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DE102011084348A1 - Miniaturized optoelectronic system for spectral analysis - Google Patents

Miniaturized optoelectronic system for spectral analysis

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DE102011084348A1
DE102011084348A1 DE201110084348 DE102011084348A DE102011084348A1 DE 102011084348 A1 DE102011084348 A1 DE 102011084348A1 DE 201110084348 DE201110084348 DE 201110084348 DE 102011084348 A DE102011084348 A DE 102011084348A DE 102011084348 A1 DE102011084348 A1 DE 102011084348A1
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DE
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Application
Patent type
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Pending
Application number
DE201110084348
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German (de)
Inventor
Nico Correns
Thomas Endress
Michael Rode
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CORRENS, NICO, DE
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Carl Zeiss Microscopy GmbH
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein miniaturisiertes optoelektronisches System zur Erzeugung statischer oder bewegter Bilder von Szenen oder einzelnen Objekten (11) und zur Ermittlung und Auswertung der spektralen Eigenschaften der Objekte (11) innerhalb einer Szene oder auch von einzeln abgebildeten Objekten (11). The invention relates to a miniaturized opto-electronic system for generation of static or moving images from scenes, or individual objects (11) and for determining and evaluating the spectral properties of the objects (11) within a scene or of individually imaged objects (11).
Erfindungsgemäß umfasst ein System dieser Art According to the invention includes a system of this type
– optische Bauelemente und Strahlengänge zur Erzeugung statischer oder bewegter Bilder einer Szene oder eines einzelnen Objektes (11), - optical components and optical paths for the generation of static or moving images of a scene or a single object (11),
– optische Bauelemente und Strahlengänge zur Bestimmung der Spektraleigenschaften eines oder mehrerer, in der Szene enthaltener Objekte (11) oder des einzelnen Objektes (11), - optical components and optical paths for the determination of the spectral characteristics of one or more, contained in the scene objects (11) or of the individual object (11),
– mindestens einen Bildsensor als optoelektronischen Wandler, - at least one image sensor as an optoelectronic converter,
– elektronische Bauelemente zur Verarbeitung der Ausgangssignale des Bildsensors, - electronic components for processing the output signals of the image sensor,
– eine Informationsausgabeeinheit, ausgebildet zur Ergebnisdarstellung sinnlich, vorzugsweise visuell wahrnehmbaren Darstellung der Spektraleigenschaften in Zuordnung zu den Objekten (11), und - an information output unit configured to display of results sensual, preferably visually perceptible representation of the spectral characteristics in association with the objects (11), and
– Mittel zur Stromversorgung von elektronischen Bauelementen, - means for power supply of electronic components,
– wobei eine Ausführung des Systems in Form eines Handgerätes, auch als Handheld bezeichnet, vorgesehen ist. - wherein an embodiment of the system in the form of a handheld device, also called handheld designated is provided.

Description

  • [0001] [0001]
    Die Erfindung bezieht sich auf ein miniaturisiertes optoelektronisches System zur Erzeugung statischer oder bewegter Bilder von Szenen oder einzelnen Objekten und zur Ermittlung und Auswertung der spektralen Eigenschaften der Objekte innerhalb einer Szene oder auch von einzeln abgebildeten Objekten. The invention relates to a miniaturized optoelectronic system for the generation of static or moving images of scenes or individual objects and for determining and evaluating the spectral properties of the objects within a scene or of individually imaged objects.
  • [0002] [0002]
    Es ist eine Studie über kommerzielle Geräte in Form von Mobiltelefonen bekannt, die mit mikroskopischen Abbildungseigenschaften sowie mit der Fähigkeit zur Spektralanalyse eines zu untersuchenden Objektes ausgestattet sind. It is a study of commercial equipment in the form of mobile phones known which are equipped with microscopic imaging properties and having the ability to spectral analysis of the object to be examined. Diese Studie ist veröffentlicht unter „Cell-Phone-Based Platform for Biomedical Device Development and Education Applications; This study is published in "Cell-Phone-Based Platform for Biomedical Device Development and Education Applications; Zachary J. Smith at all; Zachary J. Smith at all; Center for Biophotonics Science and Technology, University of California Davis, Sacramento, California, USA . Center for Biophotonics Science and Technology, University of California Davis, Sacramento, California, United States.
  • [0003] [0003]
    Hierbei wurde ein Mobiltelefon mit einem einkanaligen Spektrometer gekoppelt, das über eine Bandbreite von 300 nm und eine spektrale Auflösung von unter 5 nm verfügt. Here, a mobile phone with a single-channel spectrometer was coupled that has a bandwidth of 300 nm and a spectral resolution of less than 5 nm. Die Bestimmung von Weißlicht-Transmissionsspektren und Fluoreszenz-Spektren ist damit möglich. The determination of white light transmission spectra and fluorescence spectra is therefore possible. Die Verwendung dieser als Handy-Spektrometer bezeichneten Gerätekombination ist im Zusammenhang mit medizinisch relevanten Applikationen vorgesehen. The use of this device combination called a mobile spectrometer is provided in connection with medically relevant applications. Als Gerätebasis wurde ein zur Medienwiedergabe geeignetes GSM-Mobiltelefon verwendet, das eine Videokamera, einen mobilen Internetzugang mit E-Mail sowie GPS-Karten aufweist und derzeit unter der Handelsbezeichnung iPhone bekannt ist. As equipment base a suitable media player GSM mobile phone was used, which has a video camera, a mobile Internet access with email and GPS maps and is known under the trade name iPhone currently.
  • [0004] [0004]
    Weiterhin ist in Furthermore, in US 2010/0309454 A1 US 2010/0309454 A1 ein kompaktes Spektrometer beschrieben, das mit einem Mobiltelefon gekoppelt bzw. in miniaturisierter Ausführung in ein Mobiltelefon integriert ist. described a compact spectrometer is coupled to a mobile phone, or integrated in a miniaturized embodiment in a mobile phone. Impliziert sind dabei ebenfalls die Energieversorgung, Datenspeicher, Signalverarbeitung und Echtzeitanzeige der Messergebnisse. Implies are also energy supplies, data storage, signal processing and real-time display of measurement results. Die Ergebnisse können sofort per Drahtlos-Kommunikation zu einer Remote-Station oder zu anderen Mobiltelefonen bzw. deren Benutzern übermittelt werden. The results can be transmitted immediately via wireless communication to a remote station or to other mobile phones and their users. So besteht beispielsweise für Diabetiker die Möglichkeit, Blutzuckermessungen in nicht invasiver Weise zuhause ausführen und die Ergebnisse an den Arzt übermitteln. For example, there for diabetics the ability to perform blood sugar measurements in non-invasive manner at home and transmit the results to the doctor.
  • [0005] [0005]
    Nachteilig bei den vorgenannten Anordnungen ist, dass eine umfassende und präzise Bestimmung der Spektraleigenschaften von bildlich erfassten Szenen oder Objekten in Echtzeit nicht möglich und die Ausgabe von schlussfolgernden Informationen, etwa im Sinne von Handlungsempfehlungen für den Nutzer, die sich auf die Ermittlungs- und Auswerteergebnisse beziehen, gar nicht beabsichtigt oder – gemessen an bestehenden Bedürfnissen – nur eingeschränkt und damit unzureichend möglich ist. A disadvantage of the above arrangements is that a comprehensive and accurate determination of the spectral characteristics of images of detected scene or objects in real time is not possible, and the output of inferential information, in the sense of action recommendations to the user relating to the investigation and evaluation results , not intended or - in terms of existing needs - restricted and therefore is insufficient possible.
  • [0006] [0006]
    Der nachfolgend beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dem Stand der Technik anhaftenden Mängel zu beheben. The invention described below is an object to overcome the inherent in the prior art deficiencies.
  • [0007] [0007]
    Erfindungsgemäß umfasst ein miniaturisiertes optoelektronisches System der eingangs genannten Art According to the invention includes a miniaturized optoelectronic system of the type mentioned
    • – optische Bauelemente und Strahlengänge zur Erzeugung statischer oder bewegter Bilder einer Szene oder eines einzelnen Objektes, - optical components and optical paths for the generation of static or moving images of a scene or a single object,
    • – optische Bauelemente und Strahlengänge zur Bestimmung der Spektraleigenschaften eines oder mehrerer in der Szene enthaltener Objekte oder eines einzelnen Objektes, - optical components and optical paths for the determination of the spectral characteristics of one or more contained in the scene objects or a single object,
    • – mindestens einen Bildsensor als optoelektronischen Wandler, - at least one image sensor as an optoelectronic converter,
    • – elektronische Bauelemente, ausgebildet zur Verarbeitung der Ausgangssignale des Bildsensors, - electronic components, designed to process the output signals of the image sensor,
    • – eine Informationsausgabeeinheit, ausgebildet zur Ergebnisdarstellung sinnlich, vorzugsweise visuell wahrnehmbaren Darstellung der Spektraleigenschaften in Zuordnung zu den Objekten, und - an information output unit configured to display of results sensual, preferably visually perceptible representation of the spectral characteristics in association with the objects, and
    • – Mittel zur Stromversorgung der elektronischen Bauelemente, - means for power supply of the electronic components,
    • – wobei eine Ausführung des Systems in Form eines Handgerätes, auch als Handheld bezeichnet, vorgesehen ist. - wherein an embodiment of the system in the form of a handheld device, also called handheld designated is provided.
  • [0008] [0008]
    Ein Handgerät bzw. Handheld im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein tragbares elektronisches Gerät mit eigener Stromversorgung für unterschiedliche Anwendungen. A handset or handheld purposes of the present invention is a portable electronic device with its own power supply for different applications. Es ist so klein und leicht, dass es bei der Benutzung in nur einer Hand gehalten werden kann, daher die Bezeichnung Handheld, von englisch in der Hand gehalten (zitiert aus Wikipedia, 31.08.2011). It is so small and light that it can be kept in use in one hand, hence the term handheld, held by english in hand (quoted from Wikipedia, 31.08.2011).
  • [0009] [0009]
    Als Strahlengänge im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die Laufwege des Lichtes durch den optischen Teil des Systems zu verstehen. As beam paths in accordance with the present invention, the paths of light through the optical part of the system are to be understood. In unterschiedlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems verlaufen die Strahlengänge zur Bilderzeugung und die Strahlengänge zur Bestimmung der Spektraleigenschaften zumindest abschnittweise getrennt oder gemeinsam, und die Bilderzeugung und die Spektralanalyse sind gleichzeitig oder zeitlich aufeinander folgend vorgesehen. In different embodiments of the inventive system, the beam paths for imaging and the beam paths for the determination of the spectral characteristics extend at least in sections, separately or together, and the imaging and spectral analysis are simultaneously or sequentially provided.
  • [0010] [0010]
    In einer bevorzugten Ausführungsform sind die optischen Mittel zur Bestimmung der Spektraleigenschaften als Mehrkanalspektrometer ausgebildet und dazu vorgesehen, Spektren für mehrere Wellenlängen des Beleuchtungs- und / oder Messlichtes unabhängig voneinander simultan zu bestimmen, vorzugsweise gleichzeitig mit der Erzeugung von Abbildungen der Szenen oder Objekte, deren spektrale Eigenschaften zu ermitteln sind. In a preferred embodiment, the optical means for determining the spectral characteristics are formed as multi-channel spectrometer and intended for determining spectra for a plurality of wavelengths of illumination and / or measuring light independently of each other simultaneously, preferably simultaneously with the formation of images of scenes or objects whose spectral properties are to be determined.
  • [0011] [0011]
    Einbezogen in den Erfindungsgedanken ist dabei die Ausbildung in Form eines hyperspektralen Mehrkanalspektrometers, das zur Spektralanalyse im Wellenlängenbereich von ultraviolett bis zum langwelligen Infrarot geeignet ist und in jedem der Kanäle mit bis zu 250 unterschiedlichen, jeweils einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich entsprechenden Stützstellen versehen ist. Included in the concept of the invention is the formation in the form of a hyperspectral multichannel spectrometer to long-wave infrared is suitable for spectral analysis in the wavelength range of ultraviolet, and is provided in each of the channels with up to 250 different, corresponding each of a wavelength or a wavelength range of support points.
  • [0012] [0012]
    Optional können als optoelektronische Wandler vorgesehen sein Optionally may be provided as opto-electronic transducer
    • – ein polychromatischer Silizium basierter Bildsensor, - a polychromatic silicon-based image sensor,
    • – ein polychromatischer Indium-Gallium-Arsenit (InGaAs) basierter Bildsensor, - a polychromatic indium gallium arsenide (InGaAs) based image sensor,
    • – mehrere monochromatische Einzelsensoren auf Silizium- oder Indium-Gallium-Arsenid-Basis, die zusammenwirkend einen bestimmten, spektral zu analysierenden Wellenlängenbereich überdecken, oder - a plurality of monochromatic individual sensors on silicon or indium-gallium arsenide-based cooperatively cover a certain spectrally be analyzed wavelength range, or
    • – Kombinationen aus polychromatischen und monochromatischen Zeilen- oder Flächensensoren auf Silizium- und / oder Indium-Gallium-Arsenid-Basis, die ebenfalls einen bestimmten, spektral zu analysierenden Wellenlängenbereich überdecken. - combinations of polychromatic and monochromatic line or area sensors on silicon and / or indium-gallium arsenide-base also cover a certain, to be spectrally analyzed wavelengths.
  • [0013] [0013]
    Das erfindungsgemäße System ist in speziellen Ausgestaltungen zur Erzeugung zwei- oder dreidimensionaler Bilder von Szenen oder Objekten ausgebildet, und die Spektralanalyse erfolgt für eine oder mehrere einzelne Linien, für eine Fläche oder für ein Volumen eines aus einer Szene ausgewählten oder einzeln aufgenommenen Objektes. The inventive system is di- or in particular embodiments for generating three-dimensional images of scenes or objects formed, and the spectral analysis is carried out for one or more individual lines, for an area or a volume of a selected one of a scene or object recorded individually.
  • [0014] [0014]
    Die Erzeugung dreidimensionaler Bilder erfolgt dabei vorzugsweise unter Anwendung des an sich bekannten TOF = Time Of Flight-Prinzips. Generating three-dimensional images is preferably carried out using the known TOF Time Of Flight principle. Dies ist insbesondere für Applikationen vorteilhaft, die eine zeitlich aufgelöste Spektralanalyse erfordern. This is particularly advantageous for applications that require a time-resolved spectral analysis. Hierbei wird vorteilhaft ein Photomischdetektor, auch als PMD-Sensor bezeichnet, als Bildsensor genutzt. Here is advantageously a photonic mixer device, also known as PMD sensor, used as an image sensor.
  • [0015] [0015]
    Die Mittel zur Bilderzeugung und die Mittel zur Bestimmung der Spektraleigenschaften sind entweder innerhalb eines gemeinsamen kompakten Gehäuses untergebracht oder als getrennte Baugruppen ausgeführt. The means for imaging and the means for determining the spectral characteristics are either housed within a common compact housing or embodied as separate assemblies. Für beide Optionen sind Ausführungsformen vorgesehen, die aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichtes das einhändige Halten und Bedienen ermöglichen. Embodiments are provided for both options that allow single-handed holding and operating due to their size and weight.
  • [0016] [0016]
    Im Falle der Ausführung in getrennten Baugruppen sind diese über Schnittstellen miteinander gekoppelt. In the case of the embodiment in separate modules, these are coupled to one another via interfaces. Vorteilhaft ist dabei den optischen Elementen zur Bilderzeugung, insbesondere einem zum Abbildungsstrahlengang gehörenden Objektiv, eine dispersive Optik vorgeordnet, beispielsweise in Form eines optischen Gitters, Prismas oder Filters. thereby the optical elements for image formation, in particular a belonging to the imaging beam path lens, a dispersive optic is advantageously arranged upstream, for example in the form of an optical grating, prism or filter.
  • [0017] [0017]
    Um eine Kompensation der Abbildungsunschärfe zu erreichen, die aufgrund der Dispersion in Richtung der Z-Achse dem Rowlandkreis entsprechend entsteht, sowie auch um weitere Abbildungsunschärfen in Ebenen zu kompensieren, die zu der von der Z-Achse und der Dispersionsrichtung aufgespannten Ebene geneigt sind, werden Bildstapel aus unterschiedlichen Fokusebenen aufgenommen, die Einzelbilder dieser Stapel bezüglich der Abbildungsschärfe vorzugsweise relevanter Bildelemente ausgewertet und aus den Ergebnissen Abbildungen der Szene bzw. von Objekten gewonnen, deren Abbildungsschärfe korrigiert ist. To obtain a compensation of the image blur that occurs due to the dispersion in the direction of Z-axis of the Rowland circle according to, as well as to compensate for additional image blur in planes which are inclined to the plane defined by the Z-axis and the direction of dispersion plane, recorded image stack from different focal planes, evaluated the frames with respect to this stack of image clarity preferably relevant picture elements and obtained from the results of images of the scene, or of objects whose image sharpness is corrected.
  • [0018] [0018]
    Die Fokusvariation wird beispielsweise durch schrittweise Änderung des Abstandes zwischen dem Objektiv und der Fokusebene des Dispersionselementes vorgenommen. The focus variation is carried out, for example, by the stepwise change in the distance between the lens and the focal plane of the dispersion element. Bei entsprechender Programmierung kann dazu temporär eine vorhandene Autofokussier-Einrichtung genutzt werden. If programmed to an existing autofocusing device can be used temporarily.
  • [0019] [0019]
    Alternativ ist zwecks Kompensation der Abbildungsunschärfe auch der Einsatz von DOE´s oder von anderen optisch korrigierenden Elementen vorstellbar. Alternatively, for the purpose of compensating the image blur, the use of DOE's or other optically correcting members is also conceivable.
  • [0020] [0020]
    Zur Beleuchtung der Szene oder des aufzunehmenden Objektes und / oder zur Spektralanalyse ist das jeweilige natürliche Umgebungslicht oder das von einer künstlichen Quelle abgestrahlte Licht vorgesehen. For illumination of the scene or object to be recorded and / or for spectral analysis of the respective natural ambient light or the light emitted from an artificial light source is provided. Die Einkopplung des von der Szene bzw. dem Objekt kommenden Messlichtes in die Strahlengänge für die Spektralanalyse erfolgt beispielsweise mittels Freistrahloptiken oder Lichtwellenleitern. The coupling of the next of the scene or the object on the measuring light in the beam paths of the spectral analysis is carried out for example by means of free-beam optics or optical fibers. Im Rahmen der Erfindung liegt auch die separate oder integrierte Ausstattung des optoelektronischen Systems mit einer Beleuchtungslichtquelle, die Fluoreszenz anregendes Licht abstrahlt. Within the scope of the invention is also the separate or integrated equipment of the optoelectronic system with an illumination light source which emits fluorescence exciting light.
  • [0021] [0021]
    Werden künstliche Lichtquellen genutzt, so sind diese bevorzugt mit Mitteln zur definierten Beeinflussung der Intensität, der Wellenlänge und / oder der Polarisation des abgestrahlten Lichtes verbunden. Are artificial light sources are used, these are preferably defined with means for influencing the intensity, wavelength and / or polarization of the emitted light are connected. Die Verwendung von Polarisationselementen ermöglicht die Verarbeitung von Phaseninformation, was insbesondere bei der Spektralellipsometrie zwecks Untersuchung von Schichtdicken und optischen Eigenschaften verschiedener Materialien vorteilhaft ist. The use of polarization elements enables the processing of phase information, which is advantageous in particular in the spectral ellipsometry for examination of layer thicknesses and optical properties of various materials. Dabei wird polarisiertes Licht auf die Probe eingestrahlt, und anhand der Amplituden- und Phaseninformation bzw. der ellipsometrischen Parameter Y und D des reflektierten Strahls wird auf die polarisierenden Eigenschaften der Probe geschlossen. In this case, polarized light is irradiated on the sample, and on the basis of the amplitude and phase information or the ellipsometric parameters Y and D of the reflected beam is closed on the polarizing properties of the sample.
  • [0022] [0022]
    In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Generieren von Anweisungen zum Handeln für den Nutzer vorgesehen, die in Form von Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen der Spektralanalyse generiert werden. In a further embodiment of the invention, the generation of instructions is provided to act for the user that are generated in the form of conclusions from the results of spectral analysis. In den Erfindungsgedanken eingeschlossen ist dabei die zusätzliche Verknüpfung der Ergebnisse der Spektralanalyse mit weiteren, die Szenen und Objekte betreffenden Informationen, etwa Metadaten. is within the spirit included this additional link between the results of spectral analysis with additional scenes and objects relevant information, such as metadata. Diese sind entweder intern im System gespeichert, in einem externen, jedoch dem System zugeordnet Datenspeicher abgelegt oder per Kommunikation global öffentlich zugänglich und mit dem System abrufbar. These are either stored internally in the system, stored in an external, however, associated with the system data memory or globally available by the communication with the public system.
  • [0023] [0023]
    In Bezug auf letzteres ist das erfindungsgemäße optoelektronische System beispielsweise ausgestattet mit Mitteln zur drahtlosen Einbindung in ein Kommunikationsnetzwerk, insbesondere zur Bild- und Ton-Übertragung, zur Übertragung von Messergebnissen in externe Datenspeicher und / oder zum Abrufen von Informationen aus externen Datenspeichern. With respect to the latter optoelectronic system according to the invention is for example provided with means for wireless connection to a communication network, in particular for video and audio transmission, the transmission of measurement results in external data memory and / or to retrieve information from external data stores. Solche Informationen sind zum Beispiel Referenzwerte für die Kalibrierung der Mittel zur Bilderzeugung, vorzugsweise jedoch für die Kalibrierung der Mittel zur Spektralanalyse. Such information is, for example, reference values ​​for the calibration of the imaging agent, but preferably for the calibration of the means for spectral analysis. So kann insbesondere die Kalibrierung der Intensität und / oder der Wellenlänge des Beleuchtungslichtes vorgesehen sein. Thus, the calibration of the intensity and / or wavelength of the illumination light can be provided in particular.
  • [0024] [0024]
    In einer weiteren, ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegenden Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße optoelektronische System mit Mitteln zur Zielführung des Nutzers bei der Suche nach solchen Objekten innerhalb beliebiger Szenen ausgestattet, die bestimmte Spektraleigenschaften aufweisen. In a further, likewise lying within the scope of the invention embodiment, the inventive opto-electronic system with means for guidance of the user in finding such objects come within any scenes that have specific spectral characteristics.
  • [0025] [0025]
    Diese Zielführung wird erreicht, indem zum Beispiel mittels GPS und / oder Kompass die räumliche Orientierung der abgebildeten Szene bzw. des abgebildeten Objektes bestimmt und mit dem zeitlichen Gradienten einer vom Benutzer willkürlich oder gezielt verursachten Änderung der gemessenen absoluten oder relativen räumlichen spektralen Information in Korrelation gebracht wird. This guidance is achieved by, for example, by GPS and / or compass determines the spatial orientation of the scene or illustrated the imaged object and correlated with the time gradient of a change in the measured absolute or relative spatial spectral information arbitrarily or purposefully caused by the user becomes. Die damit gewonnene Rückinformation an den Benutzer erlaubt die Zielführung des Systems hin zu Bereichen, die im Zusammenhang mit der jeweiligen Applikation für den Nutzer relevanten sind. The return information to the user thus obtained allows the guidance of the system towards areas that are relevant in the context of the specific application for the user.
  • [0026] [0026]
    Weitere Informationen, die den Kontext der Messung unterstützen, wie zB Temperatur, werden in der Verrechnung der Gradienten-Raum-Information ergänzend berücksichtigt. Other information that supports the context of measurement, such as temperature are taken into account in addition to the elimination of the gradient space information.
  • [0027] [0027]
    Das Echtzeit-Feedback der Messinformation erfolgt zB im Display mittels Stützstellen bietenden Gittern, Pfeilen, Falschfarbenflächen, oder auch mittels haptischen Sofortinformationen an den Nutzer, etwa akustisch und / oder in Form von Vibrationen. The real-time feedback of the measurement information is, for example, on the display means of support points offered grids, arrows, false color space, or by means of haptic immediate information to the user, such as acoustically and / or in the form of vibrations.
  • [0028] [0028]
    Das Rückmeldung an den Nutzer muss dazu nicht zwingend am selben Ort erfolgen, das heißt der Nutzer kann die Information räumlich getrennt über die Kommunikationsschnittstellen des erfindungsgemäßen Systems erhalten, wie zB TCP/IP, Bluetooth etc. The feedback to the user does not have to necessarily take place in the same place, that is, the user can obtain the information spatially separated via the communication interface of the present system, such as TCP / IP, Bluetooth, etc.
  • [0029] [0029]
    Im Zusammenhang mit der Zielführung ist für bestimmte Applikationen beispielsweise auch die Verknüpfung von Objekten, die aufgrund ihrer Spektraleigenschaften als interessant ermittelt worden sind, mit bildlich erfassten Geländeformen vorgesehen. In connection with the route guidance, for certain applications, for example, the linking of objects that have been determined to be of interest because of their spectral characteristics provided with images of captured terrain.
  • [0030] [0030]
    Die Informationsausgabeeinheit verfügt zum Zweck der visuell wahrnehmbaren Ergebnisdarstellung beispielsweise über ein LED- oder OLED-Display. The information output unit has for the purpose of visually perceptible result presentation, for example, a LED or OLED display.
  • [0031] [0031]
    Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Mittel zur Bilderzeugung als Lichtfeldkamerasystem ausgebildet. In a further advantageous embodiment, the imaging agent is formed as a light field camera system. Lichtfeldkamerasysteme sind unter der Bezeichnung plenoptische Kameras bekannt. Light field camera systems are known as plenoptic cameras. Sie erfassen das 4D-Lichtfeld einer Szene, wodurch nicht nur die Position und Intensität eines auf den Bildsensor einfallenden Lichtstrahls bekannt ist, sondern auch dessen Einfallsrichtung. They capture the 4D light field of a scene, which not only the position and intensity of an incident on the image sensor light beam is known, but also its direction of incidence. Zur Lichtfeldmessung wird beispielsweise ein Gitter aus mehreren Mikrolinsen vor dem Bildsensor angeordnet. The light field measurement, a grating is arranged from a plurality of micro lenses in front of the image sensor, for example. Damit werden vorteilhaft auch ohne Autofokussierung sehr große Tiefenschärfen erzielt bei geringster Abbildungsunschärfe. Therefore very large depths of field can be achieved with minimal image blur advantageous even without autofocusing.
  • [0032] [0032]
    Die vorzugsweise als Kamera ausgebildeten Mittel zur Bilderzeugung weisen vorteilhaft eine Sensormatrix auf, beispielsweise ausgeführt in Form eines CCD-Bildsensors, der mit einer Ansteuerung zum temporären Zusammenfassen benachbarter Pixel zu Pixelblöcken verbunden ist, um eine höhere Lichtempfindlichkeit und zugleich eine höhere Auslesegeschwindigkeit zu erzielen. The preferably designed as a camera imaging agent advantageously have a sensor matrix, for example made in the form of a CCD image sensor, which is connected to a control for temporarily grouping of adjacent pixel to pixel blocks in order to achieve a higher light sensitivity and at the same time a higher readout speed. Diese Ansteuerung kann, bezogen auf die Pixel des Bildsensors, räumlich und / oder zeitlich gestaffelt vorgenommen werden. This control can be based on the pixels of the image sensor, spatially and / or temporally staggered be made.
  • [0033] [0033]
    Im Rahmen der Erfindung liegt optional auch die Ausstattung des optoelektronischen Systems mit Beschleunigungssensor, Gyroskop und Neigungsmesser sowie mit Mitteln zur Einbindung in das Global Positioning System (GPS). In the present invention, the features of the optoelectronic system is optional accelerometer, gyroscope and inclinometer and means for integration into the Global Positioning System (GPS). Mit Hilfe des Neigungsmessers und GPS ist beispielsweise die Bestimmung des Einfallswinkels des Mess- und / oder Beleuchtungslichtes auf ein abzubildendes Objekt in Relation zur optischen Achse der Abbildungsoptik vorgesehen. By means of the inclinometer, and GPS to determine the angle of incidence of the measurement and / or the illumination light is provided, for example on an object being imaged relative to the optical axis of the imaging optics.
  • [0034] [0034]
    Unter dem Begriff Beleuchtungslicht soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung das auf die Szene bzw. das Objekt gerichtete Licht, unter dem Begriff Messlicht das von der Szene bzw. dem Objekt kommende und entsprechende der jeweiligen Applikation auszuwertende Licht zu verstehen sein. The term illumination light to the directed onto the scene or the object light in the context of the present invention to be understood that evaluated by the scene or the object and coming corresponding to the respective application, the term light measurement light.
  • [0035] [0035]
    Sind künstliche Quellen für das Beleuchtung- bzw. Messlicht vorgesehen, können diese optional kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Are artificial sources of Lighting and measuring light provided, they can optionally be operated continuously or pulsed. Wird das erfindungsgemäße System als spektrales Video-System betrieben, ist im letzteren Fall die Sequenz bei der Aufnahme der bewegten Bilder mit der Pulsfrequenz der Lichtquelle so zu synchronisieren, dass die Aufnahme stets bei Beleuchtung der Szene bzw. des Objektes erfolgt, so dass periodisch sich wiederholende Vorgänge oder periodisch wiederkehrende Ereignisse sichtbar gemacht werden, etwa um zeitlich fortschreitende Veränderungen feststellen zu können. If the inventive system operates as a spectral video system, in the latter case is to be synchronized so the sequence in the recording of moving pictures with the pulse frequency of the light source that the recording is always performed in illumination of the scene or the object so that periodically repetitive tasks or recurring events are made visible to approximately notice to temporally progressive changes.
  • [0036] [0036]
    In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Klassifizierung von abgebildeten Objekten anhand ihrer spektralen Eigenschaften vorgesehen, wobei die Klassifizierung beispielsweise unter chemisch, medizinisch oder landwirtschaftlich aufschlussreichen Aspekten vorgenommen wird. In a further advantageous embodiment, means for classification of imaged objects are provided by their spectral properties, wherein the classification is carried out for example by chemical, medical or agricultural revealing ways.
  • [0037] [0037]
    Das erfindungsgemäße miniaturisierte optoelektronische System bietet im Unterschied zu den nach Stand der Technik verfügbaren Systemen wesentliche Vorteile. The miniaturized optoelectronic system of the invention offers significant advantages in contrast to the available prior art systems. So kann erfindungsgemäß Thus, according to the invention
    • – eine Überlagerung des Livebildes mit einer spektralen Messung vorgenommen werden, bei der die Sequenz der Bilderfassung größer ist als die Sequenz, mit der die Spektralanalyse erfolgt. - a superposition of the live image are made with a spectral measurement, in which the sequence of image capture is greater than the sequence with which the spectral analysis is performed. Der Bildsensor wird dabei bereichsweise für die spektrale Messung und bereichsweise für das Livebild genutzt. The image sensor is then used regionally for spectral measurement and regionally for the live image. Diesbezüglich sind vorzugsweise zwei Kameras im System vorgesehen, von denen eine der spektralen Messung und die zweite dem Livebild vorbehalten ist. In this regard, two cameras are preferably provided in the system, of which the spectral measurement and the second the live picture is reserved. Im Livebild wird – für den Nutzer erkennbar – eine Markierung des Bildanteiles vorgenommen, in dem die spektrale Messung erfolgt, a marking of the image share made in which the spectral measurement is carried out, - in the live image is - for the user recognizable
    • – eine Überlagerung des Livebildes mit einer spektralen Messung vorgenommen werden, bei der die Sequenz der Bilderfassung der Sequenz entspricht, mit der die Spektralanalyse erfolgt. - a superposition of the live image are made with a spectral measurement, in which the sequence of image capture of the sequence corresponding to the spectral analysis is performed. Hierbei werden die jeweils in Echtzeit aufgenommenen Bild- und Spektralinformationen in gleichen Bildsequenzen verarbeitet und aufbereitet. Here, the respectively recorded in real time images and spectral information is processed in the same image sequences and processed. Dies bietet den Vorteil, dass zeitkritische bzw. sich individuell verändernde Prozesse genauestens analysiert und die Prozessabläufe zugleich an die physiologischen Gegebenheiten des Menschen angepasst werden können, der eine Bildwiederholfrequenz von 16 Hz wahrnehmen kann, This offers the advantage that time-sensitive or individually changing processes carefully analyzed and the processes can be adapted to the physiological conditions of the people at the same time, which can perform a refresh rate of 16 Hz,
    • – eine Überlagerung des Livebildes mit einer spektralen Messung vorgenommen werden, bei der die Sequenz der Bilderfassung kleiner ist als die Sequenz, mit der die Spektralanalyse erfolgt. - a superposition of the live image are made with a spectral measurement, in which the sequence of image capture is less than the sequence with which the spectral analysis is performed. Dies ist dann vorteilhaft, wenn das Messobjekt spektral inhomogen ist. This is advantageous when the measurement object is spectrally inhomogeneous. Eine große Anzahl von Einzelmessungen während einer kleineren Anzahl von Bilderzeugungen verbessert hierbei die Genauigkeit der Gesamtmessung. A large number of individual measurements while a smaller number of image formations in this case improves the accuracy of the total measurement.
  • [0038] [0038]
    Das erfindungsgemäße System kann als spektrales Video-Stroboskop-System betrieben werden, wobei eine Synchronisierung auf die Betriebsfrequenz der vorhandenen Lichtquellen zwecks zeitlicher Zuordnung von Beleuchtung und Aufnahme vorgesehen ist. The inventive system can be operated as a spectral video strobe system, wherein a synchronization is provided on the operating frequency of the existing light sources for the purpose of temporal assignment of illumination and recording. Alternativ sind Applikationen unter Nutzung des zeitlichen Ablaufes sinnvoll, bei denen der dynamische Verlauf visualisiert werden soll. Alternatively, applications are useful, using the time sequence in which the dynamic course is to be visualized.
  • [0039] [0039]
    Für Anwendungen im Zusammenhang mit zeitaufgelöster Spektroskopie ist das erfindungsgemäße System zusätzlich mit einem Shutter ausgerüstet, der vorzugsweise eine Reaktionszeit im Nanosekunden-Bereich hat. For applications in connection with time-resolved spectroscopy system of the invention is additionally equipped with a shutter which preferably has a response time in the nanosecond range. Der Shutter dient zur Verknüpfung des Strahlengangs zur Bilderzeugung mit dem Strahlengang zur Spektralmessung und ermöglicht es, Spektralmessung und Bilderzeugung sequentiell im Takt der Shutteransteuerung vorzunehmen, was bezüglich der zeitaufgelösten Spektroskopie insbesondere bei schnellen zeitlichen Veränderungen an den Messobjekten von Vorteil ist. The shutter is used to link the beam path for image formation with the beam path of spectral measurement and allows to perform spectral and imaging sequentially in time with the Shutter Control, which is with respect to the time-resolved spectroscopy, in particular at fast temporal changes in the measurement objects of advantage.
  • [0040] [0040]
    Ist das erfindungsgemäße optoelektronische System mit einer 3D-Kamera ausgestattet, die vorzugsweise mit der Time-Of-Flight-Funktion versehen ist, können damit die Spektralmessungen zeitaufgelöst vorgenommen werden. Is optoelectronic system according to the invention equipped with a 3D camera, which is preferably provided with the Time-Of-Flight function, spectral measurements can thus be carried out with time resolution. Wird zur Spektralmessung ein spektroskopischer Vorsatz verwendet, wie weiter unten an Ausführungsbeispielen näher erläutert, ist die Entfernungsbestimmung zum Objekt trotzdem möglich. If the spectral measurement a spectroscopic intent used as explained below in exemplary embodiments, measuring the distances to the object is still possible. Des Weiteren ist es hiermit möglich, Laufzeitunterschiede zur Messung von Informationen aus dem zeitlichen Signalverhalten bestimmter Stoffe und Applikationen zu messen und zur Weiterverarbeitung bereitzustellen, wie beispielsweise bei der sogenannten FLIM-Technik (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy), die ionensensitive Fluoreszenzfarbstoffe zur Messung intrazellulärer Ionenkonzentrationen verwendet. Furthermore, it is hereby possible to measure transit time differences for measuring information from the temporal signal behavior of certain materials and applications, and to provide for further processing, such as in the so-called FLIM technique used (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy), the ion-sensitive fluorescent dyes for the measurement of intracellular ion concentrations , Hierbei wird die Tatsache genutzt, dass sich die Fluoreszenz-Lebenszeit, das heißt die mittlere Verweildauer der Elektronen im angeregten Zustand, mit der Ionenkonzentration ändert. In this case the fact is utilized that the fluorescence lifetime, that is, the average residence time of electrons in the excited state, varies with the ion concentration.
  • [0041] [0041]
    Wie teilweise bereits weiter oben erwähnt, kann zur Beleuchtung der aufzunehmenden Szenen oder Objekte Umgebungslicht oder künstliches Licht genutzt werden. As partially mentioned above, can be used to illuminate the male scenes or objects ambient light or artificial light. Als Quelle für künstliches Licht kommen interne Lichtquellen in Betracht, optional mit einer Vorsatzoptik, oder externe Lichtquellen, die auch gepulst betrieben werden können, zum Beispiel als Blitzlicht zur Stroboskop-Beleuchtung oder im Zusammenhang mit der 3D-Ausstattung auf der Basis TOF. As a source of artificial light coming internal light sources into consideration, with an optional optical head, or external light sources that can be operated in pulsed, such as a flashlight to strobe lights or in connection with the 3D equipment on the basis of TOF.
  • [0042] [0042]
    Dabei liegen folgende Varianten im Rahmen der Erfindung: The following variations are within the scope of the invention:
    • – Verwendung des Displays der Informationsausgabeeinheit als Beleuchtung, - Using the display of information output unit as lighting,
    • – Verwendung einer oder mehrerer monochromatischer Lichtquellen, die als Stützstellen für die Spektralmessungen dienen, zum parallelen oder seriellen Beleuchten, optional auch im Takt der Aufnahme bewegter Bilder. - using one or more monochromatic light sources, which serve as support points for the spectral measurements, for parallel or serial illuminating, optionally also in time with the recording of moving pictures. Dabei kann die spektrale Auflösung des Gesamtsystems auch realisiert werden, indem die Anzahl der Lichtquellen den gesamten spektralen Wellenlängenbereich – auch außerhalb des RGB-Farbraumes – überdeckt, The spectral resolution of the overall system can also be realized by the number of light sources the entire spectral range of wavelengths - and outside the RGB color space - is covered,
    • – Verwendung einer Lichtquelle zur Fluoreszenzanregung bei flächiger Beleuchtung, - using a light source for fluorescence excitation-over lighting,
    • – Verwendung von natürlichen Lichtquellen zur fluoreszenzspektroskopischen Anregung, - Use of natural light sources for fluorescence spectroscopic excitation,
    • – zeitlich aufeinander folgende Beleuchtung der Szene bzw. des Objektes mit Licht unterschiedlicher optischer Eigenschaften, wie Polarisation, Intensität, Wellenlänge oder Spektralbereich, - time sequential illumination of the scene or the object with light of different optical properties, such as polarization, intensity, wavelength or spectral range,
    • – Verwendung des natürlichen Umgebungslichtes unter Zuhilfenahme eines oder mehrerer polarisierender Elemente zur Beleuchtung, - Use of natural ambient light with the aid of one or more polarizing elements for lighting,
    • – Modulation der natürlichen, internen oder externen Beleuchtung, zB im Zusammenhang mit zeitaufgelösten Applikationen, - Modulation of natural, internal or external lighting, for example in the context of time-resolved applications
    • – Steuerung und / oder Regelung der spektralen und zeitlichen Intensität des Beleuchtungslichtes, - control and / or regulation of the spectral and temporal intensity of the illumination light,
    • – diffuse Beleuchtung, beispielsweise mittels zwischengeschaltetem Mikrolinsenarray oder eingefügter Planspiegeloptik, um Energie- bzw. Lichtverluste zu vermeiden, - diffuse illumination, for example using an interposed micro-lens array or inserted plane mirror optics to avoid energy and light losses,
    • – individuelle Programmierung der vorhandenen Lichtquellen bezüglich der Intensität, Wellenlänge und / oder Polarisation des abgestrahlten Lichtes, - individual programming of the existing light sources with respect to the intensity, wavelength and / or polarization of the emitted light,
    • – Verwendung adaptiver optischer Elemente in den Strahlengängen des Beleuchtungs- und/oder Messlichtes, um die Wellenfront zu beeinflussen und dadurch beispielsweise Abbildungsfehler der beteiligten optischen Baugruppen zu korrigieren. - use of adaptive optical elements in the beam paths of the illumination and / or measuring light to affect the wave front, thereby correcting, for example, aberrations of the optical components involved.
  • [0043] [0043]
    Um die Intensität des Beleuchtungslichtes zu kalibrieren ist beispielsweise vorgesehen, einen Teil des von der Lichtquelle kommenden Lichtes auszukoppeln und als Licht mit Referenzspektrum direkt in den spektroskopischen Strahlengang einzukoppeln. In order to calibrate the intensity of the illumination light is provided, for example to couple a portion of the light coming from the light source and couple light with the reference spectrum as directly in the spectroscopic optical path. Diese Art der Referenzierung kann vorzugsweise parallel, aber auch seriell erfolgen. This type of referencing can preferably parallel, but also take place serially.
  • [0044] [0044]
    Im Falle der Verwendung eines Mehrkanalspektrometers erhält man bei der parallelen Referenzierung auf einem Kanal die Referenz „weiß“, und auf den anderen Kanälen die Messinformation. In case of using a multi-channel spectrometer is obtained in parallel on a channel referencing the reference "white", and on the other channels the measurement information. Aus einem Bereich des Bildsensors, auf den kein Licht fällt, erhält man die Referenz „schwarz“. From an area of ​​the image sensor, the light does not, you get the reference "black". Abhängig vor der zu lösenden applikativen Aufgabe kann allerdings auch die Messung eines zusätzlichen Dunkelsignals vorgesehen sein. Depending before to be solved applicative task, however, the measurement of an additional dark signal may be provided. Die Referenzierung erfolgt vorzugsweise simultan und bei jedem Bild. Referencing is preferably carried out simultaneously and at each picture.
  • [0045] [0045]
    Im Falle der Verwendung eines einkanaligen Spektrometers werden diese Abläufe seriell vorgenommen. In case of using a single-channel spectrometer, these operations are serially performed. Diesbezüglich ist zum Beispiel in In this regard, for example, in DE 195 28 855 A1 DE 195 28 855 A1 eine Vorrichtung beschrieben, bei der mit geringem Aufwand erneute Referenzierungen zwischen den Messungen möglich sind. describes a device in which with little effort re-references between measurements are possible. Zu diesem Zweck wird ein separater Referenzstrahlengang verwendet, und der Messstrahlengang wird über einen Y-Lichtleiter mit dem Referenzstrahlengang zusammengeführt, wobei in jedem Lichtleiterzweig ein schaltbarer Shutter angeordnet ist. For this purpose, a separate reference beam is used, and the measuring beam path is merged via a Y-light conductor to the reference beam path, wherein in each optical fiber branch, a switchable shutter is arranged. Der Y-Lichtleiter mit Shutter dient so als optische Weiche, und der Querschnitt des gemeinsamen Strahlengangs zwischen Weiche und Spektrometer ist aufgeteilt auf den Referenz- und den Messstrahlengang. The Y light guide with shutter thus serves as optical combiner, and the cross section of the common beam path between soft and spectrometer is divided into the reference and measurement beam path. Dieser gemeinsame Strahlengang wird in die Eintrittsöffnung des Spektrometers eingekoppelt. This common beam path is coupled into the entrance aperture of the spectrometer.
  • [0046] [0046]
    Eine zweite Kamera, zum Beispiel mit einer in Bezug auf die Detektions- bzw. Lichteintrittsrichtung um einen Winkel von 180° versetzten Einbaulage zur ersten Kamera, kann zur Referenzmessung für die Intensität des Umgebungslichtes genutzt werden, unabhängig davon, welche Lichtquellen zur Objekt- bzw. Szenenbeleuchtung vorgesehen sind. A second camera, for example with a with respect to the detection or light entrance direction offset by an angle of 180 ° installation position to the first camera can be used for the reference measurement of the intensity of the ambient light, regardless of the light sources to the object or scene lighting is provided. Alternativ ist eine Nutzung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Systems jedoch auch ohne eine Weißreferenz möglich, wodurch zwar – für bestimmte Anwendungen nicht nachteilig – die Messgenauigkeit verringert, zugleich aber vorteilhaft auch die Herstellkosten reduziert werden. Alternatively, however, use of the opto-electronic system of the invention is also without a white reference possible, which indeed - not detrimental to certain applications - reduces the measurement accuracy, but also advantageous production costs are reduced.
  • [0047] [0047]
    Um die Wellenlänge des Beleuchtungslichtes zu kalibrieren ist es beispielsweise vorgesehen, die Mittel zur Bestimmung der Spektraleigenschaften einer einmaligen Kalibration unmittelbar nach Herstellung des Systems zu unterziehen. In order to calibrate the wavelength of the illumination light, it is provided, for example, to subject the means for determining the spectral properties of a one-time calibration immediately after manufacture of the system. Bei Bedarf oder jeweils nach Ablauf einer festgelegten Zeitspanne kann dann zB mit als Linienstrahlern ausgebildeten Lichtquellen erneut kalibriert werden. If necessary, or in each case after a fixed period of time, for example, then can be calibrated again formed as a line array of light sources. Dazu wird aus einem Datenspeicher, in dem die Parameter einer Vielzahl von Linienstrahlern abgelegt sind, manuell oder automatisch eine Auswahl getroffen. For this, from a data memory in which the parameters of a variety of line sources are stored manually or automatically make a selection.
  • [0048] [0048]
    Die Übertragung der Informationen, wie Spektralwerte, Bilddaten, Videosequenzen ua erfolgt zwischen den einzelnen Funktions- bzw. Baugruppen über Schnittstellen innerhalb des Systems oder bidirektional durch drahtgebundene oder drahtlose Kommunikation mit externen Einheiten unter Einbeziehung nachgeordneter Auswerteroutinen und unter Berücksichtigung der applikationsbezogenen Nutzung. The transmission of the information, such spectral image data, video sequences, inter alia, takes place between the individual function modules or interfaces within the system or bidirectionally by wired or wireless communication with external units, including downstream evaluation routines and taking account of the application related use.
  • [0049] [0049]
    Die Rückmeldung an den Nutzer wird mittels folgender Verfahrensweisen realisiert: The feedback to the user is realized by means of the following procedures:
    • – spektrale Informationen mit beispielsweise chemometrisch relevanten Aussagen werden mit anderen Informationen gekoppelt und als „augmented reality“ dargestellt, worunter im Sinne der vorliegenden Erfindung die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung zu verstehen ist, die alle menschlichen Sinneswahrnehmungen einbezieht, oder - spectral information with, for example chemometrisch relevant statements be coupled with other information and presented as "augmented reality", which for the purposes of the present invention, the computer-based extension of reality perception is understood that involves all human senses, or
    • – die Informationen können für maschinelles Sehen („maschine vision“) genutzt werden, wobei im Rahmen der Erfindung alle Formen der computergestützten Lösung von Aufgabenstellungen in Frage kommen, die sich an den Fähigkeiten des menschlichen visuellen Systems orientieren, von der Kommunikation bis zu haptischer Wahrnehmung zB für Blinde. - the information can be used for machine vision ( "machine vision"), which in the context of the invention are all forms of computer solution of tasks in question are based on the capabilities of the human visual system, from communication to haptic perception eg for the blind. Die Informationsausgabe an den Nutzer erfolgt dabei applikationsbezogen vorteilhaft so, dass unerwünschte Störungen der aufzunehmenden Szene bzw. des aufzunehmenden Objektes, etwa durch akustische Signale, vermieden werden. The information output to the user is carried out based application advantageously such that unwanted disturbances of the scene to be recorded or of the object to be avoided for example by acoustic signals.
  • [0050] [0050]
    Die Kommunikation zwischen Nutzern der erfindungsgemäßen optoelektronischen Systeme ist neben den üblichen visuellen kommunikativen Möglichkeiten optional auch mittels bidirektionaler akustischer Verständigung vorgesehen. The communication between users of optoelectronic systems of the invention is provided in addition to the usual visual communicative possibilities optionally also using bi-directional acoustic communication. Die Nutzung von externen Informationsquellen über einen Server sowie der Zusammenschluss bzw. die Vernetzung von mehreren der erfindungsgemäßen optoelektronischen Systeme sind ebenfalls möglich. The use of external sources of information about a server and the merger or the networking of several of optoelectronic systems of the invention are also possible.
  • [0051] [0051]
    Beim Betreiben des optoelektronischen Systems wird das aus dem Beobachtungsstrahlengang einer Abbildungsoptik für den Mikro, Makro-, Nah- und Fernbereich ausgekoppelte Licht in den Strahlengang zur Bestimmung der Spektraleigenschaften eines oder mehrerer, in der abzubildenden Szene enthaltener Objekte übertragen mit dem Ziel, die spektralen Informationen zu ermitteln und auszuwerten. In operating the opto-electronic system is the transferred from the observation beam path of an imaging optics for the micro, macro, short and long range light coupled into the beam path for determining the spectral characteristics of one or more, contained in the scene to be imaged objects with the aim of the spectral information to identify and evaluate.
  • [0052] [0052]
    Unbekannte spektrale Eigenschaften des Objektes werden vermessen und klassifiziert. Unknown spectral properties of the object to be measured and classified. Die spektrale Identifikation kann zur identischen Replikation, also zur Speicherung der dabei gewonnenen, die spektralen Eigenschaften betreffenden Daten an mehreren verschiedenen Standorten und Synchronisation dieser Datenquellen verwendet werden. The spectral identification, the spectral characteristics relevant data at several different locations and synchronization of these data sources are used for identical replication, so to store gained.
  • [0053] [0053]
    Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to embodiments. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in The accompanying drawings show in
  • [0054] [0054]
    1 1 das erfindungsgemäße optoelektronische System in einem ersten Ausführungsbeispiel, bestehend aus einer ersten, als Spektrometer-Vorsatz ausgebildeten Baugruppe und einer zweiten Baugruppe mit den Funktionen eines Smartphones, wobei in die Kamera des Smartphones ausschließlich das von einem Objekt kommende Licht gelangt, das den Spektrometer-Vorsatz passiert hat, opto-electronic system of the invention in a first embodiment, consisting of a first, designed as a spectrometer actuator assembly and a second assembly with the functions of a smart phone, wherein only passes the light coming from an object light entering the camera of the smart phone, which the spectrometer intent has passed,
  • [0055] [0055]
    2 2 die Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels, bestehend aus einem Spektrometer-Vorsatz, einem Smartphone, das zwei Kameras aufweist, einer internen Lichtquelle zur Objektbeleuchtung und Mitteln zur Referenzierung des Beleuchtungslichtes, the schematic representation of a second embodiment, consisting of a spectrometer actuator, a smart phone that has two cameras, an internal light source for the object illumination and means for referencing the illumination light,
  • [0056] [0056]
    3 3 die Prinzipdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels, gebildet aus einem Spektrometer-Vorsatz und einem Smartphone mit einer Kamera, wobei in die Abbildungsoptik des Smartphones direkt vom Objekt kommendes Licht gelangt und zugleich getrennt davon Licht, das den Spektrometer-Vorsatz passiert hat, und wobei das in die Abbildungsoptik eintretende Licht innerhalb des Smartphones getrennt oder gemeinsam auf einen Bildsensor gerichtet ist, the schematic diagram of a third embodiment, formed of a spectrometer header and a smart phone with a camera, which passes directly from the object light coming into the imaging optics of the smartphone and at the same time separated from light which has passed through the spectrometer header, and wherein the in the is imaging optics incoming light separately within the smartphone or directed jointly to an image sensor,
  • [0057] [0057]
    4 4 die Prinzipdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels, bestehend aus zwei Spektrometer-Vorsätzen und einem Smartphone, das zwei Kameras aufweist, wobei eine externe natürliche oder künstliche Lichtquelle zur Szenen- bzw. Objektbeleuchtung vorgesehen ist, in die Abbildungsoptik einer ersten Kamera direkt vom Objekt kommendes Licht gelangt und Licht, das den ersten Spektrometer-Vorsatz passiert hat, während in die zweite Kamera ausschließlich Licht eintritt, das den zweiten Spektrometer-Vorsatz passiert hat, the principle of a fourth embodiment, consisting of two spectrometer attachments and a smart phone that has two cameras, with an external natural or artificial light source is provided to the scene or object illumination, in the imaging optical system of a first camera passes directly from the object light coming and light which has passed through the first spectrometer header, while in the second camera only light enters, the spectrometer has passed through the second actuator,
  • [0058] [0058]
    5 5 die Prinzipdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels, bestehend aus einem Spektrometer-Vorsatz und einem Smartphone, das zwei Kameras aufweist, wobei beide Kameras im Unterschied zu den Beispielen nach the schematic diagram of a fifth embodiment, consisting of a spectrometer header and a smart phone that has two cameras, wherein both cameras, in contrast to the examples of 2 2 und and 4 4 die gleiche Lichteinfallsrichtung haben, in die erste Kamera direkt vom Objekt kommendes Licht gelangt, und in die zweite Kamera ausschließlich Licht gelangt, das den Spektrometer-Vorsatz passiert hat. the same light incidence direction, have reached in the first camera from the object light coming, and only passes light in the second camera, which has passed through the spectrometer header.
  • [0059] [0059]
    6 6 die Prinzipdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels, bestehend aus einem Smartphone mit einer Kamera und einem externen Spektrometer, wobei in die Kamera und in das Spektrometer jeweils direkt vom Objekt kommendes Licht gelangt, the schematic diagram of a sixth embodiment comprising a smart phone with a camera and an external spectrometer, wherein entering the camera and into the spectrometer respectively directly from the object light coming,
  • [0060] [0060]
    7 7 die Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels, bestehend aus einem Smartphone mit einer Kamera und einem integrierten Spektrometer, wobei in die Kamera und in das Spektrometer jeweils direkt vom Objekt kommendes Licht gelangt. the schematic representation of a further embodiment consisting of a smart phone with a camera and an integrated spectrometer, in which passes light coming directly from each object in the camera and in the spectrometer.
  • [0061] [0061]
    1 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optoelektronischen Systems. shows the basic structure of a first embodiment of the optoelectronic system of the invention. Ein mehrkanaliges Prismen-Spektrometer, ausgebildet in Form eines Spektrometer-Vorsatzes A multi-channel spectrometer prism, in the form of a spectrometer intent 1 1 , verfügt hier beispielhaft über drei Kanäle , Has here, for example through three channels 2 2 , . 3 3 und and 4 4 , mit denen gleichzeitig drei verschiedene Spektren des von einem Objekt With which at the same time three different spectra of an object by 11 11 kommenden Messlichtstrahles coming measuring light beam 5 5 gemessen werden können. can be measured. Das Spektrometer umfasst im Wesentlichen, den einzelnen Kanälen zugeordnet, Lichtspalten S2, S3 und S4, Linsengruppen mit Kollimatorfunktion L1.2, L1.3 und L1.4, Linsengruppen L2.2, L2.3 und L2.4 mit Teleskopfunktion sowie ein Prisma P als dispersives optisches Element. The spectrometer substantially comprises, as allocated to the individual channels, light columns S2, S3 and S4, the lens groups with collimator function L1.2, L1.3 and L1.4, L2.2 lens groups, L2.3 and L2.4 with telescopic function, as well as a prism P as a dispersive optical element.
  • [0062] [0062]
    In In 1a 1a , einer Draufsicht auf die genannten und symbolisch angedeuteten Funktionselemente des Spektrometers, sind die in der Zeichenebene nebeneinander liegenden Kanäle , A top view of the above and indicated symbolically functional elements of the spectrometer, are juxtaposed in the plane of the channels 2 2 , . 3 3 , . 4 4 erkennbar. recognizable. 1b 1b zeigt dieselbe Darstellung in einer Seitenansicht, in welcher die Kanäle shows the same representation in a side view in which the channels 2 2 , . 3 3 , . 4 4 , einander verdeckend, hintereinander liegen. Each other obscuring, lie one behind the other.
  • [0063] [0063]
    Beim Betreiben dieser Anordnung tritt das Messlicht gleichzeitig in die Lichtspalten S2, S3, S4 ein, durchläuft die Kanäle When operating this arrangement, the measurement light enters the light simultaneously in column S2, S3, S4, passes through the channels 2 2 , . 3 3 , . 4 4 , tritt über eine Schnittstelle Occurs via an interface 5 5 aus dem Spektrometer-Vorsatz from the spectrometer attachment 1 1 aus und nachfolgend in eine Kamera ein, die beispielsweise im Wesentlichen ein Objektiv O, eine Zoomoptik Z und einen ortsauflösenden Bildsensor B aufweist. and subsequently into a camera, for example, essentially comprises an objective O, a zoom lens Z and a spatially resolving image sensor B. Die Kamera ist vorzugsweise Bestandteil eines Smartphones The camera is preferably part of a smartphone 6 6 . ,
  • [0064] [0064]
    Unter dem Begriff Smartphone sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Geräte zu verstehen, welche die Funktionen und Funktionsbaugruppen eines Mobiltelefons mit einem PDA (Personal Digital Assistant) kombinieren. The term smart phone devices are to be understood that combine the features and functional modules of a mobile phone with a PDA (personal digital assistant) for the purposes of the present invention. Sie sind mit mindestens einer Digitalkamera, GPS- und WLAN-Empfänger und interner Energieversorgungsquelle ausgerüstet und weisen neben dem Prozessor mehrere Datenspeicher auf, beispielsweise einen sehr schnellen, aber flüchtigen Hauptspeicher (RAM), einen nichtflüchtigen NAND-Flash-Speicher für Betriebssystem und Programme, und optional Wechseldatenträger, zB in Form von Massenspeichern. They are equipped with at least one digital camera, GPS and wireless receiver and an internal power source and have, in addition to the processor more data storage on, for example, a very fast but volatile main memory (RAM), a non-volatile NAND flash memory for operating system and programs, and optional removable media, eg in the form of mass storage. Zusätzlich zum Betriebssystem kann der Nutzer Applikationsprogramme installieren. In addition to the operating system, the user can install application programs. Die Synchronisation der Daten mit externen Datenspeichern und Datenverarbeitungseinrichtungen ist möglich. The synchronization of data with external data storage and data processing devices is possible.
  • [0065] [0065]
    In die Kamera des Smartphones In the camera of the smartphone 6 6 gelangt in diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Systems als Messlicht ausschließlich das von dem Objekt enters this embodiment of the optoelectronic system of the invention as a measuring light solely from the object 11 11 kommende Licht, das den Spektrometer-Vorsatz coming light that the spectrometer attachment 1 1 passiert hat. has passed. Die Bilderzeugung und die Spektralanalyse werden zeitlich unmittelbar aufeinander folgend vorgenommen. The imaging and spectral analysis are performed in immediate chronological succession. Dagegen erfolgt die Spektralanalyse bzw. die Messung der drei verschiedenen Spektren gleichzeitig unter Inanspruchnahme dreier verschiedener Bereiche B1, B2 und B3 des Bildsensors B. Alternativ ist die Erfassung der verschiedenen Spektren mit gesonderten Sensoren möglich und liegt im Rahmen der Erfindung. In contrast, spectral analysis or the measurement of the three different spectra are simultaneously use three different regions B1, B2 and B3 of the image sensor B. Alternatively, the detection of the different spectra with separate sensors is possible and within the scope of the invention.
  • [0066] [0066]
    2 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Systems, bestehend aus einem zweikanaligen Spektrometer-Vorsatz shows an embodiment of the optoelectronic system of the invention, comprising a dual-channel spectrometer intent 1 1 und einem Smartphone and a smartphone 6 6 . , Außerdem weist das Smartphone In addition, the smartphone 6 6 zwei Kameras two cameras 7 7 und and 8 8th auf. on. Die Kameras the cameras 7 7 , . 8 8th haben um 180 Grad zu einander versetzte und damit entgegengesetzte Lichteinfallsrichtungen. have 180 degrees shifted to each other and so that opposite directions of incidence of light. Beide Kameras both cameras 7 7 , . 8 8th sind kommerziell mit den zur Erzeugung statischer oder bewegter Bilder einer Szene oder eines einzelnen Objektes erforderlichen optischen Bauelementen und Strahlengängen ausgestattet. are commercially provided with the necessary for the generation of static or moving images of a scene or a single object optical components and optical paths. Des Weiteren ist das erfindungsgemäße optoelektronische System in diesem Ausführungsbeispiel mit einer internen Lichtquelle Further, the optoelectronic system of the invention in this embodiment with an internal light source 9 9 ausgestattet. fitted.
  • [0067] [0067]
    Der Kamera The camera 7 7 ist der Spektrometer-Vorsatz the spectrometer attachment 1 1 vorgeordnet, die Kamera upstream, the camera 8 8th wird zur Bilderzeugung genutzt. is used for imaging. Das von der Lichtquelle The from the light source 9 9 kommende Licht ist über einen ersten Strahlenverlauf light coming via a first beam path 10 10 als Beleuchtungslicht auf ein abzubildendes und spektral zu analysierendes Objekt as illumination light to an imaged and spectrally object to be analyzed 11 11 und zugleich über einen zweiten Strahlenverlauf and at the same time via a second beam path 12 12 als Referenzlicht mittels Spiegel as the reference light by means of mirrors 13 13 in den Spektrometer-Vorsatz in the spectrometer attachment 1 1 und diesem nachfolgend in die Kamera and this subsequently in the camera 7 7 gerichtet. directed. Das vom Objekt From the object 11 11 kommende Licht gelangt als Messlicht über einen Strahlenverlauf light coming arrives as a measuring light via a beam path 14 14 in den Spektrometer-Vorsatz in the spectrometer attachment 1 1 und zugleich als Abbildungslicht über einen Strahlenverlauf and at the same time as the imaging light via a beam path 15 15 , beispielsweise mittels Spiegeln , For example by means of mirrors 16 16 und and 17 17 umgelenkt, in die zweite Kamera deflected in the second camera 8 8th . , Die Bilderzeugung und die Spektralanalyse sind gleichzeitig vorgesehen. The imaging and spectral analysis are also provided.
  • [0068] [0068]
    Das optoelektronische System in einem Ausführungsbeispiel nach The optoelectronic system in an embodiment of 3 3 besteht aus einem Spektrometer-Vorsatz consists of a spectrometer intent 1 1 und einem Smartphone and a smartphone 6 6 mit einer Kamera with a camera 7 7 . , Zur Beleuchtung des Objektes For illuminating the object 11 11 wird Umgebungslicht genutzt. Ambient light is used. Das vom Objekt From the object 11 11 kommende Messlicht gelangt über einen Strahlenverlauf coming measuring light passes through an optical path 18 18 in den Spektrometer-Vorsatz in the spectrometer attachment 1 1 und nachfolgend in die Kamera and subsequently in the camera 7 7 und zugleich als Abbildungslicht über einen Strahlenverlauf and at the same time as the imaging light via a beam path 19 19 direkt in die Kamera directly into the camera 7 7 . , Hierbei verlaufen die Strahlengänge zur Spektralanalyse und die Strahlengänge zur Bilderzeugung getrennt, und die Bilderzeugung und die Spektralanalyse werden gleichzeitig mittels eines flächigen Bildsensors vorgenommen. Here, the beam paths run for spectral analysis and the separated beam paths for imaging, and the imaging and spectral analysis are carried out simultaneously by means of a two-dimensional image sensor. Das in die Abbildungsoptik eintretende Licht ist innerhalb des Smartphones getrennt oder gemeinsam auf den Bildsensor gerichtet. The light entering the imaging optics is separated within the smartphones or directed jointly to the image sensor.
  • [0069] [0069]
    4 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einem Smartphone shows another embodiment in connection with a smartphone 6 6 , das wiederum zwei Kameras Which in turn two cameras 7 7 und and 8 8th mit entgegengesetzten Lichteinfallsrichtungen aufweist. having opposite directions of incidence of light. Der Kamera The camera 7 7 ist ein erster Spektrometer-Vorsatz is a first spectrometer intent 1 1 vorgeordnet, der zur Spektralanalyse dient, während der Kamera upstream, which is used for the spectral analysis, while the camera 8 8th ein zweiter Spektrometer-Vorsatz a second spectrometer intent 20 20 vorgeordnet ist, der zur Referenzierung des Beleuchtungslichtes genutzt wird. is arranged upstream, which is used to reference the illumination light. Zur Beleuchtung des spektral zu analysierenden Objektes To illuminate the object to be analyzed spectrally 11 11 ist eine natürliche oder künstliche Lichtquelle is a natural or artificial light source 21 21 vorgesehen. intended.
  • [0070] [0070]
    Das Beleuchtungslicht ist über einen Strahlenverlauf The illumination light is a beam path 22 22 durch den Spektrometer-Vorsatz by the spectrometer attachment 20 20 in die Kamera in Camera 8 8th und zugleich über einen Strahlenverlauf and at the same time via a beam path 23 23 auf das Objekt to the object 11 11 gerichtet. directed. Das vom Objekt From the object 11 11 kommende Messlicht ist, vergleichbar zu coming measuring light is to be compared 3 3 , über einen Strahlenverlauf , A beam path 18 18 durch den Spektrometer-Vorsatz by the spectrometer attachment 1 1 hindurch in die erste Kamera therethrough in the first camera 7 7 und zugleich über einen Strahlenverlauf and at the same time via a beam path 19 19 direkt in die Kamera directly into the camera 7 7 gerichtet. directed. Die Strahlengänge zur Spektralanalyse und die Strahlengänge zur Bilderzeugung verlaufen getrennt, die Bilderzeugung und die Spektralanalyse werden gleichzeitig mittels eines flächigen Bildsensors vorgenommen, von dem zur Spektralanalyse und zur Bilderzeugung gesonderte Flächenabschnitte genutzt werden. The beam paths for spectral analysis and the beam paths run separately for image formation, the image forming and the spectrum analysis are carried out simultaneously by means of a two-dimensional image sensor are used by the spectral analysis and for imaging separate surface sections.
  • [0071] [0071]
    Die Prinzipdarstellung des optoelektronischen Systems nach The schematic diagram of the opto-electronic system for 5 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Smartphone shows a further embodiment with a smartphone 6 6 , das zwei Kameras , The two cameras 7 7 und and 8 8th aufweist. having. Beide Kameras both cameras 7 7 , . 8 8th haben hier – anders als in den Beispielen nach have here - unlike in the examples 2 2 und and 4 4 – keine entgegengesetzten Lichteinfallsrichtungen. - no opposite light incident directions. Zur Beleuchtung des Objektes For illuminating the object 11 11 wird Umgebungslicht genutzt. Ambient light is used. Das vom Objekt From the object 11 11 kommende Messlicht ist über einen Strahlenverlauf coming measuring light is a beam path 18 18 durch den Spektrometer-Vorsatz by the spectrometer attachment 1 1 in die erste Kamera in the first camera 7 7 und zugleich über einen Strahlenverlauf and at the same time via a beam path 19 19 in die zweite Kamera in the second camera 8 8th gerichtet. directed. Die Strahlengänge zur Spektralanalyse und die Strahlengänge zur Bilderzeugung verlaufen getrennt, und die Bilderzeugung und die Spektralanalyse erfolgen gleichzeitig mittels eines flächigen Bildsensors oder zweier flächiger Bildsensoren. The beam paths for spectral analysis and the beam paths run separately for imaging, and the imaging and spectral analysis carried out simultaneously by means of a two-dimensional image sensor or two flat image sensors. Im Falle der Verwendung eines Bildsensors werden gesonderte Flächenabschnitte zur Spektralanalyse und zur Bilderzeugung genutzt. In the case of using an image sensor, different surface portions for spectral analysis and imaging are used. Werden zwei Bildsensoren verwendet, dient einer davon der Spektralanalyse, der zweite der Bilderzeugung. When two image sensors are used, one of which is the spectral analysis, the second image formation.
  • [0072] [0072]
    Aus Out 6 6 geht ein Ausführungsbeispiel hervor, bei dem das erfindungsgemäße optoelektronische System aus einem Smartphone shows an embodiment, wherein the opto-electronic system of the invention from a Smartphone 6 6 mit einer Kamera with a camera 7 7 und einem externen Spektrometer and an external spectrometer 24 24 gebildet ist. is formed. Zur Beleuchtung des Objektes For illuminating the object 11 11 ist eine künstliche Lichtquelle is an artificial light source 25 25 vorgesehen. intended. Das Beleuchtungslicht ist über einen Strahlenverlauf The illumination light is a beam path 26 26 auf das Objekt to the object 11 11 gerichtet. directed. Über einen Strahlenverlauf A beam path 18 18 gelangt vom Objekt kommendes Licht in das Spektrometer passes from the object light coming into the spectrometer 24 24 , über einen Strahlenverlauf , A beam path 19 19 gelangt vom Objekt kommendes Licht in die Kamera passes from the object light coming into the camera 7 7 . , die Ankopplung des Spektrometers the coupling of the spectrometer 24 24 an das Smartphone to the smartphone 6 6 erfolgt über Kabel via cable 27 27 . ,
  • [0073] [0073]
    7 7 zeigt die Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels, hier bestehend aus einem Smartphone shows the basic diagram of a further embodiment consisting here of a Smartphone 6 6 mit einer Kamera with a camera 7 7 und einem integrierten Spektrometer and an integrated spectrometer 28 28 . , Über den Strahlenverlauf About the optical path 18 18 gelangt vom Objekt kommendes Licht in das Spektrometer passes from the object light coming into the spectrometer 28 28 , über den Strahlenverlauf Through the beam path 19 19 gelangt vom Objekt kommendes Licht in die Kamera passes from the object light coming into the camera 7 7 . , Die Strahlengänge zur Spektralanalyse und die Strahlengänge zur Bilderzeugung verlaufen getrennt, und die Bilderzeugung und die Spektralanalyse erfolgen gleichzeitig mittels eines flächigen Bildsensors oder zweier flächiger Bildsensoren. The beam paths for spectral analysis and the beam paths run separately for imaging, and the imaging and spectral analysis carried out simultaneously by means of a two-dimensional image sensor or two flat image sensors. Im Falle der Verwendung eines Bildsensors werden gesonderte Flächenabschnitte zur Spektralanalyse und zur Bilderzeugung genutzt. In the case of using an image sensor, different surface portions for spectral analysis and imaging are used. Werden zwei Bildsensoren verwendet, dient einer davon der Spektralanalyse, der zweite der Bilderzeugung. When two image sensors are used, one of which is the spectral analysis, the second image formation.
  • [0074] [0074]
    In allen Ausführungsformen beträgt das Gewicht des erfindungsgemäßen optoelektronischen Systems maximal 1 kg, so dass auch diesbezüglich die Bedingungen eines Handgerätes erfüllt sind. In all embodiments, the weight of the optoelectronic system of the invention is a maximum of 1 kg so that in this respect the conditions of a handheld device are met.
  • [0075] [0075]
    Die Verwendung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Systems erfolgt zB zum Zweck der Farbbestimmung im Zusammenhang mit The use of opto-electronic system according to the invention is carried out, for example, with the purpose of color determination in connection
    • – Farbsensoren für Monitore, Drucktechnik, Video- bzw. Digitalprojektoren zur Korrektur der Farbwerte, oder - Color sensors for monitors, printing, video and digital projectors to correct the color values, or
    • – Farbsensoren für Bauanwendungen zur Farbermittlung von Flächen, Objekten, usw. und nachfolgenden kontrollierten Farbabstimmungen bei diverser Applikationen. - Color sensors for building applications for color determination of surfaces, objects, etc., and subsequent controlled color schemes in various applications.
  • [0076] [0076]
    Die ermittelten Daten werden weiterhin genutzt zur Inhaltsstoffbestimmung im Zusammenhang mit The data obtained are still used for nutritional analysis in the context of
    • – Pulsoxymetern auf Reflexionsbasis, - pulse oximeters on reflection basis
    • – Photometern für Point-Of-Care(POC)-Anwendungen, - photometers for point-of-care (POC) applications,
    • – nasschemische Kopplung zu Photometern, - wet chemical coupling to photometers
    • – forensische Anwendungen, - forensic applications,
    • – fernoptischen Erkundungen in Kopplung mit Spektralmessungen, - long-range optical investigations in connection with spectral measurements,
    • – mikrooptische Beobachtungen in Verbindung mit Spektralmessung, - micro-optical observations in conjunction with spectral measurement,
    • – militärischen Anwendungen, zB Sichtbarmachung von Kampfstoffen, Tarnungen usw., - military applications, such as visualization of warfare agents, disguises, etc.
    • – Erfassung von Lebensmittelinformationen bezüglich Sicherheit, Zustand, Nährwert usw., - Detection of food information regarding safety, condition, nutritional value, etc.
    • – agrarwissenschaftlichen Anwendungen wie Chlorophyllbestimmung, Pflanzenzustand, Bonitur, Bodeninformationen usw., wobei sich aus den Reflexionseigenschaften von Vegetation und Bodenformationen zB Aussagen über Vegetationsindizes und den Gesundheitsstatus der Pflanzen ableiten lassen, - agronomic applications such as chlorophyll determination, plant condition scoring, soil information, etc., which can be derived from the reflection properties of vegetation and soil formations such as statements about vegetation indices and the health status of the plants,
    • – Hautschutzmeldern zwecks Warnung bei gesundheits-schädigender UV-Einstrahlung anstelle der bekannten Systeme auf Basis von Intensitätsmessungen. - skin protection detectors for the purpose of warning health-damaging UV radiation instead of the known systems based on intensity measurements. Das Spektrometer basierte Messsystem wird zur Unterscheidung der UV-A, UV-B und UV-C Anteile und zur getrennten Auswertung der Einzel- und Summensignale über den Zeitverlauf genutzt, The spectrometer based measurement system is used to distinguish the UV-A, UV-B and UV-C shares and for the separate evaluation of the individual and sum signals over time,
    • – Thermografiemeldern, auch verbunden mit Thermometer-Applikationen, - Thermal detectors, also connected with thermometer applications
    • – Brand- und Rauchmeldern, wobei die Flammen aufgrund ihrer charakteristischen Frequenz und spektralen Strahlung detektiert werden. - fire and smoke detectors, the flame can be detected due to their characteristic frequency and spectral radiation. Brandgase werden durch den Vergleich eines Bildes oder Spektrums ohne und desselben Bildes mit Rauch erkannt. Combustion gases are detected by the comparison of an image or spectrum without the same image with smoke. Dies kann auch im NIR-Bereich erfolgen, um den Nutzer nicht zu beinträchtigen. This can also be done in the NIR range so as not to affect the user. Die Alarmmeldung erfolgt vorzugsweise vor Ort akustisch oder über Funk. The alarm message is preferably carried out on site acoustically or by radio.
  • [0077] [0077]
    Wesentlicher Bestandteil des Erfindungsgedankens ist dabei die Verknüpfung mit Metadaten wie Zeit, Ort, Blickwinkel, der hohe Grad an Mobilität sowie die Kopplung in der Rückmeldung als Augmented-Reality-System. is integral part of the inventive concept, the link with metadata, such as time, location, viewing angle, the high degree of mobility, and the coupling in the feedback as augmented reality system.
  • [0078] [0078]
    Eine besonders vorteilhafte Anwendung besteht in der Zielführung des Nutzers bei der Suche nach Objekten mit bestimmten Spektraleigenschaften innerhalb beliebiger Szenen. A particularly advantageous application is the guidance of the user in the search for objects with specific spectral characteristics within any scenes.
  • Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • 1 1
    Spektrometer-Vorsatz Spectrometer intent
    2 2
    Kanal channel
    3 3
    Kanal channel
    4 4
    Kanal channel
    5 5
    Schnittstelle interface
    6 6
    Smartphone Smartphone
    7 7
    Kamera camera
    8 8th
    Kamera camera
    9 9
    Lichtquelle light source
    10 10
    Strahlenverlauf ray tracing
    11 11
    Objekt object
    12 12
    Strahlenverlauf ray tracing
    13 13
    Spiegel mirror
    14 14
    Strahlenverlauf ray tracing
    15 15
    Strahlenverlauf ray tracing
    16 16
    Spiegel mirror
    17 17
    Spiegel mirror
    18 18
    Strahlenverlauf ray tracing
    19 19
    Strahlenverlauf ray tracing
    20 20
    Spektrometer-Vorsatz Spectrometer intent
    21 21
    Lichtquelle light source
    22 22
    Strahlenverlauf ray tracing
    23 23
    Strahlenverlauf ray tracing
    24 24
    externes Spektrometer external spectrometer
    25 25
    Lichtquelle light source
    26 26
    Strahlenverlauf ray tracing
    27 27
    Kabel Electric wire
    28 28
    internes Spektrometer internal spectrometer
    B2, B3, B4 B2, B3, B4
    Bereiche auf Bildsensor Areas on the image sensor
    L1.2, L1.3 L1.4 L1.2, L1.3 L1.4
    Linsengruppen lens groups
    L2.2, L2.3; L2.2, L2.3; L2.4 L2.4
    Linsengruppen lens groups
    O O
    Objektiv lens
    P P
    Prisma prism
    S2, S3, S4 S2, S3, S4
    Lichtspalte light column
    Z Z
    Zoomoptik zoom optics
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
  • [0079] [0079]
    Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. This list of references cited by the applicant is generated automatically and is included solely to inform the reader. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. The list is not part of the German patent or utility model application. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen. The DPMA is not liable for any errors or omissions.
  • Zitierte Patentliteratur Cited patent literature
  • [0080] [0080]
    • US 2010/0309454 A1 [0004] US 2010/0309454 A1 [0004]
    • DE 19528855 A1 [0045] DE 19528855 A1 [0045]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur Cited non-patent literature
  • [0081] [0081]
    • „Cell-Phone-Based Platform for Biomedical Device Development and Education Applications; "Cell-Phone-Based Platform for Biomedical Device Development and Education Applications; Zachary J. Smith at all; Zachary J. Smith at all; Center for Biophotonics Science and Technology, University of California Davis, Sacramento, California, USA [0002] Center for Biophotonics Science and Technology, University of California Davis, Sacramento, California, USA [0002]

Claims (21)

  1. Miniaturisiertes optoelektronisches System, umfassend – optische Bauelemente und Strahlengänge zur Erzeugung statischer oder bewegter Bilder einer Szene oder eines einzelnen Objektes ( Miniaturized optoelectronic system comprising - optical components and optical paths for the generation of static or moving images of a scene or a single object ( 11 11 ), – optische Bauelemente und Strahlengänge zur Bestimmung der Spektraleigenschaften eines oder mehrerer in der Szene enthaltener Objekte ( ), - optical components and optical paths for the determination of the spectral characteristics of one or more contained objects in the scene ( 11 11 ) oder des einzelnen Objektes ( ) Or the individual object ( 11 11 ), – mindestens einen Bildsensor als optoelektronischen Wandler, – elektronische Bauelemente, ausgebildet zur Verarbeitung der Ausgangssignale des Bildsensors, – eine Informationsausgabeeinheit zur Ergebnisdarstellung in Zuordnung zu den Objekten ( ) - (information output unit for display of results in assignment to the object - at least one image sensor as an optoelectronic converter, - electronic components, designed to process the output signals of the image sensor, 11 11 ), und – Mittel zur Stromversorgung der elektronischen Bauelementen – wobei eine Ausführung des Systems in Form eines Handgerätes vorgesehen ist. ), And - means for power supply of the electronic components - wherein an embodiment of the system is provided in the form of a handset.
  2. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 1, bei dem – die Bilderzeugung und die Spektralanalyse gleichzeitig oder zeitlich aufeinander folgend vorgesehen sind, wobei – die jeweiligen Strahlengänge getrennt oder gemeinsam verlaufen. Miniaturized optoelectronic system of claim 1, in which: - are provided simultaneously or sequentially imaging and spectral analysis, wherein - the respective beam paths run separately or together.
  3. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Mittel zur Bestimmung der Spektraleigenschaften als Mehrkanalspektrometer ausgebildet sind, vorzugsweise zur Ermittlung von Spektren simultan für mehrere Wellenlängen des Mess- und / oder Beleuchtungslichtes gleichzeitig mit der Bilderzeugung. Miniaturized optoelectronic system of claim 1 or 2, wherein said means are adapted for determining the spectral characteristics as a multi-channel spectrometer, preferably for the determination of spectra simultaneously for a plurality of wavelengths of the measurement and / or the illumination light simultaneously with the image formation.
  4. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 3, – ausgestattet mit einem hyperspektralen Mehrkanalspektrometer, und – ausgebildet zur Analyse der mit bis zu 250 unterschiedlichen Farbkanälen im Wellenlängenbereich von ultraviolett bis zum langwelligen Infrarot gewonnenen Bilddaten, – wobei die Verwendung eines den Wellenlängenbereich erfassenden Silizium basierten Bildsensors und / oder die Verwendung mehrerer monochromatischer, einen vorgegebenen Wellenlängenbereich erfassender Einzelsensoren vorgesehen ist. Miniaturized optoelectronic system of claim 3 - provided with a hyperspectral multi-channel spectrometer, and - adapted to analyze the image data obtained with up to 250 different color channels in the wavelength range from ultraviolet to long wave infrared, - the use of the wavelength range detected silicon-based image sensor and / or the use of multiple monochromatic, a predetermined wavelength range, detecting the individual sensors is provided.
  5. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 4, bei dem – die Erzeugung zwei- oder dreidimensionaler Bilder der Szene oder des Objektes ( Miniaturized opto-electronic system according to claim 4, wherein - the generation of two- or three-dimensional images of the scene or object ( 11 11 ), und – die Ermittlung der Spektren bezogen auf eine oder mehrere einzelne Linien, auf die Fläche oder auf das Volumen des jeweiligen Objektes ( ), And - the determination of the spectra based on one or more individual lines, on the surface or on the volume of the respective object ( 11 11 ) vorgesehen ist. ) is provided.
  6. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 5, bei dem die Erzeugung dreidimensionaler Bilder auf Basis des TOF = Time Of Flight-Prinzips vorgesehen ist. Miniaturized optoelectronic system of claim 5, wherein the generation of three-dimensional images is provided based on the TOF = time of flight principle.
  7. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Mittel zur Bilderzeugung und zur Spektralanalyse – innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses untergebracht sind, oder – in separaten Baugruppen untergebracht und über Schnittstellen miteinander gekoppelt sind, wobei den Mitteln zur Bilderzeugung eine dispersive Optik, vorzugsweise ein optisches Gitter ( Miniaturized opto-electronic system according to one of the preceding claims, wherein the means for imaging and spectral analysis - are housed within a common housing, or - housed in separate modules and are coupled to one another via interfaces, wherein the means for imaging a dispersive optics, preferably a optical grating ( 5 5 ), Prisma oder Filter, vorgeordnet ist. ), Prism or filter, is arranged in front.
  8. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 7, – ausgebildet zur Nutzung des natürlichen Lichtes als Beleuchtungs- und Messlicht, oder – ausgestattet mit einer künstlichen Quelle für Beleuchtungs- und Messlicht, wobei – zur Einkopplung des Messlichtes in die Strahlengänge zur Bestimmung der Spektraleigenschaften Freistrahloptiken oder Lichtwellenleiter vorhanden sind. Miniaturized opto-electronic system according to claim 7, - designed for the use of natural light as illumination and measurement light, or - equipped with an artificial source of illumination and measurement light, wherein - available for coupling of the measuring light in the beam paths for determining the spectral free-beam optics or fiber optics are.
  9. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 8, mit einer Fluoreszenz anregendes Licht abstrahlenden Lichtquelle. Miniaturized optoelectronic system of claim 8, radiating with a fluorescence exciting light the light source.
  10. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die künstlichen Lichtquellen mit einer Ansteuerschaltung zur Beeinflussung der Strahlungsintensität, der Wellenlänge und / oder der Polarisation des abgestrahlten Lichtes verbunden sind. Miniaturized optoelectronic system of claim 8 or 9, wherein the artificial light sources with a control circuit for influencing the radiation intensity, the wavelength and / or polarization of the emitted light are connected.
  11. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit Mitteln zum Generieren von Anweisungen zum Handeln für den Nutzer – im Ergebnis der Auswertung der ermittelten Spektraleigenschaften, oder – im Ergebnis zusätzlicher Verknüpfung dieser Auswerteergebnisse mit weiteren, die Szenen und Objekte ( Miniaturized optoelectronic system according to any one of the preceding claims, provided with means for generating instructions for action to the user - as a result of the evaluation of the spectral characteristics determined, or - as a result of additional linking these evaluation results with further objects and scenes ( 11 11 ) betreffenden Informationen. ) Relevant information.
  12. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 11, ausgestattet mit Mitteln zur Zielführung des Nutzers bei der Suche nach Objekten ( Miniaturized optoelectronic system according to claim 11, provided with means for guidance of the user in searching for objects ( 11 11 ) mit bestimmten Spektraleigenschaften innerhalb beliebiger Szenen. ) With certain spectral properties within any scenes.
  13. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit Mitteln zur drahtlosen Einbindung in ein Kommunikationsnetzwerk, insbesondere ausgebildet zur Bild- und Ton-Übertragung, zur Übertragung von Messergebnissen in externe Datenspeicher und / oder zum Abrufen von Informationen aus externen Datenspeichern, vorzugsweise von Referenzwerten für Kalibrierungen mindestens der optischen Mittel zur Bilderzeugung oder zur Spektralanalyse. Miniaturized opto-electronic system according to one of the preceding claims, provided with means for wireless connection to a communication network, especially designed for video and audio transmission, the transmission of measurement results in external data memory and / or to retrieve information from external data storage, preferably of reference values for calibrations at least the optical imaging agent or spectral analysis.
  14. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 13, bei dem die Kalibrierung der Intensität und / oder der Wellenlänge des Beleuchtungs- und / oder Messlichtes vorgesehen ist. Miniaturized optoelectronic system of claim 13, wherein the calibration of the intensity and / or wavelength of the illumination and / or measuring light is provided.
  15. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Informationsausgabeeinheit ein LED- oder OLED-Display aufweist. Miniaturized optoelectronic system according to any one of the preceding claims, wherein the information output unit comprises a LED or OLED display.
  16. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Mittel zur Bilderzeugung als Lichtfeldkamerasystem ausgebildet sind und sowohl die Erfassung der Position und Intensität des auf den Bildsensor einfallenden Lichtes als auch die Erfassung der Einfallsrichtung vorgesehen ist. Miniaturized optoelectronic system according to any one of the preceding claims, wherein the means are designed for image generation as a light field camera system, and both the detection of the position and intensity of light incident on the image sensor light and the detection of the direction of incidence is provided.
  17. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem eine gepulste Beleuchtungs- bzw. Messlichtquelle vorgesehen und die Sequenz bei der Aufnahme bewegter Bilder mit der Einschaltfrequenz der Lichtquelle synchronisiert ist. Miniaturized optoelectronic system is synchronized to one of the preceding claims, in which provided a pulsed illumination and measurement light source and the sequence in the recording of moving images with the switch-on of the light source.
  18. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem der Bildsensor mit einer Ansteuerung zum temporären Zusammenfassen benachbarter Pixel zu Pixelblöcken verbunden ist, um eine höhere Lichtempfindlichkeit zu erreichen. Miniaturized optoelectronic system according to any one of the preceding claims, wherein the image sensor with a drive is connected to the temporary grouping of adjacent pixel to pixel blocks in order to achieve a higher sensitivity to light.
  19. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit Beschleunigungssensor, Gyroskop, Neigungsmesser und ausgebildet zur Einbindung in das Global Positioning System (GPS). Miniaturized optoelectronic system according to any one of the preceding claims, equipped with acceleration sensor, gyroscope, inclinometers and is designed for integration into the Global Positioning System (GPS).
  20. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach Anspruch 19, bei dem die Bestimmung des Einfallswinkels des Mess- bzw. Beleuchtungslichtes auf ein abzubildendes Objekt ( Miniaturized optoelectronic system of claim 19, wherein the determination of the angle of incidence of the measuring and illumination light (on an object being imaged 11 11 ) in Relation zur optischen Achse der Abbildungsoptik mittels GPS und Neigungsmesser vorgesehen ist. ) Is provided in relation to the optical axis of the imaging optical system by means of GPS and inclinometers.
  21. Miniaturisiertes optoelektronisches System nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgebildet zur Klassifizierung von abgebildeten Objekten ( Miniaturized optoelectronic system according to any one of the preceding claims, designed for the classification of imaged objects ( 11 11 ) anhand ihrer spektralen Eigenschaften. ) Based on their spectral properties.
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