DE102011086226B3

DE102011086226B3 - Aufnahme eines spektral aufgelösten Bildes durch Auslesen von verschiedenen Teil-Arrays in mehreren Interferometer-Durchläufen

Info

Publication number: DE102011086226B3
Application number: DE102011086226A
Authority: DE
Inventors: Roland Harig; Jörn-Hinnrich Gerhard
Original assignee: Bruker Optik GmbH
Current assignee: Bruker Optics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2031-11-12
Also published as: US9086319B2; CA2795026A1; CA2795026C; US20130120755A1

Abstract

Ein Verfahren zur Aufnahme (AU) eines spektral aufgelösten, zweidimensionalen Bildes mittels Fouriertransformations(=FT)-Spektroskopie, insbesondere Fouriertransformations-Infrarot(=FTIR)-Spektroskopie, wobei Licht (12) einem Interferometer (4) zugeführt und in zwei Teilstrahlen (14a, 14b) aufgespalten wird, wobei der optische Gangunterschied (OG) zwischen den beiden Teilstrahlen (14a, 14b) verändert wird und mehrfach einen identische Bereich (IB) durchläuft, und wobei das Licht (12) von einem zweidimensionalen Array-Detektor (5) detektiert wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass bei den mehreren Durchläufen (D1–D4) des optischen Gangunterschieds (OG) zwischen den beiden Teilstrahlen (14a, 14b) über den identischen Bereich (IB) verschiedene Teilmengen von Detektorelementen (22) des Array-Detektors (5) ausgelesen werden, und dass die Signale der ausgelesenen Detektorelemente (22) der mehreren Durchläufe (D1–D4) fouriertransformiert und zu dem spektral aufgelösten Bild zusammengesetzt werden. Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Aufnahme von zweidimensionalen, spektral aufgelösten Bildern zur Verfügung, bei dem der Einfluss von Vibrationen auf die Messung reduziert ist, und das durch die Bewegung von spektral aufzulösenden Objekten weniger beeinträchtigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme eines spektral aufgelösten, zweidimensionalen Bildes mittels Fouriertransformations(=FT)-Spektroskopie, insbesondere Fouriertransformations-Infrarot(=FTIR)-Spektroskopie, wobei Licht einem Interferometer zugeführt und in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird,
wobei der optische Gangunterschied zwischen den beiden Teilstrahlen verändert wird und mehrfach einen identischen Bereich durchläuft, und wobei das Licht von einem zweidimensionalen Array-Detektor detektiert wird.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 101 44 214 C1 bekannt geworden.
Bei der Fouriertransformations(=FT)-Spektroskopie wird Licht in zwei Teilstrahlen aufgespalten, ein Gangunterschied zwischen den Teilstrahlen aufgeprägt, und ein Detektor ausgelesen, auf den die überlagerten Teilstrahlen fallen. Die Handhabung der Teilstrahlen erfolgt in einem Interferometer, typischerweise mit einem halbdurchlässigen Strahlteiler und einem oder zwei beweglichen Reflektoren. Das Auslesen des Detektors wird für verschiedene Gangunterschiede wiederholt (wiederholtes Auslesen an sogenannten „Scanpunkten”).
Bei der Überlagerung der Teilstrahlen kommt es zu Interferenzen, die abhängig vom Gangunterschied und von der Frequenz des Lichts zu Auslöschung oder hohen Bestrahlungsstärken auf dem Detektor führen können. Die vom Gangunterschied abhängigen Intensitätsdaten des Detektors werden einer Fouriertransformation unterzogen, wodurch das Spektrum des Lichts erhalten wird.
FT-Spektroskopie kann zweidimensional ortsaufgelöst betrieben werden. In diesem Fall wird das Licht einer Szene (welche über ein Interferometer beleuchtet wird oder welche Licht in ein Interferometer emittiert) typischerweise auf einen zweidimensionalen Array-Detektor abgebildet. Für jedes Detektorelement des Array-Detektors kann dann durch Fourier-Transformation das Spektrum des dort auftreffenden Lichts ermittelt werden, wodurch ein spektral aufgelöstes, zweidimensionales Bild erhalten wird.
Für die Aufnahme eines einzelnen, spektral aufgelösten Bildes wird der optische Gangunterschied meist kontinuierlich verändert, während der Detektor wiederholt ausgelesen wird (sogenannter „Rapid Scan”). Hierzu wird in der Regel ein beweglicher Reflektor des Interferometers mit konstanter Geschwindigkeit motorisch verfahren.
Während die Belichtungszeit des Detektors für einen Scanpunkt relativ kurz ist (typischerweise um 100 μs), benötigt das Auslesen und Weiterverarbeiten der Daten der einzelnen Detektorelemente eine merkliche Zeit (typischerweise in der Größenordnung einer Millisekunde), wodurch sich ein zeitlicher Mindestabstand für das Auslesen von Scanpunkten ergibt. Wenn die bezüglich des optischen Gangunterschieds aufeinander folgenden Scanpunkte nacheinander ausgelesen werden sollen, so ergibt sich daraus eine Beschränkung der Geschwindigkeit, mit der der Reflektor verfahren werden kann, bzw. allgemeiner eine Beschränkung der Geschwindigkeit, mit der der optische Gangunterscheid verändert werden kann.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass ein Interferometer nicht gänzlich vor Vibrationen geschützt werden kann. Diese Vibrationen verfälschen den tatsächlichen Gangunterschied, verschlechtern die spektrale Auflösung der Bildaufnahme (im Zeitbereich „gespreizte” Interferogramme) und erschweren die Regelung des optischen Gangunterschieds (Spiegelbewegung). Die Vibrationen machen sich vor allem bei einer niedrigen Geschwindigkeit der Veränderung des Gangunterschieds bemerkbar, so dass eine hohe Geschwindigkeit der Veränderung des Gangunterschieds grundsätzlich zu bevorzugen ist.
In der DE 101 44 214 C1 wurde vorgeschlagen, die für eine Aufnahme eines spektral aufgelösten, zweidimensionalen Bildes notwendigen Scanpunkte über mehrere Durchläufe des optischen Gangunterschieds verteilt zu vermessen. In jedem Durchlauf wird nur ein Teil der notwendigen Scanpunkte ausgelesen, wobei jeweils ein oder mehrere Scanpunkte bezüglich der Reihenfolge des optischen Gangunterschieds übersprungen werden.
Durch dieses Vorgehen kann die Geschwindigkeit der Veränderung des optischen Gangunterschieds in den einzelnen Durchläufen hoch gehalten werden, und es kann eine gute spektrale Auflösung erreicht werden. Allerdings kann bei diesem Vorgehen zwischen dem Auslesen von Scanpunkten, die bezüglich des optischen Gangunterschieds aufeinander folgen, relativ viel Zeit vergehen, da sie in verschiedenen Durchläüfen vermessen werden. In dieser Zeit kann die Szene, von der das spektral aufgelöste Bild aufgenommen wird, sich merklich verändern; insbesondere können sich spektral aufzulösende Objekte bewegen. Dies führt dazu, dass die Detektorelemente während der Aufnahme der einzelnen Interferogramme jeweils Strahlung unterschiedlicher Objekte bzw. Objektteile empfangen, wodurch oftmals (bei zu starken Objektbewegungen) insgesamt keine sinnvolle spektrale Information mehr erhalten werden kann.
Es ist auch bekannt, zweidimensionale, spektral aufgelöste Bilder mit einem Einelementdetektor aufzunehmen, wobei das Gesichtsfeld des Systems mit Hilfe eines Spiegelsystems nach Aufnahme eines Interferogramms verändert wird, um so das Bild abzurastern („scannendes Spektrometer”).
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aufnahme von zweidimensionalen, spektral aufgelösten Bildern zur Verfügung zu stellen, bei dem der Einfluss von Vibrationen auf die Messung reduziert ist, und das durch die Bewegung von spektral aufzulösenden Objekten weniger beeinträchtigt wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass bei den mehreren Durchläufen des optischen Gangunterschieds zwischen den beiden Teilstrahlen über den identischen Bereich verschiedene Teilmengen von Detektorelementen des Array-Detektors ausgelesen werden, und dass die Signale der ausgelesenen Detektorelemente der mehreren Durchläufe fouriertransformiert und zu dem spektral aufgelösten Bild zusammengesetzt werden.
Der Gangunterschied wird gemäß der Erfindung in den mehreren Durchläufen typischerweise jeweils kontinuierlich über den identischen Bereich verändert („Rapid Scan”). Innerhalb eines Durchlaufs (Durchgangs) wird bei verschiedenen, vordefinierten Gangunterschieden (meist entsprechend bestimmten Orten eines beweglichen Reflektors entlang einer Wegstecke) bzw. Zeiten die jeweils für diesen Durchlauf ausgewählte Teilmenge von Detektorelementen ausgelesen (Auslesen an den „Scanpunkten”).
Die benötigte Zeitdauer zum Auslesen eines Scanpunkts (einschließlich Datenverarbeitung) wird durch die Erfindung über die Reduzierung der je Scanpunkt ausgelesenen Detektorelemente (verglichen mit dem Gesamtarray) verkürzt; die Geschwindigkeit der Veränderung des Gangunterschieds (meist entsprechend einer im Wesentlichen konstanten Verfahrgeschwindigkeit eines beweglichen Reflektors) kann dann entsprechend höher als bei Auslesen des Gesamtarrays an jedem Scanpunkt gewählt werden, wenn bei denselben Gangunterschieden innerhalb identischen Bereichs ausgelesen werden soll. Diese erhöhte Geschwindigkeit bei der Veränderung des Gangunterschieds reduziert den Einfluss von Vibrationen, die in gewissem Umfang unvermeidlich sind.
Die Zeitdauer zum Auslesen eines Scanpunkts liegt im Rahmen der Erfindung typischerweise um 0,1 ms bis 2,5 ms (entsprechend einer „Sample-Rate” von 400 Hz und 10 kHz). Für einen einmaligen Durchlauf des identischen Bereichs werden im Rahmen der Erfindung, abhängig von der gewählten spektralen Auflösung und der Faltungsgrenze, typischerweise ca. 100 ms bis 2000 ms benötigt.
Nachdem für die ausgewählte Teilmenge bzw. für die zugehörigen Detektorelemente alle vorgesehenen Gangunterschiede (typischerweise in einem einzigen Durchlauf) vermessen wurden, können aus den ausgelesenen Signalen vollständige Interferogramme jeweils für die einzelnen Detektorelemente der ausgewählten Teilmenge bestimmt werden; die Vermessung anderer Detektorelemente (in anderen Teilmengen) ist dafür nicht notwendig und braucht nicht abgewaret werden (Gleichwohl kann mit der Fouriertransformation gewartet werden, bis alle Durchläufe abgeschlossen sind und alle Detektorelemente ausgelesen wurden).
Die für die Interferogramme der einzelnen Detektorelemente („Pixel”) notwendigen Daten werden jeweils vollständig innerhalb relativ kurzer Zeit (typischerweise innerhalb eines Bruchteils der Dauer der Aufnahme des gesamten Bildes, mit dem Bruchteil entsprechend dem Anteil der Detektorelemente einer Teilmenge an allen Detektorelementen des Array-Detektors) ausgelesen, so dass Objektbewegungen vergleichsweise wenig schädlich für die einzelnen Spektren sind.
Für eine Aufnahme eines gesamten Bildes, also für alle Durchläufe, werden im Rahmen der Erfindung typischerweise 400 ms bis 30 s benötigt.
Eine in einem Durchlauf ausgelesene Teilmenge umfasst typischerweise zwischen 1/2 und 1/64 aller Detektorelemente des Array-Detektors (nicht zu dieser Teilmenge gehörende Detektorelemente werden in diesem Durchlauf nicht ausgelesen). Eine Teilmenge umfasst grundsätzlich mehrere Detektorelemente, bevorzugt wenigstens 256 Detektorelemente (etwa in 16 × 16-Anordnung), und besonders bevorzugt wenigstens 4096 Detektorelemente (etwa in 64 × 64-Anordnung). Der Array-Detektor umfasst insgesamt bevorzugt wenigstens 1024, besonders bevorzugt wenigstens 4096, ganz besonders bevorzugt wenigstens 16.384 Detektorelemente; beispielsweise können 128 × 128 oder 256 × 256 Detektorelemente eingesetzt werden. Im Allgemeinen sind quadratische Anordnungen der Detektorelemente für den Array-Detektor und/oder die Teilmengen bevorzugt; es können aber auch andere Anordnungen (etwa rechteckige oder an die zu beobachtende Szene/Probe angepasste Anordnungen) angewandt werden.
Der Array-Detektor bleibt während der mehreren Durchläufe relativ zur Abbildung der untersuchten Szene/Probe stationär („stationäres Gesichtsfeld” des Array-Detektors).
Bevorzugte Varianten der Erfindung
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden die Teilmengen jeweils ein zusammenhängendes, insbesondere rechteckiges Teil-Array von Detektorelementen des Array-Detektors. In diesem Fall werden für die Teil-Arrays auch bei Objektbewegungen relativ wenig verschmierte Teilbilder erhalten; unter Umständen passen die Teilbilder zeitlich nicht ganz zusammen; jedes Teilbild verfügt aber über eine gute Qualität. Alternativ können auch die Detektorelemente der Teil-Arrays jeweils gleichmäßig über das Gesamtarray verteilt sein.
Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung der obigen Variante, bei der das spektral aufgelöste Bild von Signalen aus nicht-überlappenden Teil-Arrays von Detektorelementen des Array-Detektors zusammengesetzt wird. Wenn die Teil-Arrays nicht überlappen, werden überflüssige Mehrfachauslesungen von Detektorelementen in verschiedenen Durchläufen vermieden, wodurch Aufnahmezeit gespart wird.
Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, die vorsieht, dass der optische Gangunterschied mittels eines oder mehrerer beweglicher Reflektoren verändert wird, und dass der oder die beweglichen Reflektoren im Rahmen der mehreren Durchläufe jeweils über eine identische Wegstrecke verfahren werden. Die Einstellung des optischen Gangunterschieds über einen beweglichen Reflektor ist besonders einfach. Alternativ kann der optische Gangunterschied auch beispielsweise über das Einschieben von Elementen mit hohem Brechungsindex, etwa Prismen, in den Strahlengang eines Teilstrahls erfolgen; dem Fachmann sind weitere Möglichkeiten geläufig.
Bei einer vorteilhaften Verfahrensvariante erfolgt in aufeinanderfolgenden Durchläufen die Veränderung des Gangunterschieds mit entgegengesetztem Vorzeichen. Falls der Gangunterschied mittels eines beweglichen Reflektors verändert wird, erfolgen die aufeinanderfolgenden Durchläufe über die identische Wegstrecke mit entgegengesetzter Bewegungsrichtung. In dieser Variante kann nach einem Durchlauf ohne ein Zurücksetzen der Vorrichtung zur Veränderung des optischen Gangunterschieds (etwa ohne das Zurücksetzen eines beweglichen Reflektors) mit dem nächsten Durchlauf begonnen werden.
Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der das spektral aufgelöste Bild von einer Szene aufgenommen wird, welche sich über die Dauer eines Durchlaufs nicht merklich, jedoch über die Dauer aller Durchläufe der Aufnahme merklich verändert. In diesem Fall kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch ein qualitativ gutes Bild aufgenommen werden, während im Stand der Technik nach DE 101 44 214 C1 merkliche Störungen auftreten. In dieser Variante bewegen sich typischerweise (spektral aufzulösende) Objekte der Szene während eines Durchlaufs um weniger als einen Pixel in der Detektorebene, jedoch über die Dauer aller Durchläufe um mehr als einen Pixel in der Detektorebene. In dieser Variante sollten alle vordefinierten Gangunterschiede (typischerweise Orte entlang der Wegstrecke eines beweglichen Reflektors) für ein Interferogramm während eines einzigen Durchlaufs ausgelesen werden.
Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der das spektral aufgelöste Bild aus den Signalen von mindestens zwei Teilmengen der Detektorelemente aus mindestens zwei Durchläufen zusammengesetzt wird und die Vereinigungsmenge der besagten mindestens zwei Teilmengen nicht der Menge aller vorhandenen Detektorelemente des Array-Detektors entspricht. Dadurch kann die Aufnahmezeit verkürzt werden; nicht relevante Bildanteile werden am Detektor nicht ausgelesen.
Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der das Verfahren zur Fernerkundung eingesetzt wird. Bei der Fernerkundung können beispielsweise gefährliche Substanzen aus sicherer Entfernung gut erkannt werden, etwa wenn die Substanz aus einem Leck in einem Tank oder einer Leitung austritt.
Eine Szene wird hierbei typischerweise durch das Interferometer auf den Array-Detektor abgebildet. Alternativ ist es auch möglich, nahe Proben mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu untersuchen; hierbei wird bevorzugt die Probe zwischen Interferometer und Detektor angeordnet, es ist aber auch möglich, die Probe durch das Interferometer auf den Detektor abzubilden.
In einer vorteilhaften Variante werden für jede der Teilmengen die Signale der Detektorelemente der Teilmenge in zwei oder mehr Durchläufen des optischen Gangunterschieds ausgelesen, wobei in den zwei oder mehr Durchläufen bei unterschiedlichen optischen Gangunterschieden ausgelesen wird. Dadurch kann die Geschwindigkeit der Veränderung des Gangunterschieds weiter erhöht werden, wodurch der Einfluss von Vibrationen weiter beschränkt wird.
Vorteilhaft ist auch eine Verfahrensvariante, die vorsieht, dass für jede der Teilmengen die Signale der Detektorelemente der Teilmenge in zwei oder mehr Durchläufen des optischen Gangunterschieds ausgelesen werden, wobei eine Mittelung, Summierung oder Medianberechnung von Signalen, die in den zwei oder mehr Durchläufen jeweils bei identischem optischen Gangunterschied gemessen werden, erfolgt. Durch das mehrfache Auslesen von Signalen (desselben Pixels) bei identischen optischen Gangunterschieden (d. h. am identischen Scanpunkt) und deren Kombination zur Auswertung kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
Alternativ kann auch jede Teilmenge in nur einem Durchlauf des optischen Gangunterschieds ausgelesen werden.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Fouriertransformations(=FT)-Spektrometer, insbesondere FTIR-Spektrometer, umfassend

– ein Interferometer mit einer Vorrichtung zur Veränderung des optischen Gangunterschieds, mit welcher ein optischer Gangunterschied zwischen zwei Teilstrahlen des dem Interferometer zugeführten Lichts verändert werden kann,
– einen zweidimensionalen Array-Detektor,
– und eine elektronische Steuereinrichtung, mit der die Vorrichtung zur Veränderung des optischen Gangunterschieds angesteuert werden kann, so dass der optische Gangunterschied bekannt ist und mit der das Auslesen von Detektorelementen des Array-Detektors angesteuert werden kann, wobei die elektronische Steuereinrichtung dazu programmiert ist, für die Aufnahme eines einzelnen, spektral aufgelösten, zweidimensionalen Bildes mit Hilfe der Vorrichtung zur Veränderung des optischen Gangunterschiedes mehrfach einen identischen Bereich des optischen Gangunterschieds zu durchlaufen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektronische Steuereinrichtung weiterhin dazu programmiert ist, bei den mehreren Durchläufen des optischen Gangunterschieds zwischen den beiden Teilstrahlen über den identischen Bereich verschiedene Teilmengen von Detektorelementen des Array-Detektors auszulesen, und dass das FT-Spektrometer eine Recheneinrichtung umfasst, mit der die Signale der ausgelesenen Detektorelemente der mehreren Durchläufe einer Fouriertransformation unterzogen werden können und zu dem spektral aufgelösten Bild zusammen gesetzt werden können. Mit dem erfindungsgemäßen FT-Spektrometer kann das oben beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren (oder eine seiner Varianten) automatisch ausgeführt werden. Das FT-Spektrometer kann mit relativ hoher Geschwindigkeit den Gangunterschied verändern, so dass es relativ unempfindlich gegen Vibrationen ist. Die Signale für Interferogramme von einzelnen Detektorelementen werden in relativ kurzer aufgenommen, so dass Objektbewegungen in einer aufgenommenen Szene nur wenig stören.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen FT-Spektrometers ist die Recheneinrichtung in die elektronische Steuereinrichtung integriert. Dadurch kann mit dem FT-Spektrometer selbst das spektral aufgelöste, zweidimensionale Bild erstellt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Recheneinrichtung von der elektronischen Steuereinrichtung separat. Insbesondere kann ein PC oder ein anderer Computer als Recheneinrichtung eingesetzt werden. in diesem Fall kann das erstellte Bild leichter weiter verarbeitet oder verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Vorrichtung zur Veränderung des optischen Gangunterschieds einen motorisch beweglichen Reflektor umfasst. Dadurch ist die Einstellung des optischen Gangunterschieds besonders einfach, und die Bewegung des Reflektors kann auch vergleichsweise vibrationsarm stattfinden. Alternativ kann beispielsweise auch ein keilförmiges, lichtbrechendes Element („Prisma”) eingesetzt werden, das zur Veränderung des Gangunterschieds unterschiedlich weit in den Strahlengang eines Teilstrahls eingeschoben wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu programmiert ist, für die Aufnahme des spektral aufgelösten Bildes jede Teilmenge von Detektorelementen in zwei oder mehr Durchläufen des optischen Gangunterschieds auszulesen, wobei in den zwei oder mehr Durchläufen bei unterschiedlichen optischen Gangunterschieden ausgelesen wird. Dadurch kann eine besonders hohe Geschwindigkeit der Veränderung des optischen Gangunterschieds eingesetzt werden, wodurch die Anfälligkeit gegenüber Vibrationen weiter reduziert ist.
Eine andere, vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu programmiert ist, für die Aufnahme des spektral aufgelösten Bildes jede Teilmenge in zwei oder mehr Durchläufen des optischen Gangunterschieds auszulesen, wobei eine Mittelung, Summierung oder Medianberechnung von Signalen, die in den zwei oder mehr Durchläufen jeweils bei identischem optischen Gangunterschied gemessen werden, erfolgt. Durch das mehrfache Auslesen von Signalen (desselben Pixels) bei identischen optischen Gangunterschieden (d. h. am identischen Scanpunkt) und deren Kombination zur Auswertung kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines erfindungsgemäßen FT-Spektrometers;
2 eine stirnseitige Ansicht auf den Array-Detektor von 1, mit Markierung von erfindungsgemäßen Teil-Arrays;
3 ein Messablauf-Diagramm einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein Messablauf-Diagramm einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 ein Messablauf-Diagramm einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 ein Messablauf-Diagramm einer vierten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der 1 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßes Fouriertransformations(=FT)-Infrarot(=IR)-Spektrometer in einer schematischen Aufsicht dargestellt.
Das FTIR-Spektrometer 1 umfasst eine abbildende Optik, hier mit zwei Spiegeln 2, 3 (es können aber auch andere Optiken, etwa mit nur einem Spiegel 3, oder mit Linsen oder einer Kombination von Spiegeln und Linsen, vorgesehen sein), ein Interferometer 4, einen zweidimensionalen Array-Detektor 5 und eine elektronische Steuereinrichtung 6, in die eine Recheneinrichtung 7 integriert ist (alternativ kann auch eine separate Recheneinrichtung 7' vorgesehen sein).
Das FTIR-Spektrometer 1 wird hier zur Fernerkundung eingesetzt. Eine Szene 8, die hier einen Tanklaster mit einem beschädigten Tank darstellt, vgl. Beschädigung 9, wird über den Spiegel 2 durch das Interferometer 4 auf den Array-Detektor 5 abgebildet. Durch das zu erstellende zweidimensionale, spektral aufgelöste Bild kann festgestellt werden, ob bereits Tankinhalt (etwa Dämpfe) im Bereich der Beschädigung 9 austritt; eine sich ausbreitende Dampfwolke 9a stellt dabei beispielhaft ein spektral aufzulösendes, bewegtes Objekt der Szene 8 dar. Der austretende Tankinhalt kann anhand charakteristischer IR-Spektrallinien identifiziert werden (Alternativ könnte auch im Rahmen der Erfindung die Szene 8 durch eine Infrarotlichtquelle 10 ersetzt sein, und eine Probe oder eine zu untersuchende Oberfläche 11 ist im Strahlengang hinter dem Interferometer 4 angeordnet, so dass die Probe bzw. die zu untersuchende Oberfläche 11 durch das Interferometer 4 hindurch beleuchtet und auf den Array-Detektor 5 abgebildet wird; vgl. hierzu die gepunktete Lichtquelle 10 und die gepunktete Probe 11 für eine Messung in Transmission; für eine Messung in Reflexion müsste der Detektor 5 auf die dem Interferometer 4 zugewandte Seite der Probe bzw. Probenoberfläche 11 gerichtet sein).
Mittels des Spiegels 2 wird in der gezeigten Ausführungsform das von der Szene 8 ausgehende Licht 12 dem Interferometer 4 zugeführt. Im Interferometer 4 wird das Licht 12 mittels einer Strahlteilerplatte 13 in zwei Teilstrahlen 14a und 14b zerlegt. Der erste Teilstrahl 14a (das ist der an der Strahlteilerplatte 13 reflektierte Anteil des Lichts 12) wird von einem ortsfesten Reflektor 15 gespiegelt, tritt durch die Strahlteilerplatte 13 und verlässt das Interferometer 4 in Richtung des Spiegels 3. Der zweite Teilstrahl 14b (das ist der an der Strahlteilerplatte 13 transmittierte Anteil des Lichts 12) wird von einem beweglichen Reflektor 16 gespiegelt und an der Strahlteilerplatte 13 umgelenkt, so dass er das Interferometer 4 ebenfalls in Richtung Spiegel 3 verlässt. Der Spiegel 3 bildet schließlich die Szene 8 auf den Array-Detektor 5 ab.
Am Array-Detektor 5 wird die Überlagerung der Teilstrahlen 14a, 14b vermessen, wobei die Teilstrahlen 14a, 14b abhängig von der Frequenz des Lichts 12 (bzw. dessen Frequenzanteilen) und abhängig vom Gangunterschied zwischen den beiden Teilstrahlen 14a, 14b interferieren.
Zur Aufnahme eines spektral aufgelösten Bildes von der Szene 8 wird der bewegliche Reflektor 16 mehrfach über eine identische Wegstrecke IW verfahren. Der Reflektor 16 wird dabei über eine Gewindestange 19, die in einer Bohrung 20 des Reflektors 16 mit einem Innengewinde geführt ist, mittels eines Elektromotors 18 angetrieben; der Reflektor 16 ist dabei zusätzlich mit einer parallel zur Gewindestange 19 verlaufenden Schiene 17 geführt. Durch das Verfahren des Reflektors 16 wird der optische Gangunterschied zwischen den Teilstrahlen 14a, 14b verändert, wobei die Änderung des optischen Gangunterschieds dem doppelten zurückgelegten Wegstück WS des Reflektors 16 entspricht, da der zweite Teilstrahl 14b das Wegstück WS hin und zurück durchläuft. Der bewegliche Reflektor 16 (einschließlich Getriebe und Motorik) dient hier als Vorrichtung 21 zur Veränderung des optischen Gangunterschieds zwischen den beiden Teilstrahlen 14a, 14b, und die identische Wegstrecke IW entspricht einem beim mehrfachen Verfahren des Reflektors 16 identischen Bereich IB des optischen Gangunterschieds, über den eine Veränderung stattfindet.
Im Rahmen der Erfindung wird zunächst ein erstes Teil-Array des Array-Detektors 5 ausgewählt, welches in einem Durchlauf (Durchgang) des beweglichen Reflektors 16 über die identische Wegstrecke IW an verschiedenen, vordefinierten Scanpunkten s1 ... sN ausgelesen werden soll. Der Reflektor 16 wird mittels des Motors 18 mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegt (etwa von links nach rechts), und jeweils bei Erreichen einer vorbestimmten Verfahrposition, entsprechend einem der Scanpunkte s1 ... sN, wird das erste Teil-Array des Array-Detektors 5 ausgelesen. Wenn das erste Teil-Array an allen vorgesehenen Scanpunkten s1 ... sN ausgelesen wurde, endet der Durchlauf.
Anschließend wird ein zweites Teil-Array des Array-Detektors 5 ausgewählt, und in einem weiteren Durchlauf des beweglichen Reflektors 16 über die identische Wegstrecke IW wird dieses zweite Teil-Array an den Scanpunkten s1 ... sN ausgelesen. Daran schließen sich weitere Durchläufe für alle weiteren vorgesehenen Teil-Arrays an.
Der Motor 18 wird von der elektronischen Steuereinrichtung 6 angesteuert, die auch die Zeitpunkte festlegt, an denen ein Teil-Array des Array-Detektors 5 ausgelesen wird. Über die elektronische Steuereinrichtung 6 wird auch festgelegt, welche Detektorelemente des Array-Detektors 5 zu welchem Teil-Array gehören. Die Signale, die während eines jeweiligen Durchlaufs für ein jeweiliges Dektektorelement ausgelesen wurden, können mittels der Recheneinrichtung 7, die hier in die Steuereinrichtung 6 integriert ist, einer Fourier-Transformation unterzogen werden, so dass ein Spektrum (also eine frequenzabhängige Intensitätsinformation) für dieses Detektorelement erhalten wird.
Aus den Spektren aller im Laufe der Aufnahme ausgelesenen Detektorelemente des Array-Detektors ergibt sich das zweidimensionale, spektral aufgelöste Bild; dieses wird bevorzugt in der integrierten Recheneinrichtung 7 zusammengesetzt.
Die 2 zeigt den zweidimensionalen Array-Detektor 5 aus 1 in einer stirnseitigen, schematischen Ansicht. Der Array-Detektor 5 verfügt hier über 64 Detektorelemente (Einzeldetektoren) 22 in einer quadratischen Anordnung.
Gemäß der Erfindung wurden (hier) als Teilmengen von Detektorelementen 22 des Array-Detektors 5 vier zusammenhängende, rechteckige Teil-Arrays 23a–23d mit jeweils 16 Detektorelementen gebildet, die jeweils in separaten Durchläufen des beweglichen Reflektors 16 über die identische Wegstrecke IW ausgelesen werden. Bei einem zusammenhängenden Teil-Array kann jedes Detektorelement des Teil-Arrays von jedem beliebigen anderen Detektorelement des Teil-Arrays direkt über eine Seite oder über eine beliebige Anzahl jeweils über eine Seite benachbarter Detektorelemente des Teil-Arrays erreicht werden.
Man beachte, dass alternativ auch nicht-zusammenhängende Teil-Arrays gebildet werden können; ein nicht-zusammenhängendes Teil-Array besteht beispielsweise aus den Detektorelementen 22 der ersten und fünften Zeile in 2.
In der 3 wird beispielhaft das Durchlaufen des optischen Gangunterschieds OD über die Zeit t einer Aufnahme AU eines zweidimensionalen, ortsaufgelösten Bildes im Rahmen der Erfindung in einem Diagramm illustriert; die Aufnahme kann beispielsweise auf dem FT-Spektrometer von 1 erfolgen.
Die Aufnahme AU umfasst hier vier Durchläufe (Durchgänge) D1 ... D4 des optischen Gangunterschieds OG zwischen den Teilstrahlen über den identischen Bereich IB. Im ersten Durchlauf D1 wird der optische Gangunterschied OG kontinuierlich vergrößert, und an den Scanpunkten s1 ... sN wird jeweils ein erstes Teil-Array (etwa 23a in 2) ausgelesen. Im zweiten Durchlauf D2 wird der optische Gangunterschied OG kontinuierlich verkleinert, d. h. die Scanpunkte werden in umgekehrter Reihenfolge sN ... s1 im Vergleich zum ersten Durchlauf D1 ausgelesen; es wird dabei jeweils ein zweites Teil-Array (etwa 23b in 2) ausgelesen. In diesem Fall braucht die Vorrichtung zur Veränderung des optischen Gangunterschieds vor dem zweiten Durchlauf D2 räumlich nicht zurückgesetzt werden. Es schließen sich noch die Durchläufe D3 und D4 an, für die das Vorzeichen der Veränderung des optischen Gangunterschieds OG ebenfalls jeweils zum vorherigen Durchlauf umgekehrt wird; in diesen Durchläufen D3, D4 wird jeweils ein drittes Teil-Array (etwa 23c in 2) und ein viertes Teil-Array (etwa 23d in 2) ausgelesen.
Die Zeitdauer ts zwischen zwei Scanpunkten s1 ... sN wird vor allem zum Auslesen der Detektorelemente des jeweiligen Teil-Arrays benötigt. Aus dem Inversen der Zeit ts ergibt sich die sogenannte Samplerate; bei ts von 1 ms ergibt sich beispielsweise eine Samplerate von 1 kHz.
Die 4 illustriert einen alternativen Ablauf der Aufnahme AU in einem Diagramm ähnlich 3 (zweite Variante); es werden nur die Unterschiede erläutert.
Bei dieser Aufnahme wird in allen Durchläufen D1 ... D4 der optische Gangunterschied OG jeweils kontinuierlich erhöht. Zwischen den Durchläufen D1 ... D4 wird jeweils die Vorrichtung zur Veränderung des optischen Gangunterschieds zurückgesetzt (etwa indem der beweglicher Reflektor zurück an den Ausgangspunkt des gerade abgeschlossenen Durchlaufs gebracht wird). Während des Zurücksetzens ZS wird der Array-Detektor typischerweise nicht ausgelesen, was die Gesamtdauer der Aufnahme AU verlängern kann (verglichen mit dem Vorgehen von 3), jedoch die Datengewinnung etwas vereinfacht.
5 illustriert eine dritte Variante für die Aufnahme AU eines spektral aufgelösten, zweidimensionalen Bildes in einem Diagramm ähnlich 3; es werden wiederum nur die Unterschiede erläutert.
In dieser Variante werden zwei Teilarrays 23a, 23b in insgesamt vier Durchläufen D1–D4 des optischen Gangunterschieds OG ausgelesen. Während der Durchläufe D1 und D2 wird das Teilarray 23a ausgelesen, wobei im ersten Durchlauf D1 nur die Scanpunkte s1, s3, ..., sN – 1 (ungeradzahlige Scanpunkte) ausgelesen werden, und im zweiten Durchlauf D2 nur die Scanpunkte sN, sN – 2, ..., s2 (geradzahlige Scanpunkte) ausgelesen werden. In den beiden Durchläufen D1 und D2 werden somit die Detektorelemente des Teilarrays 23a bei unterschiedlichen optischen Gangunterschieden ausgelesen. Entsprechend wird während der Durchläufe D3 und D4 das Teilarray 23b ausgelesen, wobei im Durchlauf D3 wiederum nur die ungeradzahligen Scanpunkte ausgelesen werden, und im Durchlauf D4 nur die geradzahligen Scanpunkte.
In dieser Variante werden für die Aufnahme des spektral aufgelösten Bildes für jede Teilmenge (jedes Teilarray) von Detektorelementen die Signale von zwei oder mehr Durchläufen des optischen Gangunterschieds genutzt, um einen vollständigen Satz von Scanpunkten zusammenzusetzen. Dadurch kann der optische Gangunterschied innerhalb der einzelnen Durchläufe mit besonders hoher Geschwindigkeit verändert werden.
6 illustriert eine vierte Variante für die Aufnahme AU eines spektral aufgelösten, zweidimensionalen Bildes in einem Diagramm ähnlich 3; es werden wiederum nur die Unterschiede erläutert.
In dieser Variante werden ebenfalls zwei Teilarrays 23a, 23b in insgesamt vier Durchläufen D1–D4 des optischen Gangunterschieds OG ausgelesen. Während der Durchläufe D1 und D2 wird das Teilarray 23a ausgelesen, wobei im ersten Durchlauf D1 und im zweiten Durchlauf D2 jeweils dieselben Scanpunkte (hier alle Scanpunkte s1 bis sN) ausgelesen werden. Die jeweils (hier) zwei Signale für dieselben Scanpunkte aus den beiden Durchläufen D1 und D2 werden (für jeden einzelnen Pixel) gemittelt. Während der Durchläufe D3 und D4 wird das Teilarray 23b ausgelesen, wobei im dritten Durchlauf D3 und im vierten Durchlauf D4 wiederum jeweils dieselben Scanpunkte ausgelesen werden. Die jeweils (hier zwei) Signale für dieselben Scanpunkte aus den beiden Durchläufen D3 und D4 werden (für jeden einzelnen Pixel) wiederum gemittelt.
Durch die Mittelung der Signale aus mehreren Durchläufen für jedes Teilarray kann der Einfluss von Messrauschen verringert werden.
Man beachte, dass im Falle einer Vermessung der Scanpunkte für ein Teilarray in mehreren Durchläufen (siehe etwa die 5 und 6) die zu einem Teilarray gehörenden Durchläufe innerhalb möglichst kurzer Zeit (bevorzugt unmittelbar hintereinander) stattfinden sollten.
Die Erfindung kann insbesondere im Bereich der Umweltanalytik eingesetzt werden, etwa zur Untersuchung von Abgasfahnen beispielsweise von Fabrikanlagen, Maschinen oder Fahrzeugen, oder auch zur Feststellung von Oberflächenkontaminationen; ein weiterer Anwendungsbereich ist die chemische Verfahrenstechnik, insbesondere die Prozessüberwachung.

Claims

Verfahren zur Aufnahme (AU) eines spektral aufgelösten, zweidimensionalen Bildes mittels Fouriertransformations(=FT)-Spektroskopie, insbesondere Fouriertransformations-Infrarot(=FTIR)-Spektroskopie, wobei Licht (12) einem Interferometer (4) zugeführt und in zwei Teilstrahlen (14a, 14b) aufgespalten wird, wobei der optische Gangunterschied (OG) zwischen den beiden Teilstrahlen (14a, 14b) verändert wird und mehrfach einen identischen Bereich (IB) durchläuft, und wobei das Licht (12) von einem zweidimensionalen Array-Detektor (5) detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei den mehreren Durchlaufen (D1–D4) des optischen Gangunterschieds (OG) zwischen den beiden Teilstrahlen (14a, 14b) über den identischen Bereich (IB) verschiedene Teilmengen von Detektorelementen (22) des Array-Detektors (5) ausgelesen werden, und dass die Signale der ausgelesenen Detektorelemente (22) der mehreren Durchläufe (D1–D4) fouriertransformiert und zu dem spektral aufgelösten Bild zusammengesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmengen jeweils ein zusammenhängendes, insbesondere rechteckiges Teil-Array (23a–23d) von Detektorelementen (22) des Array-Detektors (5) bilden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral aufgelöste Bild von Signalen aus nicht-überlappenden Teil-Arrays (23a–23d) von Detektorelementen (22) des Array-Detektors (5) zusammengesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Gangunterschied (OG) mittels eines oder mehrerer beweglicher Reflektoren (16) verändert wird, und dass der oder die beweglichen Reflektoren (16) im Rahmen der mehreren Durchläufe (D1–D4) jeweils über eine identische Wegstrecke (IW) verfahren werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in aufeinanderfolgenden Durchläufen (D1–D4) die Veränderung des Gangunterschieds (OG) mit entgegengesetztem Vorzeichen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral aufgelöste Bild von einer Szene (8) aufgenommen wird, welche sich über die Dauer eines Durchlaufs (d1–D4) nicht merklich, jedoch über die Dauer aller Durchläufe (D1–D4) der Aufnahme (AU) merklich verändert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral aufgelöste Bild aus den Signalen von mindestens zwei Teilmengen der Detektorelemente (22) aus mindestens zwei Durchläufen (D1–D4) zusammengesetzt wird und die Vereinigungsmenge der besagten mindestens zwei Teilmengen nicht der Menge aller vorhandenen Detektorelemente (22) des Array-Detektors (5) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Fernerkundung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der Teilmengen die Signale der Detektorelemente (22) der Teilmenge in zwei oder mehr Durchläufen (D1–D4) des optischen Gangunterschieds (OG) ausgelesen werden, wobei in den zwei oder mehr Durchläufen (D1–D4) bei unterschiedlichen optischen Gangunterschieden (OG) ausgelesen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der Teilmengen die Signale der Detektorelemente (22) der Teilmenge in zwei oder mehr Durchläufen (D1–D4) des optischen Gangunterschieds (OG) ausgelesen werden, wobei eine Mittelung, Summierung oder Medianberechnung von Signalen, die in den zwei oder mehr Durchläufen (D1–D4) jeweils bei identischem optischen Gangunterschied (OG) gemessen werden, erfolgt.
Fouriertransformations(=FT)-Spektrometer, insbesondere FTIR-Spektrometer (1), umfassend – ein Interferometer (4) mit einer Vorrichtung (21) zur Veränderung des optischen Gangunterschieds (OG), mit welcher ein optischer Gangunterschied (OG) zwischen zwei Teilstrahlen (14a, 14b) des dem Interferometer (4) zugeführten Lichts (12) verändert werden kann, – einen zweidimensionalen Array-Detektor (5), – und eine elektronische Steuereinrichtung (6), mit der die Vorrichtung (21) zur Veränderung des optischen Gangunterschieds (OG) angesteuert werden kann, so dass der optische Gangunterschied (OG) bekannt ist und mit der das Auslesen von Detektorelementen (22) des Array-Detektors (5) angesteuert werden kann, wobei die elektronische Steuereinrichtung (6) dazu programmiert ist, für die Aufnahme (AU) eines einzelnen, spektral aufgelösten, zweidimensionalen Bildes mit Hilfe der Vorrichtung (21) zur Veränderung des optischen Gangunterschiedes (OG) mehrfach einen identischen Bereich (IB) des optischen Gangunterschieds (OG) zu durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (6) weiterhin dazu programmiert ist, bei den mehreren Durchlaufen (D1–D4) des optischen Gangunterschieds (OG) zwischen den beiden Teilstrahlen (14a, 14b) über den identischen Bereich (IB) verschiedene Teilmengen von Detektorelementen (22) des Array-Detektors (5) auszulesen, und dass das FT-Spektrometer (1) eine Recheneinrichtung (7, 7') umfasst, mit der die Signale der ausgelesenen Detektorelemente (22) der mehreren Durchläufe (D1–D4) einer Fouriertransformation unterzogen werden können und zu dem spektral aufgelösten Bild zusammen gesetzt werden können.
FT-Spektrometer (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (7) in die elektronische Steuereinrichtung (6) integriert ist.
FT-Spektrometer (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (7') von der elektronischen Steuereinrichtung (6) separat ist.
FT-Spektromenter (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (21) zur Veränderung des optischen Gangunterschieds (OG) einen motorisch beweglichen Reflektor (16) umfasst.
FT-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (6) dazu programmiert ist, für die Aufnahme des spektral aufgelösten Bildes jede Teilmenge von Detektorelementen (22) in zwei oder mehr Durchläufen (D1–D4) des optischen Gangunterschieds (OG) auszulesen, wobei in den zwei oder mehr Durchläufen (D1–D4) bei unterschiedlichen optischen Gangunterschieden (OG) ausgelesen wird.
FT-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (6) dazu programmiert ist, für die Aufnahme des spektral aufgelösten Bildes jede Teilmenge in zwei oder mehr Durchläufen (D1–D4) des optischen Gangunterschieds (OG) auszulesen, wobei eine Mittelung, Summierung oder Medianberechnung von Signalen, die in den zwei oder mehr Durchläufen (D1–D4) jeweils bei identischem optischen Gangunterschied (OG) gemessen werden, erfolgt.