WO2008017490A2

WO2008017490A2 - Optisches filter und verfahren zur herstellung desselben, sowie vorrichtung zur untersuchung elektromagnetischer strahlung

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Publication number: WO2008017490A2
Application number: PCT/EP2007/007075
Authority: WO
Inventors: Hartmut Hillmer; Wolfgang KÖCHER; Jürgen KRIEG; Carl Sandhagen; Hardy Hoheisel; Winfried Willemer
Original assignee: OPSOLUTION GmbH; OPSOLUTION NANOPHOTONICS GmbH
Current assignee: OPSOLUTION GmbH; OPSOLUTION NANOPHOTONICS GmbH
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2009-02-09
Also published as: CN104316987A; EP2057446A2; US8629986B2; US20140151575A1; US20110043823A1; US9244208B2; WO2008017490A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Filter und ein Verfahren zu seiner Herstellung, sowie auf eine Vorrichtung zur Untersuchung der spektralen und örtlichen Verteilung einer elektromagnetischen, von einem Gegenstand ausgehenden Strahlung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstig herstellbares optisches Filter der oben beschriebenen Art vorzuschlagen, mit dem eine Mehrzahl von Wellenlängen detektiert werden kann, bei dem aber eine Durchstimmung durch Verschiebung der DBR-Spiegel nicht erforderlich ist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Filters vorgeschlagen werden. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Filterarrays mit zwei DBR-Spiegeln und einer zwischen diesen vorhandenen Kavität, die eine Vielzahl von unterschiedliche Höhen aufweisenden, je ein Fabry-Perot-Filterelement bildenden Kavitätsabschnitten enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Aufbringen eines ersten DBR-Spiegels auf ein Substrat, Ausbildung einer aus einem Kavitätsmaterial bestehenden Schicht auf dem DBR-Spiegel, wobei diese Schicht durch Anwendung eines Nanoimprint- Verfahrens mit der Vielzahl der die Filterelemente bis bildenden Kavitätsabschnitte versehen wird, und Aufbringen des zweiten DBR-Spiegels auf das Kavitätsmaterial mit einer durch die unterschiedlichen Höhen der Kavitätsabschnitte vorgegebenen Strukturierung.

Description

Optisches Filter und Verfahren zur Herstellung desselben, sowie Vorrichtung zur Untersuchung elektromagnetischer Strahlung

Die Erfindung betrifft ein optisches Filter und ein Verfahren zu seiner Herstellung, sowie auf eine Vorrichtung zur Untersuchung der spektralen und örtlichen Verteilung einer elektromagnetischen, von einem Gegenstand ausgehenden Strahlung.

FQr die Messtechnik, Analytik, Datenspeicherung, Bildspeicheruπg und Bildverarbeitung sowie ganz allgemein für die optische Tele- und Datenkommunikation werden vielfach optoelektronische, insbesondere als optische Filter ausgebildete Bauelemente benötigt, die auf eine von mehreren benachbarten Wellenlängen abgestimmt werden können. Filter dieser Art bestehen beispielsweise aus sogenannten Fabry-Perot-Filtem, die mindestens zwei durch eine Kavität getrennte DBR-Spiegel aufweisen (DBR - Distributed Bragg Reflector). Derartige Filter sind in einem durch ihre Konstruktion vorgewählten, als Stopband bezeichneten Wellenlängenbereich reflektierend, in einem innerhalb dieses Stopbandes liegenden, schmalen Durchlaßband (- Dip) dagegen transmittierend. Die DBR-Spiegel enthalten zu diesem Zweck wenigstens je eine Schichtenperiode, die aus zwei oder mehr Schichten mit unterschiedlichen Dicken und/oder Brechungsindizes besteht. Die Zahl der Schichtenperioden ist meistens ganzzahlig, kann aber auch halbzahlig sein, z. B. wenn am Ende eines aus Schichtenperioden gebildeten Stapels nicht alle Schichten der betreffenden Periode zu liegen kommen. Durch die Zahl der Schichtenperioden und den Brechungsindexkontrast können die Breite des Stopbandes und das Reflektivitätsprofil im Stopband und durch die optische Länge der Kavität die Lage des Transmissionsbandes bzw. die Lage von dessen Zentral- oder Hauptwellenlänge gewählt bzw. bestimmt werden. Schließlich ist es bei Fabry-Perot-Filtem möglich, die Hauptwellenlänge des Transmissionsbandes innerhalb des durch das Stopband vorgegebenen Durchstimmbereichs dadurch zu verändern, daß die geometrische und damit auch die optische Länge der Kavität durch Verschiebung der beiden DBR-Spiegel relativ zueinander verändert wird. Das Bauelement kann auf diese Weise auf eine von mehreren Wellenlängen λl , λ2 λn abgestimmt werden. Optische Bauelemente der beschriebenen Art sind allgemein bekannt (z. B. DE 103 18 767 Al). Bekannt ist auch, daß sich bei ihrer Anwendung der Nachteil ergibt, daß eine Durchstimmung des Filters im gesamtem Stopband meistens aus kontruktiven Gründen nicht möglich oder mit einem hohen technischen Aufwand verbunden ist. Zur Vermeidung dieses Nachteils könnten zwar mehrere Filter mit unterschiedlichen Durchstimmbereichen vorgesehen werden, doch wäre dies ebenfalls aufwendig. Abgesehen davon ist es häufig unerwünscht, das Filter durch relative Verschiebung der DBR-Spiegel durchzustimmen, insbesondere wenn es dem Zweck dienen soll, in einer von einer Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung (z. B. Licht) die Intensität bei einer definierten Wellenlänge zu bestimmen bzw. festzustellen, mit welcher Wellenlänge einer Vielzahl von möglichen Wellenlängen die Strahlung momentan von der Strahlungsquelle abgestrahlt wird.

Ausgehend davon liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein kostengünstig herstellbares optisches Filter der oben beschriebenen Art vorzuschlagen, mit dem eine Mehrzahl von Wellenlängen detektiert werden kann, bei dem aber eine Durchstimmung durch Verschiebung der DBR-Spiegel nicht erforderlich ist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Filters vorgeschlagen werden.

Zur Lösung dieses technischen Problems dienen erfindungsgemäß die Merkmale der Ansprüche 1 und 19.

Durch die Erfindung wird in vorteilhafter Weise ein optisches Filter geschaffen, das wenigstens zwei Filterelemente enthält, die je ein charakteristisches Transmissionsband aufweisen. Mit ganz besonderem Vorteil ist das Filter außerdem mit einer zugehörigen, fotoelektronischen Detektoreinrichtung versehen und mit dieser zu einem ein- oder zweistückigen, optoelektronischen Bauelement verbunden. Dadurch sind nicht nur die verschiedenen Filterelemente des Filters, sondern auch die zur Erkennung oder Unterscheidung der Transmissionsbänder bzw. zur spektralen Auswertung der aufgenommenen Strahlung erforderlichen Fotoelemente in einem und demselben Bauelement integriert. Dabei ist es möglich, die charakteristischen Transmissionsbänder und/oder die spektrale Verteilung der aufgenommenen Strahlung durch bloßes Abfragen der Fotoelemente, d.h. ohne mechanisches Durchstimmen des Filters erkennbar zu machen. Mit besonderem Vorteil wird daher ein Bauelement vorgeschlagen, das nicht zur zwei, sondern eine Vielzahl von Filterelementen mit entsprechend vielen unterschiedlichen Transmissionsbändern aufweist. Ein derartiges Bauelement ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vergleichsweise einfachen Mitteln herstellbar, insbesondere wenn die Filterelemente nur durch die Dicke ihrer Kavitätsschicht voneinander unterschieden werden und das Filter unmittelbar auf einem Substrat aufgebaut wird, das z. B. eine in CMOS-Technologie hergestellte Detektoreinrichtung aufweist.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Wie eingangs bereits aufgegriffen richtet sich die Erfindung weiterhin auch auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 25 angegebenen Gattung und deren Anwendung.

In der Medizin wird zur nicht-invasiven Diagnostik und Therapiekontrolle zunehmend die sog.

Remissionsspektroskopie angewandt. Da die Intensität der von einem Gewebe, der Haut od. dgl. abgegebenen Remissionsstrahlung hierbei in der Regel sowohl vom Ort als auch von der spektralen Verteilung abhängt, werden Sensor- bzw. Detektoreinrichtungen benötigt, die sowohl eine örtliche als auch eine spektrale Auflösung ermöglichen. Die bisher verfügbaren

Detektoreinrichtungen sind für diesen Zweck noch nicht optimal.

In der Fernsehtechnik sind z. B. CCD-Sensorarrays bekannt, die aus einer Vielzahl von Bildsensoren bzw. Sensorelementen und auf diese aufgelegten Farbfiltern bestehen. Die Farbfilter werden z. B. aus Polymerfolien und in diese eingebrachten, für die Farben Rot, Blau und Grün empfindlichen Filterelementen hergestellt. Für die Remissionsspektroskopie sind derartige Bauelemente wegen der nur drei erfassbaren Spektralbereiche nicht oder nur begrenzt geeignet.

Daneben werden insbesondere in der Tele- und Datenkommunikation optoelektronische Bauelemente mit Farbfiltern in Form von Fabry-Perot-Filtern verwendet, denen je ein

Fotoelement od. dgl. zugeordnet ist (z. B. DE 103 18 767 Al). Derartige Filter weisen wenigstens zwei, durch eine Kavität getrennte DBR-Spiegel (DBR = Distributed Bragg Reflector) auf und sind in einem durch ihre Konstruktion vorgewählten, als Stopband bezeichneten

Wellenlängenbereich reflektierend, in wenigstens einem innerhalb dieses Stopbandes liegenden, schmalen Transmissionsband (= Dip) dagegen transmittierend. Filter dieser Art haben den Vorteil, dass das Transmissionsband innerhalb eines durch das Stopband vorgegebenen

Durchstimmbereichs verändert werden kann, indem z. B. die geometrische und damit auch die optische Länge der Kavität durch Verschiebung der beiden DBR-Spiegel relativ zueinander verändert wird. Das Bauelement kann auf diese Weise bei Anwendung eines einzigen Sensor- elements auf eine von vielen Wellenlängen λl, 12 .... λn abgestimmt werden. Allerdings ergibt sich der Nachteil, dass es keine Ortsauflösung ermöglicht und eine Durchstimmung des Filters im gesamten Stopband meistens aus konstruktiven Gründen nicht möglich oder mit einem hohen technischen Aufwand verbunden ist. Für die Remissionsspektroskopie sind solche Bauelemente ebenfalls wenig geeignet.

Für die Remissionsspektroskopie in der Medizin werden daher bis heute überwiegend Vorrichtungen der eingangs bezeichneten Gattung benutzt, die als ein Strahlung aufnehmendes Element eine dünne Lichtleitfaser enthalten, deren eines Ende auf ein zu prüfendes Gewebe oder z. B. auf die menschliche Haut aufgesetzt wird und deren anderes Ende zu einem Spektrometer führt, das zur Untersuchung der spektralen Intensitätsverteilung des remittierten Lichts z. B. mit einem Prisma, einem Gitter od. dgl. und einer diesem nachgeschalteten CCD-Kamera versehen ist (z. B. Applied Optics, 1. Juni 1998, Vol. 37, No. 16, S. 3586 bis 3593 oder Applied Optics, 1. Januar 2002, Vol. 41, No. 1, S. 182 bis 192). Eine Ortsauflösung neben der spektralen Auflösung erfordert dabei eine Vielzahl von solchen Lichtleitfasern und zugehörigen Spektrometern oder ein Spektrometer, das dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von Lichtleitfasern nacheinander abzutasten. Beides ist mit viel Aufwand verbunden und daher unerwünscht. Entsprechend aufwändig wäre es, eine einzige Lichtleitfaser vorzusehen und diese über die abzutastenden Bereiche zu bewegen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, die Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß sie gleichzeitig eine Ortsauflösung und eine spektrale Auflösung ermöglicht, ohne daß hierfür ein bewegliches Bauteil, eine Vielzahl von Spektrometern oder ein abstimmbares Filter benötigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 25.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, die in einem gemeinsamen Sensor sowohl fotoelektrische Sensorelemente als auch wenigstens vier, vorzugsweise jedoch wesentlich mehr als vier Filterelemente mit unterschiedlichen spektralen Durchlaßeigenschaften in sich vereinigt. Dadurch werden spezielle Spektrometer od. dgl. und/oder bewegbare Teile nicht mehr benötigt. Es genügt vielmehr, den Sensor auf den zu prüfenden Gegenstand, z.B. die menschliche Haut oder ein Gewebe, aufzulegen und die vorhandenen fotoelektrischen Sensorelemente mit elektrischen Mitteln abzufragen. Ein Durchstimmen des Filters ist dazu nicht erforderlich. Dabei wird durch jedes Filterelement sowohl eine spektrale Information als auch eine örtliche Information erhalten. Beim Vorhandensein einer großen Anzahl von Filterelementen, die für jeweils andere Spektralbereiche durchlässig sind, kann außerdem dadurch, daß mehr oder weniger der Filterelemente zu einem die Ortsinformation liefernden Makropixel zusammengefaßt werden, wahlweise die Ortsauflösung oder die spektrale Auflösung vergrößert oder verkleinert werden.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem die Anwendung der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 60 und 61.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines erfϊndungsgemäßen optischen Filters mit zwei DBR- Spiegeln und einer zugehörigen Detektoreinrichtung;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch zwei Filterelemente des Filters nach Fig. 1, wobei die Spiegelkrümmung eines oberen DBR-Spiegels nicht dargestellt ist;

Fig. 3 schematisch mögliche Transmissionsbänder eines Fabry-Perot-Filters für eine vorgwählte geometrische Länge der Kavität;

Fig. 4 schematisch und beispielhaft vier mit dem Filter nach Fig. 1 erhaltene Transmissionsbänder; und

Fig. 5a bis 5c und 6a bis 6c schematisch verschiedene Schritte von zwei Ausführungsbeispielen zur Herstellung des mit der Detektoreinrichtung versehenen Bauelements nach Fig. 1 ;

Fig. 7 einen grob schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung der spektralen und örtlichen Verteilung einer elektromagnetischen Strahlung;

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf die erfϊndungsgemäße Vorrichtung mit einem ersten Ausführungsbeispiel für eine mögliche Anordnung von Sensor- und Filterelementen;

Fig. 9 eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem zweiten

Ausführungsbeispiel für eine mögliche Anordnung von Sensor- und Filterelementen;

Fig. 10 eine schematischen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei ihrer Anwendung zur Untersuchung von Remissionsspektren;

Fig. 11 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 10;

Fig. 12 einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei ihrer Anwendung zur Untersuchung von Transmissionsspektren;

Fig. 13 schematisch die Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Tomographie;

Fig. 14 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer bevorzugten erfindungsgemäßen

Vorrichtung mit zwei DBR-Spiegeln und einer zugehörigen Sensoreinrichtung.

Fig. 15 schematisch und beispielhaft vier mit Filterelementen der Vorrichtung nach Fig. 14 erhaltene Transmissionsbänder.

Fig. 16 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine mögliche Anordnung von Sensor- und filterelementen auf getrennten Substraten

Fig. 17 einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der das Substrat der Filtereinrichtung gleichzeitig das Fenster des Gehäuses des optoelektronischen Bauelementes bildet.

Fig. 18 schematisch ein Ausführungsbeispiel für die vollständige oder teilweise Ausführung oder Anbringung weiterer optische Funktionen in oder an das Fenster

Fig. 19 schematisch die Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Transmissions- oder Absorptionsmessung Fig. 20 schematisch die Anordnung die die erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzt

Fig. 21 schematisch eine weitere Anordnung die die erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzt

Fig. 22 einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit integrierter Lichtquelle

Nach Fig. 1 enthält ein erfindungsgemäßes Bauelement ein beispielsweise aus Silizium bestehendes Substrat 1 und ein auf diesem angeordnetes, als Ganzes mit dem Bezugszeichen 2 versehenes, optisches Filter 2. Das Filter 2 enthält einen auf dem Substrat 1 aufliegenden, ersten

DBR-Spiegel 3, einen zweiten DBR-Spiegel 4, der auf einer vom Substrat 1 abgewandten Seite des ersten DBR-Spiegels 3 und mit Abstand von diesem angeordnet ist, und eine zwischen den beiden DBR-Spiegeln 3 und 4 vorgesehene Kavität, die in Fig. 1 als Ganzes mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet ist. Das komplette Bauelement stellt daher einen im wesentlichen aus vier übereinander liegenden Schichten bestehenden Mehrschichtkörper dar. Alle diese Schichten sind im wesentlichen über die ganze, z. B. in x-Richtung eines gedachten, kartesischen

Koordinatensystems verlaufende Länge und die ganze, z. B. y-Richtung des gedachten

Koordinatensystems verlaufende Breite des Bauelements erstreckt. Dabei haben je eine das Substrat 1 bildende Schicht und eine den ersten DBR-Spiegel 3 bildende Zone senkrecht zur xy-

Ebene des gedachten Koordinatensystems, d. h. in z-Richtung, durchgehend im wesentlichen dieselbe Dicke.

Wie Fig. 1 weiter zeigt, ist auf dem ersten DBR-Spiegel 3 eine Schicht aus einem die Kavität 5 bildenden Material angeordnet. Diese Schicht hat parallel zur z-Richtung eine unterschiedliche

Dicke. Insbesondere hat die von der Schicht gebildete Kavität 5 in einem Abschnitt 5a eine vergleichsweise kleine Dicke, in einem Abschnitt 5b eine etwas größere Dicke und in Abschnitten

5c und 5d noch etwas größere Dicken. Geometrische Längen 11 bis 14 der Kavität 5 in diesen

Abschnitten 5a bis 5d haben daher sämtlich unterschiedliche Werte. Zwischen den Abschnitten 5a bis 5d befinden sich Trennbereiche 6, in denen das Kavitätsmaterial z. B. eine vorgewählte, konstante Dicke hat und die die Abschnitte 5a bis 5d der Kavität 5 räumlich voneinander trennen.

Auf der aus dem Kavitätsmaterial gebildeten Schicht befindet sich eine den zweiten DBR-Spiegel

4 bildende Zone. Diese Zone hat in Fig. 1 - in z-Richtung betrachtet - überall dieselbe Dicke. Daher haben die Unter- und Oberseiten dieser Zone eine Kontur bzw. Strukturierung, die der in Fig. 1 oberen Kontur bzw. Strukturierung der Kavität 5 entspricht. Der in z-Richtung gemessene Abstand der Unter- und Oberseite des DBR-Spiegels 4 ist in Fig. 1 im wesentlichen überall derselbe.

Aufgrund der beschriebenen Ausbildung der Kavität 5 enthält das Filter 2 im Ausführungsbeispiel vier Filterelemente 2a bis 2d, wie in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, wobei jedes Filterelement 2a bis 2d aus einem der Abschnitte 5a bis 5d der Kavität 5 und je einem zugehörigen Abschnitt der DBR-Spiegel 3 und 4 gebildet ist. In der Draufsicht, d. h. in der xy- Ebene, haben diese Filterelemente 2a bis 2d bevorzugt eine Kreisform, obwohl sie im Prinzip auch andere Umfangskonturen haben könnten.

Alternativ zur obigen Beschreibung kann das Bauelement weitere Filterelemente aufweisen, die mit den beschriebenen Filterelementen 2a bis 2d identisch sind. So wäre es z. B. möglich, jeder Filterelement 2a bis 2d aus Redundanzgründen zweimal im Bauelement vorzusehen.

Bei dem Substrat 1 handelt es sich vorzugsweise um eine lichtdurchlässige bzw. für die zu detektierende, elektromagnetische Strahlung durchlässige Folie, eine dünne Glasplatte, eine Siliziumscheibe od. dgl., wobei unter "lichtdurchlässig" verstanden wird, daß die Scheibe nicht notwendigerweise klarsichtig sein braucht, um das den Filter 2 passierende Licht unbeeinflußt durchzulassen, sondern z. B. auch eine streuende Funktion haben und daher entweder insgesamt als Streuscheibe ausgebildet oder mit das Licht streuenden Mitteln versehen sein kann.

Bei einem besonders vorteilhaften und bisher als am besten empfundenen Ausfuhrungsbeispiel ist das Bauelement nach Fig. 1 mit einer in das Substrat 1 integrierten, arrayartig ausgebildeten, fotoelektrischen Detektoreinrichtung versehen. Diese enthält vorzugsweise für jedes Filterelement 2a bis 2d je ein Fotoelement 7a bis 7d, z. B. in Form einer Fotodiode. Die Fotoelemente 7a bis 7d sind in Fig. 1 in dem Substrat 1 derart angeordnet, daß sie unmittelbar unter denjenigen Abschnitten DBR-Spiegels 3 angeordnet sind, die einem betreffenden Filterelement 2a bis 2d zugeordnet sind. Dem Filterelement 2a ist daher z. B. das Fotoelement 7a so zugeordnet, daß dieses nur die von Filterelement 2a durchgelassene Strahlung aufnehmen kann. Entsprechendes gilt sinngemäß für die Filterelemente 2b bis 2d und die zugehörigen Fotoelemente 7b bis 7d. Aus Redundanz- und anderen Gründen kann es zweckmäßig sein, unter jedem Filterelement 2a bis 2d mindestens je zwei identische Fotoelemente 7a bis 7d so anzuordnen, daß beim Ausfall eines der beiden Fotoelemente des jeweils andere wirksam bleibt, und/oder ausgewählte Fotoelemente 7a bis 7d gleichzeitig unter wenigstens zwei verschiedenen Filterelementen 2a bis 2d anzuordnen, so daß diese ansprechen, wenn das eine und/oder andere Filterelement Strahlung durchläßt. Wie die Fotoelemente 7a bis 7d den einzelnen Filterelementen 2a bis 2d zugeordnet werden, ist an sich beliebig und im wesentlichen davon abhängig, wie die Erkennung und/oder Auswertung der von den Filterelementen 2a bis 2d durchgelassenen, in den Transmissionsbändern liegenden Strahlungen bzw. deren Wellenlängen erfolgen soll.

Das Substrat enthält die strahlungsempfindlichen Fotoelemente 7a bis 7d wahlweise dicht an der Grenzfläche zu den Filterelementen 2a bis 2d, im Volumen oder an seiner vom Filter 2 abgewandten Grenzfläche. Dabei können die Fotoelemente 7a bis 7d aus Fototransistoren, Fotodioden, Fotowiderständen und CCD-Elementen od. dgl., d.h. aus jedem beliebigen Element bestehen, das zur Detektion von Strahlung im hier beschriebenen Umfang geeignet ist.

Schließlich enthält das Substrat 1 vorzugweise auch eine Vielzahl von elektrischen Bauelementen in Form von Transistoren und Dioden od. dgl., mittels derer die von den Fotoelementen 7a bis 7d abgegebenen elektrischen Signale verarbeitet werden können. Hierzu wird als Substrat I zweckmäßig eine in CMOS Technik od. dgl. hergestellte, auch die Fotoelemente 7a bis 7d enthaltende Platte oder Folie verwendet.

Das Bauelement besteht daher nach Fig. 1 insgesamt aus einem optischen Filter 2, das vier Filterelemente 2a bis 2d mit identischen DBR-Spiegel-Abschnitten, aber unterschiedlichen Kavitätsabschnitten 5a bis 5d aufweist, und aus einem eine fotoelektronische Detektoreinrichtung aufweisenden, das Filter 2 tragenden Substrat 1, so daß es in Fig. 1 ein einstückig hergestelltes Filter- und Sensorarray bildet. Bei Anwendung eines durchgehend gleichen und daher überall denselben Brechungsindex n aufweisenden Materials für die Kavität 5 haben die Kavitätsabschnitte 5a bis 5d dabei optische Längen Ll = Ii D n, L2 = I₂ D n, L3 = I₃ D n und L4 = U D n, die sich durch ihre geometrischen Längen Ii bis U voneinander unterscheiden.

Anstelle der vier in Fig. 1 dargestellten Filterelemente 2a bis 2d kann das Bauelement auch nur zwei oder drei oder wesentlich mehr als vier Filterelemente 2a bis 2d und zugeordnete Fotoelemente 7a bis 7d aufweisen. Dabei können die z. B. kreisförmigen Filterelemente 2a bis 2d und die zugehörigen Fotoelemente 7a bis 7d zweidimensional und wahlweise in Zeilen und Spalten angeordnet sein, die kartesisch oder polarkoordinatenartig die Zeilen und Spalten eines entsprechenden, gedachten Koordinatensystems bilden (z. B. zur x-Achse parallele Zeilen und zur y-Achse parallele Spalten). Alternativ ist aber auch eine eindimensionale Anordnung in geraden oder gekrümmten Zeilen oder irgendeine andere Anordnung möglich. Außerdem können die Filter- und Fotoelemente 2a bis 2d und 7a bis 7d unabhängig davon, ob sie zeilen- und/oder spaltenweise angeordnet sind, mit einer regelmäßigen oder einer unregelmäßigen Verteilung angeordnet sein.

Fig. 2 zeigt beispielhaft Einzelheiten der beiden an der Bildung der Filterelemente 2a und 2d beteiligten Abschnitte der DBR-Spiegel 3 und 4. Beide Abschnitte des DBR-Spiegels 3 weisen im Ausfuhrungsbeispiel dreieinhalb Schichtenperioden 8 auf, wobei jede Periode 8 eine Schicht 8a und eine Schicht 8b enthält. Da sowohl an das Substrat 1 als auch an den Kavitätsabschnitt 5a bzw. 5d jeweils eine Schicht 8a grenzt, sind im Ausfuhrungsbeispiel dreieinhalb Schichtenpaare 8 vorhanden. In entsprechender Weise weisen die beiden in Fig. 2 gezeigten Abschnitte des DBR- Spiegels 4 dreieinhalb Schichtenperioden 9 mit Schichten 9a und 9b auf, die zweckmäßig den Schichten 8a, 8b entsprechen, aber auch von diesen abweichend ausgebildet sein können. Die Schichten 8a, 9a und 8b, 9b unterscheiden sich im übrigen in bekannter Weise (vgl. z. B. DE 103 18 767 Al und die dort angegebenen weiteren Druckschriften) durch ihre Schichtdicke und/oder ihren Brechungsindex, d. h. durch ihre optische Dicke. Dabei können alle Schichten 8a, 9a unter sich gleich oder auch unterschiedlich ausgebildet sein. Dasselbe gilt für die Schichten 8b und 9b. Außerdem werden z. B. die Unterschiede zwischen den Brechungsindizes der Schichten 8a und 8b (bzw. 9a und 9b), d. h. die Brechungsindexkontraste zweckmäßig so gewählt, daß ein Stopband der gewünschten Breite entsteht. Je größer der anwendungstechnisch nutzbare Gesamtspektralbereich, d. h. die gewünschte Breite des Stopbandes des Filterarrays sein soll, um so größer sollten einerseits die genannten Brechungsindexkontraste sein. Andererseits sollten die Anzahlen der vorhandenen Schichtenperioden 8 bzw. 9 groß genug sein, damit ein hoher Reflexionsgrad und ein möglichst rechteckig ausgebildetes Stopband erhalten werden.

Abgesehen davon ist klar, daß die Absorption der Schichten 8a, 8b und 9a, 9b und der Kavitätsabschnitte 5a bis 5d in den betrachteten Spektralbereichen ausreichend klein sein sollte, insbesondere wenn die Zahl der Schichtenperioden groß gewählt wird, um unter anderem eine möglichst geringe Absorption der Transmissionsbänder zu erhalten.

In manchen Fällen kann es schließlich sinnvoll sein, der dem Substrat 1 nahen Schicht 8a eine andere Dicke als den anderen Schichten des DBR-Spiegels 3 zuzuordnen. Ebenso könnten eine oder mehrere andere Schichten in der Schichtdicke abweichen. Die Funktion des beschriebenen Filter- und Sensorarrays ergibt sich im wesentlichen aus Fig. 1 bis 4. In Fig. 2 ist schematisch angedeutet, daß das Filterelement 2a z. B. eine Wellenlänge λ4 reflektiert, eine Wellenlänge λl dagegen durchläßt, so daß sie das Fotoelement 7a erreichen kann. Dagegen läßt das Filterelement 2d die Wellenlänge λ4 passieren, so daß sie das Filterelement 7d erreichen kann, während es gleichzeitig die Wellenlänge λl nicht durchläßt. Analog zeigt Fig. 1 das Durchlaßspektrum der insgesamt vier Filterelemente 2a bis 2d aufweisenden Filterarray. Demnach kann das Fotoelement 7a nur Strahlung der Wellenlänge λl, das Fotoelement 7b nur Strahlung der Wellenlänge λ2, das Fotoelement 7c nur Strahlung der Wellenlänge λ3 und das Fotoelement 7d nur Strahlung der Wellenlänge λ4 aufnehmen, wobei die Wellenlängen λl bis λ4 z. B. die Hauptwellenlängen (Zentralwellenlängen) der jeweiligen Durchlaßbänder bezeichnen. Das Filterarry kann daher selektiv alle vier Wellenlängen λl bis λ4 erfassen.

Fig. 3 zeigt schematisch, in welcher Weise die Hauptwellenlänge des transmittierten Spektralbereichs durch die geometrische Kavitätslänge 1, d. h. die vertikale Schichtdicke des

Kavitätsmaterials bestimmt wird. Je nach Zahl der in der Kavität 5 stehenden Wellen wird eine der Moden a, b oder c definiert. Die hier beispielhaft ausgewählte Mode b wird z. B. durch das dargestellte Stopband ausgezeichnet und ausgewählt. Durch die beschriebene Dickenvariation der

Kavitätslänge 1 wird die Wellenlänge der ausgewählten Mode b variiert. Durch Wahl der Spiegeleigenschaften und des dadurch bestimmten Reflexionsspektrums (Fig. 3 unten rechts) kommt ein ausgewähltes Transmissionsband, hier nur das Transmissionsband b im Stopband zu liegen.

Schließlich zeigt Fig. 4 die Transmissionsbänder (Dips) bei den Hauptwellenlängen λl bis λ4 innerhalb eines Stopbandes, das sich von etwas oberhalb von 500 nm bis etwas unterhalb von 800 nm ersteckt. In allen vier Spektren ist auf der Ordinate jeweils die Reflektivität aufgetragen. Der Übersichtlichkeit wegen sind dabei die Nullpunkte jeweils längs der Ordinate verschoben.

Die unterschiedlichen Schichtdicken des Kavitätsmaterials in den Filterelementen 2a bis 2d können zu einer mesaförmigen Struktur führen, die sich über eine die Trennabschnitte 6 bildende Grundschicht erhebt, wie insbesondere Fig. 1 zeigt. Als besonders vorteilhaft wird es jedoch angesehen, den Kavitätsabschnitten eine linsenförmige Struktur zu geben, wie in Fig. 5 für Kavitätsabschnitte 5e, 5f und 5g dargestellt ist. Diese Kavitätsabschnitte 5e bis 5g sind vorzugsweise so gestaltet, daß sich für unterschiedliche Einfallswinkel der Strahlung zumindest innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs 10 gleiche optische Längen ergeben, wie in Fig. 5b für den Bereich 10 des Kavitätsabschnitts 5g angedeutet ist. Dadurch ist es möglich, das zu detektie- rende Licht unter unterschiedlichen Winkeln einzukoppeln, ohne daß sich dadurch Meßfehler ergeben.

Anstatt durch eine Dickenvariation der Kavitätsabschnitte 5a bis 5g kann eine Variation der optischen Länge L auch durch eine Variation des Brechungsindex n herbeigeführt werden. In diesem Fall könnten alle Kavitätsabschnitte 5a bis 5g dieselbe geometrische Dicke aufweisen.

Die Herstellung des beschriebenen optoelektronischen Bauelements wird mit den Mitteln der Mikroelektronik, Optoelektronik, Nanotechnologie und Mikrosystemtechnik durchgeführt, kann aber auf verschiedene Weise erfolgen. Nachfolgend wird das Herstellungsverfahren in Verbindung mit den Fig. 5a bis 5c anhand eines bisher für am besten gehaltenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei wird so vorgegangen, daß zunächst das Design des Filters 2 einschließlich der zugehörigen Filterelemente 2a bis 2d und Kavitätsabschnitte 5a bis 5g festgelegt wird. In Abhängigkeit davon wird, wenn das Bauelement mit einer integrierten Detektoreinrichtung versehen werden soll, das Design eines die Detektoreinrichtung enthaltenen, zum Filter 2 passenden oder an das Filter 2 angepaßten Substrats 1 festgelegt, bei dem es sich z. B. um ein CMOS-Photodioden-Array handelt, die z. B. in Form eines ca. 0,5 mm dicken Siliziumchips oder -wafers vorliegt und in den gewünschten Abständen und in der gewünschten Verteilung mit den Fotoelementen 7 versehen ist. Das danach hergestellte Substrat 1 dient als Ausgangspunkt für die Herstellung des Filterarrays. Bei Bedarf kann das Substrat 1 auf seiner dem Filterarray zugewandten Seite vor dessen Applikation geglättet werden, beispielsweise durch Deposition einer geeigneten Schicht oder durch Politur. Alternativ ist es aber auch umgekehrt möglich, zunächst das Design des die Detektoreinrichtung aufweisenden Substrats 1 festzulegen oder, falls auf dem Markt verfügbar, von einem vorhandenen, z. B. gekauften Substrat 1 auszugeben und danach ein daran angepaßtes Design für das Filter 2 festzulegen.

In einem weiteren Schritt erfolgt eine Deposition des DBR-Spiegels 3 auf dem Substrat 1 (Fig. 5a). Hierzu werden z. B. abwechselnd Schichten 8a aus Siliciumdioxid (SiO₂) und Schichten 8b aus Siliciumnitrid (Si₃N₄) mit einem PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) auf dem Substrat 1 abgeschieden. Die Dicke der Schichten 8a ist im einfachsten Fall überall dieselbe, und dasselbe gilt für die Schichten 8b, so daß auf dem Substrat 1 Schichtenpaare 8a, 8b entstehen, die den DBR-Spiegel 3 bilden, der auf dem gesamten Substrat 1 durchgehend dieselbe Dicke hat.

Auf die oberste Schicht des DBR-Spiegels 3 wird nun eine Schicht 11 (Fig. 5a) aus dem Kavitätsmaterial aufgebracht. Da die spätere Strukturierung des Kavitätsmaterials bevorzugt durch ein Nanoprint-Verfahren (Nano-Imprint Verfahren) erfolgen soll, wird als Kavitätsmaterial ein festes, aber thermisch formbares Material wie z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA = Plexiglas) verwendet. Das Kavitätsmaterial wird z. B. durch Aufschleudern analog zur Aufbringung von Photolack, durch Abscheidung oder durch eine Düsenspritztechnik aufgebracht, wobei die Schicht 11 eine durchgehend konstante Dicke erhält.

Im Anschluß daran erfolgt die Strukturierung der Schicht 11 mit Hilfe eines entsprechend strukturierten Stempels 12 (Fig. 5a), dessen der Schicht 1 1 zugewandte, prägende Oberfläche 14 als Negativform der in der Schicht 5 herzustellenden Strukturierung ausgebildet wird. Die Strukturierung erfolgt dann dadurch, daß die Schicht 11 z. B. auf 140 DC bis 160 DC erhitzt wird, um das Kavitätsmaterial formbar zu machen, und anschließend der Stempel 12 aufgedrückt wird, um auf der Oberfläche der Schicht 11 die in Fig. 5b dargestellten Kavitätsabschnitte 5e, 5f und 5g auszubilden. Die Trennabschnitte 6 gemäß Fig. 1 entfallen hier. Sie werden hier durch Zonen 15 ersetzt, in denen das Kavitätsmaterial fast die Dicke Null hat. Falls hierbei die Dicke Null gewünscht wird, kann dies z. B. durch einen zusätzlichen, ganzflächig angewandten Plasmaätzprozeß bewirkt werden. Im Anschluß an diese Abformung der Schicht 11 werden die Kavitätsabschnitte 5e, 5f und 5g fixiert, indem das Kavitätsmaterial der Abkühlung überlassen und ggf. durch Lichteinstrahlung, vorzugsweise durch UV-Licht, gehärtet wird.

In einem letzten Verfahrenschritt erfolgt die Ausbildung des zweiten DBR-Spiegels 4 (Fig. 5c). Dieser Spiegel 4 wird in derselben Weise aufgebracht und ausgebildet, wie oben für den ersten DBR-Spiegel beschrieben ist, wobei er trotz überall gleicher Dicke eine durch die Kavitätsabschnitte 5d bis 5g vorgegebene Strukturierung erhält. Dabei ist darauf zu achten, daß bei diesem Schritt die Prozeßtemperatur unterhalb der Wiedererweichungstemperatur der die Kavitäts 5 bildenden Schicht 11 bleibt.

Wie Fig. 5c zeigt, wird ein selektives Filterarray mit einer integrierten, fotoelektronischen Detektoreinrichtung in Form eines Sensorarrays erhalten, das im Ausführungsbeispiel drei Fotoelemente 7c, 7f und 7g aufweist, die je einem der Filterelemente 2e bis 2g mit den Kavitätsabschnitten 5e bis 5g zugeordnet sind. Mit Hilfe der beschriebenen Technik können Filterarrays mit einigen hundert, für unterschiedliche Wellenlängen durchlässigen Filterelementen hergestellt werden. Da die Breite eines Filterdips bei den bespielhaft dargestellten Wellenlängen λl bis λ4 nur ca. 1 nm und die Breite des Stopbandes in Fig. 4 ca. 280 nm beträgt, würden im Ausfuhrungsbeispiel durch Variation der Dicke des Kavitätsmaterials Arrays mit ca. 250 bis 300 Filterelementen herstellbar sein. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Dickenvariation des Kavitätsmaterials von Filterelement zu Filterelement nur wenige Nanometer betragen braucht. Werden für die DBR-Spiegel 3, 4 Materialien verwendet, deren Brechungsindexkontrast wesentlich größer als der beim System Silizi- umdioxid/Siliziumnitrid ist, dann lassen sich Stopbänder mit einer Breite von z. B. 700 nm und infolgedessen Arrays mit weit über 500 Filterelementen herstellen. Die Querschnitte der Filterelemente parallel zur gedachten xy-Ebene betragen dabei z. B. wenige Mikrometer.

Die Transmissionsbänder der Filterelemente können lückenlos aneinander gereiht werden. Es werden in diesem Fall so viele Filter verwendet, bis der gesamte Spektralbereich abgedeckt ist. Alternativ können die Transmissionsbänder der Filterelemente aber auch überlappend oder mit dazwischen liegenden Lücken spektral verteilt angeordnet werden. Auch Kombinationen dieser drei Fälle sind möglich.

Bei den beschriebenen Abformverfahren für die Kavitätsabschnitte mit Hilfe eines Stempels 12 gemäß Fig. 5a können auch zahlreiche andere Kavitätsmaterialien angewendet werden. Insbesondere können auch flüssige, vorzugsweise zähflüssige Kavitätsmaterialien angewendet werden, die nach Durchführung der Prägung mit Licht oder anderswie gehärtet werden. Der Stempel 12 kann dabei jeweils z. B. aus Silizium, wie aus dem MIGA-Verfahren (Mikrostrukturiertes Silizium, Galvanik, Abformung) bekannt ist, aus Metall, wie aus dem LIGA- Verfahren (Lithographie, Galvanik, Abformung) bekannt ist, oder aus Glas bestehen. Weiter kann die Strukturierung dadurch erfolgen, daß das Kavitätsmaterial in den einzelnen Kavitätsabschnit- ten mit unterschiedlicher Dicke auf dem DBR-Spiegel 3 deponiert wird. Hierzu gibt es zahlreiche Verfahren. Zumindest teilweise sind z. B. eine Deposition unter Zuhilfenahme von Elektronen-, Ionen- und/oder Partikelstrahlung oder von elektromagnetischen Wellen oder mit Plasmaunterstützung anwendbar. Auch das Aufbringen unterschiedlich dicker Schichten mit einem entsprechend abgewandelten Tintelstrahl-Druckverfahren ist möglich.

Anstatt mit Hilfe eines Abform- oder Depositionsverfahrens kann die Strukturierung des Kavitätsmaterials auch mit Hilfe eines abtragenden Verfahrens erfolgen, wie in Fig. 6a bis 6c angedeutet ist, indem z. B. eine zunächst aufgebrachte Schicht 16 vorgewählter Dicke (Fig. 6a) lokal reduziert wird (Fig. 6b), beispielsweise durch Ätzen oder mit Hilfe von Rastersonden- bzw. Cantileverspitzen. Zumindest bei der Anwendung eines Kavitätsmaterials in Form eines Polymers sollte außerdem beachtet werden, daß eine spätere Abscheidung der Schichten des zweiten DBR- Spiegels 4, z. B. mit einem PECVD-V erfahren aus der Gasphase, bei Temperaturen erfolgt, die unterhalb der Glasübergangstemperatur für das Polymer liegen. Hierdurch wird sichergestellt, daß eine nachträgliche Umwandlung des Polymers in einen z.B. gummiartigen, zähflüssigen Zustand und dadurch eine Beschädigung des Bauelements bzw. eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften der Kavitätsabschnitte vermieden wird.

Im übrigen entspricht das Verfahren nach Fig. 6a bis 6c dem Verfahren nach Fig. 5a bis 5c, weshalb für gleiche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet sind und auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann.

Schließlich ist es möglich, die Kavitätsabschnitte bei gleicher geometrischer Dicke dadurch mit einer unterschiedlichen optischen Länge zu versehen, daß ihr Brechungsindex variiert wird. Eine solche Strukturierung kann z. B. unter Anwendung eines üblichen Implantationsverfahrens oder ortsaufgelösten Bestrahlungsverfahrens erfolgen. Denkbar wäre in diesem Fall auch die Anwendung flüssiger oder gasförmiger, zu einer Schicht konstanter Dicke führenden Kavitätsmaterialien. Bei allen beschriebenen Strukturierungsverfahren für das Kavitätsmaterial ist natürich unabhängig davon, mit welchen Mitteln sie durchgeführt werden, stets die vorher festgelegte Lage der verschiedenen Fotoelemente 7 im Substrat 1 zu beachten, falls dieses mit einer Detektoreinrichtung versehen ist.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere die Zahl der pro Filterarray vorhandenen Filterelemente ist weitgehend frei wählbar und an den gewünschten Wellenbereich anpaßbar, der sich vom UV-Bereich bis in den Mikrowellenbereich erstrecken kann. Weiterhin stellen die angegebenen Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Bauelements nur Beispiele dar. Insbesondere wäre es z. B. möglich, die Sensorarray bzw. das Substrat 1 und die Filterarray separat herzustellen und hinterher mit genauer Zentrierung der Fotoelemente 7a bis 7g auf die Filterelemente 2a bis 2g durch Kleben oder sonstwie zu einem einstückigen Bauelement zu verbinden. Weiterhin ist das Filterarray auch ohne das Substrat 1 und in Kombination mit anderen, Licht verarbeitenden Arrays (light processing elements) anwendbar. Denkbar sind dabei auf Wellenleitern basierende, optoelektronisch integrierte Schaltungen, Multiplexer, Demultiplexer, Wellenlängenkonverter, optische Verstärker und ähnliche Bauelemente. Ferner können vorteilhaft auch Fotowiderstände-Arrays, CCD-Arrays, Fotodioden-Arrays, Fototransistoren-Arrays u.a. verwendet werden. Insbesondere sind auch plastische Materialien als Substrat (z. B. Folien, insbesondere biegbare, Folien aus organischen Materialien) anwendbar, wobei alle Arten von elektronischen und optoelektronischen Bauelementen integriert sein können. Auf der Basis organischer Materialien sind ebenfalls alle Bauelemente denkbar, die bisher auf anorganischer Basis realisierbar werden. Dabei können die Elemente 2 und 1 jeweils kombiniert, aber auch einzeln verwendet werden und als Folien ausgebildet werden, die jeweils gebogen, geformt oder einem bestehenden Oberflächenrelief angepaßt werden. Auch die angegebenen Größen der Stopbänder und/oder die Lagen der Transmissionsbänder sind nur beispielhaft angegeben und weitgehend von der Geometrie und dem Material der DBR-Spiegel 3, 4 und der Kavitätsabschnitte abhängig. Weiterhin ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Bauelements bzw. des Filter- und Sensorarrays nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen in Sensorchips für Digital- und Spektrometerkameras, als Filter- und Sensorarrays für Analysezwecke, insbesondere bei der qualitativen und quantitativen Analyse der Zusammensetzung von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern (bzw. deren Oberflächen) sowie in der Biotechnologie oder in der Medizintechnik. Dabei detektiert jedes Fotoelement (bzw. jedes Pixel) eine vorwählbare Wellenlänge. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen dargestellten Kombinationen angewendet werden können.

Fig. 7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung der spektralen und örtlichen Verteilung einer elektromagnetischen, durch Pfeile 1 angedeuteten Strahlung. Hierbei kann es sich z.B. um eine Strahlung handeln, die von einem nicht gezeigten Gegenstand, z.B. der menschlichen Haut, remitiert wird, wenn dieser Gegenstand mit natürlichem Licht, eine Lampe oder sonstwie bestrahlt wird.

Die Vorrichtung enthält z.B. ein Scheiben-, platten- oder folienförmiges, z.B. aus Silizium hergestelltes Substrat 2, in dem eine Mehrzahl von fotoelektrischen Sensorelementen 3 angeordnet ist, die z.B. aus Fotodioden, Fototransistoren, CCD-Elementen, Fotowiderständen od. dgl. bestehen und in nicht näher dargestellter Weise mit elektrischen Leitungen 4 in Form von Leiterbahnen, Anschlußkontakten, Busleitungen od. dgl. versehen sind. Die Leitungen 4 sind beispielsweise auf einer Vorderseite 2a des Substrats 2 angeordnet, insbesondere auf diese aufgedampft. Auf einer Rückseite 2b des Substrats 2 befindet sich dagegen eine Mehrzahl von die Strahlung 1 aufnehmenden, in miniaturisierter Bauweise hergestellten Filterelementen 5, die in wenigstens je einem schmalen Spektralbereich durchlässig und gleichmäßig über die Rückseite des Substrats 2 verteilt angeordnet sind. Dabei ist vorzugsweise jedes Filterelement 5 einem zugehörigen Sensorelement 3 derart zugeordnet, daß von ihm durchgelassene Strahlung nur auf das zugehörige Sensorelement 3 auftrifft.

Die Sensor- und Filterelemente 3, 5 werden vorzugsweise mit den Mitteln der Mikroelektronik, Optoelektronik, Nanotechnologie und/oder Mikrosystemtechnik hergestellt und sind daher entsprechend klein ausgebildet, d.h. miniaturisiert. Vorzugsweise weisen sie in lateraler Richtung

Abmessungen von nicht mehr als 100 μm, vorzugsweise von z.B. 10 μm bis 20 μm auf, so daß auf einem Substrat 2, dessen Breitseite bzw. Flächen 2a, 2b eine Größe von wenigen

Quadratzentimetern haben, ohne weiteres eine Million und mehr Pixel bzw. Paare von Sensor- und Filterelementen 3, 5 untergebracht werden können. Die Breite eines von einem Filterelement

5 durchgelassenen Spektralbereichs kann dabei z.B. weniger als ein Nanometer (z.B. 0,5 nm), aber auch einige Nanometer betragen.

Fig. 8 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Sensor nach Fig. 7, wobei die Kreise je ein Filterelement 5 andeuten. In diesem Fall bilden die Filterelemente 5 und die unter ihnen liegenden, in Fig. 8 nicht sichtbaren Sensorelemente 3 ein Sensor- und Filterarray, in dem die Sensor- und Filterelemente 5 kartesisch in Reihen und Spalten angeordnet sind.

Ein wesentlicher Vorteil des Sensor nach Fig. 8 besteht darin, daß die örtliche und spektrale Auflösung in Abhängigkeit vom Einzelfall unterschiedlich gewählt werden kann. Werden beispielsweise alle aus Fig. 8 ersichtlichen Filterelemente 5 mit unterschiedlichen spektralen

Durchlaßbändern ausgebildet, dann kann der gesamte Sensor als spektral hochauflösendes

Bauelement verwendet werden. Jedes Pixel würde dann eine andere spektrale Information über den Ort liefern, an dem der Sensor angeordnet ist. Alternativ wäre es aber auch möglich, den Sensor in eine Mehrzahl von Bereichen bzw. Makropixeln 6a, 6b und 6c einzuteilen, die in Fig. 8 beispielhaft dargestellt und durch Umrißlinien angedeutet sind. Jedes dieser Makropixel würde dann z.B. neun Filter- und Sensorelemente 5, 3 bzw. Subpixel enthalten. In diesem Fall wird eine gegenüber dem zuerst beschriebenen Fall reduzierte spektrale Auflösung entsprechend nur je neun nutzbaren Spektralbereichen ermöglicht, während gleichzeitig eine hohe Ortsauflösung erzielt wird, da jedes einzelne Makropixel 6a, 6b und 6c eine Information über den speziellen Ort liefert, an dem es angeordnet ist.

Im Beispiel nach Fig. 8 wäre es möglich, jedem Makropixel 6a, 6b und 6c Filterelemente mit denselben neun Spektralbereichen zuzuordnen. Dadurch wäre sowohl die mögliche spektrale Auflösung als auch die mögliche örtliche Auflösung festgelegt. Eine Zusammenfassung mehrerer Makropixel würde dann keine zusätzliche spektrale Information liefern. Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird daher vorgeschlagen, alle vorhandenen Filterelemente 5 (Subpixel) mit unterschiedichen spektralen Durchlaßbereichen zu versehen und diese Spektralbereiche im Sensor statistisch oder pseudostatistisch (prn = pseudo random noise) zu verteilen. Das bedeutet, daß die Haupt- bzw. Zentralwellenlänge nicht z. B. von einem in der linken oberen Ecke der Fig. 8 befindlichen, die kleinste Zentralwellenlänge aufweisenden Sensorelement 5 an zeilen- und spaltenweise bis hin zu einem in der rechten unteren Ecke des Sensors nach Fig. 8 befindlichen, die größte Zentralwellenlänge aufweisenden Sensorelement 5 stetig zunimmt, sondern völlig zufällig verteilt ist. Durch Zusammenfassung einer an sich beliebigen Anzahl von benachbarten Sensorelementen 5 (Subpixeln) zu definierten Makropixeln ist es dann möglich, mit demselben Sensor entweder durch Definition großer, aus vielen Filterelementen 5 gebildeten Makropixeln eine kleine Ortsauflösung und eine hohe spektrale Auflösung oder umgekehrt durch Definition vergleichsweise kleiner, aus wenigen Subpixeln gebildeten Makropixeln eine hohe Ortsauflösung und eine kleine spektrale Auflösung zu wählen. Die Zusammenfassung der Filter- und Sensorelemente 5, 3 zu Makropixeln, d.h. die Auswahl, welche örtliche und welche spektrale Auflösung im Einzelfall angewendet wird, erfolgt daher zweckmäßig nicht bereits beim ursprünglichen Design des Sensor- und Filterarrays, sondern später z.B. auf rein elektronischem Wege mit Hilfe einer entsprechenden Auswerteschaltung oder -logik oder eines Auswertungsprogramms. Alternativ ist es natürlich auch möglich, bei der Herstellung des Sensors eine bestimmte Anzahl von z.B. 100 Filterelementen mit unterschiedlichen Spektralbereichen festzulegen und - über den Sensor verteilt - eine Vielzahl von Makropixeln mit je 100 dieser Subpixel vorzusehen. Auch dabei werden die Subpixel vorzugsweise statistisch oder pseudostatistisch statt geordnet innerhalb jedes Markopixels verteilt, so daß durch Teilung dieser Makropixel eine veränderte örtliche Auflösung mit einer ähnlichen, spektralen Auflösung vorgesehen werden könnte. Dabei ist klar, daß durch die Bildung von Makropixeln aus einer Vielzahl von statistisch verteilten Subpixeln keine Makropixel erhalten werden, deren Filterelemente identische spektrale Durchlaßbänder aufweisen, wenn die Durchlaßbänder aller vorhandenen Filterelemente unterschiedlich sind. Immerhin werden aber Makroelemente mit sehr ähnlichen Filtereigenschaften erhalten, was für viele Anwendungs- zwecke auch ausreicht. Werden z.B. Makropixel aus nur je zwei Subpixeln gebildet, wird eine sehr hohe Ortsauflösung erreicht, wobei außerdem jedes Makropixel zumindest die Unterscheidung von kurz- und langwelliger Strahlung erlaubt.

Die mit PRN oder gezielt unregelmäßig angeordneten Filterarrays haben folgende Vorteile.

Die Abstimmung zwischen Modus hoher spektraler Auflösung und geringer Ortsauflösung und Modus geringer spektraler Auflösung und hoher Ortsauflösung ist stufenlos nur durch Veränderung der Auswertung möglich indem die Makropixel variabel zusammengesetzt werden.

Die gleichzeitig gegebene Ortsauflösung ermöglicht bei spektraler Anwendung die Kontrolle des Strahlengangs bzw. nicht ideale Strahlengänge. Bei einem aus nur einem Makropixel bestehenden Filter bzw. eines Verlaufsfilters ist die gleichmäßige und geometrisch unveränderte Beleuchtung notwendig. Steht eine Ortsauflösung zur Verfügung kann eine Variation oder ein inhomogenes Messobjekt erkannt und ggf. kompensiert werden.

Bei der Anwendung an Haut oder Flächen ermöglicht die Ortsauflösung die Kontrolle der korrekten Auflage auf die Haut bzw. auf die Fläche, da das Profil der Ankopplung bzw. der Beleuchtung durch die Ortsauf lösung bestimmbar ist. Durch die Ortsauflösung stehen Informationen über die „Gleichmäßigkeit" (Freiheit von Flecken, Verletzungen, Narben, Tätowierungen, usw.) der Hautstelle zur Verfügung. Vor der eigentlichen Analyse kann die Qualität der Messstelle beurteilt werden.

Zur Nutzung der genannten Vorteile ergeben sich folgende Anforderungen.

Bei einem Durchlichtspektrometer ergeben sich die Anforderungen aus der zusätzlich gewünschten Ortsauflösung die verwendet wird um einen unstabilen Strahlengang (Deplatzierung ) oder inhomogene Proben festzustellen und ggf. zu kompensieren. Um die Ortsauflösung zu erreichen, ist eine Anordnung als Array mit gezielter unsortierter Verteilung notwendig, wobei Array und Spektralbereich in die gleiche Anzahl Teile aufgeteilt wird und jeder Teil des Arrays Filterelemente jedes Spektralbereiches enthält. Dabei ist jeder Durchlassbereich insgesamt in gleicher Anzahl (zB. 1, 2, 3) auf dem Filterarray vorhanden.

Bei einem Reflexionsspektrometer wird die Ortsauflösung zusätzlich verwendet um eine inhomogene Oberfläche festzustellen und ggf. zu kompensieren sowie die korrekte Plazierung der Meßapparatur bzw. der Oberfläche der Probe zu überprüfen. Bei einem Transreflektionsspektrometer ergeben sich die Anforderungen aus der zusätzlich gewünschten Ortsauflösung die verwendet wird um einen unstabilen Strahlengang (Deplatzierung ) oder inhomogene Oberfläche oder Fehlerhafte Ankopplung der Messapparatur festzustellen und ggf. zu kompensieren sowie die korrekte Platzierung der Meßapparatur zu überprüfen. Um die Ortsauflösung zu erreichen, ist eine Anordnung als Array mit gezielter unsortierter Verteilung notwendig. Dabei hat die erwartete spektrale Verteilung des Lichtes als Funktion des Abstandes zwischen Eintrittsort und Austrittsort aus dem Medium (z.B. Haut) Einfluss auf die Häufigkeit der Filterelemente in einem Bestimmten Bereich des Arrays. Je nach Anwendungsfall wird in den Bereichen mit sehr geringer und unauswertbarer Intensität eines Spektralbereiches sehr wenige bzw. kein Filterelement mit einem entsprechendem Durchlassbereich angeordnet. In den Bereichen geringer aber noch auswertbarer Intensität eines bestimmten Spektralbereiches kann eine erhöhte Anzahl von Filterelementen eben jenes Durchlassbereiches die Sensitivität der Messapparatur durch eine größere Anzahl zur Mittelung zur Verfügung stehender Filterelemente erhöhen. Wird die Lichtquelle in der Mitte des Arrays bzw. mehrerer Arrays angeordnet führt dies zu einer kreisförmigen Anordnung der spektralen Verteilungsbereiche um die Lichtquelle herum.

Weitere mögliche Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Fig. 9 bis 11 dargestellt. Fig. 9 zeigt eine Anordnung, bei der vier Reihen 13a bis 13d von Filterelementen 5 vorhanden sind. In jeder Reihe 13a bis 13d ist, ausgehend von einem vorgewählten Punkt 8, der hier der Mittelpunkt des Sensors ist, eine gleiche Anzahl von Filterelementen 5 mit gleicher spektraler Abstufung angeordnet. Dabei sind die Reihen 13a, 13c und 13b, 13d zentralsymmetrisch zum Punkt 8 angeordnet. Auf diese Weise lassen sich schnell und sicher örtliche und/oder spektrale Unsymmetrien bei den zu untersuchenden Gegenständen feststellen, wie sie z.B. durch einen Leberfleck auf einer untersuchten Haut verursacht sein könnten. Dasselbe würde gelten, wenn die Reihen 13a bis 13d zusätzlich oder alternativ spiegelsymmetrisch angeordnet werden (z.B. 13a, 13d spiegelsymmetrisch zu einer Linie 9 und/oder 7a, 7b spiegelsymmetrisch zu einer Linie 10), wobei die Felder 2c bis 2f auch vollständig mit Filterelementen belegt sein können.

Die Herstellung des Sensors nach Fig. 9 kann z.B. dadurch erfolgen, daß entweder ein zusammenhängendes Substrat in der beschriebenen Weise mit Sensor- und Filterelementen 3, 5 versehen wird oder vier einzelne, längs der Linien 9 und 10 aneinander grenzende Substratabschnitte 2a bis 2d verwendet werden, die im Fall einer Zentral- und Spiegelsymmetrie sämtlich identisch ausgebildet sein können.

Beim Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 10 und 1 1 wird von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht, daß in bestimmten Fällen, z.B. bei der Untersuchung bestimmter Gegenstände 11 wie z.B. der menschlichen Haut, die von einer im Zentrum eines Sensors 12 angeordneten Strahlungsquelle 14 bestrahlt wird, kürzerwellige Teile (Pfeil 15) aufgrund üblicher Streuung zu den nahe dem Zentrum liegenden Sensor- und Filterelementen 3, 5 hin remittiert werden, während längerwellige Anteile (Pfeil 16) derselben Lichtquelle 14 zu vom Zentrum entfernteren Sensor- und Filterelementen 3, 5 hin remittiert werden. In einem solchem Fall können weiter innen liegende Filterelemente 5a (Fig. 1 1) ganz oder überwiegend mit kurzwelligen Durchlaßbändern und weiter außen liegende Filterelemente 5b ganz oder überwiegend mit längerwelligen Durchlaßbändern versehen werden, ohne daß dadurch ein merkbarer Informationsverlust auftritt. Die Sensor- und Filterelemente sind dabei z.B. rotationssymmetrisch zum Zentrum angeordnet, d.h. sie liegen, wie Fig. 1 1 zeigt, vorzugsweise auf Kreisen mit dem Zentrum und der Strahlungsquelle 14 als Mittelpunkt. Ein besonderer Vorteil der Anordnung nach Fig. 10 und 11 besteht außerdem darin, dass mit einem Messvorgang zahlreiche Tiefeninformationen erhalten werden. Es ist bekannt, dass in größerer Entfernung von der Lichtquelle remittiertes Licht auch bis zu einer größeren Tiefe in das Gewebe od. dgl. eindringt und daher von tiefer liegenden Schichten absorbiert wird. Durch Differenzbildungen können daher auf einfache Weise für jede Schicht die speziellen Absorptionsverhältnisse und damit z.B. Fehlstellen in tiefer gelegenen Hautschichten ermittelt werden. Wegen der Vielzahl der vorhandenen Sensorelemente werden alle diese Informationen praktisch gleichzeitig erhalten.

Während der in Fig. 10 und 11 dargestellte Sensor 12 für die Abtastung von Gegenständen 11 in Remission eingerichtet ist, dient ein entsprechender, in Fig. 12 dargestellter Sensor 17 zur Ermittlung von Transmissionsspektren eines Gegenstands 18. Der einzige Unterschied zu Fig. 10 und 5 besteht dabei darin, daß der Sensor 17 und eine Lichtquelle 19 auf entgegengesetzten Seiten des Gegenstands 18 angeordnet sind. In entsprechender Weise können die beschriebenen Sensoren natürlich auch zur Untersuchung von Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzspektren sowie von Streustrahlung eingerichtet sein.

Fig. 13 zeigt ein Anwendungsbeispiel nach Art der Computertomographie. Hierbei werden mehrere Sensoren 20a bis 2Od um einen Gegenstand 21 herum angeordnet, der hier z.B. ein menschlicher Arm ist. Dabei können die Sensoren 20a bis 2Od wie der Sensor 12 nach Fig. 10 ausgebildet und mit je einer zentralen Strahlungsquelle 22a bis 22d versehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch vorgesehen sein, Strahlungsquellen 23 von außerhalb der Sensoren 20a bis 20d liegenden Stellen her auf den Gegenstand 21 zu richten.

Anstatt der aus Fig. 8 ersichtlichen, kartesischen Anordnung der Sensor- und Filterelemente 3, 5 ist auch eine polarkoordinatenartig zeilen- und spaltenweise Anordnung oder eine nur in einer geraden oder gekrümmten Zeile erfolgende Anordnung der Sensor- und Filterelemente 3, 5 möglich, was nicht einzeln gezeigt ist.

Die Ausbildung der Sensor- und Filterelemente 3, 5 ist an sich beliebig. Nach einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Substrat 2 gemäß Fig. 14, in der gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 7 versehen sind, aus einer planparallelen, flachen Platte, an deren Rückseite 2b ein als Ganzes mit dem Bezugszeichen 25 versehenes, optisches Filter ausgebildet ist. Das Filter 25 enthält einen auf die Rückseite 2b des Substrats 2 aufgebrachten, ersten DBR-Spiegel 26, einen zweiten DBR-Spiegel 27, der auf einer vom Substrat 2 abgewandten Seite des ersten DBR-Spiegels 26 und mit Abstand von diesem angeordnet ist, und eine zwischen den beiden DBR-Spiegeln 26 und 27 vorgesehene Kavität, die in Fig. 14 als Ganzes mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist. Der komplette Sensor stellt daher einen im wesentlichen aus vier übereinander liegenden Schichten bestehenden Mehrschichtkörper dar.

Wie Fig. 14 weiter zeigt, ist auf dem ersten DBR-Spiegel 26 eine Schicht aus einem die Kavität 28 bildenden Material angeordnet. Diese Schicht hat parallel zur z-Richtung eine unterschiedliche Dicke. Insbesondere hat die von der Schicht gebildete Kavität 28 in einem Abschnitt 28a eine vergleichsweise kleine Dicke, in einem Abschnitt 28b eine etwas größere Dicke und in Abschnitten 28c und 28d noch etwas größere Dicken. Geometrische Längen I₁ bis U der Kavität 28 in diesen Abschnitten 28a bis 28d haben daher sämtlich unterschiedliche Werte. Zwischen den Abschnitten 28a bis 28d befinden sich vorzugsweise Trennbereiche 29, in denen das Kavitätsmaterial z. B. eine vorgewählte, konstante oder variierende Dicke hat und die die Abschnitte 28a bis 28d der Kavität 28 räumlich voneinander trennen.

27 bildende Zone. Diese Zone hat in Fig. 14 - in z-Richtung betrachtet - überall dieselbe Dicke.

Daher haben die Unter- und Oberseiten dieser Zone eine Kontur bzw. Strukturierung, die der in Fig. 14 oberen Kontur bzw. Strukturierung der Kavität 28 entspricht. Der in z-Richtung gemessene Abstand der Unter- und Oberseite des DBR-Spiegels 27 ist in Fig. 14 im wesentlichen überall derselbe.

Aufgrund der beschriebenen Ausbildung der Kavität 28 enthält das Filter 25 im Aus- führungsbeispiel vier den Filterelementen 5 in Fig. 7 entsprechende Filterelemente 5a bis 5d, wie in Fig. 14 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, wobei jedes Filterelement 5a bis 5d aus einem der Abschnitte 28a bis 25d der Kavität 28 und je einem zugehörigen Abschnitt der DBR-Spiegel

26 und 27 gebildet ist. In der Draufsicht, d. h. in der xy-Ebene, haben diese Filterelemente 5a bis

5d bevorzugt eine Kreisform, obwohl sie im Prinzip auch andere Umfangskonturen haben könnten.

Bei dem Substrat 2 handelt es sich vorzugsweise um eine lichtdurchlässige bzw. für die zu detektierende, elektromagnetische Strahlung durchlässige Folie, eine dünne Glasplatte, eine Siliziumscheibe od. dgl., wobei unter "lichtdurchlässig" verstanden wird, dass die Scheibe nicht notwendigerweise klarsichtig sein braucht, um die den Filter 25 passierende Strahlung unbeeinflußt durchzulassen, sondern z. B. auch eine streuende Funktion haben und daher entweder insgesamt als Streuscheibe ausgebildet oder mit die Strahlung streuenden Mitteln versehen sein kann.

Der Sensor nach Fig. 14 enthält analog zu Fig. 7 weiter eine in das Substrat 2 integrierte, arrayartig ausgebildete, fotoelektrische Detektor- bzw. Sensoreinrichtung. Diese enthält vorzugsweise für jedes Filterelement 5a bis 5d je ein Foto- bzw. Sensorelement 3a bis 3d, z. B. in Form einer Fotodiode. Die Fotoelemente 3a bis 3d sind gemäß Fig. 14 in dem Substrat 2 derart angeordnet, dass sie unmittelbar unter denjenigen Abschnitten DBR-Spiegels 26 angeordnet sind, die einem betreffenden Filterelement 5a bis 5d zugeordnet sind. Dem Filterelement 5a ist daher z. B. das Fotoelement 3a so zugeordnet, dass dieses nur die von Filterelement 5a durchgelassene Strahlung aufnehmen kann. Entsprechendes gilt sinngemäß für die Filterelemente 5b bis 5d und die zugehörigen Fotoelemente 3b bis 3d. Aus Redundanz- und anderen Gründen kann es zweckmäßig sein, unter jedem Filterelement 5a bis 5d mindestens je zwei identische Fotoelemente 3a bis 3d so anzuordnen, dass beim Ausfall eines der beiden Fotoelemente das jeweils andere wirksam bleibt, und/oder ausgewählte Fotoelemente 3a bis 3d gleichzeitig unter wenigstens zwei verschiedenen Filterelementen 5a bis 5d anzuordnen, so dass diese ansprechen, wenn das eine und/oder andere Filterelement Strahlung durchlässt.

Die strahlungsempfindlichen Fotoelemente 3a bis 3d liegen im Substrat 2 dicht an der Vorderseite 2a oder grenzen an die Vorderseite 2a an, da sie zur Zeit aufgrund der üblichen Herstellungstechniken, z. B. der CCD- oder CMOS-Bauweise, nicht beliebig tief in das Substrat 2 eingepflanzt werden können. Bei Anwendung anderer Techniken wäre es allerdings auch möglich, die Fotoelemente 7a bis 7d an die Rückseite 2b angrenzen zu lassen, z.B. dann, wenn sie als Thermoelemente ausgebildet werden. Dabei können die Sensor- bzw. Fotoelemente 3a bis 3d aus jedem beliebigen Element bestehen, das zur Detektion von Strahlung im hier beschriebenen Umfang geeignet ist.

Schließlich enthält das z. B. in CCD- oder CMOS-Bauweise hergestellte Substrat 2 vorzugsweise auch eine Vielzahl von nicht dargestellten, elektrischen bzw. elektronischen Komponenten in Form von Transistoren und Dioden od. dgl., mittels derer die von den Fotoelementen 7a bis 7d abgegebenen elektrischen Signale verarbeitet werden können, sowie die auch aus Fig. 7 ersichtlichen Leitungen 4. Diese Leitungen 4 liegen in der Regel auf der Vorderseite 2a des Substrats 2, da sie z. B. auf das Substrat 2 aufgedampft werden, während die elektronischen Komponenten in dem Substrat 2 angeordnet sind. Alternativ wäre es natürlich auch möglich, nur die Fotoelemente 7a bis 7d im Substrat 2 anzuordnen, die elektronischen Komponenten dagegen auf oder in einem davon getrennten Chip anzuordnen und je nach Bedarf mit demselben oder einem anderen Gehäuse zu umgeben.

Wie Fig. 14 zeigt, sind das Filter 25 bzw. seine Filterelemente 5a bis 5d vorzugsweise auf der Rückseite 2b des Substrats 2 ausgebildet, das daher sowohl das Substrat für die Sensoreinrichtung als auch das Substrat für das Filter 25 bildet. Gleichzeitig ist vorgesehen, den Sensor von der von den Leitungen 4 abgewandten Rückseite 2b her zu bestrahlen, wie in Fig. 14 durch die den Wellenlängen λl bis λ4 zugeordneten Pfeile und in Fig. 10 durch die Pfeile 15, 16 angedeutet ist. Dadurch wird erreicht, dass die Leitungen 4 den Einfall der Strahlung auf die unter ihnen liegenden Fotoelemente 3a bis 3d nicht behindern können und/oder die Leitungen 4 auf der Vorderseite 2a beliebig und ohne Rücksicht auf die Lage der Fotoelemente 3a bis 3b oder die zu detektierende Strahlung verlegt werden können.

Da das Substrat 2 von seiner Rückseite 2b, d.h. der von den Leitungen 4 abgewandten Seite her bestrahlt wird und die Strahlung meistens nur eine vergleichsweise geringe Eindringtiefe bezüglich der üblicherweise verwendeten Substratmaterialien hat, ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, das Substrat 2 zumindest dort, wo die Filter- und Fotoelemente 5a bis 5d und 3a bis 3d angeordnet sind, mit einer Dicke von z. B. 10 μ bis 20 μ ausreichend dünn zu machen. Der Sensor besteht nach Fig. 14 insgesamt aus einem einstückig hergestellten Filter- und Sensorarray mit einer räumlich sehr kleinen Ausdehnung. Er kann daher mit seiner als Abtastfläche wirkenden Rückseite 2b und den auf dieser befindlichen Filterelementen 5 an beliebiger Stelle auf den zu untersuchenden Gegenstand aufgelegt werden. Bei Anwendung eines durchgehend gleichen und daher überall denselben Brechungsindex n aufweisenden Materials für die Kavität 28 haben die Kavitätsabschnitte 28a bis 28d dabei optische Längen Ll = Ii • n, L2 = Ij • n, L3 = I₃ • n und L4 = I₄ • n, die sich durch ihre geometrischen Längen U bis I₄ voneinander unterscheiden.

Abweichend von Fig. 14 enthält der beschriebene Sensor mit besonderem Vorteil nicht nur vier, sondern entsprechend der obigen Beschreibung eine weit größere Anzahl von z. B. wenigstens zehn, mit besonderem Vorteil hundert oder mehr Filterelementen und zugeordneten Fotoelementen.

Im übrigen können die DBR-Spiegel 26, 27 in jeder an sich bekannten Weise gestaltet werden (z.B. DE 103 18 767 Al).

Die Funktion des beschriebenen Filter- und Sensorarrays ergibt sich im wesentlichen aus Fig. 14 und 15. In Fig. 14 ist schematisch angedeutet, daß das Filterelement 5a z. B. eine Wellenlänge λl durchläßt, Wellenlängen λ2 bis λ4 dagegen reflektiert, so dass nur die Wellenlänge 11 das Fotoelement 3a erreichen kann. Dagegen lässt z.B. das Filterelement 5d die Wellenlänge λ4 passieren, so dass sie das Filterelement 3d erreichen kann, während es gleichzeitig die Wellenlängen λl bis λ3 nicht durchlässt.

Fig. 15 die zeigt die z.B. zu Fig. 14 gehörenden Transmissionsbänder (Dips) bei den Haupt- bzw. Zentralwellenlängen λl bis λ4 innerhalb eines Stopbandes, das sich von etwas oberhalb von 500 nm bis etwas unterhalb von 800 nm ersteckt. In allen vier Spektren ist auf der Ordinate jeweils die Reflektivität aufgetragen. Der Übersichtlichkeit wegen sind dabei die Nullpunkte jeweils längs der Ordinate verschoben.

Anstatt durch eine Dickenvariation der Kavitätsabschnitte 28a bis 28d kann eine Variation der optischen Länge L auch durch eine Variation des Brechungsindex n herbeigeführt werden. In diesem Fall könnten alle Kavitätsabschnitte 28a bis 28d dieselbe geometrische Dicke aufweisen.

Die Herstellung des beschriebenen optoelektronischen Sensors kann auf verschiedene Weise erfolgen. Dabei wird z.B. so vorgegangen, dass zunächst das Design des Filters 25 einschließlich der zugehörigen Filterelemente 5a bis 5d und Kavitätsabschnitte 28a bis 28d festgelegt wird, wobei sich die Orte, an denen Filterelemente mit bestimmten Durchlassbereichen zu liegen kommen, z.B. aus einer zuvor erstellten Zufallsliste ergeben. In Abhängigkeit davon wird das Design eines die Detektoreinrichtung enthaltenden, zum Filter 25 passenden oder an das Filter 25 angepassten Substrats 2 festgelegt, bei dem es sich z.B. um ein CCD- oder CMOS-Photodioden- Array handelt, das z. B. in Form eines ca. 0,5 mm dicken Siliziumchips oder -wafers vorliegt und in den gewünschten Abständen und in der gewünschten Verteilung mit den Fotoelementen 3 versehen ist. Das danach hergestellte Substrat 2 dient als Ausgangspunkt für die Herstellung des Filterarrays.

Das Substrat 2 wird nun, falls es noch nicht ausreichend dünn ist, durch Ätzen oder sonstwie durchgehend auf eine Dicke von z.B. 10 μ bis 20 μ verdünnt oder dort, wo sich die Fotoelemente 3 befinden, mit einem verdünnten Mittelabschnitt versehen.

In einem weiteren Schritt erfolgt jetzt z.B. eine Deposition des DBR-Spiegels 26 auf der Rückseite 2b des Substrats 2, indem z. B. abwechselnd Schichten aus Siliziumdioxid (SiC^) und Schichten aus Siliziumnitrid (SiaN₄) mit einem PECVD- Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) auf dem Substrat 2 abgeschieden werden.

Auf die oberste Schicht des DBR-Spiegels 26 wird nun eine Schicht aus dem Kavitätsmaterial aufgebracht. Soll die spätere Strukturierung des Kavitätsmaterials bevorzugt durch ein Nanoprint- Verfahren erfolgen, wird als Kavitätsmaterial ein festes, aber thermisch formbares Material wie z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA = Plexiglas) verwendet. Das Kavitätsmaterial wird z.B. durch Aufschleudern analog zur Aufbringung von Photolack, durch Abscheidung oder durch eine Düsenspritztechnik aufgebracht.

Im Anschluss daran erfolgt die Strukturierung der aus dem Kavitätsmaterial bestehenden Schicht z. B. mit Hilfe eines entsprechend strukturierten Stempels, dessen der Schicht zugewandte, prägende Oberfläche als Negativform der in der Schicht 28 herzustellenden Strukturierung ausgebildet wird. Die Strukturierung erfolgt dann dadurch, dass die Schicht z. B. auf 140 °C bis 160 ⁰C erhitzt wird, um das Kavitätsmaterial formbar zu machen, und anschließend der Stempel aufgedrückt wird, um auf der Oberfläche der Schicht die in Fig. 14 dargestellten Kavitätsabschnitte 28a bis 28d auszubilden. Daran anschließend werden die Kavitätsabschnitte 28a bis 28d fixiert, indem das Kavitätsmaterial der Abkühlung überlassen und ggf. durch Lichteinstrah- lung, vorzugsweise durch UV-Licht, gehärtet wird. In einem letzten Verfahrenschritt erfolgt dann die Ausbildung des zweiten DBR-Spiegels 27 in derselben Weise, wie oben für den ersten DBR- Spiegel 26 beschrieben ist.

Mit Hilfe der beschriebenen Technik können die Sensoren mit einigen hundert, für unterschiedliche Wellenlängen durchlässigen Filterelementen versehen werden. Da die Breite eines Filterdips bei den beispielhaft dargestellten Wellenlängen λl bis λ4 nur ca. 1 nm und die Breite des Stopbandes in Fig. 15 ca. 280 nm beträgt, würden im Ausführungsbeispiel durch Variation der Dicke des Kavitätsmaterials Arrays mit ca. 250 bis 300 Filterelementen herstellbar sein. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Dickenvariation des Kavitätsmaterials von Filterelement zu Filterelement nur wenige Nanometer betragen braucht. Werden für die DBR- Spiegel 26, 27 Materialien verwendet, deren Brechungsindexkontrast wesentlich größer als der beim System Siliziumdioxid/Siliziumnitrid ist, dann lassen sich Stopbänder mit einer Breite von z. B. 700 nm und infolgedessen Arrays mit weit über 500 Filterelementen herstellen. Die Querschnitte der Filterelemente parallel zur gedachten xy-Ebene betragen dabei z. B. wenige Mikrometer.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere die Zahl der pro Sensor vorhandenen

Filterelemente ist weitgehend frei wählbar und an den gewünschten Wellenlängenbereich anpassbar, der sich vom UV-Bereich bis in den Mikrowellenbereich erstrecken kann. Möglich wäre auch, einen Sensor entsprechend Fig. 8 derart mit mehreren Makropixeln 6a, 6b zu versehen, daß die Filterelemente des einen Makropixels Zentralwellenlängen aufweisen, die sich um einen bestimmten Wert von z.B. 1 nm von den Zentralwellenlängen des anderen Makropixels unterscheiden. Weiterhin stellt das angegebene Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen

Bauelements nur ein Beispiel dar. Insbesondere können die Substrate, wie in Fig. 10 und 11 angedeutet ist, mit Löchern versehen werden, die mit zur Aufnahme von Strahlungsquellen in

Form von Leuchtdioden, Glühlampen oder an Strahlungsquellen angeschlossenen Faserbündeln od. dgl. dienen. Alternativ können derartige Löcher auch z.B. dem Durchläse von Tageslicht dienen, da auch Tageslicht als Lichtquelle geeignet sein kann. Weiter sind auch plastische Materialien als Substrat (z. B. Folien, insbesondere biegbare Folien aus organischen Materialien) anwendbar, wobei alle Arten von elektronischen und optoelektronischen Bauelementen integriert sein können. Auf der Basis organischer Materialien sind ebenfalls alle Bauelemente denkbar, die bisher auf anorganischer Basis realisiert werden. Weiterhin wäre es möglich, das Substrat und die Filterelemente separat herzustellen und hinterher mit genauer Zentrierung der Fotoelemente auf die Filterelemente durch Kleben oder sonstwie zu einem einstückigen Bauelement zu verbinden. Außerdem kann das Substat 2 abweichend von der gezeigten flächigen Form jeweils gebogen geformt oder an ein bestehendes Oberflächenrelief angepasst sein oder werden. Auch die angege- benen Größen der Stopbänder und/oder die Lagen der Transmissionsbänder sind nur beispielhaft angegeben und weitgehend von der Geometrie, der Größe und dem Material der DBR-Spiegel 26, 27 und der Kavitätsabschnitte 5a bis 5d abhängig. Weiterhin ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Sensors nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen in Sensorchips für Digital- und Spektrometerkameras, als Filter- und Sensorarrays für Analysezwecke, insbesondere bei der qualitativen und quantitativen Analyse der Zusammensetzung von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern (bzw. deren Oberflächen) sowie in der Biotechnologie oder in der Medizintechnik. Dabei detektiert jedes Fotoelement (bzw. jedes Pixel) eine vorwählbare Wellenlänge. Weiterhin ist es möglich, den Sensor auf derjenigen Seite, mit welcher er auf den zu untersuchenden Gegenstand aufgelegt wird, d.h. insbesondere auf der freien Oberfläche des DBR-Spiegels 27, mit einer Schutzschicht zu versehen. Diese sollte vorzugsweise transparent und leicht abwaschbar bzw. desinfizierbar sein und den gestellten hygienischen Anforderungen genügen. Sollte diese Schicht die Filter- oder Absorptionseigenschaften des Filters beeinflussen, dann könnte dies bei der Herstellung des Filters oder bei der elektonischen Einstellung der Empfindlichkeit des Sensors entsprechen berücksichtigt werden. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen dargestellten Kombinationen angewendet werden können.

Durch die Erfindung kann auch ein Bauteil nach Anspruch 49 geschaffen werden, das in einem üblichen Gehäuse für z.B. gesockelte Montage oder Montage mittels Löten die Fotoelemente bzw. das Substrat mit den Fotoelementen als auch die Filterelemente bzw. das Substrat der Filterelemente in sich vereinigt. Dadurch sind ebenfalls nicht nur die verschiedenen Filterelemente des Filters, sondern auch die zur Erkennung oder Unterscheidung der Transmissionsbänder bzw. zur spektralen Auswertung der aufgenommenen Strahlung erforderlichen Fotoelemente in einem und demselben Bauelement integriert. Auch bei dieser Anordnung ist es möglich, die charakteristischen Transmissionsbänder und/oder die spektrale Verteilung der aufgenommenen Strahlung sowie den Ort, an dem eine bestimmte Strahlung abgegeben wird, durch bloßes Abfragen der aus Richtung der Lichtquelle direkt hinter den Filterelementen angeordneten Fotoelementen oder durch weitere optische Komponenten zugeordneten Fotoelementen, d. h. ohne mechanisches Durchstimmen des Filters erkennbar zu machen.

Das Bauelement ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 58 mit vergleichsweise einfachen Mitteln herstellbar, da das Filter unmittelbar auf einem Substrat aufgebaut wird, das z. B. in üblichen Gehäusen einer in CMOS- oder CCD-Technologie hergestellten Detektoreinrichtung als Fenster verwendet wird. Da die Filterelemente auch auf der Rückseite diese Substrats angeordnet, also im geschützten Inneren des Bauelementes, sein können, steht dessen Vorderseite für die z.B. auch kombinierte Anbringung weiterer optischer Komponenten wie beispielsweise Mikrolinsenanodnungen, Lichtleitern oder Blenden zur Verfügung, weiterhin kann die Dicke des ganzen oder eines Teils des ebenfalls als Fenster verwendeten Substrates für die Filterelemente derart gewählt werden, so dass diese für die Funktion der weiteren optischen Komponenten besonders vorteilhaft ist. Weiterhin kann das Substrat der Filterelemente selbst eine weitere optische Funktion als der eines Fensters aufweisen, z.B. die eines Bandpassfilters, welche allen oder einen räumlich benachbarten Teil der Filterlemente zugeordnet ist. Aufgrund der Ausbildung der Filterelemente als Fabry-Perot-Filter ist es außerdem möglich, auf engem Raum (z. B. 1 cm x 1 cm) eine Vielzahl von (z. B. einigen hundert) Filterelementen unterzubringen, deren Transmissionsbänder wahlweise unterschiedlichen oder gleichen Wellenlängenbereichen zugeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich ebenfalls ein Sensor schaffen, der sowohl eine hohe Ortsauflösung als auch eine hohe spektrale Auflösung hat.

Mit der vorgestellten Vorrichtung ist es möglich sehr flache spektral sensitive Sensoren herzustellen. Spektrometer nach Stand der Technik benötigen einen relativ zur vorgestellten Anordnung großen Abstand zwischen Lichteintrittspunkt und lichtempfindlichen Element bedingt durch die benötigte Aufspreizung des Spektrums. Kombiniert man einen solchen flachen spektral empfindlichen Sensor mit einer draht bzw. kontaktlosen Energieversorgung und einer ebensolchen Datenübertragung in einem hermetisch dichten Gehäuse (Fig. 19, 1), erhält man eine Messapparatur mit Anwendungsbereichen die nach Stand der Technik nicht möglich sind. So kann beispielsweise eine solche Sensor-Einheit 1 unter die Haut 2 implantiert werden. In einer weiteren Einheit 3 die die Energieversorgung 4 und den Datenaustausch 5 mit der implantierten Einheit übernimmt ist eine Lichtquelle 6 integriert. Wird die Einheit mit der Lichtquelle auf der Haut über der Sensor-Einheit 1 platziert ergibt sich die notwendige Anordnung von Lichtquelle, Absorptionsstrecke und spektral sensitivem Sensor zur Messung von Transmissions- bzw. Absorptionsspektren. Die Anordnung ist vergleichbar mit einer Anordnung (Fig. 20) , bei der ein entsprechendes Gewebestück 7 entnommen und in den Strahlengang eines Absorptionsspektrometers bestehend aus Lichtquelle 8, Monochromator 9 und Detektor 10 eingebracht wird. Das Volumen zwischen

Lichtquellen-Einheit (Fig. 19) 3 und Sensor-Einheit 1 entspricht also dem Volumen der Küvette (Fig. 20) 11.

Eine Messung kann jederzeit wiederholt werden ohne erneut einen Sensor unter die Haut bringen zu müssen, d. h. ohne erneute Verletzung. Der wesentliche Vorteil einer solchen Transmissionsmessung gegenüber einer transreflektiven Messung bzw. Apparatur (Fig. 21) 12, bei der Lichtquelle 13 und Lichtempfänger bzw. Spektrometer 14 durch einen Abstand bzw. einer Lichtsperre 15 voneinander getrennt auf die Haut 2 aufgelegt werden, ist der senkrechte mittlere Absorptionspfad. Weiterhin ist keine zusätzliche Abschirmung 16 zwischen und Lichtquelle und Lichtempfänger nötig. Die Anordnung nach Fig. 19 gewährleistet, dass nur Licht den Empfänger erreicht, welches die Probe, hier die Haut und die darunter liegenden Gewebeschichten, durchdrungen hat. Durch die Position der Sensor-Einheit ist das Gewebe in der gedachten Küvette bei jeder Messung identisch, bei erneutem Auflegen der Lichtquelleneinheit wird eine höhere Reproduzierbarkeit erreicht als bei einer Apparatur zur transreflektiven Messung.

Wird der spektral sensitive Bereich der Einheit (Fig. 22) 17 vollständig oder nur zum Teil, was eine Referenzmessung ermöglicht, mit einer Schicht eines Indikators 18 versehen welcher z.B. auf den Blutzuckergehalt reversibel reagiert, kann mittels eines solchen implantierten Sensors und einer Einheit aus Energieversorgung, Datenübertragung und Beleuchtung als Handgerät jederzeit verletzungsfrei der Blutzuckergehalt bestimmt werden. Grundsätzlich entfallt mit der vorgestellten Einheit die Notwendigkeit zur Probenentnahme, da das durchstrahlte Volumen oder das den Indikator beeinflussende Volumen nicht abgetrennt oder entnommen werden muss.

Wird der beschriebene Sensor mit einer Lichtquelle 19 versehen, so entsteht ein komplettes Absorptions- oder Reflektionsspektrometer welches in einem hermetisch dichten Gehäuse 20 in agressiven Medien eingesetzt werden kann. Dieses Spektrometer kann zb. in den Magen gebracht werden und auf dem Weg durch den Magen-Darm- Trackt kontinuierlich Messungen durchfuhren. Es ist in Verbindung mit einem entsprechenden Indikator möglich z.B. den pH- Wert im Verlauf des Magen-Darm-

Tracktes zu bestimmen. Die Position eines solchen Spektrometers wird mit der Einheit zur Energieversorgung und Datenübertragung festgestellt. In diese Einheit kann beispielsweise auch die Datenverarbeitung und Anzeige integriert sein.

Eine entsprechende Sensoreinheit kann ebenfalls mit einem Datenspeicher versehen sein, welcher eine eindeutige Identifikation ermöglicht und zur Speicherung von z.B. einer Patientenhistorie verwendet werden kann.

Eine entsprechende Sensoreinheit kann Messdaten zur Steuerung eines Dosiergerätes liefern und in Kombination mit diesem z.B. den Insulinspiegel konstant halten. Eine Einheit zur Energieversorgung und Datenübertragung und Datenverarbeitung kann Dosierungsvorgaben zur Verfügung stellen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Filterarrays mit zwei DBR-Spiegeln (3, 4) und einer zwischen diesen vorhandenen Kavität, die eine Vielzahl von unterschiedliche Höhen aufweisenden, je ein Fabry-Perot-Filterelement (2a bis 2g) bildenden Kavitätsabschnitten (5a bis 5g) enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Aufbringen eines ersten DBR-Spiegels (3) auf ein Substrat (1), Ausbildung einer aus einem Kavitätsmaterial bestehenden Schicht (5) auf dem DBR-Spiegel (3), wobei diese Schicht (5) durch Anwendung eines Nanoimprint- Verfahrens mit der Vielzahl der die Filterelemente (2a bis 2g) bildenden Kavitätsabschnitte (5a bis 5g) versehen wird, und Aufbringen des zweiten DBR-Spiegels (4) auf das Kavitätsmaterial mit einer durch die unterschiedlichen Höhen der Kavitätsabschnitte (5a bis 5g) vorgegebenen Strukturierung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (1) ein mit einer fotoelektrischen Detektoreinrichtung versehenes Substrat verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Filterelementen (2a bis 2g) zugewandte Oberfläche des Substrats (1) vor dem Aufbringen des ersten DBR-Spiegels (3) geglättet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung unter Anwendung eines thermisch verformbaren Kavitätsmaterials erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung unter Anwendung eines flüsssigen oder zähflüssigen, durch Licht härtbaren Kavitätsmaterials erfolgt und das Kavitätsmaterial nach der Abformung mit Licht ausgehärtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungs- index der Schicht (5) mit Hilfe eines implantierenden Verfahrens lokal verändert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) mit einer vorgewählten Dicke aufgebracht und ihre Dicke dann mit Hilfe eines abtragenden Verfahrens lokal reduziert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion der Dicke der Schicht (5) durch Ätzen erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (5) dadurch strukturiert wird, dass sie unterschiedlich dick auf dem ersten DBR-Spiegel (3) deponiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kavitäts- material ein Polymer verwendet wird und die Deposition der DBR-Spiegel (3, 4) durch Abscheidung aus einer Gasphase mit Plasmaunterstützung (PECVD) erfolgt, wobei zumindest die Deposition des auf dem Kavitätsmaterial abzuscheidenden DBR-Spiegels (4) bei einer unterhalb einer Glasübergangstemperatur der Polymers liegenden Temperatur vorgenommen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1), die DBR-Spiegel (3, 4) und die Schicht (5) aus dem Kavitätsmaterial getrennt voneinander hergestellt und dann paßgenau aufeinander gelegt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Substrats (1) und der übrigen Teile in Wafergröße erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung des Nanoimprint-Verfahrens mit Hilfe eines Stempels (12) erfolgt, der unter Zuhilfenahme einer der folgenden Techniken hergestellt wird: LIGA-Technik, MIGA-Technik, Elektonen-, Ionen- oder Partikelstrahl-Deposition, Deposition unter Zuhilfenahme elektromagnetischer Wellen oder Deposition mit Plasmaunterstützung.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Deposition der Schicht (5) vor Durchführung des Nanoimprint-Verfahrens mit einem modifizierten Tintenstrahl-Druckverfahren erfolgt.

15. Optisches Filterarray mit einem für eine zu detektierende elektromagnetische Strahlung durchlässigen Substrat (1), auf dem ein erster DBR-Spiegel (3), ein zweiter DBR-Spiegel (4) und eine Vielzahl von zwischen den beiden DBR-Spiegeln (3, 4) räumlich getrennt angeordneten, aus je einem Kavitätsmaterial bestehenden Kavitätsabschnitten (5a bis 5g) angeordnet ist, die unterschiedliche optische Längen (Ll, L2) haben und mit den beiden DBR-Spiegeln (3, 4) je ein Filterelement (2a bis 2g) bilden, wobei das Filter (2) in einem durch die DBR-Spiegel (3, 4) bestimmten Stopband reflektiert und wobei jedes Filterelement (2a bis 2g) mindestens ein durch die optische Länge von dessen Kavitätsabschnitt (5a bis 5g) bestimmtes, innerhalb des Stopbandes liegendes, schmales Transmissionsband aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Dicken der Kavitätsabschnitte (5a bis 5g) durch Anwendung eines Nanoimprint-Verfahrens hergestellt sind.

16. Filterarray nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung als CCD- oder CMOS-Schaltung realisiert und die Filterelemente (2a bis 2g) unmittelbar auf der CCD- oder CMOS-Schaltung aufgebaut sind.

17. Filterarray nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitätsabschnitte (5a bis 5d) mesaförmig ausgebildet sind.

18. Filterarray nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitätsabschnitte (5e bis 5g) linsenförmig ausgebildet sind.

19. Filterarray nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitätsabschnitte (5e bis 5g) derart linsenförmig ausgebildet sind, dass sie für unterschiedliche Einfallswinkel gleiche optische Längen (L) aufweisen.

20. Filterarray nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäts- abschnitte (5a bis 5g) aus einem thermisch verformbaren Material bestehen.

21. Filterarray nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (2a bis 2g) und ihnen zugeordnete Fotoelemente (7a bis 7g) polarkoordinatenartig zeilen- und spaltenweise angeordnet sind.

22. Filterarray nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (2a bis 2g) und ihnen zugeordnete Fotoelemente (7a bis 7g) in einer linearen oder gekrümmten Zeile angeordnet sind.

23. Filterarray nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter- und Fotoelemente (2a bis 2g; 7a bis 7g) in einer unregelmäßigen, jedoch vorgewählten Verteilung angeordnet sind.

24. Filterarray nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) und/oder das Filter (2) auf der Basis von organischen oder anorganischen Materialien hergestellt ist.

25. Vorrichtung zur Untersuchung der spektralen und örtlichen Verteilung einer elektromagnetischen, von einem Gegenstand ausgehenden Strahlung, enthaltend eine Vielzahl von miniaturisierten Filterelementen (5, 5a bis 5d) mit unterschiedlichen, engen spektralen Durchlassbereichen und den Fotoelementen (5, 5a bis 5d) zugeordneten, fotoelektrischen Sensorelementen (3), wobei die Filterelemente (5, 5a bis 5d) nebeneinander angeordnet sind und zusammen mit den Sensorelementen (3) ein Sensor- und Filterarray bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralen Durchlassbereiche mit einer statistischen oder pseudostatistischen Verteilung in dem Sensor- und Filterarray verteilt angeordnet sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor- und Filterarray aus benachbarten Sensor- und Filterelementen (3, 5, 5a bis 5d) gebildete Bereiche (6a, 6b, 6c) aufweist und die Filterelemente (5, 5a bis 5d) aufgrund der statistischen oder pseudostatischen Verteilung in allen Bereichen (6a, 6b, 6c) ähnliche Durchlassbereiche aufweisen.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass alle Bereiche (6a, 6b, 6c) dieselbe Anzahl von Filterelementen (5, 5a bis 5d) aufweisen.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel aufweist, mittels derer die Bereiche (6a, 6b, 6c) bei der Auswertung der untersuchten Strahlung wahlweise festlegbar sind.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor- und Filterarray wenigstens einen ersten und einen zweiten Abschnitt (7a, 7c) aufweist, wobei die Durchlassbereiche in dem ersten Abschnitt (7a) eine statistische oder pseudostatistische Verteilung und in dem zweiten Abschnitt (7c) eine zu einem vorgewählten Punkt der Sensor- und Filterarray zentralsymmetrische Anordnung bezüglich des ersten Abschnitts aufweisen.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor- und Filterarray wenigstens einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei die Durchlassbereiche in dem ersten Abschnitt eine statistische oder pseudostatistische Verteilung und in dem zweiten Abschnitt eine zu einer vorgewählten Linie der Sensor- und Filterarray spiegelsymmetrische Anordnung bezüglich des ersten Abschnitts aufweisen.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlassbereiche den Filterelementen (5) so zugeordnet sind, dass sich eine zu einem vorgewählten Punkt des Sensor- und Filterarrays rotationssymmetrische Verteilung der Durchlassbereiche ergibt.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der statistischen Verteilung eine lineare Verteilung derart überlagert ist, dass den Filterelementen (5a, 5b) in einem vorgewählten Punkt (14) der Sensor- und Filterarray nahen Zonen im Mittel kürzerwellige Durchlassbereiche und mit zunehmenden Abständen von diesem Punkt (14) im Mittel zunehmend längerwellige Durchlassbereiche zugeordnet sind.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor- und Filterarray wenigstens vierzig Filterelemente (5, 5a bis 5d) mit unterschiedlichen spektralen Durchlassbereichen enthält.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor- und Filterelemente (3; 5, 5a bis 5d) kartesisch Zeilen- und spaltenweise angeordnet sind.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor- und Filterelemente (3; 5, 5a bis 5d) polarkoordinatenartig Zeilen- und spaltenweise angeordnet sind.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12, 17, 20a, bis 2Od) ein scheibenförmiges Substrat (2) aufweist, in dem die Sensorelemente (5) angeordnet sind.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) aus einer im Wesentlichen planparallelen, ebenen oder gekrümmten Scheibe besteht.

38. Vorrichtung nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) gleichzeitig das Substrat für die Filterelemente (5, 5a bis 5d) bildet.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (5a bis 5d) aus Fabry-Perot-Filterelementen bestehen.

40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (5a bis 5d) aus zwei DBR-Spiegeln (26, 27) und zwischen den DBR-Spiegeln (26, 27) angeordneten, unterschiedliche optische Längen aufweisenden Kavitätsabschnitten (28a bis 28d) bestehen.

41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor- und Filterarray in CCD- und/oder CMOS-Technik hergestellt ist.

42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (5) auf eine von elektrischen Leitungen (4) freie Oberfläche (2b) des Substrats (2) aufgebracht sind.

43. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) zumindest im Bereich der fotoelektrischen Sensorelemente (3) eine in Abhängigkeit von der Eindringtiefe der Strahlung gewählte Dicke aufweist.

44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Spektralbereiche der Filterelemente (5, 5a bis 5d) höchstens einige Nanometer beträgt, insbesondere z. B. bis zu 4 nm im sichtbaren Bereich, mehr als 10 nm im nahen Infrarot und bis zu 10 nm oder mehr bei noch größeren Wellenlängen.

45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor- und Filterelemente (3, 5) laterale Abmessungen von höchstens 100 μm aufweisen.

46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) mit einem zur Aufnahme einer Lichtquelle (14, 22a bis 22d) bestimmten Loch versehen ist.

47. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei zur Erfassung einer vom Gegenstand (11, 18, 21) remittierten oder transmittierten Strahlung eingerichtet ist.

48. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erfassung einer vom Gegenstand ausgehenden Fluoreszenz-, Phosphoreszenz oder Streustrahlung eingerichtet ist.

49. Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 48 welches ein Substrat (Fig. 16a) mit einer Vielzahl für eine zu detektierende Strahlung empfindlichen Fotolelementen 5a und ein Substrat (Fig. 16b) 10 mit einer Vielzahl von aufgebrachten miniaturisierten Fabry-Perot-Filterelementen 2a enthält, die für wenigstens je einen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Spektralbereichen der zu detektierenden Strahlung ausgewählten Spektralbereich durchlässig sind, wobei das Substrat der Sensoreinrichtung oder der Filtereinrichtung 2a gleichzeitig (Fig. 17) das Fenster 10 des Gehäuses des optoelektronischen Bauelementes bildet.

50. Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 49 dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente auf der dem Fotoelemente-Substrat zugewandten Seite des Substrates angebracht sind. Dadurch befinden sich die Filterelemente im inneren des Bauteils und somit näher an den Fotoelementen und sind zudem vor Umwelteinflüssen geschützt.

51. Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 50 dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat der Filterelemente vollständig oder teilweise weitere optische Komponenten wie beispielsweise Mikrolinsenanodnungen, Lichtleitern oder Blenden angebracht sind.

52. Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 51 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat der Filterlelemente vollständig oder teilweise weitere optische Funktionen als der eines Fensters aufweist, z.B. die eines Bandpassfilters oder Lowpassfilters, welche allen oder einen räumlich benachbarten Teil der Filterlemente zugeordnet ist.

53. Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des als Fenster verwendeten Substrates der Filterelemente vollständig oder für einen eines Teils derart gewählt ist, so dass diese für die Funktion der weiteren optischen Komponenten oder für die Funktion des Bauelements für einen großen Wellenlängenbereich besonders vorteilhaft ist.

54. Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültige Zuordnung nach der Montage bestimmt wird und bei der Verarbeitung der Signale der Fotoelemente auf rein elektronischem Wege mit Hilfe einer entsprechenden Auswerteschaltung oder -logik oder eines Auswertungsprogramms berücksichtigt wird.

55. Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 54 dadurch gekennzeichnet, dass die sich durch die Montage ergebende Zuordnung bestimmt wird, in einer elektronischen Schaltung innerhalb des Substrates der Fotoelemente oder eines weiteren Substrates innerhalb des Gehäuses gespeichert wird und bei der Ausgabe der Signale vom Bauelement berücksichtigt wird, so dass z.B. für alle Bauelemente eines Typs eine standardisierte Ausgabe erfolgt.

56. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis55, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Chip mit einer Größe von wenigen Quadratmillimetern und wenigstens eintausend

Sensor- und Filterelementen (3, 5) ausgebildet ist.

57. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente (5, 5a bis 5d) und ihnen zugeordnete Sensorelemente (3) zu einem einstückigen, auf den Gegenstand (11, 18, 21), z.B Gewebe bzw. Körperteile oder aus der Tiefe zurückstreuendem Material, auflegbaren Sensor (12, 17, 20a bis 2Od) zusammengefasst sind.

58. Bauelement (Fig. 18) nach einem der Ansprüche 25 bis 57, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Design eines optischen Filters (2) einschließlich der zugehörigen Filterelemente (2a bis 2e), Design eines Substrats für die Filterelemente 10 einschließlich darin enthaltener optischer Funktionen 10a und weiterer aufgebrachter optischen Komponenten wie z.B. Mikrolinsenanodnungen 3, Lichtleitern oder Blenden 4, Design eines weiteren Substrats (5) einschließlich darin enthaltener Sensorelemente 5a-5e, Deposition eines ersten DBR-Spiegels 1 1 auf einer Seite des Substrats 10, Deposition einer Schicht eines Kavitätsmaterials auf dem ersten DBR-Spiegel 1 1, Strukturierung der Dicke und/oder des Brechungsindex der Schicht 12 in Abhängigkeit vom Design der Filterelemente und Deposition eines zweiten DBR-Spiegels 13 auf der strukturierten Schicht, Montage in ein Gehäuse 6 z.B. für gesockelte Montage oder Montage mittels Löten, dabei werden die Fotoelemente bzw. das Substrat mit den Fotoelementen als auch die Filterelemente bzw. das Substrat der Filterelemente in ein Bauelement vereinigt, wobei die Zuordnung der Fotoelemente zu den Filterelementen erst durch die Montage erfolgen kann bzw. durch die Toleranzen beeinflusst wird, die endgültige Zuordnung bestimmt wird und bei der Verarbeitung der Signale der Fotoelemente auf rein elektronischem Wege mit Hilfe einer entsprechenden Auswerteschaltung oder -logik oder eines Auswertungsprogramms berücksichtigt wird, oder die sich durch die Montage ergebende Zuordnung wird bestimmt, in einer elektronischen Schaltung innerhalb des Substrates der Fotoelemente oder eines weiteren Substrates innerhalb des Gehäuses gespeichert und bei der Ausgabe der Signale vom Bauelement berücksichtigt wird.

59. Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 58, dadurch gekennzeichnet dass eine oder mehrere gerichtete oder ungerichtete Lichtquellen auch unterschiedlicher

Emissionsbreite und -bereiche integriert sind.

60. Bauelement nach wenigstens einem der Ansprüche 25 bis 59, dadurch gekennzeichnet dass eine oder mehrere Aufnahmen für Lichtwellenleiter bzw. Fasern integriert sind, so dass die Lage von Lichtaustrittspunkt zum Lichteintrittspunkt bzw. Filter durch das Bauelement vorgegeben wird.

61. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 60 für computerto- mographische Auswertungen.

62. Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 61 für die Ermittlung von Remissionsspektren der menschlichen Haut.

63) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 62, dadurch gekennzeichnet, dass ein entsprechend flacher spektral empfindlichen Sensor mit einer draht bzw. kontaktlosen

Energieversorgung und einer ebensolchen Datenübertragung kombiniert wird, so dass die Kombination beispielsweise zur Implantation in den menschlichen Körper geeignet ist.

64) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 63 dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mit einer Lichtquelle kombiniert ist.

65) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 64 dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Indikator kombiniert ist, der auf Umgebungsbedingungen wie pH- Wert reversibel reagiert.

66) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 65 dadurch gekennzeichnet, dass sie sich, als Einheit in einem hermetisch dichten Gehäuse befindet. 67) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 66 dadurch gekennzeichnet, dass sie resistent gegen aggressive Medien ist.

68) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 67 dadurch gekennzeichnet, dass sie einen integrierten Datenspeicher besitzt.

69) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 68, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit aus Energieübertragung, Datenübertragung und Datenverarbeitung in ein Dosiergerät integriert ist.

70) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 69, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit aus Energieübertragung, Datenübertragung und Datenverarbeitung ein Dosiergerät steuert.

71) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 70, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit aus Energieübertragung, Datenübertragung und Datenverarbeitung Dosierungsvorgaben z. B. über eine Anzeige zur Verfügung stellt.