DE102011103253A1 - Anordnung zur optischen Bestimmung einer Probe und entsprechendes Verfahren - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur optischen Bestimmung einer Probe mit einer Strahlungsquelle zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung der Probe mittels der die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle durch Reflexion an dieser und/oder durch Transmission durch diese Probe in ihrer spektralen Zusammensetzung veränderbar ist, einem bekannten Referenzelement mittels dessen die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle, insbesondere durch Reflexion an diesem und/oder durch Transmission durch dieses Referenzelement, in ihrer spektralen Zusammensetzung veränderbar ist, und einem Detektor, mit dem die Intensität der der zweimaligen Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung unterworfenen elektromagnetischen Strahlung erfassbar und zur optischen Bestimmung der Probe auswertbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur optischen Bestimmung einer Probe und auf ein entsprechendes Verfahren, insbesondere zur optischen Identifikation einer Probe anhand ihrer spektralen Signatur, welche aus einer bekannten Gruppe möglicher spektraler Signaturen stammt.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehensweise, um Proben anhand ihrer spektralen Signatur identifizieren zu können, basiert auf der Messung der spektralen Reflektanz und/oder Transmission von Objekten in einem bestimmten Intervall des elektromagnetischen Spektrums. Dieses Spektrum wird dabei an mehreren Stützwellenlängen vermessen. Das gemessene Spektrum gibt Auskunft über die absorbierte und reflektierte elektromagnetische Strahlung über die verschiedenen Wellenlängen. Die Auswertung und der Vergleich der Spektren geschehen dann im Anschluss an die Messung mit Hilfe von Verfahren der digitalen Signalverarbeitung und Mustererkennung im digitalen Rechner.
  • Die Hauptschwierigkeit dieser Vermessung des Spektrums liegt im hohen technischen Aufwand für die Messung des Absorptionsspektrums und der Auswertung der multivariaten Messung. Hierfür wird zum einen ein Spektralgerät benötigt, das polychromatische Strahlung wellenlängenspezifisch zerlegt und dadurch eine Messung des Spektrums ermöglicht. Die Messung des Spektrums kann dabei sowohl ortsintegriert an einem einzelnen Messpunkt als auch ortsaufgelöst erfolgen. Für eine ortsaufgelöste Messung muss das Spektralgerät um abbildende optische Elemente erweitert werden (bildgebende oder ortsaufgelöste Spektrografie). Zudem müssen Verfahren der digitalen Signalverarbeitung, Mustererkennung und/oder der multivariaten Statistik angewendet werden, um die multivariaten Messungen einer Materialklasse zuordnen zu können.
  • Da bei der beschriebenen Vorgehensweise die Vermessung des Spektrums im Vordergrund steht, werden bei der technischen Realisierung eine niedrige Ortsauflösung und langsame Messgeschwindigkeit zugunsten einer hochaufgelösten Abtastung des Spektrums in Kauf genommen.
  • Ausgehend vom Stand der Technik ist es somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung (und ein entsprechendes Verfahren) zur optischen Bestimmung einer Probe, insbesondere zur Identifizierung einer Probe, zur Verfügung zu stellen, mit der auf einfache, robuste Art und Weise und mit hoher Geschwindigkeit eine Probe optisch bestimmt, also charakterisiert (insbesondere: identifiziert) werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein entsprechendes Verfahren gemäß Anspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen lassen sich dabei jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen. Erfindungsgemäße Verwendungen sind im Anspruch 22 beschrieben.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand von mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben. Die bei den einzelnen Ausführungsbeispielen in Kombination miteinander realisierten Merkmale der Anordnung, insbesondere die Positionierung und/oder Ausrichtung der einzelnen verwendeten Elemente, müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht genau in den in den Ausführungsbeispielen gezeigten Konfigurationen realisiert werden. Insbesondere können einzelne der in den Ausführungsbeispielen gezeigten Elemente auch weggelassen werden oder auf andere Art und Weise miteinander kombiniert werden.
  • Wird nachfolgend von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle gesprochen, so handelt es sich um eine Strahlungsquelle, mit der elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich emittiert werden kann. Bei diesem Wellenlängenbereich muss es sich nicht um den für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich (visueller Bereich) handeln, sondern es können beispielsweise auch Strahlungsquellen eingesetzt werden, die im UV-Bereich, im IR-Bereich oder auch in anderen Spektralbereichen emittieren.
  • Wird nachfolgend von einer optischen Bestimmung gesprochen, so umfasst dieser Begriff im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur die optische Identifikation einer unbekannten Probe anhand bzw. aus einer Menge von bekannten Referenzproben, sondern es kann sich allgemein um das Feststellen einer charakteristischen Eigenschaft und/oder eines charakteristischen Merkmals einer solchen Probe (z. B. von einer Materialeigenschaft oder einer Oberflächeneigenschaft einer Probe) handeln.
  • Wird im Rahmen der Erfindung von einem (bekannten) Referenzelement gesprochen, so muss es sich dabei nicht unbedingt um eine bekannte Referenzprobe in Form eines Substrates (das aus einem bekannten Material oder aus einer bekannten Materialkombination hergestellt ist) handeln, sondern es sind auch Referenzelemente denkbar, die durch geeigneten Einsatz von hinsichtlich ihrer spektralen Eigenschaften bekannten Lichtquellen und/oder Filterelemente ausgebildet werden, wobei dann diese Strahlungs- bzw. Lichtquellen und/oder Filterelemente so ausgebildet werden, dass mit Ihnen ein Reflexions- und/oder Transmissionsspektrum eines in seinen Eigenschaften bekannten Substrats (Referenzprobensubstrats) imitiert wird.
  • Auch kann das Transmissionsspektrum und/oder Reflexionsspektrum eines solchen Referenzelementes (also letztendlich eines Referenzprobensubstrates) vorab bestimmt werden und z. B. in der in der erfindungsgemäßen Anordnung zum Auswerten eingesetzten Einheit (Detektor) in Form z. B. eines Programms und/oder einer Datenstruktur hinterlegt werden.
  • Erfindungsgemäß kann ein an einem Referenzprobensubstrat erzeugtes Transmissionsspektrum und/oder Reflexionsspektrum auch dadurch imitiert werden (synthetisches Spektrum), dass entsprechende Strahlungsquellen und/oder Filter, mit denen sich ein entsprechendes Spektrum imitieren lässt, eingesetzt werden und/oder auch dadurch simuliert werden, dass das entsprechende Spektrum softwareseitig hinterlegt wird. Simulierte Spektren können dann in Verbindung mit den in der optischen Anordnung der vorliegenden Erfindung tatsächlich erfassten optischen Messwerten zur Auswertung, also zur optischen Bestimmung der Probe herangezogen werden.
  • Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung basiert auf der Tatsache, dass jedes Probenmaterial ein Reflexionsspektrum und/oder ein Transmissionsspektrum emittiert, wenn es mit einer elektromagnetischen Welle bestrahlt wird. Dieses materialcharakterisierende Spektrum wird als spektrale Signatur der Probe, also als Basis zur optischen Bestimmung der Probe, aufgefasst. Das Spektrum kann dabei unterschiedlichen Frequenzbereichen entnommen werden, so z. B. dem sichtbaren Bereich, dem UV-Bereich, dem nahen Infrarotbereich, dem mittleren Infrarotbereich, dem fernen Infrarotbereich oder auch dem Terahertzbereich. Auch weitere Bereiche sind möglich. Die vorliegende Erfindung überwindet das Problem des Vermessens des Spektrums und dessen softwareseitigen Vergleiches an mehreren Wellenlängen dadurch, dass nur Intensitätswerte erfasst werden (ortsaufgelöst oder auch nicht ortsaufgelöst). Erfasste Intensitätswerte können dabei einem optisch realisierten Vergleich unterworfen werden. Die Nachweiseinheit (Detektor) der vorliegenden Erfindung erfasst somit elektromagnetische Strahlung über einen vordefinierten Spektralbereich (Integration über die einzelnen Wellenlängen), ohne in diesem vordefinierten Spektralbereich wellenlängenabhängig unterschiedliche Anteile in der auftreffenden Intensität zu unterscheiden. Die technische Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung bedient sich dabei, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben, Komponenten der abbildenden Optik, wodurch die optische Bestimmung der Probe berührungslos und zerstörungsfrei erfolgt.
  • Da kein Spektrum vermessen werden muss und ein Vergleich der Spektren (durch unterschiedliche aufgenommene Intensitäten) optisch realisiert wird, können hohe Messgeschwindigkeiten erzielt werden, welche nur durch die Geschwindigkeit der zum Nachweis eingesetzten Detektoren (beispielsweise: Photodiode, Zeilen- oder Flächenkamera) beschränkt werden. Zum Identifizieren einer Probe kann dabei diese Probe mit einer Vielzahl unterschiedlicher Referenzproben verglichen werden (durch Austausch von Referenzproben ist dann eine Adaption an eine neue Aufgabenstellung möglich). Der softwareseitige Rechenaufwand für die Auswertung einer multivariaten Messung entfällt somit, da nur univariate Intensitätswerte aufgenommen und verglichen werden (beispielsweise über eine Bestimmung des Maximums der aufgenommenen Intensitätswerte).
  • Erfindungsgemäß wird die elektromagnetische Strahlung einer Strahlungsquelle einer zweifachen spektralen Veränderung unterworfen. Eine dieser Veränderungen erfolgt dadurch, dass die elektromagnetische Strahlung an einer optisch zu bestimmenden unbekannten Probe reflektiert wird oder durch diese Probe hindurchgestrahlt wird. Die andere Veränderung erfolgt dadurch, dass die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle durch eine bekannte Referenzprobe verändert wird, indem die Strahlung an dieser Referenzprobe reflektiert wird oder durch diese Referenzprobe hindurchgestrahlt (transmittiert) wird. Dabei kann zunächst die Veränderung der Strahlung der Strahlungsquelle an/durch der/das Referenzprobe(nspektrum) erfolgen und anschließend die Veränderung durch die zu bestimmende Probe. Ebenso ist es jedoch umgekehrt möglich, dass die von der Strahlungsquelle ausgehende elektromagnetische Strahlung zunächst durch die unbekannte Probe und anschließend durch/gemäß die/der Referenzprobe verändert wird. Die auf diese Art zweifach auf Basis eines Reflexions- und/oder Transmissionsspektrums veränderte elektromagnetische Strahlung wird dann mit einer Nachweiseinheit (Detektor) erfasst, wobei das Erfassen integriert über einen vorbestimmten Spektralbereich erfolgt. Letztendlich kann also die erfasste Intensität ausgewertet werden.
  • Erfindungsgemäß kann die eine der beiden Veränderungen der elektromagnetischen Strahlung durch das Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum der Referenzprobe jedoch auch dadurch ersetzt werden, dass als Referenzelement eine geeignete Strahlungsquelle eingesetzt wird (zum Beispiel eine Kombination einer Vielzahl einzelner schmalbandiger Quellen), die elektromagnetische Strahlung entsprechend eines Transmissions- und/oder Reflexionsspektrums eines realen Referenzprobensubstrats aussenden bzw. erzeugen kann.
  • Ebenso ist es möglich, die erfassten Veränderungen der elektromagnetischen Strahlung durch eine Referenzprobe und die unbekannte Probe dadurch zu ergänzen, dass das Reflexionsspektrum und/oder Transmissionsspektrum einer Referenzprobe vorab spektral aufgelöst erfasst wird und softwareseitig in der Anordnung, also z. B. in ihrer Nachweiseinheit (Detektor) hinterlegt wird.
  • Somit kann neben der erfassten zweifachen Veränderung der spektralen Zusammensetzung der Strahlung (real beobachtete Intensität) auch eine simulierte Intensität, also ein simulierter Intensitäts-Vergleichswert gewonnen werden (dabei wird diejenige Intensität in der Anordnung durch Simulation berechnet, die sich durch eine zweimalige Veränderung der elektromagnetischen Strahlung durch das Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum der bekannten Referenzprobe ergeben würde): Anschließend kann dann ein Vergleich des real erfassten Intensitätswertes und des simulierten Intensitäts-Vergleichswertes zur optischen Bestimmung der Probe erfolgen.
  • Zeitlich nacheinander oder auch gleichzeitig können mehrere bekannte Referenzproben verwendet und/oder vorab ausgemessen werden, so dass insgesamt mehrere Intensitätswerte erfasst oder als Vergleichswerte simuliert werden können. Mehrere Intensitätswerte (für unterschiedliche, jedoch jeweils bekannte Referenzproben) können dann untereinander verglichen werden und es kann anhand eines vorbestimmten Auswahlkriteriums (beispielsweise: des maximal erfassten oder berechneten Intensitätswertes) die unbekannte Probe als übereinstimmend mit derjenigen Referenzprobe identifiziert werden, nach der der dem vorbestimmten Auswahlkriterium entsprechende Intensitätswert auftritt.
  • Auch hier ist es selbstverständlich möglich, eine, mehrere oder alle der als Referenzprobensubstrat ausbildbaren Referenzproben durch entsprechende imitierte Referenzelemente auf Basis geeigneter Strahlungsquellen und/oder Filterelemente zu ersetzen oder die Spektren der entsprechenden Referenzproben vorab zu bestimmen und im Detektor zu hinterlegen (simulierte Spektren).
  • In jedem Fall werden jedoch im Detektor die unterschiedlichen Spektralanteile der elektromagnetischen Strahlung erfasst, ohne dass dabei nach Spektralanteilen unterschieden werden muss: Es muss lediglich die der Anzahl von Referenzproben entsprechende Anzahl aufgenommener Intensitätswerte ausgewertet werden.
  • Erfindungsgemäß wird somit das Spektrum einer unbekannten Probe entweder auf einer Referenzprobe abgebildet oder mit einer der Referenzprobe entsprechenden Spektralkurve gefiltert oder beleuchtet (wobei eine Gruppe bekannter Referenzproben existieren kann und ebenfalls eine Gruppe unbekannter Proben, die jedoch jeweils einem Material einer der bekannten Referenzproben entsprechen). Durch diese Vorgehensweise werden aus mathematischer Sicht die beiden Spektren für jede Wellenlänge miteinander multipliziert. Dabei kann dann ausgenutzt werden, dass die Antwort dieses „matched filter”-Vorgehens maximal wird, wenn das Signal auf sich selbst trifft. Da der Detektor für mehrere Wellenlängen sensitiv ist, wird aus mathematischer Sicht beim erfindungsgemäßen Vorgehen eine Integration über die Wellenlänge erreicht. Die Multiplikation zweier Spektren und die anschließende Integration entspricht einem Kreuz korrelationskoeffizient oder einer Faltung beider Spektren an der Stelle 0. Entspricht die unbekannte Probe der Referenzprobe, so wird aus mathematischer Sicht der Autokorrelationskoeffizient realisiert (das unbekannte Spektrum einer Probe kann dabei mit allen bekannten Spektren der Gruppe von Referenzproben verglichen werden).
  • Der/die Vergleich(e) kann/können dabei zeitgleich oder zeitlich hintereinander erfolgen. Bei den letzteren Realisierungen (zeitlich gestaffelte Anordnung) müssen die Aufnahmebedingung konstant gehalten werden oder Veränderungen müssen gemessen werden, um einen Vergleich von Einzelergebnissen zu ermöglichen.
  • In der Regel ist eine einmalige Kalibrierung notwendig, bei der der Kreuzkorrelationskoeffizient dahingehend normiert wird, dass unterschiedliche Messungen miteinander verglichen werden können, wenn sie unter identischen Aufnahmebedingungen erfolgen. Tritt zusätzlich eine Variation der Aufnahmebedingungen hinzu, so bedingt dies, dass diese Variation zusätzlich gemessen werden muss, um einen Vergleich untereinander zu ermöglichen. Die Mathematik des „matchedfilters” kann in diesem Zusammenhang darauf reduziert werden, dass der normierte Autokorrelationskoeffizient immer größer ist, als der normierte Kreuzkorrelationskoeffizient mit einem beliebigen anderen Signal. Somit kann anhand von beobachteten Intensitäten eine Probe identifiziert werden.
  • Erfindungsgemäß kann somit eine unbekannte Probe identifiziert werden, indem die Intensitäten der unterschiedlichen Detektoraufnahmen verglichen werden. Dabei kann eine maximale Intensität eine unbekannte Probe als mit einer vorbekannten Referenzprobe übereinstimmend identifiziert werden. In der Regel ist hierzu eine Kalibrierung vorauszusetzen, bei der die Intensität gemessen wird, die sich einstellt, wenn eine Referenzprobe als unbekannte Probe vorliegt (werden mehrere Referenzproben verwendet, so wird eine Kalibrierung für jede dieser Referenzproben durchgeführt, indem die jeweilige Referenzprobe als unbekannte Probe eingesetzt wird und indem die zweifache Veränderung der elektromagnetischen Strahlung durch ein und dieselbe Referenzprobe erfasst wird). Generell lassen sich Aufbauten mit Detektoren in Form von Photodioden, Flächen- oder Zeilenkameras realisieren. Der Ausschnitt des betrachteten Spektrums wird dabei im Zusammenspiel des Beleuchtungsspektrums der Strahlungsquelle und der wellenlängenabhängigen Empfindlichkeit des Detektors definiert.
  • Die nachfolgend noch im Einzelnen beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen nützen somit die spektralen Informationen von Proben, um bekannte spektrale Signaturen zu identifizieren. Eine erfindungsgemäße Besonderheit ist dabei, dass dieses Spektrum nicht gemessen werden muss, sondern dass nur das Ergebnis einer Korrelation in Form eines Grauwertes bzw. Intensitätswertes ausgewertet werden muss. Dadurch kann auf handelsübliche Detektoren zugegriffen werden, wobei Detektoren verfügbar sind, die im Vergleich zu Spektrometern deutliche höhere Geschwindigkeiten erlauben, da eine zusätzliche räumliche Dimension des Detektors zur Auflösung des Spektrums nicht mehr benötigt wird. Erfindungsgemäß ist auch eine zeitliche Dimension denkbar, wenn ein Fourier-Spektrometer verwendet wird. Auch beim Einsatz von Referenzelementen auf der Basis der Beleuchtung und/oder der Filterung (oder auch als Referenzprobensubstrat, das quasi als Abbildungsschirm eingesetzt werden kann) erlaubt ein einfacher Austausch eine leichte Adaption an neue Aufgabenstellungen.
  • Insbesondere entfällt somit die Auswertung einer multivariaten Messung eines Spektrums, da nur univariate Intensitätswerte verglichen werden. Dies erlaubt auch die Anwendung einfacher und effizienter Schwellwertverfahren zur Identifikation bzw. Bestimmung. Somit nutzt die vorliegende Erfindung zwar die volle spektrale Information eines Referenzelementes um eine unbekannte Probe optisch zu bestimmen, es müssen jedoch nur Intensitäten erfasst werden, so dass deutlich höhere Auswertegeschwindigkeiten erreicht werden können.
  • Beispielhafte technische Realisierungen (siehe auch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung) lassen sich in drei Gruppen einteilen, die sich gemeinsam dadurch auszeichnen, dass die Spektren in ihrer natürlichen, nahezu unendlichen Detailschärfe miteinander verglichen werden:
    • 1. Die zu bestimmende Probe wird auf eine Referenzprobe optisch scharf abgebildet. Ein Detektor (Kamera) beobachtet das Zwischenbild auf der Referenzprobe.
    • 2. Die zu untersuchende Probe wird mit unterschiedlichen Spektren beleuchtet, welche den Spektren der Referenzproben entsprechen. Ein Detektor betrachtet dabei die zu untersuchende Probe.
    • 3. Die zu untersuchende Probe wird von einer Kamera durch einen optischen Filter betrachtet, welcher eine Transmissionskurve besitzt, die dem Spektrum einer Referenzprobe entspricht.
  • Selbstverständlich sind auch weitere Realisierungen, die sich nicht in eine dieser Gruppen einteilen lassen, möglich.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch die beiden folgenden Prinzipien verbessert werden: Zum einen unterscheiden sich die beobachteten Intensitäten deutlicher, wenn die elektromagnetische Strahlung (nachfolgend vereinfacht auch als Licht bezeichnet) mehrfach auf die unbekannte Probe und eine/die Referenzprobe(n) trifft, also eine Mehrfachreflexion ausgenutzt wird. Zum anderen kann beim synthetischen (imitierenden) Design eines Filters oder einer Beleuchtung (vergleiche auch die Ausführungsbeispiele) die zu realisierende und die zu emittierende Spektralkurve des Referenzmaterials angepasst werden. Ein Spektrum kann als positives Signal mit dem Wertebereich von 0% bis 100% aufgefasst werden. Im Falle, dass die Amplitude nicht den kompletten Wertebereich ausnutzt, ist es sinnvoll, das Signal so zu verändern, dass eine maximale Amplitude ausgenutzt wird. Dazu wird von der Spektralkurve der Gleichanteil subtrahiert und die so erhaltene Kurve wird durch eine Addition einer Konstanten so verschoben, dass nur positive Werte existieren und mindestens ein Wert gleich 0 ist, Diese Kurve wird anschließend durch die Multiplikation mit einer Konstanten skaliert, so dass alle Werte kleiner gleich 100% sind und mindestens ein Wert gleich 100% ist. Diese so erhaltene Kurve kann als Designvorschrift zum Realisieren eines Filters oder einer Beleuchtung dienen mit der Eigenschaft, dass das maximale Nutzsignal des Referenzprobenspektrums imitiert wird.
  • Die vorliegende Erfindung eröffnet überall dort Anwendungsgebiete, wo ein Spektrum erkannt werden muss und dieses gegen andere bekannte Spektren abgegrenzt werden soll. Dabei steht das Spektrum als spektrale Signatur für die (oberflächen-)charakterisierenden Eigenschaften eines Objekts. Die charakterisierenden Eigenschaften ändern sich je nach betrachtetem Wellenlängenbereich und damit auch das Anwendungsgebiet. Im UV-, nahen, mittleren und fernen IR- und Terahertzbereich können so chemische Verbindungen identifiziert werden, Hier sind Anwendungen in der Qualitätskontrolle, der Sicherheitskontrolle sowie im Laborbetrieb möglich. Desweiteren können beliebig zusammengesetzte Materialien erkannt werden. Daraus ergeben sich Anwendungen in der Materialsortierung, beispielsweise in der Schüttgutsortierung, der Mineraliensortierung oder im Recyclingbereich. Auch in der Lebensmittelindustrie sind Aufgaben in der Qualitätskontrolle mit der vorliegenden Erfindung lösbar. Verschiedene Konzentrationsunterschiede können in einem Material detektiert werden, wenn Referenzmaterialien mit unterschiedlichen Konzentrationen hinterlegt werden (quantitative Bestimmung unter Verwendung zusätzlicher Intensitäts-Vergleichswerte auf Basis einer lediglich einfachen Veränderung der spektralen Zusammensetzung (gemessen an der unbekannten Probe) und/oder auf Basis von simulierten Intensitäts-Vergleichswerten).
  • Im sichtbaren Bereich werden Spektren beobachtet, die die spektrale Zusammensetzung eines Farbeindrucks beschreiben. So können in diesem Fall neben Farbeindrücken auch metamere Farben identifiziert werden, wobei Anwendungen in der Lackherstellung sowie in Bereichen der Lackbeschichtung und Lackausbesserung möglich sind. Durch eine ausreichende Anzahl von Referenzfarben (also Proben) kann auch eine Messung in Abstufungen der Referenzfarben erfindungsgemäß durchgeführt werden.
  • Erfindungsgemäß umfasst eine Anordnung zur optischen Bestimmung einer Probe eine Strahlungsquelle zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung sowie die Probe, mittels der die elektromagnetische Strahlung der Quelle durch Reflexion an dieser und/oder durch Transmission durch diese Probe in ihrer spektralen Zusammensetzung verändert werden kann. Zudem ist ein (hinsichtlich z. B. seiner Materialeigenschaften, Zusammensetzung und/oder der Konzentration der darin enthaltenen Bestandteile) bekanntes Referenzelement vorgesehen, mittels dessen die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle ebenfalls einer Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung unterworfen werden kann. In einem Detektor der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Intensität der der mindestens zweimaligen Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung unterworfenen elektromagnetischen Strahlung erfasst werden. Schließlich kann, zur optischen Bestimmung der Probe, insbesondere zur Identifikation der Probe, eine Auswertung der Intensität (z. B. im Detektor oder auch einem nachgeschalteten Rechner) erfolgen.
  • Dabei bedeutet das Erfassen der der mindestens zweimaligen Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung unterworfenen Strahlung, dass diese Strahlung in der Regel zwar lediglich durch die Referenzprobe und die unbekannte Probe in ihrer spektralen Zusammensetzung verändert ist, es aber dennoch nicht ausgeschlossen ist, dass die spektrale Zusammensetzung der Strahlung auch noch durch weitere optische Elemente (z. B. geringfügig oder auch auf vorbekannte Art und Weise) verändert worden sein kann, bevor diese Strahlung schließlich im Detektor erfasst wird.
  • In einer vorteilhaften Variante wird in der erfindungsgemäßen Anordnung zusätzlich ein simulierter Intensitäts-Vergleichswert verwendet: Hierzu wird ein vorab bestimmtes Transmissionsspektrum, das sich ergibt, wenn die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung durch das bekannte Referenzelement hindurchgestrahlt wird, und/oder ein vorab bestimmtes Reflexionsspektrum, das sich ergibt, wenn die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung an diesem Referenzelement reflektiert wird, verwendet. Aus einem solchen Transmissionsspektrum und/oder Reflexionsspektrum kann dann, bevorzugt auf Basis einer Kreuz- oder Autokorrelation, der Intensitäts-Vergleichswert berechnet werden, der diejenige Intensität simuliert, die sich bei einer zweimaligen Veränderung der spektralen Zusammensetzung der Strahlung durch das bekannte Referenzelement ergeben würde. Die Probe kann dann unter Berücksichtigung sowohl der mit dem Detektor erfassten Intensität als auch des simulierten Intensitäts-Vergleichswertes optisch bestimmt werden (beispielsweise durch Vergleich oder Verhältnisbildung der beiden Werte).
  • Hierzu kann das Transmissions- und/oder das Reflexionsspektrum in der Anordnung, also in einem Speicher derselben (bevorzug in einem Speicher des Detektors oder einzelner Einheiten desselben) hinterlegt sein, so dass der entsprechende Intensitäts-Vergleichswert online berechnet werden kann. Ebenso ist es jedoch auch möglich, bereits entsprechend berechnete Intensitäts-Vergleichswerte in der Anordnung zu hinterlegen.
  • Somit wird die Referenzprobe einmal spektral vermessen und das entsprechende Spektrum (Transmissions- und/oder Reflexionsspektrum) wird softwareseitig hinterlegt. Im Falle des Einsatzes von mehreren Referenzproben (siehe nachfolgend) können mehrere entsprechende Intensitäts-Vergleichswerte simuliert werden. In jedem Falle geben die Intensitätswerte und die Intensitäts-Vergleichswerte Auskunft darüber, wie sehr das Spektrum der unbekannten Probe den Referenzspektren der (als Substrat oder in imitierter Form vorliegenden) Referenzelemente ähnelt.
  • In einer vorteilhaften Variante der Erfindung sind mehrere unterschiedliche, jedoch hinsichtlich ihrer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften bekannte Referenzelemente vorgesehen. Bei all diesen Referenzelementen kann jeweils die Intensität der der zweimaligen Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung mittels der Probe einerseits und dem jeweiligen Referenzelement andererseits unterworfenen elektromagnetischen Strahlung erfasst werden. In Kombination damit können zusätzlich auch mehrere Transmissionsspektren und/oder Reflexionsspektren für unterschiedliche, jedoch bekannte Referenzelemente im Detektor hinterlegt werden. In diesem Falle ist dann aus dem jeweils hinterlegten Transmissionsspektrum und/oder Reflexionsspektrum ein Vergleichswert (z. B. über eine Autokorrelationsberechnung) gewinnbar, der mit der erfassten, zweifach veränderten elektromagnetischen Strahlung verglichen werden kann. In jedem Fall erfolgt die optische Bestimmung der Probe durch Auswerten der mehreren erfassten Intensitäten, beispielsweise durch Vergleich dieser einzelnen Intensitäten untereinander, und durch Auswahl eines der bekannten Referenzelemente als mit der unbekannten Probe übereinstimmend.
  • Zum Erzeugen eines Intensitäts-Vergleichswertes, der beispielsweise zur quantitativen optischen Bestimmung verwendet werden kann, ist es alternativ oder zusätzlich zum Vorbeschriebenen auch möglich, einen weiteren Detektor vorzusehen. Mit diesem kann die Intensität einer einer Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung an der unbekannten Probe, nicht jedoch einer Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung an einem/dem bekannten Referenzelement unterworfenen, von der Strahlungsquelle ausgehenden elektromagnetischen Strahlung als Intensitäts-Vergleichswert erfasst werden. Die unbekannte Probe wird dann unter Berücksichtigung sowohl der mit dem Detektor erfassten Intensität der zweifachen spektralen Veränderung an der unbekannten Probe und der Referenzprobe, als auch des mit dem weiteren Detektor auf Basis lediglich einer einfachen spektralen Veränderung an der unbekannten Probe erfassten Intensitäts-Vergleichswertes optisch bestimmt.
  • Durch Berücksichtigung des erfassten Intensitäts-Vergleichswertes können durch den konkreten geometrischen Aufbau und/oder die Oberflächen der Referenzprobe und/oder der unbekannten Probe bedingte Intensitätsunterschiede oder -variationen berücksichtigt werden. Bei Berücksichtigung des simulierten Intensitäts-Vergleichswertes können theoretisch zu erwartende Maximalintensitäten (beim Übereinstimmen der unbekannten Probe mit einer Referenzprobe) mit hoher Genauigkeit berechnet oder abgeschätzt werden. Siehe hierzu auch die nachfolgenden Ausführungsbeispiele.
  • In einer weiteren vorteilhaften Variante ist die Probe auf Basis mindestens eines Vergleiches, insbesondere mindestens einer Verhältnisbildung, der mit dem Detektor erfassten, zweifach hinsichtlich der spektralen Zusammensetzung veränderten Intensität einerseits und des simulierten und/oder des erfassten Intensitäts-Vergleichswertes andererseits bestimmbar. Durch einen solchen Vergleich können insbesondere Massen- oder Volumenanteile oder auch Konzentrationen eines Probenbestandteils bezogen auf den entsprechenden Anteil bzw. die entsprechende Konzentration dieses Probenbestandteils in einem bekannten Referenzelement bestimmt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform können mehrere unterschiedliche, jedoch bekannte Referenzelemente vorhanden sein. Für alle diese Referenzelemente wird jeweils die Intensität der der zweimaligen Veränderung der spektralen Zusammensetzung mittels der Probe einerseits und mittels des jeweiligen Referenzelements andererseits unterworfenen elektromagnetischen Strahlung mit dem Detektor erfasst. Ergänzend oder alternativ dazu ist auch das Hinterlegen entsprechend vorab bestimmter Transmissionsspektren und/oder Reflexionsspektren solcher Referenzelemente oder auch der entsprechenden simulierten Intensitäts-Vergleichswerte möglich. Die unbekannte Probe wird dann durch Heranziehen mehrerer erfasster Intensitäten und/oder mehrerer solcher Intensitäts-Vergleichswerte optisch bestimmt.
  • Dabei ist es vorteilhaft, dass als Probe eine Probe gewählt wird, die genau mit einem bekannten Referenzelement aus einer Menge bekannter Referenzelemente übereinstimmt.
  • So kann die optische Bestimmung der Probe durch Vergleichen der erfassten Intensitäten untereinander und durch Auswahl einer dieser Intensitäten anhand eines vorbestimmten Auswahlkriteriums durchgeführt werden. Bei dem Auswahlkriterium kann es sich bevorzugt um das Maximum der Intensitätswerte handeln (es sind jedoch auch Fälle denkbar, bei denen die Bestimmung der Probe z. B. durch den minimalen Intensitätswert erfolgt). Auch kann ein funktionaler Zusammenhang, der sich aus dem Verhältnis von simulierten Intensitäts-Vergleichswerten und real gemessenen, also erfassten Intensitätswerten ergibt, als Auswahlkriterium eingesetzt werden. Es kann dann die Probe als übereinstimmend mit demjenigen Referenzelement identifiziert werden, dessen Intensität ausgewählt wurde. Somit können mehrere Einzelmessungen an unterschiedlichen Referenzelementen durchgeführt werden, wobei jede Einzelmessung mit jeder anderen Einzelmessung hinsichtlich des erfassten Intensitätswertes verglichen wird. Eine Messung mit maximaler Intensität kann das unbekannte Material als Referenzmaterial identifizieren.
  • Ebenso ist es möglich, für ein oder mehrere bekannte(s) Referenzelement(e) jeweils einen Intensitäts-Vergleichswert zu erzeugen, der die Intensität simuliert, die sich bei einer zweimaligen Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung durch ein entsprechendes Referenzelement ergeben würde (auf Basis des vorab bestimmten Transmissions- und/oder Reflexionsspektrums dieses Referenzelementes). Die Probe kann dann durch Vergleich des/r Intensitäts-Vergleichswerte(s) mit der durch den Detektor erfassten Intensität optisch bestimmt werden. Der Vergleichswert kann auch gewonnen werden, indem als ”unbekannte” Probe zunächst eine mit einem bekannten Referenzelement übereinstimmende Probe eingesetzt wird und die zweimal veränderte Intensität mit dem Detektor erfasst wird.
  • Wird dann später eine unbekannte Probe mit der Anordnung vermessen, so kann diese Probe durch Vergleich der für sie erfassten Intensität mit dem vorab bestimmten Intensitäts-Vergleichswert optisch bestimmt werden. Vorzugsweise erfolgt dabei eine Bewertung der unbekannten Probe als mit einem bekannten Referenzelement übereinstimmend, wenn die für die unbekannte Probe erfasste Intensität um weniger als einen vorbestimmten Prozentsatz vom Intensitäts-Vergleichswert dieses Referenzelements abweicht (Intensitäts- Vergleichswert als 100% definiert).
  • Aufbauend darauf sind erfindungsgemäß auch Auswertungen denkbar, bei denen das Verhältnis der für eine unbekannte Probe erfassten Intensität zu mehreren Referenzproben, z. B. zu zwei Referenzproben, die als oberes und unteres Grenzmuster benutzt werden, bestimmt wird: Ein beobachteter, absoluter, normierter Intensitätswertunterschied (im Vergleich zu den hinterlegten Intensitäts-Vergleichswerten für die Grenzmuster-Referenzproben) kann dabei angeben, wo zwischen den Grenzmustern die unbekannte Probe anzutreffen ist.
  • Somit kann erfindungsgemäß eine Qualitätssicherung realisiert werden, indem verschiedene Grenzmuster entsprechend verschiedener Referenzelemente hinterlegt werden (und ggf. auch ein oder mehrere Gutmuster für entsprechende Referenzelemente, die definierten Qualitätskriterien vollständig entsprechen). Dabei kann es auch sinnvoll sein, Referenzelemente bzw. zugehörige Intensitäts-Vergleichswerte zu verwenden bzw. zu hinterlegen, die bestimmte Qualitätsanforderung eindeutig nicht mehr erfüllen. Zur optischen Bestimmung der konkreten unbekannten Probe können dann einzelne Verhältnisse zwischen der erfassten Intensität dieser Probe und den vorab bestimmten und hinterlegten Intensitäts-Vergleichswerten gebildet und verglichen werden (dabei können die einzelnen Intensitäten erfasst werden, die sich ergeben, wenn eine der Veränderungen der spektralen Zusammensetzung an der Probe und die andere Veränderung am Gutmaterial und/oder am Schlechtmaterial stattfindet). Die Auswertung aller Kombinationen von Verhältnissen von Intensitäten ist dabei denkbar. Dabei kann in einem Einlernprozess ein Kennfeld (beispielsweise eine Look-up-Tabelle LUT) aufgestellt werden, welches diese Intensitätsverhältnisse klassifiziert. In einem späteren Online-Prozess des Erfassens von Intensitätswerten für unbekannte Proben kann dann für jedes Verhältnis bzw. jede Kombination von Verhältnissen in der LUT das Klassifizierungsergebnis ermittelt werden und eine Entscheidung darüber getroffen werden, ob die Qualitätsanforderungen für die einzelnen unbekannten Proben erfüllt sind.
  • Erfindungsgemäß können Referenzelemente in Form von Referenzprobensubstraten, insbesondere in Platten- oder in Scheibenform, verwendet werden. Ein solches Referenzprobensubstrat enthält dann mindestens ein bekanntes Material, an dem und/oder durch das die elektromagnetische Strahlung der Quelle reflektierbar und/oder transmittierbar ist, um die Veränderung der spektralen Zusammensetzung der Strahlung entsprechend des Referenzelementes zu bewirken. Es ist auch denkbar, mit Lösungen, Emulsionen oder gepressten Pulvern als Referenzelemente zu arbeiten.
  • Auch sind Referenzelemente in Form von Referenzfiltern bekannter Eigenschaften möglich: Solche Filter imitieren das Reflexionsspektrum und/oder das Transmissionsspektrum eines bekannten Referenzprobensubstrats. Das heißt, eine auf den Referenzfilter einfallende elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle wird beim Hindurchtritt durch den Referenzfilter so verändert, dass ihr das Reflexionsspektrum und/oder Transmissionsspektrum des entsprechenden Referenzprobensubstrats, das imitiert werden soll, aufgeprägt wird. Ein solcher Referenzfilter verändert dann die spektrale Zusammensetzung der Strahlung ebenso, wie wenn ein entsprechendes Referenzprobensubstrat eingesetzt werden würde. Solche Filter können insbesondere als Interferenzfilter ausgebildet sein.
  • Auch imitierende Referenzelemente in Form von refraktiven Anordnungen sind möglich: Mit einer solchen refraktiven Anordnung kann ebenfalls das Transmissionsspektrum und/oder Reflexionsspektrum eines an sich bekannten Referenzprobensubstrats imitiert werden, indem die Strahlung zunächst wellenlängenabhängig aufgespalten wird und danach zum Erzeugen des zu imitierenden Spektrums wellenlängenabhängig geschwächt wird. Eine solche refraktive Anordnung kann dabei eine Blende (Spaltblende) gefolgt von einem refraktiven optischen Element (Prisma), das strahlenausgangsseitig mit einer vordefinierten, bekannten Schwächungsmaske entsprechend des herzustellenden Spektrums versehen ist, aufweisen. Dabei muss in der Regel zum Herstellen einer geeigneten diffusen Beleuchtung (mit dem so hergestellten Spektrum) für die unbekannte Probe ein optischer Diffusor im Strahlengang zwischen Schwächungsmaske und der Probe vorgesehen sein.
  • Auch sind Referenzelemente möglich, die die Reflexion an einem und/oder die Transmission durch ein an sich bekannten/s Referenzprobensubstrat mittels einer geeigneten Ausbildung der Strahlungsquelle imitieren, also das Reflexionsspektrum und/oder das Transmissionsspektrum dieses Referenzprobensubstrats mit Hilfe der Strahlungsquelle nachbilden (die Strahlungsquelle bildet in diesem Fall somit gleichzeitig auch das Referenzelement). Hierbei geschieht die erfindungsgemäße Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle am bekannten Referenzelement dadurch, dass die Strahlungsquelle zum Erzeugen des gewünschten Reflexions- und/oder Transmissionsspektrums ausgebildet wird.
  • Hierzu kann die Strahlungsquelle oder ein Teil derselben eine Vielzahl einzelner, nebeneinander angeordneter, schmalbandiger Quellen unterschiedlicher bekannter spektraler Verteilung in Verbindung mit einem im Strahlengang dieser Quellen angeordneten optischen Diffusor verwenden. Auch kann die spektrale Intensitätsverteilung dieser einzelnen schmalbandigen Quellen je nach zu imitierendem Referenzprobensubstrat variabel gestaltet sein, um im Verlauf der Messung unterschiedlicher Referenzprobensubstrate zu simulieren. Dabei können die einzelnen spektralen Lichtkanäle so miteinander gemischt werden, dass ein gewünschtes Spektrum entsteht (gesucht ist dabei eigentlich eine Linearkombination der einzelnen Kanäle, die das Spektrum am besten annähert). Entsprechende kommerzielle Produkte sind dem Fachmann bekannt, siehe beispielsweise unter www.laser2000.de.
  • Erfindungsgemäß können somit mehrere unterschiedliche, bekannte Referenzelemente vorhanden sein oder auch imitiert werden, wobei diese Referenzelemente entweder zeitlich parallel bestrahlt (insbesondere durch Verwendung einer Anordnung mit mehreren Strahlteilern) oder auch imitiert werden können. Ebenso ist es jedoch denkbar, die einzelnen Referenzelemente nacheinander zu bestrahlen oder auch zu imitieren, in ersterem Fall insbesondere durch Vorsehen einer mehrere einzelne Quellen umfassenden Strahlungsquelle, wobei die einzelnen Quellen nacheinander an und wieder ausgeschaltet werden können, und/oder auch einer Transportvorrichtung für die Probe (insbesondere: Förderband), mit der die zu bestimmende Probe nacheinander an einzelnen (dauerhaft angeschalteten) Quellen der Strahlungsquelle vorbei transportiert werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung kann dabei so gestaltet sein, dass die Veränderung der spektralen Zusammensetzung der Strahlung mittels der Probe zeitlich gesehen vor derjenigen der/des Referenzelemente(s) erfolgt. Ebenso ist es jedoch denkbar, dass zunächst die Veränderung der spektralen Zusammensetzung über das/die Referenzelement(e) erfolgt, bevor schließlich die weitere Veränderung der Spektralzusammensetzung über die Probe erfolgt.
  • Insbesondere zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses kann die Anordnung so ausgebildet sein, dass Mehrfachreflexionen der zu verändernden elektromagnetischen Strahlung zwischen dem/den Referenzelement(en) und der Probe stattfindet, bevor die elektromagnetische Strahlung bzw. ihre Intensität schließlich mit dem Detektor erfasst wird.
  • Der Detektor kann mehrere einzelne Detektoreinheiten (z. B. einzelne Kameras wie beispielsweise CCD-Kameras) umfassen, wobei die einzelnen Detektoreinheiten so angeordnet sind, dass mit jeder Detektoreinheit eine zweimal hinsichtlich ihrer spektralen Zusammensetzung veränderte elektromagnetische Strahlung der Quelle erfasst werden kann. Der Detektor oder dessen einzelne Detektoreinheiten (ebenso auch der weitere Detektor) können zur punktförmigen, zur zeilenförmigen oder auch zur flächigen Erfassung ausgebildet sein. Eine auch ortsaufgelöste Intensitätserfassung ist somit möglich. Anstelle von CCD-Kameras in Flächen- oder Zeilenform können auch Fotodioden als Detektor(einheiten) verwendet werden.
  • Als Strahlungsquelle ist bevorzugt eine polychromatische Strahlungsquelle vorzusehen, die Licht über einen vordefinierten Spektralbereich emittiert. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, eine monochromatische Strahlungsquelle zu verwenden und dennoch ein (zweifach verändertes) polychromatisches Spektrum integral zu erfassen. Da jedoch ein normierter Kreuzkorrelationskoeffizient der beiden beteiligten Spektren realisiert werden soll, kann ein rein monochromatischer Betrieb der Anordnung nur schwer realisiert werden, es muss somit in der Regel eine gewisse chromatische Breite vorhanden sein, damit sich Unterschiede im Verlauf der Spektren ausreichend auswirken können.
  • Die betrachtete Bandbreite der polychromatischen Strahlungs- bzw. Lichtquelle ergibt sich aus dem Zusammenspiel der Beleuchtung und der Empfindlichkeit des verwendeten Detektors. Dabei sollten die folgenden Bedingungen erfüllt sein:
    • • Der Verlauf der zu untersuchenden Probe sollte sich unterscheiden.
    • • Der spektrale Bereich der Lichtquelle muss nicht, kann aber zusammenhängend sein.
  • Aus Anwendersicht ist die Bandbreite einerseits so groß zu wählen, dass ausreichend Licht auf den Detektor trifft und andererseits so eng zu wählen, dass die Spektren sich in ihrer Form im gewählten Intervall gut unterscheiden. Als Einschränkung wirkt hier insbesondere auch die spektrale Empfindlichkeit des Detektors.
  • Auch die Strahlungsquelle kann mehrere einzelne Quellen umfassen, die dann beabstandet voneinander angeordnet sind und mit denen mehrere Referenzelemente gleichzeitig oder auch zeitlich nacheinander bestrahlt werden können.
  • Vorteilhafterweise erfolgt erfindungsgemäß eine Kalibrierung der Anordnung über ein Erfassen oder Berechnen sowie ein Hinterlegen derjenigen Intensität(en), die sich beim Einsatz eines oder mehrerer bekannten/r Referenzelemente(s) als „unbekannte” Probe, also bei zweimaliger Veränderung der spektralen Zusammensetzung der Strahlung durch ein und dasselbe Referenzelement ergibt/ergeben. Mit diesem Kalibrierprozess können auch weitere Einflüsse (z. B. geometrisch bedingte Unterschiede bei der Erfassung der Intensitäten für einzelne Referenzelemente oder auch z. B. durch Strahlteilung bedingte Intensitätsunterschiede) berücksichtigt werden. In der Regel ist eine solche Kalibrierung zum Erzielen einer befriedigenden Genauigkeit notwendig, weil bei der Anordnung mehrere Intensitäten miteinander verglichen werden. Dieser Vergleich ist in der Regel nur dann sinnvoll, wenn die gemessenen Intensitäten z. B. softwareseitig vorher normiert worden sind. Die Normierungsfaktoren werden also gemessen, indem eine zweifache Veränderung der Strahlung an einer Referenzprobe erfolgt. Zur Normierung kann die Wurzel der beobachteten Intensität eingesetzt werden.
  • Eine Probe (bzw. mehrere unterschiedliche Oberflächenabschnitte oder Teile derselben) kann erfindungsgemäß auch ortsaufgelöst erfasst werden, insbesondere indem die einzelnen Elemente der optischen Anordnung gemäß der Erfindung dergestalt positioniert und ausgerichtet werden, dass die unterschiedlichen Oberflächenabschnitte der Probe parallel bestrahlt, abgebildet und somit auch gleichzeitig optisch bestimmt werden können.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 3r in der Regel die elektromagnetische Strahlung vor Einfall auf ein Referenzelement, 3p in der Regel die elektromagnetische Strahlung vor Einfall auf die zu bestimmende Probe und 3 in der Regel die von dem/den Detektor(en) erfasste, in ihrer spektralen Zusammensetzung veränderte elektromagnetische Strahlung.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Beispiel, bei dem mehrere Referenzelemente parallel mit Hilfe einer Strahlteileranordnung abgetastet werden.
  • 2 ein entsprechenden Beispiel, das eine Probe ortsaufgelöst abtastet.
  • 3 ein Beispiel, bei dem ein Reflexionsspektren vorab bestimmt und im verwendeten Detektorsystem hinterlegt werden.
  • 4 ein Beispiel, bei dem verschiedene Referenzelemente zeitlich nacheinander abgetastet werden durch zu unterschiedlichen Zeiten betriebene einzelne Quellen der Strahlungsquelle.
  • 5 ein Beispiel, bei dem unterschiedliche Referenzelemente zeitlich nacheinander abgetastet werden, indem die zu bestimmende Probe mittels einer Transportvorrichtung an diesen vorbeigeführt wird.
  • 6 ein Beispiel, bei der die Transmission durch eine Referenzprobe ausgenutzt wird.
  • 7 ein Beispiel, bei dem Referenzprobenmaterial als Filter eingesetzt wird.
  • 8 ein Beispiel, bei dem ein ein Referenzprobensubstrat imitierendes Referenzelement in Form einer refraktiven Anordnung eingesetzt wird.
  • 9 ein Beispiel, bei dem ein Referenzelement imitiert wird, also das Reflexionsspektrum oder dass Transmissionsspektrum eines Referenzprobensubstrats durch geeignete Ausbildung der Strahlungsquelle imitiert wird.
  • 10 ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mehrfachreflexion zwischen der zu bestimmenden Probe und einem Referenzprobensubstrat erfolgt.
  • 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung zur Identifizierung einer unbekannten Probe 1. Die Probe 1 wird mit einer polychromatischen Lichtquelle 2 bestrahlt (3p ist hier das noch nicht in seiner spektralen Zusammensetzung veränderte, von der Strahlungsquelle 2 emittierte Licht, das auf die Oberfläche der Probe 1 einfällt und von dieser Oberfläche reflektiert wird).
  • Das an der Oberfläche der zu identifizierenden Probe 1 reflektierte, einmalig durch die Probe in seiner spektralen Zusammensetzung veränderte Licht 3r der Strahlungsquelle 2 wird über eine Fokussierlinse 10 auf eine insgesamt drei halbdurchlässige Spiegel 11a, 11b und 11c umfassende Strahlteileranordnung 8 gelenkt: Die Linse 10 ist dabei so angeordnet, dass das von der Oberfläche der Probe 1 reflektierter Licht 3r parallel abgestrahlt wird (die reflektierende Oberfläche der Probe 1 ist somit in der Brennebene der Sammellinse 10 angeordnet).
  • Dieses einmal in der spektralen Zusammensetzung veränderte Licht 3r wird nun mit Hilfe der Strahlteileranordnung 8 auf mehrere Referenzprobensubstrate 4a bis 4d fokussiert.
  • Hierzu umfasst die Strahlteileranordnung insgesamt drei im parallelen Strahlengang 3r hinter der Linse 10 hintereinander und beabstandet voneinander angeordnete halbdurchlässige Strahlteiler 11a bis 11c, durch die jeweils Anteile des einmal spektral veränderten Lichts 3r durch Reflextion ausgekoppelt und über weitere Fokussierlinsen 12a bis 12c auf drei entlang des parallelen Strahlengangs 3r hintereinander angeordnete, unterschiedliche Referenzprobenelemente 4a bis 4c fokussiert werden. Hierzu sind die bestrahlten Oberflächen der unbekannten Probe 1 und der Referenzprobensubstrate 4a bis 4c sowie die drei Strahlteiler 11a bis 11c senkrecht zur in 1 dargestellten Ebene angeordnet. (Die Probe 1 einerseits und die drei Referenzprobensubstrate 4a bis 4c andererseits stehen dabei senkrecht zueinander; die drei Strahlteiler 11a bis 11c sind unter einem Winkel von 45° hierzu angeordnet. Die Winkel können aber auch so gewählt werden, dass maximal Licht reflektiert wird; d. h. z. B. Einfallswinkel = Ausfallswinkel.)
  • Der am ersten, der Probe 1 zugewandten Strahlteiler 11a reflektierte Anteil des Lichts 3r wird über die erste Fokussierlinse 12a auf das erste Referenzprobensubstrat 4a fokussiert. Der durch den Strahlteiler 11a transmittierte und am in Strahlrichtung gesehen hinter dem Strahlteiler 11a angeordneten zweiten Strahlteiler 11b reflektierte Anteil des Lichts 3r wird durch die zweite Fokussierlinse 12b auf das zweite Referenzprobensubstrat bzw. dessen Oberfläche 4b fokussiert. Der vom zweiten Strahlteiler 11b durchgelassene und am dritten Strahlteiler 11c reflektierte Anteil des Lichts 3r wird durch die dritte Fokussierlinse 12c auf die Oberfläche des dritten Referenzprobensubstrats 4c fokussiert.
  • Schließlich ist in dem von der Fokussierlinse 10 parallel gerichteten Strahlengang hinter dem dritten Strahlteiler 11c eine weitere Fokussierlinse 12d angeordnet, in deren Brennebene die Oberfläche eines weiteren, vierten Referenzprobensubstrats 4d angeordnet ist. Der durch die drei Strahlteiler 11a bis 11c transmittierte Anteil des Lichts 3r wird somit auf die Oberfläche dieses vierten Referenzprobensubstrats fokussiert.
  • Jedem der vier Referenzprobensubstrate 4a bis 4d ist nun eine die reflektierende Oberfläche des jeweiligen Referenzprobensubstrats beobachtende Kamera eines Detektors 5 zugeordnet. Dieser Detektor 5 umfasst hier somit vier Kameras 5a bis 5d, die jeweils die der zweifachen Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung (erste Veränderung durch Reflexion an der unbekannte Probe 1, zweite Veränderung durch Reflexion am jeweiligen Referenzprobensubstrat 4a bis 4d) unterworfene elektromagnetische Strahlung von der Strahlungsquelle 2 erfassen (hier mit dem Bezugszeichen 3 versehen).
  • Dabei wird von den einzelnen Kameras 5a bis 5d jeweils die Intensität der zweifach in ihrer spektralen Zusammensetzung veränderten elektromagnetischen Strahlung 3 erfasst und ausgewertet.
  • Breitbandiges Licht der Quelle 2 trifft somit auf die unbekannte Probe 1 und wird mit der Linse 10 auf alle möglichen Referenzprobensubstrate 4a bis 4d optisch scharf abgebildet. Die Strahlteiler 11a bis 11c der Strahlteileranordnung 8 werden so angeordnet, ausgerichtet und eingestellt, dass auf alle Referenzproben 4a bis 4d die gleiche Intensität trifft (alternativ dazu können die geometrisch und durch die Eigenschaften der Strahlteiler bedingt unterschiedlich auf die Proben 4a bis 4d auftreffenden Intensitätsanteile auch durch eine entsprechende Kalibrierung berücksichtigt werden). Dabei werden die Abbildungsparameter wie beispielsweise Betrachtungswinkel, Beleuchtungsintensität, Beleuchtungsspektrum usw. für alle Kameraabbildungen 5a bis 5d konstant gehalten. Die einzelnen Kameras 5a bis 5d betrachten somit das jeweilige Zwischenbild auf ihrer zugeordneten Referenzprobe 4a bis 4d.
  • Um die Probe zu identifizieren, werden in einem angehängten softwareseitigen Schritt in dem Detektor 5 (der einen hier nicht gezeigten, den einzelnen Kameras 5a bis 5d nachgeschalteten PC umfassen kann) die von den einzelnen Kameras 5a bis 5d erfassten Intensitätswerte verglichen. Aufgrund der vorbeschriebenen Eigenschaft der Autokorrelation kann dann eine der Referenzproben 4a bis 4d durch Auswahl des Maximums der durch die Kameras 5a bis 5d erfassten Intensitäten (bzw. kalibrierten Intensitäten) identifiziert werden: Die Kamera mit dem maximalen Intensitäts- oder Grauwert identifiziert ihre dazugehörige Referenzprobe als diejenige Probe, die mit der unbekannten Probe 1 übereinstimmt (oder von allen Referenzproben 4a bis 4d der unbekannte Probe 1 in ihren Eigenschaften zumindest am nächsten kommt). Das Maximumkriterium sollte dabei in der Regel auf normierte Messungen angewandt werden.
  • 2 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem mehrere unterschiedliche unbekannte Proben 1a bis 1c (die auch Teilabschnitte ein und derselben unbekannten Probe sein können) zeitlich parallel identifiziert werden können. Der Aufbau folgt hierbei grundsätzlich dem in 1 gezeigten Fall, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschreiben werden.
  • Die hier drei zu identifizierenden Proben 1a bis 1c werden am Ort der unbekannte Probe 1 in 1 nebeneinander so angeordnet, dass ihre Oberflächen durch die Optik 10 bis 12 jeweils auf unterschiedliche Positionen auf den Oberflächen der vier Referenzproben 4a bis 4d und somit auch auf unterschiedliche Positionen im Kamerabild der Kameras 5a bis 5d optisch scharf abgebildet werden. (3ra zeigt den Strahlengang für die Abbildung der ersten Probe 1a, 3rb denjenigen für die zweite Probe 1b und 3rc denjenigen für die dritte Probe 1c; die zweifach hinsichtlich ihrer spektralen Zusammensetzung veränderte Strahlung 3 ist hier – wie auch in 1 – aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich für zwei der vier Kameras eingezeichnet). Die durch die Kameras erfassten Intensitätswerte werden dann – entsprechend der Probenlage – ortsaufgelöst verglichen. Somit kann mit einer Aufnahme in den einzelnen Kameras 5a bis 5d jede einzelne Probe 1a bis 1c für sich identifiziert werden.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine ähnliche Anordnung wie im in den 1 und 2 gezeigten Fall verwendet wird, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden.
  • In 3 ist jedoch lediglich ein Strahlteiler 11a, mit dem ein Teil der von der unbekannten Probe 1 reflektierten Strahlung über die Fokussierlinse auf die hier einzige Referenzprobe 4a geführt wird, vorhanden (das zweimalig in seiner spektralen Zusammensetzung durch Reflexion an der unbekannten Probe 1 und an der Referenzprobe 4a veränderte Licht wird dann durch die Kamera 5 erfasst). Anstelle des Strahlteilers 11b in 1 und 2 ist ein Spiegel vorgesehen, mit dem der vom Strahlteiler 11a durchgelassene Strahlungsanteil über die Fokussierlinse 12b auf einen weiteren Detektor 5' abgebildet wird. Dieser Strahlung 3 wird somit lediglich eine einfache spektrale Veränderung durch Reflexion an der unbekannten Probe 1 aufgeprägt, bevor ihre Intensität im weiteren Detektor 5' erfasst wird. Somit wird das zweimal in seiner spektralen Zusammensetzung veränderte Licht 3 durch die Optik 10, 11a und 12a scharf auf die Oberfläche der Referenzprobe 4a fokussiert, wohingegen das lediglich einmal in seiner spektralen Zusammensetzung veränderte Licht 3' durch die Optik 10, 11b und 12b scharf die Bildebene der weiteren Kamera 5' fokussiert wird.
  • Die Kamera 5 und die weitere Kamera 5' sind hier mit einer Recheneinheit in Form eines PC (nicht gezeigt) verbunden. Im PC ist das Referenzprobenspektrum (hier: das Reflexionsspektrum) der Referenzprobe 4a hinterlegt, Mit Hilfe eines in einem Speicher des PC befindlichen Rechenprogramms kann, mit Hilfe von dem Fachmann an sich bekannten Kreuz- oder Autokorrelationsalgorithmen aus dem hinterlegten Reflexionsspektrum der Referenzprobe 4a und unter Berücksichtigung der von der weiteren Kamera 5' erfassten Intensität des lediglich durch die unbekannte Probe 1 hinsichtlich der spektralen Zusammensetzung veränderten Lichts 3' derjenige Intensitätswert berechnet werden, der sich ergeben würde, wenn die unbekannte Probe 1 mit der Referenzprobe 4a übereinstimmen würde.
  • Diese so berechnete, theoretische Intensität kann dann dazu dienen, den Grad an Übereinstimmung zwischen der unbekannten Probe 1 und der Referenzprobe 4a quantitativ zu bestimmen. So kann beispielsweise als Referenzprobe 4a eine Probe mit 100% Alkohol eingesetzt werden. Die berechnete theoretische Intensität entspricht dann derjenigen Intensität, die mit der Kamera 5 erfasst werden würde, wenn die unbekannte Probe 1 ebenfalls 100% Alkohol enthielte. Durch einen geeignet vorab durchgeführten Kalibrierprozess, in dem für ”unbekannte” Proben 1 mit unterschiedlichen, bekannten Alkoholgehalten die jeweils durch die Kameras 5 und 5' erfassten Intensitäten in Relation zur berechneten theoretischen Intensität gesetzt werden, können anschließend unbekannte Proben 1 hinsichtlich ihres Alkoholgehaltes bestimmt werden.
  • Im gezeigten Fall wird somit im PC auf Basis des hinterlegten Reflexionsspektrums ein Intensitäts-Vergleichswert hinterlegt, der die Intensität simuliert, der sich bei einer zweimaligen Veränderung der spektralen Zusammensetzung des Lichts der Strahlungsquelle 2 durch Reflexion am bekannten Referenzelement 4a ergeben würde. Ebenso wird über die weitere Kamera 5' ein Intensitäts-Vergleichswert erfasst, der einer lediglich einmaligen spektralen Veränderung des Lichts an der unbekannten Probe 1 entspricht. Die unbekannte Probe 1 wird dann unter Heranziehen sowohl des erfassten als auch des simulierten Intensitäts-Vergleichswerts, also der durch Berechnung auf Basis des hinterlegten Referenzprobenspektrums gewonnenen und der mit Hilfe der weiteren Kamera 5' gewonnenen Intensitätsinformationen optisch bestimmt. Neben der (über die Kamera 5) gemessenen zweifachen Veränderung der spektralen Zusammensetzung wird somit auch eine lediglich einfache Veränderung der spektralen Zusammensetzung des Lichts gemessen (weitere Kamera 5'). Anschließend erfolgt ein Vergleich der gemessenen Intensität der zweifachen Veränderung mit der theoretisch unter Berücksichtigung sowohl des mit der weiteren Kamera 5' erfassten Intensitäts-Vergleichswertes als auch des im PC simulierten Intensitäts-Vergleichswerts gewonnenen Intensität desselben Referenzmaterials.
  • Bei geringeren Genauigkeitsanforderungen der Probenbestimmung ist es jedoch auch möglich, die optische Bestimmung lediglich auf Basis der von den beiden Kameras 5 und 5' erfassten Intensitäten (also ohne Verwendung des im PC hinterlegten Reflexionsspektrums der Referenzprobe 4a) oder auch lediglich unter Verwendung der von der Kamera 5 aufgenommenen Intensität und der rechnerisch aus den hinterlegten Reflexionsspektrum gewonnenen Intensitätsinformationen (das heißt ohne Verwendung der von der weiteren Kamera 5' aufgenommenen Intensität) durchzuführen.
  • Werden mehrere Referenzmaterialien (hier nicht gezeigt) zum quantitativen Vergleich mit der unbekannten Probe eingesetzt, so muss vorab jedes der zu testenden Referenzprobenmaterialien spektral vermessen werden, um das entsprechende Spektrum hinterlegen zu können. Die Referenzmaterialien werden also ergänzt durch die Kamera 5', die die einfache Veränderung beobachtet, und für jedes Referenzmaterial wird zusätzlich ein simulierter Intensitätswert berechnet.
  • Der Messprozess läuft dann wie folgt:
    Zunächst Kalibrierung und spektrale Vermessung entsprechender Referenzproben (vergleiche 4a bis 4d in 1). Mit den Kameras 5, ..., 5' werden dann entsprechende Intensitäten erfasst. Schließlich wird für jedes Referenzmaterial das Ergebnis simuliert, das sich ergeben würde, wenn als unbekannte Probe das Referenzmaterial vorliegen würde. Dazu wird auf Grundlage des Intensitätswerts der einfachen Veränderung der spektralen Zusammensetzung der zu erwartende Intensitätswert für alle beteiligten zweifachen Veränderungen der spektralen Zusammensetzung berechnet. Dazu wird jeweils angenommen, es handele sich bei dem unbekannten Probenmaterial 1 um das jeweilige Referenzmaterial. Da das (hier: Reflexions-)Spektrum der Referenzmaterialien bekannt ist, kann mit Hilfe des PC der zu erwartende Intensitätswert bei zweifacher Veränderung der spektralen Zusammensetzung (bzw. zweifacher Modulation des Spektrums) mikroprozessorbasiert berechnet werden. Dieser zu erwartende Intensitätswert bildet dann ein Maximum, wenn als unbekanntes Material 1 tatsächlich eines der Referenzmaterialien vorliegt, da in diesem Fall die simulierte Intensität gleich der beobachteten ist. Weicht dagegen das unbekannte Material 1 in seinem Spektrum vom Referenzmaterial ab, so ergibt sich eine Differenz zwischen simulierter und beobachteter Intensität, welche kleiner ist. Diese Differenz steht in einem funktionalen Zusammenhang mit der Quantität eines spektralen Anteils.
  • Beispielsweise kann so auch ein Alkoholgehalt einer unbekannte Probe 1 gemessen werden, welcher sich durch die Höhe eines Peaks bei einer Wellenlänge von 500 nm quantitativ bestimmen lässt. Als Referenzmaterial wird 100% Alkohol benutzt und auch die Intensität bei einfacher Veränderung der spektralen Zusammensetzung gemessen. Je nach Abweichung der unbekannte Probe 1 ergibt sich eine stärkere oder schwächere Differenz zwischen simulierter Intensität (100% Alkohol, bei zweifacher Veränderung der spektralen Zusammensetzung) und tatsächlich beobachteter Intensität (beispielsweise bei einer ersten Modulation an einer unbekannte Probe: 50%; bei einer zweiten Modulation an der Referenzprobe: 100%). Durch einen Lernprozess oder einen Kalibrierprozess kann in einer Tabelle (LUT) nachgeschaut werden, wie hoch der tatsächliche Alkoholgehalt ist.
  • Die Variante aus 3 (Simulation auf Basis von einmal moduliertem Licht und Vergleich zum beobachteten zweimal modulierten Licht) hat als Auswertung einen Vergleich, insbesondere ein Verhältnis, welcher/s in einem beliebig gearteten funktionalen Zusammenhang mit einer interessierenden quantitativen Größe steht, zur Folge. Dies kann auch ein spektraler Anteil sein, der sich unterschiedlich stark durchsetzt bzw. der unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Das Vorgehen hat letztendlich zur Folge, dass die unbekannte Probe nicht mehr genau einer Referenzprobe entsprechen muss, sondern einer Zusammensetzung aus einer Referenzprobe und einem überlagerten spektralen Anteil. Die Überlagerung muss jedoch in der Regel so eindeutig sein, dass sich aus dem Verhältnis von simulierter (einmal spektral veränderter) Intensität und beobachteter (zweimal spektral veränderter Intensität, vergleiche Kamera 5) ein eindeutiger funktionaler Zusammenhang ergibt.
  • Das vorbeschriebene Vorgehen kann auch bei der Qualitätssicherung eingesetzt werden: Hier gilt es Abweichungen von einem bekannten Soll zu finden, somit ist die Abweichung a priori nicht bekannt. Oft können aber Schlechtmaterialien definiert werden, die eindeutig nicht die Qualitätsanforderungen erfüllen. Ziel ist es nun ein Intervall zu definieren von Gut zu Schlecht. Wird nur ein Gutmaterial als obere Grenze benutzt, dann kann eine Abweichung davon unendlich viele unterschiedliche Einflüsse haben. Ist zusätzlich ein Schlechtmaterial vorhanden, kann geprüft werden, ob es eine Annäherung an das Schlechtmaterial gibt. Somit kann ein Vertrauensintervall aufgespannt wird mit oberer und unterer Grenze.
  • Dieses Beispiel zeigt zudem, dass erfindungsgemäß auch lediglich der Einsatz eines einzigen bekannten Referenzelementes 4a ausreichend sein kann.
  • Nachfolgend folgen Beispiele, wie die Berechnung in den in den 1 und 3 gezeigten Fällen erfolgen kann:
    I0(l): Intensität Beleuchtung
    Su(λ): Spektrum der unbekannten Probe
    SR(λ): Spektrum der Referenzprobe
    g: Grauwert der Kamera
    m: normierte Messung
    c: Normierungskonstante
    zu 1 (am Beispiel lediglich der Kameras 5a und 5b, nachfolgend auch als 1. Kamera K1 und als 2. Kamera K2 bezeichnet):
    Figure 00420001
    c: Ersetze Su durch SR
    Figure 00420002
    Su = max < m1; m2 >
  • Der allgemeine mathematische Hintergrund des normierten Kreuzkorrelationskoeffizienten nkk ist wie folgt:
    S1(λ): Spektrum aufgefasst als Funktion über λ
    S2(λ): Spektrum aufgefasst als Funktion über λ
    Figure 00430001
    (Normierungsfaktoren im Nenner)
  • Im Zusammenhang mit vorbeschriebenem Vorgehen:
    S1 = Su = unbekanntes Spektrum und
    S2 = SR = Referenzspektrum
    Figure 00430002
    mit g1 = Grauwert Kamera 1, g2 = Grauwert Kamera 2, c1 und c2 über Kalibrierprozess und cu = unbekannter, sich aber kürzender Faktor.
  • Es folgt
    Figure 00440001
    zur 3 entsprechend K1 entspricht Kamera 5' und K2 entspricht Kamera 5):
    g: Grauwert
    g': simulierter Grauwert
    g1: ∫I0Sudλ
    g2: ∫I0Su·SRdλ
    SR: einmalig vermessen und bekannt Annahme: Su = SR
    ⇒ Simulation (Berechnung von 2 × Modulation an K1)
    Figure 00440002
    (Su und SR beschreiben auch den Einfluss der Helligkeit)
    Ergebnis: interessierende Größe
    Figure 00450001
  • Der funktionale Zusammenhang lässt sich durch geeignete Messreihen herausfinden.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem nun nicht wie in den 1 und 2 zunächst die Veränderung der spektralen Zusammensetzung an der unbekannten Probe und anschließend erst an den Referenzprobensubstraten erfolgt, sondern umgekehrt. Dazu ist eine Strahlungsquelle 2 vorgesehen, die hier mehrere einzelne beidseits der unbekannte Probe 1 positionierte, hinsichtlich ihrer Spektren identische Quellen 2a und 2b umfasst, Die Quelle 2a ist so positioniert, dass von ihr ausgehendes Licht 3r auf ein erstes Referenzprobensubstrat 4a einfällt, an diesem reflektiert wird, auf die unbekannte Probe 1 einfällt 3p und von dort in den hier eine einzige Kamera 5 umfassenden Detektor reflektiert wird. Die zweite Quelle 2b ist so positioniert, dass das von ihr emittierte Licht an einem zweiten, unterschiedlichen Referenzprobensubstrat 4b reflektiert wird, ebenfalls auf die unbekannte Probe 1 einfällt und von dort in die Kamera 5 reflektiert wird.
  • Die Beleuchtung der beiden unterschiedlichen Referenzprobensubstrate 4a und 4b erfolgt nun nacheinander: Zunächst wird (Quelle 2b ausgeschaltet) die erste Quelle 2a eingeschaltet, also von der Kamera 5 die von den Proben 4a und 1 zweifach spektral veränderte elektromagnetische Strahlung hinsichtlich ihrer Intensität vom Detektor 5 aufgenommen und ausgewertet. Anschließenden wird die Quelle 2a ausgeschaltet und die zweite Quelle 2b eingeschaltet, um das durch die Proben 4b und 1 zweifach in seiner spektralen Zusammensetzung veränderte Licht bzw. dessen Intensität in der Kamera 5 nachzuweisen. Die Identifikation der unbekannte Probe 1 kann dann wie zu 1 beschrieben, erfolgen.
  • Im vorliegenden Fall werden somit unterschiedliche Referenzprobensubstrate als Reflektoren eingesetzt: Das Licht einer breitbandigen Lichtquelle 2a, 2b wird durch die Reflektoren 4a, 4b auf die unbekannte Probe 1 fokussiert. Die optische Oberfläche der Reflektoren 4a, 4b ist aus unterschiedlichen Referenzprobenmaterialien gefertigt. Dadurch wird dem Licht das Spektrum der jeweiligen Referenzprobe aufgeprägt. Die Kamera 5 fokussiert dabei die unbekannte Probe 1 an. Durch den Vergleich der unterschiedlichen Kamerabelichtungen entsprechend der Anzahl an Referenzproben kann eine unbekannte Probe dadurch identifiziert werden, dass das Intensitätsmaximum der Kamera (es können auch mehrere Kameras eingesetzt werden) ermittelt wird.
  • 5 zeigt eine Alternativvariante zu 4 (so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden). Auch hier sind zwei einzelne, identische Lichtquellen 2a und 2b vorgesehen, die jedoch gleichzeitig emittieren. Das unbekannte Probensubstrat 1 wird nun mittels eines Förderbandes 9 nacheinander durch den Bereich der beiden Quellen 2a und 2b hindurch transportiert.
  • Eine erste Kamera 5a ist so positioniert, dass das von der Quelle 2a ausgehende 3r, an einer ersten Referenzprobe 4a reflektierte 3p Licht von der unbekannten Probe 1 beim Durchfahren des Bereiches der ersten Quelle 2a in die erste Kamera 5a reflektiert wird. Die Quelle 2b und die weitere Referenzprobe 4b sind entsprechend so positioniert und ausgerichtet, dass das ausgehend von der zweiten Quelle 2b auf die Referenzprobe 4b einfallende Licht 3r' an dieser Probe 4b reflektiert wird, als reflektiertes Licht 3p' auf die den Bereich der zweiten Quelle 2b durchfahrende unbekannte Probe 1 trifft und von dieser erneut reflektiert wird, wobei diese Reflexion in die Kamera 5b erfolgt.
  • Wie 4 und 5 zeigen, sind somit erfindungsgemäße Realisierungen mit einer Kamera und mehreren Beleuchtungseinheiten (4) ebenso möglich, wie Realisierungen mit einer Kamera pro Beleuchtungseinheit (5). Dabei müssen in der Regel die Aufnahmebedingungen konstant gehalten werden (Abweichungen verfälschen das Ergebnis) oder zumindest durch eine geeignete Kalibrierung berücksichtigt werden.
  • Wie 6 in einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, kann anstelle der Reflexion an einem Referenzprobensubstrat auch die Transmission durch ein (geeignet dünn ausgebildetes) Referenzprobensubstrat ausgenutzt werden. Hierzu wird auf Basis einer breitbandigen Lichtquelle 2 eine Beleuchtungseinheit 2, 13, 4a aufgebaut, bei der mittels eines Reflektors 13 Licht 3r der Quelle 2 eines möglichst großen Raumwinkelbereiches auf die Referenzprobe 4a gerichtet wird, die am Austritt des Reflektors 13 wie ein optischer Filter angebracht ist.
  • Das durch die Referenzprobe 4a transmittierte Licht 3p (dem also das Transmissionsspektrum der Referenzprobe 4a aufgeprägt ist) fällt dann auf die unbekannte Probe 1. Auch die Probe 1 ist hier (z. B. als geeignet dünn ausgebildete Scheibe) als Transmissionsfilter ausgebildet, das heißt, das auf sie auftreffende Licht 3p von der Referenzprobe 4a wird erneut transmittiert und als aufgrund der zweifachen Transmission sowohl durch die Referenzprobe 4a als auch durch die unbekannte Probe 1 zweifach in seiner spektralen Zusammensetzung verändertes Licht 3 von der Kamera 5 erfasst.
  • Unterscheidet sich das Transmissionsspektrum der unbekannten Probe vom Reflexionsspektrum, so muss wie im bisher beschriebenen Fall das einer zweifachen Transmission unterzogene Licht beobachtet werden. Sind die Unterschiede im Transmissionsspektrum und im Reflexionsspektrum an der unbekannten Probe vernachlässigbar, so kann das durch die Referenzprobe 4a transmittierte Licht 3p auch in Form von an der unbekannten Probe 1 reflektiertem Licht 3' beobachtet 5'' werden.
  • 7 zeigt ein weiteres Beispiel für den Einsatz von Probenmaterial als Filter, diesmal als Filterelement, das der beobachteten Einheit (Kamera) unmittelbar vorgeschaltete wird. Im Strahlengang einer breitbandigen Lichtquelle 2 trifft deren Licht 3p auf die zu untersuchende unbekannte Probe 1. Die unbekannte Probe 1 ist hier als geeignet dünne Materialscheibe ausgebildet. Das durch diese Scheibe 1 transmittierte Licht (dem also das Transmissionsspektrum der unbekannten Probe 1 aufgeprägt ist) fällt als Licht 3r auf eine als dünne Scheibe eines bekannten Materials ausgebildete Referenzprobe 4a. Dieses Referenzprobenmaterial 4a ist als Filterfenster einer Beobachtungseinheit 14a ausgebildet, die aus einem allseits umschlossenen Gehäuse besteht, in das Licht lediglich durch das Referenzprobenfilter 4a einfallen kann, und in der die beobachtende Kamera 5a, mit der also das einer zweifachen Transmission durch die Elemente 1 und 4a unterworfene Licht 3 nachgewiesen werden kann, positioniert ist. Somit wird das beobachtete Spektrum gemäß der Transmissionskurven der Transmissionsspektren der Proben 1 und 4a verändert.
  • Unterscheidet sich das Reflexionsspektrum vom Transmissionsspektrum, so muss wie im bisher beschriebenen Fall das Licht nach zweifacher Transmission beobachtet 5a werden. Sind die Unterschiede vernachlässigbar, so kann auch reflektiertes Licht der unbekannten Probe 1 beobachtet werden. Dies zeigt 7 an einer Kamera 5b in einer weiteren Gehäuseeinheit 14b, in der ein Fenster aus Referenzprobenmaterial 4b eingelassen ist (es wird dann die Intensität der an der unbekannten Probe 1 reflektierten und durch das Fenster 4b hindurch transmittierten Strahlung 3 durch die Kamera 5b nachgewiesen).
  • Die beschriebenen Filter 4a und 4b können alternativ auch durch synthetische Filter realisiert werden, welche die Spektralkurven der Referenzproben realisieren (auch in diesem Fall ist es entweder möglich, das Transmissionsspektrum zu imitieren, oder das Reflexionsspektrum). Eine generelle Möglichkeit, einen solchen Filter zu realisieren, bieten Interferenzfilter, bei denen die einzelnen Schichten so berechnet und aufgebracht werden, dass sich als Zielfunktion das Transmissionsspektrum oder Reflexionsspektrum eines vorbekannten Referenzprobensubstrats einstellt. Eine weitere Möglichkeit nahezu beliebige Filterfunktionen zu realisieren, bieten sogenannte Partialfilter nach dem Dresler-Prinzip (siehe „Einführung in die Farbmetrik", ISBN 3-11-008209-8, Seite 135): Hierbei werden einzelne Filterstreifen miteinander kombiniert, um die Zielfunktion des Transmissionsspektrums oder Reflexionsspektrums zu erreichen. Das Design eines synthetischen Filters bietet hierbei einen Freiheitsgrad in der Skalierung der Zielfunktion. Diese sollte maximal gewählt werden, um den größtmöglichen Effekt zu beobachten.
  • Erfindungsgemäß kann gemäß der 8 und 9 auch die Beleuchtung synthetisch realisiert werden, so dass auf den Einsatz eines Referenzprobensubstrates verzichtet werden kann.
  • Hierzu kann (8) im Strahlengang 3r einer breitbandigen Strahlungsquelle 2 eine Spaltblende 6a angeordnet werden, so dass das von der Strahlungsquelle ausgehende Licht 3r eng gebündelt auf ein Prisma 6b trifft. Das Prisma 6b spaltet das Spektrum des Lichts 3r wellenlängenabhängig auf. Auf der Strahlenausgangsseite des Prismas 6b ist eine vordefinierte Schwächungsmaske 6c ausgebildet, die (wellenlängenabhängig) unterschiedliche Anteile des durch das Prisma 6b gebrochenen Lichtes unterschiedlich stark schwächt, um das Reflexionsspektrum eines vorbekannten Referenzprobensubstrats zu imitieren. Im Strahlengang hinter der Schwächungsmaske 6c folgt eine Sammellinse 6e, mit der das vom Prisma 6b ausgestrahlte, wellenlängenselektiv unterschiedlich geschwächte Licht auf einen Diffusor 6d fokussiert wird. Von diesem ausgehend, fällt das Licht 3p dann auf die unbekannte Probe 1, an der es reflektiert wird und schließlich als reflektiertes Licht 3 in der Kamera 5 der Anordnung nachgewiesen wird.
  • Wie das Beispiel aus 8 zeigt, kann ein Referenzelement 4a erfindungsgemäß somit auch als refraktive Anordnung 6 ausgebildet werden, die ein dem Referenzelement 4a entsprechendes Reflexionsspektrum durch Lichtbrechung und wellenlängenselektive Schwächung erzeugt. Im gezeigten Fall wird somit durch die Kamera 5 die Intensität einer einer zweifachen Reflexion (an der refraktiven Anordnung 6 sowie an der unbekannten Probe 1) unterzogenen elektromagnetischen Strahlung 3 nachgewiesen. Die Auswertung erfolgt dann wie bereits beschrieben.
  • Alternativ dazu können, wie 9 zeigt, auch simulierte Referenzelemente verwendet werden: Eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten schmalbandigen Lichtquellen 2a bis 2c wird so ausgerichtet dass das emittierte Licht der Quellen auf einen optischen Diffusor 2d fällt. Die einzelnen Lichtquellen werden so ausgewählt und eingestellt, dass das vom Diffusor ausgehende Licht 3p das Spektrum eines bekannten Referenzprobensubstrates imitiert.
  • Das vom Diffusor ausgehende Licht 3p, dem somit eine erste Veränderung der spektralen Zusammensetzung gemäß eines bekannten Referenzprobensubstrats aufgeprägt ist, wird dann an der unbekannten Probe 1 reflektiert und als Licht 3 von der Kamera 5 empfangen.
  • 9 zeigt somit, dass erfindungsgemäß Referenzelemente auch als Referenzprobensubstrate (wie beispielsweise das Referenzprobensubstrat 4a aus 1) simulierende Einheiten 7 ausgebildet werden können, indem eine Strahlungsquelle 2 (hier: Quellen 2a bis 2c samt Diffusor 2d) oder ein Teil derselben eine Reflexionsspektrum oder ein Transmissionsspektrum eines entsprechenden Referenzprobensubstrates emittiert.
  • 10 zeigt schließlich, dass erfindungsgemäß auch Mehrfachreflexionen zwischen einem Referenzprobensubstrat 4a und einer unbekannten Probe 1 realisiert werden können, bevor die entsprechende Intensität der elektromagnetischen Strahlung 3 nachgewiesen und ausgewertet wird. Hierzu kann ein Referenzprobensubstrat 4a in einem geeigneten Abstand von der unbekannte Probe 1 so angeordnet werden, dass das von der polychromatischen Lichtquelle 2 ausgehende Licht 3p1 zunächst an der unbekannte Probe reflektiert wird, als Licht 3r1 auf das Referenzelement 4a einfällt, dort erneut reflektiert wird und als Licht 3p2 erneut an der unbekannten Probe reflektiert wird usw. bis schließlich eine Kamera 5 das mehrfach reflektierte Licht empfängt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • www.laser2000.de [0053]
    • „Einführung in die Farbmetrik”, ISBN 3-11-008209-8, Seite 135 [0116]

Claims (22)

  1. Anordnung zur optischen Bestimmung einer Probe (1) mit einer Strahlungsquelle (2) zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung (3p, 3r), der Probe (1), mittels der die elektromagnetische Strahlung (3p) der Strahlungsquelle (2) durch Reflexion an dieser und/oder durch Transmission durch diese Probe (1) in ihrer spektralen Zusammensetzung veränderbar ist, einem bekannten Referenzelement (4a, 4b, ...), mittels dessen die elektromagnetische Strahlung (3r) der Strahlungsquelle (2), insbesondere durch Reflexion an diesem und/oder durch Transmission durch dieses Referenzelement (4a, 4b, ...), in ihrer spektralen Zusammensetzung veränderbar ist, und einem Detektor (5), mit dem die Intensität der der mindestens zweimaligen Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung unterworfenen elektromagnetischen Strahlung (3) erfassbar ist für die optische Bestimmung der Probe (1).
  2. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch gekennzeichnet durch ein vorab bestimmtes Transmissionsspektrum, das sich ergibt, wenn die von der Strahlungsquelle (2) emittierte Strahlung durch das bekannte Referenzelement (4a, 4b, ...) hindurch gestrahlt wird, und/oder ein vorab bestimmtes Reflexionsspektrum, das sich ergibt, wenn die von der Strahlungsquelle (2) emittierte Strahlung an diesem Referenzelement (4a, 4b, ...) reflektiert wird, und/oder einen aus diesem oder einem solchen Transmissionsspektrum und/oder diesem oder einem solchen Reflexionsspektrum bevorzugt auf Basis einer Kreuz- oder Autokorrelation berechenbaren oder bereits berechneten Intensitäts-Vergleichswert, der die Intensität simuliert, die sich bei einer zweimaligen Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle (2) durch das bekannte Referenzelement (4a, 4b, ...) ergeben würde, wobei die Probe (1) unter Berücksichtigung sowohl der mit dem Detektor (5) erfassten Intensität als auch dieses simulierten Intensitäts-Vergleichswerts optisch bestimmbar ist.
  3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen weiteren Detektor (5'), mit dem die Intensität einer einer Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung an der unbekannten Probe (1), nicht jedoch einer Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung am bekannten Referenzelement (4a, 4b, ...) unterworfenen, von der Strahlungsquelle (2) ausgehenden elektromagnetischen Strahlung (3') als Intensitäts-Vergleichswert erfassbar ist, wobei die Probe (1) unter Berücksichtigung sowohl der mit dem Detektor (5) erfassten Intensität als auch des mit dem weiteren Detektor (5') erfassten Intensitäts-Vergleichswerts bestimmbar ist.
  4. Anordnung nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) unter Berücksichtigung der mit dem Detektor (5) erfassten Intensität, des mit dem weiteren Detektor (5') erfassten Intensitäts-Vergleichswerts und des simulierten Intensitäts-Vergleichswerts bestimmbar ist.
  5. Anordnung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) auf Basis mindestens eines Vergleiches, insbesondere mindestens einer Verhältnisbildung, der mit dem Detektor (5) erfassten Intensität einerseits und des simulierten und/oder des erfassten Intensitäts-Vergleichswerts andererseits bestimmbar ist, insbesondere hinsichtlich des Massenanteils, des Volumenanteils oder der Konzentration eines Probenbestandteils bezogen auf den Massenanteil, den Volumenanteil oder die Konzentration dieses Probenbestandteils im bekannten Referenzelement (4a, 4b, ...) bestimmbar ist.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch mehrere unterschiedliche, bekannte Referenzelemente (4a, 4b, ...), wobei für alle diese Referenzelemente jeweils die Intensität der der zweimaligen Veränderung ihrer spektralen Zusammensetzung mittels der Probe (1) einerseits und mittels des jeweiligen Referenzelements (4a, 4b, ...) andererseits unterworfenen elektromagnetischen Strahlung (3) mittels des Detektors (5) erfassbar ist, und/oder mehrere vorab bestimmte Transmissionsspektren und/oder Reflexionsspektren entsprechend mehrerer unterschiedlicher, bekannter Referenzelemente (4a, 4b, ...) und/oder mehrere simulierte Intensitäts-Vergleichswerte entsprechend mehrerer solcher Referenzelemente (4a, 4b, ...), wobei die Probe (1) durch Heranziehen mehrerer erfasster Intensitäten und/oder mehrerer Intensitäts-Vergleichswerte optisch bestimmbar ist.
  7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (1) eine mit einem Referenzelement aus einer mehrere unterschiedliche, bekannte Referenzelemente (4a, 4b, ...) umfassenden Menge von Referenzelementen übereinstimmende Probe (1) ist.
  8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die optische Bestimmung der Probe (1) durch Vergleichen von erfassten Intensitäten für mehrere unterschiedliche, bekannte Referenzelemente (4a, 4b, ...) und durch Auswahl einer Intensität anhand eines vorbestimmten Auswahlkriteriums, bevorzugt durch Auswahl des Maximums dieser Intensitäten, durchführbar ist, wobei bevorzugt dasjenige Referenzelement aus den mehreren Referenzelementen (4a, 4b, ...) als mit der Probe (1) übereinstimmend identifizierbar ist, dessen Intensität ausgewählt wurde.
  9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für ein oder mehrere bekannte(s) Referenzelement(e) (4a, 4b, ...) jeweils ein Intensitäts-Vergleichswert vorhanden ist, der die Intensität simuliert, die sich bei einer zweimaligen Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle (2) durch das entsprechende Referenzelement (4a, 4b, ...) ergeben würde, und dass die Probe (1) durch Vergleich der für diese Probe (1) mittels des Detektors (5) erfassten Intensität mit dem/n Intensitäts-Vergleichswert(en) optisch bestimmbar ist, wobei bevorzugt dann eine Bewertung der Probe (1) als mit dem oder einem der bekannten Referenzelement(e) (4a, 4b, ...) übereinstimmend erfolgt, wenn die für die Probe (1) mittels des Detektors (5) erfasste Intensität um weniger als einen vorbestimmten Prozentsatz, bevorzugt um weniger als 25%, bevorzugt um weniger als 10%, bevorzugt um weniger als 5%, vom Intensitäts-Vergleichswert dieses Referenzelementes abweicht.
  10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Referenzelemente (4a, 4b, ...) ein Referenzprobensubstrat, insbesondere eine Platte oder eine Scheibe, enthaltend ein oder mehrere bekannte(s) Material(ein) aufweist, an dem und/oder durch das die elektromagnetische Strahlung (3r) der Strahlungsquelle (2) reflektierbar und/oder transmittierbar ist zum Verändern der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetische Strahlung (3r) und/oder dass mindestens eines der Referenzelemente (4a, 4b, ...) einen bekannten Referenzfilter, insbesondere einen Interferenzfilter, aufweist, der das Reflexionsspektrum und/oder das Transmissionsspektrum eines solchen bekannten Referenzprobensubstrats imitiert, also einer auf den Referenzfilter einfallenden elektromagnetischen Strahlung der Strahlungsquelle (2) beim Hindurchtritt durch den Referenzfilter dieses Reflexionsspektrum und/oder Transmissionsspektrum aufprägt zum Verändern der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetische Strahlung (3r) und/oder dass mindestens eines der Referenzelemente (4a, 4b, ...) eine refraktive Anordnung (6) aufweist, mit der das Reflexionsspektrum und/oder das Transmissionsspektrum eines solchen bekannten Referenzprobensubstrats imitierbar ist, indem die elektromagnetische Strahlung (3r) der Strahlungsquelle (2) zunächst wellenlängenabhängig aufgespalten wird und danach zum Erzeugen des zu imitierenden Spektrums wellenlängenabhängig unterschiedlich geschwächt wird zum Verändern der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetische Strahlung (3r).
  11. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die refraktive Anordnung (6) im Strahlengang der Strahlungsquelle (2) aufweist: eine Blende (6a), bevorzugt eine Spaltblende, gefolgt von einem refraktiven optischen Element (6b), insbesondere einem Prisma, das strahlenausgangsseitig mit einer bekannten Schwächungsmaske (6c) für die wellenlängenabhängige Schwächung versehen ist, gefolgt von einem optischen Diffusor (6d).
  12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Referenzelemente (4a, 4b, als eine eine Reflexion an einem und/oder eine Transmission durch ein bekannten/s Referenzprobensubstrat imitierende Einheit (7) ausgebildet ist, indem die Strahlungsquelle (2) oder ein Teil derselben das Reflexionsspektrum und/oder das Transmissionsspektrum dieses Referenzprobensubstrats imitiert, beispielsweise durch Verwenden einer Vielzahl einzelner, nebeneinander angeordneter, schmalbandiger Quellen (2a, 2b, 2c) unterschiedlicher, bekannter spektraler Verteilung in Verbindung mit einem im Strahlengang dieser Quellen (2a, 2b, 2c) angeordneten optischen Diffusor (2d).
  13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedliche, bekannte Referenzelemente (4a, 4b, ...) vorhanden sind und/oder imitierbar (7) sind, wobei diese Referenzelemente (4a, 4b, ..., 7) entweder zeitlich parallel bestrahlbar (3r), insbesondere durch eine Strahlteileranordnung (8), und/oder imitierbar (7) sind oder zeitlich nacheinander bestrahlbar (3r), insbesondere durch Vorsehen einer mehrere einzelne Quellen (2a, 2b) umfassenden Strahlungsquelle (2) und/oder einer Transportvorrichtung für die Probe (1), insbesondere eines Förderbandes (9), und/oder imitierbar (7) sind.
  14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Positionierung der Strahlungsquelle (2), der Probe (1), des/der Referenzelemente(s) (4a, 4b, ...) und des Detektors (5) dergestalt, dass die Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung (3p) mittels der Probe (1) erfolgt, bevor die Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung (3r) mittels eines oder mehrerer Referenzelemente(s) (4a, 4b, ...) efolgt oder eine Positionierung der Strahlungsquelle (2), der Probe (1), des/der Referenzelemente(s) (4a, 4b, ...) und des Detektors (5) dergestalt, dass die Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung (3r) mittels eines oder mehrerer Referenzelemente(s) (4a, 4b, 7) erfolgt, bevor die Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung (3p) mittels der Probe (1) efolgt.
  15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Positionierung der Strahlungsquelle (2), der Probe (1), mindestens eines Referenzelementes (4a, 4b, ...) und des Detektors (5) dergestalt, dass eine mehrfache Reflexion der elektromagnetischen Strahlung zwischen dem/den Referenzelement(en) (4a, 4b, ...) und der Probe (1) ermöglicht ist, bevor ihre Intensität durch den Detektor (5) erfassbar ist.
  16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch einen mehrere einzelne Detektoreinheiten (5a, 5b, ...) umfassenden Detektor (5), wobei die Detektoreinheiten (5a, 5b, ...) so angeordnet sind, dass mit jeder Detektoreinheit (5a, 5b, ...) eine Intensität einer zweimaligen Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung (3) durch die Probe (1) einerseits und jeweils eines von mehreren unterschiedlichen Referenzelementen (4a, 4b, ..., 7) andererseits erfassbar ist, und/oder dadurch, dass der Detektor (5), dessen Detektoreinheiten (5a, 5b, ...) und/oder der weitere Detektor (5') zur punktförmigen, zeilenförmigen oder flächigen Erfassung, zu einer ortsaufgelösten Intensitätserfassung und/oder als Fotodiode(n), Flächen- oder Zeilenkamera(s) ausgebildet ist/sind.
  17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität(en) über einen vorbestimmten spektralen Bereich ohne spektrale Zerlegung der elektromagnetischen Strahlung (3) erfassbar ist/sind.
  18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine polychromatische Strahlungsquelle (2), mit der bevorzugt elektromagnetische Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts, bevorzugt über einen mindestens 200 nm umfassenden Spektralbereich, im UV-Bereich oder im IR-Bereich emittierbar ist, und/oder durch eine Strahlungsquelle (2), die mehrere einzelne Quellen (2a, 2b, 2c) umfasst, die beabstandet voneinander angeordnet sind und mit denen mehrere Referenzelemente (4a, 4b, ...) gleichzeitig oder zeitlich nacheinander bestrahlbar und/oder imitierbar (7) sind.
  19. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Kalibrierung der Anordnung über ein Erfassen oder Berechnen sowie ein Hinterlegen derjenigen Intensität(en), die beim Einsatz eines oder mehrerer bekannten/r Referenzelemente(s) (4a, 4b, ..., 7) als Probe (1) und/oder bei zweimaliger Veränderung der spektralen Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung (3) durch ein und dasselbe Referenzelement (4a, 4b, ...) resultiert/en.
  20. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Probe (1), die mehrere unterschiedliche Teile oder Oberflächenabschnitte (1a, 1b, 1c) umfasst und eine Ausbildung der Anordnung, insbesondere der optischen Abbildungseigenschaften derselben, dergestalt, dass die unterschiedlichen Teile oder Oberflächenabschnitte (1a, 1b, 1c) über den parallelen Vergleich mit mehreren unterschiedlichen, bekannten Referenzelementen (4a, 4b, ...) gleichzeitig optisch bestimmbar sind, insbesondere ortsaufgelöst bestimmbar sind.
  21. Verfahren zur optischen Bestimmung einer Probe (1) gekennzeichnet durch das optische Bestimmen der Probe (1) in einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  22. Verwendung einer Anordnung oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Charakterisierung physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften, von Materialeigenschaften und/oder von Oberflächeneigenschaften der Probe (1) und/oder zur Bestimmung der Konzentration von Bestandteilen einer Probe (1) und/oder zum optischen Identifizieren von Proben (1) in der Schüttgutsortierung, Mineralsortierung oder im Recyclingbereich.
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