WO2021089235A1 - Sensor device with a fabry-pérot interferometer - Google Patents

Sensor device with a fabry-pérot interferometer Download PDF

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WO2021089235A1
WO2021089235A1 PCT/EP2020/076898 EP2020076898W WO2021089235A1 WO 2021089235 A1 WO2021089235 A1 WO 2021089235A1 EP 2020076898 W EP2020076898 W EP 2020076898W WO 2021089235 A1 WO2021089235 A1 WO 2021089235A1
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temperature
structures
light
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PCT/EP2020/076898
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Inventor
Martin HUSNIK
Reinhold Roedel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01J3/0286—Constructional arrangements for compensating for fluctuations caused by temperature, humidity or pressure, or using cooling or temperature stabilization of parts of the device; Controlling the atmosphere inside a spectrometer, e.g. vacuum
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device and a method for sensing samples.
  • the invention relates in particular to sensor devices for spectroscopy, in particular with a Fabry-Perot interferometer.
  • Miniaturized spectrometers can be based on the use of interference filters or optical resonators as spectral elements. Such spectral elements are often temperature sensitive.
  • Spectral filters can be implemented using MEMS technology, for example as Fabry-Perot interferometers.
  • An exemplary Fabry-Perot interferometer is known from US Pat. No. 8654347 B2.
  • two parallel, highly reflective mirrors enclose a cavity, with a distance, i.e. H. a cavity length in the range of optical wavelengths.
  • the transmission is only strong for wavelengths at which the cavity length corresponds approximately to an integral multiple of half the wavelength.
  • the cavity length can be changed, for example, by electrostatic or piezoelectric actuation, so that a spectrally tunable filter element is provided.
  • the distance between the two mirrors must be known exactly. In the case of rapid actuation in particular, the distance must be determined very precisely, which can be done by direct calibration of the filter wavelength over the drive voltage. Such an initial calibration can, however, only partially take into account the temperature dependency.
  • nanoparticles are also known which have temperature-dependent properties. For example, absorption lines can shift depending on the temperature. An overview of such nanoparticles can be found in Quintanilla et al., “Guiding Rules for Selecting a Nanothermometer”, Nanotoday, Vol. 19, 2018, pages 126-145.
  • the invention provides a sensor device having the features of claim 1 and a method for sensing samples having the features of claim 10.
  • the invention accordingly relates to a sensor device with a light emitting device, at least one spectral element, at least one detector and a computing device.
  • the light emitting device is designed to emit light onto a sample.
  • Particles and / or structures are arranged on the spectral element and / or integrated into the spectral element, the particles and / or structures causing a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light.
  • the at least one detector is designed to detect the light after an interaction with the sample and a subsequent passage through the particles and / or structures and the at least one spectral element and to output a corresponding sensor signal.
  • the computing device is designed to determine the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the sensor signal output by the detector.
  • the computing device is further designed to carry out a calibration of the spectral element on the basis of the determined temperature-dependent change in the at least one spectral range.
  • the invention accordingly relates to a method for sensing samples. Light is emitted onto a sample by means of a light emitting device.
  • the light is detected after an interaction with a sample and a subsequent passage of particles and / or structures and of at least one spectral element and a corresponding sensor signal is output, the particles and / or structures being arranged on the spectral element and / or in the Spectral element are integrated, the particles and / or structures causing a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light.
  • a temperature-dependent change in the at least one spectral range is determined on the basis of the output sensor signal.
  • the spectral element is calibrated on the basis of the determined temperature-dependent change in the at least one spectral range.
  • the spectral element can be calibrated by measuring the spectrum, i.e. the temperature of the spectral element can be determined. No further structural elements or sensor elements, in particular no additional electronics, electronic components or wiring, are required for calibration.
  • the invention thus enables precise and inexpensive calibration of the spectral element.
  • a more precise evaluation of a spectrum recorded spectroscopically of a sample or substance to be examined can take place.
  • Calibration of the spectral element can be understood to mean, in particular, a determination of a dependency of a filter wavelength of the spectral element on a drive voltage of the spectral element.
  • the filter wavelength corresponds to the wavelength transmitted by the spectral element.
  • the drive voltage can denote, for example, the voltage which is applied for the relative movement of the mirrors of a Fabry-Perot interferometer.
  • the calibration can also denote the determination of the filter wavelength as a function of the measured temperature.
  • the particles and / or structures which cause a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light are in the immediate vicinity of the spectral element, so that the temperature measurement also takes place directly on the spectral element. This enables a significantly better calibration.
  • the sensor device has at least two detectors, the particles and / or structures being arranged only in a partial area of a cross section of the optical path of the light.
  • a first detector is designed to detect a portion of the light that passes through the particles and / or structures and to output a corresponding first sensor signal.
  • At least one second detector is designed to detect a portion of the light which does not pass through the particles and / or structures and to output a corresponding second sensor signal.
  • the computing device is designed to determine the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the first sensor signal output by the at least one first detector.
  • the computing device can analyze the sample on the basis of the second sensor signal.
  • the sensor device has at least two different detectors, the particles and / or structures being arranged only in a partial area of a cross section of the optical path of the light or in the entire cross section of the optical path.
  • a first detector is used for temperature calibration. The first detector can do this be designed to detect a portion of the light that passes through the particles and / or structures, and to output a corresponding first sensor signal.
  • At least one second detector is designed to measure the spectrum, it being possible for the spectrum to include a different wavelength range.
  • the at least one second detector can be designed to detect a portion of the light which does not pass through the particles and / or structures and to output a corresponding second sensor signal.
  • the computing device is designed to determine the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the first sensor signal output by the at least one first detector.
  • the computing device can analyze the sample on the basis of the second sensor signal.
  • the detector is preferably designed as a single detector. However, it can also be an array detector.
  • the temperature-dependent change caused by the particles comprises at least one temperature-dependent absorption line in at least one spectral range of the light.
  • the absorption line is preferably as narrow as possible in order to minimize the influence on the sensing of the sample. Since absorption lines can be determined precisely, the temperature can be determined with high accuracy if the temperature dependency of the exact position of the absorption line is known.
  • the relationship between the position of the absorption line, i.e. the position of the absorption line on the wavelength axis, and the temperature can be stored in a look-up table which is accessed by the computing device.
  • the temperature-dependent change brought about by the particles and / or structures in at least one spectral range of the light can also include fluorescence effects, scatter lines or other such optical effects.
  • the particles and / or structures include nanoparticles and / or nanotubes.
  • nanoparticles as they are known from Quintanilla et al., “Guiding Rules for Selecting a Nanothermometer”, Nanotoday, Vol. 19, 2018, pages 126-145.
  • Such nanoparticles and / or nanotubes can be used as high-precision thermometers.
  • the detector detects a spectral measurement range, the at least one spectral range in which the particles and / or structures cause the temperature-dependent change being closer to an edge of the spectral measurement range than to a center of the spectral measurement range.
  • the measuring area itself is only slightly influenced, i.e. the central area can be used undisturbed for the material analysis of the sample.
  • the spectral range in which the particles and / or structures cause the temperature-dependent change is outside the spectral measurement range.
  • the detector detects a spectral measurement range, the ratio of the at least one spectral range in which the particles and / or structures cause the temperature-dependent change to the spectral measurement range being less than 1 to 10, preferably less than 1 to 100 , is particularly preferably less than 1 in 1000.
  • the spectral range in which the particles and / or structures cause the temperature-dependent change can be determined, for example, by the width of an absorption line.
  • the spectral element comprises at least one of a bandpass filter, a grating, a plasmonic filter, a Fourier transform spectrometer and a Fabry-Perot interferometer.
  • the computing device is designed to use the determined to calculate a temperature of the particles and / or structures as a function of temperature-dependent change in the at least one spectral range and to carry out the calibration of the spectral element as a function of the determined temperature of the particles and / or structures.
  • the temperature of the particles and / or structures essentially corresponds to the temperature of the spectral element.
  • the filter wavelength as a function of the drive voltage of the spectral element as a function of the temperature can be measured. By determining the temperature of the particles and / or structures, the computing device can thus determine the filter wavelength as a function of the drive voltage of the spectral element.
  • the relationship between temperature and filter wavelength as a function of the drive voltage of the spectral element can be stored, for example, in a look-up table in a memory of the computing device. That is, certain temperature values are assigned corresponding filter wavelengths as a function of the drive voltage of the spectral element.
  • the computing device is further designed to analyze the sample on the basis of the sensor signal and as a function of the calibration of the spectral element. In particular, a spectrum can be determined.
  • the sensor device has a multiplicity of spectral elements and detectors, which are designed as a sensor array or as a multiplicity of sensor arrays.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a sensor device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a spectral element and two detectors for a sensor device
  • Figure 3 is a schematic illustration of a change in the
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a measured spectrum at different temperatures
  • FIG. 5 shows a flow diagram of a method for sensing samples according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a sensor device 1.
  • the sensor device 1 comprises a light emitting device 2 with an LED 21 which emits light L.
  • the light L strikes a lighting means 22 of the light emitting device 2, for example a phosphor element, which converts the narrow-band excitation light L into broad-band light L.
  • a lighting means 22 of the light emitting device 2 for example a phosphor element, which converts the narrow-band excitation light L into broad-band light L.
  • an optional optical element 23 of the light emitting device 2 for example a lens, the light L is directed onto a sample P.
  • the light emitting device 2 can be designed to emit light L in the ultraviolet range (approximately 100 to 380 nanometers) and / or in the visible range (approximately 380 to 780 nanometers) and / or in the near infrared range (approximately 780 to 1400 nanometers) and / or in the short-wave infrared range (about 1400 to 3000 nanometers) and / or in the mid-infrared range (about 3000 to 5000 nanometers).
  • the light interacts with the sample, for example through absorption, reflection, refraction, diffraction, transmission, transreflection or the like.
  • the light L then passes through a spectral element 3 of the sensor device 1 and is detected by a detector 4 of the sensor device 1.
  • the detector 4 outputs a corresponding sensor signal.
  • Particles which cause a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light L are integrated into the spectral element.
  • the particles can additionally or alternatively also be arranged in the beam path behind the sample and in front of the spectral element 3 or between the spectral element 3 and the detector 4.
  • the sensor signal is processed by a computing device 5.
  • the computing device 5 can have hardware and / or software elements and memories in order to process the data further.
  • the computing device 5 determines the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the sensor signal output by the detector 4.
  • the computing device 5 calibrates the spectral element 3 on the basis of the temperature-dependent change in the at least one spectral range.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a spectral element and two detectors for a sensor device 1.
  • the spectral element 3 is designed as a Fabry-Perot interferometer and comprises a first mirror 31 and a second mirror 32 spaced apart therefrom.
  • the distance between the two mirrors 31, 32 can be adapted by means of electrodes 33, which are controlled via a contact 36, and the Fabry-Perot interferometer can thus be tuned.
  • the second mirror 32 can in this case be one of the electrodes.
  • the second mirror 32 can thus be deflected into further positions A.
  • the light L is reflected between the two mirrors.
  • the detectors 41 and 42 of the sensor device 1 Due to interference effects, only light L in a specific wavelength range can pass through the Fabry-Perot interferometer 3 and is detected by the detectors 41 and 42 of the sensor device 1.
  • Particles 37 which cause the temperature-dependent change in at least one spectral range of the light L are applied to the first mirror in sections.
  • the particles can additionally or alternatively also on the second mirror 32 or a substrate section, and / or be integrated in one or more of these elements.
  • the first detector 41 detects only a portion LI of the light L which has not passed the particles 37, while the second detector 42 detects only a portion L2 of the light L which has passed the particles 37.
  • the light paths to the two detectors 41 and 42 can be separated by optical elements.
  • the invention is not restricted to the illustrated embodiment.
  • the light emitting device 2 can for example comprise several LEDs.
  • the light emitting device 2 can have other light sources, for example incandescent lamps, microhotplates, lasers or the like.
  • Several spectral elements 3 and / or detectors 4 can also be provided.
  • the spectral element 3 can also be capped by means of glass caps.
  • anti-reflective layers can optionally be formed on the capping.
  • only a single detector can be provided.
  • the particles can furthermore be arranged in the entire cross section of the optical path, for example also on the inside of the caps.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a change in the extinction spectrum A of a nanoparticle at different temperatures T_1 ⁇ T_2 ⁇ T_3 as a function of the wavelength l.
  • the absorption line is narrow and can therefore be used to determine the temperature precisely.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a spectrum measured by the detector 4 at different temperatures T_1 and T_2.
  • An absorption line with a width y shifts to other values of the wavelength l as a function of the temperature.
  • the temperature can thereby be determined.
  • the particles 221 are preferably selected in such a way that the ratio of the width y to a spectral measuring range M with a width x is less than a predetermined value, in particular less than 1 to 10, preferably less than 1 to 100, particularly preferably less than 1 to 1000.
  • the particles 221 are preferably selected such that the absorption line occurs at the edge of the measurement area M.
  • the absorption line can be closer to the edge of the measuring range M than to the center of the measuring range M.
  • particles 221 can be used which cause a multiplicity of absorption lines or different particles with absorption lines at different wavelengths.
  • the relative position of the absorption lines can also be taken into account.
  • FIG. 5 shows a flow chart of a method for sensing samples. The method can be carried out by a sensor device 1 described above.
  • a light emitting device 2 emits light L onto a sample P.
  • the light emitting device 2 can have LEDs for emitting light L which is directed onto a lighting means 22.
  • a second method step S2 the light is detected after an interaction with a sample P and a subsequent passage of particles 37 and of at least one spectral element 3.
  • a corresponding sensor signal is output.
  • the particles 37 are arranged on the spectral element 3 and / or integrated into the spectral element 3, the particles 37 causing a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light L.
  • a temperature-dependent change in the at least one spectral range is determined on the basis of the output sensor signal.
  • the spectral element 3 is determined on the basis of the calibrated temperature-dependent change in the at least one spectral range.
  • the filter wavelength can be determined as a function of the temperature-dependent change.
  • the filter wavelength can be a function of the drive voltage of the optical element 3, for example a voltage applied to the electrodes 33.
  • the respective transmitted wavelength can thus be determined from the applied voltage by means of the temperature of the spectral element 33 with the aid of reference data.
  • An analysis of the sample P can be carried out as a function of the determined emission spectrum of the light emitting device 2.

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Abstract

The invention relates to a sensor device comprising: a light emitting device which is designed to emit light onto a sample; at least one spectral element, wherein particles and/or structures are arranged on the spectral element and/or are integrated into the spectral element, and the particles and/or structures produce a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light; at least one detector which is designed to detect the light after the light interacts with a sample and subsequently passes through the particles and/or structures and through the at least one spectral element and which is designed to output a corresponding sensor signal; and a computing device which is designed to a) ascertain the temperature-dependent change in the at least one spectral range using the sensor signal output by the detector and b) calibrate the spectral element using the ascertained temperature-dependent change in the at least one spectral range.

Description

SENSORVORRICHTUNG MIT EINEM FABRY-PEROT-INTERFEROMETER SENSOR DEVICE WITH A FABRY-PEROT INTERFEROMETER
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zum Sensieren von Proben. Die Erfindung betrifft insbesondere Sensorvorrichtungen zur Spektroskopie, insbesondere mit einem Fabry-Perot-Interferometer. The present invention relates to a sensor device and a method for sensing samples. The invention relates in particular to sensor devices for spectroscopy, in particular with a Fabry-Perot interferometer.
Stand der Technik State of the art
Miniaturisierte Spektrometer können auf der Nutzung von Interferenzfiltern oder optischen Resonatoren als spektrale Elemente basieren. Derartige spektrale Elemente sind häufig temperaturempfindlich. Spektrale Filter lassen sich mittels MEMS-Technologie beispielsweise als Fabry-Perot-Interferometer realisieren. Ein beispielhaftes Fabry-Perot-Interferometer ist aus der US 8654347 B2 bekannt. Miniaturized spectrometers can be based on the use of interference filters or optical resonators as spectral elements. Such spectral elements are often temperature sensitive. Spectral filters can be implemented using MEMS technology, for example as Fabry-Perot interferometers. An exemplary Fabry-Perot interferometer is known from US Pat. No. 8654347 B2.
Bei einem Fabry-Perot-Interferometer schließen zwei parallele, hochreflektierende Spiegel eine Kavität ein, wobei ein Abstand, d. h. eine Kavitätslänge, im Bereich optischer Wellenlängen liegt. Die Transmission ist nur für Wellenlängen stark, bei welchen die Kavitätslänge in etwa einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Die Kavitätslänge kann beispielsweise durch elektrostatische oder piezoelektrische Aktuierung verändert werden, sodass ein spektral durchstimmbares Filterelement bereitgestellt wird. In a Fabry-Perot interferometer, two parallel, highly reflective mirrors enclose a cavity, with a distance, i.e. H. a cavity length in the range of optical wavelengths. The transmission is only strong for wavelengths at which the cavity length corresponds approximately to an integral multiple of half the wavelength. The cavity length can be changed, for example, by electrostatic or piezoelectric actuation, so that a spectrally tunable filter element is provided.
Um Fabry-Perot- Filterelemente für miniaturisierte Spektrometer verwenden zu können, muss der Abstand der beiden Spiegel zueinander genau bekannt sein. Insbesondere bei schneller Aktuierung muss der Abstand sehr präzise bestimmt werden, was durch eine direkte Kalibrierung der Filterwellenlänge über der Antriebspannung erfolgen kann. Eine derartige initiale Kalibrierung kann jedoch die Temperaturabhängigkeit nur teilweise berücksichtigen. Zur Temperaturmessung sind weiter Nanopartikel bekannt, welche temperaturabhängige Eigenschaften aufweisen. So können sich etwa Absorptionslinien in Abhängigkeit von der Temperatur verschieben. Ein Überblick über derartige Nanopartikel findet sich in Quintanilla et al., “Guiding Rules for Selecting a Nanothermometer”, Nanotoday, Vol. 19, 2018, Seiten 126-145. In order to be able to use Fabry-Perot filter elements for miniaturized spectrometers, the distance between the two mirrors must be known exactly. In the case of rapid actuation in particular, the distance must be determined very precisely, which can be done by direct calibration of the filter wavelength over the drive voltage. Such an initial calibration can, however, only partially take into account the temperature dependency. For temperature measurement, nanoparticles are also known which have temperature-dependent properties. For example, absorption lines can shift depending on the temperature. An overview of such nanoparticles can be found in Quintanilla et al., “Guiding Rules for Selecting a Nanothermometer”, Nanotoday, Vol. 19, 2018, pages 126-145.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Erfindung stellt eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Sensieren von Proben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereit. The invention provides a sensor device having the features of claim 1 and a method for sensing samples having the features of claim 10.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Preferred embodiments are the subject of the respective subclaims.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Sensorvorrichtung mit einer Lichtaussendeeinrichtung, mindestens einem spektralen Element, mindestens einem Detektor und einer Recheneinrichtung. Die Lichtaussendeeinrichtung ist dazu ausgebildet, Licht auf eine Probe auszusenden. Partikel und/oder Strukturen sind an dem spektralen Element angeordnet und/oder in das spektrale Element integriert, wobei die Partikel und/oder Strukturen eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts hervorrufen. Der mindestens eine Detektor ist dazu ausgebildet, das Licht nach einer Wechselwirkung mit der Probe und einem anschließenden Passieren der Partikel und/oder Strukturen und des mindestens einen spektralen Elements zu detektieren und ein entsprechendes Sensorsignal auszugeben. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet, die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem Detektor ausgegebenen Sensorsignals zu ermitteln. Die Recheneinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich eine Kalibrierung des spektralen Elements durchzuführen. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Sensieren von Proben. Licht wird mittels einer Lichtaussendeeinrichtung auf eine Probe ausgesendet. Das Licht wird nach einer Wechselwirkung mit einer Probe und einem anschließenden Passieren von Partikeln und/oder Strukturen und von mindestens einem spektralen Element detektiert und ein entsprechendes Sensorsignal wird ausgegeben, wobei die Partikel und/oder Strukturen an dem spektralen Element angeordnet und/oder in das spektrale Element integriert sind, wobei die Partikel und/oder Strukturen eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts hervorrufen. Eine temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich wird anhand des ausgegebenen Sensorsignals ermittelt. Eine Kalibrierung des spektralen Elements wird anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich durchgeführt. According to a first aspect, the invention accordingly relates to a sensor device with a light emitting device, at least one spectral element, at least one detector and a computing device. The light emitting device is designed to emit light onto a sample. Particles and / or structures are arranged on the spectral element and / or integrated into the spectral element, the particles and / or structures causing a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light. The at least one detector is designed to detect the light after an interaction with the sample and a subsequent passage through the particles and / or structures and the at least one spectral element and to output a corresponding sensor signal. The computing device is designed to determine the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the sensor signal output by the detector. The computing device is further designed to carry out a calibration of the spectral element on the basis of the determined temperature-dependent change in the at least one spectral range. According to a second aspect, the invention accordingly relates to a method for sensing samples. Light is emitted onto a sample by means of a light emitting device. The light is detected after an interaction with a sample and a subsequent passage of particles and / or structures and of at least one spectral element and a corresponding sensor signal is output, the particles and / or structures being arranged on the spectral element and / or in the Spectral element are integrated, the particles and / or structures causing a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light. A temperature-dependent change in the at least one spectral range is determined on the basis of the output sensor signal. The spectral element is calibrated on the basis of the determined temperature-dependent change in the at least one spectral range.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Durch die Verwendung von Partikeln und/oder Strukturen, welche eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts hervorrufen, kann das spektrale Element durch Messung des Spektrums kalibriert werden, d.h. die Temperatur des spektralen Elements kann bestimmt werden. Zur Kalibrierung sind keine weiteren Strukturelemente oder Sensorelemente, insbesondere keine zusätzliche Elektronik, Elektronikkomponenten oder Verdrahtung erforderlich. Die Erfindung ermöglicht somit eine genaue und kostengünstige Kalibrierung des spektralen Elements. Entsprechend kann eine genauere Auswertung eines von einer zu untersuchenden Probe bzw. Substanz spektroskopisch aufgenommenen Spektrums erfolgen. By using particles and / or structures that cause a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light, the spectral element can be calibrated by measuring the spectrum, i.e. the temperature of the spectral element can be determined. No further structural elements or sensor elements, in particular no additional electronics, electronic components or wiring, are required for calibration. The invention thus enables precise and inexpensive calibration of the spectral element. Correspondingly, a more precise evaluation of a spectrum recorded spectroscopically of a sample or substance to be examined can take place.
Weiter kann auch vorgesehen sein, auf einer vorherigen initialen Kalibrierung aufzubauen, wobei eine weitere Kalibrierung unter Verwendung der sehr genauen Temperaturbestimmung mittels der Partikel bzw. Strukturen durchgeführt wird. Unter Kalibrierung des spektralen Elements kann insbesondere eine Ermittlung einer Abhängigkeit einer Filterwellenlänge des spektralen Elements von einer Antriebsspannung des spektralen Elements verstanden werden. Die Filterwellenlänge entspricht der von dem spektralen Element durchgelassenen Wellenlänge. Die Antriebsspannung kann etwa die Spannung bezeichnen, welche zum relativen Verfahren der Spiegel eines Fabry-Perot-Interferometers angelegt wird. Bei nicht durchstimmbaren spektralen Elementen kann die Kalibrierung auch die Ermittlung der Filterwellenlänge in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur bezeichnen. Provision can also be made to build on a previous initial calibration, with a further calibration being carried out using the very precise temperature determination by means of the particles or structures. Calibration of the spectral element can be understood to mean, in particular, a determination of a dependency of a filter wavelength of the spectral element on a drive voltage of the spectral element. The filter wavelength corresponds to the wavelength transmitted by the spectral element. The drive voltage can denote, for example, the voltage which is applied for the relative movement of the mirrors of a Fabry-Perot interferometer. In the case of non-tunable spectral elements, the calibration can also denote the determination of the filter wavelength as a function of the measured temperature.
Allgemein befinden sich gemäß der Erfindung die Partikel und/oder Strukturen, welche eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts hervorrufen, in unmittelbarer Nähe des spektralen Elements, sodass die Temperaturmessung auch direkt am spektralen Element erfolgt. Dies ermöglicht eine deutlich bessere Kalibrierung. In general, according to the invention, the particles and / or structures which cause a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light are in the immediate vicinity of the spectral element, so that the temperature measurement also takes place directly on the spectral element. This enables a significantly better calibration.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Sensorvorrichtung mindestens zwei Detektoren auf, wobei die Partikel und/oder Strukturen nur in einem Teilbereich eines Querschnittes des optischen Pfades des Lichts angeordnet sind. Ein erster Detektor ist dazu ausgebildet, einen Anteil des Lichts zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen passiert, und ein entsprechendes erstes Sensorsignal auszugeben. Mindestens ein zweiter Detektor ist dazu ausgebildet, einen Anteil des Lichts zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen nicht passiert, und ein entsprechendes zweites Sensorsignal auszugeben. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet ist, die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem mindestens einen ersten Detektor ausgegebenen ersten Sensorsignals zu ermitteln. Anhand des zweiten Sensorsignals kann die Recheneinrichtung die Probe analysieren. According to a development, the sensor device has at least two detectors, the particles and / or structures being arranged only in a partial area of a cross section of the optical path of the light. A first detector is designed to detect a portion of the light that passes through the particles and / or structures and to output a corresponding first sensor signal. At least one second detector is designed to detect a portion of the light which does not pass through the particles and / or structures and to output a corresponding second sensor signal. The computing device is designed to determine the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the first sensor signal output by the at least one first detector. The computing device can analyze the sample on the basis of the second sensor signal.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Sensorvorrichtung mindestens zwei unterschiedliche Detektoren auf, wobei die Partikel und/oder Strukturen nur in einem Teilbereich eines Querschnittes des optischen Pfades des Lichts oder im gesamten Querschnitt des optischen Pfades angeordnet sind. Ein erster Detektor wird zur Temperaturkalibrierung verwendet. Der erste Detektor kann dazu ausgebildet sein, einen Anteil des Lichts zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen passiert, und ein entsprechendes erstes Sensorsignal auszugeben. Mindestens ein zweiter Detektor ist zum Vermessen des Spektrums ausgebildet, wobei das Spektrum einen anderen Wellenlängenbereich umfassen kann. Der mindestens eine zweite Detektor kann dazu ausgebildet sein, einen Anteil des Lichts zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen nicht passiert, und ein entsprechendes zweites Sensorsignal auszugeben. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet ist, die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem mindestens einen ersten Detektor ausgegebenen ersten Sensorsignals zu ermitteln. Anhand des zweiten Sensorsignals kann die Recheneinrichtung die Probe analysieren. According to a development, the sensor device has at least two different detectors, the particles and / or structures being arranged only in a partial area of a cross section of the optical path of the light or in the entire cross section of the optical path. A first detector is used for temperature calibration. The first detector can do this be designed to detect a portion of the light that passes through the particles and / or structures, and to output a corresponding first sensor signal. At least one second detector is designed to measure the spectrum, it being possible for the spectrum to include a different wavelength range. The at least one second detector can be designed to detect a portion of the light which does not pass through the particles and / or structures and to output a corresponding second sensor signal. The computing device is designed to determine the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the first sensor signal output by the at least one first detector. The computing device can analyze the sample on the basis of the second sensor signal.
Der Detektor ist vorzugsweise als Einzeldetektor ausgebildet. Es kann sich aber auch um einen Arraydetektor handeln. The detector is preferably designed as a single detector. However, it can also be an array detector.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung umfasst die von den Partikeln hervorgerufene temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts mindestens eine temperaturabhängige Absorptionslinie. Die Absorptionslinie ist vorzugsweise möglichst schmal, um den Einfluss auf das Sensieren der Probe zu minimieren. Da Absorptionslinien genau bestimmt werden können, kann bei Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der exakten Lage der Absorptionslinie die Temperatur mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der Zusammenhang der Lage der Absorptionslinie, d.h. der Position der Absorptionslinie auf der Wellenlängenachse, und der Temperatur kann in einer Look-up-Tabelle gespeichert sein, auf welche die Recheneinrichtung zugreift. According to a preferred development of the sensor device, the temperature-dependent change caused by the particles comprises at least one temperature-dependent absorption line in at least one spectral range of the light. The absorption line is preferably as narrow as possible in order to minimize the influence on the sensing of the sample. Since absorption lines can be determined precisely, the temperature can be determined with high accuracy if the temperature dependency of the exact position of the absorption line is known. The relationship between the position of the absorption line, i.e. the position of the absorption line on the wavelength axis, and the temperature can be stored in a look-up table which is accessed by the computing device.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung kann die von den Partikeln und/oder Strukturen hervorgerufene temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts auch Fluoreszenzeffekte, Streulinien oder andere derartige optische Effekte umfassen. According to a preferred development of the sensor device, the temperature-dependent change brought about by the particles and / or structures in at least one spectral range of the light can also include fluorescence effects, scatter lines or other such optical effects.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung umfassen die Partikel und/oder Strukturen Nanopartikel und/oder Nanotubes. Insbesondere kann es sich um Nanopartikel handeln, wie sie aus Quintanilla et al., “Guiding Rules for Selecting a Nanothermometer”, Nanotoday, Vol. 19, 2018, Seiten 126- 145, bekannt sind. Derartige Nanopartikel und/oder Nanotubes können als hochpräzise Thermometer eingesetzt werden. According to a preferred development of the sensor device, the particles and / or structures include nanoparticles and / or nanotubes. Especially it can be nanoparticles, as they are known from Quintanilla et al., “Guiding Rules for Selecting a Nanothermometer”, Nanotoday, Vol. 19, 2018, pages 126-145. Such nanoparticles and / or nanotubes can be used as high-precision thermometers.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung erfasst der Detektor einen spektralen Messbereich, wobei der mindestens eine spektrale Bereich, in welchem die Partikel und/oder Strukturen die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, näher an einem Rand des spektralen Messbereichs als an einem Zentrum des spektralen Messbereichs liegt. Dadurch wird der Messbereich selbst nur wenig beeinflusst, d.h. der Zentralbereich kann ungestört für die Materialanalyse der Probe genutzt werden. According to a preferred development of the sensor device, the detector detects a spectral measurement range, the at least one spectral range in which the particles and / or structures cause the temperature-dependent change being closer to an edge of the spectral measurement range than to a center of the spectral measurement range. As a result, the measuring area itself is only slightly influenced, i.e. the central area can be used undisturbed for the material analysis of the sample.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung kann auch vorgesehen sein, dass sich der spektrale Bereich, in welchem die Partikel und/oder Strukturen die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, außerhalb des spektralen Messbereichs liegt. According to a preferred development of the sensor device, it can also be provided that the spectral range in which the particles and / or structures cause the temperature-dependent change is outside the spectral measurement range.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung erfasst der Detektor einen spektralen Messbereich, wobei das Verhältnis des mindestens einen spektralen Bereichs, in welchem die Partikel und/oder Strukturen die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, zum spektralen Messbereich kleiner als 1 zu 10, vorzugsweise kleiner als 1 zu 100, besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 1000 ist. Der spektrale Bereich, in welchem die Partikel und/oder Strukturen die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, kann beispielweise durch die Breite einer Absorptionslinie bestimmt sein. According to a preferred development of the sensor device, the detector detects a spectral measurement range, the ratio of the at least one spectral range in which the particles and / or structures cause the temperature-dependent change to the spectral measurement range being less than 1 to 10, preferably less than 1 to 100 , is particularly preferably less than 1 in 1000. The spectral range in which the particles and / or structures cause the temperature-dependent change can be determined, for example, by the width of an absorption line.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung umfasst das spektrale Element mindestens eines von einem Bandpassfilter, einem Gitter, einem plasmonischen Filter, einem Fourier-Transformations-Spektrometer und einem Fabry-Perot-Interferometer. According to a preferred development of the sensor device, the spectral element comprises at least one of a bandpass filter, a grating, a plasmonic filter, a Fourier transform spectrometer and a Fabry-Perot interferometer.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich eine Temperatur der Partikel und/oder Strukturen zu berechnen und die Kalibrierung des spektralen Elements in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur der Partikel und/oder Strukturen durchzuführen. Die Temperatur der Partikel und/oder Strukturen entspricht im Wesentlichen der Temperatur des spektralen Elements. Die Filterwellenlänge als Funktion der Antriebsspannung des spektralen Elements in Abhängigkeit der Temperatur kann gemessen werden. Die Recheneinrichtung kann durch Bestimmen der Temperatur der Partikel und/oder Strukturen somit die Filterwellenlänge als Funktion der Antriebsspannung des spektralen Elements bestimmen. Der Zusammenhang von Temperatur und Filterwellenlänge als Funktion der Antriebsspannung des spektralen Elements kann beispielsweise in einer Look-up-Tabelle in einem Speicher der Recheneinrichtung abgelegt sein. Das heißt, bestimmten Temperaturwerten sind entsprechende Filterwellenlängen als Funktion der Antriebsspannung des spektralen Elements zugeordnet. According to a preferred development of the sensor device, the computing device is designed to use the determined to calculate a temperature of the particles and / or structures as a function of temperature-dependent change in the at least one spectral range and to carry out the calibration of the spectral element as a function of the determined temperature of the particles and / or structures. The temperature of the particles and / or structures essentially corresponds to the temperature of the spectral element. The filter wavelength as a function of the drive voltage of the spectral element as a function of the temperature can be measured. By determining the temperature of the particles and / or structures, the computing device can thus determine the filter wavelength as a function of the drive voltage of the spectral element. The relationship between temperature and filter wavelength as a function of the drive voltage of the spectral element can be stored, for example, in a look-up table in a memory of the computing device. That is, certain temperature values are assigned corresponding filter wavelengths as a function of the drive voltage of the spectral element.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung weiter dazu ausgebildet, die Probe anhand des Sensorsignals und in Abhängigkeit von der Kalibrierung des spektralen Elements zu analysieren. Insbesondere kann ein Spektrum ermittelt werden. According to a preferred development of the sensor device, the computing device is further designed to analyze the sample on the basis of the sensor signal and as a function of the calibration of the spectral element. In particular, a spectrum can be determined.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Sensorvorrichtung eine Vielzahl von spektralen Elementen und Detektoren auf, welche als Sensorarray oder als eine Vielzahl von Sensorarrays ausgebildet sind. According to one development, the sensor device has a multiplicity of spectral elements and detectors, which are designed as a sensor array or as a multiplicity of sensor arrays.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a sensor device according to an embodiment of the invention;
Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht eines spektralen Elements und zweier Detektoren für eine Sensorvorrichtung; Figur 3 eine schematische Illustration einer Änderung desFIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a spectral element and two detectors for a sensor device; Figure 3 is a schematic illustration of a change in the
Extinktionsspektrums eines Nanopartikels bei verschiedenen Temperaturen; Absorbance spectrum of a nanoparticle at different temperatures;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines gemessenen Spektrums bei verschiedenen Temperaturen; und FIG. 4 shows a schematic representation of a measured spectrum at different temperatures; and
Figur 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Sensieren von Proben gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. FIG. 5 shows a flow diagram of a method for sensing samples according to an embodiment of the invention.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Identical or functionally identical elements and devices are provided with the same reference symbols in all figures. The numbering of process steps is for the sake of clarity and is generally not intended to imply a specific chronological order. In particular, several method steps can also be carried out at the same time.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the exemplary embodiments
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Sensorvorrichtung 1. Die Sensorvorrichtung 1 umfasst eine Lichtaussendeeinrichtung 2, mit einer LED 21, welche Licht L aussendet. Das Licht L trifft auf ein Leuchtmittel 22 der Lichtaussendeeinrichtung 2, etwa ein Phosphorelement, welches das schmalbandige Anregungslicht L in breitbandiges Licht L umwandelt. Nach dem Durchtreten durch ein optionales optisches Element 23 der Lichtaussendeeinrichtung 2, etwa eine Linse, wird das Licht L auf eine Probe P gerichtet. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a sensor device 1. The sensor device 1 comprises a light emitting device 2 with an LED 21 which emits light L. The light L strikes a lighting means 22 of the light emitting device 2, for example a phosphor element, which converts the narrow-band excitation light L into broad-band light L. After passing through an optional optical element 23 of the light emitting device 2, for example a lens, the light L is directed onto a sample P.
Die Lichtaussendeeinrichtung 2 kann dazu ausgebildet sein, Licht L im Ultraviolettbereich (etwa 100 bis 380 Nanometer) und/oder im sichtbaren Bereich (etwa 380 bis 780 Nanometer) und/oder im Nahinfrarotbereich (etwa 780 bis 1400 Nanometer) und/oder im kurzweiligen Infrarotbereich (etwa 1400 bis 3000 Nanometer) und/oder im mittleren Infrarotbereich (etwa 3000 bis 5000 Nanometer) auszusenden. The light emitting device 2 can be designed to emit light L in the ultraviolet range (approximately 100 to 380 nanometers) and / or in the visible range (approximately 380 to 780 nanometers) and / or in the near infrared range (approximately 780 to 1400 nanometers) and / or in the short-wave infrared range (about 1400 to 3000 nanometers) and / or in the mid-infrared range (about 3000 to 5000 nanometers).
Das Licht wechselwirkt mit der Probe, etwa durch Absorption, Reflexion, Brechung, Beugung, Transmission, Transreflexion oder dergleichen. Das Licht L tritt dann durch ein spektrales Element 3 der Sensorvorrichtung 1 und wird von einem Detektor 4 der Sensorvorrichtung 1 detektiert. Der Detektor 4 gibt ein entsprechendes Sensorsignal aus. The light interacts with the sample, for example through absorption, reflection, refraction, diffraction, transmission, transreflection or the like. The light L then passes through a spectral element 3 of the sensor device 1 and is detected by a detector 4 of the sensor device 1. The detector 4 outputs a corresponding sensor signal.
In das spektrale Element sind Partikel integriert, welche eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts L hervorrufen. Die Partikel können zusätzlich oder alternativ auch auf im Strahlengang hinter der Probe und vor dem spektralen Element 3 angeordnet sein oder zwischen dem spektralen Element 3 und dem Detektor 4. Particles which cause a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light L are integrated into the spectral element. The particles can additionally or alternatively also be arranged in the beam path behind the sample and in front of the spectral element 3 or between the spectral element 3 and the detector 4.
Das Sensorsignal wird von einer Recheneinrichtung 5 verarbeitet. Die Recheneinrichtung 5 kann Hardware- und/oder Software- Elemente sowie Speicher aufweisen, um die Daten weiter zu verarbeiten. Die Recheneinrichtung 5 ermittelt die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem Detektor 4 ausgegebenen Sensorsignals. Die Recheneinrichtung 5 kalibriert anhand der temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich das spektrale Element 3. The sensor signal is processed by a computing device 5. The computing device 5 can have hardware and / or software elements and memories in order to process the data further. The computing device 5 determines the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the sensor signal output by the detector 4. The computing device 5 calibrates the spectral element 3 on the basis of the temperature-dependent change in the at least one spectral range.
Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines spektralen Elements und zweier Detektoren für eine Sensorvorrichtung 1. Das spektrale Element 3 ist als Fabry- Perot-Interferometer ausgestaltet und umfasst einen ersten Spiegel 31 und einen davon beanstandeten zweiten Spiegel 32. Der Abstand zwischen den beiden Spiegeln 31, 32 kann mittels Elektroden 33 angepasst werden, welche über eine Kontaktierung 36 angesteuert werden, und das Fabry-Perot-Interferometer ist somit durchstimmbar. Der zweite Spiegel 32 kann hierbei eine der Elektroden sein. Der zweite Spiegel 32 ist somit in weitere Positionen A auslenkbar. Das Licht L wird zwischen den beiden Spiegeln reflektiert. Aufgrund von Interferenzeffekten kann lediglich Licht L in einem bestimmten Wellenlängenbereich durch das Fabry-Perot-Interferometer 3 hindurchtreten und wird von den Detektoren 41 und 42 der Sensorvorrichtung 1 detektiert. Auf dem ersten Spiegel sind abschnittsweise Partikel 37 aufgebracht, welche die temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts L hervorrufen. Die Partikel können zusätzlich oder alternativ auch auf dem zweiten Spiegel 32 oder einem Substratabschnitt angeordnet sein, und/oder in eines oder mehreres dieser Elemente integriert sein. Der erste Detektor 41 erfasst lediglich einen Anteil LI des Lichts L, welcher die Partikel 37 nicht passiert hat, während der zweite Detektor 42 lediglich einen Anteil L2 des Lichts L erfasst, welcher die Partikel 37 passiert hat. Optional können die Lichtwege zu den beiden Detektoren 41 und 42 durch optische Elemente getrennt werden. FIG. 2 shows a cross-sectional view of a spectral element and two detectors for a sensor device 1. The spectral element 3 is designed as a Fabry-Perot interferometer and comprises a first mirror 31 and a second mirror 32 spaced apart therefrom. The distance between the two mirrors 31, 32 can be adapted by means of electrodes 33, which are controlled via a contact 36, and the Fabry-Perot interferometer can thus be tuned. The second mirror 32 can in this case be one of the electrodes. The second mirror 32 can thus be deflected into further positions A. The light L is reflected between the two mirrors. Due to interference effects, only light L in a specific wavelength range can pass through the Fabry-Perot interferometer 3 and is detected by the detectors 41 and 42 of the sensor device 1. Particles 37 which cause the temperature-dependent change in at least one spectral range of the light L are applied to the first mirror in sections. The particles can additionally or alternatively also on the second mirror 32 or a substrate section, and / or be integrated in one or more of these elements. The first detector 41 detects only a portion LI of the light L which has not passed the particles 37, while the second detector 42 detects only a portion L2 of the light L which has passed the particles 37. Optionally, the light paths to the two detectors 41 and 42 can be separated by optical elements.
Die Erfindung ist nicht auf die illustrierte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere können mehrere Lichtquellen vorgesehen sein, d.h. die Lichtaussendeeinrichtung 2 kann beispielsweise mehrere LEDs umfassen. Darüber hinaus kann die Lichtaussendeeinrichtung 2 andere Lichtquellen aufweisen, etwa Glühlampen, Microhotplates, Laser oder dergleichen. Auch können mehrere spektrale Elemente 3 und/oder Detektoren 4 vorgesehen sein. Optional kann weiter eine Verkappung des spektralen Elements 3 mittels Glaskappen vorgesehen sein. Zusätzlich können optional Antireflexionsschichten auf der Verkappung ausgebildet sein. Schließlich kann auch nur ein einzelner Detektor vorgesehen sein. Die Partikel können weiter im gesamten Querschnitt des optischen Pfades angeordnet sein, beispielsweise auch auf der Innenseite der Kappen. The invention is not restricted to the illustrated embodiment. In particular, several light sources can be provided, i.e. the light emitting device 2 can for example comprise several LEDs. In addition, the light emitting device 2 can have other light sources, for example incandescent lamps, microhotplates, lasers or the like. Several spectral elements 3 and / or detectors 4 can also be provided. Optionally, the spectral element 3 can also be capped by means of glass caps. In addition, anti-reflective layers can optionally be formed on the capping. Finally, only a single detector can be provided. The particles can furthermore be arranged in the entire cross section of the optical path, for example also on the inside of the caps.
Figur 3 zeigt eine schematische Illustration einer Änderung des Extinktionsspektrums A eines Nanopartikels bei verschiedenen Temperaturen T_1 < T_2 < T_3 als Funktion der Wellenlänge l. Wie zu sehen, ist die Absorptionslinie schmal und kann daher zur genauen Bestimmung der Temperatur herangezogen werden. FIG. 3 shows a schematic illustration of a change in the extinction spectrum A of a nanoparticle at different temperatures T_1 <T_2 <T_3 as a function of the wavelength l. As can be seen, the absorption line is narrow and can therefore be used to determine the temperature precisely.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines von dem Detektor 4 gemessenen Spektrums bei verschiedenen Temperaturen T_1 und T_2. Eine Absorptionslinie mit einer Breite y verschiebt sich in Abhängigkeit von der Temperatur zu anderen Werten der Wellenlänge l. Durch Bestimmen der Wellenlänge l, bei welcher die Absorption auftritt, kann dadurch die Temperatur ermittelt werden. Vorzugsweise werden die Partikel 221 derart ausgewählt, dass das Verhältnis der Breite y zu einem spektralen Messbereich M mit einer Breite x kleiner ist als ein vorgegebener Wert, insbesondere kleiner als 1 zu 10, vorzugsweise kleiner als 1 zu 100, besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 1000. FIG. 4 shows a schematic representation of a spectrum measured by the detector 4 at different temperatures T_1 and T_2. An absorption line with a width y shifts to other values of the wavelength l as a function of the temperature. By determining the wavelength l at which the absorption occurs, the temperature can thereby be determined. The particles 221 are preferably selected in such a way that the ratio of the width y to a spectral measuring range M with a width x is less than a predetermined value, in particular less than 1 to 10, preferably less than 1 to 100, particularly preferably less than 1 to 1000.
Weiter werden die Partikel 221 vorzugsweise derart ausgewählt, dass die Absorptionslinie am Rand des Messbereichs M auftritt. Insbesondere kann die Absorptionslinie näher am Rand des Messbereichs M liegen als am Zentrum des Messbereichs M. Furthermore, the particles 221 are preferably selected such that the absorption line occurs at the edge of the measurement area M. In particular, the absorption line can be closer to the edge of the measuring range M than to the center of the measuring range M.
Weiter können Partikel 221 eingesetzt werden, welche eine Vielzahl von Absorptionslinien hervorrufen oder unterschiedliche Partikel mit Absorptionslinien bei verschiedenen Wellenlängen. Insbesondere kann auch die relative Lage der Absorptionslinien berücksichtigt werden. In addition, particles 221 can be used which cause a multiplicity of absorption lines or different particles with absorption lines at different wavelengths. In particular, the relative position of the absorption lines can also be taken into account.
Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Sensieren von Proben. Das Verfahren kann durch eine oben beschriebene Sensorvorrichtung 1 durchgeführt werden. FIG. 5 shows a flow chart of a method for sensing samples. The method can be carried out by a sensor device 1 described above.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 sendet eine Lichtaussendeeinrichtung 2 Licht L auf eine Probe P aus. Die Lichtaussendeeinrichtung 2 kann LEDs zum Aussenden von Licht L aufweisen, welches auf ein Leuchtmittel 22 gerichtet ist. In a first method step S1, a light emitting device 2 emits light L onto a sample P. The light emitting device 2 can have LEDs for emitting light L which is directed onto a lighting means 22.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird das Licht nach einer Wechselwirkung mit einer Probe P und einem anschließenden Passieren von Partikeln 37 und von mindestens einem spektralen Element 3 detektiert. Ein entsprechendes Sensorsignal wird ausgegeben. Die Partikel 37 sind an dem spektralen Element 3 angeordnet und/oder in das spektrale Element 3 integriert, wobei die Partikel 37 eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts L hervorrufen. In a second method step S2, the light is detected after an interaction with a sample P and a subsequent passage of particles 37 and of at least one spectral element 3. A corresponding sensor signal is output. The particles 37 are arranged on the spectral element 3 and / or integrated into the spectral element 3, the particles 37 causing a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light L.
In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird eine temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des ausgegebenen Sensorsignals ermittelt. Das spektrale Element 3 wird anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich kalibriert. Insbesondere kann die Filterwellenlänge in Abhängigkeit der temperaturabhängigen Änderung bestimmt werden. Die Filterwellenlänge kann hierbei eine Funktion der Antriebsspannung des optischen Elements 3 sein, etwa einer an die Elektroden 33 anliegenden Spannung. Insbesondere kann somit mittels der Temperatur des spektralen Elements 33 mit Hilfe von Referenzdaten die jeweilige transmittierte Wellenlänge aus der jeweils angelegten Spannung bestimmt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt S4 kann anhand des Sensorsignals und inIn a third method step S3, a temperature-dependent change in the at least one spectral range is determined on the basis of the output sensor signal. The spectral element 3 is determined on the basis of the calibrated temperature-dependent change in the at least one spectral range. In particular, the filter wavelength can be determined as a function of the temperature-dependent change. The filter wavelength can be a function of the drive voltage of the optical element 3, for example a voltage applied to the electrodes 33. In particular, the respective transmitted wavelength can thus be determined from the applied voltage by means of the temperature of the spectral element 33 with the aid of reference data. In a further method step S4, the sensor signal and in
Abhängigkeit von dem ermittelten Emissionsspektrum der Lichtaussendeeinrichtung 2 eine Analyse der Probe P durchgeführt werden. An analysis of the sample P can be carried out as a function of the determined emission spectrum of the light emitting device 2.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Sensorvorrichtung (1), mit: mindestens einer Lichtaussendeeinrichtung (2), welche dazu ausgebildet ist, Licht (L) auf eine Probe (P) auszusenden; mindestens einem spektralen Element (3), wobei Partikel und/oder Strukturen (37) an dem spektralen Element (3) angeordnet und/oder in das spektrale Element (3) integriert sind, wobei die Partikel und/oder Strukturen (37) eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts (L) hervorrufen; mindestens einem Detektor (4), welcher dazu ausgebildet ist, das Licht (L) nach einer Wechselwirkung mit der Probe (P) und einem anschließenden Passieren der Partikel und/oder Strukturen (37) und des mindestens einen spektralen Elements (3) zu detektieren und ein entsprechendes Sensorsignal auszugeben; und einer Recheneinrichtung (5), welche dazu ausgebildet ist, a) die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem Detektor (4) ausgegebenen Sensorsignals zu ermitteln; und b) anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich eine Kalibrierung des spektralen Elements (3) durchzuführen. 1. Sensor device (1) having: at least one light emitting device (2) which is designed to emit light (L) onto a sample (P); at least one spectral element (3), with particles and / or structures (37) being arranged on the spectral element (3) and / or integrated into the spectral element (3), with the particles and / or structures (37) being temperature-dependent Cause change in at least one spectral range of the light (L); at least one detector (4) which is designed to detect the light (L) after interacting with the sample (P) and then passing through the particles and / or structures (37) and the at least one spectral element (3) and output a corresponding sensor signal; and a computing device (5) which is designed to a) determine the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the sensor signal output by the detector (4); and b) using the determined temperature-dependent change in the at least one spectral range to carry out a calibration of the spectral element (3).
2. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Kalibrierung des spektralen Elements (3) ein Ermitteln einer von dem spektralen Element transmittierten Wellenlänge umfasst. 2. Sensor device (1) according to claim 1, wherein the calibration of the spectral element (3) comprises determining a wavelength transmitted by the spectral element.
3. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, mit mindestens zwei Detektoren, wobei die Partikel und/oder Strukturen (37) nur in einem Teilbereich eines Querschnittes des optischen Pfades des Lichts (L) angeordnet sind; wobei mindestens ein erster Detektor (42) dazu ausgebildet ist, einen Anteil (L2) des Lichts (L) zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen (37) passiert, und ein entsprechendes erstes Sensorsignal auszugeben; wobei mindestens ein zweiter Detektor (41) dazu ausgebildet ist, einen Anteil (LI) des Lichts (L) zu detektieren, welcher die Partikel und/oder Strukturen (37) nicht passiert, und ein entsprechendes zweites Sensorsignal auszugeben; und wobei die Recheneinrichtung (5) dazu ausgebildet ist, die temperaturabhängige Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des von dem mindestens einen ersten Detektor (4) ausgegebenen ersten Sensorsignal zu ermitteln. 3. Sensor device (1) according to claim 1 or 2, with at least two detectors, wherein the particles and / or structures (37) are arranged only in a partial area of a cross section of the optical path of the light (L); wherein at least one first detector (42) is designed to detect a portion (L2) of the light (L) which passes the particles and / or structures (37) and to output a corresponding first sensor signal; wherein at least one second detector (41) is designed to detect a portion (LI) of the light (L) which does not pass the particles and / or structures (37) and to output a corresponding second sensor signal; and wherein the computing device (5) is designed to determine the temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the first sensor signal output by the at least one first detector (4).
4. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die von den Partikeln und/oder Strukturen (37) hervorgerufene temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts mindestens eine temperaturabhängige Absorptionslinie (L) umfasst. 4. Sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the temperature-dependent change caused by the particles and / or structures (37) comprises at least one temperature-dependent absorption line (L) in at least one spectral range of the light.
5. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Partikel und/oder Strukturen (37) Nanopartikel und/oder Nanotubes umfassen. 5. Sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the particles and / or structures (37) comprise nanoparticles and / or nanotubes.
6. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Detektor (4) einen spektralen Messbereich (M) erfasst, wobei der mindestens eine spektrale Bereich, in welchem die Partikel und/oder Strukturen (37) die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, näher an einem Rand des spektralen Messbereichs (M) als an einem Zentrum des spektralen Messbereichs (M) liegt. 6. Sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the detector (4) detects a spectral measurement range (M), wherein the at least one spectral range in which the particles and / or Structures (37) which cause temperature-dependent changes are closer to an edge of the spectral measuring range (M) than to a center of the spectral measuring range (M).
7. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Detektor (4) einen spektralen Messbereich (M) erfasst, wobei das Verhältnis des mindestens einen spektralen Bereichs, in welchem die Partikel und/oder Strukturen (37) die temperaturabhängige Änderung hervorrufen, zum spektralen Messbereich (M) kleiner als 1 zu 10, vorzugsweise kleiner als 1 zu 100, besonders bevorzugt kleiner als 1 zu 1000 ist. 7. Sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the detector (4) detects a spectral measurement range (M), the ratio of the at least one spectral range in which the particles and / or structures (37) cause the temperature-dependent change , to the spectral measuring range (M) is smaller than 1 in 10, preferably smaller than 1 in 100, particularly preferably smaller than 1 in 1000.
8. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das spektrale Element (3) mindestens eines von einem Bandpassfilter, einem Fourier-Transformations-Spektrometer und einem Fabry-Perot- Interferometer umfasst. 8. Sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the spectral element (3) comprises at least one of a bandpass filter, a Fourier transform spectrometer and a Fabry-Perot interferometer.
9. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Recheneinrichtung (5) weiter dazu ausgebildet ist, die Probe (P) anhand des Sensorsignals und in Abhängigkeit von der Kalibrierung des spektralen Elements (3) zu analysieren. 9. Sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the computing device (5) is further designed to analyze the sample (P) on the basis of the sensor signal and as a function of the calibration of the spectral element (3).
10. Verfahren zum Sensieren von Proben (P), mit den Schritten: 10. Procedure for sensing samples (P), with the steps:
Aussenden (Sl) von Licht (L) auf eine Probe (3); Emission (S1) of light (L) onto a sample (3);
Detektieren (S2) des Lichts (L) nach einer Wechselwirkung mit der Probe (P) und einem anschließenden Passieren von Partikeln und/oder Strukturen (37) und von mindestens einem spektralen Element (3) und Ausgeben eines entsprechenden Sensorsignals, wobei die Partikel und/oder Strukturen (37) an dem spektralen Element (3) angeordnet und/oder in das spektrale Element (3) integriert sind, wobei die Partikel und/oder Strukturen (37) eine temperaturabhängige Änderung in mindestens einem spektralen Bereich des Lichts (L) hervorrufen; Ermitteln (S3) einer temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich anhand des ausgegebenen Sensorsignals; und Kalibrieren (S4) des spektralen Elements (3) anhand der ermittelten temperaturabhängigen Änderung in dem mindestens einen spektralen Bereich. Detecting (S2) the light (L) after an interaction with the sample (P) and a subsequent passage of particles and / or structures (37) and of at least one spectral element (3) and outputting a corresponding sensor signal, the particles and / or structures (37) arranged on the spectral element (3) and / or integrated into the spectral element (3), the particles and / or structures (37) showing a temperature-dependent change in at least one spectral range of the light (L) cause; Determining (S3) a temperature-dependent change in the at least one spectral range on the basis of the output sensor signal; and calibrating (S4) the spectral element (3) on the basis of the determined temperature-dependent change in the at least one spectral range.
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