Flexibles Mikrospektrometer für mobile Anwendungen
Fraunhofer IOF präsentiert hochauflösende spektrale Messungen in einer miniaturisierten Optik
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF haben ein besonders kompaktes Spektrometer-Modul entwickelt. Auf kleinstem Raum bildet es Spektren aus 39 optischen Fasern auf einen Kamerasensor ab. Möglich macht das eine spezielle Mikrooptik. Die Technologie mit Anwendungspotenzialen in der Qualitätssicherung und Analytik wird vom 9. bis 12. April auf der analytica in München präsentiert.
Ohne den Bildsensor sind die 39 Spektren am Ausgang der Optik zu erkennen.
© Fraunhofer IOF
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.
Mikrooptik für Spektrometer-Array
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 sogenanntes 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.
Kompakte Optik für Qualitätssicherung und Analytik
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 z.B. die spektrale Auflösung angepasst oder auch der spektrale Messbereich bis auf 1.600 Nanometer erweitert werden – es sind sogar unterschiedliche Parameter der Kanäle denkbar.
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