光谱仪和用于校准光谱仪的方法技术

本发明专利技术涉及一种光谱仪（1000），其包括：照明装置（100），用于照明光谱仪测量区域（104）；探测单元（106），用于探测来自于光谱仪测量区域的电磁射束（1004）；和光谱元件（105），光谱元件布置在照明装置（100）和探测单元（106）之间的光路中，其中照明装置（100）包括具有第一中心波长的发光二极管，其设置用于发射具有第一光谱的第一电磁射束；以及包括发光元件，用于将具有第一光谱的第一电磁射束的第一部分转换为具有第二光谱的第二电磁射束，其中第一中心波长具有550nm、3000nm，或在550nm和3000nm之间的值，并且第一光谱和第二光谱具有重叠。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光谱仪和用于校准光谱仪的方法
和
技术介绍
在US2016/0091367A1中描述了一种用于光谱学应用的宽带NIR（NIR=近红外）光源，其包括蓝色的LED和发光元件，其中由LED发射的射束在穿过发光元件之后对要进行光谱检查的样品进行照明。如今，与照明器件（磷光体）结合的“发光二极管”（LED）越来越多地用于常规的照明技术。通常，LED作为有源部件发射在大约450纳米（nm）至470nm的波长范围内的具有大约30nm至40nm的半值宽度的蓝光。为了产生期望的白光，例如将无源的发射黄光的照明材料（经常也被称为磷光体）施涂到LED的表面上，照明材料例如由掺铈的钇铝石榴石构成（J.Li等人：Anewrare-earth-freehybridphosphorforefficientsolid-statelighting,ACS年会，波士顿,2015年）。照明器件将LED的入射的蓝光部分转换为宽的黄光光谱。蓝光和宽的黄光光谱的混合最后被感知为白光。作为高能量光的供应方，发射蓝光的LED在照明器件中为光朝更低的能量的所谓的“向下转换”提供了基础。对于白光LED或相应的照明器件来说，在照明技术中，除了能效之外，诸如色彩质量（由相关的色温和显色指数表示）和色温之类的当前标准是重点。色彩质量和色温可以灵活地特定于应用地被调整，并且此外由未转换的蓝光和已转换的磷光体光谱的比确定。现代的蓝色的LED的效率通常在大约70%，并且仅受到热形成的限制。由于施加磷光体而造成的附加的损耗主要可以归因于磷光体中的热损耗和所谓的斯托克斯损耗。针对照明目的，LED的未转换的蓝光有助于照明器件的色彩效果。在光谱学应用中仅使用由照明器件转换的光部分。
技术实现思路
在光谱学中，利用来自宽的波长光谱的电磁射束来辐射待分析的样品、即待检查的光谱仪测量区域。待检查的波长范围越大，那么结果通常更好，并且应用区域越大。来自于光谱仪测量区域的光谱被记录并且评估。通常，利用光谱仪在大约600nm至1100nm的波长间隔中实施测量。宽带的光源用于光谱分析，所述光源覆盖整个相关的在测量时应该考虑到的具有尽可能恒定的强度或尽可能恒定的功率的光谱范围。尤其对于便携式的装置、所谓的微型光谱仪来说，此外，光源的高的效率是很重要的。本专利技术涉及光谱仪和用于校准光谱仪的方法。具有独立权利要求的特征的本专利技术的优点是，可用于光谱测量的波长间隔可以扩大，并且可以以简单的方式实现波长校准和/或功率校准。这利用根据权利要求1的光谱仪实现，该光谱仪包括用于照明光谱仪测量区域的照明装置、用于探测来自于光谱仪测量区域的电磁射束的探测单元和光谱元件，光谱元件布置在照明装置和探测单元之间的光路中。照明装置在此包括具有第一中心波长的发光二极管，其设置用于发射具有第一光谱的第一电磁射束。此外，照明装置包括发光元件，用于将具有第一光谱的第一电磁射束的第一部分转换为具有第二光谱的第二电磁射束。光谱仪的特征在于，发光二极管的第一中心波长是550纳米（nm）或3000nm，或在550nm和3000nm之间的值，并且第一光谱和第二光谱具有重叠。光谱仪的照明装置的发射光谱（其可以用于照明针对光谱测量的光谱仪测量区域）因此有利地包括第一电磁射束的未转换的第二部分和具有第二光谱的第二电磁射束。优点是，因此提供具有照明装置的光谱仪，其中照明装置覆盖在具有尽可能恒定的功率的近红外的波长范围内的宽的光谱范围，因为在通过发光元件进行部分转换之前，LED的光谱已经包括可用于光谱分析的波长范围。通过高强度的由照明装置发射的电磁射束，可以实现高的信噪比（SNR，英语：SignaltoNoiseRatio），由此，有利地可以提高光谱仪的灵敏度和精度。此外，由发光二极管发射的电磁射束（但其通过发光元件、即照明器件没有转换为更高波长的光）和由照明器件转换的第二电磁射束有助于光谱仪的可用的波长范围。也就是说尤其地，由发光二极管发射的电磁射束（但其通过照明器件没有转换为更高波长的光）在到达光谱仪测量区域之后还具有足够高的强度，从而该电磁射束可以由探测单元检测，并且因此也可以从该波长范围可靠地探测并且必要时可以评估光谱仪测量区域的光谱信息。这尤其对于傅里叶变换光谱仪来说是有利的，因为傅里叶变换光谱仪由于技术原因可以在大的波长范围内使用。因此有利地可以提高用于光谱学应用的照明装置的效率。通过光谱仪的宽的可用的波长范围（其中LED的发射光谱和发光元件的发射光谱可用于光谱分析），尤其可以以高的可靠性根据利用光谱仪检测的光谱数据实现材料或对象识别，并且可以实现以高的精度测量内含物的浓度。非常高的光强可能对眼睛安全意味着风险。因此，眼睛可以通过热效应或光化学效应受损。对眼睛的生物效应和潜在危害在很大程度上与波长有关。与较高波长的光（例如红光或NIR光）相比，蓝光（在400nm和500nm之间的波长）具有在热和光化学的眼睛损害方面高得多的潜在危害。另外的优点因此是，即使未经培训的用户也可以安全地使用光谱仪。在实施方式中，发光二极管的第一中心波长可以是550纳米（nm）或1000nm，或在550nm和1000nm之间的值。备选地，发光二极管的第一中心波长可以具有760nm或2500nm或在760nm和2500nm之间的值。备选地，发光二极管的第一中心波长可以具有610nm或3000nm或在610nm和3000nm之间的值。备选地，发光二极管的第一中心波长可以具有610nm或1000nm或在610nm和1000nm之间的值。具有大约625nm至700nm的中心波长的发射红光的发光二极管在将电功率转换为光功率方面是非常高效的。与基于InGaAs的必须用于大于1020nm的波长范围的系统相比，尤其基于GaAs的具有最大1020nm的中心波长的材料系统可以明显更便宜地制造。发光二极管（LED）尤其是在红色的或近红外波长范围内发射光的LED。红色的波长范围包括在610nm和760nm之间（包括610nm和760nm）的波长。近红外波长范围包括760nm和3000nm（包括间隔边界）的波长。LED的颜色尤其与所使用的半导体材料或半导体材料的带隙有关。红色的LED可以例如包括砷化铝镓（AlGaAs）、磷化镓（GaP）、磷化砷化镓（GaAsP）、磷化铝镓铟（AlGalnP）等。近红外的LED例如可以包括砷化铝镓（AlGaAs）、砷化镓（GaAs）等作为半导体材料。LED的光谱可以大多非常近似地通过高斯函数描述。发光二极管的光谱大多通过唯一的波长、例如LED的中心波长表示。中心波长描述了位于两个点（波长）之间的中间，具有光谱的峰值的50%、即光谱的最大值的50%的光谱密度的波长。对于对称光谱来说，中心波长刚好相应于光谱最大的波长。发光元件可以包括一个或多个照明器件。照明器件的示例此外在“Sunlight-activatedlong-persistentluminescenceinthenear-infraredfromCr3+-dopedzincgallogermanates”，（Pan等人，Natu本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光谱仪（1000），包括：/n• 照明装置（100），用于照明光谱仪测量区域（104），/n• 探测单元（106），用于探测来自于光谱仪测量区域的电磁射束（1004），和/n• 光谱元件（105），所述光谱元件布置在照明装置（100）和探测单元（106）之间的光路中，/n其中所述照明装置（100）包括：/n• 具有第一中心波长（1001’’）的发光二极管（102），其设置用于发射具有第一光谱（2001）的第一电磁射束（1001），和/n• 发光元件（103），用于将具有第一光谱（2001）的第一电磁射束（1001）的第一部分（1001’）转换为具有第二光谱（2002）的第二电磁射束（1002），/n其特征在于，/n• 第一中心波长（1001’’）具有550nm、3000nm，或在550nm和3000nm之间的值，并且/n• 所述第一光谱（2001）和所述第二光谱（2002）具有重叠（2000’）。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180809 DE 102018213377.81.光谱仪（1000），包括：
•照明装置（100），用于照明光谱仪测量区域（104），
•探测单元（106），用于探测来自于光谱仪测量区域的电磁射束（1004），和
•光谱元件（105），所述光谱元件布置在照明装置（100）和探测单元（106）之间的光路中，
其中所述照明装置（100）包括：
•具有第一中心波长（1001’’）的发光二极管（102），其设置用于发射具有第一光谱（2001）的第一电磁射束（1001），和
•发光元件（103），用于将具有第一光谱（2001）的第一电磁射束（1001）的第一部分（1001’）转换为具有第二光谱（2002）的第二电磁射束（1002），
其特征在于，
•第一中心波长（1001’’）具有550nm、3000nm，或在550nm和3000nm之间的值，并且
•所述第一光谱（2001）和所述第二光谱（2002）具有重叠（2000’）。


2.根据权利要求1所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述发光元件（103）布置在发光二极管（102）的光路中。


3.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述发光元件（103）具有：
•至少一个另外的照明器件，用于将具有第一光谱（2001）的第一电磁射束（1001）的第一部分（1001’）转换为具有第三光谱的第三电磁射束，和
•第一照明器件，用于将具有第三光谱的第三电磁射束转换为具有第二光谱（2002）的第二电磁射束（1002）。


4.根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪（1000），其特征在于，所述发光元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·胡斯尼克，M·丁泽尔，M·施密特，D·乌利希，
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