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Die Erfindung betrifft eine Spektroskopievorrichtung und ein Spektroskopieverfahren, beispielsweise zur spektroskopischen Vermessung von Oberflächen. Insbesondere stellt die Spektroskopievorrichtung ein hyperspektrales Messsystem in mikrooptischer Bauweise dar.
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Die hier beschriebene Erfindung ist im technischen Bereich der optischen Spektroskopie angesiedelt, insbesondere auf dem Gebiet der hyperspektralen Bildgebung. Die hyperspektrale Bildgebung, im Englischen als „Hyperspectral imaging” bezeichnet, entstammt ursprünglich aus der Erdfernerkundung und wird neben verschiedenen industriellen und agrarwissenschaftlichen Anwendungen zunehmend auch im Bereich der Life Sciences eingesetzt bzw. deren Anwendung erforscht. Es ergibt sich mit dieser Technologie insbesondere die Möglichkeit, Gewebe nichtinvasiv zuverlässig zu differenzieren und Änderungen im Gewebe zu detektieren, beispielsweise für die Diagnostik des malignen Melanoms, die Bestimmung der Blutkonzentration (Oxy- und Deoxyhemoglobin), die Verfolgung des Heilungsverlaufs bei Ulcera von Diabetespatienten oder die Diagnostik des hämorrhagischen Schocks.
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Es existieren hyperspektrale Kamerasysteme, beispielsweise zur intraoperativen Erkennung residualer Tumorzellen, oder hyperspektrale Endoskope, beispielsweise zur Früherkennung prämaligner Läsionen im Lungenepithel.
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Bei der hyperspektralen Bildgebung wird für jeden Bildpunkt eines Objekts das Remissions- bzw. Fluoreszenzspektrum erfasst und dadurch ein sogenannter „spectral cube” erzeugt. Im Gegensatz zu einem normalen RGB-Bild, welches drei Kanäle pro Pixel aufweist, besitzt hier ein Bildpunkt z. B. 100 deutlich schmalbandigere Spektralkanäle. Die meisten auf dem Markt etablierten hyperspektralen Kameras erzeugen den Farbwürfel (X-, Y-Koordinate, Spektrum), indem sie das Bild nach der sogenannten „push-broom”-Technik zeilenweise abscannen. In Abhängigkeit von der Bildwiederholrate dauert dieser Prozess zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten.
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Eine Anordnung, die sehr gut den Stand der Technik beschreibt, ist schematisch in dargestellt.
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Nachteil des Standes der Technik ist der große Platzbedarf, der bei Versuchen der Verkleinerung (z. B. mittels eines IMEC-Chips) in einem nicht vernachlässigbaren Lichtverlust resultiert. Zudem sind durch den Messaufbau die Anforderungen an die abbildende und dispersive Optik sehr hoch. Insbesondere um Verzeichnung und Bildfeldkrümmung im Randbereich des Messareals zu minimieren, werden mehrere Linsen unterschiedlicher Form und Materials benötigt. Aufgrund der makrooptischen Ausführung mit Linsendurchmessern liegen die Brennweiten der spektrometrischen Komponenten ebenfalls im Zentimeterbereich. Da bei vergleichsweise großer Brennweite der Spektrometeroptik die spektrale Aufspreizung im Vergleich zu Punktspektrometern verhältnismäßig klein sein muss, um möglichst viele Spektren und damit Messpunkte auf dem Bildsensor unterbringen zu können, müssen typischerweise teure (Geradsicht-)Prismenanordnungen anstelle von Gittern zum Einsatz kommen. Die genannten Anforderungen führen damit insgesamt zu einer vergleichsweise aufwendigen, großen (insbesondere bzgl. Baulänge) und damit auch teuren Optik.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Spektroskopievorrichtung und ein Spektroskopieverfahren zur Verfügung zu stellen, mittels derer ein Benutzer in der Lage ist, eine einfache Messung mit einem kostengünstigen, robusten und kompakten System vorzunehmen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spektroskopievorrichtung und ein Spektroskopieverfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Die erfindungsgemäße Spektroskopievorrichtung zur spektroskopischen Untersuchung von Messpunkten eines Objekts umfasst eine Abbildungsoptik zur Abbildung des Objekts in einen Zwischenbildbereich, eine digitale Bildaufnahmeeinheit mit einer Matrix lichtempfindlicher Elemente und eine Messoptik zur Spektralanalyse der Messpunkte auf der Bildaufnahmeeinheit und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messoptik ein Mikrolinsenarray und ein Dispersionselement umfasst, wobei jeder für die Messung verwendeten Mikrolinse des Mikrolinsenarrays jeweils eine Gruppe von lichtempfindlichen Elementen der Bildaufnahmeeinheit zugeordnet ist („Aufnahmepixelgruppe”) und wobei die Elemente der Messoptik dermaßen ausgestaltet und angeordnet sind, dass Licht der Messpunkte durch die Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays und das Dispersionselement hindurchtritt und in sein Spektrum aufgespalten wird, so dass das Spektrum jedes Messpunktes durch eine Mikrolinse und das Dispersionselement auf die einer den jeweiligen Messpunkt betreffenden Mikrolinse zugeordneten Aufnahmepixelgruppe trifft und unterschiedliche Aufnahmepixelgrupen zumindest disjunkte Bereiche aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Spektroskopieverfahren zur spektroskopischen Untersuchung von Messpunkten eines Objekts, welches insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Spektroskopievorrichtung durchgeführt wird umfasst die Schritte:
- – optional: Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Spektroskopievorrichtung,
- – Bevorzugt: Beleuchtung eines Objektes, Zumindest wenn das Objekt nicht bereits selbstleuchtend ist oder Umgebungs- bzw. Tageslicht genutzt werden kann.
- – Abbildung des Objektes als Zwischenbild in einem Zwischenbildbereich,
- – Spektralanalyse der Messpunkte durch ein Mikrolinsenarray und ein Dispersionselement unter spektraler Aufspaltung des Lichtes der Messpunkte auf Aufnahmepixelgruppen, wobei jeder messrelevanten Mikrolinse ein Messpunkt und eine Aufnahmepixelgruppe zugeordnet ist.
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Die untersuchten Objekte können mannigfaltiger Natur sein. Bevorzugt sind jedoch flächige Objekte, bevorzugt Oberflächen von Objekten oder Messareale. Dies hat den Vorteil, dass keine aufwändige Kompensation von Lageverschiebungen der Abbildungsebene betrieben werden muss. Jedoch ist auch die Untersuchung durchscheinender oder durchsichtiger Objekte möglich.
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Die Messpunkte sind jeweils Bereiche (vorzugsweise der Oberfläche) des Objekts. Insbesondere bei einer Abbildung des Zwischenbildes des Objekts können als Messpunkte auch die entsprechenden Bereiche des Zwischenbildes des Objekts angesehen werden. Oftmals werden die Messpunkte auch als „Regions Of Interest, kurz „ROI” bezeichnet. Auch wenn sich je nach Anwendung benachbarte Messpunkte überlappen können, ist es bevorzugt, dass benachbarte Messpunkte zumindest disjunkte Bereiche aufweisen und insbesondere komplett disjunkte Bereiche des Objektes (bzw. des Zwischenbildes) sind. Es kann der Fall vorliegen, dass das Zwischenbild des Objekts durch die Messoptik spektral abgebildet wird, es kann aber auch je nach Anwendung der Fall vorliegen, dass eine Apertur (welche insbesondere die Strahlengänge der Abbildungsoptik begrenzt) auf der Bildaufnahmeeinheit spektral abgebildet wird, wobei in diesem Falle das Mikrolinsenarray der Messoptik Licht, welches von verschiedenen Bereichen von dem Objekt aus abgestrahlt wird, mit durch die Apertur begrenztem Strahlöffnungswinkel auf verschiedenen Abbildungspixelgruppen abbildet. Die Größe und Anordnung der einzelnen Messpunkte richten sich insbesondere nach dem Design des Mikrolinsenarrays der Messoptik, da dieses für die Auflösung der Messpunkte verantwortlich ist. Es ist aber auch möglich, bei vorgegebenen Messpunkten das Mikrolinsenarray der Messoptik entsprechend auszugestalten. Als Beispiel kann zusammenfassend gesagt werden, dass ein Messpunkt durch das vom Objekt ausgehende Licht, welches durch eine Mikrolinse des Mikrolinsenarrays der Messoptik hindurchtritt, definiert wird.
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Geeignete Abbildungsoptiken zur Abbildung des Objekts in einen Zwischenbildbereich sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt sind Optiken der Gruppe Kameraobjektive, Mikroskopobjektive, Endoskope, Lichtleiteroptiken (z. B. Bildleiter) und hyperchromatische Objektive. Diese Abbildungsoptik bildet das Objekt in einem Zwischenbildbereich ab, der bevorzugt eine Ebene („Zwischenbildebene”) darstellt. Generell sind aber auch andere Formen des Zwischenbildbereichs denkbar, wobei die Messoptik oder die Bildaufnahmeeinheit entsprechend angepasst sein muss.
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Geeignete digitale Bildaufnahmeeinheiten sind dem Fachmann bekannt. Sie umfassen einen Aufnahmebereich, der in eine Matrix von lichtempfindlichen Aufnahmeelementen („Pixel”) unterteilt ist. Bevorzugt ist die Bildaufnahmeeinheit als Flächensensor mit insbesondere mehr als 10 Zeilen und mehr als 10 Spalten ausgestaltet. Bevorzugte Bildaufnahmeeinheiten umfassen Bildsensoren, vorzugsweise CCD-Sensoren (Charge Coupled devices) oder Active Pixel Sensors (APS), insbesondere CMOS-Sensoren.
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Die Messoptik zeichnet sich dadurch aus, dass sie zur Spektralanalyse der Messpunkte auf der Bildaufnahmeeinheit ein Mikrolinsenarray umfasst (im Folgenden auch als „MLA” bezeichnet) und eine spektrale Aufspaltung des Lichts mittels des Dispersionselements durchführt. Bevorzugte MLAs umfassen eine Matrix aus mehr als 10 × 10 Mikrolinsen, insbesondere mehr als 100 × 100 Mikrolinsen, da die laterale Auflösung der Messung von der Anzahl dieser Mikrolinsen abhängt. Die bevorzugte Brennweite der Mikrolinsen unmittelbar vor dem Bildsensor ist vorzugsweise kleiner als 10 mm, dies hat den Vorteil, dass der abgebildete Fleck auf dem Bildsensor nicht zu groß wird.
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Bevorzugt ist, dass das MLA der Messoptik so ausgelegt ist, dass es die Messpunkte auf der Bildaufnahmeeinheit abbildet. Jedoch ist es grundsätzlich nur erforderlich, dass das Licht eines Messpunkts von einer Mikrolinse des MLA dermaßen auf einen bestimmten Aufnahmepixelbereich gelenkt wird, dass dessen Spektrum nach der spektralen Aufspaltung durch das Dispersionselement die betreffende Aufnahmepixeleinheit überdeckt.
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Die Anordnung der Mikrolinsen in dem MLA ist insbesondere kreisförmig, rechteckig, quadratisch oder hexagonal, oder eine andere regelmäßige Anordnung. Zur Minimierung der Abbildungsfehler haben die Mikrolinsen bevorzugt eine nicht sphärische, z. B. asphärische Form. Auch Zylinderlinsen sind je nach Anwendung bevorzugt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Mikrolinsen des MLA in Bezug zur Flächennormalen des MLA um einen bestimmten Winkelbetrag verkippt. Eine solche Anordnung ähnelt im Profil einem Sägezahn mit oben auf der Hypotenuse aufgesetzter refraktiver Fläche. Der Betrag des Verkippungswinkels entspricht idealerweise dem Winkel, welcher der Hauptstrahl einer gebeugten Wellenlänge aus der Mitte des aufzulösenden Spektralbereiches mit der optischen Achse des jeweiligen Detektionskanals einschließt. Eine solche Bauform führt zu einer signifikanten Verbesserung der Abbildungsqualität auf dem Detektor, da die aufgrund der achsfernen Strahlen auftretenden Abbildungsfehler weitestgehend vermieden werden können.
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Das Dispersionselement umfasst insbesondere mindestens ein Gitter und/oder mindestens ein Prisma. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Dispersionselement als Matrix umfassend eine Vielzahl von dispersiven Einheiten ausgeführt, wobei bevorzugt jeder Mikrolinse oder jeder Gruppe von Mikrolinsen eine dispersive Einheit zugeordnet ist.
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Bei Verwendung eines Beugungsgitters werden bevorzugt Transmissionsgitter eingesetzt, jedoch sind auch Varianten mit Reflexionsgittern möglich, wobei diese aufgrund der in der Regel kurzen Brennweiten der spektrometrischen Einheit aufwändiger zur realisieren sind. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, wird typischerweise die +–1te Beugungsordung für die spektrale Aufspreizung verwendet. Um eine verbesserte spektrale Auflösung zu erreichen, können auch höhere Beugungsordnungen verwendet werden. Bei der Verwendung eines Gitters zeigt dessen dispersiv wirkende Fläche bevorzugt in Richtung der refraktiv wirkenden Fläche des MLA, kann jedoch insbesondere im Fall von Transmissionsgittern auch anders orientiert sein. Zur Steigerung der Effizienz innerhalb einer Beugungsordnung werden bevorzugt geblazete Gitter eingesetzt. Bei der Verwendung von Transmissionsgittern mit Blazestruktur muss jedoch auf die einbaurichtungsabhängige Blazewellenlänge und die damit verbundene Effizienzvariation geachtet werden.
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Jeder für die Messung verwendeten Mikrolinse des MLAs (was insbesondere jeder Mikrolinse des MLA entspricht) ist jeweils eine Aufnahmepixelgruppe zugeordnet, wobei benachbarte Aufnahmepixelgruppen disjunkte Bereiche aufweisen, bevorzugt aber komplett disjunkt sind, so dass Licht benachbarter Messpunkte in unterschiedliche Pixel des Bildsensors fällt und sich die Spektren auf diese Weise kaum oder nicht überlappen. Diese Aufnahmepixelgruppen umfassen bevorzugt in Zeilen/Spalten angeordnete Pixel der Bildaufnahmeeinheit. Spektral zerlegtes Licht trifft so in Abhängigkeit von der Wellenlänge auf jeweils unterschiedliche Pixel der Aufnahmepixelgruppe, was die Aufnahme von Spektren der Messpunkte ermöglicht. Das Licht eines Messpunktes (wobei die Größe eines solchen Messpunktes durch die Ortsauflösung der Messoptik bestimmt wird), wird durch das Dispersionselement spektral zerlegt und durch eine Mikrolinse auf die Bildaufnahmeeinheit abgebildet, zumindest in soweit, dass das Spektrum genau auf die der betreffenden Mikrolinse zugeordneten Aufnahmepixelgruppe trifft.
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Bevorzugt ist auf diese Weise jedem Messpunkt eine eigene spektrometrische Anordnung (Mikrolinse und ggf. dispersive Einheit) zugeordnet, in deren Paraxialgebiet sich der Messpunkt befindet. Um Übersprecher zu verhindern wird bevorzugt der Öffnungswinkel der in die Messoptik eintreffenden Strahlen so begrenzt, dass sich die Spektren der Messpunkte auf der Bildaufnahmeeinheit nicht überlappen.
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Bevorzugt befinden sich zwischen dem MLA und dem Dispersionselement der Messoptik und zwischen diesen beiden Elementen und der Bildaufnahmeeinheit keine weiteren optischen Einheiten, insbesondere keine weiteren Linsen, wobei die einzige vorteilhafte Ausnahme davon eine Bildaufnahmeeinheit mit direkt auf dem Sensor aufgebrachten Mikrolinsen ist, wobei die aufgebrachten Mikrolinsen in diesem Fall als Teil der Bildaufnahmeeinheit angesehen werden und nicht zwischen Messoptik und Bildaufnahmeeinheit liegend. In diesem Falle sollten diese Mikrolinsen bei der Auslegung der Optik berücksichtigt werden.
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Damit sind die Anforderungen an die Optik bezüglich Abbildungsfehlern, insbesondere Verzeichnung und Bildfeldkrümmung, erheblich geringer als bei einer makrooptischen spektrometrischen Einheit. Je nach Anforderung genügt deshalb im Grunde eine einzelne Mikrolinse anstelle eines Linsensystems pro Abbildungseinheit. In ähnlicher Weise gilt dies für den Bildfeldwinkel, weshalb die Brennweite der Mikrolinsen und damit letztendlich die Baulänge des Gesamtsystems erheblich kürzer sein kann. Durch die, im Vergleich zu einer makrooptischen Anordnung, deutlich kürzeren Brennweite der spektrometrischen Anordnung können zudem kostengünstige Gitter mit vergleichsweise hoher Dispersion anstelle von Mikroprismen-Arrays verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messoptik ist das MLA dieser Messoptik zwischen dem Dispersionselement und der Bildaufnahmeeinheit angeordnet. Je nach Anwendung kann es jedoch von Vorteil sein, wenn das Dispersionselement zwischen dem MLA und der Bildaufnahmeeinheit angeordnet ist. Eine solche nachgeschaltete Anordnung des Dispersionselements vermindert zusätzlich das Übersprechen zwischen benachbarten Spektralkanälen, reduziert jedoch im Gegenzug die mögliche spektrale Auflösung, da die Hauptstrahlen nicht mehr senkrecht auf das Dispersionselement treffen. Dieser Effekt kann seinerseits durch eine deutlich verbesserte Abbildungsqualität durch das effizientere Ausnutzen des Paraxialgebietes (kleinere Strahlwinkel) der einzelnen Mikrolinsen zu einem gewissen Teil kompensiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messoptik ist der Abstand zwischen Dispersionselement und der refraktiven Fläche des Mikrolinsenarrays möglichst gering, um ein Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen zu minimieren. Bevorzugt ist der Abstand kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 1 mm oder gar kleiner als 0,1 mm.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Mikrolinsenarray und das Dispersionselement der Messoptik ein Bauteil oder auf einem Bauteil angeordnet. Bevorzugt ist das Dispersionselement direkt auf oder unter dem Mikrolinsenarray aufgebracht oder mit diesem verbunden. Bevorzugt sind das Mikrolinsenarray und das Dispersionselement in einem diffraktiven Element kombiniert, oder bestehen aus zwei oder mehr diffraktiven Elementen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spektroskopievorrichtung zusätzlich eine Punktabgrenzungseinheit, welche insbesondere in der Zwischenbildposition angeordnet ist (insbesondere in Richtung der optischen Achse nicht weiter als 2 mm von der Zwischenbildposition entfernt ist), oder bevorzugt nahe der Zwischenbildposition angeordnet ist. Umfasst die Punktabgrenzungseinheit ein MLA bedeutet in diesem Sinne „nahe” insbesondere, dass die Punktabgrenzungseinheit näher als die Brennweite des MLA an der Zwischenbildebene angeordnet ist (insbesondere im Bereich zwischen 0%–90%, bevorzugt im Bereich zwischen 0% und 30% der Brennweite). Die Punktabgrenzungseinheit umfasst eine Matrix von Punktabgrenzungselementen zur Abgrenzung einzelner Zwischenbildpunkte (in diesem Falle entsprechen diese den Messpunkten) von ihren Nachbarpunkten, wodurch im Zwischenbild ein regelmäßiges Raster an Messpunkten entsteht. Bevorzugte Punktabgrenzungselemente sind Pinhole-Arrays und/oder Mikrolinsenarrays, wobei ein MLA den Vorteil aufweist, dass das Licht jeweils aus der Gesamtfläche einer Mikrolinse in einen Punkt fokussiert wird, wodurch mehr Licht im Vergleich zum Pinhole-Array nutzbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Punktabgrenzungseinheit ein MLA vor einem Pinhole-Array (Richtung bezüglich des Lichtverlaufs), wobei das Pinhole-Array insbesondere in der Brennebene dieses MLA oder in der durch dieses MLA erzeugten Bildebene angeordnet ist. Es ist jedoch auch bevorzugt, dass die Punktabgrenzungseinheit so ausgestaltet ist, dass die genannten Messpunkte konfokal in die Zwischenbildebene abgebildete Messpunkte eines multifokalen chromatisch codierten 3D-Abstandmesssystems sind, in dem sich vorteilhaft ein Pinhole-Array befindet. Die Punktabgrenzungseinheit wirkt im Grunde als Winkel-Ortstransformator.
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Es ist bevorzugt, dass der Punktabgrenzungseinheit ein weiteres MLA vorgeschaltet ist, welches so angeordnet ist, dass die einzelnen Mikrolinsen des weiteren MLA Bilder in einzelnen Punkten der Punktabgrenzungseinheit erzeugen. Dieses weitere MLA steht dabei nahe (siehe vorangehende Bestimmung von „Nahe”) der Zwischenbildebene der makrooptischen Abbildungsoptik und wirkt als Winkel-Ortstransformator, was bedeutet, dass die Austrittspupille der makrooptischen Abbildungsebene auf den Bildsensor abgebildet wird oder zumindest das Spektrum des betreffenden Lichtkegels auf die betreffende Aufnahmepixelgruppe fällt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die an Stelle einer Punktabgrenzungseinheit oder in Kombination mit dieser verwendet werden kann, umfasst die Spektroskopievorrichtung eine Aperturblende, welche den Strahlengang der Abbildungsoptik begrenzt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere in Kombination mit einer Punktabgrenzungseinheit und/oder Aperturblende zur Begrenzung des Strahlengangs der Abbildungsoptik vorteilhaft ist, umfasst die Spektroskopievorrichtung ein Punktabbildungs-MLA, welches nahe der Zwischenbildebene der makrooptischen Abbildungsoptik vor der Messoptik angeordnet ist. In diesem Sinne bedeutet „nahe”, dass das weitere MLA näher als seine Brennweite an der Zwischenbildebene angeordnet ist (insbesondere im Bereich zwischen 0%–90%, bevorzugt im Bereich zwischen 0% und 30% der Brennweite). Bevorzugt bildet das Punktabbildungs-MLA die Messpunkte nach Unendlich in die Messoptik ab, wobei diese durch das MLA der Messoptik wiederum von Unendlich auf die Bildaufnahmeeinheit abgebildet werden. Bevorzugt umfassen das MLA der Messoptik und das Punktabbildungs-MLA gleiche Mikrolinsenanordnungen, so dass jede Mikrolinse des Punktabbildungs-MLA Licht in genau eine Mikrolinse des MLA der Messoptik einstrahlt. Dazu sind der Abstand und die Brennweite der Mikrolinsen des MLA der Messoptik so gewählt, dass die Mikrolinsen des Punktabbildungs-MLA stark verkleinert auf den Bildsensor abgebildet werden. Die Mikrolinsen des Punktabbildungs-MLA dienen somit als Eintrittsspalte für die hyperspektrale Messeinheit und wirken gleichzeitig jeweils als Feldlinsen. Dadurch ist gewährleistet, dass nur jeweils eine Mikrolinse des Punktabbildungs-MLA über eine Mikrolinse des MLA der Messoptik auf den Bildsensor Bildaufnahmeeinheit abgebildet wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spektroskopievorrichtung eine (Feld-)Linse, welche möglichst nahe im Bereich des Zwischenbildes und/oder der Zwischenabbildungsstufe angeordnet ist. Der Begriff „nahe” ist dabei insbesondere wie vorangehend beschrieben zu verstehen. Damit kann die Lage der Austrittspupille der Abbildungsoptik angepasst werden, die gleichzeitig Eintrittspupille der hyperspektralen Messeinheit ist und bevorzugt im Unendlichen liegen sollte. Die (Feld-)Linse kann auch ein diffraktives optisches Element sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spektroskopievorrichtung zusätzlich eine Einheit zur Aufnahme eines Bildes des Objekts ohne eine spektrale Zerlegung des Lichts. Bevorzugt wird dazu mittels eines Strahlteilers von der Abbildungsoptik stammendes Licht, insbesondere durch eine weitere Abbildungsoptik, in eine zweite Aufnahmeeinheit geleitet. Mittels dieser Anordnung kann ein normales (ggf. hochauflösendes) Bild des Objekts ohne Spektralinformationen gemacht werden, z. B. zur Kalibrierung, Kontrolle oder zu weiteren Messungen. Bei einer nachgeschalteten Datenauswertung lassen sich die Informationen der beiden Detektoren vorteilhaft kombinieren.
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Besondere Vorteile der mikrooptischen Ausführung der Erfindung sind die Robustheit, der geringere Montageaufwand, die Kostenreduktion gegenüber herkömmlichen Messgeräten, die Baulängenreduktion, die mögliche Integrierbarkeit auf einem Chip und die mögliche Integrierbarkeit in ein Standardkameragehäuse.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt. Bei den Figuren handelt es sich jeweils um schematische Abbildungen.
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1 zeigt den Aufbau einer Messvorrichtung gemäß des Standes der Technik.
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2 und 3 zeigen mögliche Anordnungen der erfindungsgemäßen Elemente.
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4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform.
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5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform.
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6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform.
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7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform.
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8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform.
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9 zeigt eine bevorzugte Anordnung wichtiger Elemente der Erfindung.
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10 zeigt eine bevorzugte Anordnung wichtiger Elemente der Erfindung.
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1 wurde bereits im einleitenden Teil erwähnt. Ein Objekt 8 (und damit dessen Messpunkte) wird mittels einer Beleuchtungsvorrichtung, umfassend eine Lampe 1, eine Kondensorlinse 2, ein Beleuchtungs-MLA 3 und eine Beleuchtungslochmatrix 4, beleuchtet und das zu untersuchende Messareal über einen Spiegel 7 ein Objektiv 6 und einen Strahlteiler 5 in eine Zwischenbildebene 9 abgebildet. Ähnlich dem Aufbau eines Punktspektrometers werden diese Messpunkte über eine erste Optik 10 nach Unendlich abgebildet und anschließend das Licht aller Messpunkte über ein Gitter 11 (oder Prisma) entsprechend ihrer Wellenlänge in unterschiedliche Winkel abgelenkt. Über eine zweite Optik 12 werden die Messpunkte aus dem Unendlichen auf einen Bildsensor 13 (CCD- oder CMOS-Kamera-Chip) abgebildet, wobei entsprechend dem Betrag und der Richtung der spektralen Aufspreizung zu jedem Messpunkt ein Spektrum auf dem Bildsensor 13 entsteht. Durch geschickte Wahl der Anordnung der Messpunkte, dem Betrag und der Richtung der spektralen Aufspreizung entsteht so auf dem Bildsensor 13 eine nahezu flächendeckende Belegung von Spektren. Durch geeignete Kalibrierung und Auswertung der Kamerabilder kann dann der gewünschte hyperspektrale Würfel rekonstruiert werden. Durch die Erfassung des hyperspektralen Würfels mit einem Bild („Snapshot-Technik”) werden Bewegungsartefakte erheblich minimiert.
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In den und sind mögliche Konfigurationen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. 3 basiert auf den grundsätzlichen Strahlengang der 1 und 2 basiert auf einem dazu vereinfachten Strahlengang. Komponenten der Erfindung (z. B. Messoptik und Bildsensor) werden dabei insbesondere im Bereich A angeordnet. Im Folgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit der vereinfachte Strahlengang verwendet, wobei die Erfindung selbstverständlich auch mit dem Strahlengang der 2 kombiniert werden kann. Die in den Abbildungen dargestellte Kombination aus Strahlteiler 14 und Aufnahmeeinheit 15 stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar. Mittels dieser Anordnung kann beispielsweise ein hochauflösendes Bild ohne Spektralzerlegung des Lichts gemacht werden, z. B. zur Kalibrierung oder Kontrolle.
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In 4 wird eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der über ein Punktabbildungs-MLA 16 und die Messoptik die Zwischenbildebene 9 (und damit auch die Messpunkte) auf den Bildsensor 13 abgebildet wird. Die wellenlängenabhängige Winkelaufspreizung 19 erfolgt dann über die Messoptik umfassend das Dispersionselement 17 (z. B. ein Mikroprismen-Array oder Beugungsgitter), dem dann das Mikrolinsen-Array 18 als abbildende Einheit nachgeschaltet ist, wobei auch eine Vorschaltung möglich ist. Bevorzugt steht in der Zwischenbildebene eine Punktbegrenzungseinheit (z. B. ein Pinhole-Array). Die Punktbegrenzungseinheit fungiert dabei als multipler Eintrittsspalt für die nachfolgenden parallelen spektrometrischen Einheiten. Auch hier soll durch geschickte Wahl der Anordnung der Messpunkte, dem Betrag und der Richtung der spektralen Winkelaufspreizung 19 auf dem Bildsensor 13 eine nahezu flächendeckende Belegung von Spektren entstehen. Die Ausführungsform der 4 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Austrittspupille der Abbildungsoptik entweder nicht eindeutig definiert ist, ihre Lage ungünstig ist oder ihr Durchmesser zu groß ist.
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Alternativ kann die Lage der Austrittspupille der Abbildungsoptik durch geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise Feldlinse und/oder Zwischenabbildungsstufe mit physikalischer Blende auf das mikrooptische Messsystem erzeugt bzw. angepasst werden.
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In 5 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der ein weiteres MLA 20 nahe der Zwischenbildebene der makrooptischen Abbildungsoptik 6 angeordnet ist und als Winkel-Ortstransformator wirkt, was bedeutet, dass die Austrittspupille der Makrooptik auf den Bildsensor abgebildet wird. Diese Austrittspupille entspricht in dieser Abbildung der Aperturblende 22. Durch diese Anordnung ist insbesondere bei kleinen zwischenbildseitigen Aperturwinkeln durch das vorgeschaltete weitere MLA 20 eine höhere Effizienz zu erwarten. Die Größe der Austrittspupille und damit die Divergenz des einfallenden Lichts auf das weitere MLA 20 bestimmt zusammen mit der Brennweite des Punktabbildungs-MLA 16 und dem MLA 18 die Fleckgröße auf dem Bildsensor und hat damit einen direkten Einfluss auf die spektrale Auflösung. Wahlweise kann diese durch eine Punktbegrenzungseinheit 21 (z. B. ein Pinhole-Array) in der Zwischenbildebene begrenzt werden. Damit kann die Strahldivergenz der Abbildungsoptik z. B. für Beleuchtung mit hoher numerischer Apertur größer sein.
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6 und 7 zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen, die zur Begrenzung der Strahlbündeldivergenz eine Aperturblende 22 im Bereich der Abbildungsoptik aufweist. Das Licht wird über eine Kombination aus dem Mikrolinsenarray 18 mit vor- oder nachgeschaltetem Dispersionselement 17 im Bereich der Zwischenbildebene spektral aufgespreizt und die Aperturblende 22 entsprechend der Anzahl der Mikrolinsen mehrfach auf den Bildsensor 13 abgebildet. Die Größe der Aperturblende bestimmt zusammen mit der Brennweite der Mikrolinsen des MLA 18, der Dispersion des Dispersionselement 17 und der Pixelgröße des Bildsensors 13 die spektrale Auflösung.
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Um eine Abbildung der Austrittspupille des optischen Systems aus dem Unendlichen auf den Bildsensor 13 zu realisieren (s. ), entspricht dabei die optische Weglänge zwischen MLA 18 und Bildsensor 13 bevorzugt der Brennweite des MLAs 18. 7 zeigt dabei eine telezentrische Abwandlung der 6.
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In 8 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der über ein Punktabbildungs-MLA 16 in der Zwischenbildebene die Aperturblende 22 der Abbildungseinheit 6 auf das MLA 18 mit vor- oder nachgeschaltetem Dispersionselement 17 abgebildet wird. Der Abstand und die Brennweite der Mikrolinsen des MLA 18 sind dabei so gewählt, dass die Bildpunkte des Punktabbildungs-MLA 16 stark verkleinert auf den Bildsensor abgebildet werden. Die Bildpunkte des Punktabbildungs-MLA 16 dienen somit als Eintrittsspalte für die hyperspektrale Messeinheit und wirken gleichzeitig als Feldlinsen. Dadurch ist gewährleistet, dass nur jeweils eine Mikrolinse des Punktabbildungs-MLA 16 über eine Mikrolinse des MLA 18 auf den Bildsensor 13 abgebildet wird.
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In 9 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Messoptik und Bildaufnahmeeinheit 13 dargestellt, bei der das Dispersionselement 17 hinter dem MLA 18 angeordnet ist. Diese Variante kann als Alternative in den vorangehenden Figuren eingesetzt werden.
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In 10 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Messoptik und Bildaufnahmeeinheit 13 dargestellt, bei der die Linsen des MLA 18 gekippt angeordnet sind. Diese Variante kann als Alternative in den vorangehenden Figuren eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lampe
- 2
- Kondensorlinse
- 3
- Beleuchtungs-MLA
- 4
- Beleuchtungslochmatrix
- 5
- Strahlteiler
- 6
- Objektiv
- 7
- Spiegel
- 8
- Objekt
- 9
- Zwischenbildebene
- 10
- erste Optik
- 11
- Gitter
- 12
- zweite Optik
- 13
- Bildsensor
- 14
- Strahlteiler
- 15
- Aufnahmeeinheit
- 16
- Punktabbildungs-MLA
- 17
- Dispersionselement
- 18
- Mikrolinsen-Array („MLA”)
- 19
- Winkelaufspreizung
- 20
- weiteres MLA
- 21
- Punktbegrenzungseinheit
- 22
- Aperturblende
