Kompakte Gitterspektrometer

Fraunhofer IPMS ist Anbieter vollwertiger und gleichzeitig kostengünstiger Gitterspektrometer. Gegenüber dem marktüblichen Einsatz von teuren Detektorzeilen beruhen unsere Spektrometer auf einer vorteilhaften Kombination aus MEMS-Technologie und preiswerten Punktdetektoren. Hin zu langwelligeren Einsatzbereichen verstärkt sich der Kostenvorteil deutlich. Darüber hinaus sind Wellenlängenbereiche adressierbar, für welche keine Detektorzeilen am Markt verfügbar sind. Für unsere Kunden decken wir alle Bereiche der Wertschöpfungskette ab, beginnend ab Studien über Design und Entwurf bis hin zu Modulen und Komplettsystemen. Unsere Produktionskapazitäten ermöglichen es uns, als verlässlicher Partner von Erstmustern bis hin zur Pilotfertigung in kleinen, mittleren und hohen Stückzahlen aufzutreten.

Kompaktes, modular aufgebautes NIR-Gitterspektrometer mit SMA-Fasereingang (Customer Evaluation Kit CEK) — © Fraunhofer IPMS
Kompaktes, modular aufgebautes NIR-Gitterspektrometer mit SMA-Fasereingang (SMMS-1900-SMA-CEK)

Was wir Ihnen anbieten:

Customer Evaluation Kits in verschiedenen Ausführungsvarianten
Entwicklung von NIR-Gitterspektrometern und kompletter Messaufbauten nach Kundenwunsch
Anpassen des Spektralbereichs, auch für Messaufgaben im ultravioletten (UV) und sichtbaren (VIS) Spektalbereich
Bereitstellung kundenspezifischer
- NIR-Gitterspektrometer (Erstmuster)
- MEMS-Spiegel im Package oder Modul
- MEMS-Spiegel als Bare-Die (Known Good Die, KG)
Lizenzierung von Technologien und Ausführungsvarianten
Unterstützung bei Optikdesign, Optomechanikdesign, Prozesstransfer bis hin zu vollständigen Entwicklungsleistungen (Customising)

Sprechen Sie uns gerne an!

Vorteile für Ihr Vorhaben

Vollwertige NIR-Spektrometer ohne teure Detektorzeile
Kundenspezifische Spektralbereiche möglich, auch im ultravioletten (UV) und sichtbaren Bereich (VIS)
Geringe Einstiegshürden durch verfügbare Customer Evaluation Kits
Großer Spielraum für kundenspezifische Anpassungen (Auflösung, Baugröße, etc.)
Breites Einsatzspektrum von Labor über Vor-Ort-Analytik bis hin zu ultramobilen Anwendungen
Zugriff auf umfangreiche Entwicklungserfahrung bei Spektrometern und deren Komponenten
One-Stop-Shop vom Konzept über Erstmuster bis hin zur Pilotfertigung
Verlässlicher Partner entlang der gesamten Wertschöpfungskette

Miniaturisiertes NIR-Gitterspektrometer mit den Außenabmessungen — © Fraunhofer IPMS
Miniaturisiertes NIR-Gitterspektrometer mit Freistrahleinkopplung und einem Gesamtvolumen von 0,85 cm³ (bezogen auf den Sensorkopf)

Funktionsweise - Unsere NIR-Gitterspektrometer im Detail

© Fraunhofer IPMS
Funktionsskizze eines Scanning Micro Mirror Spectrometer (SMMS).

Zu analysierende Strahlung (1) gelangt durch einen Eintrittspalt (2) in das Spektrometer und wird über einen Kollimationsspiegel (3) sowie einen MEMS-Spiegel auf ein Beugungsgitter (5) geleitet.

Nach spektralem Aufspalten am Gitter durchläuft die Strahlung erneut den MEMS-Spiegel und gelangt nach Fokussierung durch einen zweiten Spiegel (6) zum Austrittspalt (7) und dem dahinter angeordneten Detektor (8).

Ein- und Austrittspalt begrenzen die am Detektor auftreffende Strahlung auf einen spektral schmalen Ausschnitt. Strahlung, die nicht zum Detektor gelangt, wird im Spektrometer durch Methoden der Streu- und Falschlichtunterdrückung eliminiert.

Mittels Drehbewegung des Planspiegels im MEMS wird der gesamte Spektralbereich zeitsequenziell am Detektor durchlaufen. Der elektrostatische Antrieb und eine hochgenaue Auslenkungssensorik sind integrierte Bestandteile des MEMS-Spiegels. Integrierte Elektronik und Firmware vervollständigen das Gitterspektrometer.

Customer Evaluation Kits

Mögliche Spezifikationen unserer NIR-Spektrometer sind:

Option	Messbereich [nm]	Auflösung¹, FWHM [nm]	Wellenlängen- Stabilität	Eingangs- Port	Detektor	Detektor TE-gekühlt
SMMS-1900- SMA-CEK	1000 - 1900	10	tbd	Faser²	InGaAs	Nein⁴
SMMS-2200- SMA-CEK	1100 - 2200	10	tbd	Faser²	Ext. InGaAs	Ja
SMMS-2500- SMA-CEK	1250 - 2500	12	tbd	Faser^2;3	Ext. InGaAs	Ja
^{1) Spaltbreite und Auflösung konfigurierbar, 2) Freistrahleinkopplung auf Anfrage, 3) Fluorid-Faser mit reduzierter Transmission unterhalb 2000 nm, 4) TE-Kühlung auf Nachfrage}

Anwendungsgebiete

Neben dem Einsatz im ultravioletten (UV) und sichtbaren (VIS) Spektralbereich sind Gitterspektrometer insbesondere für den Einsatz im nahen Infrarot (NIR) bestens geeignet.

Organische Substanzen vielfältigster Art lassen sich im NIR hervorragend analysieren. Generell ermöglichen Gitterspektrometer sowohl das qualitative als auch quantitative Bewerten von Materialien und Materialgemischen.

Besonders vorteilhaft sind die große Eindringtiefe von Strahlung im nahinfraroten Spektralbereich, welche mit einer intrinsischen Mittelung über ein aussagekräftiges Probenvolumen nebst einer geringen Anfälligkeit gegenüber Verschmutzungen der Probenoberfläche einhergeht. Eine Probenvorbereitung ist nicht oder nur in geringem Maß erforderlich. Mittels Fasersonden lassen sich auch schwerzugängliche Proben, oder Proben welche unter großem Druck oder hoher Temperatur stehen, zuverlässig messen.

Verglichen mit konkurrierenden Spektrometern ist der technische Aufbau einfach und robust. Einfache Handhabbarkeit sowie geringe Kosten machen NIR-Gitterspektrometer zu einem idealen Analyseverfahren entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Branchen

Land- und Fortstwirtschaft

Anbau von Pflanzen
Tierhaltung
Saatgutaufbereitung

Verarbeitendes Gewerbe

Nahrungs- und Futtermittel
Chemie & Pharmazie
Textilien, Kunstroffe, Papier

Wasser- und Abfallwirtschaft

Wasserver- und -entsorgung
Sortieren
Rückgewinnen

Handel

Großhandel
Lebensmitteleinzelhandel
Erkennen von Fälschungen

Verkehr und Lagerwirtschaft

Rohrfernleitungen
Güterbeförderung
Frischeüberwachung

Forschung & Lehre

Feldanalytik
Laboranalytik
Lehre & Ausbildung

Trends

Unser stetiges gesellschaftliches Streben nach Verbesserung von Gesundheit, Wohlstand und Lebensqualität geht mit immer neuen Fragen an unsere Umwelt einher. Fragen, für deren Beantwortung die Spektralanalytik ein unverzichtbares Werkzeug dargestellt und sich dabei auf die zeitlosen Anwendungsgebiete – Bewerten, Kontrollieren und Steuern – stützt.

Aktuelle Herausforderungen erwachsen exemplarisch aus klimatischen Veränderungen, die sowohl mit der quantitativen als auch qualitativen Sicherung der Wasser- und Nahrungsversorgung sowie dem generell schonenden Umgang mit begrenzten Ressourcen verbunden sind.

Neue Materialien, biomedizinische Verfahren und individuelle Gesundheitsvorsorge bieten erhebliche Potentiale, erfordern zeitgleich aber neuartige Analytik bei Herstellung und Einsatz. Das Streben nach Verbesserung ist zudem nicht mehr auf Industrieländer begrenzt, sondern enthält globale Teilhabe als wesentlichen Faktor. Damit einher gehen veränderte Anforderungsprofile hinsichtlich Herstell- und Einsatzkosten sowie Einsatzbedingungen.

Allen Trends gemein ist ein steigender Bedarf nach kosteneffizienten und autark agierenden Spektrometern, welche in dezentralen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Interaktiver Showroom

Video

How does near-infrared spectroscopy work?

Weiterführende Literatur

Grueger, Heinrich, Jens Knobbe, Lion Augel, and Ireneusz Jablonski. "Artificial intelligence for the calibration of mobile spectral analyzers." In EASS–Energieautonome Sensorsysteme 2024; 12. GMM-Tagung, pp. 70-72. VDE, 2024.
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10659697
Grüger, Heinrich. "MOEMS and MEMS‐Technology, Benefits & Uses." Portable Spectroscopy and Spectrometry (2021): 89-113.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/9781119636489.ch5
Krause, Julius, Heinrich Grüger, Lucie Gebauer, Xiaorong Zheng, Jens Knobbe, Tino Pügner, Anna Kicherer, Robin Gruna, Thomas Längle, and Jürgen Beyerer. "SmartSpectrometer—embedded optical spectroscopy for applications in agriculture and industry." Sensors 21, no. 13 (2021): 4476.
https://www.mdpi.com/1424-8220/21/13/4476
Pügner, Tino, Jens Knobbe, and Heinrich Grüger. "Near-infrared grating spectrometer for mobile phone applications." Applied spectroscopy 70, no. 5 (2016): 734-745.
https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/0003702816638277
Pügner, Tino. "Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement." (2015).
https://tud.qucosa.de/landing-page/?tx_dlf[id]=https%3A%2F%2Ftud.qucosa.de%2Fapi%2Fqucosa%253A29245%2Fmets
Hintschich, S. I., Tino Pügner, Jens Knobbe, Julia Schröder, Peter Reinig, Heinrich Grüger, and Harald Schenk. "MEMS-based miniature near-infrared spectrometer for application in environmental and food monitoring." International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems 7, no. 5 (2014): 1-5.
https://sciendo.com/pdf/10.21307/ijssis-2019-094
Puegner, Tino, Jens Knobbe, and Hubert Lakner. "Basic angles in microelectromechanical system scanning grating spectrometers." Applied Optics 50, no. 24 (2011): 4894-4902.
https://opg.optica.org/ao/fulltext.cfm?uri=ao-50-24-4894&id=22196
7