DE102006019840A1

DE102006019840A1 - Zeilenkamera für spektrale Bilderfassung

Info

Publication number: DE102006019840A1
Application number: DE102006019840A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Grüger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-04-29
Also published as: DE102006019840B4; US20070252990A1; US7728973B2

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung spektraler Informationen entlang einer geometrischen Linie mit einem dispersiven Element, das an einer Drehachse aufgehängt ist, zum spektralen Zerlegen einer elektromagnetischen Strahlung von einem Bereich auf der geometrischen Linie in spektrale Bestandteile, einem Zeilendetektor zur Detektion der spektralen Bestandteile der von dem Bereich auf der geometrischen Linie ausgehenden Strahlung und einer Einrichtung zum Auslenken des dispersiven Elements, wobei die Einrichtung zum Auslenken ausgebildet ist, um das dispersive Element um die Drehachse auszulenken, so dass abhängig von einem Auslenkungswinkel eine Strahlung von einem anderen Bereich auf der geometrischen Linie auf den Zeilendetektor fällt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Spektrometrie und insbesondere auf ein System und Verfahren zur Erfassung nach spektralen Anteilen aufgelöster optischer Bilder entlang einer geometrischen Linie.
Bekanntermaßen ist es mit einem Spektrometer möglich, Licht in einem bestimmten Spektralbereich wellenlängenabhängig zu vermessen. Kernstück eines jeden Spektrometers ist ein dispersives Element, wie z.B. ein Gitter oder Prisma, auf das das Licht, dessen spektrale Verteilung bestimmt werden soll, einfällt, und das das einfallende Licht in seine spektralen Bestandteile zerlegt, und ein entsprechender Detektor zum Aufnehmen eines oder mehrerer der spektralen Bestandteile. 6 zeigt eine klassische Anordnungen eines Gitterspektrometers. Ein bewegliches Gitter 900 wird durch einen Eintrittsspalt und ein bündelndes Element (nicht gezeigt) mit einem Lichtstrahl 902 beleuchtet, dessen spektrale Verteilung bestimmt werden soll. Das bewegliche Gitter 900 ist um eine Achse, die parallel zu den Gitterlinien verläuft, drehbar gelagert. Die Einstellung des Gitters 900 erfolgt quasistatisch, typischerweise über einen Schrittmotor. Das nach Wellenlängen aufgespaltene Licht 906 – genauer ein spektraler Bestandteil desselben – wird von einem Detektorelement 908 erfasst, während das Gitter 900 in verschiedene Stellungen bewegt wird. Auf diese Weise wird das in einer Ebene senkrecht zur Drehachse nach Wellenlängen aufgespaltene Licht 906 durch den Detektor 908 abgetastet, wobei dessen Messsignale entsprechend aufgezeichnet werden, um die spektrale Verteilung des Lichtstrahls 902 zu bestimmen.
Spektrometer werden u.a. in sogenannten Spectral Imaging Systemen verwendet. Ein Spectral Imaging System ist ein Sensorsystem, welches gleichzeitig spektrale und räumliche Informationen aufnimmt, die gesamte mechanische, elektronische und optische Peripherie bereitstellt, die Kombinationsdaten analysiert und die Analysewerte weiterleitet. Im sichtbaren Spektralbereich (380–780 nm Wellenlänge) können die an Spectral Imaging Systeme gestellten Anforderungen durch Systeme mit zweidimensionalen Detektoranordnungen (CCD-Bildsensoren bzw. sogenannte 2D-Arraydetektoren) ausreichend gut erfüllt werden. Dabei wird die zu bewertende geometrische Linie über ein fest montiertes Beugungsgitter auf die Detektorfläche abgebildet. Auf dem zweidimensionalen Detektor wird dann eine Darstellung erreicht, bei der eine Richtung der geometrischen Komponente, die andere der Wellenlänge entspricht. Somit lässt sich für jeden geometrischen Ort der Linie eine spektrale Intensitätsverteilung bestimmen. Geeignete Detektoren sind mit einer sehr großen Zahl von Detektorelementen, derzeit bis in den zweistelligen Millionenbereich, verfügbar, beispielsweise als Chip mit 3.000 × 5.000 Elementen und mehr.
Aufgrund natürlicher und technischer Randbedingungen sind oftmals Messungen speziell im infraroten Spektralbereich erforderlich. Dies ist insbesondere bei Anwendungen, die Messungen in der Nacht ohne direkte Beleuchtung durch die Sonne oder zusätzliche künstliche Lichtquellen benötigen, fast ausnahmslos zwingend notwendig. Der infrarote Spektralbereich liegt oberhalb der Sensitivitätsgrenze von Siliziumdetektoren (1.300 nm Wellenlänge). In diesem Bereich ist die Verfügbarkeit von geeigneten Detektoren, insbesondere von zweidimensionalen Anordnungen, sehr begrenzt. Monolithisch integrierte Bauelemente sind derzeit sehr teuer. Die Zahl der Detektorelemente ist bereits bei Zeilenanordnungen vergleichsweise gering. Derzeit sind Zeilen mit 256–512 Elementen kommerziell verfügbar. Unter Verwendung von Infrarotspektrometern, die meistens InGaAs-Zeilendetektoren (Indium-Gallium-Arsenid) und fest montierte Gitter aufweisen, können derartige Systeme durch eine Kombination mit einer sogenannten Scaneinheit zur Strahl führung realisiert werden. Der systemtechnische Aufwand ist jedoch sehr hoch und die Systeme arbeiten bedingt langsam bei gleichzeitig begrenzter Bildpunktauflösung. Ihre komplexe Technik ist empfindlich bezüglich der Justage der Baugruppen zueinander und gegenüber Störeinflüssen aus den Umgebungsbedingungen.
Eine denkbare Realisierungsvariante zur Lösung der Problematik mit einem Schwinggitterchip, wie z.B. in der Veröffentlichungsschrift WO 03069290 A1 beschrieben, weist den Nachteil auf, dass die spektrale Auflösung durch den Bewegungsbereich mit einer sehr feinen Auflösung stattfindet, was aber wegen der optischen Randbedingungen keinen Vorteil ergibt, jedoch die geometrische Auflösung durch die relativ kleine Anzahl von Detektorelementen gegeben ist. Eine geometrische Auflösung von nur 256–512 Punkten ist für zahlreiche Anwendungen nicht ausreichend.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches und robustes System zu realisieren, das die Erfassung nach spektralen Anteilen aufgelöster Bilder entlang einer geometrischen Linie ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 32 und ein System und Verfahren gemäß den Ansprüchen 27 und 33 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die eindimensionale geometrische Abtastung und die gleichzeitige spektrale Zerlegung des Lichts durch ein dispersives Element mit einer Drehachse erreicht werden können, wobei die spektrale Zerlegung in einer die Drehachse durchlaufenden Ebene stattfindet. Dabei kann das das dispersive Element enthaltende Bauelement beispielsweise in Feinwerk-, Mikrosystem- oder Kunststofftechnik oder durch Siliziummikromechanik hergestellt sein. Damit ist es möglich, ein System aufzubauen, das die Funktion einer Zeilenkamera mit gleichzeitiger In-Situ-Erfassung der spektralen Intensi tätsverteilung aufweist, wobei zur Detektion nur ein eindimensionaler Zeilendetektor erforderlich ist.
Hieraus resultiert ein erheblicher Preisvorteil, speziell im NIR- (nahen Infrarot-) Spektralbereich oberhalb von 1.300 nm Wellenlänge. Bei der Verwendung mikromechanischer Komponenten, speziell bei Siliziummikrotechnologien, weisen die Bauelemente eine sehr hohe Robustheit auf, was speziell im mobilen Einsatz von entscheidendem Vorteil ist. Die Baugruppen sind sehr leicht und können durch die Fertigung im Waferverbund auch in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden.
Mikromechanisch gefertigte Bauelemente, die auf einer beweglichen Platte Gitterstrukturen beinhalten, sind als Stand der Technik bekannt (WO 03069290 A1). Mit einer Ausführungsform dieser Bauelemente, die in einer Siliziummikrotechnologie hergestellt werden, sind erfolgreich Spektrometer für den ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich aufgebaut worden. Grundlegend ist die Eigenschaft, dass sich das im Bauelement realisierte Gitter entlang einer Achse kippen lässt, die parallel zu den Gitterlinien ist. Hierdurch reicht ein Einfachdetektor zur Erfassung der spektralen Intensitätsverteilung aus. In früheren Ausführungsvarianten derartiger Systeme, die ein feststehendes Gitter aufweisen, wird die Intensitätsverteilung durch entsprechend aufwendigere lineare Detektorzeilen erfasst, ohne dass eine mechanische Bewegung erforderlich ist.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden bei einem sinnvollen Detektionsbereich von 1.100–1.700 nm Breite (typischer Wellenlängenbereich 900–2.000 nm, extrem 800–2.500 nm) bereits bei Verwendung von Detektoren mit 256 Elementen spektrale Auflösungen von weniger als 10 nm erreicht, was in diesem Bereich fast ausnahmslos ausreichend ist. Die geometrische Auflösung, die möglichst fein sein muss, wird durch eine Bewegung des Bauelements und eine Datenrate des Detektors festgelegt. Bei Verwendung von mikromechanischen Siliziumbauelementen mit 500 Hz Schwingungsfrequenz und Detektoren mit einer Verarbeitungsrate von 3 Mio. Signalen pro Sekunde, werden pro Halbschwingung 3.000 Punkte aufgelöst, mit langsameren Bauelementen, beispielsweise mit 150 Hz Schwingungsfrequenz, erscheinen auch 10.000 Bildpunkte realisierbar.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung umfasst ein dispersives Element zum spektralen Zerlegen eines Lichtstrahls, dessen spektrale Verteilung bestimmt werden soll in spektrale Bestandteile, sowie eine Aufhängung zum Tragen des dispersiven Elements und zum Vorspannen desselben in eine Ruhestellung mit einer Vorspannkraft, wenn sich das dispersive Element in einer ausgelenkten Stellung befindet. Das dispersive Element ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ein mikromechanisch hergestellter Spiegel mit einer Phasen- oder Amplitudenmodulationsgitterstruktur an der Spiegeloberfläche, der von zwei gegenüberliegenden Seiten entlang einer zentralen Drehachse an zwei Stegen als Torsionsfedern aufgehängt ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Einrichtung, um das dispersive Element in eine Schwingung und insbesondere in eine resonante Schwingung zu versetzen, indem die Variation der ausgelenkten Stellung durch eine Steuereinheit entsprechend schnell mit einer Schwingungsfrequenz ω₀ durchgeführt wird, so dass für einen Detektor der Vorrichtung verschiedene spektrale Bestandteile von Lichtstrahlen ausgehend von verschiedenen, auf einer geometrischen Linie liegenden Punkten erfassbar werden.
Erfindungsgemäß wird die Beweglichkeit des dispersiven Elements mit der Verwendung einer aus mehreren Detektorelementen bestehenden Detektorzeile z.B. eines herkömmlichen Miniaturspektrometers verknüpft, wobei die Detektorzeile in einer die Drehachse des dispersiven Elements durchlaufenden Ebene angeordnet ist. Zur Bestimmung der spektralen Verteilung des Lichts, ausgehend von einer geometrischen Linie, werden mehrere Aufnahmen entlang der Linie miteinander kombiniert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur spektralen Erfassung einer geometrischen Linie ein dispersives Element, das an einer Drehachse aufgehängt ist, zum spektralen Zerlegen einer elektromagnetischen Strahlung von einem Bereich auf der geometrischen Linie in spektrale Bestandteile, einen Zeilendetektor zur Detektion der spektralen Bestandteile der von dem Bereich auf der geometrischen Linie ausgehenden Strahlung und eine Einrichtung zum Auslenken des dispersiven Elements, wobei die Einrichtung zum Auslenken ausgebildet ist, um das dispersive Element um die Drehachse auszulenken, so dass abhängig von einem Auslenkungswinkel eine Strahlung von einem anderen Bereich auf der geometrischen Linie auf den Zeilendetektor fällt.
Jedes Detektorelement des Zeilendetektors erfasst zu einem Zeitpunkt einen unterschiedlichen spektralen Bestandteil eines einfallenden Lichtstrahls ausgehend von einem Bereich auf der geometrischen Linie, wobei der Bereich einen oder mehrere Punkte aufweist. Durch nicht verschwindende Belichtungszeiträume, gewisse räumliche Ausdehnungen des Zeilendetektors sowie der Bewegung des dispersiven Elements, wird es in der Regel nicht möglich sein, genau einen Punkt der geometrischen Linie spektral zu erfassen, sondern einen Bereich von Punkten. Der Anschaulichkeit halber soll im Folgenden aber dennoch von Punkten die Rede sein.
Die von den Detektorelementen der Detektorzeile zu einem Zeitpunkt erfassten spektralen Bestandteile bilden zusammen eine Aufnahme bzw. Belichtung eines Punktes der Linie. Welcher Punkt gerade erfasst wird, hängt von der Stellung des dispersiven Elements während der Belichtung bzw. der Aufnahme ab. Für die Bestimmung der spektralen Verteilung des Lichts, das von der geometrischen Linie ausgeht, werden mehrere Aufnahmen entlang besagter Linie vorgenommen, die durch eine Steuereinheit gesteuert werden, wobei das dispersive Element zwischen zwei aufeinander folgenden Aufnahmen um ein Winkelelement um seine Drehachse gekippt wird. Hierdurch wird insgesamt eine optische Abbildung eines linearen geometrischen Bereichs in eine Detektorebene erreicht. Wird der Detektor als Zeile ausgeführt, so werden die Detektorelemente aufgrund der dispersiven Wirkung des dispersiven Elements mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen beleuchtet, wodurch eine spektrale Intensitätsverteilung eines Lichtstrahls erfasst wird. Durch Drehung des dispersiven Elements um seine Drehachse wird dann zeitaufgelöst die räumliche Verteilung der abzubildenden geometrischen Zeile in einer kurzen Zeit erfasst.
Ferner wird durch eine vergleichsweise langsame Relativbewegung zwischen einem zu inspizierenden Objekt und einer gesamten Detektionseinrichtung, die das dispersive Element und den Zeilendetektor umfasst, eine spektrale Intensitätsverteilung einer gesamten spektral zu erfassenden Objektfläche gemessen. Nach der Messung kann zu jedem Punkt (x, y) der Fläche eine gemessene spektrale Intensitätsverteilung I(λ, x, y) angegeben werden bzw. aus diesen Intensitäten die gewünschte Information über die zu erfassenden Objekte bestimmt werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht eines an einer Torsionsfeder aufgehängten mikromechanisch hergestellten Phasen- oder Amplitudenmodulationsgitters, das kapazitiv ausgelenkt wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a eine schematische Darstellung einer Zeilenkamera gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2b ein Wirkungsprinzip einer Zeilenkamera gemäß 2a;
2c eine schematische Darstellung einer Zeilenkamera mit Lichteintrittsspalt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a eine schematische Darstellung einer Struktur zur Speicherung der spektralen Verteilung von Lichtstrahlen ausgehend von N verschiedenen Punkten einer geometrischen Linie;
3b eine Darstellung einer Fläche, die in N × M diskrete Bereiche aufgeteilt ist;
3c eine schematische Darstellung einer Struktur zur Speicherung der spektralen Verteilung von Lichtstrahlen ausgehend von der in 3b dargestellten Fläche;
3d einen charakteristischen spektralen Intensitätsverlauf von Polyethylen;
4 eine schematische Darstellung eines in Silizium-Mikrotechnologie hergestellten Bauelements mit Gitterstruktur;
5a eine schematische perspektivische Darstellung eines Anwendungsszenarios einer erfindungsgemäßen Zeilenkamera;
5b Längsschnitt des Anwendungsszenarios von 5a;
5c Querschnitt des Anwendungsszenarios von 5a;
5d eine Darstellung einer Fläche, die in N × M diskrete Bereiche aufgeteilt ist mit verschiedenen Objekten; und
6 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Spektrometertyps.
Bevor Bezug nehmend auf 2a bis 5d spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wird im Folgenden Bezug nehmend auf 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Aufhängung des dispersiven Elements sowie für seine Auslenkung beschrieben, um eine Auslenkung desselben um seine Drehachse zu erzielen.
1 zeigt ein durch elektrostatische Kräfte auslenkbares Gitter. Das Gitter ist mikromechanisch hergestellt und besteht aus einer rechteckigen Platte 1, die auf ihrer Hauptseite eine Struktur 2 zur Phasen- oder Amplitudenmodulation aufweist, welche somit als Reflexionsgitter dient. Die Platte 1 wird über zwei Stege 3 an zwei gegenüberliegenden Seiten mittig entlang einer zentralen Achse getragen, so dass die Platte 1 um die durch die Torsionsfedern 3 definierte Achse schwenkbar ist, wie es durch den Doppelpfeil 4 veranschaulicht ist. Die Stege 3 dienen hierbei als Torsionsfeder, die eine von der Auslenkung 4 der Platte 1 aus der Ruhelage, wie sie in 1 dargestellt ist, abhängige, wie z.B. zu derselben proportionale, Vorspannkraft in die Ruhelage auf die Platte 1 ausübt. Über einen Spalt 5 sind der nichtstrukturierten Hauptseite der Platte 1 gegenüberliegend zwei Elektroden 6a und 6b angeordnet, je eine auf einer anderen der durch die Torsionsfedern 3 verlaufende Achse definierten Hälften. Die Elektroden 6a und 6b wirken kapazitiv zusammen mit der Platte 1, welche hierzu entweder aus einem leitenden Material besteht oder beispielsweise auf der den Elektroden 6a und 6b gegenüberliegenden Seite eine leitende Schicht aufweist.
Nachdem im Vorhergehenden der Aufbau eines auslenkbaren Gitters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, wird im Folgenden dessen Funktionsweise beschrieben. Die Platte 1 bzw. dessen leitfähiger Bereich wird über die Torsionsfeder 3 auf einem definierten Potential gehalten. Die Platte besteht hierzu entweder selbst aus einem leitfähigen Material oder weist z.B. auf der gesamten Unterseite oder nur an den Stellen oberhalb der Elektroden 6a und 6b eine leitfähige Beschichtung auf. Wird zwischen der Platte 1 und der Elektrode 6a eine Spannung angelegt, so verkippt bzw. schwenkt die Platte 1 (aus der Perspektive des Betrachters) gegen den Uhrzeigersinn zu der Elektrode 6a hin, und zwar so weit, bis sich das elektrostatische Moment und das durch die Torsion der Stege 3 entstehende mechanische Moment ausgleichen. Gleichermaßen wird durch Anlegen einer Spannung zwischen der Platte 1 und der Elektrode 6b eine Auslenkung der Platte 1 im Uhrzeigersinn zu der Elektrode 6b hin erzielt. Wird die Spannung abgeschaltet, so wird die Platte 1 durch die mechanische Rückstellkraft der Torsionsfedern 3 in Abhängigkeit von der Dämpfung durch die Stege 3 in ihre Ruheposition zurückkehren. Die Dämpfung sollte geeignet sein, um ein Überschwingen der Platte einerseits und ein zu langsames Rückkehren in die Ruhelage andererseits zu verhindern. Bei Erschütterungen oder Stößen führt die Platte 1 stets zu der ausgelenkten Stellung zurück, die durch die Potentialdifferenz zwischen der Elektrode 6a und der Platte 1 bzw. der Elektrode 6b und der Platte 1 einerseits und die Rückstellkraft der Torsionsfedern 3 bzw. der durch dieselben definierten Federkonstante andererseits definiert wird. Ein übermäßiges Hin- und Herschwingen der Platte 1 kann durch geeignetes Einstellen der Dämpfung erzielt werden. Da Dämpfung und Federkonstante durch den Durchmesser der Stege festgelegt werden, kann es vorteilhaft sein, beim Einstellen von Dämpfung und Federkonstante einen geeigneten Kompromiss zu treffen.
Eine Steuereinrichtung 7, die mit den Elektroden 6a und 6b sowie mit der Platte 1 leitfähig verbunden ist, steuert die Potentialdifferenz zwischen der Platte 1 und der Elektrode 6a bzw. der Platte 1 und der Elektrode 6b, je nachdem, ob die Platte im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verkippt werden soll. Die Steuerung ist in 1 zum leichteren Verständnis vereinfacht dargestellt und wird beispielsweise durch Ansteuern einer Spannungsquelle, um deren Ausgangsspannung einzustellen, und Auswählen der Elektrode, an die die Ausgangsspannung angelegt werden soll, durchgeführt, wobei die Platte und die jeweils nicht ausgewählte Elektrode auf Masse geschaltet werden. Durch Variieren der Potentialdifferenz und damit des elektrostatischen Moments stellt die Steuereinrichtung 7 verschiedene Auslenkungsstellungen der Platte 1 ein. Je nach eingestellter Auslenkung der Platte 1 und damit des Gitters 2 erfasst ein Detektor 9, der in einem geeigneten Abstand von der strukturierten Oberfläche 2 der Platte 1 entfernt angeordnet ist, einen spektralen Bestandteil des auf das Gitter 2 unter einem Winkel α einfallenden und wieder ausfallenden und gestreuten Lichtstrahls 8.
Es wird darauf hingewiesen, dass alternativ zu dem Ausführungsbeispiel von 1 das Gitter ferner auf andere Weise in eine Ruhestellung vorgespannt sein könnte. Die Platte 1 könnte beispielsweise einseitig eingespannt sein, um kapazitiv von einer Elektrode angezogen und somit – in eine Richtung – auslenkbar zu sein, wobei sich ein Gleichgewicht zwischen elektrostatischem Moment und Biegemoment einstellt. Ferner könnte anstatt der in 1 beschriebenen elektrostatischen Auslenkung eine induktive oder piezoelektrische Auslenkung verwendet werden.
Wie es bereits beschrieben worden ist, wird von dem Detektor 9 lediglich ein spektraler Bestandteil eines Lichtstrahls erfasst, dessen Ursprung sich in dem Winkel α relativ zur Oberfläche der Platte 1 befindet. Um die vom Detektor 9 erfassten Messwerte mit der augenblicklich erfassten Winkelposition α zu korrelieren, kann eine zusätzliche Einrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die die Auslenkung der Platte 1 zum Erfassungszeitpunkt des Detektors 9 kapazitiv, piezoresistiv, induktiv oder optisch erfasst. Diese Messwerte könnten dann sowohl zu einer winkelmäßigen Zuordnung zu den Abtastwerten des Detektors 9 als auch zur Rückkopplung zu der Steuereinrichtung 7 verwendet werden. Alternativ wird die Kennlinie des Systems aus Platte und Torsionsfeder, d.h. der Zusammenhang zwischen Potentialdifferenz und Auslenkung, vorab aufgenommen und von der Steuereinrichtung 7 zur Bestimmung des Auslenkwinkels α bei gegebener Spannung verwendet.
Bezug nehmend auf die 2a, b, c wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei dem als Detektor eine Detektorzeile 16 verwendet wird.
Die Vorrichtung zur spektralen Erfassung einer geometrischen Linie nach 2a umfasst ein bewegliches Spiegelgitter 10, auf welches ein Lichtstrahl 12 einfällt, dessen spektrale Verteilung zu bestimmen ist. Das bewegliche Spiegelgitter 10 ist um eine zu den Gitterlinien senkrecht stehende Achse 14 drehbar gelagert, wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist. Eine Detektorzeile 16 aus mehreren Detektorelementen 16a, 16b, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei mit Bezugszeichen versehen sind, ist angeordnet, um das durch das bewegliche Spiegelgitter 10 in seine spektralen Bestandteile zerlegte Licht 18 zu empfangen. Dabei ist die Detektorzeile 16 in einer die Drehachse 14 des Spiegelgitters 10 durchlaufenden Ebene angeordnet. Die spektrale Auflösung der Vorrichtung kann durch die Entfernung des Zeilendetektors 16 zu dem Spiegelgitter 10 eingestellt werden. Zur Bewegung des beweglichen Spiegelgitters 10 ist eine geeignete Ansteuerung 20 vorgesehen, die zur Ansteuerung mit dem beweglichen Spiegelgitter 10 über eine induktive, kapazitive oder mechanische Kopplung gekoppelt ist. Mit der Ansteuerung 20 auf der einen und dem Detektor 16 auf der anderen Seite ist eine Steuereinheit 21 gekoppelt, die die Belichtungszeitpunkte, zu denen der Detektor 16 Aufnahmen durchführt, relativ zu der Bewegung des Spiegelgitters 10, steuert. Hierzu erfasst die Ansteuerung 20 (über einen bekannten Zusammenhang zwischen Ansteuerung und Auslenkung oder mittels einer eigens vorgesehenen Erfassungseinrichtung, wie es Bezug nehmend auf 1 beschrieben wurde) die augenblickliche Stellung des Spiegelgitters 10 und gibt an die Steuereinheit 21 ein Signal aus, das die augenblickliche Stellung anzeigt. Die Steuereinheit 21 bestimmt ihrerseits die Belichtungszeitpunkte, zu denen die Detektorzeile 16 Aufnahmen vornehmen soll, und sendet hierzu Auslösesignale an die Detektorzeile 16.
Jedes Detektorelement 16a, 16b erfasst zu einem gegebenen Zeitpunkt einen spektralen Bestandteil 18 eines Lichtstrahls 12, der aufgrund der Auslenkung des Spiegelgitters 10 auf die auf die Detektorzeile gespiegelt und gleichzeitig gestreut wird. Dabei verläuft die Streuebene durch die senkrecht zu den Gitterlinien angeordnete Drehachse 14 und den Zeilendetektor 16. Dieser Sachverhalt soll Bezug nehmend auf die Darstellung von 2b noch einmal verdeutlicht werden.
2b zeigt eine Seitenansicht einer Anordnung aus Spiegelgitter 10 und Zeilendetektor 16. Dabei verläuft die Drehachse 14 des Spiegelgitters senkrecht aus der Bildebene heraus, ebenso wie der Zeilendetektor 16.
Wie es der 2b zu entnehmen ist, trifft ein senkrecht zur Drehachse 14 verlaufender Lichtstrahl 12a in einem geeigneten Einfallswinkel α so auf das Spiegelgitter 10, dass dieser durch den Spiegel nach dem bekannten physikalischen Gesetz Einfallswinkel = Ausfallswinkel reflektiert und durch die Gitteranordnung in einer Ebene gestreut wird, die durch die Drehachse 14 und die Detektorzeile 16 aufgespannt wird. Dadurch, dass sich die Detektorzeile 16 im zum Einfallswinkel betragsmäßig gleichen Ausfallswinkel α relativ zum Spiegelgitter 10 befindet, kann die Detektor zeile 16 die reflektierte spektrale Zerlegung 18a des Lichtstrahls 12a abtasten. Wie in der 2b zu erkennen ist, wird ein in einem anderen Einfallswinkel β senkrecht zur Drehachse 14 auftreffender Lichtstrahl 12b derart von dem Spiegelgitter 10 reflektiert und gestreut, dass sein Bild 18b nicht von der Detektorzeile 16 erfasst werden kann. Würde man das Spiegelgitter 10 um den Winkel (β-α) im Uhrzeigersinn auslenken, so würde die spektrale Zerlegung 18b des Lichtstrahls 12b von der Detektorzeile 16 abgetastet werden können. Somit ist es für den Fachmann leicht ersichtlich, dass man mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Lichtstrahlen ausgehend von beliebigen Punkten auf einer geometrischen Linie spektral zerlegen kann.
Bezug nehmend auf 2a wird zur Bestimmung der spektralen Verteilung des Lichtstrahls 12 ausgehend von einem ersten Punkt an einem Ort x₁ auf der geometrischen Linie erfindungsgemäß zunächst eine erste Aufnahme durch den Zeilendetektor 16 aufgenommen. Jedes Detektorelement 16a und 16b erfasst für diese Aufnahme einen unterschiedlichen spektralen Bestandteil des in seine spektralen Bestandteile zerlegten Lichts 18. Die Detektorzeile 16 gibt das Ergebnis der ersten Aufnahme aus, wobei das Ergebnis schematisch bei 22 als ein Graph gezeigt ist, bei dem die Intensität I(λ, x₁) über der Wellenlänge λ aufgetragen ist und in welchem ein exemplarischer Intensitätsverlauf angenommen ist. Nach der ersten Aufnahme bewegt die Ansteuerung 20 das bewegliche Gitter 10 in eine andere Stellung. Die Detektorzeile 16 nimmt eine zweite Aufnahme vor, die einem zweiten Punkt an einem Ort x₂ auf der abzubildenden geometrischen Linie entspricht. Das Ergebnis der zweiten Aufnahme bzw. Belichtung ist in einem Graphen 24 schematisch gezeigt, wobei wiederum die Intensität I(λ, x₂) über der Wellenlänge λ aufgetragen ist. Die beiden Aufnahmen 22 und 24 werden an eine Kombinationseinrichtung 26 weitergeleitet, die sowohl mit der Detektorzeile 16, um von derselben die Intensitätswerte jedes Detektorelements zu jeder Belichtung zu erhalten, als auch über die Steuereinheit 21 mit der Ansteuerung 20, um von einem der beiden Informationen hinsichtlich der Stellung des Gitters 10 zu den Belichtungszeitpunkten zu erhalten, verbunden ist, und die basierend auf den Aufnahmen 22 und 24 ein Ergebnis 28 liefert, das der Bestimmung der spektralen Verteilung der Lichtstrahlen 12 ausgehend von den zwei Punkten der geometrischen Linie entspricht und in 2 schematisch als Graph für zwei gemessene Punkte auf der Linie dargestellt ist, bei dem wiederum die Intensitäten I(λ, x₁) und I(λ, x₂) über der Wellenlänge λ aufgetragen sind. Auf die beschriebene Art und Weise können durch Auslenken des Gitters Lichtstrahlen beliebig vieler Punkte einer geometrischen Linie spektral zerlegt werden. Die Größe eines Winkelinkrements zwischen zwei diskreten Auslenkwinkeln hängt dabei von der gewünschten geometrischen Auflösung ab.
3a zeigt eine schematische Darstellung einer Matrix zur Speicherung der spektralen Verteilung von Lichtstrahlen ausgehend von N verschiedenen Punkten einer geometrischen Linie. Durch eine Zwischenspeicherung der spektralen Verteilung mehrerer Punkte können die Anforderungen an die Rechenleistung einer Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) erheblich reduziert werden.
Jede Spalte der gezeigten Matrix weist K Intensitätswerte auf, wobei jeder dieser K Intensitätswerte einer Spalte einer bestimmten Wellenlange λ_k (k = 1, ..., K) entspricht. Jede Spalte entspricht wiederum einem Ort x_n (n = 1, ..., N) eines von N Punkten auf der geometrischen Linie. Somit ergeben sich insgesamt K × N Intensitätswerte I(λ_k, x_n) für die spektrale Verteilung von N Lichtstrahlen ausgehend von N Punkten auf der geometrischen Linie bestimmt mit einem Zeilendetektor mit K Detektorelementen.
Bei einer typischen Auflösung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung von N = 3.000 Punkten auf einer Linie und einem Zeilendetektor mit K = 256 Elementen ergeben sich somit 0.78 Mio. spektrale Intensitätswerte pro Linie.
3b zeigt eine Darstellung einer Fläche, die in N × M diskrete Bereiche aufgeteilt ist. Eine erste Dimension in x-Richtung der Fläche wird durch die Bewegung bzw. Schwingung des dispersiven Elements einer erfindungsgemäßen Vorrichtung um seine Drehachse erfasst, während eine zweite Dimension in y-Richtung der Fläche durch eine Relativbewegung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber einer spektral zu erfassenden geometrischen Ebene erfasst wird.
Die Speicherung der spektralen Erfassung der in 3b dargestellten Fläche, die durch Aneinanderreihung M benachbarter geometrischer Linien an den Orten y_m (m = 1, ..., M) mit jeweils N Punkten entsteht, ist beispielsweise mittels einer Struktur möglich, wie sie schematisch in 3c dargestellt ist. 3c stellt eine Erweiterung der in 3a gezeigten Struktur um eine Dimension y_m (m = 1, ..., M) dar. Dabei entspricht jedes y_m der Position einer abgetasteten geometrischen Linie. Somit können jedem geometrischen Ort (x_n, y_m) (n = 1, ..., N; m = 1, ..., M) der Fläche aus 3b K spektrale Intensitätswerte I(λ_k, x_n, y_m) (k = 1, ..., K) zugeordnet werden.
Durch eine Korrelation des spektralen Intensitätsverlaufs I(λ_k, x_n, y_m) eines Punktes (x_n, y_m) (n = 1, ..., N; m = 1, ..., M) der Fläche mit charakteristischen Spektren von interessierenden Stoffen in einer Auswerteeinrichtung, kann beispielsweise jedem Punkt (x_n, y_m) der Fläche u.U. einer der interessierenden Stoffe zugeordnet werden. Zur Veranschaulichung ist in 3d ein charakteristischer spektraler Intensitätsverlauf von Polyethylen dargestellt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird aus Speicherplatzgründen auf eine Speicherung der spektralen Intensitätsverläufe mehrerer Punkte verzichtet. Vielmehr wird sofort nach einer Aufnahme eines spektralen Intensitätsverlaufs I(λ, x_n) an einem Punkt x_n durch den Zeilendetektor 16 dieser Intensitätsverlauf I(λ, x_n) mit vorab gespeicherten Referenz-Intensitätsverläufen von zu detektierenden Stoffen korreliert. Daraufhin kann der Punkt x_n u.U. unmittelbar einem bestimmten zu detektierenden Stoff zugeordnet werden. Anstatt des gesamten spektralen Intensitätsverlaufs eines Punktes x_n (n = 1, ...,N) der Linie, braucht bei diesem Ausführungsbeispiel pro Punkt nur ein detektierter Stoff gespeichert zu werden, was den Speicheraufwand gegenüber dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erheblich reduzieren kann.
2c zeigt ein zu dem Ausführungsbeispiel von 2a ähnliches Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung in perspektivischer Darstellung. 2c zeigt zusätzlich einen Eintrittsspalt 30 für das Licht 12. Der Eintrittsspalt 30 wird beispielsweise benötigt, um das von der zu inspizierenden geometrischen Linie ausgehende Licht 12 von dem Licht benachbarter, nicht interessierender Bereiche abzugrenzen. Das kann genau dann der Fall sein, wenn die zu untersuchende geometrische Linie und deren Umgebung fremdbeleuchtet sind.
Bezüglich des beweglichen Gitters wird darauf hingewiesen, dass dasselbe, wie Bezug nehmend auf 1 beschrieben, beispielsweise ein mikromechanisch hergestellter Spiegel mit einer Mikrostruktur als Gitter sein kann, so wie dies in 4 exemplarisch angedeutet ist. 4 zeigt eine Gitterstruktur 200 mit einer Drehachse 220, die zumindest näherungsweise senkrecht zu den Gitterlinien verläuft. Dabei kann der Winkel zwischen der Drehachse 220 und den Gitterlinien in einem Bereich von 90°± 30° liegen. Die Gitterstruktur 200 und Drehachse 220 sind dabei beispielsweise in ein Silizium-Substrat 240 mittels einem Ätzverfahren eingebracht, wobei die Gitterstruktur beispielsweise Abmessungen von 3 × 3 mm² aufweisen kann.
Es sei bemerkt, dass, obwohl in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen als dispersives Element ein Spiegel mit einer Gitterstruktur, d. h. ein in Reflexion verwendetes Gitter eingesetzt wurde, das dispersive Element ferner ein Gitter in Transmission, oder aber ein prismenförmiger Gegenstand sein könnte, wobei die Detektorzeile dann in geeigneter Weise relativ zu dem dispersiven Element und dem abzubildenden Punkt der geometrischen Linie positioniert sein muss.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass anstelle einer quasistatischen Bewegung, wie sie Bezug nehmend auf 1 beschrieben worden ist, das dispersive Element ferner in eine Schwingung und insbesondere in eine resonante Schwingung versetzt werden könnte, indem die Variation der ausgelenkten Stellung durch die Steuereinheit entsprechend schnell mit einer Schwingungsfrequenz ω₀ durchgeführt wird. Eine Schwingungsfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz ermöglicht in dem Fall einer Miniaturisierung aufgrund der Resonanzüberhöhung bei vertretbarem Energieaufwand hohe Auslenkungen und gewährleistet zudem, dass die Zeilenkamera unempfindlich gegen Stöße und Erschütterungen ist und nur eine minimale oder keinen Kalibrieraufwand benötigt.
Bezug nehmend auf die 5a–c wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Untersuchung einer geometrischen Fläche anhand eines möglichen Anwendungsbeispiels beschrieben. 5a stellt die Anordnung schematisch perspektivisch dar, während die 5b und 5c dieselbe Anordnung schematisch in einem Längs- bzw. Querschnitt zeigen.
An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass es sich bei den beschriebenen zu untersuchenden geometrischen Linien und Flächen in der Regel um Projektionslinien und -flächen handelt. D.h. es werden nicht die Linien und Flächen an sich untersucht, sondern dreidimensionale Objekte, die zumindest teilweise auf diese Linien und/oder Flächen abgebildet werden.
Die 5a zeigt voneinander verschiedene zu inspizierende Objekte 300 und 302, die sich auf einer Beförderungseinrichtung 320 mit einer Geschwindigkeit v bewegen. Ein linearer Bereich 340, definiert durch Startpunkt x₁ und Endpunkt x_N auf Höhe y_m der Beförderungseinrichtung 320, der quer zur Bewegungsrichtung der Fördereinrichtung 320 verläuft, wird von einer Lichtquelle 360 bestrahlt. Zwei von verschiedenen Punkten des linearen Bereichs 340 reflektierte Lichtstrahlen 380a und 400a treffen durch einen schlitzförmig ausgebildeten Eintrittsbereich 420 oberhalb der Beförderungseinrichtung 320 in verschiedenen Winkeln auf ein drehbar gelagertes Spiegelgitter 440, an dem sie reflektiert und gleichzeitig spektral in Komponenten 380b bzw. 400b mit Wellenlängen λ₁ bis λ_K zerlegt werden. Zur Detektion der spektralen Zerlegungen 380b bzw. 400b ist dem Spiegelgitter gegenüberliegend ein Zeilendetektor 460 angebracht (siehe auch 5b). Sowohl die Belichtungszeitpunkte des Zeilendetektors als auch die Bewegung des Spiegelgitters werden durch eine mit dem Zeilendetektor 460 und dem Spiegelgitter 440 verbundene Steuereinrichtung 480 gesteuert.
Es gilt, die spektralen Eigenschaften der beförderten Objekte 300, 302 zu bestimmen. Dazu treffen die von verschiedenen Punkten des linearen Bereichs 340 reflektierten Lichtstrahlen 380a und 400a durch den schlitzförmig ausgebildeten Eintrittsbereich 420 in verschiedenen Winkeln auf das drehbar gelagerte Spiegelgitter 440. Durch Reflexion und gleichzeitige spektrale Zerlegung eines reflektierten Lichtstrahls am in einem bestimmten Winkel ausgelenkten Spiegelgitter wird, wie in 5a angedeutet, lediglich die spektrale Zerlegung des Lichtstrahls 380a am Zeilendetektor erfasst. Da der Einfallswinkel des Lichtstrahls 400a nicht zu der Position des Zeilendetektors gegenüber des Spiegelgitters 440 passt, wird dessen spektrale Zerlegung 400b am Zeilendetektor 460 vorbei reflektiert.
Dieser Sachverhalt wurde bereits Bezug nehmend auf 2b beschrieben und ist zur besseren Veranschaulichung zusätzlich in dem schematischen Querschnitt der Anordnung von 5a in 5c dargestellt.
Wird das Spiegelgitter 440 um die Differenz der beiden Einfallswinkel der Lichtstrahlen 380a und 400a im Uhrzeigersinn gedreht, so verläuft die Reflexionsebene der spektralen Zerlegung des Lichtstrahls 400a durch den Zeilendetektor 460. Nun kann die spektrale Zerlegungen des Lichtstrahls 400a vom Zeilendetektor 460 abgetastet werden. Durch die Drehung des Spiegelgitters 440 um seine Drehachse kann jeder Punkt x_n (n = 1, ..., N) der geometrischen Linie 340 vom Zeilendetektor 460 spektral erfasst werden. Unter der Maßgabe, dass die Bewegung des Gitters 440 schnell im Vergleich zur Bewegung des Förderbandes 320 stattfindet, kann die optische Erfassung der beförderten Objekte 300, 302 entlang der Linien in den Höhen y_m (m = 1, ..., M) durch den Steuerrechner 480 in guter Qualität erfolgen. Dabei kann die optische Erfassung durch den Steuerrechner 480 gemäß dem anhand der 3b–d beschriebenen Schema verlaufen, welches nachfolgend noch einmal anhand von 5d beleuchtet wird.
5d zeigt eine Darstellung einer Fläche, die in N × M diskrete Punkte aufgeteilt ist und dem in 5a schraffierten Teil des Förderbandes 320 entspricht, auf dem verschiedene zu inspizierende Objekte 300 und 302 positioniert sein können.
Die Speicherung der spektralen Erfassung der in 5d dargestellten Fläche, die durch Aneinanderreihung M benachbarter geometrischer Linien an den Orten y_m (m = 1, ...,M) mit jeweils N Punkten entsteht, erfolgt beispielsweise mittels einer Struktur, wie sie anhand von 3c beschrieben wurde. Somit können jedem geometrischen Ort (x_n, y_m) (n = 1, ..., N; m = 1, ...,M) der Fläche aus 5d K spektrale Intensitätswerte I(λ_k, x_n, y_m)(k = 1, ... K) zugeordnet werden.
Durch eine Korrelation der spektralen Intensitätsverläufe I(λ_k, x_n, y_m) sämtlicher Punkte (x_n, y_m) (n = 1, ..., N; m = 1, ..., M) der Fläche mit charakteristischen Spektren von interessierenden Stoffen 300, 302, kann jedem Punkt (x_n, y_m) der Förderbandfläche einer der interessierenden Stoffe 300,302 zugeordnet werden, wie es in 5d gezeigt ist.
Wie es bereits beschrieben wurde, kann aus Speicherplatzgründen in einem weiteren Ausführungsbeispiel auf eine Speicherung der spektralen Intensitätsverläufe mehrerer Punkte auch verzichtet werden. Vielmehr wird sofort nach einer Aufnahme eines spektralen Intensitätsverlaufs I(λ, x_n) an einem Punkt x_n durch den Zeilendetektor 460 dieser Intensitätsverlauf I(λ, x_n) mit vorab gespeicherten Referenz-Intensitätsverläufen von zu detektierenden Stoffen 300, 302 korreliert. Daraufhin kann der Punkt x_n u.U. unmittelbar einem bestimmten zu detektierenden Stoff zugeordnet werden. Anstatt des gesamten spektralen Intensitätsverlaufs eines Punktes x_n (n = 1, ...,N) der Linie, braucht bei diesem Ausführungsbeispiel pro Punkt nur ein detektierter Stoff 300, 302 gespeichert zu werden, was den Speicheraufwand erheblich reduzieren kann.
D.h. Objekte 300, 302 verschiedener Qualität können anhand ihrer Spektren unterschieden und durch die Ansteuerung geeigneter Aktuatoren (in den Figuren nicht gezeigt) z.B. getrennt werden.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Systems in den 5a–c sind in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar. In einem ersten Betriebsmodus erfolgt die Auslenkung des Gitters 440 mit einer Schwingung, insbesondere einer resonanten Schwingung. Die Gittersteuereinrichtung 480 bewirkt in diesem Fall eine Schwingung des Gitters um seine Drehachse mit z.B. im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Gitters. Der Antrieb erfolgt durch die Ansteuerschaltung beispielsweise über eine ähnliche mechanische, induktive oder kapazitive oder eine andere geeigne te Kopplung, wie für 1 beschrieben. Die Steuereinrichtung 480, die die Schwingungsfrequenz des Gitters regelt, erfasst eine momentane Stellung des Gitters und verarbeitet diese Information weiter. Dem beweglichen Gitter ist eine Resonanz- bzw. Eigenfrequenz ω₀ für Schwingungen um die Ruhelage um seine Drehachse zugeordnet, die von der Federkonstante der Aufhängung bzw. Halterung sowie den Abmessungen des Gitters abhängt und in deren Nähe Resonanzüberhöhung auftritt. Der Grad an Resonanzüberhöhung hängt von der Güte des Schwingungssystems aus Halterung und aufgehängtem Gitter ab. Die schwingungsmäßige Ansteuerung des Gitters hätte bezüglich des linearen Bereichs 340 eine Art Scanfunktion, bei der während einer ersten Halbschwingung der lineare Bereich in einer ersten Richtung und während einer zweiten Halbwelle in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung abgetastet würde.
Im Fall des schwingenden Gitters gibt die Steuereinheit 480 die Auslöseimpulse an den Zeilendetektor 460 mit einer Frequenz aus, die einem ganzzahligen Vielfachen 2N der Gitterschwingfrequenz entspricht. Auf diese Weise entstehen pro erster Halbschwingung N Aufnahmen der spektralen Verteilung des Lichts, das von N verschiedenen Punkten des linearen Bereichs 340 ausgeht. Während der zweiten Halbschwingung, bei der sich das Förderband 320 gegenüber der ersten Halbschwingung ein Stück weiter bewegt hat, fährt das Gitter in entgegengesetzter Richtung den linearen Bereich 340 ab. Dadurch entstehen abermals N Aufnahmen der spektralen Verteilung des Lichts, das von N unterschiedlichen Punkten des linearen Bereichs 340 ausgestrahlt wird.
Ebenso ist ein Ausführungsbeispiel denkbar, bei dem pro erster Halbschwingung N Aufnahmen der spektralen Verteilung des Lichts, das von N verschiedenen Punkten des linearen Bereichs 340 ausgeht, entstehen. In der zweiten Halbschwingung fährt das Gitter in entgegengesetzter Richtung den linearen Bereich 340 ab, ohne dass bei dieser Rückführbewegung Aufnahmen gemacht werden. Dies kann eine Logik zur Synchronisation der Steuereinrichtung 480 zum Steuern einer Einrichtung zum Auslenken des Spiegelgitters 440 und des Detektors vereinfachen.
Durch die im Vergleich zur Schwingungsfrequenz langsamen Bewegung der beförderten Objekte 300 und 302 mit der Geschwindigkeit v relativ zur Vorrichtung zur spektralen Erfassung der geometrischen Linie 340, kann durch die Auswerte- und Steuereinheit 480 insgesamt die spektrale Intensitätsverteilung einer zweidimensionalen Fläche errechnet werden, wie dies oben bereits für 3c und 5d beschrieben wurde. Aufgrund dieser Intensitätsverteilung können wiederum die beförderten Objekte 300 und 302 unterschieden werden.
Bezug nehmend auf die 5a–c wird noch darauf hingewiesen, dass die Steuereinheit 480 die Belichtungs- bzw. Abtastzeitpunkte des Zeilendetektors 460 beispielsweise derart bestimmen könnte, dass dieselben stets bei einer bestimmten Stellung des Spiegelgitters 440 bzw. einer bestimmten Auslenkung desselben erfolgen. Die Steuereinheit 480 könnte folglich die Aufnahme bzw. Verschlussfunktion der Detektorzeile 460 steuern. Jede Abtastung der Detektorzeile 460, die an die Rechnereinheit 480 ausgegeben wird, würde folglich einem bestimmten Punkt auf dem linearen Bereich 340 entsprechen, der der speziellen Stellung bzw. Auslenkung des Gitters 440 zugeordnet ist. Durch Variieren der Auslenkung des Gitters 440 könnte der lineare Bereich 340, der analysiert werden soll, beispielsweise manuell über einen Drehschalter oder auf programmierbare Weise variierbar sein.
Im Hinblick auf weitere Anwendungsmöglichkeiten ist es auch denkbar, dass die Zeilenkamera selbst relativ zur analysierenden Fläche bewegt wird. Denkbar sind beispielsweise Anwendungen in Satelliten oder anderen Flugkörpern zur Erdbeobachtung, bei denen beispielsweise eine Landschaft auf optische Eigenarten, wie z.B. charakteristische Pflan zeneigenschaften (z.B. die Farbe der Blüten), hin untersucht werden soll. Auch hier wird durch den Scanvorgang eines eindimensionalen Bereichs und die senkrecht dazu erfolgende Relativbewegung mit langsamer Relativgeschwindigkeit letztendlich die spektrale Analyse einer zweidimensionalen Oberfläche erreicht.
Weiterhin sind auch Anwendungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Zeilenkamera denkbar, bei denen sowohl die Zeilenkamera selbst als auch die zu analysierenden Objekte bewegt sind, beispielsweise in militärischen Applikationen, wie z.B. der Erkennung von Panzern in der Wüste aus einem Flugzeug. Auch hier ergibt sich eine Relativbewegung senkrecht zur Ausdehnung des linearen Bereichs.
Anwendungsbeispiele der Form mit fester Detektionseinheit und bewegten Gütern sind in der Recyclingindustrie bei der Selektion von Kunststoff- oder Papierabfällen, in der Landwirtschaft bei der Selektion von Erntegut (z.B. Kartoffeln/Steine) oder in der Lebensmittel- bzw. Pharmabranche zahlreich zu finden. Weiterhin ist eine Überwachung von Fließgewässern denkbar, indem die Zeilenkamera beispielsweise an einer Brücke oberhalb des Gewässers angebracht wird. Somit kann ein unter der Brücke fließender Fluss überwacht werden auf Schiffe, Ölteppiche, etc..
Die Inspektion kann dabei mit oder ohne zusätzliche Lichtquelle erfolgen. Entsprechend können die spektroskopischen Verfahren der Emissions-, Reflexions-, Absorptionsmessung, Fluoreszenz-Spektroskopie oder auch sogenannte Raman-Spektroskopie und/oder artverwandte Verfahren eingesetzt werden. Wesentlich ist, dass von den an dem Detektor auftreffenden optischen Signalen bestimmte Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche bewertet werden. Dies erfolgt – wie oben beschrieben – über wellenlängenselektierende optische Baugruppen (z.B. Gitter) und darauf abgestimmte Detektoren.
Generell ist es möglich, die Abbildungsqualität eines abzubildenden linearen Bereichs auf die Detektorzeile zu erhöhen, indem man z.B. zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abtastzeitpunkten des Detektors das Eintreten von Lichtstrahlen in die Zeilenkamera verhindert. Dies kann beispielsweise mit der Verwendung eines optischen Shutters geschehen.
Ebenso können bündelnde Elemente wie z.B. Linsen, sowie auch Spiegel oder bereits erwähnte Detektorspaltblenden die Abbildungsqualität einer erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich verbessern.
Mittels zusätzlicher Signalverarbeitung, in der beispielsweise mittels einer Korrelation einer bekannten Relativbewegung der abzubildenden Objekte und der dazu durch die Drehung des Gitters erzeugten Querbewegung des Abtastpunktes in vorteilhafter Weise ausgenutzt wird, kann die Bildqualität einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter verbessert werden.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem und/oder Mikrocontroller zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder Mikrocontroller abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung spektraler Informationen entlang einer geometrischen Linie (340) mit folgenden Merkmalen: einem dispersiven Element (2, 4; 10; 440), das an einer Drehachse (14; 220) aufgehängt ist, zum spektralen Zerlegen einer elektromagnetischen Strahlung (8; 12; 12a; 12b; 380a; 400a) von einem Bereich auf der geometrischen Linie (340) in spektrale Bestandteile (18; 18a; 18b; 380b; 400b); einem Zeilendetektor (16; 460) zur Detektion der spektralen Bestandteile (18; 18a; 18b; 380b; 400b) der von dem Bereich auf der geometrischen Linie ausgehenden Strahlung (8; 12; 12a; 12b; 380a; 400a); und einer Einrichtung zum Auslenken (3, 6a, 6b, 7; 20; 480) des dispersiven Elements (2, 4; 10; 440), wobei die Einrichtung zum Auslenken (3, 6a, 6b, 7; 20; 480) ausgebildet ist, um das dispersive Element (2, 4; 10; 440) um die Drehachse (14; 220) auszulenken, so dass abhängig von einem Auslenkungswinkel eine Strahlung von einem anderen Bereich auf der geometrischen Linie auf den Zeilendetektor (16; 460) fällt
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Steuereinrichtung (21; 480) zum Steuern der Einrichtung zum Auslenken (3, 6a, 6b, 7; 20) des dispersiven Elements (2, 4; 10; 440), um die ausgelenkte Stellung zu variieren, so dass für den zeilenförmig angeordneten Detektor (16; 460) eine spektrale Verteilung von verschiedenen, auf einer geometrischen Linie (340) liegenden Bereichen ausgehender elektromagneti scher Wellen (8; 12; 12a; 12b; 380a; 400a) erfassbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Erfassen der Auslenkung (21; 480) des dispersiven Elements (2, 4; 10; 440).
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (21; 480) angepasst ist, um die ausgelenkte Stellung derart zu variieren, dass das dispersive Element (2, 4; 10; 440) in eine Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz versetzt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Schwingung eine resonante Schwingung ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (21; 480) folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Synchronisieren der Steuereinrichtung (20) zum Steuern der Einrichtung zum Auslenken des dispersiven Elements (2, 4; 10; 440) und des Detektors (16; 460).
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (21; 480) angepasst ist, um den Detektor (16; 460) derart zu steuern, dass derselbe während einer Schwingung die Erfassung zu N Zeitpunkten vornimmt, wobei N eine ganzzahlige Zahl größer oder gleich 1 ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Auslenkgeschwindigkeit des dispersiven Elements (2, 4; 10; 440) und eine Haltezeit variabel einstellbar sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Detektorauswertungseinrichtung zum Auslesen des Zeilendetektors (16; 460), wobei die Detektorauswertungseinrichtung ausgebildet ist, um anhand eines Drehwinkels zu bestimmen, zu welchem Bereich auf der geometrischen Linie (340) das durch den Zeilendetektor (16; 460) detektierte Spektrum gehört.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Detektorauswertungseinrichtung ausgebildet ist, um spezifische optische Eigenschaften von Bereichen entlang der geometrischen Linie (340) auszuwerten, beispielsweise durch Fluoreszenz- oder Raman-Spektroskopie, wobei ein Bereich einen oder mehrere Punkte aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Detektorauswertungseinrichtung eine spektrale Vergleichseinrichtung und eine Entscheidungseinrichtung aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die spektrale Vergleichseinrichtung einen Speicher für spektrale Referenzintensitätsverläufe von zu detektierenden Stoffen aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die spektrale Vergleichseinrichtung ferner ausgebildet ist, um Korrelationen von einem vom Zeilendetektor (16; 460) detektierten spektralen Intensitätsverlauf von einem Bereich entlang der geometrischen Linie (340) mit den im Speicher befindlichen Referenzintensitätsverläufen zu bilden.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 11–13, wobei die Entscheidungseinrichtung ausgebildet ist, um anhand der Korrelationen zu entscheiden, welchen zu detektie renden Stoff der Bereich entlang der geometrischen Linie (340) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder möglichen Stellung des dispersiven Elements (2, 4; 10; 440) ein Punkt auf der geometrischen Linie (340) zugeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das dispersive Element (2, 4; 10; 440) Strukturen aufweist, die für bestimmte Wellenlängen vorteilhaft sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das dispersive Element (2, 4; 10; 440) eine Gitterstruktur (200) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17, bei der das dispersive Element (2, 4; 10; 440) ein Spiegel mit Gitterstruktur (200) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17, bei der das dispersive Element (2, 4; 10; 440) eine durchlässige Gitterstruktur (200) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der die Drehachse (14; 220) der Gitterstruktur (200) zumindest näherungsweise senkrecht zu den Gitterlinien verläuft.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Detektor (16; 460) mehrere sensitive Elemente aufweist (16a; 16b), die jeweils einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenteilbereich zugeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Detektor (16; 460) eine Photodiodenzeile oder eine CCD-Zeile ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zusätzliche optische Komponenten wie Shutter, Linsen, Spiegel oder Detektorspaltblenden (30; 420) die Abbildungsqualität verbessern.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das dispersive Element (2, 4; 10; 440) in einer Mikrotechnologie, beispielsweise Siliziummikromechanik, Kunststofftechnik, LIGA, Abformtechnik oder feinmechanisch hergestellt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Beleuchten (360) der geometrischen Linie (340).
Vorrichtung gemäß Anspruch 25, wobei die Einrichtung zum Beleuchten (360) der geometrischen Linie (340) ausgebildet ist, um Licht eines bestimmten Wellenlängebereichs auszusenden.
System zur Untersuchung einer geometrischen Fläche mit folgenden Merkmalen: einer Vorrichtung (420,440,460,480) zur spektralen Erfassung einer geometrischen Linie (340) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; einer Einrichtung (320) zur Erzeugung einer Relativbewegung der Fläche zu der Vorrichtung (420,440,460,480), wobei die Vorrichtung (420,440,460,480) zur spektralen Erfassung ausgebildet ist, um aufgrund der Relativbewegung, die senkrecht zu der geometrischen Linie (340) verläuft, eine Mehrzahl unterschiedlicher geometrischer Linien zu erfassen; und einer Einrichtung zum Verarbeiten (480) der Mehrzahl unterschiedlicher geometrischer Linien, um Informationen über die Beschaffenheit der geometrischen Fläche zu erhalten.
System gemäß Anspruch 27, wobei die Vorrichtung (420,440,460,480) zur spektralen Erfassung ausgebildet ist, um wenigstens 30 Bereiche der geometrischen Linie (340) innerhalb eines Zeitraums spektral zu erfassen, in dem die Einrichtung (320) zur Erzeugung der Relativbewegung die Fläche gegenüber der Vorrichtung zur spektralen Erfassung (420,440,460,480) um einen Bereich weiterbewegt hat, der dem Abstand zweier benachbarter spektral erfasster Bereiche der geometrischen Linie (340) entspricht.
System gemäß Anspruch 27, wobei die Einrichtung zur Erzeugung der Relativbewegung ein Förderband (320) ist.
System gemäß Anspruch 27, wobei die Einrichtung zur Erzeugung der Relativbewegung ausgebildet ist, um die Vorrichtung zur spektralen Erfassung der geometrischen Linie zu bewegen.
System gemäß Anspruch 30, wobei die Einrichtung zur Erzeugung der Relativbewegung ein Flugobjekt ist.
Verfahren zur spektralen Erfassung einer geometrischen Linie (340) mit folgenden Schritten: spektrales Zerlegen einer elektromagnetischen Strahlung (8; 12; 12a; 12b; 380a; 400a) von einem Bereich auf einer geometrischen Linie in spektrale Bestandtei- le (18; 18a; 18b; 380b; 400b) mit einem dispersiven Element (2, 4; 10; 440), das an einer Drehachse (14; 220) aufgehängt ist; Detektieren der spektralen Bestandteile (18; 18a; 18b; 380b; 400b) der von dem Bereich auf der geometrischen Linie ausgehenden Strahlung mit einem Zeilendetektor (16; 460); und Auslenken (3, 6a, 6b, 7; 20; 480) des dispersiven Elements (2, 4; 10; 440) um die Drehachse, so dass abhängig von einem Auslenkungswinkel eine Strahlung von einem anderen Bereich auf der geometrischen Linie auf den Zeilendetektor fällt.
Verfahren zur Untersuchung einer geometrischen Fläche mit folgenden Schritten: spektrales Zerlegen einer elektromagnetischen Strahlung (8; 12; 12a; 12b; 380a; 400a) von einem Bereich auf der geometrischen Linie (340) in spektrale Bestandteile (18; 18a; 18b; 380b; 400b) mit einem dispersiven Element (2, 4; 10; 440), das an einer Drehachse (14; 220) aufgehängt ist; Detektieren der spektralen Bestandteile (18; 18a; 18b; 380b; 400b) der von dem Bereich auf der geometrischen Linie (340) ausgehenden Strahlung mit einem Zeilendetektor (16; 460); und Auslenken des dispersiven Elements (2, 4; 10; 440) um die Drehachse (14; 220), so dass abhängig von einem Auslenkungswinkel eine Strahlung von einem anderen Bereich auf der geometrischen Linie (340) auf den Zeilendetektor fällt. Erzeugung einer Relativbewegung der Fläche zu dem dispersiven Element (2, 4; 10; 440) und dem Zeilende tektor (16; 460), wobei das dispersive Element (2, 4; 10; 440) und der Zeilendetektor (16; 460) ausgebildet sind, um aufgrund der Relativbewegung, die senkrecht zu der geometrischen Linie (340) verläuft, eine Mehrzahl unterschiedlicher geometrischer Linien zu erfassen; und Verarbeiten der Mehrzahl unterschiedlicher geometrischer Linien, um Informationen über die Beschaffenheit der geometrischen Fläche zu erhalten.
Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, wenn das Computer-Programm auf einem Computer oder Mikrocontroller abläuft.