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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein System zur Detektion eines Messpunkts auf einer Probe.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Detektion eines Messpunkts auf einer Probe.
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Stand der Technik
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Sonden zur Untersuchung von Proben sind auf vielfältigen Gebieten bekannt. Beispielsweise werden im Bereich der Chemie oder Lebensmittelindustrie handführbare Sonden zur Analyse von Materialoberflächen, Kontaminationen oder dergleichen von Proben eingesetzt. Hierbei ist es erforderlich, die Position des Messpunkts der handführbaren Sonde genau zu kennen. Es ist bekannt geworden, die Position des Messpunkts einer Sonde auf der Probe mittels eines Kamerasystems zu ermitteln.
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Die Druckschrift US 2012 / 0 123 205 A1 offenbart Systeme und Methoden zur Bereitstellung anatomischer Echtzeitführung in einem diagnostischen oder therapeutischen Verfahren, in denen die Detektionseinrichtung eine Kamera ist.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein System zur Detektion eines Messpunktes auf einer Probe bereit, umfassend zumindest eine Projektionseinrichtung zur Projektion eines Projektionsstrahls zumindest einer Wellenlänge und zur Projektion
- eines Analysestrahls zumindest einer Wellenlänge auf einen Messpunkt auf einer Projektionsfläche der Probe, wobei die Probe und Projektionseinrichtung in einer festen Lage zueinander angeordnet sind, und wobei die Projektionseinrichtung ausgebildet ist, zeitsequentiell den Projektionsstrahl über die Projektionsfläche zu führen, eine bewegliche handführbare Sonde zur Aufnahme von reflektiertem Licht von der Probe,
- eine Detektionseinrichtung zur Detektion von reflektiertem Licht von der Probe mittels zumindest eines Detektors, und eine Auswerteeinrichtung, welche mit der Detektionseinrichtung verbunden ist, und die ausgebildet ist, das detektierte Licht zeitgenau zu erfassen und daraus die Position des Messpunkts auf der Probe zu ermitteln.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Detektion eines Messpunktes auf einer Probe bereit, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen einer Probe und einer Projektionseinrichtung in einer festen Lage zueinander,
- - Projizieren mittels der zumindest einen Projektionseinrichtung einen Projektionsstrahl zumindest einer Wellenlänge zeitsequentiell über eine Projektionsfläche auf der Probe,
- - Projizieren eines Analysestrahls zumindest einer Wellenlänge auf die Projektionsfläche der Probe,
- - Aufnehmen des von der Probe reflektierten Lichts mittels einer beweglichen handführbaren Sonde,
- - Detektieren mittels einer Detektionseinrichtung von reflektiertem Licht des Analysestrahls und von reflektiertem Licht des Projektionsstrahls,
- - Zeitgenaues Erfassen des reflektierten Lichts des Projektionsstrahls von der Probe mittels einer Auswerteeinrichtung, und
- - Ermitteln der Position des Analysestrahls auf der Probe anhand des erfassten Lichts des Projektionsstrahls von der Probe.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf eine aufwändige und teure Erfassung des Messpunktes mittels einer Kamera verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Flexibilität, da im Gegensatz zum Ermitteln des Messpunktes mit einer Projektionseinrichtung, keine Kalibrierung zwischen der Projektionseinrichtung und Sonde notwendig ist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Projektionseinrichtung zumindest eine Laserlichtquelle, wobei die Laserlichtquelle so ausgebildet ist, dass ein Projektionsstrahl mit zumindest zwei unterschiedlichen Wellenlängen bereitstellbar ist. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit der Projektionsstrahl mit einer Identifizierungswellenlänge und mit einer Markierungswellenlänge bereitgestellt werden kann, sodass beim Einsatz von mehreren unterschiedlichen Projektoren der Projektionseinrichtung jeder Projektionsstrahl eindeutig einem Projektor zugeordnet werden kann. Dies verbessert die Genauigkeit beim Ermitteln der Position des Messpunkts der Sonde.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Projektionsstrahl mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen derart bereitstellbar, dass zumindest eine der Wellenlängen im sichtbaren Wellenlängenbereich und zumindest eine der Wellenlängen im nicht-sichtbaren Bereich, insbesondere im Infrarotbereich, liegt. Vorteil hiervon ist, dass sich damit ein Markierungsprojektionsstrahl und ein Identifikationsprojektionsstrahl nicht störend aufeinander auswirken.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Sonde als Raman-Sonde ausgebildet und die Projektionseinrichtung weist eine Analyselichtquelle auf, die ausgebildet ist, den Analysestrahl mit zumindest einer Wellenlänge zur Anregung von Raman-Streuung in der Probe bereitzustellen. Damit lässt sich mittels der Auswerteeinrichtung und einer spektroskopischen Untersuchung auf Basis der Raman-Spektroskopie auf einfache und zuverlässige Weise eine Analyse der Probe, insbesondere eine Oberflächenanalyse, eine Kontaminationsanalyse oder dergleichen, bereitstellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Analyselichtquelle in der Sonde angeordnet und/oder weist die Sonde zumindest einen Detektor auf. Damit wird die Genauigkeit der Analyse mittels der Sonde noch weiter erhöht, da der Analyselichtstrahl direkt in kurzem Abstand zur Probe von der Sonde auf den Messpunkt projiziert wird und insbesondere anschließend das von der Probe reflektierte Licht mittels des Detektors in der Sonde detektiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Projektionseinrichtungen angeordnet, die ausgebildet sind, voneinander unterschiedliche Wellenlängen bereitzustellen. Damit wird die Genauigkeit bei der Ermittlung der Position des Messpunkts der Sonde weiter verbessert. Auch kann damit möglichen Abschattungseffekten oder dergleichen entgegengewirkt werden, wenn die Projektionseinrichtungen aus unterschiedlichen Richtungen auf die Probe einstrahlen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Detektionseinrichtung zumindest zwei Detektoren zur Detektion des reflektierten Lichts des Analyselichtstrahls einerseits und zur Detektion von reflektiertem Licht des Projektionsstrahls anderseits auf. Vorteil hiervon ist, dass damit abgestimmte Detektoren zur Verfügung gestellt werden können, welche die Genauigkeit beim Ermitteln der Position des Messpunkts weiter verbessern. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass damit auch die Analyse der Probe genauer durchgeführt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Sonde oder die Detektionseinrichtung eine Teilungseinrichtung auf zur optischen Trennung der Strahlenwege von reflektiertem Licht des Analysestrahls und des Projektionsstrahls. Auf diese Weise lässt sich eine kompakte Detektionseinrichtung oder Sonde zur Verfügung stellen, da zumindest teilweise gemeinsame Strahlenwege von Analysestrahl und Projektionsstrahl ermöglicht werden. Gleichzeitig bleibt die Genauigkeit hinreichend erhalten, da die Strahlenwege mittels der optischen Teilungseinrichtung wieder getrennt werden können und getrennt mittels geeigneter Detektoren detektiert werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine Kamera zur Erfassung von Markern auf der Probe und/oder von auf die Probe projizierten Projektionsmustern angeordnet, wobei die Kamera mit der Auswertungseinrichtung derart zusammenwirkt, sodass eine absolute Position des Messpunkts ermittelbar ist. Damit lässt sich nicht nur die Position des Messpunkts relativ zu den Projektionseinrichtungen ermitteln, sondern es ist ebenfalls möglich, eine absolute Position des Messpunkts im Raum zu ermitteln.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine Wiederholrate des Projektionsstrahls zur Beaufschlagung der Projektionsfläche mit dem Projektionsstrahl größer als eine Abtastrate des Analysestrahls. Damit wird eine hohe Genauigkeit bei der Ermittlung des Messpunkts erreicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, dass diese nach dem Ermitteln der Position des Projektionsstrahls und nach Analysieren der Probe anhand von reflektiertem Licht des Analyselichtstrahls basierend auf einem Ergebnis der Analyse der Probe, basierend auf dem Ergebnis diesem Bildinformationen zuordnet und diese die Projektionseinrichtung derart steuert, sodass diese die Bildinformationen mittels des Projektionsstrahls auf die Position des Messpunkts projiziert. Damit kann beispielsweise ein Nutzer der Sonde direkt visuell ein Ergebnis der spektroskopischen Analyse an dem jeweiligen Messpunkt wahrnehmen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt in schematischer Form
- 1 ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine Sonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 Teile eines Systems und eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 5 Teile eines Systems und eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 6 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Form ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Probe 11 gezeigt mit einer Projektionsfläche 32 für zwei Projektoren 20, 21, die einen Projektionsstrahl 30, 31 rasternd über die Projektionsfläche 32 führen. Der zweite Projektor 21 ist hier optional und mit unterbrochenen Linien dargestellt. Mittels einer Raman-Sonde 40 wird ein Analysestrahl 4a auf einen Messpunkt 10 auf der Projektionsfläche 32 projiziert, reflektiertes Licht von der Probe 11 aufgenommen und über eine Faseroptik 82 an einen Fotodetektor 5c zur Detektion weitergeleitet. Der Fotodetektor 5c ist mit einem Raman-Spektrometer 6 verbunden, welches das vom Fotodetektor 5c detektierte Licht des Analysestrahls 4a spektroskopisch analysiert. Das Raman-Spektrometer 6 ist weiter mit einer Auswerteeinrichtung in Form eines Computers 8 verbunden, der das analysierte Licht auswertet und ein Ergebnis auf einem Monitor 8a einem Nutzer zur Verfügung stellt. Weiterhin ist mit dem Computer 8 eine Kamera 9 verbunden, die eine Erfassung der Projektionsfläche 32 vornimmt. Das von den Projektoren 20, 21 projizierte Licht 30, 31 wird ebenfalls von der Probe 11 reflektiert und mit an den Projektoren 20, 21 angeordneten Fotodetektoren 5a, 5b jeweils detektiert.
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Mit anderen Worten wird mittels der Handheld-Raman-Sonde 40 lokal die Zusammensetzung an der Oberfläche der Probe 11 analysiert. Die Position des Messpunktes 10 auf der Probe 11 wird nicht mit der Kamera 9 ermittelt, sondern nach dem in der weiteren 4 beziehungsweise 5 beschriebenen Verfahren. Dabei ist es ausreichend, einen Projektor 20 zur Positionsbestimmung des Messpunktes 10 der Sonde 40 zu verwenden. Als Detektor kann alternativ zu den Fotodetektoren 5a, 5b zusätzlich der im optischen Pfad der Sonde integrierte Photodetektor 5c dienen. Als „Identifikationswellenlänge“ für den Projektionsstrahl 30 des Projektors 20 kann beispielsweise ein IR-Laser im Projektor 20 verwendet werden. Die chemische Zusammensetzung der Probe 11 am Ort des Messpunktes 10 der Sonde 40 wird mittels des Spektrometers 6 ermittelt und zusammen mit der zeitlich zugeordneten Projektor-Scanner-Position an den Computer 8 geleitet. Von dort wird der entsprechende Bildinhalt an den Projektor 20 geleitet, der zur optischen Markierung der Oberfläche der Probe 11 entsprechend der lokalen chemischen Information verwendet wird. Die zusätzliche Verwendung einer Kamera 9 ist optional und kann dazu verwendet werden, um eine exakte Sondenposition in Relation zum Projektionskoordinatensystem zu erhalten. Auch die Verwendung des angedeuteten weiteren Projektors 21 ist optional, und ermöglicht eine genauere Positionsbestimmung des Messpunktes 10.
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2 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 wird der Messpunkt 10 von einem Analysestrahl 4a eines Raman-Lasers 4 bestrahlt. Weiterhin sind zwei Projektionseinrichtungen 20, 21 angeordnet, die jeweils zum einen einen Identifizierungslaser 3a, 3b aufweisen und zum anderen einen Projektions-Laser-Scanner 2a, 2b. Die beiden Projektionseinrichtungen 20, 21 stellen jeweils entsprechende Teilprojektionsstrahlen 30a, 30b, 31a, 31b zur Verfügung, die insgesamt auf den Messpunkt 10 projiziert werden. Reflektiertes Licht wird über Filter 7a, 7b, 7c mittels Fotodetektoren 5a, 5b, 5c detektiert. Das reflektierte Licht des Analyselichtstrahls 4a wird - wie in 1 ausgeführt - dem Raman-Spektrometer 6 zugeführt. Das vom Raman-Spektrometer 6 zerlegte Licht wird zusammen mit den Intensitäten des über die weiteren Fotodetektoren 5a, 5b detektierten Lichts dem Computer 8 zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Weiterhin werden dem Computer 8 entsprechende Positionen des Projektionsstrahls 30a, 30b, 31a, 31b des Projektions-Laser-Scanner 2a, 2b übermittelt. Der Computer 8 ermittelt nun beispielsweise einen Farbcode entsprechend der Information der analysierten Probe 11 am Messpunkt 10 und übermittelt dem Projektions-Laser-Scanner 2a, 2b einen Farbcode, den der Projektor 2a, 2b auf den Messpunkt 10 projiziert.
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Somit treffen auf die Probe 11 im Bereich des Messpunkts 10 der Sonde 40 auf:
- i) fokussierte Laser-Strahlung 4a für Raman-Spektroskopie, zum Beispiel mit einer Wellenlänge im Bereich 785 nm,
- ii) ein kollimierter/fokussierter Identifizierungsstrahl 30a, 31a aus der Projektionseinrichtung 20, 21 mit Identifizierungswellenlänge zum Beispiel 850 nm und 870 nm,
- iii) und die sichtbare Markierungsstrahlung 30b, 31b des Projektions-Laser-Scanners 2a, 2b, die auf die Position des jeweiligen Identifizierungsstrahls 30a, 31a justiert ist.
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Nach der Streuung und Wechselwirkung mit der Probe 11 im Messpunkt 10 der Sonde 40 koppeln in den optischen Detektionspfad ein:
- i) Spektralbereich des Raman-Spektrums 4 nahe der Wellenlänge des Raman-Lasers 4,
- ii) Licht mit Identifikationswellenlängen, die mit einem Filter 7b, 7c vom Raman-Spektrum entkoppelt werden kann,
- iii) sichtbare Projektionsstrahlung 30b, 31b, die mittels Filtern geblockt werden kann.
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Die aus dem Raman-Spektrum ermittelte chemische Information c(t) wird nach Synchronisation mit dem Photostrom I1_pc(t) und der Projektionseinrichtung-Koordinate (x1(t), y1 (t)) durch einen Computer 8 einer Projektionskoordinate (x1, y1) zugeordnet und entsprechend c(x1, y1) mit einem Farbcode code1 (x1, y1) der Bildinformation für den Projektor 20, 21 hinzugefügt. Projektor 20, 21 projiziert die sichtbare Bildinformation mittels Projektionsstrahl 30b, 31b auf die Oberfläche der Probe 11.
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Werden zwei oder mehrere Projektionseinrichtungen 20, 21 verwendet, wird die zweite Identifikationswellenlänge des Projektionsstrahls 31a mittels eines zweiten Filters 7c vom gestreuten Licht getrennt und auf einen Photodetektor 5b geleitet, mit dessen Signal I2_pc(t) die Positionskoordinate für die zweite Projektionseinrichtung 21 ermittelt werden kann, zum Zeitpunkt, wenn der projizierte Identifikations-Laserstrahl 31a im Messfleck 10 der Sonde 40 erscheint. Dementsprechend kann der Projektionskoordinate des zweiten Projektionsstrahls 31a, 31b die entsprechende chemische Information zugeordnet werden. Somit kann mit der zweiten Projektionseinrichtung 21 mit seinem Projektionsbild anhand des Projektionsstrahls 31a, 31b aus anderer Perspektive als Projektionseinrichtung 20 dieselbe chemische Information c(t) dem Messpunkt 10 der Sonde 40 zugeordnet werden, jedoch unterscheiden sich die Koordinatensysteme der beiden Projektionseinrichtungen 20, 21.
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3 zeigt eine Sonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 3 ist eine Raman-Sonde 40 mit einer optischen Einrichtung zur Filterung und Auskopplung des Projektionsstrahls 30a zur Identifikation der Projektionseinrichtung 20 gezeigt. Die Raman-Sonde 40 umfasst dabei eine Kugellinse 41, die Licht vom Messpunkt 10 aufnimmt. Über einen dichromatischen Spiegel 42 erfolgt die Auskopplung von reflektiertem Licht des Projektionsstrahls 30a zur Identifikation. Über einen Spiegel 43, einen Bandpassfilter 44 und eine Plankonvex-Linse 47 wird das Licht dem Detektor 5a zugeführt. Nicht ausgekoppeltes Licht wird über einen Hochpassfilter 45 und eine weitere Plankonvex-Linse 46 dem Fotodetektor 5c zugeführt zur späteren Analyse mit dem Raman-Spektrometer 6.
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4 zeigt Teile eines Systems und eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 4 ist ein fotoempfindlicher Detektor 5b angedeutet, beispielsweise eine Fotodiode mit oder ohne Sammeloptik, die von der Oberfläche der Probe 11 zurückgestreutes Licht misst.
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Es entsteht ein zeitlich variierender Photostrom I_pc(t). Durch Synchronisationssignale kann der Photostrom I_pc(t) zu jedem Zeitpunkt einer Projektionskoordinate (x(t), y(t)) zugeordnet werden, wodurch ein Abbild der Reflektivität der mittels einer Raster-Laser-Scanning-Projektionseinrichtung 20 gescannten Fläche rekonstruiert werden kann. Damit lässt sich insbesondere ein Graustufenbild erzeugen, das einem Kamerabild aus der Perspektive der Projektionseinrichtung 20 entspricht. Dabei kann der Detektor 5b beliebig platziert werden, solange genügend Streustrahlung von jedem Bildpunkt erfasst werden kann. Bevorzugt wird der Detektor 5b innerhalb oder sehr nahe insbesondere in einem Abstand von <100 mm, vorzugsweise <10 mm von einem Projektionsaustrittsfenster der Projektionseinrichtung 20 angeordnet. Der Detektor 5b weist ein Field-of-View FOV 81 auf, das große Teile oder den gesamten Scan-Bereich der Projektionseinrichtung 20 einschließt. Hier ist der Detektor 5b innerhalb des Projektionsfeldes 83 positioniert und weist aufgrund seiner Empfängeroptik ein sehr kleines FOV 81 auf. In dieser Anordnung liefert der Detektor 5b einen geringen Photostrom I_pc(t), solange der gescannte Laserstrahl außerhalb des FOV 81 auf der Streufläche/Probenoberfläche auftritt. Zum Zeitpunkt t=t_0 streicht der Projektionsstrahl über das FOV 81 des Detektors 5b, was zu einem deutlichen Anstieg des Photostroms führt. Aus dem Zeitpunkt t_0, ermittelt aus dem Anstieg des Photostromes und der Kenntnis der Projektionseinrichtungskoordinate (x(t), y(t)) zu jedem Zeitpunkt t kann die Projektionseinrichtungskoordinate (x(t_0), y(t_0)) ermittelt werden, an der das FOV 81 mit seinem Detektor 5b platziert ist.
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5 zeigt Teile eines Systems und eines Verfahrens gemäß einer Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
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In 5 sind im wesentlichen Teile des Systems und des Verfahrens gemäß 4 zeigt. Im Unterschied zur 4 ist bei der 5 eine Anordnung gezeigt, bei der eine Detektion des Lichts über eine Fasersonde 40 erfolgt. Dabei ist der Detektor 5b räumlich getrennt von seiner FOV-Position, was beispielsweise durch eine Faseroptik 82 oder eine Fernrohroptik oder dergleichen erreicht werden kann. Aus dem deutlichen Signal I_pc(t) kann die Projektionseinrichtungskoordinate ermittelt werden, die im Bereich des FOV 81 der Fasersonde 40 liegt.
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6 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 6 ist ein Verfahren zur Detektion eines Messpunktes einer Probe gezeigt.
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Diese umfasst in einem ersten Schritt S1 ein Bereitstellen einer Probe 11 und einer Projektionseinrichtung 4, 20, 21 in einer festen Lage zueinander.
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In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Projizieren mittels der zumindest einen Projektionseinrichtung 4, 20, 21 eines Projektionsstrahls 30, 31 zumindest einer Wellenlänge zeitsequentiell über eine Projektionsfläche 32 auf der Probe 11.
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In einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Projizieren eines Analysestrahls 4a zumindest einer Wellenlänge auf die Projektionsfläche 32 der Probe 11.
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In einem vierten Schritt S4 erfolgt ein Aufnehmen des von der Probe 11 reflektierten Lichts mittels einer beweglichen handführbaren Sonde 40.
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In einem fünften Schritt S5 erfolgt ein Detektieren mittels einer Detektionseinrichtung 5a, 5b, 5c, 6 von reflektiertem Licht des Analysestrahls 4a und von reflektiertem Licht des Projektionsstrahls 30, 31.
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In einem sechsten Schritt S6 erfolgt ein zeitgenaues Erfassen des reflektierten Lichts des Projektionsstrahls 30, 31 von der Probe 11 mittels einer Auswerteeinrichtung 8.
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In einem siebten Schritt S7 erfolgt ein Ermitteln der Position des Analysestrahls 4a auf der Probe 11 anhand des erfassten Lichts des Projektionsstrahls 30, 31 von der Probe.
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In einem achten Schritt kann ein Analysieren der Probe 11 anhand des von der Probe 11 reflektierten Lichts des Analysestrahls 4a erfolgen.
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Zusammenfassend stellen eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung die folgenden Merkmale bereit oder ermöglichen die folgenden Vorteile:
- Eine oder mehrere Ausführungsformen nutzen das zeitsequentielle Schreibverfahren eines Laser-Scanning Projektors. Die Position des Laserstrahls kann durch einen Modulator - zum Beispiel einen MEMS Mikrospiegel oder dergleichen - zeitlich variiert werden. Der abgelenkte Laserstrahl kann zeitlich synchronisiert mit der Winkelposition eines hierfür vorgesehenen Modulators in Intensität und Wellenlängenzusammensetzung verändert werden. Der Laserstrahl rastert also mäanderförmig die Projektionsfläche 32 ab. Hiermit können pixelweise farbige Bildinhalte projiziert werden, aber auch Muster mit nicht-sichtbaren Wellenlängen pixelweise erzeugt werden.
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Dabei können ein oder mehrere zeitsequentielle Projektionseinrichtungen oder Projektoren 20, 21 auf eine zu untersuchende Probe 11 gerichtet werden. Ein Projektor 20, 21 kann den kollimierten oder fokussierten Strahl aus einer Lichtquelle mit mindestens einer Wellenlänge projizieren. Die Position des Projektors 20, 21 gegenüber der Probe 11 ist fest, solange die Analyse durchgeführt wird. Bevorzugt ist, dass mindestens eine nicht-sichtbare und mindestens eine sichtbare Wellenlänge genutzt werden, insbesondere Laserlicht mit 400-410 nm (violett), 440-470 nm (blau), 485-495 nm (türkis), 510-535 nm (grün) und 625-660 nm (rot), und Infrarot, zum Beispiel 830-850 nm, 940-960 nm, ca. 1300 nm und ca. 1550 nm. Die Strahlung des Projektors wirkt sich insbesondere nicht störend auf das Messsignal einer Sonde aus.
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Die mit dem Projektor 20, 21 beleuchtete Probe 11 wird mit einer lokal auflösenden Sonde 40 analysiert, zum Beispiel auf chemische Zusammensetzung, oder andere physikalische Parameter wie elektrisches Potential, Materialhärte, magnetische Eigenschaft, Vibrationsamplitude, Rauigkeit oder dergleichen.
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Insbesondere soll eine handgeführte Raman-Sonde 40 zur biochemischen Probenanalyse verwendet werden, um beispielsweise die Betroffenheit von Tumorzellen zu detektieren. Die Position der Sonde 40 wird gegenüber der Position des Projektors 20 verändert. In der Sonde 40 kann ein optisches Element vorgesehen sein, mit dem auch die Strahlung des Projektors 20, 21 erfasst werden kann, derart, dass die optische Detektion der Intensität zeitgenau erfasst wird. Das zeitsequentielle Signal eines Photodetektors 5a, 5b, 5c kann einer Winkelstellung beziehungsweise Bildposition des zeitsequentiellen Projektors 20, 21 zugeordnet werden. Das optische Element zur Erfassung der Projektorstrahlung ist dabei insbesondere so angeordnet, dass die Strahlungsmessung exakt oder sehr nahe dem Messpunkt 10 der Sonde 40 - die ja zur Messung einer physikalischen oder chemischen Eigenschaft der Probe 11 dient - erfolgt. Der Ort der Lichtstreuung beziehungsweise - einkopplung entspricht dem Messpunkt 10 der Sonde 40 auf der Probe 11. Das optische Element kann ein photonischer Detektor sein, aber auch eine diffraktive, refraktive oder reflektive Optik oder ein Lichtleiter, der die eingefangene Strahlung des Projektors 20, 21 zu einem photonischen Detektor führt.
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Mit anderen Worten koppelt das optische Detektionssystem 5c der Raman-Sonde 40 im Messpfad neben seiner Detektionsstrahlung auch Licht vom Projektor 20, 21 ein, wenn der Projektor 20, 21 einen Lichtpunkt auf die Probe 11 im Fokuspunkt der Detektionsoptik sendet. Diese Strahlung kann im optischen System der Raman-Sonde 40 durch geeignete Filter 7a, 7b, 7c von der Messstrahlung, Analyselichtstrahl 4a, getrennt werden und auf einen Foto-Detektor geführt werden. Das Signal des Detektors 5a, 5b wird zeitsynchronisiert mit der Winkelposition des zeitsequentiellen Laser-Scanning-Projektors 20, 21. Die Raman-Sonde 40 kann also zuordnen, in welchem Projektionspixel ihr aktueller Messpunkt 10 positioniert ist. Für eine hohe Positionsgenauigkeit ist vorteilhaft, dass die Wiederholrate des Bildaufbaus des Projektors höher als die dynamischen Zeitkonstanten der insbesondere handgeführten Abtastung der Probenoberfläche - insbesondere liegt diese bei ca. 25-100 Hz.
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Aus dem zeitlichen Verlauf des detektierten Projektorsignals im Messpfad der Sonde 40 kann eine genaue mittlere Positionskoordinate im Projektionsfeld ermittelt werden durch geeignete Algorithmen zur Analyse des Intensitätsverlaufs über mehrere Projektionspixel, Musterextraktion, etc. Es ist weiter vorteilhaft, dass besonders wenig Projektorstrahlung von außerhalb der Messposition der Sonde 40 zum Fotodetektor 5a, 5b, 5c gelangt.
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Die Erkennung der Scanner-Position im Messpunkt 10 der Sonde 40 kann anhand einer spezifischen Wellenlänge erfolgen, die dem gegebenenfalls sichtbaren Projektorspektrum, zum Beispiel Rot-Grün-Blau zugemischt ist. Beispielsweise kann ein RGB-IR Projektor, beispielsweise bei 950 nm Wellenlänge, verwendet werden. Die „Identifikations-Wellenlänge“ 950nm kann in der Raman-Sonde 40 vom Ramanspektrum getrennt und mittels des Fotodetektors 5a gemessen werden.
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Bei Verwendung von zwei oder mehreren Projektoren 20, 21 kann sich die „Identifikations-Wellenlänge“ für jeden Projektor 20, 21 unterscheiden. So kann das eingekoppelte Projektorsignal durch geeignete Filterung im Detektionspfad der Sonde 40 zu unterschiedlichen Detektoren 5a, 5b, 5c geführt werden. Hierdurch wird es möglich, zu unterscheiden, von welchem der zwei oder mehr Projektoren 20, 21 ein Pixel in der entsprechenden Koordinate in den Messpunkt 10 der Sonde 40 geleuchtet hat. Mehrere Projektoren 20, 21 können ebenfalls unterschieden werden, basierend auf der Nutzung eines hochfrequenten Trägersignals, das auf einem Farbkanal des Projektors 20, 21, zum Beispiel einem nicht-sichtbaren IR-Kanal, aufmoduliert wird. Die Modulation ist dabei charakteristisch für jeden einzelnen Projektor 20, 21. Durch Demodulation des eingekoppelten Signals im Detektionspfad der Sonde 40, kann erkannt werden, von welchem Projektor 20, 21 Strahlung eingefangen wurde und die entsprechende Projektionskoordinate ermittelt werden.
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Wie oben beschrieben, kann erkannt werden, wann Projektionsstrahlung von der Sonde 40 erfasst wird - damit kann ein chemisches/physikalisches Messergebnis im Messpunkt 10 der Sonde 40 einer Projektionskoordinate zugeordnet werden. Dem Messergebnis kann dann ein Farbwert zugewiesen und mittels des Projektors 20, 21 positionsexakt auf die Probe 11 projiziert werden. Die Genauigkeit der Position rührt daher, dass sie durch den Raster-Scanning-Projektor 20, 21 über den selben Pfad bestimmt wurde, wie die Projektion selbst erfolgt. Das Verfahren lässt eine hohe relative Positionsgenauigkeit zwischen Sonde 40 und Projektor 20, 21 zu. Pixel-Versatz aufgrund Justage-Toleranzen in der Lichtquelle zwischen den sichtbaren Farbkanälen und der unter Umständen unsichtbaren „Identifikationswellenlänge“ kann durch interne Bildbearbeitung der separaten Farbkanäle ausgeglichen werden, so dass es keinen Versatz zwischen Positionsdetektion und Bildprojektion gibt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das von der Probe 11 reflektierte Projektorlicht, umfassend ein oder mehrere Farbkanäle, von einem weiteren optischen Detektor zeitsynchron zur Projektorwinkelkoordinate erfasst, der beispielsweise neben dem Projektor positioniert ist und ein Field-of-View, FoV, aufweist, das mindestens den Scan-Bereich des Projektors betrachtet. Hierbei wird die Reflektivität der Probenoberfläche im Scan-Bereich pixelweise abgetastet. Es lässt sich ein Graustufenbild je Farbkanal, zum Beispiel Sichtbar, Infrarot, rekonstruieren - so entsteht ein „Kamerabild“ exakt aus der Perspektive des Projektors. Dieses Bild kann vorteilhaft genutzt werden, um die Qualität der Bildgebung beziehungsweise die Ortsauflösung des Projektors 20, 21 zu bewerten. Vor allem bei sehr flachem Projektionswinkel auf zum Beispiel dreidimensionalen steilen Stufen auf der Probenoberfläche entsteht eine deutliche Aufweitung des projizierten Pixels. Dort kann die Positionsbestimmung dann ungenau werden. Diese Bereiche können im „Kameramodus“ also dem Projektor mit Fotodetektor im oder nahe dem Projektor 20, 21 identifiziert werden, da sie sich durch geringe Reflektionsintensität beziehungsweise Schatten erkennen lassen. Erkennt ein Projektor 20, 21 im „Kamera-Modus“, dass die Sondenmessung in derartigen Bereichen erfolgt, sollte die Positionsbestimmung beziehungsweise Markierung des Probenbereiches durch einen anderen Projektor 20, 21 aus anderer Perspektive erfolgen, der im entsprechenden Bereich im Kamera-Modus keine Schatten aufweist. Im „Kamera-Modus“ können auch zusätzliche Marker, die auf der Probe 11 positioniert wurden, eingelesen werden zum Beispiel retroreflektive Aufkleber, Stiftmarkierungen, QR-Codes. Damit wird ein absolutes Maß auf der Probe 11 geschaffen, und die relative Position des Messpunktes 10 der Sonde 40 und des Projektionsbildes lässt sich am Objekt auf eine absolute Position „kalibrieren“. Ein anderes Verfahren, die relative Position mit einer absoluten Position auf der Probe 11 zu kombinieren, ist es, mit einer zusätzlichen Kamera 9 - absolute Darstellung - das Projektionsmuster zu erfassen und es können hierfür Justage-/Kalibriermuster auf der Probe 11 projiziert werden.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • Entfall einer aufwendigen und teuren Erfassung des Messpunktes mittels einer Kamera.
- • Hohe Flexibilität, insbesondere keine Kalibrierung zwischen der Projektionseinrichtung und Sonde notwendig.
- • Einfache, kostengünstige Implementierung.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
