DE102020130020A1

DE102020130020A1 - SPECTROMETER WITH OPTIMIZED DETECTOR ARRANGEMENT

Info

Publication number: DE102020130020A1
Application number: DE102020130020.4A
Authority: DE
Inventors: Simon Lankes; Michael Jobst
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2022-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung, insbesondere ein Spektrometer zur Analyse einer Probe, umfassend ein Trägersubstrat mit einem auf einer Oberseite des Trägersubstrats angeordneten optoelektronischen Emitter, der dazu ausgebildet ist Licht in einem definierten Wellenlängenbereich zu emittieren, und wenigstens zwei optoelektronische Detektoren zur Erfassung eines Lichtspektrums, die auf der Oberseite des Trägersubstrats symmetrisch um das Zentrum des optoelektronischen Emitters angeordnet sind. Ferner umfasst die optoelektronische Vorrichtung wenigstens eine Blende zur Unterdrückung von Streulicht, die zwischen dem optoelektronischen Emitter und den wenigstens zwei optoelektronische Detektoren auf der Oberseite des Trägersubstrats angeordnet ist und die den optoelektronischen Emitter und die wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren in eine Richtung senkrecht zur Oberseite des Trägersubstrats überragt.The invention relates to an optoelectronic device, in particular a spectrometer for analyzing a sample, comprising a carrier substrate with an optoelectronic emitter which is arranged on a top side of the carrier substrate and is designed to emit light in a defined wavelength range, and at least two optoelectronic detectors for detecting a light spectrum , which are arranged symmetrically around the center of the optoelectronic emitter on the upper side of the carrier substrate. Furthermore, the optoelectronic device comprises at least one screen for suppressing scattered light, which is arranged between the optoelectronic emitter and the at least two optoelectronic detectors on the upper side of the carrier substrate and which extends the optoelectronic emitter and the at least two optoelectronic detectors in a direction perpendicular to the upper side of the carrier substrate towers over

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer mit einer optimierten Detektoranordnung sowie ein Verfahren zur Analyse einer Probe mittels eines Spektrometers.The present invention relates to a spectrometer with an optimized detector arrangement and a method for analyzing a sample using a spectrometer.

Spektroskopie bezeichnet eine Gruppe physikalischer Methoden, die eine Strahlung nach einer bestimmten Eigenschaft wie Wellenlänge und Energie etc. zerlegen. Die dabei auftretende Intensitätsverteilung wird Spektrum genannt. Unter anderem kann die Spektroskopie zur Analyse von Stoffen benutzt werden. Dabei ist es gewünscht, dass eine Strahlung, insbesondere Licht, welches mittels eines Emitters auf eine Probe emittiert wird, in das Material der Probe eindringt, dort in charakteristischer Weise absorbiert bzw. reflektiert wird und anschließend in einen Detektor gelangt. Man kann dabei unter andrem zwei Arten von Spektroskopie unterscheiden. Reflexionsspektroskopie und Absorptions- bzw. Transmissionsspektroskopie.Spectroscopy refers to a group of physical methods that break down radiation according to certain properties such as wavelength and energy, etc. The resulting intensity distribution is called a spectrum. Among other things, spectroscopy can be used to analyze substances. It is desirable that radiation, in particular light, which is emitted onto a sample by means of an emitter, penetrates into the material of the sample, is absorbed or reflected there in a characteristic manner and then reaches a detector. One can distinguish between two types of spectroscopy. Reflectance spectroscopy and absorption or transmission spectroscopy.

Bei der Reflexionsspektroskopie befinden sich der Emitter und der Detektor auf der gleichen Seite der Probe. Das auf die Probe emittierte Licht wird in der Probe oder auf der Oberfläche der Probe gestreut und in Richtung des Detektors zurückgeworfen bzw. reflektiert. Herkömmliche Spektrometer in Reflexionsanordnung besitzen einen Emitter und einen Detektor, zwischen denen sich die eigentliche Messstrecke befindet. Die Wellenlängenselektion kann dabei auf Seiten des Emitters, z.B. durch schmalbandige light emitting diodes (LEDs), oder auf Seiten des Detektors, z.B. durch befilterte Photodiodenarrays, erfolgen.In reflectance spectroscopy, the emitter and detector are on the same side of the sample. The light emitted onto the sample is scattered in the sample or on the surface of the sample and thrown back or reflected in the direction of the detector. Conventional spectrometers in a reflection arrangement have an emitter and a detector between which the actual measuring section is located. The wavelength can be selected on the emitter side, e.g. using narrow-band light emitting diodes (LEDs), or on the detector side, e.g. using filtered photodiode arrays.

Als Beispiel kann der SCiO Sensor von Consumer Physics genannt werden. Das Near Infrared (NIR)-Spektrometer ist so aufgebaut, dass ein complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) Detektor neben einem Breitbandemitter verbaut ist. Nach diesem Prinzip sind die meisten, auf dem Markt verfügbaren NIR-Spektrometer in Reflexionsanordnung aufgebaut. Der Emitter strahlt dabei Licht in den gesamten Halbraum zwischen Emitter und Probe ab. Die Detektion durch nur einen Detektor erfolgt aber nur in einer Richtung des Halbraumes. Entsprechend geht viel Licht verloren, da nur ein geringer Teil des emittierten Lichtes als Signal vom Detektor aufgenommen wird.The SCiO sensor from Consumer Physics can be mentioned as an example. The Near Infrared (NIR) spectrometer is constructed in such a way that a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) detector is installed next to a broadband emitter. Most NIR spectrometers available on the market are constructed according to this principle in a reflection arrangement. The emitter emits light into the entire half-space between the emitter and the sample. However, detection by only one detector only takes place in one direction of the half-space. A lot of light is lost accordingly, since only a small part of the emitted light is recorded as a signal by the detector.

Da nur ein Emitter neben einem Detektor angebracht ist, weisen die Spektrometer eine hohe Abhängigkeit an die Orientierung des Spektrometers in Bezug auf die Probe auf. Das untersuchte Volumen des reflektierten Lichts ist relativ gering und die Reproduzierbarkeit der Messung bei inhomogenen Proben ist dadurch schlecht.Because only one emitter is mounted next to a detector, the spectrometers have a high dependence on the orientation of the spectrometer with respect to the sample. The examined volume of the reflected light is relatively small and the reproducibility of the measurement in the case of inhomogeneous samples is poor as a result.

Dies spielt unter anderem auch bei Probenanalyseverfahren mittels mobiler Spektrometer eine große Rolle, da auch dabei die Reproduzierbarkeit abhängig von der Messorientierung bzw. Anordnung von Emitter zu Detektor ist. Das vom Emitter ausgesandte Licht muss einen möglichst großen Bereich der Probe durchleuchten, um eine Aussage über die molekulare Zusammensetzung der Probe geben zu können. Die Probe muss dabei so gut es geht homogenisiert sein.Among other things, this also plays a major role in sample analysis methods using mobile spectrometers, since the reproducibility also depends on the measurement orientation or arrangement of emitter to detector. The light emitted by the emitter must illuminate as large an area of the sample as possible in order to be able to provide information about the molecular composition of the sample. The sample must be homogenized as much as possible.

Da dies bei vielen Anwendungen, z.B. vital sign monitoring, oder die Analyse von Bodenoberflächen, nicht möglich ist, ist es bevorzugt, dass der Emitter zum Detektor so angeordnet ist, dass Inhomogenitäten das Ergebnis der Messungen möglichst wenig beeinflussen.Since this is not possible in many applications, e.g. vital sign monitoring or the analysis of soil surfaces, it is preferable for the emitter to be arranged in relation to the detector in such a way that inhomogeneities affect the result of the measurements as little as possible.

Durch Absorption und eine starke Streuung des Lichts, wird zusätzlich dazu das reflektierte Signal schon auf kurzen Wegen stark gedämpft, weshalb es zweckmäßig ist, möglichst empfindliche Detektoren einzusetzen bzw. den Abstand zwischen Spektrometer und Probe möglichst gering zu halten.Due to absorption and strong scattering of the light, the reflected signal is also strongly attenuated over short distances, which is why it is advisable to use detectors that are as sensitive as possible and to keep the distance between the spectrometer and the sample as small as possible.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Spektrometer leicht handhabbar ist. Auch dies kann durch eine geeignete Anordnung des Detektors zum Emitter erreicht werden und es ergeben sich deutlich geringere Abweichungen aufgrund von fehlerhafter Bedienung.Furthermore, it is preferred that the spectrometer is easy to handle. This can also be achieved by a suitable arrangement of the detector in relation to the emitter and there are significantly fewer deviations due to incorrect operation.

Der vorliegenden Erfindung liegt entsprechend als eine Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer mit einer verbesserten Detektoranordnung sowie ein Verfahren zur Analyse einer Probe mittels eines Spektrometers bereitzustellen, bei dem Inhomogenitäten einer Probe das Ergebnis der Messungen möglichst wenig beeinflussen und das Spektrometer leicht handhabbar ist.The object of the present invention is accordingly to provide a spectrometer with an improved detector arrangement and a method for analyzing a sample using a spectrometer, in which inhomogeneities in a sample affect the result of the measurements as little as possible and the spectrometer is easy to handle.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Die Aufgabe wird gelöst durch eine optoelektronische Vorrichtung, insbesondere ein Spektrometer, mit den Merkmalen des Anspruch 1 und einem Verfahren zur Analyse einer Probe mittels einer optoelektronischen Vorrichtung, insbesondere eines Spektrometers, mit den Merkmalen des Anspruch 15. Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is achieved by an optoelectronic device, in particular a spectrometer, having the features of claim 1 and a method for analyzing a sample using an optoelectronic device, in particular a spectrometer, having the features of claim 15 dependent claims.

Eine erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung, insbesondere ein Spektrometer zur Analyse einer Probe, umfasst ein Trägersubstrat mit einem auf einer Oberseite des Trägersubstrats angeordneten optoelektronischen Emitter. Der optoelektronische Emitter ist dazu ausgebildet, Licht in einem definierten Wellenlängenbereich zu emittieren. Ferner umfasst die optoelektronische Vorrichtung wenigstens zwei optoelektronische Detektoren zur Erfassung eines Lichtspektrums, insbesondere zur Erfassung eines Lichtspektrums in zumindest einem Teilbereich des definierten Wellenlängenbereichs. Die optoelektronischen Detektoren sind auf der Oberseite des Trägersubstrats symmetrisch um das Zentrum des optoelektronischen Emitters angeordnet und wenigstens eine Blende zur Unterdrückung von Streulicht ist zwischen dem optoelektronischen Emitter und den wenigstens zwei optoelektronische Detektoren auf der Oberseite des Trägersubstrats angeordnet. Die wenigstens eine Blende überragt den optoelektronischen Emitter und die wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren in eine Richtung senkrecht zur Oberseite des Trägersubstrats, sodass insbesondere eine gewünschte Winkelbegrenzung bereitgestellt werden kann und optische Pfade blockiert werden, die das emittierte Licht direkt von dem Emitter zu den wenigstens zwei optoelektronische Detektoren leiten.An optoelectronic device according to the invention, in particular a spectrometer for analyzing a sample, comprises a carrier substrate with an optoelectronic emitter arranged on a top side of the carrier substrate. The optoelectronic emitter is designed to emit light in a defined wavelength range. Fer Furthermore, the optoelectronic device comprises at least two optoelectronic detectors for detecting a light spectrum, in particular for detecting a light spectrum in at least a partial range of the defined wavelength range. The optoelectronic detectors are arranged on the upper side of the carrier substrate symmetrically around the center of the optoelectronic emitter and at least one screen for suppressing scattered light is arranged between the optoelectronic emitter and the at least two optoelectronic detectors on the upper side of the carrier substrate. The at least one aperture protrudes beyond the optoelectronic emitter and the at least two optoelectronic detectors in a direction perpendicular to the top side of the carrier substrate, so that in particular a desired angle limitation can be provided and optical paths are blocked that the emitted light directly from the emitter to the at least two optoelectronic conduct detectors.

Die Intensität des von dem Emitter in die Probe eingestrahlten und von der Probe zurück reflektierten Lichts nimmt mit zunehmendem Abstand vom Emitter ab. Durch die Anordnung mehrerer, insbesondere wenigstens zwei, Detektoren mit einer kleineren Detektionsfläche, die in gleichem Kantenabstand um den Emitter angeordnet sind, wird der Bereich um den Emitter, in dem die Intensität des von dem Emitter in die Probe eingestrahlten und von der Probe zurück reflektierten Lichts am höchsten ist, optimal abgetastet. Im Vergleich zu einem einzelnen Detektor mit einer gleichen Gesamtdetektionsfläche, der neben dem Emitter angeordnet ist, erhöht sich so das detektierte Signal deutlich, während die Rauschwerte im Wesentlichen gleichbleiben.The intensity of the light radiated into the sample by the emitter and reflected back by the sample decreases with increasing distance from the emitter. By arranging several, in particular at least two, detectors with a smaller detection area, which are arranged at the same edge distance around the emitter, the area around the emitter in which the intensity of the radiation from the emitter into the sample and reflected back from the sample Light is highest, optimally sampled. Compared to a single detector with the same total detection area placed next to the emitter, the detected signal thus increases significantly while the noise levels remain essentially the same.

Weiterhin können in natürlichen Proben, z.B. Hautgewebe, die zu analysierenden Bestandteile der Probe nicht immer homogen verteilt sein. Im Wachstum entsteht häufig eine Vorzugsrichtung, d.h. die Konzentrationen der Bestandteile können entlang der Wachstumsrichtung einen Gradienten ausbilden. Zusätzlich können aber auch die Konzentrationen in und entlang der Wachstumsrichtung unterschiedlich sein (z.B. in Fasern). Bei Verwendung eines einzelnen Detektors spielt entsprechend die Orientierung von Detektor und Emitter zur Vorzugsrichtung im Material eine wesentliche Rolle. Durch die Anordnung mehrerer, insbesondere wenigstens zwei oder insbesondere vier, Detektoren, die in gleichem Kantenabstand um den Emitter angeordnet sind, können die von den Detektoren detektierten Signale jedoch gemittelt werden und eine Abhängigkeit der Orientierung kann reduziert werden. Furthermore, in natural samples, e.g. skin tissue, the components of the sample to be analyzed cannot always be distributed homogeneously. A preferred direction often arises during growth, i.e. the concentrations of the components can form a gradient along the direction of growth. In addition, the concentrations in and along the direction of growth can also differ (e.g. in fibers). When using a single detector, the orientation of detector and emitter to the preferred direction in the material plays an important role. However, by arranging a plurality of, in particular at least two or in particular four, detectors which are arranged at the same edge distance around the emitter, the signals detected by the detectors can be averaged and a dependence on the orientation can be reduced.

In einigen Ausführungsformen kann es besonders vorteilhaft sein, optische Pfade, die das von dem Emitter emittierte Licht direkt von dem Emitter zu den wenigstens zwei optoelektronische Detektoren leiten, ohne die Probe zu durchstrahlen oder von ihr reflektiert zu werden, durch wenigstens eine geeignete Blende zu blocken. Mit anderen Worten gesagt soll der direkte Lichtweg blockiert werden. Auch kann es bevorzugt sein, dass der Abstand zwischen den wenigstens zwei Detektoren und dem Emitter möglichst gering ist, da das an der Oberfläche der zu untersuchenden Probe detektierbare Licht mit zunehmendem Abstand vom Emitter exponentiell abnimmt. Ferner kann es bevorzugt sein, dass die gesamte Detektionsfläche der Detektoren möglichst groß ist, um für einen hohen Signal-Rausch-Abstand möglichst viel Licht einzusammeln.In some embodiments, it can be particularly advantageous to block optical paths, which direct the light emitted by the emitter directly from the emitter to the at least two optoelectronic detectors, without radiating through the sample or being reflected by it, with at least one suitable aperture . In other words, the direct light path should be blocked. It can also be preferred that the distance between the at least two detectors and the emitter is as small as possible, since the light that can be detected on the surface of the sample to be examined decreases exponentially with increasing distance from the emitter. Furthermore, it can be preferred that the entire detection area of the detectors is as large as possible in order to collect as much light as possible for a high signal-to-noise ratio.

In einigen Ausführungsformen sind daher statt einem Detektor mit einer großen Detektionsfläche mehrere, insbesondere wenigstens zwei, Detektoren mit einer kleineren Detektionsfläche in gleichem Kantenabstand um den Emitter angeordnet. In einem Raum zwischen den Detektoren und dem Emitter ist wenigstens eine Blende zur Unterdrückung von Streulicht angeordnet, insbesondere ist der Raum mit einem Licht-absorbierenden Material angefüllt.In some embodiments, therefore, instead of one detector with a large detection area, several, in particular at least two, detectors with a smaller detection area are arranged at the same edge spacing around the emitter. At least one diaphragm for suppressing scattered light is arranged in a space between the detectors and the emitter, in particular the space is filled with a light-absorbing material.

In einigen Ausführungsformen ist der optoelektronische Emitter dazu ausgebildet, Licht in einem breitbandigen Spektrum mit einer Wellenlänge von 650nm bis 1050nm zu emittieren. Der Optoelektronische Emitter kann dazu beispielsweise eine Lichtquelle, insbesondere eine LED, sowie ein Konversionsmaterial umfassen. Das Konversionsmaterial kann dazu ausgebildet sein, das von der Lichtquelle emittierte Licht in ein breitbandiges Spektrum mit einer Wellenlänge von 650nm bis 1050nm zu konvertieren. Die Lichtquelle kann dazu beispielsweise infrarotes Licht, oder blaues Licht, insbesondere Licht mit einer Wellenlänge kleiner als 650nm, emittieren. In einigen Ausführungsformen kann das von dem optoelektronische Emitter emittierte Lichtspektrum erweitert sein, sodass das von dem optoelektronische Emitter emittierte Lichtspektrum vom sichtbaren Bereich wie beispielsweise blaues Licht bis in den nahen Infrarotbereich reicht.In some embodiments, the optoelectronic emitter is designed to emit light in a broadband spectrum with a wavelength of 650 nm to 1050 nm. For this purpose, the optoelectronic emitter can comprise, for example, a light source, in particular an LED, and a conversion material. The conversion material can be designed to convert the light emitted by the light source into a broadband spectrum with a wavelength of 650 nm to 1050 nm. For this purpose, the light source can, for example, emit infrared light or blue light, in particular light with a wavelength of less than 650 nm. In some embodiments, the light spectrum emitted by the optoelectronic emitter may be extended such that the light spectrum emitted by the optoelectronic emitter ranges from the visible range, such as blue light, to the near-infrared range.

In einigen Ausführungsformen umfasst wenigstens einer der wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren zumindest eines aus: einer Fotodiode; einem Array mit zumindest zwei Fotodioden; einem Array mit Y² Fotodioden angeordnet in einer Y x Y Matrix; und einem Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten CMOS Detektoren. Die Variable Y kann dabei insbesondere eine natürliche Zahl größer oder gleich 2 sein.In some embodiments, at least one of the at least two optoelectronic detectors includes at least one of: a photodiode; an array with at least two photodiodes; an array of Y ² photodiodes arranged in a Y x Y matrix; and an array of CMOS detectors arranged in rows and columns. The variable Y can in particular be a natural number greater than or equal to 2.

In einigen Ausführungsformen ist auf zumindest einer der Fotodioden, insbesondere auf jeder der Fotodioden, ein wellenlängenabhängiger Filter angeordnet. Der oder die Filter können beispielsweise durch ein Gitter oder durch einen dielektrischen Filter gebildet sein.In some embodiments, there is a wavelength-dependent filter on at least one of the photodiodes, in particular on each of the photodiodes arranged. The filter or filters can be formed, for example, by a grid or by a dielectric filter.

In einigen Ausführungsformen sind zumindest zwei der wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren ausgebildet, ein zumindest teilweise unterschiedliches Lichtspektrum zu erfassen. Zumindest eine der Fotodioden, insbesondere jeder der Fotodioden, der wenigstens zwei Detektoren kann dazu mit verschiedenen optischen Filtern bedeckt sein. Entsprechend können durch die wenigstens zwei Fotodioden der wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren unterschiedliche Wellenlängen detektiert werden und so die wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren ausgebildet sein, ein zumindest teilweise unterschiedliches Lichtspektrum zu erfassen.In some embodiments, at least two of the at least two optoelectronic detectors are designed to detect an at least partially different light spectrum. At least one of the photodiodes, in particular each of the photodiodes, of the at least two detectors can be covered with different optical filters for this purpose. Correspondingly, different wavelengths can be detected by the at least two photodiodes of the at least two optoelectronic detectors and the at least two optoelectronic detectors can thus be designed to detect an at least partially different light spectrum.

Die wenigstens zwei Detektoren können beispielsweise jeweils nur Abschnitte des zur Stoffanalyse benötigten Spektrums erfassen und erst in ihrer Gesamtheit die nötige Information zur Stoffanalyse liefern. Die einzelnen Detektoren können dazu beispielsweise lediglich schmale Wellenlängenbänder durch die Verwendung von einem oder mehreren Bandpassfiltern erfassen. Entsprechend kann das von den Detektoren zur Stoffanalyse benötigte zu erfassende Lichtspektrum in Teilbereiche unterteilt werden, die jeweils von unterschiedlichen Detektoren erfasst werden.The at least two detectors can, for example, only detect sections of the spectrum required for substance analysis and can only provide the necessary information for substance analysis in their entirety. For this purpose, the individual detectors can, for example, only detect narrow wavelength bands by using one or more bandpass filters. Correspondingly, the light spectrum to be recorded, which is required by the detectors for substance analysis, can be subdivided into partial areas, which are each recorded by different detectors.

In einigen Ausführungsformen sind zumindest zwei, und insbesondere jede, der wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren ausgebildet, ein im Wesentlichen gleiches Lichtspektrum zu erfassen. Die Detektoren können in einigen Ausführungsformen insbesondere ausgebildet sein, das gesamte, zur Stoffanalyse benötigte, Lichtspektrum zu erfassen. Bei den Detektoren kann es sich insbesondere um CMOS Detektoren oder CCD Sensoren handeln, die das gesamte, zur Stoffanalyse benötigte, Lichtspektrum erfassen können.In some embodiments, at least two, and in particular each, of the at least two optoelectronic detectors are designed to detect a substantially identical light spectrum. In some embodiments, the detectors can be designed in particular to detect the entire light spectrum required for substance analysis. The detectors can in particular be CMOS detectors or CCD sensors, which can record the entire light spectrum required for substance analysis.

In einigen Ausführungsformen ist die wenigstens eine Blende aus einem Licht-absorbierendem Vergussmaterial gebildet. Das Vergussmaterial umgibt den optoelektronischen Emitter in eine Umfangsrichtung, insbesondere eine Umfangsrichtung senkrecht zur Oberseite des Trägersubstrats. In einigen Ausführungsformen umgibt das Vergussmaterial neben dem Emitter auch die wenigstens zwei Detektoren und bildet zumindest eine, insbesondere in Umfangsrichtung gesehen alle, seitliche Außenkannte der optoelektronischen Vorrichtung.In some embodiments, the at least one aperture is formed from a light-absorbing potting material. The potting material surrounds the optoelectronic emitter in a circumferential direction, in particular a circumferential direction perpendicular to the top side of the carrier substrate. In some embodiments, the potting material surrounds not only the emitter but also the at least two detectors and forms at least one lateral outer edge of the optoelectronic device, in particular all of them when viewed in the circumferential direction.

In einigen Ausführungsformen umgibt eine erste Blende aus einem Licht-absorbierendem Vergussmaterial den optoelektronischen Emitter in Umfangsrichtung und eine zweite Blende, insbesondere aus demselben Licht-absorbierendem Vergussmaterial, umgibt die wenigstens zwei Detektoren. Dabei kann die zweite Blende zumindest eine, insbesondere in Umfangsrichtung gesehen alle, seitliche Außenkannte der optoelektronischen Vorrichtung bilden. Insbesondere kann die zweite Blende als äußerer Rahmen um die wenigstens zwei Detektoren und den dazwischen angeordneten Emitter ausgebildet sein und zumindest teilweise die seitlichen Außenwände der optoelektronischen Vorrichtung bilden.In some embodiments, a first screen made of a light-absorbing potting material surrounds the optoelectronic emitter in the circumferential direction and a second screen, in particular made of the same light-absorbing potting material, surrounds the at least two detectors. In this case, the second screen can form at least one, in particular all, lateral outer edges of the optoelectronic device when viewed in the circumferential direction. In particular, the second screen can be designed as an outer frame around the at least two detectors and the emitter arranged between them and at least partially form the lateral outer walls of the optoelectronic device.

In einigen Ausführungsformen sind die erste und die zweite Blende konzentrisch zueinander ausgebildet, wobei die erste Blende einen ringförmigen Rahmen um den Emitter bildet und die zweite Blende einen ringförmigen Rahmen um die wenigstens zwei Detektoren und den dazwischen angeordneten Emitter bildet.In some embodiments, the first and second apertures are concentric with each other, with the first aperture forming an annular frame around the emitter and the second aperture forming an annular frame around the at least two detectors and the emitter arranged therebetween.

In einigen Ausführungsformen ist die optoelektronische Vorrichtung in Form eines oberflächenmontierbaren/surface-mount device (SMD) Package ausgebildet.In some embodiments, the optoelectronic device is in the form of a surface-mount device (SMD) package.

In einigen Ausführungsformen sind die wenigstens zwei optoelektronische Detektoren in ein Licht-streuendes Vergussmaterial eingebettet. Das Licht-streuende Vergussmaterial überragt die wenigstens zwei optoelektronische Detektoren in eine Richtung senkrecht zur Oberseite des Trägersubstrats, jedoch überragt es die wenigstens eine Blende in die Richtung senkrecht zur Oberseite des Trägersubstrats nicht. Durch das Licht-streuende Vergussmaterial kann Licht, welches nicht direkt auf die Detektionsfläche der wenigstens zwei Detektoren von der Probe zurück reflektiert wird aufgenommen und auf die Detektionsfläche der wenigstens zwei Detektoren gestreut werden.In some embodiments, the at least two optoelectronic detectors are embedded in a light-scattering potting material. The light-scattering potting material protrudes beyond the at least two optoelectronic detectors in a direction perpendicular to the top side of the carrier substrate, but does not protrude beyond the at least one screen in the direction perpendicular to the top side of the carrier substrate. The light-scattering potting material can absorb light that is not directly reflected back from the sample onto the detection surface of the at least two detectors and scatter it onto the detection surface of the at least two detectors.

In einigen Ausführungsformen umgibt wenigstens eine zweite Blende aus einem Licht-absorbierendem Vergussmaterial das Licht-streuende Vergussmaterial in eine Umfangsrichtung senkrecht zur Oberseite des Trägersubstrats. Die zweite Blende kann zumindest eine, insbesondere in Umfangsrichtung gesehen alle, seitliche Außenkannte der optoelektronischen Vorrichtung bilden. Insbesondere kann die zweite Blende als äußerer Rahmen um die wenigstens zwei, in das Licht-streuende Vergussmaterial eingebettete, Detektoren und den dazwischen angeordneten Emitter ausgebildet sein und zumindest teilweise die seitlichen Außenwände der optoelektronischen Vorrichtung bilden.In some embodiments, at least one second screen made of a light-absorbing potting material surrounds the light-scattering potting material in a circumferential direction perpendicular to the upper side of the carrier substrate. The second screen can form at least one, in particular all, lateral outer edges of the optoelectronic device when viewed in the circumferential direction. In particular, the second screen can be designed as an outer frame around the at least two detectors embedded in the light-scattering potting material and the emitter arranged between them and at least partially form the lateral outer walls of the optoelectronic device.

In einigen Ausführungsformen liegt zumindest eine Licht-Detektionsfläche der wenigstens zwei optoelektronische Detektoren und eine Licht-Emissionsfläche des optoelektronischen Emitters nicht in derselben Ebene. Insbesondere kann wenigstens einer der wenigstens zwei optoelektronische Detektoren in Bezug auf die Oberseite des Trägersubstrats eine geringere Höhe als der Emitter aufweisen oder wenigstens einer der wenigstens zwei optoelektronische Detektoren im Vergleich zu dem Emitter tiefergesetzt sein. Dadurch kann eine gewünschte Akzeptanzwinkelbegrenzung, insbesondere eine Einschränkung des Einfallswinkels auf die Licht-Detektionsfläche, insbesondere eine Einschränkung des Einfallswinkels auf 90° ± 10°, erreicht werden, um eine bestmögliche Erfassung des von der Probe zurück reflektierten Lichts zu erreichen.In some embodiments, at least a light detection surface of the at least two optoelectronic detectors and a light emitting surface of the optoelectronic emitter do not lie in the same plane. In particular, can at least one of the at least two optoelectronic detectors has a lower height than the emitter with respect to the upper side of the carrier substrate or at least one of the at least two optoelectronic detectors is set lower than the emitter. This allows a desired acceptance angle limitation, in particular a limitation of the angle of incidence on the light detection surface, in particular a limitation of the angle of incidence to 90°±10°, to be achieved in order to achieve the best possible detection of the light reflected back from the sample.

In einigen Ausführungsformen umfasst die optoelektronische Vorrichtung mehr als 2, insbesondere mehr als 4 optoelektronische Detektoren, die rotationssymmetrisch und mit demselben Abstand zueinander um das Zentrum des optoelektronischen Emitters angeordnet sind.In some embodiments, the optoelectronic device comprises more than 2, in particular more than 4, optoelectronic detectors which are arranged rotationally symmetrically and at the same distance from one another around the center of the optoelectronic emitter.

In einigen Ausführungsformen umfasst die optoelektronische Vorrichtung wenigstens vier optoelektronische Detektoren, und optional n*4 optoelektronische Detektoren, zur Erfassung eines Lichtspektrums. Die optoelektronischen Detektoren sind auf der Oberseite des Trägersubstrats 4 zählig symmetrisch, und optional n*4 zählig symmetrisch, um das Zentrum des optoelektronischen Emitters angeordnet. Die Variable n ist dabei eine natürliche Zahl, die größer oder gleich 2 ist. 4-zählig bzw. n*4 zählig symmetrisch bedeutet dabei, dass die optoelektronischen Detektoren rotationssymmetrisch und mit demselben Abstand zueinander um das Zentrum des optoelektronischen Emitters angeordnet sind.In some embodiments, the optoelectronic device comprises at least four optoelectronic detectors, and optionally n*4 optoelectronic detectors, for capturing a light spectrum. The optoelectronic detectors are arranged symmetrically in numbers on the upper side of the carrier substrate 4, and optionally symmetrically with n*4 numbers, around the center of the optoelectronic emitter. The variable n is a natural number that is greater than or equal to 2. 4-fold or n*4-fold symmetrical means that the optoelectronic detectors are arranged rotationally symmetrically and at the same distance from one another around the center of the optoelectronic emitter.

In einigen Ausführungsformen sind die optoelektronischen Detektoren, insbesondere deren Zentren auf einer Kreislinie um das Zentrum des optoelektronischen Emitters angeordnet. Insbesondere sind die optoelektronischen Detektoren, insbesondere deren Zentren auf einer Kreislinie um das Zentrum eines optoelektronischen Emitters angeordnet, der die Form einer runden Scheibe aufweist, und die Kreislinie einen größeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser des Emitters.In some embodiments, the optoelectronic detectors, in particular their centers, are arranged on a circular line around the center of the optoelectronic emitter. In particular, the optoelectronic detectors, in particular their centers, are arranged on a circle around the center of an optoelectronic emitter, which has the shape of a round disk and the circle has a larger diameter than the diameter of the emitter.

In einigen Ausführungsformen sind die optoelektronischen Detektoren, insbesondere deren Zentren auf der Linie eines Quadrats angeordnet, wobei das Quadrat dasselbe Zentrum aufweist wie der Emitter. Der Emitter kann wiederum ebenfalls eine quadratische Grundfläche aufweisen und die quadratische Grundfläche ist konzentrisch zu dem Quadrat. Das Quadrat kann beispielsweise längere Kanten aufweisen als die Kanten der quadratischen Grundfläche des Emitters. Neben einem Quadrat können auch andere symmetrische Vielecke wie Sechs- oder Achtecke oder andere Formen (z.B. Kreise) verwendet werden.In some embodiments, the optoelectronic detectors, in particular their centers, are arranged on the line of a square, the square having the same center as the emitter. The emitter can in turn also have a square base and the square base is concentric to the square. For example, the square may have longer edges than the edges of the square base of the emitter. In addition to a square, other symmetrical polygons such as hexagons or octagons or other shapes (e.g. circles) can also be used.

In einigen Ausführungsformen beträgt der Abstand zwischen den Detektoren und dem Emitter 1mm bis 10 mm.In some embodiments, the distance between the detectors and the emitter is 1mm to 10mm.

In einigen Ausführungsformen weist die optoelektronische Vorrichtung eine Höhe von 500µm bis 1,5mm, insbesondere eine Höhe von 700µm, auf.In some embodiments, the optoelectronic device has a height of 500 μm to 1.5 mm, in particular a height of 700 μm.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Analyse einer Probe mittels eines Spektrometers umfasst die Schritte:

- Emission von Licht in einem definierten Wellenlängenbereich auf eine zu analysierende Probe mit einem optoelektronischen Emitter,
- Erfassung eines Lichtspektrums des auf die Probe emittierten und anschließend von der Probe reflektierten Lichts mit wenigstens vier optoelektronische Detektoren, die 4 zählig symmetrisch um das Zentrum des optoelektronischen Emitters angeordnet sind, und
- Prozessieren des von den optoelektronischen Detektoren erfassten Lichtsprektrums.

A method according to the invention for analyzing a sample using a spectrometer comprises the steps:

- Emission of light in a defined wavelength range onto a sample to be analyzed with an optoelectronic emitter,
- Detection of a light spectrum of the light emitted onto the sample and then reflected by the sample with at least four optoelectronic detectors which are 4-fold arranged symmetrically around the center of the optoelectronic emitter, and
- Processing of the light spectrum detected by the optoelectronic detectors.

In einigen Ausführungsformen kann es besonders vorteilhaft sein, das Spektrometer und damit den Emitter und die wenigstens vier optoelektronische Detektoren möglichst nahe an eine Oberfläche der zu untersuchenden Probe zu bringen, um möglichst wenig Streulicht mit den Detektoren zu erfassen, und um die Messtrecke zu verkürzen.In some embodiments it can be particularly advantageous to bring the spectrometer and thus the emitter and the at least four optoelectronic detectors as close as possible to a surface of the sample to be examined in order to detect as little scattered light as possible with the detectors and to shorten the measurement path.

Figurenlistecharacter list

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,

1A und 1B die Projektionen zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung auf die Oberfläche einer zu untersuchenden Probe,
2A und 2B eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung,
3A eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung,
3B eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Detektors,
4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Detektors, und
5 und 6 Draufsichten auf zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.
7A und 7B eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung,

Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. They show, each schematically,

1A and 1B the projections of two embodiments of an optoelectronic device according to the invention onto the surface of a sample to be examined,
2A and 2 B a plan view and a sectional view of an embodiment of an optoelectronic device according to the invention,
3A a plan view of an embodiment of an optoelectronic device according to the invention,
3B a plan view of an embodiment of a detector according to the invention,
4 a plan view of an embodiment of a detector according to the invention, and
5 and 6 Top views of two embodiments of an optoelectronic device according to the invention.
7A and 7B a plan view and a sectional view of an embodiment of an optoelectronic device according to the invention,

Detaillierte BeschreibungDetailed description

1A und 1B zeigen die Projektionen zweier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1 auf die Oberfläche einer zu untersuchenden Probe. Gezeigt ist die Projektion von jeweils acht Detektoren 4 und jeweils einem Emitter 3 auf eine Oberfläche der Probe 11. Zudem ist gezeigt wie die Intensität des vom Emitter 3 in die Probe 11 eingestrahlten Lichts 5 mit zunehmendem Abstand vom Emitter 3 abnimmt. 1A and 1B show the projections of two embodiments of an optoelectronic device 1 according to the invention onto the surface of a sample to be examined. Shown is the projection of eight detectors 4 and one emitter 3 each onto a surface of the sample 11. It is also shown how the intensity of the light 5 radiated into the sample 11 by the emitter 3 decreases with increasing distance from the emitter 3.

1A zeigt einen Emitter 3 mit einer runden Form, um dessen Zentrum die acht Detektoren 4 auf einer Kreislinie 8a mit demselben Zentrum angeordnet sind. Die acht Detektoren sind dabei rotationssymmetrisch und mit demselben Abstand zueinander um das Zentrum des optoelektronischen Emitters und jeweils mit demselben Abstand zu dem Emitter 3 angeordnet. Dadurch ist es möglich, den Bereich, in dem die Intensität des vom Emitter 3 in die Probe 11 eingestrahlten Lichts 5 hoch ist, möglichst gut abzudecken. 1A Fig. 1 shows an emitter 3 with a round shape, around the center of which the eight detectors 4 are arranged on a circular line 8a with the same center. The eight detectors are arranged rotationally symmetrically and at the same distance from one another around the center of the optoelectronic emitter and each at the same distance from the emitter 3 . This makes it possible to cover the area in which the intensity of the light 5 radiated from the emitter 3 into the sample 11 as well as possible.

Gestrichelt gezeigt ist ein Detektor 3.0, der eine annähernd gleiche Licht-Detektionsfläche aufweist, wie die Summe der Licht-Detektionsfläche der acht kleineren Detektoren 4. Bei einer homogenen Ausleuchtung der Licht-Detektionsfläche wäre dieser gleich empfindlich wie die Gesamtheit der 8 kleineren Detektoren 4. Aufgrund der geringeren Überdeckung der Licht-Detektionsfläche und des Bereichs, in dem die Intensität des vom Emitter 3 in die Probe 11 eingestrahlten Lichts 5 hoch ist, erfasst der größere Detektor 3.0 allerdings ein deutlich geringeres Signal als die Summe der Signale der acht kleineren Detektoren 4.A detector 3.0 is shown in dashed lines, which has a light detection area that is approximately the same as the sum of the light detection areas of the eight smaller detectors 4. With a homogeneous illumination of the light detection area, this would have the same sensitivity as all of the 8 smaller detectors 4. However, due to the smaller coverage of the light detection area and the area in which the intensity of the light 5 radiated from the emitter 3 into the sample 11 is high, the larger detector 3.0 detects a significantly lower signal than the sum of the signals of the eight smaller detectors 4 .

Durch diese Art der Anordnung befinden sich alle Detektoren 4 gleichweit vom Emitter 3 entfernt und sind entsprechend in einer 4-zähligen Symmetrie um den Emitter 3 angeordnet. Durch eine symmetrische Anordnung, insbesondere eine 4-zählige symmetrische Anordnung können verschiedene Korrekturen schon während der Signalerfassung und auch in der Signalverarbeitung durchgeführt werden. Zudem kann eine derartige Anordnung Vorteile bei der Orientierung bezüglich zur Probe aufweisen.This type of arrangement means that all of the detectors 4 are located at the same distance from the emitter 3 and are accordingly arranged in a 4-fold symmetry around the emitter 3 . With a symmetrical arrangement, in particular a 4-fold symmetrical arrangement, various corrections can already be carried out during signal acquisition and also in signal processing. In addition, such an arrangement can have advantages in terms of orientation with respect to the sample.

1B zeigt demgegenüber einen Emitter 3 mit einer quadratischen Grundfläche. Die Zentren der acht Detektoren 4 sind jeweils auf der Linie eines Quadrates 8b angeordnet, wobei das Quadrat 8b konzentrisch zu der quadratischen Grundfläche des Emitters 3 angeordnet ist und eine größere Fläche aufweist. Jeweils zwei Detektoren 4 sind über die vier Außenkanten des Quadrates 8b angeordnet und lediglich die vier Ecken des Quadrates 8b sind ausgespart. Die acht Detektoren 4, insbesondere deren Schwerpunkt der Licht-Detektionsfläche, sind dadurch gleichweit entfernt vom Emitter 3 und beabstandet zu dem Emitter 3 angeordnet. Dadurch können Verfälschungen bei der Analyse inhomogener Proben verringert werden und es kann ermöglicht werden Detektoren zur Erfassung von unterschiedlichen Spektralbereichen zu verwenden. 1B shows, in contrast, an emitter 3 with a square base. The centers of the eight detectors 4 are each arranged on the line of a square 8b, the square 8b being arranged concentrically to the square base area of the emitter 3 and having a larger area. Two detectors 4 each are arranged over the four outer edges of the square 8b and only the four corners of the square 8b are left open. The eight detectors 4, in particular their focus of the light detection surface, are thus arranged equidistant from the emitter 3 and at a distance from the emitter 3. As a result, falsifications in the analysis of inhomogeneous samples can be reduced and it can be made possible to use detectors for detecting different spectral ranges.

2A zeigt eine Draufsicht auf eine optoelektronische Vorrichtung 1 und 2B eine Schnittansicht durch die optoelektronische Vorrichtung 1 aus 2A. Die optoelektronische Vorrichtung 1 umfasst ein Trägersubstrat 2 mit einem auf einer Oberseite 2.1 des Trägersubstrats angeordneten optoelektronischen Emitter 3. Der Emitter 3 ist dazu ausgebildet Licht in einem definierten Wellenlängenbereich zu emittieren. Die optoelektronische Vorrichtung 1 umfasst ferner acht optoelektronische Detektoren 4 zur Erfassung eines Lichtspektrums. Die Detektoren 4 sind ebenfalls auf der Oberseite 2.1 des Trägersubstrats angeordnet und symmetrisch um das Zentrum des optoelektronischen Emitters 3 angeordnet. Insbesondere sind die acht Detektoren 4 jeweils auf der Linie eines Quadrates angeordnet, welches konzentrisch zu der quadratischen Grundfläche des Emitters 3 angeordnet ist und eine größere Fläche aufweist. Zwischen dem optoelektronischen Emitter 3 und den optoelektronische Detektoren 4 ist auf der Oberseite 2.1 des Trägersubstrats eine Blende 6.1 in Form eines Licht-absorbierenden Vergussmaterials zur Unterdrückung von Streulicht und von Pfaden, die einer direkte Beleuchtung des Detektors durch den Emitter erlauben, ausgebildet. Die Blende 6.1 umgibt den optoelektronischen Emitter 3 sowie die optoelektronischen Detektoren 4 in Umfangsrichtung und überragt diese in eine Richtung senkrecht zur Oberseite 2.1 des Trägersubstrats. Der optoelektronische Emitter 3 sowie die optoelektronischen Detektoren 4 sind somit in das Licht-absorbierende Vergussmaterial eingebettet, jedoch bedeckt das Licht-absorbierende Vergussmaterial die Licht-Detektionsflächen der optoelektronischen Detektoren 4 sowie die Licht-Emissionsfläche der optoelektronischen Emitters 3 nicht. 2A shows a plan view of an optoelectronic device 1 and 2 B shows a sectional view through the optoelectronic device 1 2A . The optoelectronic device 1 comprises a carrier substrate 2 with an optoelectronic emitter 3 arranged on a top side 2.1 of the carrier substrate. The emitter 3 is designed to emit light in a defined wavelength range. The optoelectronic device 1 also includes eight optoelectronic detectors 4 for detecting a light spectrum. The detectors 4 are also arranged on the upper side 2.1 of the carrier substrate and arranged symmetrically around the center of the optoelectronic emitter 3. In particular, the eight detectors 4 are each arranged on the line of a square which is arranged concentrically to the square base area of the emitter 3 and has a larger area. Between the optoelectronic emitter 3 and the optoelectronic detectors 4, there is an aperture 6.1 in the form of a light-absorbing potting material on the upper side 2.1 of the carrier substrate to suppress scattered light and paths that allow the detector to be directly illuminated by the emitter. The screen 6.1 surrounds the optoelectronic emitter 3 and the optoelectronic detectors 4 in the circumferential direction and projects beyond them in a direction perpendicular to the top side 2.1 of the carrier substrate. The optoelectronic emitter 3 and the optoelectronic detectors 4 are thus embedded in the light-absorbing potting material, but the light-absorbing potting material does not cover the light detection surfaces of the optoelectronic detectors 4 and the light emission surface of the optoelectronic emitter 3 .

Wie in 2B dargestellt überragt die Blende 6.1, bzw. das Licht-absorbierende Vergussmaterial, den optoelektronischen Emitter 3 sowie die optoelektronischen Detektoren 4 derart, dass sich oberhalb des Emitters bzw. der Detektoren ein Kanal ausbildet. Dieser Kanal kann zur besseren Handhabbarkeit mit trandparentem Material aufgefüllt sein. Die Innenfläche des Kanals wird durch das Licht-absorbierende Vergussmaterial gebildet. Zusätzlich dazu weist der Emitter 3 eine größere Höhe auf als die Detektoren 4, sodass die Licht-Detektionsfläche der optoelektronische Detektoren 4 und die Licht-Emissionsfläche des optoelektronischen Emitters 3 nicht in derselben Ebene liegen. Im vorliegenden Fall liegt die Licht-Emissionsfläche des optoelektronischen Emitters 3 in Bezug zur Oberseite 2.1 des Trägersubstrats oberhalb der Licht-Detektionsflächen der optoelektronische Detektoren 4. Durch die über dem optoelektronischen Emitter 3 und den optoelektronischen Detektoren 4 ausgebildeten Kanäle, und dadurch, dass die Licht-Detektionsflächen der optoelektronische Detektoren 4 im Vergleich zu der Licht-Emissionsfläche des optoelektronischen Emitters 3 nach unten Versetzt angeordnet sind, kann eine Winkelbegrenzung des auf die Licht-Detektionsfläche der optoelektronische Detektoren 4 einfallenden Lichts realisiert werden. Eine solche Winkelbegrenzung kann vor allem bei der Verwendung von dispersiven, wellenlängensensitiven Detektoren 4 von Vorteil sein.As in 2 B shown, the diaphragm 6.1, or the light-absorbing potting material, protrudes beyond the optoelectronic emitter 3 and the optoelectronic detectors 4 in such a way that a channel is formed above the emitter or the detectors. For better handling, this channel can be filled with transparent material. The inner surface of the channel is formed by the light-absorbing potting material. In addition, the emitter 3 has a larger Height than the detectors 4, so that the light-detecting surface of the optoelectronic detectors 4 and the light-emitting surface of the optoelectronic emitter 3 are not in the same plane. In the present case, the light emission surface of the optoelectronic emitter 3 is in relation to the top 2.1 of the carrier substrate above the light detection surfaces of the optoelectronic detectors 4. Through the channels formed over the optoelectronic emitter 3 and the optoelectronic detectors 4, and in that the light -Detection surfaces of the optoelectronic detectors 4 are offset downwards compared to the light emission surface of the optoelectronic emitter 3, an angle limitation of the light incident on the light detection surface of the optoelectronic detectors 4 can be realized. Such an angle limitation can be advantageous primarily when using dispersive, wavelength-sensitive detectors 4 .

Das Licht-absorbierende Vergussmaterial umgibt neben dem Emitter 3 auch die Detektoren 4 und bildet dadurch nicht nur die freien Kanäle über den Licht-Detektionsflächen der optoelektronische Detektoren 4, sondern zusammen mit den seitlichen Außenflächen des Trägersubstrats 2 auch die seitlichen Außenflächen der optoelektronischen Vorrichtung 1. Aus dem Aufbau, in dem die Bauteile (Emitter 3 und Detektoren 4) in das Licht-absorbierende Vergussmaterial eingegossen werden, kann entsprechend ein SMD Package erstellt werden.In addition to the emitter 3, the light-absorbing potting material also surrounds the detectors 4 and thus not only forms the free channels over the light detection surfaces of the optoelectronic detectors 4, but also, together with the lateral outer surfaces of the carrier substrate 2, also the lateral outer surfaces of the optoelectronic device 1. An SMD package can be created from the structure in which the components (emitter 3 and detectors 4) are cast in the light-absorbing casting material.

3A zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer optoelektronische Vorrichtung 1. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel aus 2A weisen die optoelektronischen Detektoren 4a, 4b, 4c, ... 2D oder 3D Arrays aus Fotodioden 9 aus. Im in 3B dargestellten Beispiel weisen die optoelektronischen Detektoren 4a, 4b, 4c, ... jeweils vier Fotodioden auf, die in einem 2x2 Array angeordnet sind. Jede der Fotodioden 9 ist mit einem optischen Filter 10a, 10b, 10c, 10d, ... bedeckt, sodass jede Fotodiode Licht einer bestimmten Wellenlänge erfassen kann. 3A FIG. 1 shows a plan view of an exemplary embodiment of an optoelectronic device 1. In comparison to the exemplary embodiment from FIG 2A have the optoelectronic detectors 4a, 4b, 4c, ... 2D or 3D arrays of photodiodes 9 from. in 3B In the example shown, the optoelectronic detectors 4a, 4b, 4c, ... each have four photodiodes, which are arranged in a 2×2 array. Each of the photodiodes 9 is covered with an optical filter 10a, 10b, 10c, 10d, ... so that each photodiode can detect light of a specific wavelength.

Mittels der einzelnen Detektoren 4a, 4b, 4c, ... kann somit jeweils ein Teilbereich des optischen Spektrums erfasst werden, welches zur Analyse der Probe benötigt wird. Entsprechend kann in Summe aller Detektoren 4a, 4b, 4c, ... das gesamte optische Spektrum erfasst werden, welches zur Analyse der Probe benötigt wird. Durch diese Anordnung ergibt sich der Vorteil, dass das ringförmig in die Probe emittierte Licht um den ganzen Emitter 3 in dem Bereich aufgenommen wird, in dem die Intensität des vom Emitter 3 in die Probe 11 eingestrahlten Lichts 5 hoch ist.By means of the individual detectors 4a, 4b, 4c, . Correspondingly, the entire optical spectrum, which is required for the analysis of the sample, can be recorded in the sum of all detectors 4a, 4b, 4c, . This arrangement has the advantage that the light emitted annularly into the sample is recorded around the entire emitter 3 in the area in which the intensity of the light 5 radiated into the sample 11 from the emitter 3 is high.

Im Gegensatz dazu zeigt 4 optoelektronische Detektoren 4, insbesondere miniaturisierte CMOS Detektoren, mit denen das gesamte optischen Spektrum erfasst werden kann, welches zur Analyse der Probe benötigt wird. Im dargestellten Beispiel weisen die optoelektronischen Detektoren 4 jeweils neun Fotodioden auf, die in einem 3x3 Array angeordnet sind. Jede der Fotodioden 9 ist mit einem optischen Filter 10a, 10b, 10c, 10d, ... bedeckt, sodass jede Fotodiode Licht einer bestimmten Wellenlänge erfassen kann. In Summe kann entsprechend mit jedem einzelnen Detektor 4 das gesamte optische Spektrum erfasst werden, welches zur Analyse der Probe benötigt wird.In contrast, shows 4 optoelectronic detectors 4, in particular miniaturized CMOS detectors, with which the entire optical spectrum can be recorded, which is required for the analysis of the sample. In the example shown, the optoelectronic detectors 4 each have nine photodiodes, which are arranged in a 3×3 array. Each of the photodiodes 9 is covered with an optical filter 10a, 10b, 10c, 10d, ... so that each photodiode can detect light of a specific wavelength. All in all, the entire optical spectrum that is required for the analysis of the sample can accordingly be recorded with each individual detector 4 .

Eine optoelektronische Vorrichtung 1, die die optoelektronischen Detektoren 4 aus 4 umfasst ist in 5 dargestellt. Der Aufbau der optoelektronischen Vorrichtung 1 ist dabei identisch zu dem Aufbau der in den 2A und 3A dargestellten optoelektronischen Vorrichtung 1, lediglich die optoelektronischen Detektoren 4 sind ausgetauscht. Durch die Anordnung der Detektoren, mit denen das gesamte optischen Spektrum erfasst werden kann, welches zur Analyse der Probe benötigt wird, kann das von der Probe zurückreflektierte Licht optimal aufgenommen werden und durch die 4-zählige Symmetrie in der Anordnung der Detektoren 4 wird zusätzlich eine Abhängigkeit der Messdaten von der Orientierung der optoelektronischen Vorrichtung 1 zur Probe verringert.An optoelectronic device 1, which the optoelectronic detectors 4 from 4 is included in 5 shown. The structure of the optoelectronic device 1 is identical to the structure in FIGS 2A and 3A illustrated optoelectronic device 1, only the optoelectronic detectors 4 are replaced. Due to the arrangement of the detectors, with which the entire optical spectrum can be recorded, which is required for the analysis of the sample, the light reflected back from the sample can be optimally recorded and due to the 4-fold symmetry in the arrangement of the detectors 4, an additional Reduced dependence of the measurement data on the orientation of the optoelectronic device 1 to the sample.

Neben der 4-zählig Symmetrischen Anordnung der Detektoren 4 um den Emitter 3 kann zusätzlich dazu auch die Anordnung der optischen Filter 10a, 10b, 10c, 10d, ... über den Fotodioden 9 abhängig von der Position des Detektors derart gewählt sein, dass diese innerhalb der optoelektronischen Vorrichtung 1 rotationssymmetrisch um das Zentrum des Emitters angeordnet sind. Die räumliche Anordnung der optischen Filter 10a, 10b, 10c, 10d, ... über den Fotodioden 9 kann dazu entsprechend für die Detektoren 4 unterschiedlich sein.In addition to the 4-fold symmetrical arrangement of the detectors 4 around the emitter 3, the arrangement of the optical filters 10a, 10b, 10c, 10d, ... can also be selected depending on the position of the detector such that these are arranged within the optoelectronic device 1 rotationally symmetrically around the center of the emitter. The spatial arrangement of the optical filters 10a, 10b, 10c, 10d, . . . above the photodiodes 9 can be different for the detectors 4 accordingly.

6 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung 1, bei der die optoelektronischen Detektoren 4 in ein Licht-streuendes, und insbesondere transluzentes, Vergussmaterial 7 eingebettet sind. Die optoelektronischen Detektoren 4 entsprechen der optoelektronischen Detektoren 4 aus 4 und sind dazu ausgebildet das gesamte optische Spektrum erfassen zu können, welches zur Analyse der Probe benötigt wird. Der Emitter 3 ist in eine Umfangsrichtung senkrecht zur Oberseite 2.1 des Trägersubstrats mit einer ersten Blende 6.1 umgeben, die einen Ringförmigen Rahmen um den Emitter bildet. Die optoelektronischen Detektoren 4 sind in ein Licht-streuendes Vergussmaterial 7 eingebettet und 4-zählig symmetrisch um den Emitter 3 angeordnet. Eine zweite Blende 6.2 umgibt die in das Licht-streuende Vergussmaterial 7 eingebetteten optoelektronischen Detektoren 4 und bildet einen Ringförmigen Rahmen um diese. Gleichzeitig bildet die zweite Blende 6.2 zusammen mit den seitlichen Außenflächen des Trägersubstrats 2 auch die seitlichen Außenflächen der optoelektronischen Vorrichtung 1. 6 1 shows a plan view of an embodiment of the optoelectronic device 1, in which the optoelectronic detectors 4 are embedded in a light-scattering, and in particular translucent, potting material 7. FIG. The optoelectronic detectors 4 correspond to the optoelectronic detectors 4 from 4 and are designed to be able to capture the entire optical spectrum, which is required for the analysis of the sample. The emitter 3 is surrounded in a circumferential direction perpendicular to the upper side 2.1 of the carrier substrate with a first screen 6.1, which forms an annular frame around the emitter. The optoelectronic detectors 4 are embedded in a light-scattering potting material 7 and are arranged symmetrically in fours around the emitter 3 . A second aperture 6.2 surrounds the optoelectronic detectors 4 embedded in the light-scattering potting material 7 and forms an annular frame around them. At the same time, the second screen 6.2, together with the lateral outer surfaces of the carrier substrate 2, also forms the lateral outer surfaces of the optoelectronic device 1.

Das Licht-streuende Vergussmaterial 7 überragt die optoelektronischen Detektoren in einer Richtung senkrecht zur Oberseite 2.1 des Trägersubstrats und bedeckt diese vollständig. Das Licht-streuende Vergussmaterial 7 überragt jedoch nicht die erste bzw. die zweite Blende, sondern schließt plan mit der jeweiligen Oberfläche der beiden Blenden ab. Die erste und die zweite Blende weisen dabei insbesondere eine identische Höhe auf und das Licht-streuende Vergussmaterial 7 schließt plan mit den Oberseiten der beiden Blenden 6.1, 6.2 ab.The light-scattering potting material 7 protrudes beyond the optoelectronic detectors in a direction perpendicular to the top side 2.1 of the carrier substrate and completely covers it. However, the light-scattering potting material 7 does not protrude beyond the first or the second screen, but is flush with the respective surface of the two screens. In this case, the first and the second panel have in particular an identical height and the light-scattering potting material 7 ends flat with the upper sides of the two panels 6.1, 6.2.

Dadurch, dass die Detektoren 4 in das Licht-streuenden Material 7 eingebettet sind, und sich eine Schicht des Licht-streuenden Materials 7 über alle Detektoren und deren Licht-Detektionsflächen erstreckt verteilt sich das von der Probe zurückreflektierte Licht gleichmäßig auf mehrere Detektoren. Dadurch werden Unregelmäßigkeiten und Inhomogenitäten in der Probe kompensiert und eine Abhängigkeit der Orientierung der optoelektronischen Vorrichtung in Bezug auf die Probe wird verringert.Because the detectors 4 are embedded in the light-scattering material 7 and a layer of the light-scattering material 7 extends over all detectors and their light-detection surfaces, the light reflected back from the sample is distributed evenly over a number of detectors. As a result, irregularities and inhomogeneities in the sample are compensated for and a dependency of the orientation of the optoelectronic device in relation to the sample is reduced.

7A und 7B zeigen eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung 1. Acht optoelektronischen Detektoren 4a, 4b, 4c, ... sind dabei symmetrisch um einen Emitter 3 angeordnet. Im Gegensatz zu den bereits gezeigten Ausführungsformen sind die optoelektronischen Detektoren 4a, 4b, 4c, ... jedoch nicht 4-zählig symmetrisch um das Zentrum des Emitters angeordnet, sondern achsensymmetrisch zu einer der Symmetrieachsen der Grundfläche des Emitters 3 angeordnet. 7A and 7B show a plan view and a sectional view of a further embodiment of an optoelectronic device 1. Eight optoelectronic detectors 4a, 4b, 4c, . . . are arranged symmetrically around an emitter 3. In contrast to the embodiments already shown, the optoelectronic detectors 4a, 4b, 4c, .

Die Detektoren 4a, 4b, 4c, ... sind dazu ausgebildet jeweils ein Teilbereich des optischen Spektrums erfassen zu können, welches zur Analyse der Probe benötigt wird. Entsprechend kann in Summe aller Detektoren 4a, 4b, 4c, ... das gesamte optische Spektrum erfasst werden, welches zur Analyse der Probe benötigt wird. Im Gegensatz zu den bereits vorgestellten Ausführungsformen bestehen die Detektoren 4a, 4b, 4c, ... dabei nicht aus einem Array von Fotodioden, sondern lediglich aus einer Fotodiode mit einem darauf angeordneten Filter, oder die Fotodioden selbst sind bereits derart ausgebildet, dass sie jeweils lediglich ein Teilbereich des optischen Spektrums erfassen können, welches zur Analyse der Probe benötigt wird.The detectors 4a, 4b, 4c, . Correspondingly, the entire optical spectrum, which is required for the analysis of the sample, can be recorded in the sum of all detectors 4a, 4b, 4c, . In contrast to the embodiments already presented, the detectors 4a, 4b, 4c, can only capture a portion of the optical spectrum that is needed to analyze the sample.

BezugszeichenlisteReference List

11: optoelektronische Vorrichtungoptoelectronic device
22: Trägersubstratcarrier substrate
2.12.1: Oberseite des Trägersubstratstop of the carrier substrate
33: optoelektronischer Emitteroptoelectronic emitter
4, 4a, 4b, ...4, 4a, 4b, ...: optoelektronischer Detektoroptoelectronic detector
55: in die Probe eingestrahltes Lichtslight incident on the sample
6, 6.1, 6,26, 6.1, 6.2: Blendecover
77: Licht-streuendes VergussmaterialLight-diffusing potting material
8a8a: Kreisliniecircle line
8b8b: Linie eines Quadratsline of a square
99: Fotodiodephotodiode
10a, 10b, 10c, ...10a, 10b, 10c, ...: Wellenlängenfilterwavelength filter
1111: Probesample

Claims

Optoelektronische Vorrichtung (1), insbesondere Spektrometer zur Analyse einer Probe (11), umfassend: - ein Trägersubstrat (2) mit einem auf einer Oberseite (2.1) des Trägersubstrats angeordneten optoelektronischen Emitter (3), der dazu ausgebildet ist, Licht in einem definierten Wellenlängenbereich zu emittieren, - wenigstens zwei optoelektronische Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) zur Erfassung eines Lichtspektrums, die auf der Oberseite (2.1) des Trägersubstrats symmetrisch um das Zentrum des optoelektronischen Emitters (3) angeordnet sind, und - wenigstens eine Blende (6, 6.1, 6.2) zur Unterdrückung von Streulicht, die zwischen dem optoelektronischen Emitter (3) und den wenigstens zwei optoelektronische Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) auf der Oberseite (2.1) des Trägersubstrats angeordnet ist und die den optoelektronischen Emitter (3) und die wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) in eine Richtung senkrecht zur Oberseite (2.1) des Trägersubstrats überragt.Optoelectronic device (1), in particular a spectrometer for analyzing a sample (11), comprising: - a carrier substrate (2) with an optoelectronic emitter (3) which is arranged on a top side (2.1) of the carrier substrate and is designed to emit light in a defined wavelength range, - at least two optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...) for detecting a light spectrum, which are arranged on the upper side (2.1) of the carrier substrate symmetrically around the center of the optoelectronic emitter (3), and - at least one screen (6, 6.1, 6.2) for suppressing scattered light between the optoelectronic emitter (3) and the at least two optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...) on the top (2.1) of the Carrier substrate is arranged and the optoelectronic emitter (3) and the at least two optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...) in a direction perpendicular to the top (2.1) of the carrier substrate projects beyond.

Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der optoelektronische Emitter (3) dazu ausgebildet ist Licht in einem breitbandigen Spektrum mit einer Wellenlänge von 650nm bis 1050nm zu emittieren.Optoelectronic device claim 1 , wherein the optoelectronic emitter (3) is designed to emit light in a broadband spectrum with a wavelength of 650 nm to 1050 nm.

Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens einer der wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) zumindest eines aus: einer Fotodiode (9); einem Array mit zumindest zwei Fotodioden (9); einem Array mit Y² Fotodioden (9) angeordnet in einer Y x Y Matrix; und einem Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten CMOS Detektoren; umfasst.Optoelectronic device claim 1 or 2 , wherein at least one of the at least two optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...) comprises at least one of: a photodiode (9); an array with at least two photodiodes (9); an array of Y ² photodiodes (9) arranged in a Y x Y matrix; and an array of CMOS detectors arranged in rows and columns; includes.

Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei auf der zumindest einen Fotodiode (9) ein wellenlängenabhängiger Filter (10a, 10b, 10c,...) angeordnet ist.Optoelectronic device claim 3 , A wavelength-dependent filter (10a, 10b, 10c,...) being arranged on the at least one photodiode (9).

Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei der wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren (4a, 4b, 4c,...) ausgebildet sind, ein zumindest teilweise unterschiedliches Lichtspektrum zu erfassen.Optoelectronic device according to one of the preceding claims, wherein two of the at least two optoelectronic detectors (4a, 4b, 4c,...) are designed to detect an at least partially different light spectrum.

Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei der wenigstens zwei optoelektronischen Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) derart ausgebildet sind, ein im Wesentlichen gleiches Lichtspektrum zu erfassen.Optoelectronic device according to one of the preceding claims, wherein two of the at least two optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...) are designed in such a way to detect a substantially identical light spectrum.

Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optoelektronische Vorrichtung (1) ein SMD Package ist.Optoelectronic device according to one of the preceding claims, wherein the optoelectronic device (1) is an SMD package.

Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Blende (6, 6.1, 6.2) aus einem Licht-absorbierendem Vergussmaterial gebildet ist, das den optoelektronischen Emitter (3) in eine Umfangsrichtung umgibt.Optoelectronic device according to one of the preceding claims, wherein the at least one screen (6, 6.1, 6.2) is formed from a light-absorbing potting material which surrounds the optoelectronic emitter (3) in a circumferential direction.

Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei optoelektronische Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) in ein Licht-streuendes Vergussmaterial (7) eingebettet sind, wobei das Licht-streuende Vergussmaterial (7) die wenigstens zwei optoelektronische Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) in eine Richtung senkrecht zur Oberseite (2.1) des Trägersubstrats überragt und wobei das Licht-streuende Vergussmaterial (7) die wenigstens eine Blende (6, .1, 6.2) in eine Richtung senkrecht zur Oberseite (2.1) des Trägersubstrats nicht überragt.Optoelectronic device according to one of the preceding claims, wherein the at least two optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...) are embedded in a light-scattering potting material (7), the light-scattering potting material (7) having the at least two optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...) in a direction perpendicular to the upper side (2.1) of the carrier substrate and wherein the light-scattering potting material (7) has the at least one screen (6, .1, 6.2) in a direction perpendicular to the upper side (2.1) of the carrier substrate.

Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine zweite Blende (6.2) aus einem Licht-absorbierendem Vergussmaterial das Licht-streuende Vergussmaterial (7) in eine Umfangsrichtung senkrecht zur Oberseite (2.1) des Trägersubstrats umgibt.Optoelectronic device according to one of the preceding claims, wherein at least one second screen (6.2) made of a light-absorbing potting material surrounds the light-scattering potting material (7) in a circumferential direction perpendicular to the top (2.1) of the carrier substrate.

Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Licht-Detektionsfläche der wenigstens zwei optoelektronische Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) und eine Licht-Emissionsfläche des optoelektronischen Emitters nicht in derselben Ebene liegen.Optoelectronic device according to one of the preceding claims, wherein a light detection surface of the at least two optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...) and a light emission surface of the optoelectronic emitter do not lie in the same plane.

Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend wenigstens vier optoelektronische Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...), und optional n*4 optoelektronische Detektoren, zur Erfassung eines Lichtspektrums, die auf der Oberseite (2.1) des Trägersubstrats 4 zählig symmetrisch um das Zentrum des optoelektronischen Emitters (3) angeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl >=2 ist.Optoelectronic device according to one of the preceding claims, comprising at least four optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...), and optionally n*4 optoelectronic detectors, for detecting a light spectrum, which are located on the upper side (2.1) of the carrier substrate 4 are arranged in numbers symmetrically around the center of the optoelectronic emitter (3), where n is a natural number >=2.

Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die optoelektronischen Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...), insbesondere deren Zentren auf einer Kreislinie (8a) um das Zentrum des optoelektronischen Emitters (3) angeordnet sind.Optoelectronic device claim 12 , wherein the optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...), in particular their centers are arranged on a circular line (8a) around the center of the optoelectronic emitter (3).

Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die optoelektronischen Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) auf der Linie eines Quadrats (8b) mit demselben Zentrum wie das Zentrum des optoelektronischen Emitters (3) um das Zentrum des optoelektronischen Emitters (3) angeordnet sind.Optoelectronic device claim 12 , wherein the optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...) are arranged on the line of a square (8b) with the same center as the center of the optoelectronic emitter (3) around the center of the optoelectronic emitter (3).

Verfahren zur Analyse einer Probe mittels eines Spektrometers umfassend die Schritte: - Emission von Licht in einem definierten Wellenlängenbereich auf eine zu analysierende Probe mit einem optoelektronischen Emitter (3), - Erfassung eines Lichtspektrums des auf die Probe emittierten und anschließend von der Probe reflektierten Lichts mit wenigstens vier optoelektronische Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...), die 4 zählig symmetrisch um das Zentrum des optoelektronischen Emitters (3) angeordnet sind, und - Prozessieren des von den optoelektronischen Detektoren (4, 4a, 4b, 4c, ...) erfassten Lichtspektrums.Method for analyzing a sample using a spectrometer, comprising the steps: - Emission of light in a defined wavelength range on a sample to be analyzed with an optoelectronic emitter (3), - Detection of a light spectrum of the light emitted onto the sample and then reflected by the sample with at least four optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...), which are 4-fold symmetrically arranged around the center of the optoelectronic emitter (3). , and - Processing of the light spectrum detected by the optoelectronic detectors (4, 4a, 4b, 4c, ...).