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2022Metadata
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Dissertation
Entwicklung eines Nanospektrometer-Demonstrators für den sichtbaren Spektralbereich
Abstract
Ein miniaturisiertes optisches Spektrometer auf Basis eines Fabry-Pérot-Filter-Arrays wird für den sichtbaren Spektralbereich als Demonstrator realisiert. Hierfür wird ein FP-Filter-Array mit einem optischen Bandpass-Filter in eine Graustufen-CCD-Kamera integriert und ein Algorithmus zur Signalverarbeitung implementiert. Die Kalibrierung des Spektrometers wird experimentell mit Hilfe einer durchstimmbaren Lichtquelle durchgeführt, die in dieser Arbeit konstruiert und verifiziert wird. Die Bezeichnung des Spektrometers als Nanospektrometer leitet sich aus der beim Herstellungsprozess zentralen Nanoimprint-Technologie ab. Die maximale Transmission der Filterlinien des Arrays liegt bei über 90% und im Mittel in der Größenordnung von 55%. Die gemessenen Halbwertsbreiten betragen (3.5 ± 1.0) nm und (2.8 ± 0.6) nm. Zusammen überspannen die FP-Filter-Arrays, von denen drei unterschiedliche Designs getestet werden, Spektralbereiche von 520 - 600 nm, 510 - 590 nm und 485 - 708 nm. Die Signalverarbeitung des Demonstrators basiert auf einem adaptiven Filter in Kombination mit einem LMS-Algorithmus.
Sie wird im Hinblick auf das Konvergenzverhalten und die Stabilität des LMS-Algorithmus untersucht und optimiert. Die Korrelation zwischen Eingangs- und Ausgangs-Signal des Demonstrators wird experimentell mit Hilfe einer durchstimmbaren Lichtquelle bestimmt. Die durchstimmbare Lichtquelle ist modular designt, sodass sie für einen breiten Spektralbereich von UV bis IR (180 - 2000 nm) genutzt werden kann. Der Aufbau erlaubt es einen automatischen Scan über einen vordefinierten Spektralbereich durchzuführen und gleichzeitig die Ausgangssignale des Nanospektrometer-Demonstrators aufzuzeichnen.
Sie wird im Hinblick auf das Konvergenzverhalten und die Stabilität des LMS-Algorithmus untersucht und optimiert. Die Korrelation zwischen Eingangs- und Ausgangs-Signal des Demonstrators wird experimentell mit Hilfe einer durchstimmbaren Lichtquelle bestimmt. Die durchstimmbare Lichtquelle ist modular designt, sodass sie für einen breiten Spektralbereich von UV bis IR (180 - 2000 nm) genutzt werden kann. Der Aufbau erlaubt es einen automatischen Scan über einen vordefinierten Spektralbereich durchzuführen und gleichzeitig die Ausgangssignale des Nanospektrometer-Demonstrators aufzuzeichnen.
A miniaturized optical spectrometer based on a Fabry-Pérot filter array is developed as a demonstrator for the visible spectral range. For this purpose, an
FP filter array with an optical bandpass filter is integrated into a grayscale CCD camera and an algorithm for signal processing is implemented. The calibration of the spectrometer is carried out experimentally with the help of a tunable light source, which is constructed and verified in this work. The manufacturing process of the FP filter arrays is based on nanoimprint technology, from which the designation of the spectrometer as a nanospectrometer is derived.The maximum transmission of the filter lines of the array is over 90% and on average in the order of 55%. The measured FWHM are (3.5 ± 1.0) nm and (2.8 ± 0.6) nm. The FP filter arrays, of which three different designs are tested, span spectral ranges of 520 - 600 nm, 510 - 590 nm and 485 - 708 nm. The signal processing of the demonstrator is based on an adaptive filter in combination with an LMS algorithm. It is investigated and optimized with regard to the convergence behavior and stability of the LMS algorithm. The correlation between the input and output signal of the demonstrator is determined experimentally with the help of a tunable light source. The tunable light source has a modular design so that it can be used for a wide spectral range from UV to IR (180 - 2000 nm). The setup enables to perform an automatic scan over a predefined spectral range and at the same time record the output signals of the nanospectrometer demonstrator.
FP filter array with an optical bandpass filter is integrated into a grayscale CCD camera and an algorithm for signal processing is implemented. The calibration of the spectrometer is carried out experimentally with the help of a tunable light source, which is constructed and verified in this work. The manufacturing process of the FP filter arrays is based on nanoimprint technology, from which the designation of the spectrometer as a nanospectrometer is derived.The maximum transmission of the filter lines of the array is over 90% and on average in the order of 55%. The measured FWHM are (3.5 ± 1.0) nm and (2.8 ± 0.6) nm. The FP filter arrays, of which three different designs are tested, span spectral ranges of 520 - 600 nm, 510 - 590 nm and 485 - 708 nm. The signal processing of the demonstrator is based on an adaptive filter in combination with an LMS algorithm. It is investigated and optimized with regard to the convergence behavior and stability of the LMS algorithm. The correlation between the input and output signal of the demonstrator is determined experimentally with the help of a tunable light source. The tunable light source has a modular design so that it can be used for a wide spectral range from UV to IR (180 - 2000 nm). The setup enables to perform an automatic scan over a predefined spectral range and at the same time record the output signals of the nanospectrometer demonstrator.
Citation
@phdthesis{doi:10.17170/kobra-202209066824,
author={Istock, André Timo},
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school={Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik},
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