11.04.2024

Flexibles Mikrospektrometer

Kompaktes Spektrometer-Modul bildet Spektren aus 39 optischen Fasern auf einen Kamerasensor ab.

Wer das Licht von vielen, entfernten Messpunkten spektral analysieren will, kann entweder mehrere separate Mikrospektrometer oder aufwändige Laborgeräte nutzen. Beides ist keine Option, wenn es um flexible oder sogar mobile Anwendungen geht. Ein Team vom Fraunhofer IOF hat jetzt eine Lösung entwickelt, bei der Licht mit 39 optischen Fasern flexibel zu einer einzelnen, sehr kompakten Optik geleitet wird. Diese bildet die spektrale Information auf den Bildsensor einer Kamera ab.


Abb.: Das fasergekoppelte Mikrospektrometer-Array bildet 39 Spektren auf einen...
Abb.: Das fasergekoppelte Mikrospektrometer-Array bildet 39 Spektren auf einen CMOS-Sensor ab.
Quelle: Fh.-IOF

Auf der diesjährigen analytica präsentiert das Fraunhofer IOF am Stand A3.407 einen Demonstrator mit der neuen Spektrometer-Optik. Von dieser ist allerdings nicht viel zu sehen – weil sie so klein ist. Für die Verarbeitung der mit Glasfasern übertragenen Signale haben die Forschenden aus Jena ein spezielles mikrooptisches System entwickelt. Es besteht aus vielen, nebeneinander angeordneten Spektrometern und bildet auf diese Weise ein Spektrometer-Array.

Jeder Kanal enthält eine Prisma-Gitter-Prisma Anordnung zwischen achromatischen Mikrolinsen. Die Mikrolinsen sind dabei noch durch Abstandshalter getrennt, um ein Übersprechen zwischen den Kanälen zu verhindern. Die Arrayanordnung erlaubt es dabei, alle Spektrometerkanäle gemeinsam zu montieren und führt zu einer Länge des optischen Systems, die nur knapp zwei Zentimeter beträgt. Trotz der begrenzten Maße bildet das System das Spektrum von etwa 400 bis 800 Nanometern ab. Mit dem entsprechenden CMOS-Sensor wird eine Auflösung von 0,6 Nanometern pro Pixel erreicht.

Die Technologie wurde für Anwendungen entwickelt, bei denen an vielen Positionen oder auf großen Flächen spektrale Messungen benötigt werden. Das kann zum Beispiel bei der Kontrolle von Beschichtungen und beim Drucken vorkommen, bei parallelen Messungen in der Bioanalytik sowie im Labor oder auch bei der digitalen Landwirtschaft auf dem Feld, etwa zur Überprüfung des Gesundheitszustandes von Pflanzen. Dank der integrierten Bauweise ist der Aufbau robust und lässt sich gut in vorhandene Systeme integrieren.

Das Team am Fraunhofer IOF hat die Technologie über drei Jahre mit Unterstützung der Thüringer Aufbaubank bis zur Anwendungsreife entwickelt. Jetzt geht es darum, sie mit entsprechenden Partnern für konkrete Anwendungen zu optimieren. Dafür könnte etwa die spektrale Auflösung angepasst oder auch der spektrale Messbereich bis auf 1600 Nanometer erweitert werden – es sind sogar unterschiedliche Parameter der Kanäle denkbar.

Fh.-IOF / DE

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