-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer zum Analysieren eines Objekts und ein Verfahren zum Analysieren eines Objekts.
-
Stand der Technik
-
Spektrometer sind dazu ausgelegt, Lichtspektren zu analysieren. Da verschiedene chemische Elemente und Stoffe in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen Licht absorbieren und reflektieren, kann durch die Analyse des Wellenlängenspektrums die Materialzusammensetzung von Objekten bestimmt werden. Insbesondere können Verunreinigungen und Fremdstoffe anhand des Spektrums erkannt werden.
-
Aus der Druckschrift
EP 1 182 425 A1 ist eine beispielhafte Materialprüfvorrichtung bekannt, welche zur Bestimmung des Materials einer Prüffläche ausgelegt ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung stellt ein Spektrometer zum Analysieren eines Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Analysieren eines Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 bereit.
-
Demnach stellt die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Spektrometer zum Analysieren eines Objekts mit einer Sendeeinrichtung, einer Empfängereinrichtung und einer Steuereinrichtung bereit. Die Sendeeinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl auszusenden. Die Empfängereinrichtung ist dazu ausgebildet, den an dem Objekt reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und eine Messgröße auszugeben, wobei die Messgröße eine Signalstärke und/oder ein Signal-Rausch-Verhältnis umfasst. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, einen Betriebsparameter der Sendeeinrichtung und/oder der Empfängereinrichtung zu variieren, die entsprechenden von der Empfängereinrichtung ausgegebenen Messgrößen zu empfangen, und anhand der Abhängigkeit der Messgrößen von dem Betriebsparameter ein Hinweissignal zum Ändern der Messbedingungen an einen Benutzer des Spektrometers auszugeben.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Analysieren eines Objekts. In einem ersten Schritt wird ein Lichtstrahl mittels einer Sendeeinrichtung ausgesendet. Weiter wird der an dem Objekt reflektierte Lichtstrahl mittels einer Empfängereinrichtung empfangen und eine Messgröße ausgegeben, welche eine Signalstärke und/oder ein Signal-Rausch-Verhältnis umfasst. Ein Betriebsparameter der Sendeeinrichtung und/oder der Empfängereinrichtung wird variiert. Die entsprechenden von der Empfängereinrichtung ausgegebenen Messgrößen werden empfangen und ein Hinweissignal zum Ändern der Messbedingungen wird anhand der Abhängigkeit der Messgrößen von dem Betriebsparameter an einen Benutzer des Spektrometers ausgegeben.
-
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Vorteile der Erfindung
-
Spektrometer werden zurzeit hauptsächlich von speziell ausgebildetem Fachpersonal eingesetzt. Um die Verwendung des Spektrometers auch einem breiten Publikum zu ermöglichen, muss die Bedienbarkeit der Spektrometer verbessert werden. Erfindungsgemäß werden die Signalstärke und/oder das Signal-Rausch-Verhältnis analysiert und ein entsprechendes Hinweissignal wird ausgegeben. Dadurch erhält der Benutzer des Spektrometers nützliche Hinweise, anhand derer er beispielsweise die Ausrichtung des Spektrometer verändern kann, um die Signalstärke bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
-
Gemäß einer Weiterbildung des Spektrometers umfasst das Variieren eines Betriebsparameters das Variieren einer Brennweite, Position und/oder Öffnungsweite einer Blende der Sendeeinrichtung und/oder der Empfängereinrichtung. So kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung durch Variieren von Betriebsparametern an der Blende den von der Sendeeinrichtung abgetasteten Bereich variiert, und entsprechend die Signalstärke und/oder das Signal-Rausch-Verhältnis über den abgetasteten Bereich erfasst. Das Spektrometer kann dem Benutzer über das Hinweissignal mitteilen, ob durch Variieren der Betriebsparameter bereits ausreichend gute Messbedingungen erzielbar sind. Ist dies nicht der Fall, so kann das Hinweisssignal eine Aufforderung an den Benutzer umfassen, durch Ändern der Ausrichtung des Spektrometers die Messbedingungen zu verbessern.
-
Gemäß einer Weiterbildung gibt die Steuereinrichtung das Hinweissignal aus, falls die Messgrößen außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen. Beispielsweise wird das Hinweissignal ausgegeben, falls die Signalstärke kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert und/oder falls das Signal-Rausch-Verhältnis kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Der Benutzer wird somit über unzureichende Messbedingungen informiert und kann durch Variation der Ausrichtung des Spektrometers versuchen, die Messbedingungen zu verbessern. Dadurch wird auch einem ungeübten Benutzer die Verwendung des Spektrometers erleichtert.
-
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, den Betriebsparameter in einem Parameterbereich zu variieren, ein Maximum der Messgrößen zu bestimmen, und das Hinweissignal auszugeben, falls das Maximum für einen Randwert des Parameterbereichs auftritt. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, einen abgetasteten Bereich, welchen die Empfängereinrichtung analysiert, zu variieren, beispielsweise durch Ändern von Blendeneinstellungen einer Blende der Empfängereinrichtung und/oder der Sendeeinrichtung. Für den abgetasteten Bereich werden die Signalstärke und/oder das Signal-Rausch-Verhältnis gemessen. Falls diese ein Maximum am Rande des Parameterbereichs aufweisen, so impliziert dies, dass durch eine Veränderung der Ausrichtung des Spektrometers die Signalstärke bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis weiter verbessert werden können. Das Hinweissignal weist den Benutzer hierauf hin, sodass dieser die Ausrichtung des Spektrometers entsprechend anpassen kann.
-
Gemäß einer Weiterbildung kann durch Variation des Betriebsparameters ein Raumwinkelbereich variiert werden, welcher mittels des Lichtstrahls abgetastet wird. Das Hinweissignal umfasst eine Information bezüglich eines Teilbereichs des Raumwinkelbereichs, welcher demjenigen Betriebsparameter entspricht, für welchen das Maximum auftritt. So kann der Benutzer vorzugsweise aufgefordert werden, die Ausrichtung des Spektrometers derart zu verändern, dass dieser Teilbereich des Raumwinkelbereichs in Richtung eines Zentrums des getasteten Raumwinkelbereichs verschoben wird. Vorzugsweise wird dies so lange durchgeführt, bis das Maximum in einem inneren Bereich des getasteten Raumwinkelbereichs auftritt. Dadurch kann erreicht werden, dass ein globales Maximum der Signalstärke auch tatsächlich messbar ist. Die Genauigkeit des Spektrometers wird dadurch verbessert.
-
Der Randbereich des Raumwinkelbereichs entspricht hierbei vorzugsweise einem Randwert des Parameterbereichs. Falls der Parameter beispielsweise ein Aussendewinkel des abgetasteten Bereichs ist, so entspricht der Randbereich des Raumwinkelbereichs den maximalen Aussendewinkeln.
-
Gemäß einer Weiterbildung des Spektrometers umfasst das Hinweissignal ein Vibrationssignal und/oder ein optisches Signal und/oder ein Leuchtsignal.
-
Das Hinweissignal kann von dem Maximum der Signalstärke und/oder des Signal-Rausch-Verhältnisses abhängen. So kann das Signal umso stärker, beispielsweise umso lauter oder heller sein, je geringer die Signalstärke oder das Signal-Rausch-Verhältnis sind. Überschreiten die Signalstärke und/oder das Signal-Rausch-Verhältnis jeweilige vorgegebene Schwellenwerte, so wird vorzugsweise kein Hinweissignal mehr ausgegeben, sodass der Benutzer erkennt, dass die Messbedingungen nun ausreichend sind.
-
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Variieren eines Betriebsparameters das Variieren einer Brennweite, Position und/oder Öffnungsweite einer Blende der Sendeeinrichtung und/oder der Empfängereinrichtung.
-
Figurenliste
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Spektrometers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht einer Sendeeinrichtung eines Spektrometers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine Illustration einer Messgröße in Abhängigkeit von einem Aussendewinkel des Lichtstrahls für verschiedene Szenarien; und
- 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Analysieren eines Objekts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Spektrometers 1 zum Analysieren eines Objekts 7 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. Das Spektrometer 1 kann ein selbstständiges Gerät sein. Das Spektrometer 1 kann jedoch auch zur Verwendung für ein Handheldgerät, beispielsweise für ein Smartphone, ausgebildet sein. Das Spektrometer 1 kann dazu ausgebildet sein, mit dem Handheldgerät verbunden zu werden, beispielsweise über eine Hülle zum Aufnehmen des Handheldgeräts. Das Spektrometer 1 kann jedoch auch in das Handheldgerät integriert sein. Das Spektrometer 1 kann auch über eine drahtlose Verbindung mit dem Handheldgerät verbunden sein.
-
Das Spektrometer 1 umfasst eine Sendeeinrichtung 2, welche dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl L auszusenden. Die Sendeeinrichtung 2 kann eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht mit einem breiten Wellenlängenspektrum umfassen, insbesondere von weißem Licht. Die Sendeeinrichtung 2 kann weiter mindestens ein Filter umfassen, welches dazu ausgebildet ist, bestimmte Wellenlängenbereiche des ausgesendeten Lichtstrahls L durchzulassen bzw. zu absorbieren oder zu reflektieren. Das Spektrometer 1 umfasst weiter eine Empfängereinrichtung 3, welche dazu ausgebildet ist, den an dem Objekt 7 reflektierten Lichtstrahl L zu empfangen und eine Messgröße auszugeben.
-
Die Messgröße umfasst eine Signalstärke und/oder ein Signal-Rausch-Verhältnis. Die Empfängereinrichtung 3 kann eine Detektoroberfläche aufweisen, welche das Auftreffen des Lichtstrahls L detektiert und ein Signal in Abhängigkeit von einer Lichtstärke des empfangenen Lichtstrahls L ausgibt. Die Empfängereinrichtung 3 kann weiter dazu ausgebildet sein, das Spektrum des empfangenen Lichtstrahls L zu analysieren. Die Empfängereinrichtung 3 kann jedoch auch dazu ausgebildet sein, die Messgröße über eine Datenverbindung, vorzugsweise über eine drahtlose Datenverbindung, an eine Auswerteeinrichtung zu übermitteln, welche Teil des Spektrometers sein kann oder auch eine externe Einrichtung sein kann. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, anhand eines Spektrums des Lichtstrahls L eine Materialeigenschaft, Verunreinigungen oder weitere Eigenschaften des Objekts 7 zu bestimmen.
-
Das Spektrometer 1 umfasst weiter eine Steuereinrichtung 4, welche dazu ausgebildet ist, einen Betriebsparameter der Sendeeinrichtung 2 und/oder der Empfängereinrichtung 3 zu variieren. So umfasst das Spektrometer 1 einen Aktuator 5, mit einem Sendeeinrichtungsaktuator 51, welcher Teil der Sendeeinrichtung 2 ist, und einem Empfängereinrichtungsaktuator 52, welcher Teil der Empfängereinrichtung 3 ist. Der Sendeeinrichtungsaktuator 51 kann beispielsweise eine Blende mit einer variablen Brennweite und/oder Position und/oder Öffnungsweite umfassen. Weiter kann der Sendeeinrichtungsaktuator 51 mindestens eine Linse umfassen, wobei durch eine Variation von Parameterwerten der Linse, beispielsweise einer Brennweite der Linse oder einer Position der Linse bzw. eines Spiegels, eine Aussenderichtung des ausgesendeten Lichtstrahls L verändert werden kann.
-
In 2 ist die Sendeeinrichtung 2 in einer Querschnittsansicht detaillierter dargestellt. In 2 ist ein Aussendewinkel α des von der Sendeeinrichtung 2 ausgesendeten Lichtstrahls L eingezeichnet, gemessen relativ zu einer zentralen optischen Achse X. Der Aussendewinkel α kann durch Ansteuern des Sendeeinrichtungsaktuators 51 durch die Steuereinrichtung 4 innerhalb eines Winkelbereichs [-β, β] variiert werden
-
Der Steuereinrichtungsaktuator 51 ist somit dazu ausgelegt, eine Aussenderrichtung bzw. einen Aussendewinkel α des von der Sendeeinrichtung 2 ausgesendeten Lichtstrahls L zu variieren. Der Aussendewinkel α stellt hierbei einen Betriebsparameter der Sendeeinrichtung 2 dar.
-
Während in 2 ein einzelner Aussendewinkel α illustriert ist, so kann gemäß weiteren Ausführungsformen der Lichtstrahl L auch entlang einer weiteren Ebene variiert werden, so dass mittels des Lichtstrahls L ein Raumwinkelbereich getastet werden kann.
-
Der Empfängereinrichtungsaktuator 52 kann ebenfalls mindestens eine Blende und/oder Linse umfassen, wobei eine Brennweite, Position und/oder Öffnungsweite der mindestens einen Blende und/oder der mindestens einen Linse von der Steuereinrichtung 4 angesteuert und variiert werden kann. Der Empfängereinrichtungsaktuator 52 ist dadurch dazu ausgelegt, einen abgetasteten Raumwinkelbereich, aus welchem die Empfängereinrichtung 3 Lichtstrahlen detektiert, zu variieren. Insbesondere wird ein Auftreffwinkel des reflektierten Lichtstrahls L von der Steuereinrichtung 4 eingestellt. Der Auftreffwinkel stellt hierbei einen Betriebsparameter der Empfängereinrichtung 3 dar.
-
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Aktuator 5 auch nur einen Sendeeinrichtungsaktuator 51 oder nur einen Empfängereinrichtungsaktuator 52 umfassen.
-
Die Steuereinrichtung 4 ist dazu ausgelegt, die Betriebsparameter kontinuierlich oder in diskreten Schritten zu variieren. Während des Variierens sendet die Sendeeinrichtung 2 kontinuierlich bzw. ebenfalls in diskreten Schritten den Lichtstrahl L aus und die Empfängereinrichtung 3 empfängt den reflektierten Lichtstrahl L und gibt die Messgröße aus. Die Steuereinrichtung 4 ist dazu ausgebildet, anhand der ausgegebenen Messgröße einen Verlauf der Messgröße in Abhängigkeit von dem Betriebsparameter zu bestimmen.
-
Beispielsweise bestimmt die Steuereinrichtung 4 die Signalstärke und/oder das Signal-Rausch-Verhältnis als Funktion des Aussendewinkels α bzw. des Auftreffwinkels.
-
Die Steuereinrichtung 4 ist dazu ausgebildet, anhand der Abhängigkeit der Messgrößen von dem Betriebsparameter ein Hinweissignal zum Ändern der Messbedingungen an den Benutzer des Spektrometers 1 auszugeben.
-
In 3 ist die Signalstärke I als Funktion des Aussendewinkels α illustriert. Die Steuereinrichtung 4 ist dazu ausgebildet, ein Maximum der Signalstärke I als Funktion des Aussendewinkels α zu bestimmen. Hierbei können verschiedene Szenarien auftreten.
-
Eine erste Kurve I1 zeigt eine Abhängigkeit der Signalstärke I von dem Aussendewinkel α, wobei ein Maximum I1max bei einem Aussendewinkel β1 auftritt, welcher im Inneren des Parameterbereichs [-β, β] für den Aussendewinkel α liegt. Die Steuereinrichtung 4 stellt somit fest, dass der Betriebsparameter, für welchen die Signalstärke I ein Maximum annimmt, kein Randwert des Parameterbereichs ist. Weiter liegt das Maximum I1max über einem vorgegebenen Schwellenwert Is. Die Steuereinrichtung 4 wird somit kein Hinweissignal ausgeben. Die Steuereinrichtung 4 kann jedoch auch ein Hinweissignal ausgeben, welches den Benutzer in Kenntnis setzt, dass die Messbedingungen hinreichend gut sind.
-
In einem zweiten Szenario tritt das Maximum der Signalstärke als Funktion des Aussendewinkels α ebenfalls für einen Winkel β2 auf, welcher keinem Randwert des Parameterbereichs [-β, β] entspricht, wie in einer zweiten Kurve I2 illustriert. Die maximale Signalstärke I2max ist jedoch kleiner als der vorgegebene Schwellenwert Is. Die Steuereinrichtung 4 ist daher dazu ausgelegt, ein Hinweissignal auszugeben. Das Hinweissignal kann eine Information bezüglich der maximalen Signalstärke I2max umfassen und kann den Benutzer informieren, dass die Signalstärke nicht ausreicht, um ausreichend gute Messungen durchzuführen. Der Benutzer kann dann beispielsweise aufgefordert werden, das Spektrometer 1 näher in Richtung des zu messenden Objekts 7 zu bewegen.
-
In einem dritten Szenario weist der Verlauf 13 der Signalstärke I als Funktion des Aussendewinkels α ein Maximum I3max für den maximalen Aussendewinkel β auf. Das Maximum der Signalstärke I tritt somit für einen Aussendewinkel α auf, welcher einem Randwert des Parameterbereichs [-β, β] entspricht. Die Steuereinrichtung 4 ist daher dazu ausgebildet, ein Hinweissignal auszugeben, welches den Benutzer informiert, dass die Messbedingungen nicht optimal sind. Die Steuereinrichtung 4 kann dazu ausgebildet sein, dem Benutzer anzuzeigen, dass dieser die Ausrichtung des Spektrometers 1 derart verändern soll, dass die zentrale optische Achse X in Richtung positiver Aussendewinkel α gedreht wird, für welchen das Maximum auftritt. Die für den jeweiligen maximalen Aussendewinkel β gemessene Signalstärke I wird sich anfangs erhöhen, bis ein globales Maximum der Signalstärke I erreicht wird. Dadurch wird der Benutzer angeleitet, das Spektrometer korrekt auszurichten.
-
Zur Ausgabe des Hinweissignals weist das Spektrometer 1 eine Ausgabeeinrichtung 6 auf. Die Ausgabeeinrichtung 6 kann dazu ausgebildet sein, ein Vibrationssignal und/oder ein optisches Signal und/oder ein Leuchtsignal auszugeben. Vorzugsweise wird basierend auf der maximalen Signalstärke I eine Signalstärke des Hinweissignals variiert. Beispielsweise kann eine Stärke der Vibration oder eine Lichtstärke oder Frequenz einer Anzeige variiert werden. Beispielsweise kann die Ausgabeeinrichtung 6 mindestens eine LED umfassen, wobei bei ausreichenden Messbedingungen mindestens eine LED grün leuchtet, während bei mangelnder Signalstärke I oder bei einer maximalen Signalstärke für einen Randwert des Parameterbereichs mindestens eine LED rot leuchtet. Weiter kann eine Vielzahl von LEDs vorhanden sein, wobei die Anzahl der leuchtenden LEDs die Qualität der Messbedingungen anzeigt. Das Hinweissignal kann auch ein akustisches Signal umfassen, beispielsweise eine Mitteilung „drehe nach rechts“, welche den Benutzer auffordert, das Gerät zur Verbesserung der Messbedingungen nach rechts zu kippen.
-
Die Anzeigeeinrichtung 6 kann auch Bestandteil eines Handheldgerätes sein, beispielsweise eines Smartphones. So kann eine bereits vorhandene vibrierende Einheit oder das Display des Handheldgeräts zur Erzeugung des Vibrationssignals oder zur Ausgabe des optischen Signals verwendet werden.
-
Weiter kann die Anzeigeeinrichtung 6 eine Lichtquelle umfassen, welche das zu untersuchende Objekt 7 anstrahlt. Eine Farbe, mit welcher das Objekt 7 angestrahlt wird, oder eine Frequenz, mit welcher das Objekt 7 angestrahlt wird, können von der Messgröße abhängen. Je größer beispielsweise die maximale Signalstärke I ist, desto höher ist die Frequenz des anstrahlenden Lichts.
-
4 zeigt ein Flussdiagramm zu Erläuterung eines Verfahrens zum Analysieren eines Objekts 7.
-
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Lichtstrahl L mittels einer Sendeeinrichtung 2 ausgesendet.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird der an dem Objekt 7 reflektierte Lichtstrahl L mittels einer Empfängereinrichtung 3 empfangen und eine Messgröße wird ausgegeben. Die Messgröße umfasst eine Signalstärke und/oder ein Signal-Rausch-Verhältnis. Die Sendeeinrichtung 2 und die Empfängereinrichtung 3 können wie oben beschrieben ausgebildet sein.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird ein Betriebsparameter der Sendeeinrichtung 2 und/oder der Empfängereinrichtung 3 variiert. Insbesondere können die Sendeeinrichtung 2 und/oder die Empfängereinrichtung 3 einen oben beschriebenen Sendeeinrichtungsaktuator 51 und/oder Empfängereinrichtungsaktuator 52 umfassen. Das Variieren des Betriebsparameters kann insbesondere das Variieren einer Brennweite, Position und/oder Öffnungsweite einer Blende und/oder Linse und/oder Spiegel der Sendeeinrichtung 2 und/oder der Empfängereinrichtung 3 umfassen.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt S4 werden die entsprechenden von der Empfängereinrichtung 3 ausgegebenen Messgrößen empfangen.
-
In einem Verfahrensschritt S5 wird ein Hinweissignal zum Ändern der Messbedingungen anhand der Abhängigkeit der Messgrößen von dem Betriebsparameter an einen Benutzer des Spektrometers 1 ausgegeben. Wie oben beschrieben, kann das Hinweissignal ausgegeben werden, falls ein Maximum der Signalstärke kleiner ist als ein vorgegebener Wert. Weiter kann ein Hinweissignal ausgegeben werden, falls ein Maximum der Signalstärke für einen Randwert eines Parameterbereichs auftritt, in welchem der Betriebsparameter variiert wird. Das Hinweissignal kann wie oben beschrieben ein Vibrationssignal, ein optisches Signal und/oder ein akustisches Signal umfassen.
-
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
-
