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Die Erfindung betrifft einen spektrometrischen Messkopf mit einer Messfläche, die an einer Untersuchungsfläche einer Probe positionierbar ist. Insbesondere gestattet es der Messkopf, die diffuse Transmission von Licht, welches eine Probe durchlaufen hat, spektrometrisch auszuwerten, beispielsweise um Eigenschaften der Probe anhand chemometrischer Modelle zu bestimmen.
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Im Stand der Technik sind unterschiedliche Methoden und dafür verwendbare Messköpfe bekannt, die anhand aufgenommener Strahlungsspektren Rückschlüsse auf bestimmte Eigenschaften von Materialien oder Bauteilen (nachfolgend allgemein als Proben bezeichnet) ermöglichen.
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Bei der Absorptionsspektroskopie werden Spektren unterschiedlicher Substanzen (Atomspektren oder Molekülspektren von Gasen, Flüssigkeiten oder Festkörpern) bestimmt, durch Messung der Absorption, die in eine Probe eingestrahltes Licht beim Durchgang durch die Probe erfährt. Strahlt eine (frequenzmäßig) kontinuierliche Lichtquelle, z.B. einer Wolframbandlampe, eine Lichtquelle mit diskreten Wellenlängen, z.B. eine Gasentladungslampe oder eine durchstimmbare Lichtquelle, z.B. Laserlichtquelle, Anregungslicht auf die Probe ein, so weist das mit geeigneten spektral sensitiven Sensoren aufgezeichnete Spektrum des durch die Probe hindurchgegangenen Lichts dunkle Linien auf, die Absorptionslinien.
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Für die Auswertung auftretender Absorption an Proben werden Transmissionsmessungen genutzt. Dabei wird das beim Durchgang durch die Probe in seiner Intensität abgeschwächte Licht zu einem spektralen Sensor geleitet, welcher die Absorption bestimmt. Die chemometrische Berechnung von stofflichen Merkmalen der Probe erfolgt weitestgehend nach der Gesetzmäßigkeit von Lambert-Beer. Eine Begrenzung dieser Messmethode liegt in der Länge des optischen Pfades, der vor allem durch die Schichtdicke der Probe bestimmt ist. Je größer die Absorption im Probenmaterial ist, desto kleiner muss die Schichtdicke sein, da sich die Lichtintensität des Anregungslichts nicht beliebig steigern lässt. Des Weiteren ist bei einer grob strukturierten Oberfläche der Probe in Verbindung mit einem kurzen optischen Pfad damit zu rechnen, dass auch ein Anteil des Anregungslichts durch die Probe hindurchtritt, welcher keiner Wechselwirkung mit der Probe unterlegen hat und ungewünschtes Störlicht im spektrometrischen Sensor erzeugt. Das Störlicht führt nachfolgend zu einer ungenauen oder falschen chemometrischen Berechnung der stofflichen Merkmale.
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Bei der sogenannten diffusen Transmissionsmessung wird angenommen, dass das Anregungslicht durch die Probe diffus hindurchläuft und (theoretisch auf 360° im Raum) wieder aus der Probe austritt. Das abgeschwächte Licht wird anschließend zum spektralen Sensor geleitet und ermöglicht eine Bestimmung der Abschwächung / Absorption des Lichtes. Die chemometrische Berechnung stofflicher Merkmale ist durch die überwiegend unbekannte optische Pfadlänge des Lichtes durch die Probe kaum möglich. Eine Beschränkung dieser Messmethode liegt wiederum in dem optischen Pfad bzw. der Schichtdicke. Umso größer die Absorption in der Probe ist, desto kleiner muss die Schichtdicke sein. Bei der diffusen Transmission ist der optische Pfad durch ungerichtete Mehrfachreflexionen und -absorptionen innerhalb der Probe um ein Vielfaches länger als der mechanische, geradlinige Abstand (der sogenannte Steg) zwischen dem Eintritts- und dem Austrittspunkt des Lichts an der Probe. Die Absorption ist damit deutlich höher als bei einem geradlinigen Durchgang des Lichts durch die Probe.
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Demgegenüber wird bei Reflexionsmessungen das Reflexionsvermögen einer Probe gemessen, welches generell aus zwei Komponenten besteht. Zum einen tritt die gerichtete (reguläre) Reflexion auf, bei der die Strahlung spiegelnd von der Oberfläche der Probe reflektiert wird. Die reguläre Reflexion wird durch die Fresnelschen Gleichungen beschrieben. Zum anderen tritt die diffuse Reflexion auf, bei der die Strahlung gleichmäßig in alle Richtungen reflektiert wird. Sie kommt dadurch zustande, dass die Strahlung in die Probe eindringt und nach teilweiser Absorption und mehrfacher Streuung an die Oberfläche zurückgelangt. Reguläre und diffuse Reflexion stellen idealisierte Grenzfälle der Reflexion dar. Die gemessene Gesamtreflexion einer Probe setzt sich aus beiden Anteilen zusammen. Die chemometrische Berechnung von stofflichen Merkmalen erfolgt meistens durch Berechnung der scheinbaren Absorption, zumeist LOG 1/R, aber auch durch Berechnung der Energiedifferenzen bzw. des Reflexionssignals. Entsprechend des jeweiligen Anteilsverhältnisses von regulärer und diffuser Reflexion ergeben sich stoff- und probenspezifische Messergebnisse.
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Bei der diffusen Reflexionsmessung wird der Lichtstrahl auf die Probe geführt und dort aufgrund der rauen Oberfläche nicht gerichtet, sondern diffus reflektiert. Der Anteil der dabei auftretenden regulären Reflexion ist gering bzw. wird durch eine Sammeloptik (z. B. typische Messgeometrie 0/45°) vor dem Sensor ausgeblendet. Bei nicht ideal diffus reflektierenden Proben, z. B. im Agrarbereich häufig vorkommenden kugelförmigen und/oder glänzenden Oberflächen, kann der Anteil der regulären Reflexion jedoch erheblich sein. Die Methode der diffusen Reflexion eignet sich u.a. für die Messung absorbierender Proben. Hauptnachteil der Methode ist, dass sich die Reflexionsspektren von Transmissionsspektren unterscheiden. Die Spektren zeigen derivationsähnliche Bandenformen, deren Ursache in der anomalen Dispersion in der Nähe von Absorptionszentren eines Materials liegt, das heißt der Brechungsindex steigt hier mit der Wellenlänge an, anstatt wie sonst zu fallen. Dies führt zu einer geänderten Reflektivität und somit zu verzerrten Banden. Der Vorteil eines für die diffuse Reflexionsmessung typischen Messaufbaues liegt darin, dass er nicht in Abhängigkeit von der Absorption der Probe verändert werden muss. Die Länge des vom Anregungslicht durchlaufenen optischen Pfades ist probenspezifisch; allerdings kann sie weder durch den Messaufbau noch durch eine höhere Lichtintensität verlängert werden, um die Wechselwirkung mit der Probe zu erhöhen. Nachteilig wirkt sich aus, dass die wellenlängenabhängige diffuse Reflexion (insbesondere die Lichtstreuung) durch die Oberflächenstruktur der Probe beeinflusst wird.
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Wird eine Probe mit Anregungslicht bestrahlt, so treten zahlreiche Phänomene an den Grenzen und im Inneren auf, die unter dem Begriff der Lichtstreuung zusammengefasst werden. An Begrenzungsflächen kann Licht gerichtet oder diffus reflektiert werden. Ebenso kann Anregungslicht durch das Medium (Probe) transmittieren oder nach einer Wechselwirkung im Inneren (Streuung, Absorption) remittiert werden, d.h. es kommt zum diffusen Abstrahlen von Licht aus einem streuenden Medium, in welches Anregungslicht von außen eingestrahlt wurde. Bei der chemometrischen Auswertung von Stoffeigenschaften einer Probe erfordert die Berücksichtigung diverser Lichtstreuungsphänomene zumeist komplexe mathematische Korrekturalgorithmen. Aufgrund dieser Phänomene ist es bei einer einfachen Messanordnung mit nur einem Beleuchtungspunkt und einem Detektionspunkt unmöglich, sämtliche probenspezifischen Effekte rechnerisch zu berücksichtigen.
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Im Stand der Technik sind unterschiedliche Messköpfe mit spektralen Sensoren bekannt, die Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase analysieren können. Bauartbedingt ergeben sich bei Reflexionsmessköpfen kürzere optische Pfade, woraus eine gegenüber Transmissionsmessköpfen geringere Nachweisempfindlichkeit resultiert. Bei Transmissionsmessköpfen wird die Länge des optischen Pfades durch den Abstand zwischen den beiden Fenstern für die Lichtquelle und die Sensoroptik definiert, wobei der optische Pfad deutlich länger ist als der Steg zwischen diesen Fenstern. Je größer der Abstand zwischen den Fenstern ist, desto größer ist auch das Volumen, aus dem die Informationen über Absorptionseigenschaften der Probe gewonnen werden, gleichzeitig steigt aber auch die Absorption in der Probe. Durch die größere Länge des optischen Pfades bei der Transmission wirkt sich eine Inhomogenität in der Probe nur gering auf das Messergebnis aus. Die Reflexion an der Oberfläche der Probe hat bei dieser Messgeometrie keinen Einfluss auf das Messergebnis. Da der mechanische Abstand zwischen den Fenstern aber nur gering sein kann, sind diese Systeme außerhalb eines Labors nur bedingt praxistauglich. Entsprechend der Absorption der jeweiligen Probenart müssen der Abstand zwischen den Fenstern bzw. die Intensität der Lichtquelle angepasst werden, wenn der volle Dynamikbereich des Sensors genutzt werden soll.
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Die
DE 10 2005 063 263 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Generierung eines Messergebnisses auf der Grundlage einer spektrometrischen Messung. Dabei wird Licht von einer Quelle auf eine Probe gegeben, nachfolgend wird das durch Wechselwirkung mit der Probe geprägte Licht erfasst und eine spektrale Intensitätsverteilung ermittelt.
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Aus der
EP 1 797 414 B1 ist ein spektrometrischer Messkopf für Erntemaschinen bekannt. Der Messkopf besitzt ein mit einem Fenster versehenes Gehäuse. Im Gehäuse sind eine Beleuchtungsquelle und eine Spektrometeranordnung angeordnet. Die Spektrometeranordnung umfasst ein Dispersionselement, ein Detektorarray und Optikbaugruppen zur direkten Abbildung der von einer Probe reflektierten Strahlung auf das Detektorarray. Weiterhin sind ein Prozessor zur Erfassung und Bearbeitung der Messwerte und eine Schnittstelle zu einem Bussystem vorgesehen.
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In der
EP 2 533 032 A1 ist eine optische Messvorrichtung zur Ermittlung der Transmissions- und Reflexionseigenschaften von großflächigen transluzenten Objekten beschrieben. Die Messvorrichtung umfasst eine erste Beleuchtungseinrichtung in der Art einer Ulbrichtkugel, von welcher durch eine Lichtaustrittsöffnung Licht auf eine erste Großfläche des Objektes gerichtet wird, und eine zweite Beleuchtungseinrichtung in der Art eine Ulbrichtkugel, von welcher durch eine weitere Lichtaustrittsöffnung Licht auf eine gegenüberliegende Großfläche des Objektes gerichtet wird. Weiterhin ist ein richtungsempfindlicher Fotodetektor vorgesehen, dessen Detektionsrichtung durch beide Lichtaustrittsöffnungen hindurch auf eine sich an der Innenwand der zweiten Beleuchtungseinrichtung befindende Lichtfalle weist. Ebenso ist ein weiterer richtungsempfindlicher Fotodetektor vorgesehen, dessen Detektionsrichtung durch beide Lichtaustrittsöffnungen hindurch auf die reflektierende Innenwand der ersten Beleuchtungseinrichtung weist, wobei die beiden Detektionsrichtungen in verschiedenen Messebenen liegen.
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Die
DE 10 2012 005 583 A1 beschreibt ein mobiles Messgerät, welches auf der Haut eines Patienten aufgesetzt werden kann, um Informationen zu dessen antioxidativen Potenzial zu sammeln. Das Messgerät umfasst ein Gitterspektrometer, eine Beleuchtungseinheit und eine Datenverarbeitungseinheit. Ein Licht-Auskopplungsfenster und ein Licht-Einkopplungsfenster weisen einen lateralen Offset zueinander auf und sind durch eine Lichtsperre voneinander getrennt.
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Die
US 2014/0243681 A1 zeigt ein optisches Bilderfassungssystem, beispielsweise zur Detektion von Tumoren. Das System umfasst eine Vielzahl von Beleuchtungsquellen an voneinander beabstandeten Beleuchtungsorten und eine Vielzahl von Detektoren an voneinander beabstandeten Detektionsorten. Eine Messfläche kann in Kontakt mit einem Objekt gebracht werden, so dass Licht von den Lichtquellen vor der Erfassung durch die Detektoren von dem Objekt gestreut bzw. absorbiert wird.
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Aus der
DE 10 2014 003 470 A1 ist eine optische Sensorvorrichtung mit mindestens einer Strahlungsquelle zur Beleuchtung einer Probe und mehreren Strahlungsdetektoren bekannt. Die Strahlungsdetektoren sind in einem gemeinsamen Raum mit Fenster und die Strahlungsquelle ist in einem anderen Raum mit Fenster angeordnet. Beide Fenster sind durch eine Strahlungsbarriere voneinander getrennt.
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Die
DE 101 63 972 A1 befasst sich mit einem Messkopf, der mit der Unterseite einer Hautkontaktplatte auf einer Hautoberfläche aufliegt. Im Inneren des Messkopfes befinden sich Lichteinstrahlungsmittel, die Primärlicht durch ein Einstrahlungsfenster in der Hautkontaktplatte auf die Hautoberfläche senden. Detektionsmittel erfassen durch Detektionsfenster in der Hautkontaktplatte in den Messkopf eindringendes Sekundärlicht.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend vom Stand der Technik darin gesehen, einen verbesserten spektrometrischen Messkopf bereit zu stellen, der einfach zu bedienen ist, robuste Messergebnisse liefert, einfach an unterschiedliche Proben anpassbar ist, ein geringe Fehleranfälligkeit zeigt und prinzipielle Fehlerquellen, die aus der Kombination Messkopf zu Probenart individuell entstehen, vermindert oder sogar vermeidet.
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Diese und weitere Aufgaben werden durch den spektrometrischen Messkopf gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Messkopf besitzt ein Gehäuse, welches mindestens eine Messfläche aufweist, an der eine zu untersuchende Fläche (Untersuchungsfläche) einer Probe z. B. anlegbar ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Messfläche gerade, über Eck, oder in einer anderen geometrischen Ausführung (z. B. Freiform) gestaltet sein, sodass sie jeweils an der Untersuchungsfläche der Probe positionierbar ist. Die geometrische Ausführung wird maßgeblich durch die bestmögliche Interaktion zwischen Probe bzw. deren Untersuchungsfläche und Messfläche des Messkopfs bestimmt. Der Messkopf umfasst weiterhin mindestens eine Lichtquelle zur Bereitstellung von Licht, vorzugsweise breitbandiger Art, oder auch mit diskreten und/oder durchstimmbaren Wellenlängen. Alternativ können auch mehrere schmalbandige Lichtquellen (zusammen mit einem breitbandigen Detektor) eingesetzt werden. Mindestens ein Beleuchtungsfenster ist in der Messfläche positioniert, durch welches das von der Lichtquelle bereitgestellte Licht in Richtung zur Messfläche und von dort zur Untersuchungsfläche der Probe ausgestrahlt wird. Weiterhin sind mindestens zwei, vorzugsweise auch drei oder mehr Transmissionslicht-Eintrittsfenster ebenfalls in der Messfläche positioniert, die von der Probe remittiertes Licht eintreten lassen, welches einen optischen Pfad durch die Probe zurückgelegt hat. Jedes Transmissionslicht-Eintrittsfenster ist vom Beleuchtungsfenster um ein vorbestimmtes, voneinander abweichendes Maß beabstandet, sodass die optischen Pfade zwischen dem Beleuchtungsfenster und den verschiedenen Transmissions-Eintrittsfenstern unterschiedlich sind. In einer weiteren Ausführung können auch die Transmissionslicht-Eintrittsfenster und Beleuchtungsfenster um ein vorbestimmtes, identisches Maß beabstandet sein. Es können auch Variationen von unterschiedlichen und identischen beabstandeten Maßen in einem Messkopf kombiniert werden.
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Weiterhin besitzt der spektrometrische Messkopf eine Spektralsensoreinheit mit mindestens zwei, vorzugsweise mehreren Spektralsensoren, wobei jedem Eintrittsfenster mindestens einer dieser Spektralsensoren zugeordnet ist, um das dort eingetretene remittierte Licht zu detektieren und jeweils ein entsprechendes Sensorsignal an eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit abzugeben. Die Spektralsensoreinheit kann auch als ein Spektralsensor mit mehreren Sensorkanälen bzw. Detektionskanälen (mehrstrahliger Sensor) ausgeführt sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Messkopf handelt es sich folglich um einen transmittiv arbeitenden Messkopf mit mehreren Detektionspunkten. Der Messkopf besitzt außer dem mindestens einen Beleuchtungspunkt, an der Position des Beleuchtungsfensters, mehrere räumlich um den Beleuchtungspunkt verteilte Messpunkte an den Positionen der Transmissions-Eintrittsfenster. Es ergeben sich somit unterschiedliche optische Weglängen (Pfade) zwischen dem Beleuchtungspunkt und dem jeweiligen Messpunkt auf der Untersuchungsfläche der Probe.
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Die Anordnung der Beleuchtungs- und Messpunkte ist dabei weitgehend beliebig und kann in verschiedenen Ausführungsformen variiert werden. Im Rahmen der chemometrischen Auswertung der mit dem Messkopf gewonnenen Sensorsignale können die unbekannten Variablen der jeweiligen Probe durch Berücksichtigung die bekannten, unterschiedlichen Weglängen zwischen den Mess- und Beleuchtungspunkten kompensiert werden, so dass Fehlerquellen wie Struktur, Bewegung, Kompression, Inhomogenität usw. unterdrückt bzw. herausgerechnet werden können.
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Eine weitergebildete Ausführungsform des Messkopfes zeichnet sich dadurch aus, dass er mehrere in der Messfläche liegende Beleuchtungsfenster umfasst, die voneinander beabstandet sind. Die mehreren Beleuchtungsfenster können dasselbe oder spektral unterschiedliches Licht in Richtung zur Untersuchungsfläche der Probe ausstrahlen. Eine nochmals weitergebildete Ausführungsform besitzt ein oder mehrere Beleuchtungsfenster sowie mindestens drei, vorzugsweise noch mehr Transmissions-Eintrittsfenster, die von den Beleuchtungsfenstern unterschiedlich oder gleich beabstandet sind. Beispielsweise können die Transmissions-Eintrittsfenster spiralförmig um das Beleuchtungsfenster herum angeordnet sind, sodass sich jeweils Winkel und Radius unterscheiden. Damit stehen mehr optische Pfade zur Verfügung, die vom Anregungslicht durchlaufen werden, bevor es in teilweise absorbierter Form an den Transmissions-Eintrittsfenstern von den dort positionierten Sensoren erfasst wird.
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Die vorbestimmte Positionierung der Beleuchtungs- und der Transmissions-Eintrittsfenster in der Messfläche des erfindungsgemäßen Messkopfes hat einen insgesamt fehlersicheren Aufbau zur Folge, da die Positionierung aller Mess- und Beleuchtungspunkte zueinander einerseits während der Herstellung möglich ist und andererseits beim Einsatz des Messkopfes eine flächige Referenzierung / Kalibrierung des Messkopfes mit einem homogenen Referenzmaterial einfach durchzuführen ist. Bevorzugt werden im Messkopf bauarttechnisch identische Sensoren verwendet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Transmissionslicht-Eintrittsfenster optisch abgeschirmt sind, um Licht, welches direkt aus dem Beleuchtungsfenster austritt, oder von der Probe reflektiertes Licht, welches keinen optischen Pfad in der Probe durchlaufen hat, abzuschirmen. Damit wird die Verfälschung des Messergebnisses durch nicht transmittiertes Licht vermieden.
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Als weitere Variante kann der Messkopf angepasst sein, um eine Kombination von einer Transmission- und einer ReflexionsMessung zu ermöglichen. Dazu wird im Messkopf mindestens eines der Beleuchtungsfenster als Reflexionslicht-Eintrittsfenster, welches von der Probe reflektiertes Licht eintreten lässt, genutzt. Weiterhin ist ein Reflexionslichtsensor im Messkopf vorgesehen, der dem Reflexions-Eintrittsfenster zugeordnet ist, um das dort eingetretene reflektierte Licht zu detektieren und ein entsprechendes Sensorsignal an die nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit abzugeben, welche das Sensorsignal in der an sich bekannten Weise auf seine spektrale Zusammensetzung hin analysiert. Dieser Aufbau bietet u.a. den Vorteil, dass es durch die simultane Messung der diffusen oder/und gerichteten Reflexion und der diffusen Transmission z. B. möglich ist, die Farbe und die Inhaltsstoffe der Probe zu messen (zumeist unterschiedliche Wellenlängenbereiche). Durch die Differenzbildung der Reflexions- und Transmissionsspektren können z. B. Informationen über die Oberflächenstruktur und die oberflächennahen Bestandteile der Probe gewonnen werden (identische Wellenlängenbereiche). Ebenso ist eine Betauung (Oberflächenfeuchtigkeit) durch diesen Aufbau zu erkennen (identische Wellenlängenbereiche). Weiterhin können durch entsprechende Auswertealgorithmen aus der Differenz zwischen den beiden Spektren Fehlmessungen besser erkannt und ggf. korrigiert werden.
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Im einfachsten Fall ist jedem Transmissionslicht- bzw. Reflexionslicht-Eintrittsfenster genau ein Sensor zugeordnet, um das eintretende Licht zu detektieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Messkopfes sind jedem Eintrittsfenster mehrere Spektralsensoren zugeordnet, die jeweils Winkelabschnitte der Fläche des Eintrittsfensters beobachten und auf diese Weise eine vollständige Erfassung des eintretenden Lichts ermöglichen. Da das Licht aus der Probe mit einer numerischen Apertur NA von fast 1 (90°) auf einer Fläche von beispielsweise 30 mm Durchmesser (Halbkugelfläche) austritt und die üblichen, bekannten Sensoren nur eine NA von ca. 0,17 bis 0,33 bei einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern akzeptieren, ist es in diesem Fall nicht möglich, das gesamte Licht, das aus der Probe austritt, auf einen einzelnen Sensor zu leiten. Der Lichtleitwert (Etendue E) muss aber auf Proben- und Sensorseite möglichst gleich sein. Es ist bei Nutzung der diffusen Transmission möglich, mehrere Sensoren gleichzeitig mit ihrer maximalen NA z.B. auf einer Halbkugel anzuordnen. Diese können denselben Wellenbereich umfassen (z.B. für repräsentativere Messwerte, zur Durchschnittsbildung, zur Ermittlung von Winkelabhängigkeiten) oder auch unterschiedliche Wellenlängenbereiche (UV, VIS, NIR) detektieren. Auch die chemometrische Auswertung ist wesentlich genauer, wenn die Ermittlung der Daten aus der Durchschnittsbildung aus der simultanen Messung von einer Probe mit mehreren unterschiedlichen Signalquellen der Einzelergebnisse erfolgt. Weiterhin lassen sich aus den individuellen Signalquellen zusätzliche Informationen gewinnen (z. B. Textur der Probe).
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Aber selbst bei der Anordnung von mehreren Sensoren über einem Eintrittsfenster geht viel Licht aus der Probe verloren, da eine exakte vollständige Überdeckung der Abtastfläche konstruktiv praktisch unmöglich ist. Als Lösung für dieses Teilproblem ist die erfindungsgemäße Ausführungsform des Messkopfes vorgesehen, bei welcher die Spektralsensoren in einem dem jeweiligen Eintrittsfenster zugeordneten Sensorraum angeordnet sind, dessen zum Eintrittsfenster gerichtete Flächen verspiegelt sind. Dadurch wird alles Licht aus dem Sensorraum, das nicht direkt in den Sensor fällt, zurück durch das Eintrittsfenster auf die Probe reflektiert. Da die Absorptionsbanden in diesem Licht bereits enthalten sind, ist auch eine reguläre Reflektion direkt oder indirekt über das Fenster in den Sensor vorteilhaft. Ein anderer Teil des Lichts wird diffus von der Probe in den Sensor reflektiert. Ein weiterer Teil des Lichts dringt wieder in die Probe ein und gelangt teilweise zurück in den Sensor.
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Im Messbetrieb können anhand der von den Sensoren gelieferten Messsignale Rückschlüsse auf die Probenbeschaffenheit gezogen werden. Jede Probe hat bei vorbestimmter Lichtenergie eine optimale Länge des optischen Pfades, welche die besten Messergebnisse liefert. Bei Verwendung des Messkopfes ist unter diesem Gesichtspunkt zunächst vorteilhaft, dass verschiedene optische Pfade zwischen dem Beleuchtungsfenster und der Mehrzahl an Transmissionslicht-Eintrittsfenstern zur Verfügung stehen. In einer abgewandelten Ausführungsform lässt sich darüber hinaus die Intensität des von der Lichtquelle bereitgestellten Anregungslichts einstellen, um ein optimales Verhältnis zwischen der Länge des optischen Pfades und der maximal möglichen Lichtintensität für eine maximale Absorption einstellen zu können. Diese Verfahrensweise muss in der Chemometrie berücksichtigt werden. Falls Informationen aus einer geringen Tiefe der Probe gesammelt werden sollen, ist ein kurzer optischer Pfad mit einer entsprechend geringeren Lichtintensität zu realisieren. Falls es gewünscht ist, Informationen aus einer größeren Tiefe der Probe zu gewinnen, ist ein längerer optischer Pfad mit einer entsprechend höheren Lichtintensität zu realisieren.
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Eine weitergebildete Ausführungsform des Messkopfes zeichnet sich daher dadurch aus, dass einem Beleuchtungsfenster, aus welchem Anregungslicht von einer breitbandigen Lichtquelle ausgesendet wird, mehr als zwei, nämlich beispielsweise vier oder noch mehr Eintrittsfenster mit unterschiedlichem Abstand zum Beleuchtungsfenster zugeordnet sind. Wie oben bereits erwähnt, können außerdem mehrere Beleuchtungsfenster mit unterschiedlichem Abstand zu den Eintrittsfenstern vorgesehen sein. Die beiden genannten Optionen können auch kombiniert angewendet werden, indem beispielsweise eine Matrix aus Beleuchtungs- und Eintrittsfenstern aufgebaut wird.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform werden schmalbandige Lichtquellen verwendet, die z. B. durch LED's gespeist werden. Dabei kann es zweckmäßig sein, unterschiedliche Längen des optischen Pfades entsprechend der Wellenlänge einzurichten. In Verbindung mit einer Matrixanordnung können die LED zur Erzeugung unterschiedlicher Pfadlängen auch durch An- und Ausschalten in unterschiedlichen Abständen benutzt werden.
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Eine nochmals weitergebildete Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Abstand zwischen dem Beleuchtungsfenster und mindestens einem der Transmissionslicht-Eintrittsfenster variabel ist. Insbesondere lässt sich dieser Abstand mithilfe eines Verstellantriebs verändern. Auf diese Weise kann die Läge des optischen Pfades an die jeweilige Messsituation angepasst werden. Diese Verfahrensweise muss in der Chemometrie berücksichtigt werden.
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Bei einer Ausführungsform kann die Intensität über die Wellenlängen der Lichtquelle angepasst werden, um den maximalen Dynamikbereich für die Messung zu nutzen. In weiteren Ausführungsformen ist die Lichtquelle des Messkopfes durch eine oder mehrere LED's, durch eine Breitbandlampe oder durch einen Lichtleiter, der Licht von einer externen Lichtquelle zum Messkopf führt, gebildet. Vorzugsweise werden breitbandige Lichtquellen eingesetzt, deren Intensität gedimmt werden kann. Ebenso kann es vorteilhaft sein, schmalbandige Lichtquellen einzusetzen, deren Intensität ebenfalls gedimmt werden kann.
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Insbesondere beim Dimmen der Lichtquelle ist eine simultane bzw. serielle Referenzierung der Lichtquelle sinnvoll. Zeitlich parallel oder nacheinander zur spektralen Messung der Probe wird dafür ein Spektrum der Lichtquelle selbst aufgenommen und mit den Spektren der Probe verrechnet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreiben bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messkopfes, welcher transmittiv arbeitet;
- 2 eine vereinfachte Draufsicht auf die Anrodnung von mehreren Transmissionslicht-Eintrittsfenstern im Messkopf gemäß 1;
- 3 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Messkopfes, welcher transmittiv und reflektorisch arbeitet.
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1 und 2 zeigen den prinzipiellen Aufbau eines spektrometrischen Messkopfes 01 gemäß einer ersten Ausführungsform zur Untersuchung einer Probe 02. Der Messkopf 01 besitzt ein Gehäuse 03, an welchem eine Messfläche 04 angeordnet ist, welche im Messbetrieb einer Untersuchungsfläche 05 der Probe 02 gegenüberliegend angeordnet ist.
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In dem in 1 dargestellten Fall wird als Anregungslicht eine Strahlung z. B. im nahen Infrarotbereich (NIR) verwendet, welche von einer Lichtquelle 07 emittiert und an einem Beleuchtungsfenster 08 des Messkopfes in Richtung zur Untersuchungsfläche 05 der Probe 02 ausgesandt wird. Der Messkopf 01 besitzt drei Transmissionslicht-Eintrittsfenster 09a, 09b, 09c (vgl. 2), die vom Beleuchtungsfenster 08 unterschiedlich weit entfernt sind. An den drei Transmissionslicht-Eintrittsfenstern 09 tritt daher das entlang von drei unterschiedlichen optischen Pfaden 11 durch die Probe 02 gelaufene Licht wieder in den Messkopf 01 ein. Innerhalb des Messkopfes 01 in jeweiligen Sensorräumen, die sich hinter den Transmissionslicht-Eintrittsfenstern 09 befinden, ist jeweils ein breitbandiger NIR-Spektralsensor 12 angeordnet. Diese drei Spektralsensoren sind in ihren spektralen Parametern und in ihrem thermischen Verhalten weitestgehend identisch.
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3 zeigt eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Messkopfes 01, welcher transmittiv und reflektorisch arbeitet. Der Messkopf 01 besitzt in diesem Fall ein Reflexionslicht-Eintrittsfenster 30 für z. B. eine Farbmessung durch Reflexionsmessung. Dem Reflexionslicht-Eintrittsfenster 30 ist ein Reflexionslichtsensor 31 für sichtbares Licht (VIS) zugeordnet.
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Für eine Referenzierung der im Messkopf 01 integrierten Lichtquelle 07 sind außerdem ein weiterer NIR-Spekralsensor sowie ein weiterer VIS-Sensor vorgesehen (nicht dargestellt). Der Messkopf besitzt somit insgesamt vier NIR- und zwei VIS-Sensoren. In einer alternativen Ausführungsform könnte beispielsweise ein 6 Kanal VIS/NIR-Spektrometer eingesetzt werden, welches die Funktionen der zuvor beschriebenen einzelnen Sensoren übernimmt.
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In einem abgewandelten Fall werden zur Verbesserung der Messergebnisse je Eintrittsfenster drei Spektralsensoren eingesetzt. Im Übrigen weist der Messkopf wiederum drei unterschiedliche optische Pfade für die Transmissionsmessung auf, gestattet eine Farbmessung durch Reflexionsmessung und ermöglich ebenfalls eine Referenzierung der Lichtquelle. Somit werden zur Realisierung des Messkopfes neun NIR-Spektralsensoren für die Transmissionsmessung, ein VIS-Sensor für die Farbmessung, sowie ein NIR-Spektralsensor und ein VIS-Sensor für die Referenzierung der Lichtquelle benötigt. Alternativ könnte z.B. ein 12 Kanal VIS/NIR-Spektrometer eingesetzt werden.
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In der praktischen Realisierung des Messkopfes ist es zweckmäßig, die optischen Beleuchtungs- und Eintrittsfenster durch eine ggf. mehrteilige Schutzscheibe mit Unterteilung durch z. B. Stege zu bilden, welche einen Gehäuseabschnitt bildet und die Messfläche definiert. Im einfachsten Fall wird eine gemeinsame Schutzscheibe für alle Fenster verwendet, was vor allem einen einfachen und preiswerten Aufbau begünstigt. Bei abgewandelten Ausführungsformen wird für jedes Beleuchtungs- und Eintrittsfenster eine separate Schutzscheibe eingesetzt. Dies bietet vor allem den Vorteil, dass kein Übersprechen zwischen den Fenstern zu befürchten ist. Denkbar sind auch Kombinationen aus den beiden vorgenannten Varianten.
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Die Schutzscheiben für Beleuchtungs- und Eintrittsfenster schützen die Optiken und sonstigen Elemente des Messkopfes vor Verschmutzung bzw. Beschädigung und gewährleisten einen optimalen Lichteintritt und Lichtaustritt. Dabei soll ein maximaler Lichtleitwert realisiert werden. Die geeignete Größe der Fenster resultiert aus der Struktur der zu untersuchenden Probe. Grobe Strukturen der Probe erfordern entsprechend größere optische Flächen. Eine konstante Breite des Steges zwischen den Beleuchtungs- und Eintrittsfenstern ist vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Es sind diverse Formgebungen für die Fenster möglich, z. B. Rechtecke, Kreise, Kreisabschnitte, Kreissegmente, Kreisringe oder Abschnitte von Kreisringen.
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Die Schutzscheiben können auf der zur Lichtquelle bzw. zu den Sensoren gerichteten Seite aus optischen Gründen eine plane, konkave, konvexe oder prismatische Form haben. Auf der zur Probe gerichteten Seite, also der Messfläche, können die Schutzscheiben eine plane, konkave, konvexe oder zylindrische Form haben, um an den Einsatzzweck bzw. die zu untersuchende Probe angepasst zu sein. In die Schutzscheiben können bei Bedarf optische Filter oder Blenden integriert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Messkopf
- 02
- Probe
- 03
- Gehäuse
- 04
- Messfläche
- 05
- Untersuchungsfläche
- 06
- -
- 07
- Lichtquelle
- 08
- Beleuchtungsfenster
- 09
- Transmissionslicht-Eintrittsfenster
- 10
- -
- 11
- optischen Pfade
- 12
- Spektralsensor
- 30
- Reflexionslicht-Eintrittsfenster
- 31
- Reflexionslichtsensor
