微型分光仪和设置用于对象的光谱分析的方法技术

本发明专利技术涉及一种微型分光仪（1000），所述微型分光仪包括：‑探测单元（3），所述探测单元被设置用于确定电磁辐射的光学量；‑光学单元（1），所述光学单元包括Savart‑元件（V），其中，所述Savart‑元件（V）包括偏光器（10）、第一双折射元件（12'）和第二双折射元件以及分析器（11）；和‑光学成像系统（2），所述光学成像系统布置在所述光学单元（1）和所述探测单元（3）之间的光路中，其中，所述光学成像系统（2）被设置用于，使来自所述光学单元（1）的电磁辐射（103'、103''）成像到所述探测单元（3）上；其中，所述光学成像系统（2）包括多孔物镜（22），其中，所述多孔物镜（22）包括多个光学成像通道。

Micro Spectrometer and Method of Setting up Spectral Analysis for Objects

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微型分光仪和设置用于对象的光谱分析的方法
技术介绍
在US9316539B1中描述了一种静态的傅里叶变换分光仪，它包括扩散器、包括双折射晶体和偏光器的组件——双折射晶体和偏光器用于产生不同光程差，以及准直仪——该准直仪将具有相同光程差的射束聚焦到探测器阵列的一点上。干涉图被傅里叶变换，所述干涉图产生在探测器处。在WO2011/093794A1中示出了一种成像系统，所述成像系统包括用于产生干涉条纹的Savart-偏光镜。
技术实现思路
本专利技术涉及一种微型分光仪和一种设置用于对象的光谱分析的方法。为了产生干涉图，能够使用例如所谓的单孔物镜（Einzelapertur-Objektive）或者智能手机相机。单孔物镜是指具有单个开口（即一个孔）的经典物镜系统，光通过所述单个开口进入。通常，光束的最大直径以及因而能够由这种单孔物镜收集的最大光功率通过单孔物镜的入射光瞳来定义。入射光瞳是真实的或者虚拟的开口，所述开口限制入射到光学系统中的射线束。入射光瞳能够作为孔径光阑的图像出现，其方式为该入射光瞳由其前面的元件（例如，透镜或者反射镜）成像到对象空间中。如果单孔物镜包括单透镜，如这例如在WO2011/093794A1中所示出的那样，则，入射光瞳等于透镜的机械直径。机械直径越小，能够通过入射光瞳的光功率越少。借助于Savart-元件和成像的元件（例如透镜），能够接收对象的干涉图。干涉图能够借助于傅里叶变换被转换成由该对象发出的电磁辐射的光谱。基于Savart-元件的分光仪的原理是：由对象导致的光束被分成两个优选具有相同强度的射束，并且，两个射束之一（分开地）比另一个在光学上通过更长的路径。此后，两个射束通过物镜再次在探测平面中的一个点上叠加。根据光学路径的差异以及由此产生的相位差，两个射束发生干涉并且产生光斑，所述光斑的强度取决于两个射束的相位差。Savart-元件能够包括例如偏光器、一个或者多个双折射晶体和分析器。例如，从上面引用的现有技术中已知的是晶体的不同布置方式。例如，λ/2板能够布置在两个双折射晶体之间的光路中。如果光束以某一特定的角度出现在Savart-元件上，则它被分成两个关于彼此正交偏振的射束，Savart-元件通过分析器使该正交偏振的射束再次彼此平行地间隔开，并且，所述正交偏振的射束通过在探测平面（即例如其中布置探测器或者探测器阵列的平面）中的成像光学器件而被成像到共同的点上。两个射束相对于彼此的光学光程差和在探测平面中的共同的成像点的位置取决于光束到Savart-元件上的入射角。因此，在探测平面中产生二维干涉图。在一个实施方式中，扩散器能够布置在Savart-元件的入射面前方的光路中。该实施方式例如非常适用于没有同时成像的单纯的分光镜。例如，智能手机-物镜通常包括具有高度非球面表面的多个透镜，以便实现足够好的图像质量。这种透镜以非常小的制造公差被制造，以便实现好的图像质量。物镜具有例如大约5mm的总结构长度（即，在光路中的第一透镜的对象侧的节点与探测器或者相机传感器之间的距离），还具有典型地大约60°的成像区域以及尽可能小的光圈数（例如，1.8的光圈数）。光圈数的增加能够实现成像误差的减少，这尤其是在成像区域变大时是重要的。通过增加光圈数目也增加了物镜的总结构长度。在相机像素或者传感器阵列的传感器上的辐射流Pim能够借助于以下等式来确定：该等式表示的是，在给定进入的辐射流密度Bob和光学系统的透射比τ时，到尺寸d的传感器像素上的辐射流Pim与光圈数（F/#）成反比。光圈数由焦距与有效入射光瞳的直径之比得出。对于构造用于对象的光谱分析的微型分光仪来说有利的是，收集尽可能多的来自于对象的电磁辐射，也就是说，尤其地收集尽可能多的由对象反射、发射、透过或者反散射的电磁辐射。将辐射流限制到相机像素上的效果是所谓的渐晕。渐晕取决于物镜的孔径尺寸，所述物镜根据入射角将来自Savart-元件的电磁辐射汇聚在探测器上。尤其地，以大的入射角观察，物镜透镜呈现为椭圆形（透视缩短），由此，透光面被有效地减小（边缘光下降）。具有独立权利要求的特征的本专利技术的优点是：与单孔物镜相比，用于多孔物镜的每个光学成像通道的成像区域相对较小，并且，与单孔物镜相比，光圈数相对较大，并且因此，与在使用单孔物镜时相比，在使用多孔物镜时成像误差能够明显更容易地被校正。成像区域由最大入射角限定，光束能够以所述最大入射角照射在多孔物镜上并且能够不受阻碍地传播到探测单元。此外，较大的光圈数导致较大的焦深。这意味着，与具有较小光圈数的单孔物镜相比，下述区域更大：探测单元能够围绕所述区域相对于待检查的物镜散焦。因此，通过使用多孔物镜，得到了可靠的微型分光仪，所述微型分光仪在机械方面和测量技术方面具有较大的鲁棒性和误差容许度。例如，该微型分光仪在运行中相对于热漂移具有高的鲁棒性。此外，通过使用多孔物镜降低了色差对测量结果的影响，因为与具有相同色差但是光圈数较小的系统相比，在较大的轴向范围上的各个波长能够同时清晰地被成像。这利用一种微型分光仪来实现，所述微型分光仪包括探测单元，所述探测单元被设置用于确定电磁辐射的光学量；包括光学单元，所述光学单元包括Savart-元件，其中，所述Savart-元件包括偏光器、第一双折射元件和第二双折射元件以及分析器；并且包括光学成像系统，所述光学成像系统布置在所述光学单元和所述探测单元之间的光路中，其中，所述光学成像系统被设置用于，使来自所述光学单元的电磁辐射成像到所述探测单元上。微型分光仪的特征在于，所述光学成像系统包括多孔物镜，其中，所述多孔物镜包括多个光学成像通道。一个优点是：因此，相对于使用单孔物镜，能够增加来自对象的辐射部分，并且，因此能够提高测量结果的准确性和可靠性。在一个实施方式中，所述多孔物镜能够包括至少一个第一光学成像通道和至少一个第二光学成像通道，并且，所述探测单元能够包括至少一个第一传感器阵列和至少一个第二传感器阵列，其中，所述第一光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元的电磁辐射的至少一个第一部分成像到所述第一传感器阵列上，并且，所述第二光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元的电磁辐射的至少一个第二部分成像到所述第二传感器阵列上。一个优点是：因此例如成像区域，即用于每个成像通道的成像区域能够相对较小并且光圈数能够较大，并且因此成像误差能够更容易地被校正。此外，对于每个光学成像通道来说，干涉图例如能够分别由配属于相应的成像通道的传感器阵列接收。传感器阵列包括多个传感器、尤其是辐射传感器，所述传感器例如能够相邻地布置在光学成像通道的成像平面中。因此，能够根据入射角来进行空间分辨的辐射探测。通过干涉图的傅里叶变换，能够获得关于待检查的对象的光谱信息。替代地或者补充地，所述多孔物镜能够包括至少一个第一微透镜和至少一个第二微透镜，其中，所述第一光学成像通道包括所述第一微透镜，并且，所述第二光学成像通道包括所述第二微透镜，所述第一光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元的电磁辐射的至少第一部分成像到所述第一传感器阵列上，所述第二光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元的电磁辐射的至少第二部分成像到所述第二传感器阵列上。一个优点是：每个微透镜将所收集的射束的自身的立体角区域成像到探测单元上。下述立体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.微型分光仪（1000），包括：‑探测单元（3），所述探测单元被设置用于确定电磁辐射的光学量，‑光学单元（1），所述光学单元包括Savart‑元件（1'），其中，所述Savart‑元件（1'）包括偏光器（10）、第一双折射元件（12'）和第二双折射元件（12''）以及分析器（11），和‑光学成像系统（2），所述光学成像系统布置在光路中在所述光学单元（1）和所述探测单元（3）之间，其中，所述光学成像系统（2）被设置用于，使来自所述光学单元（1）的电磁辐射（103'、103''）成像到所述探测单元（3）上，其特征在于，所述光学成像系统（2）包括多孔物镜（22），其中，所述多孔物镜（22）包括多个光学成像通道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.17 DE 102017200618.81.微型分光仪（1000），包括：-探测单元（3），所述探测单元被设置用于确定电磁辐射的光学量，-光学单元（1），所述光学单元包括Savart-元件（1'），其中，所述Savart-元件（1'）包括偏光器（10）、第一双折射元件（12'）和第二双折射元件（12''）以及分析器（11），和-光学成像系统（2），所述光学成像系统布置在光路中在所述光学单元（1）和所述探测单元（3）之间，其中，所述光学成像系统（2）被设置用于，使来自所述光学单元（1）的电磁辐射（103'、103''）成像到所述探测单元（3）上，其特征在于，所述光学成像系统（2）包括多孔物镜（22），其中，所述多孔物镜（22）包括多个光学成像通道。2.根据权利要求1所述的微型分光仪（1000），其特征在于，-所述多孔物镜（22）包括至少一个第一光学成像通道和至少一个第二光学成像通道，-所述探测单元（3）包括至少一个第一传感器阵列（31）和至少一个第二传感器阵列（32），并且-所述第一光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元（1）的电磁辐射的至少一个第一部分（103'）成像到所述第一传感器阵列上，并且，所述第二光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元（1）的电磁辐射的至少一个第二部分（103''）成像到所述第二传感器阵列（32）上。3.根据权利要求2所述的微型分光仪（1000），其特征在于，-所述多孔物镜（22）包括至少一个第一微透镜（6'）和至少一个第二微透镜（6''），-所述第一光学成像通道包括所述第一微透镜（6'），并且，所述第二光学成像通道包括所述第二微透镜（6''），所述第一光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元（1）的电磁辐射的至少所述第一部分（103'）成像到所述第一传感器阵列（31）上，所述第二光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元的电磁辐射的至少所述第二部分（103''）成像到所述第二传感器阵列（32）上。4.根据权利要求2或者3所述的微型分光仪（1000），其特征在于，所述第一光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元（1）的第一立体角区域（91）的电磁辐射（103'）成像到所述第一传感器阵列（31）上，并且，所述第二光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元（1）的第二立体角区域（92）的电磁辐射（103''）成像到所述第二传感器阵列（32）上，其中，所述第一立体角区域（91）至少部分地不同于所述第二立体角区域（92）。5.根据权利要求2或者3所述的微型分光仪（1000），其特征在于，所述第一光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元（1）的第一立体角区域（91）的电磁辐射成像到所述第一传感器阵列（31）上，并且，所述第二光学成像通道被设置用于，使来自所述光学单元（1）的第二立体角区域（92）的电磁辐射成像到所述第二传感器阵列（32）上，其中，所述第一立体角区域（91）和所述第二立体角区域（92）完全一致。6.根据前述权利要求中任一项所述的微型分光仪（1000）...

【专利技术属性】
技术研发人员：B斯坦因，M胡斯力克，E鲍姆加特，C胡贝，R维斯，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE