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Ultraviolett bis Nahinfrarot Minispektrometer ist kleiner als ein Daumennagel und passt ins Smartphone

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Forscher haben ein Spektrometer vorgestellt, das kleiner als ein Daumennagel ist. Es ist damit um ein Vielfaches kleiner als aktuelle technische Lösungen. Licht lässt sich im ultravioletten bis nahen infraroten Bereich präzise messen.

Das Minispektrometer misst Licht im ultravioletten bis nahen infraroten Bereich. Aufgrund seiner geringen Größe kann es in ein Smartphone integriert werden.(Bild: Brendan O’Connor, North Carolina State University)
Das Minispektrometer misst Licht im ultravioletten bis nahen infraroten Bereich. Aufgrund seiner geringen Größe kann es in ein Smartphone integriert werden.
(Bild: Brendan O’Connor, North Carolina State University)

Forscher haben ein nur daumennagelgroßes Spektrometer entwickelt. Das winzige Gerät kann Lichtwellenlängen vom Ultraviolett bis zum Nahinfrarot genau messen. Damit ist es möglich, die Spektroskopie auch in tragbaren Geräten zu nutzen. Die Minispektrometer läuten zusammen mit einer Vielzahl neuer Sensoren die nächste Generation bildgebender Spektrometer ein.

Das Spektrometer nutzt einen winzigen Photodetektor, der weniger als ein Volt Spannung benötigt, um schnell präzise Daten zu erfassen. Eine CAD-gestützte, 3D-gedruckte Hülle beherbergt das Spektrometer, eine Batterie und einen Bluetooth-Kommunikationschip. Eine UV-LED zusammen mit einem Durchlassfilter sorgt für die notwendige spektrale Erregung. Mikroaperturen und Prismaarrays kanalisieren das Licht für die notwendige genauere Messungen.

„Wir haben ein Spektrometer geschaffen, das schnell arbeitet, wenig Spannung benötigt und auf ein weites Lichtspektrum empfindlich ist“, erklärt Brendan O’Connor, leitender Autor und Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der North Carolina State University. „Unser Prototyp ist nur wenige Quadratmillimeter groß, somit passt er auch in ein Smartphone. Sie könnten ihn sogar auf Pixelgröße reduzieren.“

Photodetektor erkennt die Lichtwellenlängen

Das System nutzt eine In-house-App zur Steuerung von Integrationszeiten, Dunkelwertabzügen und der Speicherung von Spektraldaten. Frühere Miniaturisierungen waren oft komplex und unhandlich, aber dieses neue Design bietet vergleichbare Empfindlichkeit und Genauigkeit zu kommerziellen Geräten.

„Wenn Sie schnell eine Reihe von Spannungen an den Photodetektor anlegen und dabei die aufgefangenen Lichtwellenlängen messen, können einfache Computerprogramme eine genaue Signatur des durchlaufenden oder reflektierenden Lichts rekonstruieren,“ sagt O’Connor weiter. „Der Spannungsbereich liegt unter einem Volt und der gesamte Prozess dauert weniger als eine Millisekunde.“

„Langfristig möchten wir Spektrometer für den Endverbrauchermarkt zugänglich machen“, betont O’Connor. „Die geringe Größe und der niedrige Energiebedarf ermöglichen es, die Technologie in Smartphones zu integrieren, was spannende Anwendungen eröffnet. Das kann sowohl im Alltag als auch in der Forschung sein, etwa für verbesserte Bild- und Mikroskopiespektroskopie.“ Diese bahnbrechende Arbeit wurde mit Unterstützung der National Science Foundation und des Office of Naval Research ermöglicht. (heh)

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