziert werden, bei der das spektrale Element möglichst genau auf eine Extinktionslinie, das heißt einen Absorptionsbereich des Kalibrierelements im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Fotodetektor eingestellt ist. Hierdurch ergeben sich ein oder mehrere genau bekannten Kalibrierpunkte. Unter Verwendung dieser Kalibrierpunkte kann daraufhin auf einfache Weise die Einstellung oder die Auswertung des Messvorgangs der Spektrometervorrichtung angepasst werden. Da das Kalibrierelement bereits bei der Herstellung der Spektrometervorrichtung mit in die Spektrometervorrichtung eingebaut werden kann, kann auf diese Weise zu jedem beliebigen späteren Zeitpunkt eine einfache und rasche Kalibrierung erfolgen. Da keine zusätzlichen externen Komponenten für die Kalibrierung erforderlich sind, kann die Kalibrierung auch vor Ort erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Kalibrierelement im spektralen Filterbereich des spektralen Elements mindestens eine Extinktionslinie auf. Entsprechend kann die Spektrometervorrichtung eine Einstellung für das spektrale Element identifizieren, bei der das spektrale Element auf die Extinktionslinie des Kalibrierelements eingestellt ist. Gemäß einer Ausführungsform weist das Kalibrierelement mindestens eine Extinktionslinie im unteren und/oder oberen spektralen Randbereich des Filterbereichs des spektralen Elements auf. Durch die Wahl von Extinktionslinien im Randbereich des spektralen Filterelements können Kalibrierpunkte ermittelt werden, welche sich sehr gut als Stützstellen für eine Kalibrierkennlinie eignen. Darüber hinaus sind Kalibrierpunkte im Randbereich des Filterbereichs des spektralen Elements in der Regel für den operativen Betrieb der Spektrometervorrichtung nur wenig störend. Neben einer oder auch mehreren einzelnen Extinktionslinien kann das Kalibrierelement auch beliebige bekannte Extinktionslinienformen, insbesondere auch komplexe Spektren o.ä. umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Kalibrierelement im Strahlengang zwischen der Probe und dem spektralen Element angeordnet. Beispielsweise kann das Kalibrierelement auf einem Deckglas oder ähnlichem angebracht sein, welches das spektrale Element überdeckt. Ein solches Deckglas kann beispielsweise als Schutz vor Verunreinigungen oder Beschädigungen über dem spektralen Element vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Kalibrierelement im Strahlengang zwischen dem Lichtemitter und der Probe angeordnet. Beispielsweise kann das Kalibrierelement auf einem Deckglas angeordnet sein, welches den Lichtemitter überdeckt. Alternativ kann das Kalibrierelement auch an einem beliebigen optischen Element angeordnet sein, welcher das Licht von dem Lichtemitter ablenkt oder fokussiert.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Kalibrierelement in einer Leuchtschicht des Lichtemitters angeordnet sein. Auf diese Weise kann beispielsweise von dem Lichtemitter bereits Licht emittiert werden, bei welchem eine oder mehrere vorbestimmten Wellenlänge oder Wellenlängenbereiche nicht umfasst sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Kalibrierelement auf dem Fotodetektor angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Oberfläche des Fotodetektors mit einer geeigneten Substanz beschichtet sein, welche eine oder mehrere Extinktionslinien aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Spektrometervorrichtung einen weiteren Fotodetektor. In diesem Fall kann das Kalibrierelement in einem Strahlengang zwischen dem Lichtemitter und dem weiteren Fotodetektor angeordnet sein. Auf diese Weise ist der Strahlengang zur Analyse einer Probe nicht durch die Absorption einer oder mehrerer Wellenlängen durch das Kalibrierelement beeinflusst.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Spektrometervorrichtung eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, eine zu der Extinktionslinie korrespondierende Einstellung des spektralen Elements zu ermitteln. Die Einstellung kann beispielsweise eine Steuerspannung oder ähnliches umfassen. Durch das Ermitteln der zu der Extinktionslinie korrespondierenden Einstellung kann ein Kalibrierwert ermittelt werden, der als Basis für die Auswertung der Messdaten während der Analyse einer Probe herangezogen werden kann. Insbesondere wenn das Kalibrierelement mehrere Extinktionslinien aufweist, kann eine geeignete Funktion ermitteln werden, welche als Basis für die Kalibrierung herangezogen werden kann. Die Funktion kann eine lineare Funktion, aber auch eine Funktion höheren Grades umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, einen Messvorgang zur Analyse einer Probe unter Verwendung der zu den Extinktionslinien des Kalibrierelements korrespondierenden Einstellungen auszuführen. Auf diese Weise kann eine Messung einer Probe mit gleichbleibender Güte und Qualität ausgeführt werden. Insbesondere können durch regelmäßige Kalibrierung Alterungseffekte und Schwankungen durch Temperatureffekte oder ähnliches ausgeglichen werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das spektralen Element ein Fabry-Perot Interferometer, ein Gitterspektrometer, ein statisches oder bewegliches Fourier- Transformationsspektrometer und/oder einen wellenlängenselektiven Filter. Grundsätzlich sind als spektrales Element beliebige Elemente oder Baugruppen möglich, die dazu in der Lage sind, dass von dem zu untersuchenden Objekt kommende Licht in einer Weise spektralen zu filtern oder zu trennen.
Gemäß einer Ausführungsform verschiebt sich mindestens eine der Extinktionslinien des Kalibrierelements mit der Temperatur um weniger als 0,5 nm/K (Nanometer pro Kelvin). Vorzugsweise verschiebt sich mindestens eine der Extinktionslinien des Kalibrierelements um weniger als 0,05 nm/K. Insbesondere kann das Kalibrierelement mindestens eine Extinktionslinie aufweisen, die sich mit der Temperatur um weniger als 0,01 nm/K verschiebt. Durch die Verwendung der temperaturstabilen Extinktionslinien kann eine zuverlässige Kalibrierung erreicht werden, die nicht oder zumindest nur in sehr geringem Maße von der Temperatur abhängt.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine
Spektrometervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Verlaufs der detektiert die
Intensität in Abhängigkeit eines ansteuern Signals für das spektrale Element einer Spektrometervorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
Figur 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Kalibrierung einer
Spektrometervorrichtung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Spektrometervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Spektrometervorrichtung 1 umfasst einen Lichtemitter 10, ein spektrales Element 20 sowie einen Fotodetektor 30. Der Lichtemitter 10 kann Licht in einem vorbestimmten Spektrum emittieren. Bei dem vorbestimmten Spektrum kann es sich um Licht im sichtbaren oder nicht sichtbaren Wellenlängenbereich handeln. Insbesondere kann der Lichtemitter 10 neben sichtbarem Licht auch infrarotes oder ultraviolettes Licht emittieren. Weiterhin kann der Lichtemitter 10 eine Optik umfassen, um das emittierte Licht in Richtung einer Probe 100 abzustrahlen oder zu fokussieren.
Das Licht von dem Lichtemitter 10 kann mit der Probe wechselwirken. Beispielsweise kann das Licht an der Probe reflektiert oder gestreut werden. Ein Teil des von der Probe 100 gestreuten Lichtes wird in Richtung des spektralen Elements 20 reflektiert/gestreut. Bei dem spektralen Element 20 kann es sich beispielsweise um ein Fabry-Perot Interferometer handeln. Insbesondere kann es sich um ein durchstimmbares Fabry-Perot Interferometer mit einem mikroelektromechanischen System (MEMS) handeln. Darüber hinaus sind jedoch auch grundsätzlich beliebige andere spektrale Elemente möglich. Beispielsweise kann das spektrale Element 20 ein Gitterspektrometer, ein statisches oder bewegliches Fourier-Transformationsspektrometer und/oder ein anderer wellenlängenselektiver Filter umfassen.
Das spektrale Element 20 kann das einfallende Licht so filtern, dass nur Licht eines schmalbandigen Spektrums das spektrale Element 20 passieren kann. Das gefilterte Licht trifft auf den Fotodetektor 30. Der Fotodetektor 30 kann ein zu der Lichtintensität korrespondierendes Ausgangssignal bereitstellen. Analog kann dem passierendem Licht durch das spektrale Element 20 auch solch eine Signatur aufgeprägt werden, die es, beispielsweise mittels einer geeigneter Recheneinheit und eines Auswertealogrithmus erlaubt, das Spektrum des von der Probe 100 reflektierten oder gestreuten Lichts zu bestimmen.
Zur Anpassung der Filtercharakteristik des spektralen Elements 20 kann das spektrale Element 20 mit einem entsprechenden Steuersignal angesteuert werden. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine elektrische Spannung handeln, deren Wert zu der Filterfrequenz des spektralen Elementes korrespondiert. In der Regel kann ein fester Zusammenhang zwischen Steuersignal und Filterfrequenz des spektralen Elements 20 bestehen. Jedoch kann sich durch Alterungseffekte oder Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Temperatur oder ähnliches, dieser Zusammenhang ändern. Daher ist es erforderlich, eine Kalibrierung durchzuführen, um eine möglichst genaue Kenntnis über den Zusammenhang zwischen Steuersignal und spektralen Eigenschaften, wie z.B. Filterfrequenz, des spektralen Elementes 20 zu erhalten. Hierzu kann in dem Strahlengang zwischen Lichtemitter 10 und Fotodetektor 30 ein Kalibrierelement 40a-d vorgesehen sein. Das Kalibrierelement 40a-d kann dabei fest in der Spektrometervorrichtung 10 verbaut sein. Insbesondere verbleibt das Kalibrierelement 40a-d auch während des normalen Messvorgangs in der Spektrometervorrichtung 1.
Beispielsweise kann das Kalibrierelement 40c im Strahlengang zwischen der Probe 100 und dem spektralen Element 20 angeordnet sein. Zum Beispiel kann das Kalibrierelement 40c auf einem Deckglas oder ähnlichem aufgebracht sein, welches die Spektrometervorrichtung 1, insbesondere den Bereich mit dem spektralen Element 20 überdeckt.
Alternativ kann das Kalibrierelement 40b auch im Strahlengang zwischen dem Lichtemitter 10 und der Probe 100 angeordnet sein. In diesem Fall kann beispielsweise das Kalibrierelement 40b auf einem Deckglas angeordnet sein, welches den Lichtaustritt, insbesondere den Bereich über dem Lichtemitter 10 überdeckt.
Ferner ist es auch möglich, dass das Kalibrierelement 40d sich zwischen spektralem Element 20 und Fotodetektor 30 befindet, insbesondere kann es sich unmittelbar oberhalb des Fotodetektors 30 befinden. Beispielsweise kann das Kalibrierelement 40d auf einer Oberfläche des Fotodetektors 30 aufgebracht sein.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass das Kalibrierelement 40a direkt in den Lichtemitter 10 eingebracht wird. Beispielsweise kann das Kalibrierelement 40a in den Phosphor bzw. eine Leuchtschicht des Lichtemitters 10 eingebracht werden.
Alternativ ist es auch möglich, in der Spektrometervorrichtung 1 einen zusätzlichen weiteren Fotodetektor nach dem spektralen Element 20 vorzusehen. In diesem Fall kann das Kalibrierelement 40a-d im Strahlengang zwischen dem Lichtemitter 10 und dem weiteren Fotodetektor angeordnet sein. Auf diese Weise beeinflusst das Kalibrierelement 40a-d nicht den Messvorgang mittels des eigentlichen Fotodetektors 30.
Für die Steuerung des Kalibriervorgangs und die Auswertung eines Messvorgangs kann die Spektrometervorrichtung 1 eine Steuereinrichtung aufweisen. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise die erforderlichen Steuersignale für die Ansteuerung des spektralen Elementes 20 bereitstellen. Ferner kann die Steuereinrichtung die von dem Fotodetektor 30 bereitgestellten Signale empfangen und auswerten. Auf diese Weise kann die Steuereinrichtung einen Zusammenhang zwischen Ansteuerung des spektralen Elements 20 und korrespondierender Wellenlänge bestimmen.
Bei dem Kalibrierelement 40a-d handelt es sich um eine Substanz, welche eine oder mehrere Extinktionslinien bzw. ein komplexeres Extinktionsspektrum aufweist. Das Kalibrierelement 40a-d absorbierl/streut somit das Licht der zu den Extinktionslinien korrespondierenden Wellenlänge. Daher kann für einen Kalibriervorgang der Spektrometervorrichtung 1 diese Eigenschaft ausgenutzt werden. Beispielsweise kann das spektrale Element 20 über den Filterbereich durchgestimmt werden, und dabei kann die von dem Fotodetektor 30 detektierte Lichtintensität im Zusammenhang mit der korrespondierenden Ansteuerung des spektralen Elements 20 gebracht werden. Hierbei ergibt sich dann genau bei den Extinktionslinien des Kalibrierelements 40a-d ein signifikanter Einbruch in der detektierten Lichtintensität.
Zusätzlich oder alternativ kann das Kalibrierelements 40a-d auf eine oder mehrere Fluoreszenz-Linien aufweisen, bei welchen das Kalibrierelement 40a-d nach einer entsprechenden Anregung Licht mit einer oder mehreren, den Fluoreszenz-Linien entsprechende, Wellenlänge emittiert. In diesem Fall ergibt sich eine signifikante Erhöhung der detektierten Lichtintensität an den Wellenlängen der Fluoreszenz-Linien.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufs der detektierten Lichtintensität I über einem Ansteuersignal V für das spektrale Element 20. Wie hierbei zu erkennen ist, ist sowohl am unteren als auch im oberen Randbereich ein schmalbandiger signifikanter Einbruch der detektierten Intensität I zu erkennen. Ist die genaue Wellenlänge der Extinktionslinien des Kalibrierelements 40a-d bekannt, so können diese Einbrüche in der detektierten Intensität I den entsprechenden Wellenlängen zugeordnet werden. Auf diese Weise ist auch der Zusammenhang zwischen den Wellenlängen der Extinktionslinien und dem korrespondierenden Ansteuersignal für das spektrale Element 20 bekannt. Diese Informationen können für eine Kalibrierung, beispielsweise eine lineare Interpolation des Zusammenhangs zwischen Wellenlänge und Steuersignal herangezogen werden. Aber auch beliebige andere Kalibrierverfahren, beispielsweise die Bestimmung von komplexen Funktionen höheren Grades oder ähnlichem sind ebenso möglich.
Die hier dargestellte Ausführungsform mit zwei Extinktionslinien dient dabei lediglich dem besseren Verständnis. Darüber hinaus kann die Kalibrierung grundsätzlich auch mit nur einer Extinktionslinie oder mehr als zwei Extinktionslinien in dem Kalibrierelement 40a-d ausgeführt werden.
Vorzugsweise befinden sich die Extinktionslinien des Kalibrierelements 40a-d im Randbereich des Filterbereichs des spektralen Elements 20. Auf diese Weise beeinflussen die Extinktionslinien den eigentlichen Messvorgang der Spektrometervorrichtung 1 nur in geringem Maße.
Als Substanzen für das Kalibrierelement 40a-d können beispielsweise plasmonische Filterelemente verwendet werden. Insbesondere können solche Filterelemente beispielsweise auf sogenannten Fano-Resonanzen beruhen. Ferner sind auch Nanostrukturen oder Strukturen mit Nanopartikeln möglich, welche spezielle Materialien, insbesondere dielektrische Partikel oder spezielle Moleküle aufweisen, welche zu den gewünschten Extinktionslinien führen. Darüber hinaus können auch spezielle Materialien mit einem scharfen Extinktionsspektrum, wie zum Beispiel Erbium oder ähnliches verwendet werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Materialien, Strukturen, Partikel oder ähnliches möglich, welche die gewünschten Eigenschaften mit charakteristischen Extinktionslinien aufweisen. Die Halbwertsbreite der Extinktionslinien sollte vorzugsweise deutlich schmäler sein als die Auflösung des spektralen Elements.
Für die Auswahl der Materialien für das Kalibrierelement 40a-d sind bevorzugt Substanzen mit einer möglichst guten Temperaturstabilität geeignet. Auf diese Weise können Schwankungen aufgrund einer Variation der Temperatur vermieden oder zumindest stark eingeschränkt werden. Beispielsweise sind Kalibrierelemente 40a-d möglich, bei denen die Extinktionslinien um weniger als 0,5 nm/K (Nanometer pro Kelvin) schwanken. Vorzugsweise schwanken die Extinktionslinien weniger um als 0.05 nm/K. Besonders geeignet Kalibrierelemente 40a-d, bei denen die Extinktionslinien weniger um als 0.01 nm/K variieren. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Kalibrierung einer Spektrometervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Hierbei kann das Verfahren insbesondere auch beliebige Schritte umfassen, wie sie zuvor bereits im Zusammenhang mit Figur 1 und 2 beschrieben worden sind. Analog kann auch die zuvor beschriebene Spektrometervorrichtung 1 beliebige Komponenten aufweisen, wie sie nachfolgend im Zusammenhang mit dem Kalibriervorgang beschrieben werden.
Das Kalibrierverfahren kann mit einer beliebigen Spektrometervorrichtung 1 ausgeführt werden, bei welcher zwischen dem Lichtemitter 10 und dem Fotodetektor 30 ein Kalibrierelement 40a-d mit mindestens einer Extinktionslinie angeordnet ist. In einem Schritt S1 wird Licht von dem Lichtemitter 10 emittiert und dabei ein spektrales Element 20 angesteuert, das sich im Strahlengang zwischen Lichtemitter 10 und Fotodetektor 20 befindet. Dabei wird in Schritt S2 eine Einstellung des spektralen Elements 20 identifiziert, die zu einer Extinktionslinie des Kalibrierelements 40a-d korrespondiert.
Basierend auf der identifizierten Einstellung des spektralen Elements 20, die zu der Extinktionslinie des Kalibrierelements 40a-d korrespondiert, kann ein nachfolgender Messvorgang der Spektrometervorrichtung 1 auf Grundlage dieser Einstellung ausgewertet werden.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Spektrometervorrichtung und ein Kalibrierverfahren für eine Spektrometervorrichtung. Im Strahlengang zwischen Lichtemitter und Fotodetektor der Spektrometervorrichtung ist ein Kalibrierelement mit einer oder mehreren bekannten Extinktionslinien angeordnet. Durch die Ermittlung der Einstellung eines spektralen Elements, die zu einer Extinktionslinie des Kalibrierelements korrespondiert, kann eine genaue Zuordnung zwischen Ansteuerung des spektralen Elements und korrespondierender Wellenlänge getroffen werden.

Claims

Ansprüche
1. Spektrometervorrichtung (1), mit einem Lichtemitter (10), der dazu ausgelegt ist, Licht in einem vorbestimmten Spektrum in Richtung einer Probe (100) zu emittieren; einem Fotodetektor (30), der dazu ausgelegt ist, Licht zu erfassen und ein zu dem erfassten Licht korrespondierendes Ausgangssignal bereitzustellen; einem spektralen Element (20), das in einem optischen Pfad zwischen der Probe (100) und dem Fotodetektor (30) angeordnet ist; und einem Kalibrierelement (40a-40d), das in einem Strahlengang zwischen dem Lichtemitter (10) und dem Fotodetektor (30) angeordnet ist, und das eine oder mehrere Extinktionslinien aufweist.
2. Spektrometervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierelement (40a-40d) mindestens eine Extinktionslinie im spektralen Filterbereich des spektralen Elements (20) aufweist.
3. Spektrometervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kalibrierelement (40a-40d) mindestens eine Extinktionslinie im spektralen Randbereich des Filterbereichs des spektralen Elements (20) aufweist.
4. Spektrometervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kalibrierelement (40a-40d) eine plasmonische Filterstrukur, eine Nanopartikelstruktur und/oder ein Element mit einem scharfen Extinktionsspektrum umfasst.
5. Spektrometervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kalibrierelement (40c) im Strahlengang zwischen der Probe (100) und dem spektralen Element (20) angeordnet ist.
6. Spektrometervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kalibrierelement (40b) im Strahlengang zwischen dem Lichtemitter (10) und der Probe (100) angeordnet ist.
7. Spektrometervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kalibrierelement (40d) im Strahlengang zwischen spektralem Element (20) und Fotodetektor oder auf dem Fotodetektor (30) angeordnet ist.
8. Spektrometervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kalibrierelement (40a) in einer Leuchtschicht des Lichtemitters (10) angeordnet ist.
9. Spektrometervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem weiteren Fotodetektor, wobei das Kalibrierelement (40a-40d) in einem Strahlengang zwischen dem Lichtemitter (10) und dem weiteren Fotodetektor angeordnet ist
10. Spektrometervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Steuereinrichtung, die dazu ausgelegt ist, eine zu der Extinktionslinie korrespondierende Einstellung des spektralen Elements (20) zu ermitteln.
11. Spektrometervorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Messvorgang unter Verwendung der zu der Extinktionslinie des Kalibrierelements (40a-40d) korrespondierenden Einstellung auszuführen.
12. Spektrometervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das spektralen Element (20) ein Fabry-Perot Interferometer, ein Gitterspektrometer, ein statisches oder bewegliches Fourier- Transformationsspektrometer und/oder einen wellenlängenselektiven Filter umfasst.
13. Spektrometervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei sich eine oder mehrere Extinktionslinien des Kalibrierelements (40a-40d) mit der Temperatur um weniger als 0.5 nm/K verschieben.
14. Verfahren zum Kalibrieren einer Spektrometervorrichtung (1), wobei die Spektrometervorrichtung (1) zwischen einem Lichtemitter (10) und einem Fotodetektor (30) ein Kalibrierelement (40a-40d) mit mindestens einer Extinktionslinie umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ansteuern (Sl) eines spektralen Elements (20), das sich in einem optischen Pfad zwischen dem Lichtemitter (10) und dem Fotodetektor (30) befindet; und
Identifizieren (S2) einer Einstellung des spektralen Elements (20), die zu einer Extinktionslinie des Kalibrierelements (40a-40d) korrespondiert.
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