本發(fā)明涉及用于將光譜信息轉(zhuǎn)換為位置信息的裝置的光學過濾器元件，該裝置具有接入的用于檢測信號的探測器，該光學過濾器元件至少包括兩個微諧振器，其中，微諧振器至少具有

-至少兩個面疊置的反射層結(jié)構(gòu)，其至少由帶有高折射率的材料層和帶有低折射率的材料層以交替順序構(gòu)成，以及

-至少一個面疊置的諧振層，其分別布置在兩個面疊置的反射層結(jié)構(gòu)之間。

背景技術(shù)：

對于光學信號的光譜分析來說，將光學信號以各個波長來分開是必需的，它們隨后為了評估而通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為能電利用的數(shù)據(jù)流。這通過將光譜信息轉(zhuǎn)換為位置信息來進行。迄今為止，針對該目的使用了衍射/折射元件(光柵、棱鏡)，其針對高的光譜分辨率(也就是說對照入光的充分寬泛的分束)必須具有足夠的幾何伸展尺寸。附加地，光學元件的相互的取向必須是充分熱穩(wěn)定和機械穩(wěn)定的，以便在測量時避免系統(tǒng)故障。因此，迄今為止的光譜儀不適用于所有的使用地點，或者針對該使用目的的成本太高。

在以往，光譜儀的技術(shù)研發(fā)的方向是最小化以及成本減少。當前的設施與手掌相匹配(例如：usb光譜儀)，并且因此實現(xiàn)足夠的分辨率(≈1nm半峰全寬(fwhm))和可接受的信噪比(1:1000)。在此，測量的基本原理沒有明顯改變。通過光學器件(例如：透鏡系統(tǒng)、光纖維)和進入狹縫，輸入信號投影到分散元件上。在此通常使用棱鏡或格柵。由分散元件在光譜上分開的信號隨后轉(zhuǎn)向探測器，其信號隨后可以被進一步處理。為了使被分開的信號可以由探測器的各個元件來分辨，信號路徑具有依賴于分散元件的轉(zhuǎn)向角度的長度。長度不能夠任意地縮短，由此，光譜儀以此為基礎具有最小伸展尺寸。

光譜儀的替選的實現(xiàn)方案包含使用帶有局部可變的過濾器特性的帶通過濾器和探測器單元。在文獻us6057925a中，在概念lvf“線性可變過濾器(linearvariablefilter)”下描述的過濾器元件基于干涉效應，并且通常由金屬薄層的層系統(tǒng)和/或介電薄層的層系統(tǒng)構(gòu)成，薄層在技術(shù)上以如下方式施加到基底上，即，層厚和因此是透射特性關于方向是可變的。輸入信號的各個組分因此依賴于位置地被不同強度地削弱。通過事先的校準，可以從有源探測器元件的定位得到光譜信息。通過過濾器和探測器的扁平的結(jié)構(gòu)形狀，結(jié)構(gòu)元件的在光譜分辨部分和光譜測量部分可以特別緊湊和堅固地實施。

但是，充分利用干涉效應來分開光具有如下結(jié)果，即，過濾器具有入射的信號的方向依賴性。與垂直的光入射的入射角相隔越遠，那么光譜過濾器特性就越強烈地朝短的波長移動。由此，不再得到有源探測器元件和過濾出的波長之間的明確的相互關系，并且實際的光譜分辨率相對理論上可能的光譜分辨率(通過過濾器特性和探測器分辨率限定)明顯變差。為了避免依賴于方向的效應，輸入信號必須在穿過結(jié)構(gòu)元件前/期間在光學上相應地調(diào)整，以便位于窄的角度范圍內(nèi)。

在文獻us6785002b2“variablefilter-basedopticalspectrometer(基于可變?yōu)V波器的光學分光計)”中，或者在文獻us2004/032584a“opticalchannelmonitoringdevice(光學通道監(jiān)視設備)”中，用于使用在通信領域中的這種集成系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)和功能方式在分束多路復用的信號的情況下說明。在此，從光纖維脫離的光到達透鏡系統(tǒng)，并且隨后準直地投影到過濾器元件上。各個光譜組分隨后通過位于后面的傳感器檢測。針對高的分辨率建議使用帶有介電鏡的用于可變過濾器元件的標準器。

在文獻us2003/058447a1“colorimeterapparatusforcolorprinterink(用于彩色打印機墨水的色度計設備)”中描述了如下結(jié)構(gòu)元件，在其中，方向選擇通過由玻璃纖維構(gòu)成的矩陣或由在探測器和過濾器之間的扁平的準直設施來進行。為了進一步提高分辨率，第二玻璃纖維矩陣或準直器可以在過濾器的進入側(cè)使用。

在此，作為用于入射信號的方向限制的另外的變型方案還引用了自聚焦的透鏡陣列，像其示例性地在文獻us2010/092083a1“in-linelinearvariablefilterbasedspectrophotometer(基于嵌入式線性可變過濾器的分光光度計)”中描述的那樣。

借助線性可變過濾器的分光鏡的另外的變型方案在文獻us5144498a“avariablewavelengthlightfilterandsensorsystem(可變波長濾光器和傳感器系統(tǒng))”中描述。在此，入射的光通過反射到至多兩個可變過濾器上而轉(zhuǎn)向到可選的第三過濾器元件上，并且隨后轉(zhuǎn)向到探測器上。在該配置中，過濾器也可以位于相同側(cè)的棱鏡的側(cè)面上。

所提到的解決方案的缺點在于，需要部分在空間上伸展的光學器件或者在制造技術(shù)上復雜地制造的附加的結(jié)構(gòu)元件，以便從可變的帶通過濾器和探測器的組合中得到適宜的光譜信息。

在文獻us2007/0148760a1中描述了用于檢測化學品和生物分子的方法，其由如下步驟構(gòu)成：

-由光源產(chǎn)生光，

-光入射到光學傳感器上/中，當以寬的光學波長帶對光學傳感器進行照明時，光學傳感器給出很窄的光學波長帶，

-將來自傳感器的輸出光傳播至帶有進入面的探測器，進入面至少包括帶有橫向上能改變的透射特性的層/包括至少一個帶有橫向上能改變的透射特性的層，和

-借助探測器使用輸出光的定位，以便檢測當前的分析物(化學品或生物分子)。

附屬的裝置包括

-光源，其產(chǎn)生寬的光學波長帶，

-光學傳感器，當以來自光源的寬的光學波長帶對光學傳感器進行照明時，光學傳感器輸出很窄的光學波長帶，

-探測器，探測器包括至少一個帶有橫向上能改變的透射特性的層，而探測器接收到穿過光學傳感器的輸出光，其中，至少一個層在至少一個層的一個定位上允許所接收的光的一部分通過，并且探測器使用該定位，以便檢測當前的分析物。

此外，在文獻us2007/0148760a1中描述了一種用于得到關于分析物的信息的方法，其中，該方法包括：

在分析物波長轉(zhuǎn)換器上產(chǎn)生對分析物的激勵，其方式是，轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出光，其中，輸出光示出分析物信息，

將輸出光傳播至傳輸結(jié)構(gòu)的進入面，其中，傳輸結(jié)構(gòu)具有輸出面，其包括兩個定位的組或更多個定位的組，其中，傳輸結(jié)構(gòu)是帶有橫向上能改變的能量傳播功能的被涂層的結(jié)構(gòu)，和

使輸出光透過傳輸結(jié)構(gòu)，直至輸出面，從而相關量的光子產(chǎn)生定位的組，其中，相關量示出分析物信息。

附屬的裝置包括：

分析物波長轉(zhuǎn)換器，其通過產(chǎn)生輸出光對分析物激勵起反應，輸出光示出分析物信息，

帶有進入面和輸出面的傳輸結(jié)構(gòu)，其中，輸出面包括至少兩個定位的組，其中，傳輸結(jié)構(gòu)是帶有橫向上能改變的能量傳播功能的被涂層的結(jié)構(gòu)，和

傳播部件，其將來自轉(zhuǎn)換器的輸出光對準傳輸結(jié)構(gòu)的進入面，在輸出光方面，傳輸結(jié)構(gòu)在輸出面的定位的組上以如下方式產(chǎn)生光子，從而相關量的光子產(chǎn)生定位的組，示出分析物信息。

兩個最后提到的解決方案的缺點是，待分析的光信號為了良好的分辨率在照射前必須盡可能平行地取向。為此需要附加的光學部件，例如透鏡或薄片(葉片)。

在文獻us6,768,097b1中描述了光電設備，其中，彼此間隔開地布置的兩個微諧振器的耦合(kopplung)用于過濾波長。第一微諧振器在此具有比較大的伸展尺寸(數(shù)百μm)，由此形成許多諧振，其被稱為頻率梳。與第一微諧振器不同地，第二微諧振器具有在其諧振波長的數(shù)量級中的伸展尺寸。附加地，第二(薄的)微諧振器的諧振層是能電操控的，以便改變其光學特性(厚度、折射率)。

因此可以過濾掉頻率梳的諧振。

缺點一方面是，第一諧振器的頻率梳在測量時不允許連續(xù)的光譜。此外需要電操控來選擇透過兩個微諧振器的信號。因此，也能看到另外的缺點，其中，需要的是僅連續(xù)式測量寬的光譜，由此，時間分辨率受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務是，說明一種用于將光譜信息轉(zhuǎn)換為位置信息的裝置的光學過濾器元件，光學過濾器元件以如下方式適當?shù)貥?gòu)造，即，其結(jié)構(gòu)在光譜或光譜測量裝置中在光信號的取向方面節(jié)省空間地且在此廉價地構(gòu)造。

本發(fā)明的任務借助權(quán)利要求1的特征解決。

一種用于將光譜信息轉(zhuǎn)換為位置信息的裝置的光學過濾器元件，該裝置具有接入的用于檢測信號的探測器，該光學過濾元件包括至少兩個微諧振器，其中，微諧振器至少具有

-至少兩個面疊置的反射層結(jié)構(gòu)，其至少由帶有高折射率的材料層和帶有低折射率的材料層以交替順序構(gòu)成，以及

-至少一個面疊置的諧振層，其分別布置在兩個面疊置的反射層結(jié)構(gòu)之間，

其中，根據(jù)權(quán)利要求1的特征部分，過濾器元件至少包括透明的、平行平面式的基底，其用于兩個微諧振器的光學解耦(entkopplung)，其中，第一微諧振器位于基底的兩個對置的表面中的第一表面上，其中，在基底上，第二微諧振器位于基底的與第一表面對置的第二表面上，并且其中，至少一個微諧振器的諧振層和/或分別包圍諧振層的反射層結(jié)構(gòu)沿過濾器元件的水平軸線具有可變的層厚。

裝置優(yōu)選是光譜裝置/光譜測量裝置。

如下結(jié)構(gòu)被稱為在本發(fā)明的意義中的光學過濾器元件，其在引入光路中時與光子以如下方式相互作用，即，光子的可測量的分量在穿過過濾器后丟失。根據(jù)本發(fā)明，僅有在光譜上很窄的帶通過過濾器元件，而剩余的光譜完全被反射或在結(jié)構(gòu)中被吸收。

如下方法和裝置被稱為在本發(fā)明的意義中的光譜應用/光譜測量應用，其中，射束被拆分，并且得到光譜測量參量(波長、強度)與能讀取的探測器元件的配屬。

在本發(fā)明的意義中的從光譜信息轉(zhuǎn)換為位置信息表示過濾器元件以如下形式的工作方式，即，光在整個面上到達過濾器，并且在穿過后取決于過濾器元件的結(jié)構(gòu)地在過濾器元件的空間伸展尺寸上分開各個光譜組分。

如下的光電傳感器被稱為在本發(fā)明的意義中的探測器，其中，光子通過光電效應轉(zhuǎn)換為電信號。此外，為此涉及光電池、光電倍增器或cmos/ccd元件和光電二極管。

根據(jù)本發(fā)明，探測器包含一系列的單個傳感器元件，其例如顯現(xiàn)為行或矩陣。在此，各個元件可以裝備有彼此不同的形狀/大小以及光譜靈敏度。

如下電磁射束被稱為在本發(fā)明的意義中的信號，其單色地(一個頻率/波長)或在光譜上寬帶地到達過濾器。在此，信號可以具有在時間上的強度調(diào)制(單個脈沖、周期性的以及非周期性的變化)，或者以恒定的強度分布出現(xiàn)。

如下結(jié)構(gòu)元件被稱為在本發(fā)明的意義中的微諧振器，其與電磁射束以如下方式相互作用，即，在內(nèi)部可以構(gòu)造出駐波(諧振層)。為此，結(jié)構(gòu)元件的壁(部分)反射式地構(gòu)造為限界面。

在此重要的是，至少一個空間方向具有在待研究的光譜范圍(例如針對數(shù)十nm至數(shù)μm的光)的數(shù)量級中的伸展尺寸。對于被觀察的過濾器元件來說，該空間方向垂直于基底的膜/表面的伸展面。

根據(jù)本發(fā)明，面疊置地顯現(xiàn)的層結(jié)構(gòu)表示相互連接的材料層(例如：金屬氧化物、金屬、聚合物、有機分子等)的次序，材料層分別具有數(shù)平方毫米至數(shù)百平方厘米的面的伸展尺寸和在數(shù)十nm至數(shù)百nm的數(shù)量級的厚度，其中，分別在兩個材料之間剛好形成邊界面，其伸展尺寸與之有些不同。帶有多于兩個層的結(jié)構(gòu)中的連續(xù)的邊界面在一定范圍內(nèi)相互平行。由于其伸展尺寸的大小關系，層也被稱為膜。

膜的制造方法是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法，例如真空升華、噴涂法、離心法、沉浸法。

在本發(fā)明的意義中反射的是指高反射的光子結(jié)構(gòu)，其也被稱為介電鏡，在其中，通過干涉效應，在光譜上寬的帶(數(shù)十nm至數(shù)百nm)內(nèi)完全反射大部分的射束(接近100％)。與金屬鏡不同地，效率接近100％，這是因為通常沒有或幾乎沒有射束被吸收。簡單地設計的介電鏡由交替順序的層構(gòu)成，這些層由對于所觀察的波長范圍來說透明的材料構(gòu)成，這些材料在它們各自的折射率方面彼此不同。在可見光譜中，這例如是二氧化硅(n_sio2＝1.46)和二氧化鈦(n_tio2＝2.4到2.6)材料，它們分別設定到最大待反射的波長的四分之一的光學厚度nxd。在7到9個交替層對的數(shù)量的情況下可以得到＞99％的反射值。對于調(diào)整在數(shù)百nm的寬的光譜范圍內(nèi)的具體的反射性能來說，附加的層或?qū)佣询B件可以以剛好計算出的層厚差來補充。

在本發(fā)明的意義中的可變的層厚表示厚度沿水平軸線的有針對性地設定的型廓，在水平軸線中，層以面式伸展。該型廓可以具有分立的階梯部，或者連續(xù)地改變。可能的顯現(xiàn)是例如針對諧振層的楔形形狀，其中，沿水平方向存在每毫米10nm到20nm的層厚增加。每個長度單元的變化越小，那么光譜分辨能力就可以越大，或者在使用更大的探測器時的靈敏度就可以越大，由此另一方面，在測量范圍不變的情況下，水平伸展尺寸變大。

用于可變的層厚的制造方法此外包括帶有在時間上可變的浸入深度的沉浸法、在一定的角度下氣相噴鍍或噴涂的層、替選地是在時間上可變的、屏蔽了源的遮蔽件。遮蔽件可以周期性地(例如旋轉(zhuǎn)地)不均勻地覆蓋成長層，也可以從沉積開始到結(jié)束時越來越多地覆蓋成長層。

反射層結(jié)構(gòu)的至少一個區(qū)段和/或至少一個諧振層可以由介電材料構(gòu)成。

至少一個反射層結(jié)構(gòu)可以通過由高折射的光學透明材料和低折射的光學透明材料交替組成的層堆疊件構(gòu)成。

微諧振器的至少一個諧振模式(resonantemode)具有高于10％，優(yōu)選高于50％，特別優(yōu)選高于90％的透射率。

兩個微諧振器的幾何結(jié)構(gòu)和/或材料成分相對于基底平面可以是對稱的。

在過濾器元件中，反射層沿結(jié)構(gòu)元件的或過濾器元件的水平軸線的層厚走向可以和諧振層厚的走向有關。

第一微諧振器的第一諧振層可以由與第二微諧振器的第二諧振層不同的介電材料構(gòu)成，并且因此，一個或多個諧振模式可以具有帶有彼此不同的曲率的分散拋物線。

基底的表面垂直于層梯度方向的伸展尺寸可以是比較小的。

在射入方向上，延長的、起吸收作用的壁元件可以安置在過濾器元件的側(cè)面上。

局部可變的光學過濾器部分可以安置在其中一個微諧振器之前，在其中，通過起吸收、透射或反射作用的帶通器進行對進入的信號的光譜預選。

用于將光譜信息轉(zhuǎn)換為位置信息的光譜裝置/光譜測量裝置至少包括

-光源，

-探測器

-評估單元，其通過連接線路與探測器連接，

-顯示單元，和

-之前提到的、根據(jù)本發(fā)明的過濾器元件，

其中，根據(jù)權(quán)利要求11的特征部分，過濾器元件以如下方式構(gòu)造，即，過濾器元件允許來自光源的光的在短波透明的區(qū)域內(nèi)穿過過濾器元件后的短波部分通過，并且允許來自光源的光的在長波透明的區(qū)域內(nèi)穿過過濾器元件后的長波部分通過，以及過濾器元件使光源的光的在短波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件后的長波部分反射，并且使光源的光的在長波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件后的短波部分反射。

光譜裝置/光譜測量裝置可以具有基于ccd、光電二極管或倍增器的光電式行轉(zhuǎn)換器/矩陣轉(zhuǎn)換器作為探測器。

根據(jù)本發(fā)明的過濾器元件的帶通過濾器以如下方式設計，即，在過濾器元件內(nèi)進行準直，并且不需要另外的光學元件。因此可以實現(xiàn)特別緊湊的和廉價的光譜測量結(jié)構(gòu)元件或裝置。

總之可以規(guī)定如下：在探測器(ccd矩陣、二極管行列、二極管陣列)之前安置有根據(jù)本發(fā)明的光學過濾器元件作為光譜的(線性的)漸變過濾器。漸變過濾器有利地由至少一個光子晶體構(gòu)成，其帶有至少一個層的取決于位置而可變的層厚。漸變過濾器在光譜上寬的帶中反射所有入射的光學信號，除了針對結(jié)構(gòu)來說和依賴于定位的特定諧振以外。沒有被反射的窄的光譜范圍(可以＜1nm)幾乎無阻礙地通過過濾器，并且可以隨后在直接后置的探測器中被轉(zhuǎn)換為電信號。

本發(fā)明因此涉及用于分離在紫外線至紅外線范圍內(nèi)的電磁光譜的光學過濾器元件，其與后置的信號轉(zhuǎn)換器組合地能夠?qū)崿F(xiàn)將電磁寬帶的信號拆分為其單個組分(光譜學，分光光度技術(shù))。在所提出的本發(fā)明中，不需要前置的用于信號整形的光學元件，由此可以實現(xiàn)緊湊的集成元件。

至少兩個可變的微諧振器的布置用于將電磁信號分開為其單個組分，微諧振器對置地位于透明的平行平面式的基底的相應的表面上。

如果針對可變的光學微諧振器使用法布里-珀羅干涉儀，那么可以在高的光譜分辨率的情況下同時得到良好的甚至非常好的信噪比。通過調(diào)整過濾器元件的參數(shù)，一方面可以得到光譜寬度和測量范圍的定位、高的方向靈敏性或非常高的單個信號分離。同時，過濾器元件的緊湊的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)集成到許多迄今為止對于光譜學來說不可接近的工藝中。為了制造過濾器元件可以使用由現(xiàn)有技術(shù)公知的用于制造薄層系統(tǒng)的方法，其此外包括真空涂層法(pvd、cvd)和溶膠法。

光學過濾器元件的核心點除了透明的基底之外是可變的帶通過濾器。在此，術(shù)語光學過濾器元件在本文中表示如下構(gòu)件，在以100nm至10μm的波長范圍(紫外線至紅外線)內(nèi)的在任意光譜組合的電磁信號輻射時，該構(gòu)件使光譜組合的電磁信號的一部分以不同的強度反射或透射，必要時也吸收在光譜組合的電磁信號的一部分。信號分量通過過濾器元件的具體結(jié)構(gòu)來確定，并且可以包括從幾納米到幾百納米寬的光譜帶(帶通/頻帶抑制)，但也遮蔽光譜的各個范圍(例如：在使用短波通濾波器(kurzpass)的情況下透射短波長)。

在所提出的本發(fā)明中，基底用于針對力求達到的、待研究的波長范圍具有大于25％的充分的透明度。為此，作為材料例如考慮到固體，例如玻璃(在紫外線/可見光范圍內(nèi))或者硅(在紅外線范圍內(nèi))，但也可以使用塑料或相當?shù)木酆衔?。基底通常具有帶有幾毫米到幾厘米的邊長的面式伸展尺寸。厚度作為第三參量是對于根據(jù)本發(fā)明的過濾器元件的功能來說重要的參數(shù)，并且在十分之幾毫米至幾毫米之間。因此應該確保的是，兩個微諧振器光學解耦。由此在兩個微諧振器之間不發(fā)生相互作用，該相互作用導致共振，并且表現(xiàn)為退化，并且因此導致過濾器的譜線變寬和分辨率變差。

兩個伸展的面(隨后被稱為基底的第一表面和基底的對置的第二表面)具有相互平行平面式的取向，也就是說，基底的厚度在整個可用的面上是恒定的。附加地適宜的是，表面品質(zhì)是很高的，以便避免散射效應。

本發(fā)明的改進方案和另外的設計方案在另外的從屬權(quán)利要求中說明

附圖說明

本發(fā)明結(jié)合多個實施例借助多個附圖詳細闡述。其中：

圖1示意性地示出在常見的實施例中的光學過濾器元件的側(cè)視圖；

圖2示出微諧振器的依賴于角度的透射光譜，其針對550nm的波長計算出，其中，

圖2a是由二氧化硅構(gòu)成的諧振層和100％層厚的情況；

圖2b是由二氧化硅構(gòu)成的諧振層和100.5％層厚的情況；和

圖2c是帶有四倍厚的由氟化鎂構(gòu)成的諧振層和100％層厚的情況；

圖3示意性地示出入射的沿層厚梯度穿過變化的光學幾何結(jié)構(gòu)的電磁信號的方向選擇的功能原理；

圖4a示意性地示出過濾器元件的實施例，其帶有附加的、方向受限的壁元件；

圖4示出在圖4a中所示的實施例的側(cè)視圖和功能原理的圖示；

圖5示出根據(jù)圖1的光學過濾器元件的多個透射光譜，它們針對三個入射角計算出，其中，第一表面具有帶有二氧化鈦的微諧振器，第二表面具有帶有氟化鎂的諧振器作為中心諧振層；

圖6示意性地示出穿過可變地起吸收或反射作用的預過濾器的輸入信號的位置限制；和

圖7示意性地示出光譜裝置/光譜測量裝置。

具體實施方式

在圖1中示意性地示出光學過濾器元件50的結(jié)構(gòu)，該光學過濾器元件例如用于將光譜信息轉(zhuǎn)換為位置信息的光譜裝置/光譜測量裝置。光學過濾器元件50包括至少兩個微諧振器10、11，其中，微諧振器10；11至少具有：

-至少兩個面疊置的反射層結(jié)構(gòu)4、6；8、9，其至少由帶有高折射率的材料層2和帶有低折射率的材料層3以交替順序構(gòu)成，以及

-至少一個面疊置的諧振層5；7，其分別布置在兩個面疊置的反射層結(jié)構(gòu)4、6；8、9之間。

根據(jù)本發(fā)明，過濾器元件50包括至少一個透明的、平行平面式的基底1，其用于兩個微諧振器10、11的光學解耦，其中，第一微諧振器10；11位于基底1的兩個對置的表面51；52的第一表面上，其中，在基底1上，第二微諧振器11；10位于基底1的與第一表面51對置的第二表面54上，并且其中，至少一個微諧振器10、11的諧振層5；7和/或分別包圍諧振層5；7的反射層結(jié)構(gòu)4、6；8、9沿過濾器元件50的水平軸線25具有可變的層厚。

針對待分析的光譜范圍來說透明的基底1位于中間，該基底具有相互是平行平面的、視覺上光滑的表面51和52?；?的厚度h在此與介電層2、3的相對的厚度梯度相互作用地是針對方向選擇性或過濾器元件50的分辨率來說的決定性的參數(shù)?，F(xiàn)在，在基底1的第一表面51上通過交替沉積帶有高折射率的介電材料層2和帶有低折射率的介電材料層3來產(chǎn)生第一層堆疊件4，其作用為寬頻帶的反射器(一維光子晶體)。圖1中的第一介電層堆疊件4沒有恒定的厚度，而是具有連續(xù)的層厚梯度。過濾器元件50的兩個側(cè)面53和54之間的相對的厚度差異通過對測量范圍的寬度的要求來規(guī)定。各個交替的層2和3的數(shù)量確定了光學過濾器元件50的分辨率。使用許多層2和3允許了對彼此靠近的信號的更好分離，但可能對靈敏性產(chǎn)生負面影響，并且也提高了制造要求。

現(xiàn)在，諧振層5施加到第一反射器4上，諧振層在視覺上的觀察方式中相應于光子晶體干擾。通常，諧振層的厚度相應于材料層2和材料層3的厚度的許多倍。即使在材料層2中和在材料層3中分別存在遵循反射器4的相對層厚走向的梯度也是如此。

過濾器元件50的第一部分通過第二介電反射器6封閉，由此，現(xiàn)在形成所謂的帶有局部可變的層厚和因此連續(xù)改變的透射性能的微諧振器10。像在每個諧振器中那樣，在微諧振器10中，至少一個相應于幾何結(jié)構(gòu)的頻率通過多重反射被加強，并且光譜的所有另外的分量被抑制。

在測量范圍內(nèi)的入射到第一部分上的電磁射束局部在光譜上被分離，并且可以穿過基底1。為了繞過微諧振器10的固有分散的問題(其使校準變得不可能)必要的是，限制待測量的信號的方向。根據(jù)本發(fā)明，帶有類似的幾何結(jié)構(gòu)的第二微諧振器11用于此。第二微諧振器11同樣由第一介電鏡8和第二介電鏡9以及在兩個鏡/反射器8和9之間的諧振層7組成。

在最簡單的情況下，第二微諧振器11是第一微諧振器10的完全對稱的復制。但是，層2、3的數(shù)量或材料組成也是可以改變的或者諧振層5和7的厚度也是可以改變的。決定性的是，對于規(guī)定的角度來說，在過濾器元件50的整個伸展尺寸上存在一個或多個諧振波長的一致性。相對應地，層厚梯度彼此匹配。

在圖2中示出微諧振器10的依賴于角度的透射光譜，其針對550nm的波長計算出，其中，圖2a是由二氧化硅構(gòu)成的諧振層和100％層厚的情況，圖2b是由二氧化硅構(gòu)成的諧振層和100.5％層厚的情況，圖2c是帶有四倍厚的由氟化鎂構(gòu)成的諧振層和100％層厚的情況。

為此示出諧振模式的對于三個不同的、示例性地計算的微諧振器10來說常見的能量曲線(分散)。在正常的材料分散中，在光譜上窄的(＜1nm半峰全寬)、透明的區(qū)域隨著入射角的增加，根據(jù)1/(ndcos(α))的關系朝更短的波長(更高的能量)移動。在此，n是材料的折射率，d是諧振層5的厚度，α是傳播角。

真實的材料值用于計算。介電鏡4假定作為示例性的過濾器元件50，介電鏡由550nm/(4n材料)厚的、交替的二氧化鈦層2和二氧化硅層3構(gòu)成。在玻璃基底1上布置有7.5對二氧化鈦和二氧化硅層，隨后是諧振層5，并且在諧振層上布置有第二介電鏡6。在此，單個層2、3的厚度為：

圖2a中，相應于550nm/(4n材料)的厚度的100％，其中，作為諧振層5使用二氧化硅層，其帶有550nm/(2n二氧化硅)的厚度，

圖2b中，相應于550nm/(4n材料)的厚度的100.5％，其中，作為諧振層5使用二氧化硅層，其帶有值550nm/(2n二氧化硅)的100.5％的增大的厚度，和

圖2c中，相應于550nm/(4n材料)的厚度的100％，其中，作為諧振層5使用氟化鎂層，其帶有(2·550nm)/n氟化鎂的厚度。

盡管存在非常類似的曲線，但還是能看到存在不同。在比較圖2a中的光譜和圖2b中的光譜時，可看到諧振層5的層厚d對諧振模式的定位的影響。提高0.5％(相應于1nm的物理厚度)將整個分散拋物線朝更長的波長移動近似3nm。在兩個模的足夠窄的諧振寬度(＜1nm)的情況下，圖2a和圖2b之間的諧振在任何角度中都沒有相交。

在圖2c中的光譜中，能看到附屬的分散拋物線的由氟化鎂的更低折射率以及變?yōu)樗谋兜膶雍竦玫降?、更陡的上升?，F(xiàn)在，如果將圖2a中的光譜和圖2c中的光譜相互比較，那么看到的是，在小的角度的情況下，諧振模式相交，并且隨著角度增大相互分開(諧振分別示例性地在10°時確定)。

圖3示出在圖1中引入的過濾器元件50的方向選擇的功能原理，其基于在闡述圖2時提到的效果。兩個微諧振器10、11具有相同的梯度，并且相對置地位于帶有厚度h的基底1的表面上。垂直入射的信號12到達第一微諧振器10，并且中間信號14的相應于在0°情況下的、在圖2a中說明的信號分量被透射，并且在穿過基底1后到達第二微諧振器11。因為兩個諧振器5和7是對稱的，所以第二微諧振器11在信號分量14的進入定位上具有相同的透射性能，由此，信號分量(可能被削弱)14可以穿過第二微諧振器11，并且作為輸出信號14a被探測到。

如果傾斜入射的信號13在更大的角度的情況下到達第一微諧振器10，那么根據(jù)圖2a來看相應于該角度的信號分量15作為諧振模式被透射，波長在該情況下小于在信號12垂直入射時的波長。在與微諧振器10、11相比很厚的基底1內(nèi)，該模沿微諧振器10、11的層厚梯度經(jīng)過一段距離分量l，其由基底厚度h以及傾斜入射的信號13的入射角得到。

在相對第二微諧振器11的進入定位上，傾斜入射的信號13現(xiàn)在照射到由于梯度導致的有差別的層厚(更薄或更厚)。因此，像在圖2的描述中說明的那樣，分散拋物線在保持傾斜角的情況下，不在任何一個點上相交，并且信號15不是透射，而是作為信號15a反射。對于接近角(其中，諧振模式穿過兩個微諧振器10、11)來說重要的是各個微諧振器10、11的光譜分辨率(精細度)、基底1的厚度h和相對層厚梯度。

圖4a示出帶有過濾器元件50的結(jié)構(gòu)元件60的實施例，其中，通過起高吸收作用的壁元件18、19確保的是，垂直于微諧振器10、11的厚度梯度地也進行方向選擇。在該方向上，相同的幾何結(jié)構(gòu)提供的是，透射拋物線根據(jù)圖2相疊，因此，在輸入信號13的傾斜入射的光的情況下的波長校準是不可能的?，F(xiàn)在，借助壁元件18、19選擇輸入信號13的角度范圍。為此，過濾器元件50垂直于梯度的伸展尺寸明顯更小，在此例如，使用線性元件作為可能的傳感器。

圖4b以側(cè)視圖示出根據(jù)圖4a的結(jié)構(gòu)元件60的特定的實施例，以便說明對入射的信號22的傾斜角的選擇。如果輸入信號20垂直地在所示的平面中落入到帶有過濾器元件50的結(jié)構(gòu)元件60中，那么輸入信號就不受壁元件18、19的影響，并且可以隨后根據(jù)圖3在穿過微諧振器10、11后在后側(cè)作為信號25a被探測到。在足夠大的角度下的傾斜的射束22在其路徑上穿過結(jié)構(gòu)元件60到達其中一個壁元件18、19，并且在此作為信號22a被吸收。接近角和由此隨后在所示的平面內(nèi)的過濾器元件50的光譜分辨率通過壁元件18、19的壁高度和壁距離的關系來規(guī)定。由此，當過濾器元件50垂直于層梯度的寬度非常窄時，可以實現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)元件的最小化。然而，伸展尺寸應該是平均的、待分析的波長的許多倍，以便抑制衍射效果的影響，并且同時針對高的信號噪音比得到足夠強的輸入信號。

圖5借助三個計算出的針對不同的入射角度的透射光譜示出針對垂直于微諧振器10的厚度梯度的輸入信號20的方向選擇來說的替選方法。在此示出了此外在光譜上不可透過的波長范圍(抑制頻帶)內(nèi)的透射模。過濾器元件50在其第一側(cè)具有550nm/(2n氧化鈦)厚的由高折射的氧化鈦材料(n＝2.1)構(gòu)成的諧振層5，在第二側(cè)具有由氟化鎂(n＝1.35)構(gòu)成的帶有厚度為(3·550nm)/2n氟化鎂的低折射的微諧振器11。梯度相對于于基底1是對稱的，由此，根據(jù)圖2a和根據(jù)圖2c，在垂直的光入射的情況下，兩個微諧振器10和11的模一致。隨著入射角(在5°和10°的情況下)的增加，諧振根據(jù)期待朝更短的波長移動，但同時，信號強度也強烈下降，這是因為兩個拋物線由于不同的分散逐漸彼此分離開。

光譜分辨率與在垂直的光入射的情況下的透射相比通過該效果朝短波長的方向擴寬，但光譜分辨率也可以根據(jù)過濾器元件50的特定的結(jié)構(gòu)仍變得很小(＜1nm)。

在模擬中假定有由7.5對交替的二氧化硅層和二氧化鈦層(厚度為550nm/(4n材料))構(gòu)成的微諧振器10，減少提高了可能的信號強度，但減弱了角度選擇的效果，并且由此降低了光譜分辨率。

與像在圖4a、4b中示出的那樣實現(xiàn)結(jié)構(gòu)元件60不同地，在此不需要另外的元件來限制垂直于層梯度的信號。由此，結(jié)構(gòu)元件60也可以平面地伸展，并且因此適用于借助矩陣探測器沿位置坐標或繪制的角度坐標執(zhí)行光譜探測。

在圖6中示意性地示出的是，定位23、24中的、在光譜上超過不可透過的波長范圍(阻止范圍)的輸入信號20如何仍然能夠明確地利用所介紹的結(jié)構(gòu)元件60來探測。在輸入信號20的第一定位23上，在光譜上很寬的輸入信號20位于阻止范圍的邊界內(nèi)。探測可以在事先穿過微諧振器10、11后，根據(jù)在之前的實施方案中闡述的原理利用中間信號25和輸出信號25a來進行。在輸入信號20的第二定位24上，在光譜上很寬的輸入信號20超過阻止范圍的邊界，其中，可探測的信號25a的明確的配屬不再是可能的(要么是諧振模式要么是透射光位于阻止范圍外)。由于該原因，通過前置的、局部可變的過濾器部分26抑制位于相應的阻止范圍以外的光譜部分。過濾器部分26既可以起吸收作用(例如功能顏料)，也可以起反射作用(帶通過濾器)。針對過濾器部分26的局部布置，分立的階梯部和層梯度曲線都是可行的。

在圖7中說明了用于將光譜信息轉(zhuǎn)換為位置信息的光譜裝置/光譜測量裝置70，其至少包括：

-光源16，

-探測器30，

-評估單元40，其通過連接線路35與探測器30連接，

-顯示單元17，和

-之前提到的、根據(jù)本發(fā)明的過濾器元件50，

其中，過濾器元件50以如下方式構(gòu)造，即，過濾器元件允許來自光源16的光的在短波透明的區(qū)域內(nèi)穿過過濾器元件50后的短波部分32b通過，并且允許來自光源16的光的在長波透明的區(qū)域內(nèi)穿過過濾器元件50后的長波部分33b通過，以及過濾器元件使光源16的光的在短波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件50后的長波部分31b反射，并且使光源16的光的在長波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件50后的短波部分34b反射。

在圖7中說明了如下光分量：

光源16的光的在短波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件50前的長波部分31a，

光源16的光的在短波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件50后的長波部分31b，

光源16的光的在短波透明的區(qū)域中穿過過濾器元件50前的短波部分32a，

光源16的光的在短波透明的區(qū)域中穿過過濾器元件50后的短波部分32b，

光源16的光的在長波透明的區(qū)域中穿過過濾器元件50前的長波部分33a，

光源16的光的在長波透明的區(qū)域中穿過過濾器元件50后的長波部分33b，

光源16的光的在長波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件50前的短波部分34a，

光源16的光的在長波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件50后的短波部分34b。

根據(jù)本發(fā)明的用于光譜儀70的過濾器元件50的優(yōu)點在于如下：

根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)沿光信號的傳播方向的特別節(jié)省空間的光譜儀70，這是因為在根據(jù)圖7的過濾器元件50和探測器30之間的間距最小的情況下，僅限定了它們的豎直的伸展尺寸和光譜儀70的大小。

如果針對探測器30使用二維元件(矩陣)，那么視在輸入側(cè)上的光學配置而定地可以提高信號質(zhì)量(集成)，或者可以執(zhí)行依賴于位置/角度的光譜測量。

通過使用介電材料，高的靈敏性(諧振傳播接近100％)可以在同時高的選擇性(信號的窄的半值寬度)和有利的信噪比(具有透射＜0.1％的諧振的光譜環(huán)境)的情況下實現(xiàn)。通過選擇過濾器元件-探測器組合的橫向的伸展尺寸以及探測器元件的厚度，附加地得到影響光譜儀的分辨率的可行方案。

使用不統(tǒng)一的層厚走向允許了在一個設施中制造帶有不同的測量范圍的特定的光譜儀(例如：粗略的光譜概圖和高分辨率的片段)。原理結(jié)構(gòu)此外可以被容易地封裝，并且由于很少數(shù)量的必要部件而可以在有特別要求的環(huán)境中使用。

此外，組成部分，例如高分辨率的探測器30，在此是大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品并且過濾器元件50可以以更大的數(shù)量中并行地制造，從而帶有根據(jù)本發(fā)明的光學過濾器元件50的光譜儀70的總成本可以很小。

附圖標記列表

1基底

2高折射率的材料層

3低折射率的材料層

4第一層堆疊件/第一反射器

5第一諧振層

6第二層堆疊件/第二反射器

7第二諧振層

8層堆疊件/反射器

9層堆疊件/反射器

10第一微諧振器

11第二微諧振器

12入射信號

13輸入信號

14中間信號

14a輸出信號

15反射的信號部分

15a透射的信號部分

16光源

17顯示單元

18第一壁元件

19第二壁元件

20輸入信號

21過濾器元件的水平軸線

22傾斜入射的信號

22a被吸收的信號

23定位

24定位

25中間信號

25a輸出信號

26過濾器部分

30探測器

31a光的在短波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件前的長波部分

31b光的在短波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件后的長波部分

32a光的在短波透明的區(qū)域中穿過過濾器元件前的短波部分

32b光的在短波透明的區(qū)域中穿過過濾器元件后的短波部分

33a光的在長波透明的區(qū)域中穿過過濾器元件前的長波部分

33b光的在長波透明的區(qū)域中穿過過濾器元件后的長波部分

34a光的在長波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件前的短波部分

34b光的在長波透明的區(qū)域中照射到過濾器元件后的短波部分

35連接線路

40評估單元

50用于將光譜信息轉(zhuǎn)換為位置信息的過濾器元件

51第一表面

52第二表面

53第一過濾器元件側(cè)

54第二過濾器元件側(cè)

60結(jié)構(gòu)元件

70光譜裝置

h基底的厚度

d諧振器層的厚度

α傳播角

n折射率