DE102018215641A1

DE102018215641A1 - Spektrometervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Spektrometervorrichtung

Info

Publication number: DE102018215641A1
Application number: DE102018215641.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Merz; Christian Huber; Christoph Daniel Kraemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-03-19
Also published as: FR3086056B1; FR3086056A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Spektrometervorrichtung (10) umfassend: eine Separationseinrichtung (1; 2) zur räumlichen und/oder zeitlichen Separation von Wellenlängen (λ1, ..., λn) eines einfallenden Lichts (L); eine Filtereinrichtung (3), deren Filterwirkung variabel ist, wobei ein von der Separationseinrichtung (1; 2) räumlich und/oder zeitlich in die Wellenlängen (λ1, ..., λn I) separiertes Licht auf die Filtereinrichtung (3) einstrahlbar ist; eine Detektoreinrichtung (4), mittels welcher eine Messgröße des Lichts von der Filtereinrichtung (3) detektierbar ist, wobei die Detektoreinrichtung (4) ein zeitlich variables und/oder räumliches spektrales Integrationselement (5) für die Messgröße umfasst, durch welches ein Integralwert der Messgröße erzeugbar ist; und eine Steuerungseinrichtung (SE), mittels welcher die Separationseinrichtung (1; 2) und die Filtervorrichtung (3) und die Detektoreinrichtung (4) steuerbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spektrometervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Spektrometervorrichtung.
Stand der Technik
In der optischen Spektroskopie gewähren übliche Monochromatoren und Spektrometer Möglichkeiten zur Untersuchung und Charakterisierung vielfältigster Proben. In der jüngeren Zeit ist ein Trend zu Miniaturisierung dieser typischerweise im Labor anzutreffenden Geräte festzustellen, bis hin zu Möglichkeiten der Integration solcher Geräte in Mobiltelefone. Um aus einfallendem Licht eine spektrale Information zu entziehen, sind im Grunde zwei gegensätzliche Ansätze zu unterscheiden, die sich hauptsächlich durch die Anzahl der zu verwendeten Detektoren unterscheiden. Der erste Ansatz entspricht dem räumlichen Multiplexing der Information gefolgt von der Aufnahme mit einem Mehrkanaldetektor. Ein Beispiel hierfür ist das klassische Laborspektrometer, bei dem das einfallende Licht über ein Gitter dispergiert werden kann, was dem räumlichen Multiplexing entspricht und dann von einem Mehrkanaldetektor, beispielweise einem Si-Imager (CCD oder CMOS) detektiert werden kann. In einem solchen Fall wird also die einfallende Information I(λ) auf eine Funktion I(x) abgebildet.
Eine weitere Möglichkeit zur Extraktion von Spektralinformationen aus einfallendem Licht ist das zeitliche Multiplexing, dies entspricht vorteilhaft der Anwendung eines Monochromators und einer sequentiellen Detektion bspw. mit einem Einkanaldetektor. Ein Beispiel für ein miniaturisiertes Spektroskopiesystem basierend auf diesem Prinzip kann mit einem durchstimmbaren Fabry-Perot Interferometer (FPI) gefolgt von einer Photodiode gebaut werden. Hierbei repräsentiert das FPI einen durchstimmbaren optischen Filter, der aus dem einfallenden Spektrum einen Teil ausschneiden und zu einem Detektor transmittieren kann. Das Multiplexing findet also zeitlich statt, das heißt die einfallende Information I(λ) wird auf eine Funktion I(t) abgebildet und kann durch einen bekannten Zusammenhang λ(t) auf das Spektrum zurückgerechnet werden. Systeme und Bauteile, die auf diesem Prinzip basieren, wurden bspw. in den Schriften JP 2015165266 A , US 9329360 , EP 2480867 A1 offenbart. Diese Technologien verwenden typischerweise Einkanaldetektoren und sind somit auch in anderen Spektralbereichen als dem siliziumtechnologisch erfassbaren Bereich
anwendbar. So sind InGaAs-Photodioden ideal, um im Nahinfrarot-Spektralbereich Licht zu detektieren. Durch die Tatsache, dass nur ein Einkanaldetektor verwendet werden, ist auch die Steigerung der Kosten im Vergleich zu Siliziumphotodioden vertretbar.
In der In WO 2015015493 A2 wird ein Spektrometer basierend auf einem linearvariablen Filter beschrieben, welches auf einer Richtungsrandomisierung einfallender Strahlung bei einem opt. Diffusor basiert, sowie auf der winkelabhängigen Transmission durch einen linearen Verlaufsfilter. Das transmittierte spektral sortierte Licht wird über ein Linsenarray auf einen Imager Chip abgebildet.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Spektrometervorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Spektrometervorrichtung nach Anspruch 9.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Spektrometervorrichtung anzugeben, welche vorteilhaft einen Integralwert, etwa für eine bestimmte Messgröße des Lichts, einer beliebig gewichteten Linearkombination von Wellenlängen eines einfallenden Spektrums messen kann. Vereinfacht lässt sich die Messwert I wie folgt darstellen (Spektrum S, Gewichtung G): $I = \int S (λ) * G (λ) d λ$
Die Erzeugung einer Linearkombination von Wellenlängen und einer zugehörigen Messung lässt sich vorteilhaft anhand von Baukomponenten (entsprechende Zusammenstellung von Hardware-Komponenten) der Spektrometervorrichtung realisieren. Des Weiteren kann eine verbesserte und vereinfachte Auswertung spektrometrischer Daten erfolgen. Bei der Spektrometervorrichtung kann es sich vorteilhaft um eine spektrale Vorrichtung im Allgemeinen Sinn handeln, also ist die Spektrometervorrichtung nicht notwendigerweise auf das Erstellen eines Spektrums beschränkt. Vorteilhaft kann die Spektrometervorrichtung dazu genutzt werden, aus einer ermittelten Verteilung der Gesamtintensität für die einzelnen Wellenlängen die zugehörigen Partialverteilungen (der Intensitäten) zu ermitteln.
Erfindungsgemäß umfasst die Spektrometervorrichtung eine Separationseinrichtung zur räumlichen und/oder zeitlichen Separation von Wellenlängen eines einfallenden Lichts; eine Filtereinrichtung, deren Filterwirkung variabel ist, wobei ein von der Separationseinrichtung räumlich und/oder zeitlich in die Wellenlängen separiertes Licht auf die Filtereinrichtung einstrahlbar ist; sowie eine Detektoreinrichtung, mittels welcher eine Messgröße des Lichts von der Filtereinrichtung detektierbar ist, wobei die Detektoreinrichtung ein zeitlich variables und/oder räumliches spektrales Integrationselement für die Messgröße umfasst, durch welches ein Integralwert der Messgröße erzeugbar ist; und eine Steuerungseinrichtung, mittels welcher die Separationseinrichtung und die Filtervorrichtung und die Detektoreinrichtung steuerbar sind.
Die Spektrometervorrichtung kann ein Mikrospektrometer umfassen oder darstellen.
Die Separationseinrichtung kann das einfallende Licht vorteilhaft in unterschiedliche Wellenlängen separieren, vorteilhaft räumlich an verschiedenen räumlichen Punkten unterschiedliche Wellenlängen abstrahlen, vorteilhaft gleichzeitig und zueinander versetzt bzw. in verschiedene Richtungen abstrahlen. Die Filtereinrichtung kann diese räumlich getrennten Wellenlängen vorteilhaft an deren jeweiligen (getrennten) Strahlengang auffangen. Die Filtereinrichtung kann beispielsweise eine Neutraldichtefiltereinrichtung umfassen. Die Filtereinrichtung kann vorteilhaft eine räumliche Ausdehnung aufweisen, so dass diese die vorteilhaft parallelen Strahlengänge der unterschiedlichen Wellenlängen von der Filtereinrichtung an räumlich versetzten Bereichen auffangen kann und dort mit einer vorteilhaft vorbestimmten Filterwirkung filtern kann. Die Filterwirkung kann für jede Wellenlänge eine vorbestimmte Gewichtung bei der Transmission der gefilterten Strahlung des Lichts der jeweiligen Wellenlänge erzeugen. Das einfallende Licht mit dessen elektromagnetischen Spektrum kann auch vorteilhaft in Intensitäten verschiedener Wellenlängenbereiche räumlich oder zeitlich separiert werden. Die Separationseinrichtung kann die unterschiedlichen Wellenlängen des einfallenden Lichts auch zeitlich versetzt und nacheinander auf die Filtereinrichtung strahlen, wobei allerdings keine räumliche Separation erfolgen muss, also Lichtkomponenten aller oder mancher Wellenlängen des einfallenden Lichts vorteilhaft in einem selben Strahlengang (räumlich an gleicher Position) nacheinander auf die Filtereinrichtung gestrahlt werden können. In diesem Fall ist vorteilhaft auch die Filtereinrichtung derart eingerichtet, dass diese eine Gewichtung der zu filternden Intensitäten im entsprechenden Wellenlängenbereich zeitlich versetzt erzielen kann. Die Gewichtung und die Separierung kann vorteilhaft durch die Steuereinrichtung gesteuert werden. Die Gewichtung kann vorteilhaft in jedem Zeitintervall anders gewählt werden. Des Weiteren kann bei der zeitlich versetzten Anwendung jedoch auch ein Filter mit einer gewichteten Charakteristik angewandt werden.
Eine Messung eines Integralwerts von gewichteten Linearkombinationen von Wellenlängen basiert vorteilhaft auf der Erkenntnis, dass zur chemometrischen/multivariaten/Machine Learning Auswertung von gemessenen Spektren (z.B. Reflektanz-, Transmittanz-, Absorbanzspektren) mittels einer Projektion des Spektrums auf die mittels Hauptkomponentenanalyse bestimmten Loadings ebensolche Integrale solcher gewichteten Linearkombinationen der gemessenen Daten gebildet werden können. Denkbar sind vorteilhaft alle möglichen Machine Learning Algorithmen, durch welche Variablen vorselektiert und gewichtet werden können.
Gegenüber üblichen Spektrometervorrichtungen kann hierbei vorteilhaft eine Reduktion der Messzeit und somit vorteilhaft ein schnelleres Abtasten bei gleichem Signal-zu-Rausch-Verhältnis oder eine Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei gleicher Messzeit erzielt werden. Des Weiteren ist es vorteilhaft möglich eine Verringerung für die Anforderung an die Hardware (Baukomponenten) zu erzielen, etwa betreffend die notwendige Datenaufnahme und Verarbeitung, resultierend in einem geringeren Stromverbrauch und/oder weniger Speicherplatz. Des Weiteren ist vorteilhaft eine Verwendung von Einzeldetektoren für alle Konzepttypen (Ausführungsformen oder Anwendungsfälle der Spektrometervorrichtung) möglich, sodass auch mechanisch statische Aufbauten, welche auf einem räumlichen Multiplexing der spektralen Information beruhen und somit einen Arraydetektor benötigen, in Spektralbereichen verwendet werden können, in denen solche Arraydetektor kostengünstig nicht erhältlich sind. Durch die Einzeldetektoren können vorteilhaft die Kosten gegenüber der Anwendung von Arraydetektoren verringert werden, insbesondere im infraroten Spektralbereich.
Das spektrale Integrationselement kann vorteilhaft ebenfalls eine räumliche und/oder zeitliche Variabilität aufweisen und kann vorteilhaft bei einer zeitlichen oder räumlichen Separation von Wellenlängen angewandt werden. Im Falle einer zeitlichen Variation kann das Integrationselement auch nur eine Routine zur Anpassung der Integrationszeit umfassen, da der Detektor selbst auch einen Integralwert messen kann. So kann das Integrationselement vorteilhaft ein von diesem erzeugtes Ausgangssignal über eine gegebene Integrationszeit integrieren.. Des Weiteren ist es möglich, dass das Integrationselement auch eine räumliche oder eine räumlich-zeitliche Integration durchführt. Diesbezüglich kann die Detektoreinrichtung, welche ein vom Integrationselement erzeugtes Ausgangssignal über eine gegebene Integrationszeit integrieren kann, vorteilhaft einem fokussierenden Element nachgeordnet sein, vorteilhaft im Brennpunkt einer Sammeloptik, beispielsweise einer Linse, angeordnet sein. Durch die Fokussierung können räumlich getrennte, und vorteilhaft gewichtet gefilterte, Wellenlängen auf einen engeren Raum konzentriert und integriert werden. Alternativ zur Detektoreinrichtung mit einem vorgestellten fokussierenden Element kann die Detektoreinrichtung selbst eine große Fläche (Ausdehnung) aufweisen, um die räumlich separierten Wellenlängen auffangen zu können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfasst diese eine Signalverarbeitungseinrichtung, mittels welcher der Integralwert verarbeitbar ist.
Die in den Spektren enthaltene Information kann ausgewertet werden und lässt vorteilhaft Rückschlüsse zu, etwa auf den Nährstoffgehalt in Nahrung, Materialidentifikation u.v.m. Dies geschieht im Regelfall algorithmisch unter der Verwendung chemometrischer Verfahren der Datenanalyse, beispielsweise einer Hauptkomponentenanalyse, einer linearen Diskriminanzanalyse, gefolgt von einer Regression oder einer Klassifikation (und anderen Machine Learning Methoden, zB. Neuronale Netze.). Diese Verfahren extrahieren aus der vollen Spektralinformation kleine, relevante Portionen und treffen ihre Aussagen anhand eben dieser kleinen Teile des Spektrums. Demnach kann auf den Großteil des aufgenommenen Spektrums vorteilhaft verzichtet werden und Messzeit gespart werden, da vorteilhaft nur die für die Algorithmen notwendigen Teile des Spektrums mit längerer Integrationszeit aufgenommen werden können anstatt dem gesamten Spektrum inklusive aller irrelevanten Bereiche. Mit anderen Worten wird anstatt einer multivariaten Größe, wie einer spektral aufgelösten Intensitätsverteilung, zur Auswertung lediglich eine niedrigdimensionale Größe benötigt, sodass auf die zusätzlichen Dimensionen vorteilhaft verzichtet werden kann.
Zur Verarbeitung kann beispielsweise eine Verrechnung des von der Detektoreinrichtung an die Signalverarbeitungseinrichtung übermittelten Signals, vorteilhaft des gemessenen Integralwerts, erfolgen. Hierbei können vorteilhaft sogenannte chemometrische Algorithmen zum Einsatz kommen, die aus einer multivariaten Größe die gesuchte Messgröße mittels eines Ergebnis aus einem Verfahren von Machine Learning (Methode maschinellen Lernens) berechnen können. Auch die Vorverarbeitungsschritte für komplexere Machine Learnung Algorithmen (z.B. Neuronale Netze) bestehen oft auf dimensionsreduzierenden Methoden (wie eine Hauptkomponentenanalyse), wo die obige Methode angewandt werden kann. Die Methode maschinellen Lernens findet dabei nicht beim Messen selbst statt, vielmehr im Vorfeld der Messung der Messgröße. Aus den im Vorfeld erzielten Ergebnissen des maschinellen Lernens kann dann eine entsprechend geänderte Verarbeitung der Messdaten erfolgen. Das Ergebnis eines maschinellen Lernvorgangs kann somit vorteilhaft direkt in der Hardware abgebildet sein und auf zeitlich zurückliegenden Lernprozessen basieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfasst die Separationseinrichtung ein Beugungsgitter, ein Array von statischen Fabry-Perot-Filtern bzw. allgemein Interferenzfiltern oder ein linear variables Filterelement.
Durch das Beugungsgitter, das Array von statischen Fabry-Perot-Filtern oder das linear variable Filterelement kann vorteilhaft eine räumliche Separation der Wellenlängen des einfallenden Lichts erfolgen. Hierbei handelt es sich vorteilhaft um mechanisch statische Konzepte (Komponenten).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfasst die Separationseinrichtung ein in Wellenlängen variables Fabry-Perot-Filter oder ein drehbares Beugungsgitter mit einem Spalt.
Durch das in Wellenlängen variable Fabry-Perot-Filter oder das drehbare Beugungsgitter mit einem Spalt kann vorteilhaft eine zeitliche Separation der Wellenlängen des einfallenden Lichts erfolgen. Hierbei handelt es sich vorteilhaft um mechanisch aktuierte Konzepte (Komponenten).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfasst die Filtervorrichtung ein Graufilterelement mit einer räumlich variablen Filterwirkung mit einem Array von Blenden mit unterschiedlichen Blendgrößen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfasst die Filtervorrichtung ein Graufilterelement mit einer zeitlich variablen Filterwirkung mit einer elektrisch ansteuerbaren Flüssigkristallzelle, einem Array von Spiegelprojektoren, einem Array von MEMS-Shuttern oder ein elektrisch ansteuerbares LCD Array.
Das Array von Spiegelprojektoren kann beispielsweise eine Mehrzahl von DLP-Spiegeln umfassen (Digital Light Processor). Der Wortlaut „Array“ kann im Rahmen dieser Beschreibung als Feld, Gruppe, Anordnung, jeweils einer Mehrzahl entsprechender Komponenten verstanden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung ist die Filtervorrichtung räumlich und/oder zeitlich variabel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometervorrichtung umfasst diese ein optisches fokussierendes Element, welches zwischen der Filtereinrichtung und der Detektoreinrichtung angeordnet ist.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer Spektrometervorrichtung ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Spektrometervorrichtung; ein räumliches und/oder zeitliches Separieren von Wellenlängen eines einfallenden Lichts durch die Separationseinrichtung; ein Filtern des räumlich oder zeitlich separierten Lichts mit der Filtereinrichtung; ein Detektieren einer Messgröße des gefilterten Lichts von der Filtereinrichtung durch die Detektoreinrichtung und ein Erzeugen eines Integralwerts der Messgröße durch das spektrale Integrationselement.
Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft auch durch die im Zusammenhang mit der Spektrometervorrichtung genannten Merkmale und Vorteile aus und umgekehrt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wendet das Integrationselement für die Detektorkänale der Detektoreinrichtung jeweils unterschiedliche oder gleiche Gewichtungen der Messgrößen zum Erzeugen des Integralwerts an.
Die Gewichtung bezieht sich vorteilhaft auf die Filterwirkung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Messgröße eine Intensität des Lichts in der detektierten Wellenlänge.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach dem Bereitstellen eine Referenzmessung mit einfallendem Licht einer bekannten Intensität und eine Dunkelmessung, wobei die Spektrometervorrichtung eine Referenzlichtquelle umfasst.
Die Referenzmessung wird vorteilhaft mit an einem Objekt reflektiertem Licht durchgeführt, wobei das Objekt von einer bekannten Lichtquelle (Referenzlichtquelle), vorteilhaft von der Spektrometervorrichtung selbst, angestrahlt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Integralwert durch die Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet und verrechnet und eine Methode maschinellen Lernens angewandt.
Die Spektrometervorrichtung kann dabei selbst ein Ergebnis einer Methode maschinellen Lernens darstellen und den gelernten Schritt am Messsignal anwenden.
Üblicherweise kann die Reflektivität R aus den ersten drei gemessenen Spektren errechnet werden, wobei R = (I_Sample - I_Dark)/(I_ref-I_Dark), wobei I_ref vorteilhaft die Referenzmessung und I_Dark die Dunkelstrommessung darstellt. I_Sample entspricht dabei der gemessenen Intensität bei einer Messung an der zu untersuchenden Probe.
Um den gesuchten Messwert eines Anwendungsfalles (etwa den Fettgehalt eines Käses) zu ermitteln, kann bei herkömmlichen Messungen ein wissenschaftliches Verfahren mit
Computerunterstützung genutzt werden: Es können sogenannte chemometrische Algorithmen zum Tragen kommen, die aus einer multivariaten Größe die gesuchte Messgröße mittels aus einem Verfahren von Machine Learning berechnen können. Dazu kann oft eine Achsentransformation der multidimensionalen Größe (des Reflektionsspektrums) durchgeführt und meist über eine Regression auf den Wert geschlossen werden. Letztlich kann ein unbekannter Wert „Score“, welcher dem gesuchten Messwert entspricht bzw. mit diesem in einem direkten Zusammenhang, z.B. einer Proportionalität steht, durch einen Skalarmultiplikation von Reflexionsspektrum und sogenanntem Loadingvektor berechnet werden, wobei Score = normalisiertes Spektrum × Loadingvektor. In den obigen Ausführungsformen kann vorteilhaft die Skalarmultiplikation entfallen und eine andere (deutlich einfachere) Berechnung genutzt werden. Das normalisierte Spektrum ist R = (ISample - IDark)/(Iref-IDark), als ein auf Intensität referenzierte und mit dem Hintergrund korrigiertes Spektrum der Reflexivität einer Probe.
Ohne Variation des Messabstandes kann die Berechnung auf folgenden Berechnung
zurückgeführt werden: Score = normalisiertes Spektrum × Loadingvektor= =((S - Smean)/σ - MC) ×L, wobei S das Spektrum ist,( im speziellen hier auch R);
Smean der Mittelwert des Spektrums ist; σ die Standardabweichung; MC der MeanCenter Vektor; und L der Loadingvektor.
Für Reflexionsmessung gilt vorteilhaft: S = (I - I_Dark)/(I_ref - I_Dark)=(R - R_Dark)/(R_ref - R_Dark).
Dies eingesetzt in die Gesamtgleichung (schon ausmultipliziertes Skalarprodukt) ergibt: Score = 1/σ S ×L - 1/σ Smean ×L - MC ×L= (nach Ausführung der Skalarmultiplikation und Ausklammern:)
= 1/σ Σ (IiLi/(I_ref,i-I_Dark,i )) - 1/σ Σ (I_dark,iLi/(I_ref,i-I_Dark,i))
-1/((σN) Σ Ii/(I_ref,i-I_Dark,i) Σ Lj - 1/((σN) Σ I_dark,i/(I_ref,i-I_Dark,i)) Σ (Lj
- (MC × L)).
Hierbei setzen sich vorteilhaft die vier Terme zur Berechnung aus folgenden Messungen zusammen: 1. Summand als I_sample mit Filter; 2. Summand als I_dark mit Filter; 3. Summand als Sample ohne Filter multipliziert mit einer bekannten Filtertransmission; und 4. Summand als I_Dark ohne Filter multipliziert mit einer bekannten Filtertransmission.
In einem einfachen Fall, bei denen die Messbedingungen konstant bleiben können (Abstand der Spektrometervorrichtung vom Objekt, Umgebungslicht, Lichtquelle) sind I_ref und I_Dark vorteilhaft konstant und auf diese Normierung kann in
erster Näherung verzichtet werden.
Das Signal errechnet sich dann wie folgt: $S c o r e = n o r m a l i s iertes Spektrum \times L o a d i n v e k t o r = ((S - S m e a n) - M C) \times L,$
wobei S = I = Σ IiLi - ΣIi ΣLj - (MC ×L).
Damit lässt sich der gesuchte Wert vorteilhaft aus der Addition von zwei Messungen berechnen, da der letzte Summand eine bekannte Konstante für ein gegebenes chemometrisches Modell sein kann. Soll eine Abstandsvariation realisiert werden, so muss die Standardabweichung σ zumindest näherungsweise berechnet werden. Hierzu kann man die Messung Nummer 4 durchführen (auch bei einzelnen Wellenlängen ohne einem Filterelement zu Messen). Ein enormer Zeit- und Kostenvorteil kann vor allem bei der Anwendung der obigen Ausführungsformen bei Fourier-Transform-Spektrometer zum Tragen kommen. Hierbei kann anstatt einer komplizierten Transformationsrechnung (Fouriertransformation) die Lösung direkt in Hardware bereitgestellt
werden.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Spektrometervorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung der Spektrometervorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 eine Transmission für die Filtereinrichtung in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Zeit; und
4 eine Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung der Spektrometervorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die Spektrometervorrichtung 10 umfasst vorteilhaft eine Separationseinrichtung 1 zur räumlichen Separation von Wellenlängen λ1, ..., λn eines einfallenden Lichts L; eine Filtereinrichtung 3, deren Filterwirkung variabel ist, wobei ein von der Separationseinrichtung 1 räumlich in die Wellenlängen λ1, ..., λn I separiertes Licht auf die Filtereinrichtung 3 einstrahlbar ist; eine Detektoreinrichtung 4, mittels welcher eine Messgröße des Lichts von der Filtereinrichtung 3 detektierbar ist, wobei die Detektoreinrichtung 4 ein zeitlich variables und/oder räumliches spektrales Integrationselement 5 für die Messgröße umfasst, durch welches ein Integralwert der Messgröße erzeugbar ist; und eine Steuerungseinrichtung SE, mittels welcher die Separationseinrichtung 1 und die Filtervorrichtung 3 und die Detektoreinrichtung 4 steuerbar sind. Insbesondere kann die Filterwirkung an räumlich verschiedenen Punkten der Filtereinrichtung gemäß einer Vorgabe steuerbar sein.
Die Spektromemtervorrichtung 10 umfasst vorteilhaft eine Signalverarbeitungseinrichtung 6, welche mit der Detektoreinrichtung 4 (5) verbunden sein kann und mittels welcher der Integralwert verarbeitbar sein kann. Die Spektrometervorrichtung 10 kann weiterhin ein optisches fokussierendes Element 7 umfassen, welches zwischen der Filtereinrichtung 3 und der Detektoreinrichtung 4 angeordnet sein kann und die Lichtintensitäten der verschiedenen separierten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche auf einen räumlich kleineren Bereich fokussieren kann, wodurch vorteilhaft die notwendige Größe der Detektoreinrichtung verringerbar sein kann.
Hier kann nun eine Gewichtung der einzelnen räumlich distanzierten Detektionskanäle über einen linear variablen Graufilter (Filtereinrichtung) realisiert werden. Ist dieser zusätzlich variabel einstellbar, so können verschiedene Gewichtungen
ermöglicht werden. Im rechten Bild ist eine räumliche Transmissionsfunktion (über eine Ausdehnung d der Filtereinrichtung) des Filters als Funktion TA „Loading“ skizziert. Je nach Wellenlänge kann so die Intensität individuell gewichtet werden um eine Extraktion der relevanten Informationen aus dem Gesamtspektrum zu erhalten. Ein danach aufgesammeltes Licht, vorteilhaft durch das optisch fokussierende Element 7 (meist mit einer Linse fokussiert; alternativ auch mittels eines Hohlspiegels), kann mit einem Detektor gemessen werden und vorteilhaft nur ein einziger Parameter, der dem Messwert entspricht, kann ausgelesen werden. Ein zusätzliches kompliziertes Verfahren zur Extraktion der Informationen kann hierbei entfallen.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Spektrometervorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In der Darstellung der 2 ist die Spektrometervorrichtung 10 aus der 1 dargestellt, allerdings ist hierbei die Separationseinrichtung 2 eine zeitliche Separationseinrichtung, welche eine zeitliche Separation von Wellenlängen λ1, ..., λn eines einfallenden Lichts L erzeugt (d.h. die vertikale Auftragung entspricht einem zeitlichen Ablauf), vorteilhaft in einem räumlich begrenzten Bereich, und die Filtereinrichtung 3, weist eine zeitliche Variabilität der Filterwirkung auf.
Hierbei wird das Licht nicht räumlich, sondern zeitlich aufgespalten. Die gedankliche zeitliche Achse ist im rechten Bild gezeigt. Das zeitlich aufgespaltene
Spektrum kann durch einen einstellbaren Filter zeitlich so gewichtet (gesteuert) werden, dass der Detektor wieder als Intensitätssumme direkt die gesuchte Größe ausgeben kann. Auch hier können weitere komplizierte elektronische Auswertungsverfahren oder Algorithmen/Software entfallen oder verringert werden. Diesmal variiert die Transmissionsfunktion TA vorteilhaft über die Zeit t.
3 zeigt eine Transmission für die Filtereinrichtung in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Zeit.
Gezeigt wird eine Transmission für die Filtereinrichtung (oben) sowie eine Transmissionswellenlänge der Separationseinrichtung (unten) in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Zeit.
Im Falle einer zeitlichen Variation der Filterwirkung der Filtereinrichtung kann die Transmission TA des Filters über die Zeit t entsprechend der Darstellung der 3 folgen. Prinzipiell ist es auch denkbar ein einziges konstantes Filterelement zu verwenden, welches selbst die wellenlängenabhängige Transmissionsfunktion TA des entsprechenden Loadings besitzen kann. Der Einsatz eines konstanten Filterelements hat den Vorteil, dass keine Modulation (Ansteuerung) des Filters nötig sein muss (weder zeitlich noch räumlich), jedoch kann ein exaktes Design (Ausformung) für solch ein Filterelement nötig sein. Des Weiteren kann die Anwendung in diesem Falle immer auf eine Messgröße und damit einen Anwendungsfall beschränkt sein.
Die variable Filtereinrichtung (zum Beispiel beim Einsatz eines Flüssigkristallpolarisator/ engl. Liquid Crystal Polarizer) bietet den Vorteil, beliebig viele Anwendungsfälle und damit Ermittlungsmöglichkeiten von Messgrößen in einem Bauteil realisieren zu können. Hier kann dann nur für die jeweilige Messgröße die relevante
Transmissionsfunktion TA hinterlegt sein und abgerufen werden.
Eine typische Messung kann nach folgendem Schema ablaufen und orientiert sich vorteilhaft an dem Ablauf typischer spektraler Reflexionsmessungen mit integrierter Lichtquelle:

1. Bestimmung von I_ref: Zuerst kann eine Referenzmessung mit einem Messstandard durchgeführt werden. Diese Messung wird oft als „Hellmessung“ bezeichnet. Die Messung stellt vorteilhaft sicher, dass die Reflektion eines zu messenden Objekts auf 1 normiert werden kann. Oft wird hier Teflon oder Spektraion als Messstandard genutzt, welches eine Reflektivität von nahezu konstant 1 aufweisen kann.
2. Bestimmung von I_Dark: Danach kann eine Messung zur Bestimmung der Dunkelintensität/Umgebungsintensität durchgeführt werden. Diese stellt vorteilhaft sicher, dass andere Einflussfaktoren außer der vom zu untersuchenden Objekt reflektierten Intensität gemessen werden können.
3. Bestimmung von I_Sample: Anschließend kann (nach erfindungsgemäßem Verfahren) die zu untersuchende Probe vermessen werden.
4. Des Weiteren kann es nützlich sein, auch bei einzelnen Wellenlängen ohne ein Filterelement zu Messen (siehe Verrechnung der Ergebnisse).
5. Am Ende können die Ergebnisse miteinander verrechnet werden.

4 zeigt eine Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Spektrometervorrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Spektrometervorrichtung; ein räumliches und/oder zeitliches Separieren S2 von Wellenlängen eines einfallenden Lichts durch die Separationseinrichtung; ein Filtern S3 des räumlich oder zeitlich separierten Lichts mit der Filtereinrichtung; und ein Detektieren S4 einer Messgröße des gefilterten Lichts von der Filtereinrichtung durch die Detektoreinrichtung und ein Erzeugen S5 eines Integralwerts der Messgröße durch das spektrale Integrationselement.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015165266 A [0003]
US 9329360 [0003]
EP 2480867 A1 [0003]
WO 2015015493 A2 [0004]

Claims

Spektrometervorrichtung (10) umfassend: - eine Separationseinrichtung (1; 2) zur räumlichen und/oder zeitlichen Separation von Wellenlängen (λ1, ..., λn) eines einfallenden Lichts (L); - eine Filtereinrichtung (3), deren Filterwirkung variabel ist, wobei ein von der Separationseinrichtung (1; 2) räumlich und/oder zeitlich in die Wellenlängen (λ1, ..., λn I) separiertes Licht auf die Filtereinrichtung (3) einstrahlbar ist; - eine Detektoreinrichtung (4), mittels welcher eine Messgröße des Lichts von der Filtereinrichtung (3) detektierbar ist, wobei die Detektoreinrichtung (4) ein zeitlich variables und/oder räumliches spektrales Integrationselement (5) für die Messgröße umfasst, durch welches ein Integralwert der Messgröße erzeugbar ist; und - eine Steuerungseinrichtung (SE), mittels welcher die Separationseinrichtung (1; 2) und die Filtervorrichtung (3) und die Detektoreinrichtung (4) steuerbar sind.
Spektrometervorrichtung (10) nach Anspruch 1, welche eine Signalverarbeitungseinrichtung (6) umfasst, mittels welcher der Integralwert verarbeitbar ist.
Spektrometervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Separationseinrichtung (1; 2) ein Beugungsgitter, ein Array von statischen Fabry-Perot-Filtern oder ein linear variables Filterelement umfasst.
Spektrometervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die zeitliche Separationseinrichtung (2) ein in Wellenlängen variables Fabry-Perot-Filter oder ein drehbares Beugungsgitter mit einem Spalt umfasst.
Spektrometervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Filtervorrichtung (3) ein Graufilterelemet mit einer räumlich variablen Filterwirkung mit einem Array von Blenden mit unterschiedlichen Blendgrößen umfasst.
Spektrometervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die Filtervorrichtung (3) ein Graufilterelemet mit einer zeitlich variablen Filterwirkung mit einer elektrisch ansteuerbaren Flüssigkristallzelle, einem Array von Spiegelprojektoren, einem Array von MEMS-Shuttern oder ein elektrisch ansteuerbares LCD Array umfasst.
Spektrometervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Filtervorrichtung (3) räumlich und/oder zeitlich variabel ist.
Spektrometervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welche ein optisches fokussierendes Element (7) umfasst, welches zwischen der Filtereinrichtung (3) und der Detektoreinrichtung (4) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Spektrometervorrichtung (10) umfassend die Schritte: - Bereitstellen (S1) einer Spektrometervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8; - räumliches und/oder zeitliches Separieren (S2) von Wellenlängen eines einfallenden Lichts (L) durch die Separationseinrichtung (1; 2); - Filtern (S3) des räumlich oder zeitlich separierten Lichts mit der Filtereinrichtung (3); - Detektieren (S4) einer Messgröße des gefilterten Lichts von der Filtereinrichtung (3) durch die Detektoreinrichtung (4) und Erzeugen (S5) eines Integralwerts der Messgröße durch das spektrale Integrationselement (5).
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Integrationselement (5) für die Detektorkänale der Detektoreinrichtung (4) jeweils unterschiedliche oder gleiche Gewichtungen der Messgrößen zum Erzeugen des Integralwerts anwendet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Messgröße eine Intensität des Lichts in der detektierten Wellenlänge umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem nach dem Bereitstellen (S1) eine Referenzmessung mit einfallendem Licht (L) einer bekannten Intensität und eine Dunkelmessung erfolgt, wobei die Spektrometervorrichtung (10) eine Referenzlichtquelle umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der Integralwert durch die Signalverarbeitungseinrichtung (6) verarbeitet und verrechnet wird und eine Methode maschinellen Lernens angewandt wird.