DE102013019660A1

DE102013019660A1 - Vorrichtung zur optischen Messung biometrischer Parameter eines Tieres, einer Pflanze oder eines Menschen

Info

Publication number: DE102013019660A1
Application number: DE201310019660
Authority: DE
Inventors: Bernd Burchard; Uwe Hendrik Hill
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2014-08-14

Abstract

Die Erfindung behandelt ein Sensorsystem zur optischen Messung biometrischer Parameter eines Tieres, einer Pflanze oder eines Menschen mit zwei oder mehr Sendern (H1, H'') und zwei oder mehr Empfängern (D1, D2). Sender und Empfänger unterscheiden sich in ihren optischen Schwerpunkten. Jedem der Empfänger (D1, D2) ist je ein Kompensationssender (K1, K2) zugeordnet. Jeder Sender (H1, H2) wird von je einem Generator (G1, G2) mit einem Signal (S51, S52) gespeist. Die von beiden Sendern ausgesendeten elektromagnetischen Strahlungen fallen auf das Messobjekt T1 und werden von diesem auf die Empfänger (D1, D2) reflektiert. Alternativ wird das Objekt (T1) durchstrahlt und die Strahlung dann durch die Empfänger (D1, D2) detektiert. Ein Regelkreis (CT) erzeugt zu jedem Empfängerausgangssignal (S01, S02) der Empfänger (D1, D2) je ein Kompensatorspeisesignal (S31, S32). Der Regelkreis (CT) bildet durch Linearformen, insbesondere Skalar-Produktbildung, aus je einem Empfängerausgangssignal (S51, S52) die besagten Kompensatorspeisesignale (S31 und S32). Die Kompensatorspeisesignale (S31, S32) speisen je einen Kompensationssender (K1, K2). Der Regler (CT) regelt die Kompensatorspeisesignale (S31, S32) so aus, dass die besagten Empfängerausgangssignale (S01 und S02) bis auf einen Regelfehler und das Systemrauschen keine Anteile der Sendesignale (S51) und (S52) mehr aufweisen. Der Regler (CT) gibt die internen Regelsignale (S41, S42) als Zwischensignale aus. Der Verlauf dieser Zwischensignale wird so ausgewertet, dass ein biometrischer Parameter diesem Signal extrahiert wird. Bei dem biometrischen Parameter handelt es sich beispielsweise um die Herzfrequenz oder den Blutsauerstoffanteil oder den Chlorophyllgehalt von Pflanzen oder die Konzentration eines Medikamentes in einem Gewebe oder den CO2-Anteil in der Atemluft

Description

Einleitung
Die puls-oxymetrische Messung von biometrischen Parametern ist eine seit langem bekannte Methodik, die Herzfrequenz von Patienten und den Sauerstoffgehalt des Blutes sowie weitere Parameter, die spektroskopisch über die Haut erkennbar sind, zu vermessen.
Die Methode basiert auf der Messung der Lichtabsorption bzw. der Lichtremission bei einer perkutanen Durchleuchtung der Haut bei verschiedenen spektralen Wellenlängen zur Erfassung verschiedener Parameter.
1935 beschrieb K. Matthes eine solche Messung am menschlichen Ohrläppchen ohne den Status der Anwendbarkeit zu erreichen. Takuo Aoyagi realisierte die erste nutzbare Vorrichtung und Methode. Unter der Bezeichnung Fotoplethysmographie wurde die Methode erstmals von Christian-Peter Bernhardt 1978 veröffentlicht.
Nach diesem Stand der Technik wird mit einem Sättigungsaufnehmer (Clip oder Klebesensor) an einem leicht zugänglichen Körperteil, vorzugsweise an einem Finger, Zeh, am Ohrläppchen oder bei frühgeborenen Säuglingen auch am Fußballen oder Handgelenk gemessen.
Die Methode nutzt eine Vorrichtung, die zwei in einem definierten (Infra-)Rot-Bereich (s. u.) leuchtende Sender auf der einen Seite des Messobjekts, typischerweise die besagten Finger, Ohrläppchen etc., und auf der anderen Seite des Messobjekts einen Empfänger, typischerweise eine Fotodiode aufweist. Das Hämoglobin weist ein je nach Sauerstoffsättigungsgrad unterschiedliches Absorptionsspektrum auf. Durch dieses vom Sauerstoffsättigungsgrad abhängige Spektrum ändert sich die relative Absorption der beiden Frequenzbänder, die durch die beiden besagten LEDs abgestrahlt werden. Gleichzeitig hängt die Absorption aber auch von der Durchblutung des durchstrahlten Gewebes ab. Über den Clip oder Klebesensor wird neben der Sättigung daher auch der Puls in den kleinsten Blutgefäßen (Kapillaren) erfasst.
Typischerweise wird die Absorption des Lichts mit einer LED bei 660 nm, einer zweiten LED bei 940 nm gemessen. Daneben wird die Lichteinstrahlung durch das Umgebungslicht gemessen und abgezogen.
Eine mögliche Anwendung ist die Nutzung dieser Technik als Fahrerzustandsmonitor in Automobilen. Auch im Bereich des Höhenbergsteigens werden immer öfter Pulsoxymeter verwendet, um frühzeitig Hinweise auf eine drohende Höhenkrankheit zu erhalten.
Bekannte Messfehler
Bei lackierten Fingernägeln wird Licht durch den Lack absorbiert und erreicht die Fotozelle nur abgeschwächt.
Künstliche Fingernägel aus Acryl führen in Abhängigkeit vom Pulsoxymeter ebenfalls zu Messfehlern.
Bei Patienten mit verringerter peripherer Kapillardurchblutung (beispielsweise bei Schock und Hypothermie) kann es passieren, dass falsche Werte angezeigt werden bzw. dass eine Pulsoxymetrie nicht möglich ist.
Bei mechanischem Stoß, z. B. bei einer Fahrt über unebenes Gelände, treten Fehler durch Veränderung der Messanordnung und Änderung des Umgebungslichts auf.
Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung behoben.
Offenbarter Stand der Technik
Ein solches System wurde beispielsweise in der DE3135802A1 offenbart.
Die DE3135802A1 beansprucht ein Pulsüberwachungssystem zum Ermitteln und Anzeigen der Blutdruckimpulse, die durch die Herzschläge entstehen, gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung, die in Kontakt mit Körpergewebe positioniert werden kann, um auf Änderungen des Blutvolumens zu reagieren, wobei die Sensoreinrichtung eine Detektoreinrichtung, sowie wenigstens zwei Lichtemitter einschließt, wovon einer ein Lichttransmissions-Emitter ist, der derart angeordnet ist, dass er Licht durch das Körpergewebe zur Detektoreinrichtung strahlt, und der andere ein Licht-Reflexions-Emitter ist, der so angeordnet ist, dass er Licht von diesem zu der Detektoreinrichtung hin reflektiert, wobei diese Detektoreinrichtung Änderungen des durchtretenden und des reflektierten Lichtes feststellt, die aus Änderungen der Gewebedurchblutung resultieren und ein elektrisches Signal entsprechend diesen Änderungen erzeugt, und durch eine Signalbearbeitungseinrichtung zur Wandlung dieser elektrischen Signale in die Pulszahl. Ein wesentlicher Punkt ist, dass die Sensoreinrichtung in Kontakt mit dem Gewebe stehen muss, da das Streulicht ansonsten ein zu geringes Signal zu Rauschverhältnis hervorrufen würde. Sie ist damit umgebungslichtabhängig.
Die DE3405444A1 beansprucht einen Pulssensor mit einem optoelektronischen Pulsaufnehmer, der eine Lichtquelle sowie ein fotoempfindliches Bauelement enthält, die über einen Strahlengang optisch miteinander gekoppelt sind, in dem ein ausreichend lichtdurchlässiger, durchbluteter Körperteil angeordnet werden kann, so dass das fotoempfindliche Bauelement ein Ausgangssignal liefert, das von seiner Bestrahlungsstärke und damit von durch Lichtdurchlässigkeit des Körperteiles abhängt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Lichtquelle, das fotoempfindliche Bauelement und der sie koppelnde Strahlengang in einen Regelkreis liegen, der die Beleuchtungsstärke des fotoempfindlichen Bauelements konstant zu halten strebt, jedoch eine so große Zeitkonstante hat, dass er Änderungen der Beleuchtungsstärke, die durch pulsbedingte Durchblutungsschwankungen des Körperteiles verursacht werden, nicht auszuregeln vermag.
Ein wesentlicher Punkt auch dieses Systems ist, dass die Sensoreinrichtung in Kontakt mit dem Gewebe stehen muss, da das Streulicht ansonsten ein zu geringes Signal zu Rauschverhältnis hervorrufen würde. Im Gegensatz zum vorherbesprochenen System, wird hier jedoch die Beleuchtungsstärke nachgeregelt. Diese Nachregelung findet elektronisch statt. Eine Sensor-Drift oder Sensor-Verschmutzung kann nicht ausgeglichen werden.
Die Offenbarung DE69113785T2 beansprucht ein Überwachungsgerät mit einem optischen Sensor zum Bestimmen der Pulsfrequenz durch Fotoplethysmographische Messung (PPG-Messung) der Blutzirkulation eines Subjektes, wie beispielsweise eines Körperteils eines Menschen oder eines Tieres, mit einer Lichtquelle, vorzugsweise einer Laserdiode oder einer Licht emittierenden Diode (LED), einer Detektoreinheit, die den Wechselstrom-Anteil oder AC-Anteil, eines generierten PPG-Signals ermittelt, um die Herzfrequenz des Subjektes zu bestimmen, einer elektronischen Verstärkereinheit, einer Präsentationseinheit, beispielsweise einen Oszilloskop, einer Anzeige-Einheit oder einen Drucker, wobei durch ein Mittel zum Trennen einer Signalkomponente von dem ermittelten PPG-Signal, die Atemfrequenz des Subjektes indiziert.
Auch dieses System erfordert, dass die Sensoreinrichtung in Kontakt mit dem Gewebe stehen muss, da das Streulicht ansonsten ein zu geringes Signal zu Rauschverhältnis hervorrufen würde.
Die Druckschrift DE69122637T2 beschreibt unter Zuhilfenahme der 2b dieser Druckschrift DE69122637T2 auf deren Seite 6 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Puls-Oximeters. Der Finger eines Patienten ist auf der besagten Figur von einer Fingermanschette umgeben, die eine rote LED und eine Nahe-Infrarot-LED (NIR LED) und einen Detektor aufweist. Die LEDs und der Detektor sind durch Leitungen mit einer Verarbeitungs- und Steuerschaltung gekoppelt, die den Blutdruck basierend auf dem Betrag der roten und der NIR-Strahlung, die durch den Detektor erfasst wird, misst.
Dieses System ist somit sehr ähnlich der Ursprungsoffenbarung DE3135802A1 und weist alle deren wesentlichen Nachteile auf.
Die Schrift DE102008022920A1 beansprucht eine Vorrichtung zur Erkennung von Leblosigkeit einer Person auf Basis von Pulsmessung und/oder Bewegung, wobei zumindest ein optischer Sensor bestehend aus einem Emitter zum Aussenden von Licht auf ein Hautgewebe und aus einem Detektor zum Empfangen des vom Hautgewebe remittieren Lichtes sowie eine Auswerteeinheit vorgesehen sind wobei vom Emitter des optischen Sensors Licht mit einer Wellenlänge aus einem vorgegebenen Bereich von 520 nm bis 600 nm ausgesendet wird und wobei als Emitter eine Leuchtdiode mit einer dominanten Wellenlänge aus dem vorgegebenen Bereich und als Detektor eine Fotodiode oder ein Fototransistor vorgesehen sind und wobei der Emitter und der Detektor unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
Auch dieses System ist somit sehr ähnlich der Ursprungsoffenbarung DE3135802A1 und weist alle deren wesentlichen Nachteile auf. Allerdings bezieht es sich im Gegensatz zu den vorhergehenden Systemen auf eine Messung des reflektierten Lichtes.
Die US amerikanische Schrift US4,258,719 beansprucht ein Pulsfrequenz-Messsystem dass während der Messpulsintervalle ein gepulstes Fotostromsignal empfängt, das einen Umgebungslichtanteil induzierten Signalanteil enthält und den gepulsten Fotostromanteil eines Trägersignals, dessen Amplitude durch das Herz-Blutdruck-Signal moduliert wurde, um das besagte Herz-Blutdrucksignal über eine Ausgabeeinheit bereitzustellen, wobei das Pulsfrequenz-Messsystem einen Sensor mit einer gepulsten Lichtquelle und einer Fotodiode mit einer Anode und einer Kathode umfasst, wobei die Kathode mit einem ersten Referenzpotenzial gekoppelt ist und die Anode den besagten gepulsten Fotostrom liefert und ein Löschsignal zur Eliminierung des Umgebungslichtsignals innerhalb des gepulsten Fotostroms direkt in die Anode währen der Pulsintervalle eingekoppelt wird und einen ersten Integrator aufweist, der an die besagte Umgebungslichtkompensation gekoppelt ist und den gepulsten Fotostrom während der Messpulsintervalle empfängt, integriert und speichert, und eine Rückkopplungsschleife aufweist, die zwischen dem Ausgang des besagten Integrators und der Anode der Fotodiode liegt. (Text gekürzt)
Im Gegensatz zu den vorhergehenden Schriften wird hier also das Umgebungslicht berücksichtigt. Die Kompensation erfolgt elektronisch direkt an der Anode der Fotodiode durch ein elektronisch generiertes Signal. Eine Driftkompensation des Sensors findet nicht statt.
Die Druckschrift US4,260,951 beansprucht ein Pulsratenmesssystem zum Empfang eines gepulsten Fotostromes während eines Messpulsintervalls. Dabei enthält der gepulste Fotostrom ein Umgebungslichtsignal und ein reflektiertes Lichtsignal. Das reflektierte Lichtsignal ist durch den Herz-Blutdruck amplitudenmoduliert. Das Pulsratenmesssystem umfasst eine Signalverarbeitungseinheit, die das besagte Fotostromsignal verarbeitet und eine Rückkopplungsschleife zweiter Ordung enthält. Diese Rückkopplungsschleife enthält einen ersten Differenzierer. Dieser besitzt eine Transferfunktion, die einen Hochpass-Pol bei einer ersten Frequenz besitzt. Dabei wird eine Auslöschung erzeugt, indem eine Null bei besagter erster Frequenz erzeugt wird, um den Hochpass-Pol der besagten Transferfunktion auszulöschen. Die Rückkopplungsschleife enthält darüber hinaus einen zweiten Differenzierer, der an die besagte Auslöschung gekoppelt ist indem ein Hochpass-Pol bei einer zweiten Frequenz ausgebildet wird. Darüber hinaus weist das Messratensystem eine zusätzliche Pulsformung und Ausgabe eines gepulsten Fotostromsignals durch Kopplung an den besagten zweiten Differenzierer mittels der Messpulsintervalle auf.
Diese Schrift beschreibt im Wesentlichen wieder ein System entsprechend DE3135802A1 mit allen wesentlichen Nachteilen
Allen Systemen ist gemeinsam, dass sie gegenüber Fremdlicht empfindlich sind. Einzige Ausnahme ist die US4,258,719 . Diese verfügt jedoch über eine elektronische Kompensation, die die Drift des Sensors durch Verschmutzung, Alterung, Feuchtigkeit und Temperatur nicht unterdrückt.
Schließlich ist noch zu nennen die US5,774,213 . Diese beschreibt in 4 der US5,774,213 ein kompensiertes System. Damit werden viele der Problem der vorhergehenden Systeme gelöst. Dies geschieht jedoch nur unvollkommen. Es handelt sich insbesondere nicht um ein lineares System mit entsprechenden Konsequenzen. Das System der US5,774,213 funktioniert nur, weil ein Bandpass in den Rückkoppelzweig eingefügt ist. Dieser reduziert die Signalanteile des Empfängersignals auf die Frequenzanteile, die bezüglich ihrer Frequenz der Frequenz des Sendesignals entsprechen. Anschließend erfolgt eine Mischung mit dem Sendesignal, bei der, wie richtig von den Autoren angemerkt, ein Gleichwert, aber, und das ist in der Anmeldung nicht angemerkt und offenbart aber ganz wesentlich, eben typischerweise auch die doppelte Frequenz der Sendesignalfrequenz im Mischerausgangssignal entsteht. Dieser parasitäre Anteil doppelter Frequenz wird in einem Verstärker ebenso wie der Gleichanteil verstärkt und dann dem Sendesignal folgerichtig aufmultipliziert. Somit enthält das an die Sendedioden geleitete Signal Anteile mit Sendesignalfrequenz, die proportional zum Gleichwert des Mischerausgangssignals sind, und parasitäre Anteile, ebenfalls mit Sendesignalfrequenz, die proportional zum halben Wert der Anteile des Mischerausgangssignals sind und die die doppelte Sendefrequenz aufweisen. Darüber hinaus enthält dieses Signal Anteile mit dem dreifachen der Sendesignalfrequenz. Dieser letzte Punkt ist allerdings ohne Belang, da das Bandpassfilter diesen Signalanteil eliminiert. Ohne das Bandpassfilter, würde dieser Anteil zu beliebigen Problemen führen, was zur vollständigen Unbrauchbarkeit führen würde. Die parasitären Anteile mit Sendesignalfrequenz in dem den Sendedioden zugeleiteten Signal führen zu Störungen des Messergebnisses. Der eingefügte Bandpass ist somit letztlich nur ein Notbehelf. Im Rahmen der Konzeption des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde daher erkannt, wie ein korrekt funktionsfähiges System im Gegensatz zu dem System der US5,774,213 strukturiert sein muss. Dies ist weiter unten beschrieben.
Diese parasitären Anteile mit Sendesignalfrequenz stellen das wesentliche Problem der US5,774,213 dar, das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch gelöst wird.
Die durch die Vorrichtung der US5,774,213 realisierte Verknüpfung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ist eben keine Linearform sondern entspricht einem kubischen Polynom. Die Basissignale der US5,774,213 bilden somit keine orthogonale Basis. Eine Überlagerung verschiedener Kanäle ist daher auch bei unterschiedlichen Frequenzen nicht ohne gegenseitige Beeinflussung möglich. Daher ist auch eine technische Lösung entsprechend der US5,774,213 gegenüber einem Gleichsignal (Fremdlicht) empfindlich, wenn auch in geringerem Maße.
Aufgrund der Fremdlichtempfindlichkeit verfügen alle Systeme über mechanische Vorrichtungen, die dieses Fremdlicht abschirmen sollen und für einen direkten mechanischen Kontakt zwischen Messsystem und einem Körperteil, typischerweise einem Finger, sorgen.
Für viele Anwendungszwecke ist es jedoch vorteilhaft, wenn eine solche Abschirmung des Fremdlichts nicht erforderlich wäre. Die Gehäuseformen wären dann frei wählbar. Ein solcher Sensor könnte dann beispielsweise in ein Mobiltelefon oder ein anderes elektronische Gerät eingebaut werden.
Auch ist die Verwendung in Form flacher Messköpfe nicht ohne weiteres möglich, die an anderen Stellen als dem menschlichen Finger eingesetzt werden könnten.
Die nicht vorhandene Fremdlichtrobustheit bestimmt somit als wesentliche Form des mechanischen Aufbaus für Vorrichtungen des Stands der Technik, den einer Röhre oder zumindest den zweier mehr oder weniger halbschalenförmiger Klammern. Die Sensoren sind nach innen strahlend auf dem sich beim Schließen der Klammer ergebenden röhrenförmigen Objekt innen angeordnet. Für einige Anwendungen wäre es jedoch auch sinnvoll, die Sensoren nach außen strahlend anbringen zu können. Dies ist aufgrund der fehlenden Fremdlichtrobustheit nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem mit wenigstens einem Sender und einem Empfänger zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer Übertragungsstrecke zwischen einem Sender und dem Empfänger zur Ermittlung wenigstens eines biometrischen Parameters. Der Sender sendet ein Sendesignal in die Übertragungsstrecke, das nach Durchgang durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke von dem Empfänger detektiert wird. Der Empfänger empfängt das Sendesignal und bildet daraus insbesondere durch Bildung einer Linearform ein Empfängerausgangssignal, das in einer Verarbeitungseinheit weiterverarbeitet wird. Aus dem Empfängerausgangssignal werden Informationen über die Eigenschaften der ersten Übertragungsstrecke und damit über biometrische Parameter eines Messobjektes gewonnen. Beispielsweise kann die Anwesenheit eines Objekts oder bestimmte, insbesondere biometrische Eigenschaften eines Objekts erkannt werden.
Derartige optisches Sensorsysteme können durch Störstrahler, wie beispielsweise Leuchtstoffröhren oder die Sonne gestört werden. Diese schmalbandigen Störer können die Messergebnisse verfälschen, wenn ihre Störstrahlung im Bereich des Sendesignals liegt. Wenn der Störer und seine Störstrahlung bekannt sind, kann versucht werden, die Arbeitsfrequenz des Sendesignals außerhalb des Bereichs der Störer zu legen. Ist dies nicht möglich, weil der Störer nicht bekannt oder nur sporadisch auftaucht, wird in so kann versucht werden, durch ein sogenanntes Frequenz-Hopping eine Arbeitsfrequenz zu suchen, bei der ein ungestörter Betrieb des Sensorsystems möglich ist. Diese Verfahren sind für manche Anwendungsgebiete jedoch nicht oder nur unzureichend geeignet.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Fremdlicht unabhängige Messung der Herzfrequenz und anderer biometrischer Parameter, wie beispielsweise des Blutsauerstoffgehaltes durch die Vermessung spektraler Eigenschaften mittels Durchstrahlung oder Reflektion zu ermöglich ohne dass ein Körperkontakt zwischen Messinstrument und Körper erforderlich ist und gleichzeitig eine größere Variabilität des Gehäuses zu ermöglichen und eine Sensor-Drift oder -Verschmutzung auszugleichen. Gleichzeitig soll die erfindungsgemäße Vorrichtung eine möglichst hohe Linearität aufweisen und Störungen optimal, insbesondere besser als die in der US5,774,213 beschriebene Kompensation, unterdrücken.
Dies wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 erreicht.
Offenbarung der Erfindung
Durch die Verwendung zweier Kompensationssender wird der Empfänger, typischerweise eine Fotodiode, durch zwei Regelungen, die eine Linearform nutzen, in ihrem Arbeitspunkt gehalten. Weiter ist es sinnvoll, eine Übersteuerung des Empfängers zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch einen Gyrator geschehen.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer Übertragungsstrecke bisher in der Regel ein moduliertes Signal verwendet wird. Das modulierte Signal umfasst eine in der Regel optische Trägerwelle mit zwei Trägerfrequenzen, die undefiniert, jedoch jedenfalls breitbandig sind. Auf diese optischen Trägersignale wird nun ein Speisesignal eines oder mehrerer Sender aufmoduliert. Dabei bildet das Speisesignal die Einhüllende der jeweiligen modulierten Sendesignale. Es wurde erkannt, dass im Stand der Technik hierzu ausschließlich Speisesignale verwendet werden, die schmalbandig oder monofrequent sind. Somit ergibt sich die Einhüllende des übertragenden Signals durch das schmalbandige oder monofrequente Speisesignal. Die Modulationsfrequenz ist folglich ebenfalls schmalbandig oder monofrequent.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem wählt einen vollständig anderen Ansatz. Ein Sender gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sendet wenigstens einen Teil eines Spektrums elektromagnetischer Strahlung in wenigstens zwei vorgegebenen Wellenlängen-Teilbereichen aus. Die Aussendung der elektromagnetischen Strahlung erfolgt jeweils als Trägerwelle. Dabei ist die Aussende-intensität der mindestens zwei Wellenlängen-Teilbereiche mittels eines Signals geregelt. Die Aussendeintensitäten der Wellenlängen-Teilbereiche werden gegenläufig derart geregelt, dass mindestens Strahlung eines der mindestens zwei Wellenlängen-Teilbereiche ausgesendet werden kann. Insbesondere wird vorwiegend jeweils Strahlung in nur einem der mindestens zwei Wellenlängen-Teilbereiche ausgesendet. Es erfolgt also bevorzugt ein Umschalten zwischen den beiden Wellenlängen-Teilbereichen. Besonders bevorzugt entsprechen die Wellenlängen-Teilbereiche je einem spektralen Bereich, insbesondere einer Farbe, die bevorzugt im optisch sichtbaren Bereich oder im nicht sichtbaren Bereich z. B. im infraroten oder UV Bereich liegt. Es wird also mit wenigstens zwei unterschiedlichen Trägersignalen gesendet, die jeweils einen unterschiedlichen Wellenlängen-Teilbereich aufweisen. Wenn im Folgenden und hier von einer Farbe die Rede ist, ist damit ein einzelner spektraler Schwerpunkt gemeint. Dieser kann auch außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches liegen.
Der Empfänger des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist derart sensitiv, dass er die Intensität der elektromagnetischen Strahlung in wenigstens den mindestens zwei interessierenden Wellenlängen-Teilbereichen empfangen kann. Die Verarbeitungseinheit verarbeitet die auf den wenigstens zwei Wellenlängen-Teilbereichen beruhenden Empfängerausgangssignale weiter und gewinnt daraus eine Information über die Übertragungseigenschaften.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auch, ein Frequenzhopping durchzuführen. Hierbei erfolgt das Frequenzhopping jedoch nicht in Bezug auf die Modulationsfrequenz, sondern auf die Trägerfrequenz. Dies bedeutet im konkreten Beispiel, dass zwischen den beiden unterschiedlichen Wellenlängen-Teilbereichen kann hin- und hergeregelt oder -geschaltet werden. Somit wird die optische Trägerfrequenz des ausgesandten Signals verändert.
In einer bevorzugten Ausführungsform sendet der Sender elektromagnetische Strahlung in genau zwei Wellenlängen-Teilbereichen aus. Beispielsweise kann hier zwischen zwei unterschiedlichen Farben umgeschaltet werden. Die ausgesandte elektromagnetische Strahlung hat also zwei unterschiedliche Trägerwellenlängen, die beispielsweise als rotes oder grünes Licht sichtbar sein können. Auf diese Lichtsignale können Speisesignale aufmoduliert sein.
Besonders bevorzugt können auch mehr als zwei Wellenlängen-Teilbereiche ausgesandt werden, beispielsweise vier, sechs oder acht. Bevorzugt erfolgt die Aussendung der elektromagnetischen Strahlung in den Wellenlängen-Teilbereichen mit Wellenlängen-Teilbereichs spezifisch steuerbarer Intensität.
Wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt eignen sich zur Pulsoxymetrie beispielsweise zwei LEDs mit 660 nm und 940 nm Abstrahlschwerpunkt.
In einer ebenso bevorzugten Ausführungsform entsprechen die Wellenlängen-Teilbereiche jeweils einer Farbe. Es ist nämlich auch von Interesse die Hautfarbe in verschiedenen Wellenlängenbereichen messtechnisch zu erfassen. So ist es beispielsweise für einen Arzt von Interesse, die Farbe des unter der Haut liegenden Gewebes unabhängig von der individuellen Pigmentierung erfassen zu können. Hierdurch können beispielsweise Muttermale von Melanomen unterschieden werden. Dies ist in gewissem Maße durch Verwendung unterschiedlicher Farben oder spektralen Schwerpunkten der Sender möglich. Der Sender sendet dann zwei separate Farbsignale (spektral unterschiedliche Signale) aus, wobei mittels eines Umschalters zwischen den beiden Farbsignalen umgeschaltet wird, so dass beispielsweise zu jedem Zeitpunkt lediglich ein Farbsignal ausgesendet wird. Der Empfänger ist in diesem Fall genau für die Erfassung der Intensität der beiden Farbsignale ausgebildet. Die Verarbeitungseinheit verarbeitet dann die auf den beiden Farbsignalen beruhenden Empfängerausgangssignale weiter und gewinnt daraus Informationen über die Übertragungseigenschaften der Übertragungsstrecke bzw. des zu vermessenden Objekts.
Alternativ zu einem Umschalter, der die Teilbereiche hin- und herschaltet, kann auch ein Regler oder eine Regelschaltung eingesetzt werden. Diese ermöglicht zusätzlich oder alternativ die Einstellung der Intensität in den einzelnen Wellenlängen-Teilbereichen. Die Regelschaltung kann in den Sender integriert sein, z. B. in einem ASIC oder der Platine für die Sendersteuerung und/oder -versorgung. Die Regelschaltung kann aber auch eine separate Einheit sein oder in einen Generator integriert sein.
Bevorzugt umfasst der Sender wenigstens zwei Sendeelemente, die je ein Signal mit jeweils spezifischer Wellenlänge aussenden. Besonders bevorzugt ist das ausgesendete Trägersignal ein Farbsignal, dessen Wellenlänge im optisch sichtbaren, infrarotem oder UV-Bereich liegt. Die beiden Sendeelemente sind typischer Weise abwechselnd aktiv, wobei die Sendeelemente beispielsweise lichtimitierende Dioden (LED) sein können.
In einer bevorzugten Ausführungsform senden die Sendelemente des Senders für jeden Wellenlängenbereich, bevorzugt für jedes Farbsignal, einen in Summe konstanten Lichtstrom aus. Die Aussendung erfolgt derart, dass die imitierte Energiemenge der Summe der Strahlung aller Sendeelemente im Wesentlichen gleich ist oder dass die Summe der Empfängersignalamplituden, die auf den jeweiligen Sendeelementen beruhen, im Wesentlichen gleich ist. Somit können die Signalanteile in jedem Wellenlängen-Teilbereich derart geregelt werden, dass sich im Empfänger ein konstantes Empfängersignal ergibt, bevorzugt das Empfängersignal zu Null oder auf einen konstanten Pegel geregelt werden kann, insbesondere wenn die Signalanteile in einem der beiden Wellenlängen-Teilbereiche invertiert zu dem anderen Signalanteil sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform senden Sendeelemente unterschiedlicher Sendewellenlänge, die gemeinsam den Sender bilden, für jeden Wellenlängenbereich, bevorzugt für jedes Farbsignal, einen mit einem ersten Speisesignal modulierten Lichtstrom aus. Die Aussendung erfolgt derart, dass die emittierte Energiemenge der Summe der Strahlung aller dieser Sendeelemente im Wesentlichen mit dem besagten ersten Speisesignal moduliert wird. Das Verhältnis der durch diese Sendeelemente emittierten Energiemengen zueinander wird durch ein zweites Speisesignal bestimmt. Somit können die Signalanteile in jedem Wellenlängen-Teilbereich derart geregelt werden, dass sich in einem für alle Wellenlängen gleich sensiblen Empfänger ein mit dem ersten Speisesignal moduliertes Empfängersignal ergibt. Durch einen ebenfalls aus Kompensations-Sendeelementen korrespondierender Sendewellenlängen bestehenden Kompensationssender kann mm bevorzugt das Empfängersignal zu Null geregelt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Kompensationssignalanteile des Kompensationssenders in einem der beiden Wellenlängen-Teilbereiche invertiert zu dem korrespondierenden anderen Signalanteil des Senders sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Sender eine Multiwellenlängen-LED, die elektromagnetische Strahlungen in wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen-Teilbereichen aussendet. Bevorzugt ist die Multiwellenlängen-LED steuerbar, insbesondere so steuerbar, dass die einzelnen Wellenlängen-Teilbereiche separat angesteuert werden können und dass bevorzugt deren Intensität geregelt werden kann.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem führt also quasi eine zweidimensionale Spektralanalyse durch, die es erlaubt, das Sensorsystem von den umgebenden Störstrahlern zu trennen. Wird die Spektralanalyse durch eine Puls-Code-Modulation erweitert, erfolgt eine signifikant gute Trennung von umgebenden Störstrahlern. Dies haben Untersuchungen im Rahmen der Erfindung deutlich gemacht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems umfasst der Empfänger wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens vier Empfangselemente, von denen wenigstens zwei, bevorzugt eine Vielzahl jeweils ein anderes spektrales Sensitivitätsprofil aufweisen. Die Empfangselemente sind also für einen bestimmten spektralen Bereich, folglich für einen bestimmten Wellenlängen-Teilbereich sensitiv. Bevorzugt sind die Empfangselemente Fotodioden oder andere Dioden. Besonders bevorzugt sind sie Empfangselemente spektral verschieden empfindliche Fotodioden.
Die Empfangselemente des Empfängers können beispielsweise auch ein Empfangselement-Array bilden, beispielsweise ein Empfangsspektrometer. Möglich ist es auch, ein auf einer CMOS-Technologie beruhendes Spektrometer zu verwenden. Dabei werden die Empfangselemente in CMOS-Technik ausgebildet. Dies geschieht beispielsweise durch ein metalloptisches Filter.
Besonders bevorzugt ist der Empfänger bzw. sind seine Empfangselemente, der aus Silizium zusammen mit einem Auswerteschaltkreis beispielsweise in CMOS Technologie gefertigt wird.
Daher ist ein Empfänger bevorzugt, der im Bereich von sichtbarer und/oder infraroter Strahlung und/oder UV Strahlung sensitiv ist. Die bevorzugten Wellenlängen-Teilbereiche liegen in diesem Fall zwischen einer Wellenlänge λ etwa von 300 nm bis 790 nm und/oder bis 1.100 nm und/oder von 100 nm an. Bevorzugt entspricht jeder der Wellenlängen-Teilbereiche dabei einer Farbe, einschließlich Infrarot und UV.
Sollen andere Wellenlängenbereiche genutzt werden, so muss typischerweise ein anderes Material als Silizium für die Empfänger verwendet werden. Auch die Nutzung anderer Wellenlängenbereiche ist daher möglich. Solche Materialien können III/V Verbindungen und II/VI Verbindungen oder andere Materialien der 4. Hauptgruppe sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sensorsystem als kompensierendes Messsystem ausgebildet sein, bei dem das eigentliche Übertragungssignal mit einem kompensierenden Signal am Empfänger so überlagert wird, dass der Sensor bzw. Empfänger ein nahezu konstantes Signal in Summe empfängt. Bevorzugt umfasst das Sensorsystem ein Kompensationselement, z. B. einen Kompensationssender, der ein Kompensationssignal in eine zweite Übertragungsstrecke hineinsendet, das von dem Empfänger nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke detektiert wird. Das Kompensationssendeelement kann bevorzugt eines der Sendeelemente des Senders sein. Das Kompensationssendeelement kann beispielsweise eine LED sein und wird dann als Kompensations-LED oder Kompensator bezeichnet.
Der Empfänger empfängt das Sendesignal des Senders und das Kompensationssignal und überlagert diese, bevorzugt linear und/oder summierend. Daraus wird das Empfängerausgangssignal gebildet, das in der Verarbeitungseinheit zu einem Kompensatorspeisesignal weiterverarbeitet wird. Das Kompensatorspeisesignal wird dem Kompensationssender zur rückkoppelnden Regelungen des Empfängerausgangssignals zugeführt, um so Informationen über die Übertragungseigenschaften der Übertragungsstrecke zu übermitteln.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die zweite Übertragungsstrecke, in die der Kompensationssender das Kompensationssignal sendet, der ersten Übertragungsstrecke entspricht. Somit sind die erste und die zweite Übertragungsstrecke gleich.
Ein wesentliches Unterscheidungskriterium der vorliegenden Erfindung zu den im Stand der Technik bekannten optischen Messverfahren liegt darin, dass die optische Trägerfrequenz der Trägerwelle vorzugsweise schmalbandig ist. Gegebenenfalls ist sie aus mehreren schmalbandigen Frequenzen zusammengesetzt. Die Modulationsfrequenz kann beliebig sein; sie ist bevorzugt schmalbandig. Sie kann aber auch breitbandig sein.
Daraus ergeben sich unterschiedliche Konfigurationen zwischen Sender und Empfänger. Beispielsweise kann die Modulationsfrequenz des modulierten Signals des Senders breitbandig sein. Der Empfänger kann in diesem Fall schmalbandig ausgebildet werden, so dass er auf bestimmten, schmalbandigen Wellenlängen-Teilbereichen empfängt. Der Empfänger ist folglich in einem schmalbandigen Bereich der Trägerwelle sensitiv, beispielsweise genau für eine bestimmte Farbe, z. B. für Grün.
Darüber hinaus kann die Modulationsfrequenz des Senders schmalbandig sein, genauso wie die optische Trägerfrequenz. Der Empfänger kann dann ebenfalls schmalbandig sensitiv sein. Alternativ ist es möglich, dass der Empfänger breitbandig sensitiv ist. Die schmalbandige und breitbandige Sensitivität bezieht sich dabei stets auf die Trägerwelle des ausgesandten Signals, auf die das Speisesignal des Senders aufmoduliert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das ausgesandte Signal, auf das das Sendesignal aufmoduliert ist, im optisch sichtbaren Bereich. Die Trägerlichtwellenlänge liegt somit dann etwa zwischen 380 nm und 790 nm. Dies entspricht einer optischen Trägerfrequenz im Bereich von 3,8 × 10¹⁴ Hz bis ca. 8 × 10¹⁴ Hz. Bei der Verwendung von infraroter Strahlung erweitert sich der Frequenzbereich auf ca. 3 × 10¹⁴ Hz. Bei UV Strahlung erweitert sich der Frequenzbereich auf 3 × 10¹⁵ Hz
Ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik, in dem immer nur ein Messwert ermittelt wird, ist es, dass im erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei dem in der erfindungsgemäßen Vorrichtung implementierten Verfahren Amplitude und Farbwinkel gesondert erfasst und geregelt werden können. Demgegenüber sind die Vorrichtungen im Stand der Technik auf die Einhaltung eines wohldefinierten Abstands und einer vorgegebenen Geometrie angewiesen, da diese hierzu nicht in der Lage sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann eine Vorrichtung, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung Ampitude und Farbwinkel somit getrennt ausregeln und messen. Bei einer mechanischen Störung, wie sie beispielsweise beim Transport von Patienten durch Stoß vorkommen kann, wird daher die Amplitude nachgeregelt, nicht aber der Farbwinkel. Das Farbwinkelsignal bleibt typischer Weise störungsfrei. Auch kann dadurch die Vorrichtung in Mobiltelefonen ohne definierten Abstand zum Objekt eingesetzt werden. Es bedarf nicht mehr zwingend eines mechanischen Clips zur stabilen Befestigung der Messvorrichtung beispielsweise an einem Finger. Vorrichtungen aus dem Stand der Technik sind für den Einsatz in mobilen Systemen, wie Mobiltelefonen, daher nicht eben geeignet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Methode zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke eines auf einer rückgekoppelten Kompensation beruhenden Messsystems oder Sensorsystems zwischen wenigstens einem Sender und wenigstens einem Empfänger zur Ermittlung eines biometrischen Parameters hat einen Sender, der ein Signal in die Übertragungsstrecke hineinsendet, das nach Durchgang durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke von dem Empfänger detektiert wird. Ein Kompensationssender sendet ein Kompensationssignal in eine zweite Übertragungsstrecke hinein, das von dem Empfänger nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke detektiert wird. In dem Empfänger überlagern sich das Sendesignal und das Kompensationssignal linear, insbesondere summierend. Hieraus wird ein Empfängerausgangssignal gebildet, das zu einem Kompensatorspeisesignal zum Speisen des Kompensationssenders weiterverarbeitet wird. Das Kompensatorspeisesignal wird dem Kompensationsender zur rückkoppelnden Regelung des Empfängerausgangssignals zugeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zunächst wird wenigstens ein Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung in wenigstens zwei vorgegebenen Wellenlängen-Teilbereichen mittels des Senders ausgesendet. Gemäß einem Verfahrensschritt wird die Sendeintensität in den wenigstens zwei Wellenlängen-Teilbereichen mithilfe mindestens eines Signals (Regelsignal) derart geregelt, dass insbesondere auch gegenläufig geregelt werden kann. Auf diese Weise kann Strahlung eines der mindestens zwei Wellenlängen-Teilbereiche ausgesendet werden. Die Teilbereiche können z. B. einzelne Farben sein. Es kann dann mittels eines Reglers oder eines Schalters zwischen den Teilbereichen hin- und hergeschaltet werden. Ein weiterer Verfahrensschritt umfasst das Empfangen wenigstens der Intensität der elektromagnetischen Strahlung in den wenigstens zwei interessierenden Wellenlängen-Teilbereichen. Dies erfolgt bevorzugt mittels des Empfängers, der wenigstens für die zwei interessierenden Wellenlängen-Teilbereiche sensitiv ist. Des Weiteren werden Empfängerausgangssignale gebildet, die auf den wenigstens zwei Wellenlängen-Teilbereichen beruhen. Die Empfängerausgangssignale werden zu einem Kompensatorspeisesignal in einem nächsten Verfahrensschritt unter Verwendung einer Linearform weiterverarbeitet und aus den Empfängerausgangssignalen eine Information über die Übertragungseigenschaften der Übertragungsstrecke insbesondere ein biometrischer Parameter gewonnen.
Besonders bevorzugt umfasst die Weiterverarbeitung des Empfängerausgangssignals zu dem Kompensatorspeisesignal mittels einer Linearform das Multiplizieren des Empfängerausgangssignals mit dem Speisesignal und Bilden eines Detektionssignals, das in einem weiteren Schritt in einem Filter gefiltert wird, so dass ein Projektionsbildsignal als gefiltertes Filterausgangssignal erzeugt wird. Hierbei wird das Signal in ein neues Signal in einen Hilbert-Raum transformiert (Hintransformation). Die Schritte Bilden eines auf dem Projektionsbildsignal basierenden Ausgangssignals und Durchführen einer zumindest teilweisen Rücktransformation des Ausgangssignals mit dem Speisesignal derart, dass ein Vorsignal gebildet wird, schließen sich an. Die Rücktransformation wird dabei bevorzugt als Multiplikation mit dem Speisesignal ausgeführt. Aus dem Vorsignal wird dann das Kompensatorspeisesignal erzeugt, mit dem der Kompensationssender zur rückkoppelnden Regelung gespeist wird.
Bevorzugt wird auch hier elektromagnetische Strahlung in genau zwei, besonders bevorzugt in mehr als zwei unterschiedlichen Wellenlängen-Teilbereichen ausgesendet, welche eine spezifisch steuerbare Intensität aufweisen können. Die Wellenlängen-Teilbereiche entsprechen vorzugsweise einer Farbe, wobei bevorzugt zwei separate Farbsignale ausgesendet werden. Das Regeln der Aussendeintensität der beiden Wellenlängen-Teilbereiche stellt ein Umschalten zwischen den beiden Farbsignalen dar, das bevorzugt mittels eines Umschalters erfolgt. Zu jenem Zeitpunkt wird dann bevorzugt lediglich ein Farbsignal ausgesendet. Die Intensität der beiden Farbsignale wird im Empfänger erfasst und die den Farbsignalen beruhenden Empfängerausgangssignale werden weiter verarbeitet.
Vorzugsweise wird das Verfahren mittels Multiwellenlängen-LEDs oder mittels zweier Sendeelemente eines Senders durchgeführt, wobei die Sendeelemente je ein Farbsignal aussenden und abwechselnd aktiv sind. Die Sendeelemente sind bevorzugt lichtimitierende Dioden. Selbstverständlich ist es auch möglich, eines der Sendeelemente als Kompensator auszubilden, insbesondere wenn die Sendeelemente LEDs sind. Die Kompensation-LED kann eines der Sendeelemente sein, während die Sende-LED bzw. die Sende-LEDs die andere bzw. die anderen Sendeelemente sind. Es können auch hier unter-schiedliche Farben zur Aussendung verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren schematisch dargestellten besonderen Ausführungsformen näher erläutert. Die dort dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Die beschriebenen Ausführungen stellen keine Einschränkung der durch die Ansprüche in ihrer Allgemeinheit definierten Erfindung dar. Die Figuren sind schematisch nur soweit ausgeführt, dass ein Fachmann den Grundgedanken erfassen kann.
Es zeigen:
1 das Blockschaltbild eines einzelenen Kanals zur Erläuterung der Regelung;
2 Teile des Systems aus 1 und den Regler CT mit seinen typischen Komponenten zur Erläuterung des Regelalgorithmusses bei Reflektionsmessung am Objekt;
3 eine alternative Ausführungsform eines Sensorsystems wie in 2 nun aber mit einer Durchstrahlung des Objekts;
4 Das Gesamtsystem bestehend aus Messkopf 1, Generator G1, Regler CT und Auswertung 2 Der Messwert A wird ausgegeben.
5 Ein beispielhaftes Gehäuse
6 ein beispielhaftes Gehäuse von oben
7 ein beispielhaftes Gehäuse von der Seite
8 beispielhafte Signale, hier für eine Herzfrequenzmessung
9 einkanaliges System wobei das Objekt auch durch den Kompensationsstrahl S23 passiert wird (im Gegensatz zu 3)
10 erfindungsgemäßes System als Beispiel dafür wie einzelne Kanäle zu einem erfindungsgemäßen System kombiniert werden. Hier einem System mit einem Sender (200) bestehend aus mehreren Sub-Sendern (201, 202)
11 Erfindungsgemäßes System mit zwei Sendern H1 und H2 auf unterschiedlichen Wellenlängen und zwei Fotoempfängern D1, D2, ebenfalls auf unterschiedlichen Wellenlängen und zwei zugehörigen Kompensationssendern K1, K2, wobei durch eine Koordinatenhin und -rücktransformation Amplitude und Farbwinkel getrennt geregelt und gemessen werden können.
1 zeigt die einfachste beispielhafte Ausprägung des Systems eines einzelnen Kanals. Die Zeichnung dient der Veranschaulichung des Grundprinzips. Für ein erfindungsgemäßes System sind mindestens zwei Kanäle erforderlich. Dies ist später genauer beschrieben. Ein Generator G1 erzeugt ein Speisesignal S5. Mit diesem wird ein Sender H1, typischerweise eine LED, angesteuert. Dieser strahlt in eine erste Übertragungsstrecke I1 ein. Am Ende dieser Übertragungsstrecke I1 befindet sich das Objekt T1. Dabei handelt es sich typischerweise um eine freiliegende Hautpartie des Patienten. Diese reflektiert das vom Sender H1 kommende Licht über eine zweite Übertragungsstrecke I2 zum Empfänger D1. Dieser wandelt das durch die beiden Übertragungsstrecken (I1, I2) und das Objekt (T1) modifizierte Signal in das Empfängerausgangssignal S0. Typischerweise entspricht dieses Signal der über eine Fotodiode abfallenden Spannung. Das Empfängerausgangssignal S0 wird durch einen Regler CT in das Kompensatorspeisesignal S3 und das Ausgangssignal S4 transformiert. Mit dem Kompensatorspeisesignal S3 wird der Kompensationssender K1 gespeist, der über eine definierte und typischerweise nicht veränderbare, also stabile, dritte Übertragungsstrecke I3 ebenfalls in den Empfänger D1 einstrahlt. Dabei überlagert sich der Strahlungsanteil des Senders H1 und des Kompensationssenders K1 im Empfänger D1 vorzugsweise linear. Der Sender H1 strahlt möglichst ausschließlich indirekt in den Empfänger D1 ein, während der Kompensationssender K1 möglichst direkt einstrahlt und möglichst nicht mit dem Objekt O1 wechselwirkt. Der Regler CT1 wird dabei so konfiguriert, dass eine Schwankung des auf den Senders H1 zurückzuführenden Strahlungsanteils, der den Empfänger D1 trifft, durch eine entgegengerichtete Schwankung des Strahlungsanteils des Kompensationssenders K1 ausgeglichen wird. Der Empfänger D1 empfängt daher bei einem dermaßen geschlossenen Regelkreis typischerweise im Wesentlichen nur ein Gleichsignal. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zur US5,774,213 , die wie oben beschrieben, eben nicht nur ein Gleichsignal als Regelsignal generiert, sondern eben auch Regelsignalanteile mit doppelter Sendefrequenz generiert.
Abweichungen ergeben sich beim erfindungsgemäßen System im Gegensatz dazu nur durch das Systemrauschen und etwaige Regelfehler. Das interne Regelsignal S4 stellt dabei ein Zwischensignal dar, aus dem ein biometrischer Parameter, beispielsweise die Pulsfrequenz, gewonnen werden kann.
2 zeigt eine typische und beispielhafte Ausgestaltung eines Reglers CT. Dieser ist gestrichelt eingezeichnet. Das Empfängerausgangssignal S0 wird zum verstärkten Empfängerausgangssignal S1 optional verstärkt. Die Verstärkung kann hier also auch 1 sein. Das Signal S1 wird mit dem Speisesignal S5 multipliziert. Hierdurch werden alle DC-Störsignale im Frequenzspektrum durch Addition der S5-Signalfrequenz auf die S5-Signalfrequenz verschoben.
Die Signalanteile des verstärkten Empfängerausgangssignals S1, die mit dem Speisesignal S5 korrelieren, werden auf f = 0 Hz verschoben. Sie finden sich allerdings auch bei der doppelten S5-Signalfrequenz. Durch anschließende Tiefpassfilterung werden alle höheren Frequenzanteile, insbesondere aber die Sendefrequenz selbst und das Doppelte der Sendefrequenz, entfernt. Besonders günstig, aber nicht zwingend erforderlich, ist es, wenn das Filtersignal alle Frequenzen unterhalb der halben Speisesignalfrequenz passieren lässt und alle darüber liegenden sperrt. Andere Grenzfrequenzen sind denkbar.
Dies ist der wesentliche strukturelle Unterschied zur US5,774,213 , die statt dieses Tiefpasses einen Bandpass an einer anderen Stelle im Regelkreis aufweist und wie besprochen deshalb eine geringere System-Performance aufweist. Dieser Mangel wurde im Laufe der Konzeptentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erkannt.
Mathematisch entspricht die erfindungsgemäße Signalverarbeitung einer Linearform und zwar konkret einem Skalar-Produkt zwischen dem Signal S5 und dem verstärkten Empfängerausganssignal S1 und damit dem Empfängerausgangssignal S0. Andere Linearformen sind ebenfalls möglich.
Durch diese Operation, einer sogenannten Hilbert-Projektion des verstärkten Empfängerausgangssignals S1 auf das Speisesignal S5 mittels einer Linearform und zwar im Besonderen mittels eines Skalar-Produkts durch Signalmultiplikation zum Detektionssignal S10 und Tiefpassfilterung zum Signal S9, wird quasi der Fourierkoeffizient des Speisesignals S5 im verstärkten Empfängerausgangssignal S1 bestimmt. Es handelt sich somit um eine Transformation eines Teils des Empfängerausgangssignals S0 in den Speisesignal-Raum oder S5-Raum. Andere Filter sind möglich. Wichtig ist, dass das verwendete Filter linear ist und die Sendefrequenzen sowie deren Verdoppelungen nicht durchlässt.
Dieses Filterausgangssignal S9 wird sodann durch den Verstärker V1 zum Ausgangssignal S4 verstärkt. Typischerweise wird die Verstärkung v des Verstärkers V1 relativ hoch gewählt. Das Vorzeichen der Verstärkung v wird dabei so gewählt, dass der Regelkreis später stabil ist. Das Ausgangssignal stellt gleichzeitig das Zwischensignal S4 dar, das beispielsweise für die Ermittlung der Herzfrequenz oder anderer biometrischer Parameter ausgewertet wird.
Das so erhaltene Verstärkerausgangssignal oder Zwischensignal S4 wird durch Multiplikation mit dem S5 Speisesignal in den Ursprungsraum zurücktransformiert. Das Ergebnis ist das Vorsignal S6. Dieses wird ggf. mit einem optionalen Offset B1 durch Addition versehen zum Kompensatorspeisesignal S3. Dieses speist den Kompensationssender K1, der wie bereits beschrieben, aufgrund der Parametrisierung dieser Regelschleife Schwankungen des Strahlungsanteils des Senders H1 beim Empfang durch den Empfänger D1 ausgleicht.
Durch diese Methodik unter Zuhilfenahme einer Linearform wird eine erhöhte Fremdlichtrobustheit erreicht. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu allen Dokumenten aus dem Stand der Technik. Diese Fremdlichtrobustheit wird im Falle einer Fotodiode durch Verwendung eines Gyrators zur Arbeitspunkteinstellung der Fotodiode weiter verbessert.
3 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform eines Kanals der Erfindung. Im Gegensatz zu 1 wird das Objekt, beispielsweise ein Finger, jetzt durchstrahlt.
4 zeigt schematisch das beispielhafte Gesamtsystem der Erfindung. Der beispielhafte Messkopf (1) enthält die besagten Fotodioden (D1) und die LEDs (H1). Durch ein optisches Fenster kann die Strahlung ein- und austreten. Der Regler CT erzeugt aus dem Speisesignal S5 des Generators G1 das Zwischensignal S4. Dieses wird in der Verarbeitungseinheit (2) zu einem Messwert A beispielsweise der Herzfrequenz oder eines anderen boiometrischen Parameters verarbeitet. Eine Möglichkeit der Verarbeitung beispielsweise zur Ermittlung der Herzfrequenz ist dabei, dass die Einheit (2) einen Schneidepegel in das Signal S4 legt und die Zeit zwischen zwei Pulsen des so ermittelten Signals misst und digital oder analog – diskret oder kontinuierlich ausgibt.
5 zeigt eine geeignete beispielhafte mechanische Ausführungsform eines Messkopfs der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einer unteren Gehäuseschale (11) ist ein PCB (14) eingebracht. Auf diesem PCB befinden sich in diesem Beispiel vier LEDs (9, 12, 15, 17), die symmetrisch um die beispielhafte Fotodiode (13) herum angebracht sind. Die LEDs (9, 12, 15, 17) arbeiten als Sender (H1) Die LEDs können gleichzeitig – synchron oder im Frequenzmultiplex – oder sequentiell betrieben werden. Eine fünfte LED (8) ist über einen Lichtwellenleiter (10) mit der Fotodiode (13) gekoppelt. Diese Fotodiode (13), die den Empfänger (D1) bildet, befindet sich im Zentrum bzw. Symmetriepunkt der LED Positionen (9, 12, 15, 17). Die fünfte LED (8) dient als Kompensationssender (K1). Das PCB ist mit einer Lippe (16) versehen, an dem ein Flachbandkabel zur Verbindung mit dem Controller (CT) mittels eines geeigneten Steckers und freiliegender Leitungen auf dem PCB angeschlossen werden kann. Auf das PCB ist ein strukturierter Lichtschutz (19) aufgesetzt. Dieser besitzt einen inneren Ring (20) der die Fotodiode (13) optisch von den LEDs (9, 12, 15, 17) entkoppelt. Der Ring (20) verhindert eine direkte Einstrahlung der LEDs (9, 12, 15, 17) in die Fotodiode (13). Im Gegensatz hierzu weist der Ring (20) eine Aussparung (7) für den Lichtleiter (10) auf, der die fünfte LED (8) mit der Fotodiode (13) direkt optisch koppelt. Demgegenüber sind die anderen vier LEDs (9, 12, 15, 17) indirekt über das Objekt (O) mit dem Empfänger, der Fotodiode (13) gekoppelt.
Zwischen diesem inneren Ring (20) und dem äußeren Ring des Lichtschutzes (19) sind Stege (18) angebracht, die eine direkte optische Kopplung zwischen den LEDs (9, 12, 15, 17) durch Überstrahlung zu verhindern. Die Stege (18) sind dabei gleichzeitig so geformt, dass sie eine optische Kopplung mit dem zu vermessenden Objekt nicht behindern. Das Ganze wird mit einem optischen Fenster (5) abgedeckt, das in seinem Randbereich (6) so geformt ist, dass es lichtdicht auf dem Ring aufliegt. Vorzugsweise ist das optische Fenster (5) auf der Innenseite zu den LEDs hin entspiegelt, um die Kopplung zu minimieren. Die Innenfläche des Fensters (5) ist so geformt, dass das Licht der Sende LEDs (9, 12, 15, 17) wenn überhaupt, dann möglichst nicht zum Empfänger (13) gestreut wird. Das Fenster (5) wird dabei jedoch so gewählt, dass es im interessierenden Spektralbereich für die elektromagnetische Strahlung der LEDs (9, 12, 15, 17) durchlässig ist. Durch einen Fixierring (4), der eine umlaufende Lippe (3) aufweist, werden optisches Fenster (5), Lichtschutz (19), PCB (14) mit den Bauteilen und die Gehäuseunterschale (11) zusammengehalten. Die mechanische Verbindung kann dabei beispielsweise über einen Schnappverschluss erfolgen. Die Lippe (3) liegt dabei auf der Kontaktfläche (5) lichtdicht auf.
6 zeigt die beispielhafte Anordnung bei abgenommenem Deckel (4, 5) von oben. Zwischen Lichtschutz (19) und der Wand des Gehäuseunterteils (11) befindet sich typischerweise noch ein Freiraum (21).
7 zeigt einen beispielhaften Querschnitt durch den beispielhaften Messkopf. Ein Auflegen eines Fingers (22) erzeugt eine veränderte Reflektion, hier von der LED 9 zur Fotodiode. Damit die Fotodiode die gesamte Fläche des optischen Fensters (5) „sieht” ist der Lichtschutz (19) nicht bis zum optischen Fenster hochgezogen. Es verbleibt ein Spalt zwischen optischem Fenster (5) und Lichtschutz (19), der so groß ist, dass Licht vom Rande des optischen Fensters (5) die Fotodiode erreichen kann. Erst hierdurch wird die erfindungsgemäße Anordnung entsprechend 1 möglich.
8 zeigt ein beispielhaftes S4-Signal (23) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es zeigt die Herzfrequenz. Dieses Signal wird durch die Verarbeitungseinheit (2) in ein Schaltsignal (25) umgewandelt. Hierzu wird das S4-Signal (23) mit einem Schneidepegel (24) verglichen. Diese Umwandlung findet typischerweise in der Verarbeitungseinheit (2, 2) statt. Eine andere Wandlung als die hier beschriebene 1-Bit-ADC-Wandlung ist selbstverständlich je nach Anwendungsfall möglich. Die Verarbeitungseinheit misst dann die Periodendauer und ermittelt daraus die Herzfrequenz.
Selbstverständlich kann der Regler (CT) und die Verarbeitungseinrichtung (2) auch durch eine DSP Vorrichtung mit ADCs und DACs oder PWMs realisiert werden. Das Kompensatorspeisesignal S3 kann insbesondere auch ein PWM moduliertes Signal sein, wobei unterschiedliche Amplituden durch unterschiedliche Tatverhältnisse realisiert werden. Die Trägheit der LED und parasitäre Kapazitäten sorgen bei geeigneter Auslegung für eine Glättung. Die Frequenz des S5-Speisesignals sollte dabei wesentlich niedriger als die PWM Frequenz liegen, um eine sichere Ausfilterung der PWM Frequenz durch die Tiefpassfilter F zu ermöglichen.
Im Rahmen der Erfindung wurde, wie erwähnt, erkannt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl eine Transmissionsmessung als auch eine Reflektionsmessung durchgeführt werden kann. Diese können beispielsweise auch in der Absorptionsspektroskopie eingesetzt werden. In unterschiedlichen Anwendungen, beispielsweise der chemischen Analytik, wird diese Art der Spektroskopie verwendet. Durch die Vorrichtungen können solche Verfahren in der Diagnostik, im Pflanzenanbau und in der Viehhaltung eingesetzt werden.
Beispielsweise trifft dies auf die Gasanalytik, die Festkörperanalytik und die Fluidanalytik zu. Dabei wird das Transmissionsspektrum im Vergleich zu dem auf eine Probe angestrahlten Spektrum vermessen. Alternativ wird das reflektierte Spektrum im Vergleich zu denselben erfasst. Es ist selbstverständlich denkbar, Absorptionsmessungen und Transmissionsmessungen parallel durchzuführen. Die Transmissionsmessung liefert ein Absorptionsspektrum, das charakteristisch für die physikalischchemischen Verhältnisse beispielsweise in einem Gewebe oder Material ist. Die Reflexionsmessung ermöglicht beispielsweise Aussagen über das Spektrum der oberflächennahen Haut- und Gewebeschichten eines Menschen oder Tieres.
Es wurde, wie erwähnt, erkannt, dass das erfindungsgemäße Sensorsystem auch für Transmissionsmessungen angewendet werden kann. Der Sender, der bevorzugt eine LED mit ”scharfer” Wellenlänge ist, also schmalbandig, erzeugt ein Signal, das von einem Objekt in der Übertragungsstrecke, typischer Weise dem Patienten, im Strahlengang des Senders modifiziert wird. Typischerweise wird die Wellenlänge, also die optische Trägerfrequenz des Senders so gewählt, dass eine optimale Interaktion zwischen dem Objekt oder der zu bestimmenden Komponente in dem Objekt in der Übertragungsstrecke und dem Sendesignal stattfindet.
9 zeigt eine Messschaltung, mit der sich beispielsweise die Konzentration eines Gases – z. B. Atemluft –, eines Fluids (z. B. Blut) oder eines Feststoffes (z. B. eines Fingers) in einem vorgegebenen Messraum ermitteln lässt. Der Messraum mit Objekt entspricht der Übertragungsstrecke T1 zwischen dem Sender H1 und dem Empfänger D1 gemäß 1.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie bereits erwähnt, eine Transmissionsmessung durchgeführt werden kann. Beispielsweise lässt sich die Konzentration eines Gases, eines Fluids oder eines Feststoffes in einem vorgegebenen Messraum ermitteln. Der Messraum mit Probe entspricht der Übertragungsstrecke T1 zwischen dem Sender H1 und dem Empfänger D1 gemäß 1.
Erfindungsgemäß wird der Sender 200 oder das Sendeelement 201 typischerweise als Sendediode 203, beispielsweise Sende-LED, mit scharfer Wellenlänge ausgebildet. Die Sendediode 203 erzeugt ein Signal, das von einem Objekt T1 im Strahlengang der Sendediode modifiziert wird. Typischerweise wird die Wellenlänge, also die optische Trägerfrequenz des Signals, das der Sender 200 aussendet, so gewählt, dass eine optimale Interaktion zwischen dem Objekt T1 und dem Sendesignal S25 erfolgt. Eine derartige Ausführungsform eines einkanaligen Gassensors oder Diodenspektrometers ist in 9 gezeigt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert mindestens zwei Kanäle.
Soll beispielsweise die Konzentration von CO2-Gas in der Atemluft detektiert werden, so muss die Träger-Wellenlänge der Sendediode 203 einer Absorptionslinie des CO2-Moleküls in dem Trägermedium (z. B. Luft im Messraum) entsprechen. In diesem Fall würde der mit der Gasprobe gefüllte Messraum T1 das Licht der Sendediode 203 in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration dämpfen. Das besondere Problem einer derartigen Messung besteht in der Regel darin, dass sehr kleine Dämpfungen und nur sehr kleine Konzentrationen zu bestimmen sind.
Der Empfänger (Empfangsdiode 204) 204 wandelt dann das empfangene Lichtsignal nach Transmission durch die Probenstrecke, die der Übertragungsstrecke, also dem Messraum T1 entspricht, wieder in ein elektrisches Signal um. Ein Sensorsystem mit einer kompensierenden Regelstrecke steuert nun ein zweites Sendeelement, das die Kompensationsdiode ist, derartig, dass dessen Licht ebenfalls von der Empfangsdiode 204 empfangen wird und das Empfängerausgangssignal S1 des Empfängers so nachregelt, dass dieses im Wesentlichen einen Konstantwert ergibt.
Es ist aber nun wesentlich, dass dieser Kompensationssender (Kompensationsdiode 205) auf einer anderen Trägerwellenlänge als die Sendediode 203 betrieben wird.
Erfindungsgemäß wird die Trägerwellenlänge des Sendesignals S23 der Kompensationsdiode 205 so gewählt, dass durch die Übertragungsstrecke allein, also ohne zu untersuchende Probe, keine Beeinträchtigung erfolgt, die wesentlich anders ist als die Beeinträchtigung, die das von der Sendediode 203 ausgesandte Sendesignal S25 ebenfalls durch die Übertragungsstrecke allein, also ohne zu untersuchende Probe, erfährt. Zu den Beeinträchtigungen durch die Übertragungsstrecke zählen das Trägermedium selbst, beispielsweise Luft, oder optische Vorrichtungen im Strahlengang zwischen der Kompensationsdiode 205 und der Empfangsdiode 204 wie beispielsweise Linsen, Glasfaserleitungen, Spiegel oder optische Fenster zur Strahlenlenkung. Die einzige Ausnahme ist die Beeinträchtigung des zu messenden Objekts oder des zu messenden Stoffes, wie im oben genannten Beispiel etwa des CO2-Gases. Die Trägerwellenlänge des Kompensatorspeisesignals S23 ist so gewählt, dass mit der Probe möglichst keine Interaktion oder jedenfalls eine wesentlich geringere Interaktion stattfinden darf. Das von der Kompensationsdiode 205 ausgesandte Signal S23 erfährt also eine deutlich geringere Dämpfung oder stärkere Modifikation als das Sendesignal S25.
Hierdurch kann der Referenzstrahl des zweiten Senders, also der Kompensationsdiode 106 205 den gleichen Signalweg zurücklegen und wird erst dann in dem Empfänger, hier der Empfangsdiode 204, empfangen.
Wesentlich bei diesem Verfahren ist, dass der Empfänger 204 empfindlich für beide Trägerwellenlängen ist, also zum einen empfindlich für die Trägerwellenlänge der Sendediode 203 als auch für die zweite Trägerwellenlänge der Kompensationsdiode 205.
Eines der wesentlichen Merkmale dieser Ausprägung der Erfindung ist es folglich, dass das Kompensatorspeisesignal der Kompensationsdiode 205 in seinen Eigenschaften so gewählt ist, dass dessen Wechselwirkung mit den zu messenden Eigenschaften der Übertragungsstrecke T1 minimiert wird. Es wird folglich die Wechselwirkung mit der zu messenden Probe, beispielsweise dem CO2-Gas, möglichst gering. Die Wechselwirkungen mit den übrigen Eigenschaften der Übertragungsstrecke T1, also des Messraums, Spiegels, der Linsen oder der sonstigen Vorrichtungen im Strahlengang sind möglichst identisch denen der eigentlichen Messstrecke. Darüber hinaus muss eine Kompensationswirkung an der Empfangsdiode 204 möglich sein, was in der Regel gegeben ist.
Die Weiterverarbeitung des Empfängerausgangssignals S1 erfolgt in der Verarbeitungseinheit 120 in der bekannten Weise. Die Verarbeitungseinheit 120 umfasst dazu bevorzugt wieder einen optionalen Verstärker 107, ein Multiplizierglied 208, einen Filter 209 und einen weiteren Verstärker 211, an dessen Ausgang das Signal S4 anliegt. Dieses Signal liegt bevorzugt auch am Ausgang der Verarbeitungseinheit 300. In dem Multiplizierglied 212 wird das Ausgangssignal S4 typischerweise mit dem Speisesignal S5 multipliziert und so ein Vorsignal 56 gebildet, dass in einem Summierer mit einem Biaswert addiert, der bevorzugt von einem Biasgenerator B1 erzeugt wird. Daraus wird das Kompensatorspeisesignal S3 gebildet, das dem Kompensationssender 205 zugeführt wird.
Selbstverständlich lässt sich dieses Verfahren auch mit anderen Konzepten kombinieren. Beispielsweise ist die Möglichkeit eines schmalbandigen Speisesignals derart gegeben, bei dem zusätzlich das Modulationssignal schmalbandig ist, also die Modulationsfrequenz in einem schmalbandigen Bereich liegt und Spread-Spectra-Verfahren basierende Regelung möglich oder eine optische ”Time-Off-Flight-Messung”. Eine solche optische Time-of-Flight-Messung kann beispielsweise durch Verzögerung des Kompensationssignals in Abhängigkeit von einem Vorsignal erreicht werden. Insbesondere müssen die Speisesignale nicht monofrequent sein. Wichtig ist nur, dass zwei beliebige verschiedene Speisesignale bezüglich des Skalar-Produkts orthogonal sind. Das bedeutet, dass die Filterung des Produkts zweier dieser Speisesignale durch das Filter F Null ergeben muss.
Neben der Pulsoxymetrie, der Herzfrequenzmessung, CO2 Gehaltsmessung in der Atemluft oder einer anderen Gasanalyse lässt sich das System in vielen Bereichen einsetzen. Beispielsweise ist es möglich, in einem Gewächshaus das Wachstum der Pflanzen zu monitoren Auch ist es möglich, die Konzentration fluoreszierender Medikamente in Haut- und Gewebeschichten zu messen.
Tumorgewebe kann von harmlosen Hautunreinheiten unterschieden werden. Aus US5306144 ist bekannt, dass eine Identifikation kariöser Stellen an Zähnen mittels einer spektralen Analyse möglich ist. Hier wäre die Verwendung der Wellenlängen 550 nm, 636 nm, 673 nm und ggf. 770 nm oder naheliegender Wellenlängen sinnvoll. Die weiteren Anwendungsmöglichkeiten sind so mannigfaltig, dass sie hier nicht umfassen aufgeführt werden können. Es sei hier auf die Literatur der Lebenswissenschaften (insbesondere Biologie, Medizin und Medizintechnik) im Zusammenhang mit spektraler Eigenschaften lebender Stoffe und Systeme verwiesen.
Während die 9 einen Gassensor bzw. Pulssensor durch Transmission zeigt, der als ein-kanaliges Diodenspektrometer ausgebildet ist (eine erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert zwei Kanäle) und bei dem der Sender sowohl eine Sendediode 203 als auch eine Kompensationsdiode 205 umfasst, stellt 10 einen zweikanaligen biometrischen Sensor dar. Bei diesem Diodenspektrometer umfasst der Sender 200 eine erste Sendediode 201 und eine zweite Sendediode 202. Die beiden Sendedioden 201, 202 sind vorzugsweise als Laserdioden ausgebildet, die mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen-Teilbereichen arbeiten, wobei die beiden Wellenlängen-Teilbereiche vorwiegend schmalbandig sind. In einer besonderen Ausführungsform umfassen sie genau die Wellenlängen λ₁ und λ₂. Diese beiden Wellenlängen entsprechen den Absorptionswellenlängen der Komponenten, die in einem Medium (z. B. Gas) oder beispielsweise im Hämoglobin eines durchstrahlten Fingers (T1) gemessen werden sollen. Dabei ist es möglich, gleichzeitig zwei Komponenten zu ermitteln.
Das von dem Sender 200 ausgesandte Sendesignal S200, das sich aus den Sendesignalen S201 und S202 der Sendeelemente 201, 202 zusammensetzt, durchläuft eine Messstrecke oder Übertragungsstrecke T1, die beispielsweise durch einen Messraum 210 gebildet sein kann. In dem Messraum 210 ist das zu untersuchende Objekt enthalten. Das Sendesignal S200 wird dann von einem Empfänger, der eine Empfangsdiode 204 ist, empfangen, der auf den beiden Wellenlängen λ₁ und λ2 sensitiv ist. Die Empfangsdiode 204 kann entweder so konzipiert sein, dass er recht schmalbandig auf genau den interessierenden Wellenlängen λ₁, λ₂ empfindlich ist. Sie kann jedoch auch in einem breitbandigeren Wellenlängenbereich empfindlich sein, so dass jedenfalls die beiden Wellenlängen λ₁, λ₂ umfasst sind.
Die Kompensationsdiode 205 kann entweder ein selbständiger Kompensationssender 106 oder Teil des Senders 200, z. B. ein Sendeelement, sein. Die Ausführungsform, in der die Kompensationsdiode 205 ein Sendeelement des Senders 200 ist, ist in 10 gestrichelt dargestellt. Dies ist eine bevorzugte Variante, da nur ein Sender 200 vorhanden sein muss. Der Sender 200 kann selbstverständlich auch als eine einzige Multiwellenlängendiode bzw. -LED ausgeführt sein, die die Funktionen der Sendeelemente 201, 202 bzw. der Sendediode 203 und Kompensationsdiode 205 umfasst. Die abgestrahlte Trägerwellenlänge der Kompensationsdiode 205 ist jedenfalls so gewählt, dass sie neben den beiden Absorptionswellenlängen λ₁ und λ₂ liegt. Es gibt folglich keinen überlappenden Bereich zwischen der Kompensationsträgerwellenlänge λ_k und den beiden Senderwellenlängen λ₁, λ₂.
Die Verarbeitungsstrecke hinter der Empfangsdiode 204 entspricht den bekannten Signalverarbeitungssträngen, wobei diese doppelt ausgeführt sind. In den Demodulatoren 208a, 208b werden jeweils das verstärkte Empfängerausgangssignal S1 mit den jeweiligen Speisesignalen S5a bzw. S5b multipliziert. Die anschließende Verarbeitung erfolgt analog zu dem einkanaligen Pulssensor (9). Am Ausgang der Verstärker 211a und 211b stehen die Signale S4a und S4b an, die ausgegeben werden können (Ausgang 300a, 300b), um in einer weiteren Verarbeitungseinheit weiterverarbeitet und aus-gewertet werden zu können.
Die Ausgangssignale S4a und S4b werden jeweils in einem weiteren Multiplizierer 212a bzw. 212b mit den Speisesignalen S5a bzw. S5b multipliziert, wodurch die Vorsignale S6a und S6b gebildet werden. Diese Signale werden summiert und als Summenvorsignal S6 mit einem Biaswert b1 aus einem Biasgenerator B1 addiert, bevor das Additionssignal als Kompensatorspeisesignal S3 dem Kompensationssender, einer Kopensationsdiode 205, zugeführt wird.
Die Speisesignale S5a und S5b werden, wie oben bereits angesprochen, bevorzugt orthogonal gewählt. Das bedeutet, dass die auf das Speisesignal S5a zurückzuführenden Signalanteile auf die Signalanteile des Speisesignals S5b projiziert werden und Null ergeben
Zur Speisung der beiden Sendeelemente 201 und 202 des Senders 200 können ein oder mehrere Signalgeneratoren G1 und/oder G2 verwendet werden. In der gezeigten Ausführungsform werden die beiden Sendeelemente 201, 202 des Senders 200 mit jeweils einem eigenen Generator gespeist. Selbstverständlich ist es auch möglich, nur einen Generator zu verwenden. Jedenfalls wird in dem Sender 200 zwischen den beiden Wellenlängen-Teilbereichen auf die Sendeelemente 201 und 202 umgeschaltet. Einzig die Orthogonalität der beiden Speisesignale S5a und S5b muss erreicht werden. Auch sollten die Speisesignale bandbegrenzt sein, um eine Filterung zu ermöglichen.
11 zeigt eine alternative Ausführungsform mit einem farb- und amplitudenmodulierten Sender, einem farb- und amplitudenmodulierten Kompensationssender und zwei spektral unterschiedlich sensitiven Empfängern. Dieses System ist der allgemeinere Fall des Systems, das in 1 als Spezialfall für einen Kanal dargestellt ist.
Der Sender besteht aus zwei Sendeelementen H1 und H2. Dem Sendeelement H1 ist die Wellenlänge λ₁ zugeordnet, was beispielsweise der Farbe rot entsprechen kann. Dem Sendeelement H2 ist die Wellenlänge λ₂ zugeordnet, was beispielsweise der Farbe blau entsprechen kann. Selbstverständlich sind analoge Systeme mit mehr als zwei Sendeelementen und/oder Wellenlängen denkbar. Das hier dargestellte Beispiel reicht jedoch zum Verständnis vollständig aus.
Jedes der Sendeelemente H1 und H2 besitzt sein eigenes Speisesignal S51 und S52, d. h. wird mit einem eigenen Speisesignal S51 bzw. S52 gespeist. Diese Speisesignale werden durch zwei Signal-Generatoren G1 und G2 gespeist, die die Speisesignale S5φ und S5a generieren. Typischerweise werden die Speisesignale orthogonal zueinander gewählt, wie oben beschrieben. Mit dem Speisesignal S5a soll die gemeinsame Amplitude der Signale S51 und S52 moduliert werden, mit dem Speisesignal S5φ das Intensitätsverhältnis der beiden Signale S51 und S51 zueinander. Es ergeben sich somit die folgenden Verhältnisse: S51 = S5a + S5φ S52 = S5a – S5φ S51 + S52 = S5a
Sind S5a und S5φ zueinander orthogonal, so sind es auch S51 und S52. Aus diesem Grund ist eine Koordinatentransformation zwischen den beiden Signalen S5φ und S5a im, im Folgenden als ”φ-a-Koordinatensystem” bezeichneten, Koordinatensystem in die Signale S51 und S52 im, im Folgenden als ”1-2-Koordinatensystem” bezeichneten, Koordinatensystem notwendig.
Hier geschieht dies durch eine Matrixmultiplikation mit der Matrix M1.
Es handelt sich also um eine Drehstreckung.
Vor der Aussendung ist es in der Regel notwendig, durch Addition von Bias-Werten B21 und B22 den Arbeitspunkt der Sender H1 und H2 zu optimieren.
Die Sender H1 und H2 senden nun in eine erste Übertragungsstrecke I1. Dabei wird das Licht dieser Sender, wie bekannt, durch die Eigenschaften der Übertragungsstrecke T1 modifiziert. Diese Modifikation kann wiederum durch das Übertragungsmedium selbst oder Objekte in der Übertragungsstrecke oder die innere Struktur der Übertragungsstrecke erfolgen.
Das Sendesignal der Sender H1 und H2 wird durch spektral unterschiedlich empfindliche Empfänger D1 und D2 nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke I2 empfangen. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik. Dabei soll D1 beispielsweise für die Wellenlänge λ₁ empfindlicher sein als für die Wellenlänge λ₂ und D2 beispielsweise für die Wellenlänge λ₂ empfindlicher sein als für die Wellenlänge λ₁. Durch geeignete Verarbeitung (beispielsweise Verstärkung und Vorfilterung) erhält man die beiden verstärkten Empfängerausgangssignale S11 und S12. Im vorliegenden beispielhaften Fall erfolgt nun bevorzugt eine Koordinatenrücktransformation der verstärkten Empfängerausgangssignale S11 und S12 vom ”1-2-Koordinatensystem” in das ”φ-a-Koordinatensystem” mit den korrespondierenden verstärkten Empfängerausgangssignalen S1a und S1φ. Dies geschieht im vorliegenden Beispiel durch eine erneute Matrixmultiplikation mit der Matrix M2.
Diese Matrix ist also die Transponierte zu M1 (M2 = M1^T). Die dabei auftretende Multiplikation aller Amplituden mit dem Faktor 2 ist in der Praxis nicht relevant, da später ohnehin eine Verstärkung um einen Faktor v erfolgt.
Im Folgenden wird durch Bildung eines Skalar-Produkts, wie oben beschrieben, wieder der Anteil des Speisesignals S5a im rücktransformierten verstärkten Empfängerausgangssignal S1a bestimmt. Hierzu wird beispielsweise dieses Signal S1a zunächst mit dem Speisesignal S5a zum Detektionssignal S10a multipliziert und sodann zum Projektionsbildsignal S9a = F_a[S10a] gefiltert, wobei das Filter F beispielsweise wieder ein lineares Tiefpassfilter ist, dass nur die nahe der Modulationsfrequenz f = 0 Hz liegenden Signalanteile durchlässt. Das so gewonnene Projektionsbildsignal S9a = F_a[S10a] wird zum Amplitudenausgangssignal S4a verstärkt. Dieses Amplitudenausgangssignal S4a ist einer der Messwerte des Systems und spiegelt die Wellenlängen unabhängige Dämpfung der Gesamtamplitude im Übertragungskanal T1 wieder. Es wird aus der Summe der Übertragungsparameter (Dämpfung) t₁₁ und t₁₂ (der Matrix M1) gebildet und liegt bevorzugt am Ausgang 300a an.
Durch Bildung eines Skalar-Produktes wird ebenfalls der Anteil des Signals S5φ im rücktransformierten Empfängerausgangssignal S1φ bestimmt. Hierzu wird beispielsweise analog zur zuvor beschriebenen Behandlung des Signals S1a dieses Signal S1φ zunächst mit dem zugehörigen Speisesignal S5φ zum Signal S10φ multipliziert und sodann zum Signal Fφ[S10φ] gefiltert, wobei das Filter wiederum beispielsweise ein lineares Tiefpassfilter ist, dass nur die nahe der Modulationsfrequenz f = 0 Hz liegenden Signalanteile durchlässt. Das so gewonnene Filterausgangssignal Fφ[S10φ] wird zum Signal S4φ verstärkt. Im Gegensatz zum Amplitudenausgangssignal S4a ist hier jedoch das Filterausgangssignal vor der Verstärkung der zweite Messwert des Systems und spiegelt die relative, Wellenlängen abhängige Dämpfung im Übertragungskanal wider. Auch dies ist ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik, wo die offenbarten Vorrichtungen und Verfahren nur typischer Weise zwei Amplituden messen können. Das Signal wird aus der Differenz der Übertragungsparameter (Dämpfung) t₁₁ und t₁₂ (der Matrix M2) gebildet (= t11 – t12). Es liegt bevorzugt an einem Ausgang 300c an.
Die Verwendung anderer Skalar-Produkte ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Anwendungssystem aufgrund besonderer Anforderungen die Verwendung anderer Filter F erzwingt. Dem Fachmann wird es nicht schwerfallen, durch Änderung der Definition des Skalar-Produktes zweier Signale, andere Anwendungen zu erschließen. An dieser Stelle sei auf die sehr umfangreiche signal- und regelungstechnische Literatur verwiesen.
Würde es sich bei den Speisesignalen S5a und S5φ um Sinus und/oder Cosinus-Signale handeln, so würden die Signale S4a und S4φ den zugehörigen Fourier-Koeffizienten bei geschlossenem Regelkreis entsprechen. Die hier beschrieben Methodik liefert also eine Transformation in den dualen Raum der S5x Signale, wobei x in diesem Bei-spiel für a und φ steht. Zum besseren Verständnis sprechen wir hier für diese Transformation von einer „Fourier-Transformation” und setzen diese in Anführungsstriche, um darzustellen, dass es sich nicht um dieselbe sondern nur um ein Analogon handelt.
Es folgt nun die „Fourier-Rücktransformation” und die Koordinatenrücktransformation in das ”1-2-Koordinatensystem”.
Zur „Fourier-Rücktransformation” werden die derartig ermittelten Amplituden- und Phasensignale S4a und S4φ mit ihren korrespondierenden Speisesignalen S5a und S5φ zu den Vorsignalen S6a und S6φ multipliziert. Zur Rücktransformation in das ”1-2-Koordinatensystem” werden die beiden Signale mit der gleichen Transformation wie die Speisesignale S5a und S5φ versehen. Das bedeutet im konkreten Beispiel, dass sie mit der Matrix M1
multipliziert werden. Es gilt dabei die folgende Zuordnung: S61 = S6a + S6φ S62 = S6a – S6φ S61 + S62 = S6a
Die so erhaltenen rücktransformierten Vorsignale S61 und S62 werden mit Bias-Werten B11, B12 zur Einstellung des Arbeitspunktes der Kompensations-Sendeelemente K1 und K2 versehen. Die zugehörigen Kompensatorspeisesignale sind mit S31 und S32 bezeichnet.
In dem vorliegenden Beispiel soll das Kompensations-Sendeelement K1 vorwiegend die Wellenlänge λ₁ korrespondierend zum Sendeelement H1 aussenden und das Kompensations-Sendeelemente K2 vorwiegend die Wellenlänge λ₂ korrespondierend zum Sendeelement H2 aussenden.
Das Signal der Kompensations-Sendeelemente K1 und K2 wird in den Empfängerelementen D1 und D2 typischerweise jeweils summierend linear überlagert. Die Kompensations-Sendeelemente K1 und K2 senden dabei in eine zweite Übertragungsstrecke hinein, die deren Signal entweder nicht oder in einer vorbestimmten Weise beeinflusst bevor es auf die Empfangselemente D1 und D2 trifft.
Es lässt sich zeigen, dass für das oben beschriebene Beispiel bei geeigneter Wahl der Verstärkungen, der Filter und der Signaleigenschaften der Signale S5a und S5φ die Dämpfung t₁₁ im ersten Übertragungskanal bei der Wellenlänge λ₁ und die Dämpfung t₁₂ im ersten Übertragungskanal bei der Wellenlänge λ₂ in folgendem Zusammenhang mit den Ausgangswerten S9φ = Fφ[S10φ] und S4a des Systems stehen:
Es ist somit möglich, die Amplitudenänderung t₁₁ von der Farbänderung zu trennen. Dies ist wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik. Erst diese Transformation ermöglicht die Integration in mobile Geräte wie z. B. Mobiltelefone, da Abstandsschwankungen durch das manuelle Handhaben des Mobilfunkgerätes ausgeglichen werden. Das Signal S4a gibt die Amplitudenänderung beim Durchgang durch das Medium T1 wieder; das Signal S9φ = Fφ [S10φ] gibt die Änderung der Zusammensetzung des Signals (insbesondere des Lichts) nach λ₁ und λ₂ wieder. Beispielsweise ist das System als Haut-Farbsensor in einer gestörten Umgebung geeignet. Die Einzeldämpfungen lassen sich ebenso bestimmen, z. B. durch Koordinatentransformation.
12 zeigt eine andere Ausprägung des erfindungsgemäßen Systems.
Ein erster Generator Ga erzeugt ein Speisesignal S5a, mit dem die Amplitude der n Speisesignale S5v1 bis S5vn durch Multiplikation zu den Signalen S51 bis S5n durch Amplitudenmodulation umgeformt wird. Diese werden typischerweise mit einem Offset b1 bis bn versehen. Ebenso sind diese Offsets typischerweise identisch. Die Offsets b1 bis bn dienen dazu, die Ansteuerung von LEDs als Sender H1 bis Hn zu ermöglichen. Die Sender H1 bis Hn senden nun jeweils ein Signal S51 bis S5n mit besagtem Offset versehen in die Übertragungsstrecke hinein. Typischer Weise sind die spektralen Schwerpunkte der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung der Sender H1 bis Hn unterschiedlich. In der Übertragungsstrecke liegt beispielsweise das zu vermessende Objekt O. Dieses wird in diesem Beispiel durchstrahlt. Die derartig bei der Durchstrahlung des Objektes modifizierte Strahlung wird duch einen Detektor D1 aufgefangen und in das Empfänger Ausgangssignal S0 gewandelt. Typischerweise ist der Detektor für alle von den verschiedenen Sendern H1 bis Hn abgestrahlten elektromagnetischen Wellen empfindlich.
Dieses Empfängerausgangssignal S0 wird zum verstärkten Empfängerausgangssignal S1 verstärkt. Die Verstärkung kann dabei 1 betragen oder komplex sein und/oder mit einem Frequenzgang versehen sein.
Das so aufbereitete Empfängerausgangssignal wird nun auf n + 1 Regler verteilt.
Jeder Regler k des k-ten Kanals besteht wieder aus einer Multiplikationseinheit, in dem das verstärkte Empfängerausgangssignal S1 mit einem Basissignal S5k zum Signal S10k multipliziert wird, gefolgt von einem Tiefpass F, der die Basissignalfrequenzen und darüber liegende Frequenzen zuverlässig unterdrückt, gefolgt von einer Versstärkung des so erzeugten Gleichsignals S9k um einen Faktor v, wobei v so gewählt ist, dass der sich später ergebende Regelkreis stabil ist. Das so erzeugte Verstärkerausgangssignal S4k wird in einer weiteren Multiplikation mit dem zugehörigen Basissignal S5k zum spezifischen Kompensatorvorsignal S6vk gewandelt.
Gleichzeitig wird die Amplitude gemessen. Hierzu wird eine analoge Reglerstruktur verwendet. Statt des jeweiligen Basissignals S5k wird nun jedoch das Amplitudenmodulationssignal S5a verwendet.
Die n S6k Kompensatorvorsignale werden zusammensummiert und diese Summe mit dem Ausgang S6a des Reglers für die Amplitudenmessung multipliziert. Es ergibt sich das Kompensatorvorsignal S6.
Dieses wird durch Addition eines Offsets B11, der auch Null sein kann, zum Kompensatorspeisesignal S3 gewandelt. Dieses Speist den Kompensator, der ebenfalls in den Empfänger D1, typischerweise linear überlagernd, einstrahlt.
Die n einzelnen Ausgangssignale S4k (mit 0 < k < n + 1) stellen hierbei die Messwerte der einzelnen zugeordneten Sender/Dioden Paare dar.
Das Signal S4a stellt einen Messwert für die Amplitude dar.
Die k Generator-Signale S5v1 bis S5vn sollen dabei bezüglich der durch die Multiplikatoren und Filter dargestellten Skalar-Produkte orthogonal sein.
Der besondere Vorzug dieses Systems ist, dass aus den S41 bis S4n Signalen durch eine Hauptachsentransformation ein Spektrum gewonnen werden kann, dass vom Abstand zwischen Messsystem und Objekt nicht abhängig ist, so lange sich das Objekt im Messbereich des Systems befindet.
14 zeigt das beispielhafte Spektrum eines gesunden Zahns (A) und eines kariösen Zahns (B)
Eine Detektion eines Kariösen Zahnes kann also beispielsweise mit Hilfe eines Systems entsprechend 12 erfolgen. Dabei wird das Spektrum des Zahnes segmentiert in verschiedene spektrale Segmente entsprechend der Anzahl n der Sender H1 bis Hn festgestellt.
Im Gengensatz zur US5306144 , bei der keine Kompensation durch einen Kompensationssender K1 (siehe 12) stattfindet, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch den Kompensationsender K1 wesentlich robuster gegenüber Fremdlicht und in der Lage, das relative Spektrum unabhängig von der Amplitude und damit vom Abstand Messinstrument <–> Zahn festzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3135802 A1 [0013, 0014, 0020, 0022, 0026]
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US 5306144 [0120, 0163]

Claims

Sensorsystem zur optischen Messung biometrischer Parameter eines Tieres oder einer Pflanze oder eines Menschen umfassend mindestens einen ersten Sender (H1) und wenigstens einem zweiten Sender (H2) und mindestens einen Empfänger (D1), – wobei die Vorrichtung mindestens einen weiteren Sender (K1) aufweist und – wobei mindestens ein erster Sender (H1) mit einem Speisesignal (S5a) eines Signalgenerators (G1) betrieben wird und – wobei mindestens ein zweiter Sender (H2) mit einem Speisesignal (S5b) betrieben wird und – wobei die von dem ersten Sender (H1) und die vom zweiten Sender (H2) ausgesendeten elektromagnetischen Strahlungen auf das Messobjekt T1 fallen und von diesem auf mindestens einen Empfänger (D1) reflektiert werden und/oder das Messobjekt (T1) durchdringen und auf mindestens einen Empfänger (D1) fallen und – wobei mindestens ein Regelkreis (CT) mindestens ein Kompensatorspeisesignal (S3) aus mindestens einem Empfängerausgangssignal (S0) eines der besagten Empfänger (D1) erzeugt und – wobei der besagte Regelkreis (CT) durch je eine Linearform das Empfängerausgangssignal (S0) mindestens mit einem Speisesignal (S5a) und mit mindestens einem weiteren Speisesignal (S5b) verknüpft und – wobei das Kompensatorspeisesignal (S3), abgesehen von einem optimalen Offset, linear proportional zur Summe der jeweils verstärkten Ergebnisse dieser Linearformen ist, wobei der Betrag der Verstärkung 1 sein kann, und – wobei mit mindestens einem Kompensatorspeisesignal (S3) ein Kompensationssender (K1) gespeist wird und – wobei der besagte Regler (CT) das Kompensatorspeisesignal (S3) so ausregelt, dass das besagte Empfängerausgangssignal (S0) bis auf Regelfehler und Systemrauschen keine Anteile der Sendesignale (S5a) und (S5b) mehr aufweist und – wobei der Regler (CT) mindestens ein internes Regelsignal (S4) als Zwischensignal ausgibt und – wobei der Verlauf dieses Zwischensignals (S4) so ausgewertet wird, dass mindestens ein biometrischer Parameter diesem Signal extrahiert wird.
Sensorsystem zur optischen Messung biometrischer Parameter eines Tieres, einer Pflanze oder eines Menschen umfassend mindestens einen ersten Sender (H1) und mindestens zwei Empfänger (D1) und (D2), – wobei die Vorrichtung pro Empfänger (D1, D2) mindestens je einen weiteren Sender (K1, K2) aufweist und – wobei mindestens ein erster Sender (H1) mit einem Speisesignal (S5) eines Signalgenerators (G1) betrieben wird und – wobei zumindest die von einem ersten Sender (H1) ausgesendete elektromagnetische Strahlung auf das Messobjekt T1 fällt und von diesem auf mindestens zwei Empfänger (D1, D2) reflektiert wird und/oder das Messobjekt (T1) durchdringt und auf mindestens zwei Empfänger (D1, D2) fällt und – wobei mindestens ein Regelkreis (CT) mindestens zwei Kompensatorspeisesignale (S31, S32) aus mindestens zwei Empfängerausgangssignalen (S01, S02) der besagten Empfänger (D1, D2) erzeugt und – wobei besagte Regelkreis (CT) durch je eine Linearform die Empfängerausgangssignale (S01, S02) mindestens mit einem Speisesignal (S5) verknüpft und – wobei die Kompensatorspeisesignale (S31, S32), abgesehen von einem optimalen Offset, linear proportional zu den Ergebnissen dieser Linearformen sind und – wobei mit mindestens je einem Kompensatorspeisesignal (S31, S32) je einer der Kompensationssender (K1, K2) gespeist wird und – wobei der besagte Regler (CT) die Kompensatorspeisesignale (S31, S32) so ausregelt, dass die besagten Empfängerausgangssignale (S01, S02) bis auf Regelfehler und Systemrauschen jedes für sich keinen Anteil des Speisesignales (S5) mehr aufweist und – wobei der Regler (CT) mindestens zwei interne Regelsignale, insbesondere (S4a, S9φ), als Zwischensignale ausgibt und – wobei der Verlauf mindestens eines dieser Zwischensignale, insbesondere (S4a, S9φ), so ausgewertet wird, dass mindestens ein biometrischer Parameter zumindest aus diesem Signal extrahiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – wobei es sich bei dem biometrischen Parameter um die Herzfrequenz oder den Blutsauerstoffanteil oder den Chlorophyllgehalt von Pflanzen oder die Konzentration eines Medikaments in einem Gewebe oder den CO₂ Anteil in der Ausatemluft handelt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, – wobei mindestens ein Sender eine LED (H1, H2, ... Hn, 9, 12, 15, 17) ist oder mindestens ein Empfänger eine Fotodiode, ein Fotowiderstand oder ein Fototransistor ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, – wobei mindestens ein Regler (CT) als Linearform ein Skalar-Produkt zwischen mindestens einem Speisesignal (S5a, S5b, S5, S5φ) und mindestens einem Empfängerausgangssignal (S0, S01, S02), insbesondere durch Multiplikation und anschließende Tiefpassfilterung, zu einem Projektionsbildsignal (S9, S9a, S9b, S9φ) umformt und ein so gebildetes Projektionsbildsignal (S9, S9a, S9b, S9φ) mit mindestens einem Speisesssignal (S5a, S5b, S5, S5φ), insbesondere nach einer optionalen Verstärkung zu einem Vorsignal (S6, S61, S62) multipliziert – und ein so gebildetes Vorsignal (S6, S61, S62) mit einem optionalen Bias-Wert durch Addition versieht und so ein Kompensatorspeisesignal (S3, S31, S32) bildet – ein so gebildetes Kompensatorspeisesignal (S3, S31, S32) einen Kompensationssender (K1, K2, 8, 205) speist.
Sensorsystem zur optischen Messung biometrischer Parameter eines Tieres, einer Pflanze oder eines Menschen mit wenigstens einem Sender (200, H1) und einem Empfänger (204, D1) zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke zwischen einem Sender (200, H1) und dem Empfänger (204, D1), wobei – der Sender (200, H1) ausgebildet und eingerichtet ist, um ein Sendesignal (S25) in die erste Übertragungsstrecke hinein zu senden, das nach Durchgang durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke von dem Empfänger (204, D1) detektiert wird, – der Empfänger (204, D1) ausgebildet und eingerichtet ist, um das Sendesignal (S25) zu empfangen und daraus ein Empfängerausgangssignal (S0) und zu bilden, – eine Verarbeitungseinheit (120, CT) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, um das Empfängerausgangssignal (S0) weiterzuverarbeiten und eine Information der Eigenschaften der ersten Übertragungsstrecke zu gewinnen, wie bspw. die Anwesenheit oder Eigenschaften eines Objektes zu erkennen; dadurch gekennzeichnet, dass – der Sender (200, H) wenigstens einen Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung in wenigstens zwei vorgegebenen Wellenlängen-Teilbereichen, insbesondere mit wenigstens zwei Farben, aussenden kann, wobei die Aussendeintensität der mindestens zwei Wellenlängenbereiche mit Hilfe mindestens eines Signals insbesondere gegen-läufig geregelt werden kann, so dass die Strahlung eines der mindestens zwei Wellenlängen-Teilbereiche in einem durch die Regelung vorgegeben Verhältnis ausgesendet werden kann und – der Empfänger (204, D1) derart sensitiv ist, dass er die Intensität von elektromagnetischer Strahlung wenigstens in den zwei interessierenden Wellenlängenbereichen empfangen kann und – die Verarbeitungseinheit (120, CT) die auf den wenigstens zwei Wellenlängenbereichen beruhenden Empfängerausgangssignale (S0) weiterverarbeitet und daraus eine Information über die Übertragungseigenschaften gewinnt.
Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, – dass mindestens ein Sender (202, 200, H1) wenigstens einen Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung in wenigstens zwei vorgegebenen Wellenlängen-Teilbereichen, insbesondere mit wenigstens zwei Farben, aussenden kann, – wobei bevorzugt die Aussendeintensität der mindestens zwei Wellenlängenbereiche mit Hilfe mindestens eines weiteren Signals insbesondere gleichläufig geregelt werden kann, so dass die Strahlung der mindestens zwei Wellenlängen-Teilbereiche mit einer durch die Regelung vorgegeben Gesamtintensität ausgesendet werden kann.
Sensorsystem nach dem einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sender (202, 200, H1) elektromagnetische Strahlung in genau zwei oder bevorzugt in mehr als zwei Wellenlängen-Teilbereichen aussendet.
Sensorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sender (202, 200, H1) elektromagnetische Strahlung mit wellenlängenbereichsspezifisch steuerbarer Intensität aussendet.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (200) wenigstens zwei Sendeelemente (201, 202, H1, H2) umfasst, die je ein Signal (S201, S202) mit jeweils spezifischer Wellenlänge, insbesondere ein Farbsignal, aussenden und die abwechselnd aktiv sind, wobei die Sendeelemente (201, 202, H1, H2) bevorzugt lichtemittierende Dioden (LED) sind.
Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeelemente (201, 202, H1, H2) des Senders (200) für jeden Wellenlängenbereich, insbesondere jedes Farbsignal, einen konstanten Lichtstrom derart aussendet, dass die emittierte Energiemenge der Summe der Strahlung aller Sendeelemente im Wesentlichen gleich oder dass die Summe der Empfängersignalamplituden im Wesentlichen gleich ist.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (204) wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens vier Empfangselemente umfasst, die jeweils ein anderes spektrales Sensitivitätsprofil aufweisen, wobei die Empfangselemente bevorzugt spektral verschieden empfindlich sind.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Kompensationssender (205, K1, K2) ein Kompensationssignal (S23) in eine zweite Übertragungsstrecke hinein sendet, das von dem Empfänger (204, D1, D2) nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke detektiert wird, – der Empfänger (204, D1, D2) das Sendesignal (S25) und das Kompensationssignal (S23) empfängt, überlagert, insbesondere linear und/oder summierend, und daraus mindestens ein Empfängerausgangssignal (S0) und/oder ein verstärktes Empfängerausgangssignal (S1) bildet, – die Verarbeitungseinheit (CT, 120) das Empfängerausgangssignal (S0) oder das verstärkte Empfängerausgangssignal (S1) zu einen Kompensatorspeisesignal (S3) weiterverarbeitet, und es dem Kompensationssender (205, K1, K2) zur rückkoppelnden Regelung des Empfängerausgangssignals (S0) oder des verstärkten Empfängerausgangssignals S1 zuführt, um so Informationen über die Übertragungseigenschaften der Übertragungsstrecke und mindestens einen biometrischen Parameter zu ermitteln.