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Spektrale Messungen in miniaturisierter Optik Fraunhofer Forscher zeigen Mikrospektrometer für mobilen Einsatz

Quelle: Pressemitteilung Fraunhofer IOF 2 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
Fraunhofer-Institut fuer Photonische Mikrosysteme
SPECTRO Analytical Instruments GmbH
Labexchange - Die Laborgerätebörse GmbH
LECO Instrumente GmbH

Auf kleinstem Raum bildet es Spektren aus 39 optischen Fasern auf einen Kamerasensor ab: Ein neu entwickeltes Mikrospektrometer vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik ermöglicht mobile Messeinsätze in Qualitätssicherung und Analytik.

Dank seiner kompakten Bauweise ist das Mikrospektrometer robust und lässt sich einfach auch in anspruchsvolle Umgebungen integrieren. Hier in einer beispielhaften Visualisierung zur Anwendung in der Landwirtschaft. (Bild: Fraunhofer IOF)
Dank seiner kompakten Bauweise ist das Mikrospektrometer robust und lässt sich einfach auch in anspruchsvolle Umgebungen integrieren. Hier in einer beispielhaften Visualisierung zur Anwendung in der Landwirtschaft.
(Bild: Fraunhofer IOF)

Wer das Licht von vielen, entfernten Messpunkten spektral analysieren will, kann entweder mehrere separate Mikrospektrometer oder aufwändige Laborgeräte nutzen. Für flexible oder sogar mobile Anwendungen ist aber beides nicht praktikabel. Ein Team vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (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.

Spektrometer-Array aus 39 optischen Fasern

Ohne den Bildsensor sind die 39 Spektren am Ausgang der Optik zu erkennen. (Bild: Fraunhofer IOF)
Ohne den Bildsensor sind die 39 Spektren am Ausgang der Optik zu erkennen.
(Bild: Fraunhofer IOF)

Auf der Analytica 2024 präsentieren die Fraunhofer Forscher einen Demonstrator mit der neuen Spektrometer-Optik. Für die Verarbeitung der mit Glasfasern übertragenen Signale haben die Wissenschaftler aus Jena ein spezielles mikrooptisches System entwickelt. Es besteht aus vielen, nebeneinander angeordneten Spektrometern und bildet auf diese Weise ein so genanntes 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

Das fasergekoppelte Mikrospektrometer-Array bildet 39 Spektren auf einen CMOS-Sensor ab.(Bild: Fraunhofer IOF)
Das fasergekoppelte Mikrospektrometer-Array bildet 39 Spektren auf einen CMOS-Sensor ab.
(Bild: Fraunhofer IOF)

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 1.600 Nanometer erweitert werden – auch unterschiedliche Parameter der Kanäle sind denkbar.

Labortechnik live entdecken: Fraunhofer-Stand auf der Analytica 2024

Das Team vom Fraunhofer IOF präsentiert das kompakte Mikrospektrometer mit 39 optischen Fasern auf der Analytica 2024 in München vom 9. bis 12. April: Halle A3, Stand 407.

Fasergekoppeltes Scanning Mirror Micro Spektrometer (SMMS) mit einem Spektralbereich von 1.000 bis 1.900 nm. (Bild: Fraunhofer IPMS)
Fasergekoppeltes Scanning Mirror Micro Spektrometer (SMMS) mit einem Spektralbereich von 1.000 bis 1.900 nm.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Dort sind u. a. auch Kollegen vom Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS vor Ort, die eine nicht-resonante Scanning Mirror Micro Spectrometer (SMMS)-Plattform entwickelt haben. Diese bietet eine kompakte Alternative zu teuren auf Zeilensensoren basierenden Tischgeräten und ermöglicht darüber hinaus eine individuelle Spektrometerkonfiguration.

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