DE102016216842B4 - Method and device for operating a spectrometer - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (102) zum Betreiben eines Spektrometers (100), wobei die Vorrichtung (102) die folgenden Merkmale aufweist:eine Ermittlungseinrichtung (122) zum Ermitteln eines Kompensationswerts (126) zum Kompensieren eines Offsets (120) eines von dem Spektrometer (100) erfassten Spektrums (104) unter Verwendung eines Winkelwerts (128), wobei der Winkelwert (128) einen Einfallswinkel (116) von Licht (106) repräsentiert, welches während eines Erfassens des Spektrums (104) auf das Spektrometer (100) eingefallen ist; undeine Kompensationseinrichtung (124) zum Kompensieren des Spektrums (104) unter Verwendung des Kompensationswerts (126), um ein winkelkompensiertes Spektrum (130) zu erhalten,gekennzeichnet durcheine Winkelerfassungseinrichtung (132), die dazu ausgebildet ist, den Einfallswinkel (116) von während eines Erfassens des Spektrums (104) auf das Spektrometer einfallenden Lichts (106) zu erfassen und in dem Winkelwert (128) abzubilden, wobei die Winkelerfassungseinrichtung (132) einen Fotodetektor (110) aufweist, der ein Pixelfeld (134) mit einer Mehrzahl von je einen Intensitätswert (112) bereitstellenden Pixeln (136) aufweist, wobei die Winkelerfassungseinrichtung (132) dazu ausgebildet ist, unter Verwendung der Intensitätswerte (112) den Winkelwert (128) zu bestimmen und wobei die Vorrichtung (102) eine Beleuchtungseinrichtung (200) aufweist, die seitlich versetzt zu dem Fotodetektor (110) angeordnet ist, wobei die Pixel (136) an einer Achse zwischen der Beleuchtungseinrichtung (200) und dem Fotodetektor (110) ausgerichtet sind.Device (102) for operating a spectrometer (100), the device (102) having the following features: a determining device (122) for determining a compensation value (126) for compensating an offset (120) of one detected by the spectrometer (100) Spectrum (104) using an angular value (128), the angular value (128) representing an angle of incidence (116) of light (106) which was incident on the spectrometer (100) during acquisition of the spectrum (104); and compensation means (124) for compensating the spectrum (104) using the compensation value (126) to obtain an angle-compensated spectrum (130), characterized by an angle detection means (132) adapted to measure the angle of incidence (116) from during a Detection of the spectrum (104), light (106) incident on the spectrometer and imaging in the angle value (128), the angle detection device (132) having a photodetector (110) which has a pixel field (134) with a plurality of one each Pixels (136) providing intensity value (112), wherein the angle detection device (132) is designed to determine the angle value (128) using the intensity values (112) and wherein the device (102) has an illumination device (200) which is laterally offset from the photodetector (110), the pixels (136) being located on an axis between the lighting device (200) and the photodetector (110) are aligned.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the type of the independent claims. The present invention also relates to a computer program.
Die nachveröffentlichte Druckschrift
Die Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Bei einem Spektrometer kann ein erfasstes Spektrum einen Offset aufweisen, wenn das Licht schräg auf das Spektrometer fällt.In the case of a spectrometer, a recorded spectrum can have an offset if the light falls on the spectrometer at an angle.
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Spektrometer, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, the approach presented here presents a method for operating a spectrometer, a device using this method, a spectrometer, and finally a corresponding computer program in accordance with the main claims. The measures listed in the dependent claims allow advantageous developments and improvements of the device specified in the independent claim.
Der durch schräg einfallendes Licht verursachte Wellenlängenfehler beim Erfassen eines Spektrums ist abhängig von einem Einfallswinkel des Lichts. The wavelength error caused by obliquely incident light when acquiring a spectrum depends on an angle of incidence of the light.
Daher wird bei dem hier vorgestellten Ansatz der Einfallswinkel bestimmt und zum Ermitteln eines Kompensationswerts für das Spektrum verwendet. Der Kompensationswert wird auf das offsetbehaftete Spektrum angewendet, und das Spektrum verschoben.In the approach presented here, the angle of incidence is therefore determined and used to determine a compensation value for the spectrum. The compensation value is applied to the offset spectrum and the spectrum is shifted.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Ermitteln eines Kompensationswerts zum Kompensieren eines Offsets eines von dem Spektrometer erfassten Spektrums unter Verwendung eines Winkelwerts, wobei der Winkelwert einen Einfallswinkel von Licht repräsentiert, welches während eines Erfassens des Spektrums auf das Spektrometer eingefallen ist; und
- Determining a compensation value for compensating an offset of a spectrum captured by the spectrometer using an angle value, the angle value representing an angle of incidence of light which was incident on the spectrometer while the spectrum was being acquired; and
Kompensieren des Spektrums unter Verwendung des Kompensationswerts, um ein winkelkompensiertes Spektrum zu erhalten.Compensate for the spectrum using the compensation value to obtain an angle compensated spectrum.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines Spektrometers vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
- eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines Kompensationswerts zum Kompensieren eines Offsets eines von dem Spektrometer erfassten Spektrums unter Verwendung eines Winkelwerts, wobei der Winkelwert einen Einfallswinkel von Licht repräsentiert, welches während eines Erfassens des Spektrums auf das Spektrometer eingefallen ist; und
- eine Kompensationseinrichtung zum Kompensieren des Spektrums unter Verwendung des Kompensationswerts, um ein winkelkompensiertes Spektrum zu erhalten.
- determining means for determining a compensation value for compensating an offset of a spectrum acquired by the spectrometer using an angle value, the angle value representing an angle of incidence of light which was incident on the spectrometer during acquisition of the spectrum; and
- compensation means for compensating the spectrum using the compensation value to obtain an angle compensated spectrum.
Unter einem Spektrometer kann ein Bauelement verstanden werden, das ein spektrales Element in einem optischen Pfad vor einem Detektor aufweist. Ein Spektrum ist ein Intensitätsverlauf über einen Wellenlängenbereich. Das Spektrum kann dabei parallel oder seriell aufgezeichnet werden. Bei der parallelen Aufzeichnung wird das ganze Spektrum durch das spektrale Element räumlich aufgelöst und über einen zeilenförmigen Detektor eine Mehrzahl von Intensitätswerten mit mehreren Pixeln in einem einzelnen Zeitschlitz erfasst. Bei der seriellen Aufzeichnung lässt das spektrale Element jeweils nur einen begrenzten Wellenlängenbereich des einfallenden Lichts durch und ein Intensitätswert des Wellenlängenbereichs wird erfasst. In mehreren Zeitschlitzen nacheinander werden verschiedene Wellenlängenbereiche durchgelassen und die resultierenden Intensitätswerte erfasst. Das Spektrum wird aus den nacheinander erfassten Intensitätswerten zusammengesetzt. Der Winkelwert kann unter Verwendung eines Winkelsensors erfasst werden. Kompensationswerte können in einer Tabelle hinterlegt sein.A spectrometer can be understood to mean a component which has a spectral element in an optical path in front of a detector. A spectrum is an intensity curve over a wavelength range. The spectrum can be recorded in parallel or in series. In the case of parallel recording, the entire spectrum is spatially resolved by the spectral element and a plurality of intensity values with several pixels are recorded in a single time slot via a line-shaped detector. In the case of serial recording, the spectral element only lets through a limited wavelength range of the incident light and an intensity value of the wavelength range is recorded. Different wavelength ranges are transmitted in several time slots in succession and the resulting intensity values are recorded. The spectrum is composed of the intensity values recorded one after the other. The angle value can be detected using an angle sensor. Compensation values can be stored in a table.
Die Vorrichtung weist eine Winkelerfassungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, einen Einfallswinkel von während eines Erfassens des Spektrums auf das Spektrometer einfallenden Lichts zu erfassen und in dem Winkelwert abzubilden. Die Winkelerfassungseinrichtung kann in das Spektrometer integriert sein. Damit kann der tatsächliche Einfallswinkel während des Erfassens des Spektrums erfasst werden.The device has an angle detection device which is designed to detect an angle of incidence of light incident on the spectrometer during detection of the spectrum and to depict it in the angle value. The angle detection device can be integrated in the spectrometer. This enables the actual angle of incidence to be recorded while the spectrum is being acquired.
Die Winkelerfassungseinrichtung weist einen Fotodetektor auf, der ein Pixelfeld mit einer Mehrzahl von je einen Intensitätswert bereitstellenden Pixeln aufweist, wobei die Winkelerfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, unter Verwendung der Intensitätswerte den Winkelwert zu bestimmen. Der Winkel kann unter Verwendung eines Lichtschwerpunkts von auf den Detektor einfallendem Licht bestimmt werden. Der Fotodetektor kann das Licht verwenden, welches zum Erfassen des Spektrums verwendet wird. Damit kann ein systematischer Fehler vermieden werden. Eine Gesamtheit der Intensitätswerte kann zum Erfassen des Spektrums verwendet werden. The angle detection device has a photodetector which has a pixel field with a plurality of pixels each providing an intensity value, the angle detection device being designed to determine the angle value using the intensity values. The angle can be determined using a center of gravity of light incident on the detector. The photodetector can use the light used to acquire the spectrum. A systematic error can thus be avoided. A total of the intensity values can be used to acquire the spectrum.
Die Vorrichtung weist eine Beleuchtungseinrichtung auf, die seitlich versetzt zu dem Fotodetektor angeordnet ist, wobei die Pixel an einer Achse zwischen der Beleuchtungseinrichtung und dem Fotodetektor ausgerichtet sind. Eine Beleuchtungseinrichtung kann beispielsweise eine LED aufweisen. Die Beleuchtungseinrichtung kann schräg zu einer optischen Achse des optischen Elements ausgerichtet sein. Durch die Beleuchtungseinrichtung kann der Einfallswinkel des einfallenden Lichts einen Zusammenhang zu einer Entfernung zwischen einem beleuchteten Objekt und dem Spektrometer repräsentieren. Das Spektrometer kann zur Entfernungsmessung verwendet werden.The device has an illuminating device which is arranged laterally offset from the photodetector, the pixels being aligned on an axis between the illuminating device and the photodetector. A lighting device can have an LED, for example. The lighting device can be aligned obliquely to an optical axis of the optical element. By means of the lighting device, the angle of incidence of the incident light can represent a relationship to a distance between an illuminated object and the spectrometer. The spectrometer can be used to measure distance.
Der Fotodetektor kann dazu ausgebildet sein, das Spektrum zu erfassen. Der Fotodetektor kann das Licht verwenden, welches zum Erfassen des Spektrums verwendet wird. Damit kann ein systematischer Fehler vermieden werden.The photodetector can be designed to detect the spectrum. The photodetector can use the light used to acquire the spectrum. A systematic error can thus be avoided.
Die Pixel können zweidimensional flächig angeordnet sein. In einer ersten Richtung ausgerichtete Pixel können das Spektrum erfassen. Quer dazu ausgerichtete Pixel können die Intensitätswerte bereitstellen. Durch die flächige Anordnung der Pixel können Spektrum und der Einfallswinkel parallel erfasst werden.The pixels can be arranged in a two-dimensional area. Pixels aligned in a first direction can capture the spectrum. Pixels aligned at right angles can provide the intensity values. Due to the flat arrangement of the pixels, the spectrum and the angle of incidence can be recorded in parallel.
Ferner wird ein Spektrometer mit einer Vorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt.Furthermore, a spectrometer with a device according to the approach presented here is presented.
Ein spektrales Element des Spektrometers kann als linear variabler Filter ausgebildet sein. Durch den linear variablen Filter kann das Spektrum parallel aufgezeichnet werden.A spectral element of the spectrometer can be designed as a linearly variable filter. The spectrum can be recorded in parallel using the linearly variable filter.
Das spektrale Element des Spektrometers kann als mikromechanisches Interferometer ausgebildet sein. Durch das Interferometer kann ein einfacher Fotodetektor verwendet werden.The spectral element of the spectrometer can be designed as a micromechanical interferometer. A simple photo detector can be used with the interferometer.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Also advantageous is a computer program product or computer program with program code, which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, in particular if the program product or program is executed on a computer or a device.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 ein Blockschaltbild eines Spektrometers mit einer Vorrichtung zum Betreiben gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 eine Darstellung einer Winkelerfassung unter Verwendung eines Pixelfelds gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3 eine Darstellung eines mittig auf einen Fotodetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel auftreffenden Beleuchtungsspots; -
4 eine Darstellung eines erfassten Spektrums; -
5 Darstellungen von außermittig auf einen Fotodetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel auftreffenden Beleuchtungsspots; -
6 eine Darstellung eines Spektrums mit Offset; -
7 eine Darstellung eines Spektrometers mit einem linear variablen Filter gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
8 eine Darstellung eines Spektrometers mit einem Interferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 a block diagram of a spectrometer with a device for operation according to an embodiment; -
2 an illustration of an angle detection using a pixel field according to an embodiment; -
3 an illustration of an illumination spot hitting the center of a photodetector according to an exemplary embodiment; -
4 a representation of a recorded spectrum; -
5 Representations of off-center lighting spots hitting a photodetector according to an embodiment; -
6 a representation of a spectrum with offset; -
7 a representation of a spectrometer with a linearly variable filter according to an embodiment; -
8th a representation of a spectrometer with an interferometer according to an embodiment; and -
9 a flowchart of a method for operating a spectrometer according to an embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the different figures and acting in a similar manner, and a repeated description of these elements is omitted.
Das spektrale Element ist winkelempfindlich. Wenn das einfallende Licht um einen Einfallswinkel
Die Vorrichtung
Die Vorrichtung
Die Winkelerfassungseinrichtung
In einem Ausführungsbeispiel ist das spektrale Element
Das Steuersignal
In einem Ausführungsbeispiel zeigt
Das spektrale Element
Das spektrale Element
Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine Kompensation winkelabhängiger und damit bei exzentrischem Beleuchtungsansatz abstandsabhängiger Wellenlängenoffsetfehler
Wenn das im beleuchteten Bereich
Eine typische exzentrische Lichtanordnung ist in
Bei Nutzung einer Lochblende oder eines Linsensystems verschiebt sich der Beleuchtungsspot
Vierteilige Detektoren
Bei großen Einfallswinkelintervallen ist es von Vorteil, dass die Schwerpunktanalyse des Beleuchtungsspots
Da unter Verwendung der unterschiedlichen Intensitätswerte der Pixel in
Mit anderen Worten ist in
Mikromechanische Fabry-Perot-Interferometer (FPI)
Bei Fabry-Pérot Interferometern (FPI)
Bei Triangulationsverfahren sind Beleuchtungsachse und optische Achse
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird ein Triangulationsverfahren mit der Spektrum-Messtechnik kombiniert.In the approach presented here, a triangulation method is combined with the spectrum measurement technology.
Bei Spektrometern
Je näher das Objekt am Spektrometer
In einem Ausführungsbeispiel ist das spektrale Element
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a “and / or” link between a first feature and a second feature, this is to be read in such a way that the embodiment according to one embodiment has both the first feature and the second feature and according to a further embodiment either only that has the first feature or only the second feature.
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