DE102019205512A1

DE102019205512A1 - Vorrichtung und verfahren zur auswertung von spektralen eigenschaften eines messobjekts

Info

Publication number: DE102019205512A1
Application number: DE102019205512.5A
Authority: DE
Inventors: Reinhard März; Gustav Müller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: US10481000B2; DE102019205512B4; US20190316964A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Auswertung von spektralen Eigenschaften eines Messobjekts (1). Sie umfasst eine Vielzahl von Lichtemissionseinheiten (2-1, 2-2, 2-2, ... 2-K), wobei jeder Lichtbeitrag einer Emissionseinheit mit einem vorbestimmten Emissionsspektrum emittiert wird und jede Emissionseinheit einen entsprechenden Ausgang aufweist, der zum Emittieren des Lichts mit dem vorbestimmten Emissionsspektrum auf das Messobjekt (1) hin konfiguriert ist, einen optischen Spektrographen (3) mit einem Eingangstor (40), der zum Empfangen von Licht vom Messobjekt (1) geeignet ist, einer Beugungseinheit (3-1), die zum Verteilen verschiedener Wellenlängen des empfangenen Lichts auf verschiedene Ausgangstore (41-1, 41-2, .... 41-N)) geeignet ist, die optische Detektoren umfassen, wobei die Beugungseinheit (3-1) angepasst ist, um das empfangene Licht auf die jeweiligen Ausgangstore (41-1, 41-2, ... 41-N) zu verteilen, so dass die Lichtbeiträge in dem jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweisen, und eine Signalidentifikationseinheit (6), die angepasst ist, um zu identifizieren, welche der Lichtemissionseinheiten zu dem jeweiligen Licht in den jeweiligen Ausgangstoren beitragen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf die Spektroskopie, insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren unter Verwendung eines Spektrographen mit einer Vielzahl von Lichtemissionseinheiten, die sequentiell oder gleichzeitig betrieben werden, um den Spektralbereich des Spektrographen bei einer gegebenen spektralen Auflösung zu erweitern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein Ziel der optischen Spektroskopie ist es, den Spektralgehalt von elektromagnetischer Strahlung zu bestimmen, nachdem sie mit einem Material oder einer Probe von Interesse in Wechselwirkung getreten ist. Typische wellenlängenabhängige Wechselwirkungen sind Reflexion, Streuung sowie Absorption und Transmission.
Gängige Instrumente im Stand der Technik werden in zwei allgemeine Klassen eingeteilt: Spektrographen und Spektrometer. Ein Spektrograph verteilt ein Spektrum in einem Schritt und erfasst es mit einem mehrkanaligen optischen Detektor, z.B. einem Fotodiodenarray oder einer CCD-Kamera. Ein Spektrometer hingegen scannt das Spektrum mechanisch oder elektronisch und erfasst die Reaktion sequentiell mit einem einzigen optischen Detektor (D. W. Ball, „Field Guide to Spectroscopy“, SPIE Press, 2006) .
Die Realisierung von Spektrographen umfasst typischerweise dispersive Elemente, wie z.B. Prismen, Reflexions- oder Transmissionsgitter oder Wellenleiterarraygitter. Aktuelle Erkenntnisse über Spektrometer basieren in der Regel auf der Überlagerung von Licht, z.B. mit Michelson-, Fabry-Perot-, Mach-Zehnder-Kopplern oder Interferometern.
Aktuelle fortschrittliche Spektrometer können mehrere 1000 Kanäle mit einer spektralen Auflösung in der Größenordnung von 1 nm trennen. Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FT-IR) auf Basis von Michelson-Interferometern entspannen die Anforderungen an die Abmessungen der Eingangsschlitze und erreichen damit höhere optische Leistungen am Ausgang (Jacquinot-Vorteil). Um den Signal-Rausch-Abstand weiter zu erhöhen, werden mehrere Scans durchgeführt (Fellgett-Vorteil). Die spektrale Auflösung jedoch ist abhängig von der optischen Wegdifferenz und damit von der Verschiebungslänge des beweglichen Spiegels. Hochauflösende Instrumente erfordern eine große Verschiebungslänge und die zugleich erforderliche mechanische Präzision, Stabilität und Zuverlässigkeit stellen einen wichtigen Kostenfaktor dar, der den Einsatz von FT-TR-Spektrometern auf hochwertige Laborgeräte beschränkt. Darüber hinaus erfordert der sequentielle Messmodus für hochauflösende Spektren lange Messzeiten in der Größenordnung von Minuten.
Die Messzeit von Spektrographen wird dagegen nur durch die Ansprechzeit des mehrkanaligen optischen Detektors und der nachfolgenden elektronischen Schaltung begrenzt. Viele Spektrographen sind mechanisch robust, da sie keine beweglichen Teile aufweisen. Im Allgemeinen ist ihre spektrale Auflösung durch die Anzahl der gleich großen Wellenlängenkanäle begrenzt. Obwohl es sich hierbei nicht um eine physische Grenze handelt, verursacht das Verschieben dieser Grenze schnell zunehmende technische Schwierigkeiten und Kosten. Darüber hinaus reagieren Spektrographen im Vergleich zu FT-IR-Spektrometern empfindlicher auf das thermische Rauschen der Detektoren.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die die oben beschriebenen Nachteile umgehen, insbesondere die langen Messzeiten und hohen Kosten von FT-IR-Spektrometern, sowie die begrenzte spektrale Auflösung konventioneller Spektrographen.
LÖSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt nach einem Aspekt eine Messvorrichtung zum Ermitteln der spektralen Eigenschaften eines Messobjekts bereit, umfassend eine Vielzahl von Lichtemissionseinheiten, von denen jede Licht mit einem vorbestimmten Emissionsspektrum emittiert und einen entsprechenden Ausgang aufweist, der zum Emittieren des Lichts mit dem vorbestimmten Emissionsspektrum auf das Messobjekt konfiguriert ist, einen optischen Spektrographen mit einem Eingangstor, der geeignet ist, Licht von dem Messobjekt zu empfangen, eine Beugungseinheit, die geeignet ist, verschiedene Wellenlängen des empfangenen Lichts auf verschiedene Ausgangstore zu verteilen, die die optischen Detektoren umfassen, wobei die Beugungseinheit geeignet ist, das empfangene Licht auf die jeweiligen Ausgangstore zu verteilen, so dass die Lichtbeiträge in dem jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweisen, und eine Signalidentifikationseinheit, die geeignet ist, zu identifizieren, welche der Lichtemissionseinheiten zu dem jeweiligen Licht in den jeweiligen Ausgangstoren beitragen.
Die Erfindung gemäß einem anderen Aspekt stellt ein Verfahren zum Ermitteln der spektralen Eigenschaften eines Messobjekts bereit, umfassend die folgenden Schritte: Emittieren von Lichtbeiträgen mit vorbestimmten Emissionsspektren durch eine Vielzahl von Lichtemissionseinheiten auf das Messobjekt, Richten der Lichtbeiträge vom Messobjekt auf einen optischen Spektrographen, Verteilen von unterschiedlichen Wellenlängen des vom Messobjekt empfangenen Lichts durch einen optischen Spektrographen mit einer Beugungseinheit auf verschiedene Ausgangstore, so dass die Lichtbeiträge im jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweisen, Erfassen der Lichtbeiträge durch optische Detektoren an den Ausgangstoren, und Identifizieren der Lichtbeiträge durch eine Signalidentifikationseinheit, die zu dem jeweiligen Licht in den jeweiligen Ausgangstoren beitragen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die unter „LÖSUNG DER ERFINDUNG“ aufgeführten Verbesserungen für die Lösung der unter „AUFGABE DER ERFINDUNG“ aufgeführten Aufgabe einen N-Kanal-Spektrographen mit K-Lichtemissionseinheiten im vollständig simultanen Messmodus als effektiven K*N-Spektrographen arbeiten lassen. Vorteile der Vorrichtung (und damit des Verfahrens) gemäß der Erfindung bestehen darin, dass sie

• die gleiche Größe wie ein Spektrograph mit N-Kanälen hat;
• die gleiche Messgeschwindigkeit wie ein Spektrograph mit N-Kanälen hat;
• die Variation der Kanalpositionen und Bandbreiten über den Spektralbereich ermöglicht, um die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zu erfüllen;
• ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis bietet;
• kostengünstiger als herkömmliche Lösungen ist, solange der optische Aufbau die Gerätekosten dominiert; und
• mechanisch robuster ist als herkömmliche Lösungen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt. Bevor jedoch auf eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eingegangen wird, werden nachstehend einige weitere, allgemeinere Aspekte der Erfindung betrachtet.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die geeignet ist, um die Vielzahl von Lichtemissionseinheiten zu steuern, die die Lichtbeiträge zeitlich versetzt auf das Messobjekt emittieren. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Kosten für elektronische Schaltungen minimiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die geeignet ist, um die Vielzahl von Lichtemissionseinheiten zu steuern, um Licht auf das Messobjekt gleichzeitig zu emittieren. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Messzeit minimiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Signalidentifikationseinheit ein N-Kanal Heterodynempfänger. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Steuereinheit und die Signalidentifikationseinheit vollständig entkoppelt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Vorrichtung lichtemittierende Einheiten, die geeignet sind, Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen zu emittieren, die den Beugungsordnungen der Beugungseinheit entsprechen. Dies hat den weiteren Vorteil der technischen Einfachheit und der optimalen Nutzung des Gerätes. Darüber hinaus ermöglicht dieser Aspekt den Einsatz eines einzigen Wellenleiterarraygitters (Arrayed-Waveguide-Grating, AWG) in verschiedenen Wellenlängenbereichen und reduziert so die Herstellungskosten.
Nach noch einem weiteren Aspekt kann die Beugungseinheit ein Wellenleiterarraygitter sein. Dies hat den weiteren Vorteil, dass Wellenleiterarraygitter problemlos in hohen Beugungsordnungen betrieben werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt können die lichtemittierenden Einheiten eine oder mehrere sein, die aus einer Gruppe bestehend aus LEDs (Light Emitting Diodes), IREDs (Infrared Emitting Diodes), einer RCLEDs (Resonant Cavity Light Emitting Diodes), ELEDs (Edge Emitting LEDs), SLEDs (Superluminescent LEDs), Halbleiterlasern und VCSELn (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ausgewählt werden. Dies hat den weiteren Vorteil, dass in jedem Wellenlängenbereich das optimale Element in Bezug auf geringen Platzbedarf, geringen Stromverbrauch und niedrigen Kosten verwendet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Lichtidentifikationseinheit eine Vielzahl von Verstärkern. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Messzeit minimiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Vorrichtung einen oder mehrere Verstärker, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Lock-in-Verstärkern, Boxcar-Verstärkern und Korrelatoren. Dies hat den weiteren Vorteil, dass das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert wird.
Nach einem weiteren Aspekt können die lichtemittierenden Einheiten Licht im nahen Infrarotbereich emittieren. Dies hat den weiteren Vorteil, dass das Gerät für die Chemometrie eingesetzt werden kann.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Aspekt können bei dem obigen Verfahren die Lichtstrahlen aus der Vielzahl von Lichtemissionseinheiten zeitlich versetzt auf das Messobjekt ausgestrahlt werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Kosten für elektronische Schaltungen minimiert werden.
Nach noch einem weiteren Aspekt werden bei dem obigen Verfahren die Lichtbeiträge aus der Vielzahl von Lichtemissionseinheiten gleichzeitig auf das Messobjekt abgestrahlt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Messzeit minimiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird bei dem obigen Verfahren die Verstärkung unter Verwendung eines Lock-in-Verstärkers durchgeführt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt werden bei dem obigen Verfahren die Lichtbeiträgen aus der Vielzahl von Lichtemissionseinheiten in verschiedenen Wellenlängenbereichen emittiert, die den Beugungsordnungen der Beugungseinheit entsprechen. Dies hat den weiteren Vorteil, dass mindestens ein Teil der Hardware des Gerätes gemeinsam genutzt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt werden bei dem obigen Verfahren die Lichtbeiträge der lichtemittierenden Einheiten im nahen Infrarotbereich emittiert. Dies hat den weiteren Vorteil, dass das Verfahren für die Chemometrie eingesetzt werden kann.
Darüber hinaus stellt die Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt eine Messvorrichtung zum Ermitteln der spektralen Eigenschaften eines Messobjekts bereit, umfassend eine Lichtemissionseinheit, die dazu geeignet ist, Licht mit einem vorbestimmten Emissionsspektrum zu emittieren und eine entsprechende Ausgabe aufweist, die dazu geeignet ist, das Licht mit dem vorbestimmten Emissionsspektrum auf das Messobjekt zu emittieren, einen optischen Spektrographen mit einem Eingangstor, der dazu geeignet ist, Licht vom Messobjekt zu empfangen, und einer Beugungseinheit, die dazu geeignet ist, verschiedene Wellenlängen des empfangenen Lichts auf verschiedene Ausgangstore mit optischen Detektoren zu verteilen, wobei die Beugungseinheit dazu geeignet ist, das empfangene Licht auf die jeweiligen Ausgangstore in unterschiedlichen Wellenlängen und Beugungsordnungen zu verteilen.
Darüber hinaus stellt die Erfindung nach noch einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Ermitteln der spektralen Eigenschaften eines Messobjekts dar, umfassend die folgenden Schritte: Emittieren von Licht mit einem vorbestimmten Emissionsspektrum durch eine Lichtemissionseinheit auf das Messobjekt, Richtendes Lichts vom Messobjekt auf einen optischen Spektrographen, Verteilen des Lichts vom Messobjekt über einen optischen Spektrographen, durch den optischen Spektrographen mit einer Beugungseinheit, wobei das empfangene Licht auf entsprechende Ausgangstore des Spektrographen in verschiedenen Wellenlängen und Beugungsordnungen verteilt wird, Erfassen der Lichtbeiträge durch optische Detektoren an den Ausgangstoren, Identifizieren der emittierten Lichtbeiträge in den Ausgangstoren durch eine Signalidentifikationseinheit.
Auch wenn nur eine Emissionseinheit verwendet wird, besteht der Vorteil der erfinderischen Vorrichtung und des Verfahrens darin, dass sie jeweils

• Kanalpositionen der Emissionseinheit in benachbarten Beugungsordnungen ermöglicht;
• ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis bietet;
• kostengünstiger als herkömmliche Lösungen ist, solange der optische Aufbau die Gerätekosten dominiert; und
• mechanisch robuster als herkömmliche Lösungen ist.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf ihre vorteilhaften Ausführungsformen und mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Diese Zeichnungen, in denen sich gleichartige Bezugszeichen auf identische oder funktional ähnliche Elemente in den einzelnen Ansichten beziehen, sind zusammen mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in die Spezifikation integriert und bilden einen Teil derselben, um Ausführungsformen von Konzepten, die die beanspruchte Erfindung beinhalten, weiter zu veranschaulichen und verschiedene Prinzipien und Vorteile dieser Ausführungsformen zu erläutern.
Figurenliste
Zu den Zeichnungen zeigen:

1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
2 eine Realisierung der Vorrichtung mit Lock-in-Verstärkern;
3 die Teile der N-Kanal-Signalidentifikationseinheit;
4 eine weitere Realisierung der Vorrichtung der Erfindung unter Verwendung von Lock-in-Verstärkern;
5 eine Realisierung der Vorrichtung unter Verwendung der N-Kanal-Heterodyndetektion;
6 zeigt die Teile einer Heterodyndetektionseinheit, die in der Vorrichtung in 5 verwendet werden;
7 die Spektren der Emissionseinheiten und die optimale Zuordnung zu den entsprechenden Beugungsordnungen (Wellenlängen nicht maßstabsgetreu der Vorrichtung nach der Erfindung);
8 einen optischen Spektrographen auf der Grundlage eines Wellenleiterarraygitters gemäß der Erfindung;
9 die Anordnung der Emissionseinheiten ohne (a) und mit Faserpigtail, (b) und (c);
10 eine Realisierung der Empfangseinheit 40 des Spektrographen für Reflexionsmessungen;
11 ein Flussdiagramm einer ersten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung;
12 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung;
13 ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung; und
14 die Beziehung zwischen Wellenlänge und Beugungsordnung für ein Wellenleiterarraygitter.

Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden erkennen, dass die Elemente in den Figuren einfach und klar illustriert sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt werden. So können beispielsweise die Abmessungen und Positionen einiger der Elemente in den Figuren im Vergleich zu anderen Elementen übertrieben sein, um das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verbessern. Die Anordnungs- und Verfahrenskomponenten wurden soweit geeignet durch herkömmliche Symbole in den Zeichnungen dargestellt, die nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung relevant sind, um die Darstellung nicht durch Details zu verdecken, die für Durchschnittsfachleute offensichtlich sind.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie weiter unten erläutert, besteht das Prinzip der vorliegenden Erfindung - kurz zusammengefasst - darin, den Spektralbereich eines bekannten Spektrographen bei einer gegebenen spektralen Auflösung zu erweitern, indem eine oder mehrere Emissionseinheiten mit unterschiedlichen Emissionsspektren verwendet werden und der Spektrograph in einer Vielzahl von Beugungsordnungen betrieben wird.
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevor die offenbarten Ausführungsformen der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, muss klar gestellt werden, dass sich die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der jeweiligen Anordnungen beschränkt, da die Erfindung in anderen Ausführungsformen realisierbar ist. Darüber hinaus dient die hier verwendete Terminologie der Beschreibung der Erfindung und nicht deren Einschränkung.
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Vorrichtung 100 gemäß der Erfindung zur Auswertung der spektralen Eigenschaften eines Messobjekts 1. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Vorrichtung 100 eine Vielzahl von Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K, die jeweils Licht mit einem vorbestimmten Emissionsspektrum emittieren und einen entsprechenden Ausgang aufweisen, der zum Emittieren des Lichts mit dem vorbestimmten Emissionsspektrum auf ein Messobjekt 1 konfiguriert ist. Ein optischer Spektrograph 3 weist ein Eingangstor 40 zum Empfangen von Licht vom Messobjekt 1 und eine Beugungseinheit 3-1 zum Verteilen verschiedener Wellenlängen des empfangenen Lichts auf verschiedene Ausgangstore 41-1, 41-2, .... 41-N mit optischen Detektoren auf. Das vom Messobjekt 1 empfangene Licht kann transmittiertes oder reflektiertes Licht sein. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein Steuergerät zur Steuerung der lichtemittierenden Einheiten, z.B. zu deren Modulation.
Die Beugungseinheit 3-1 verteilt gemäß ihrer Auslegung das empfangene Licht auf die jeweiligen Ausgangstore 41-1, 41-2, 41-2, ... 41-N so, dass die Lichtbeiträge im jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweisen. In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gilt: K=2 und N=3 (siehe das nachstehende Beispiel). Weiter bevorzugt, für weitere typische Arbeitsbeispiele, gilt N=2 bis 10 und K=8 bis 128. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Erfindung keinesfalls auf diese Zahlen beschränkt ist. Im Allgemeinen kann N größer als K sein, N kann kleiner als K sein oder K kann gleich N sein, abhängig von der gewünschten Anwendung. Die Anzahl der N und K ist daher abhängig von der betrachteten Anwendung.
Die Eigenschaft, dass das Licht im jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweist, kann aus den folgenden physikalischen Prinzipien verstanden werden. Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge X und der Beugungsordnung m wird durch die Gittergleichung $d_{in} + Λ sin θ = m λ$
bestimmt, die auf J. Fraunhofer zurückgeht, „Kurzer Bericht von den Resultaten neuerer Versuche über die Gesetze des Lichtes und der Theorie derselben“, Ann. d. Phys. 74, 337-378 (1823). 14 veranschaulicht die Anwendung auf ein Wellenleiterarraygitter. Der Beugungsbereich ist ein Schichtwellenleiter 3-10 vor den Ausgangstoren 41-1, 41-2, .... 41-N, wobei Λ die Gitterkonstante und d_in die optische Wegdifferenz der Lichtbeiträge von benachbarten ankommenden Streifenwellenleitern sind. Der Beugungswinkel θ_41-1 bezeichnet den Winkel zwischen der Mitte und dem Ausgangstor 41-1. Dementsprechend zeigen die Beugungswinkel θ_41-1 , θ_41-2 , ... θ_41-n auf die Ausgangstore 41-1, 41-2, 41-2, .... 41-N. Für die Beugungsordnung m werden Lichtbeiträge mit den Wellenlängen λ_m,41-1 , λ_m,41-2 , ... λ_m,41-N zu den Ausgangstoren 41-1, 41-2, ... 41-N gerichtet.
Für zwei verschiedene Beugungsordnungen l und m werden die Wellenlängen des auf die Ausgangstore 41-1, 41-2, ... 41-N gerichteten Lichts dann durch die folgenden Gleichungen beschrieben, die sich aus der Gittergleichung ableiten lassen, wenn die Dispersion vernachlässigt wird: $\begin{array}{l} l λ_{l,41 - 1} = m λ_{m,41 - 1} \\ l λ_{l,41 - 2} = m λ_{m,41 - 2} \\ \dots \\ l λ_{l,41 - N} = m λ_{m,41 - N} \end{array}$
Diese Eigenschaften lassen einen N-Kanal-Spektrographen mit K-Lichtemissionseinheiten, die auf die Beugungsordnungen abgebildet sind, als effektiven K*N-Spektrographen arbeiten. Die Vorrichtung der Erfindung verwendet vorteilhaft Spektrographen, die in hohen Beugungsordnungen arbeiten können, wie beispielsweise Wellenleiterarraygitter (Arrayed-Waveguide-Gratings, AWGs). Sie hat die gleiche Größe wie ein konventioneller Spektrograph mit N-Kanälen. Das Gerät ist deutlich kostengünstiger und auch mechanisch robuster als herkömmliche Lösungen.
Ein einfaches numerisches Beispiel mit K=2 Lichtemissionseinheiten und N=3 Ausgangstoren veranschaulicht die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung. In diesem Beispiel beträgt die Mittenwellenlänge der ersten Lichtemissionseinheit 1500 nm und das Array-Wellenleitergitter arbeitet in der 31. Beugungsordnung für diese Lichtemissionseinheit. Die Mittenwellenlänge der zweiten Lichtemissionseinheit beträgt 1550 nm und das Wellenleiterarraygitter arbeitet für diese Lichtemissionseinheit gemäß den obigen Gleichungen in der 30. Beugungsordnung. Wenn die spektralen Breiten der Lichtemissionseinheiten unter 50 nm liegen, existiert das Licht der ersten Emissionseinheit nur in der 31. Beugungsordnung und das Licht der zweiten Emissionseinheit nur in der 30. Beugungsordnung, wie in 7 dargestellt. Wenn das Wellenleiterarraygitter so konstruiert ist, dass die den Ausgangstoren 41-1, 41-2 und 41-3 zugeordneten Wellenlängen für die erste Emissionseinheit 1480 nm, 1500 nm, 1520 nm sind, sind die den Ausgangstoren 41-1, 41-2 und 4-3 zugeordneten Wellenlängen gemäß den obigen Gleichungen für die zweite Emissionseinheit 1529,3 nm, 1550 nm, 1570,6 nm, d.h. das Licht am Ausgangstor 41-1 hat eine Wellenlänge von 1480 nm von der oder bezogen auf die erste Emissionseinheit und 1529,3 nm von der oder bezogen auf die zweite Emissionseinheit. Licht am Ausgangstor 41-2 hat eine Wellenlänge von 1500 nm von der oder in Bezug auf die erste Emissionseinheit und 1550 nm von der oder in Bezug auf die zweite Emissionseinheit. Licht am Ausgangstor 41-3 hat eine Wellenlänge von 1520 nm von der oder in Bezug auf die erste Emissionseinheit und 1570,6 nm von der oder in Bezug auf die zweite Emissionseinheit.
Dieses Beispiel veranschaulicht, was mit der Aussage gemeint ist, dass „das Licht im jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweist“, nämlich dass jedes Ausgangstor einen Lichtbeitrag von jeder Lichtemissionseinheit erhält (im obigen Beispiel weist jedes der drei Ausgangstore 41-1, 41-2, 41-3 Beiträge von zwei Lichtemissionseinheiten auf). Die Lichtbeiträge in einem Ausgangstor weisen jedoch nicht die gleichen Beugungsordnungen auf (im obigen Beispiel sind die beiden Lichtbeiträge im betrachteten Ausgangstor in der 31. Beugungsordnung (für die erste Emissionseinheit) und in der 30. Beugungsordnung (für die zweite Emissionseinheit). Andererseits sind die verschiedenen Beugungsordnungen pro Ausgangstor in jedem Ausgangstor gleich, d.h. jedes Ausgangstor hat den Lichtbeitrag der ersten Emissionseinheit und der zweiten Lichtemissionseinheit in der gleichen (unterschiedlichen) Beugungsordnung, jedoch bei jeweils unterschiedlichen Wellenlängen. Ein AWG, wie hier als eine Ausführungsform der Beugungseinheit 3-1 beschrieben, ist in der Lage, die Lichtbeiträge an den jeweiligen Ausgangstoren bei unterschiedlichen Wellenlängen und in den verschiedenen Ordnungen wie gerade erläutert zu erzeugen. Während also in der klassischen Spektroskopie das von Gittern erzeugte Licht höherer Ordnung als Degradation angesehen und daher nicht verwendet wird, zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, Licht höherer Beugungsordnung für die Spektroskopie zu nutzen.
Die Vorrichtung 100 in 1 umfasst ferner eine Signalidentifikationseinheit 6, die geeignet ist zu identifizieren, welche der Lichtemissionseinheiten zu dem jeweiligen Licht in den jeweiligen Ausgangstoren beitragen. Diese Signalidentifikationseinheit 6 wird aus zwei Gründen bereitgestellt. Erstens kann das Signal-Rausch-Verhältnis der gemessenen Spektren verbessert werden, wenn eine Lichtemissionseinheit moduliert wird. Zweitens wird es durch die Modulation der Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K einzeln, z.B. durch die Steuereinheit 5, möglich, die Beiträge jeder einzelnen Lichtemissionseinheit durch eine Analyse des Lichts der Ausgangstore 41-1, 41-2, .... 41-N zu identifizieren. Die Modulation der Lichtemissionseinheiten am Eingang durch die Steuereinheit 5 ermöglicht es somit der Signalidentifikationseinheit 6 am Ausgang, beim Betrachten der Ausgangsbeleuchtung den Ursprung des Lichts zu identifizieren, d.h. zu entscheiden, von welcher Lichtemissionseinheit das Licht stammt.
Die Vorrichtung 100 einschließlich des in 1 dargestellten N-Kanal-Spektrographen weist vorzugsweise einen vollständig simultanen Messmodus auf, in dem sie als effektiver K*N-Spektrograph arbeitet. Dies hat den Vorteil, dass zumindest ein Teil der Hardware des Gerätes mehrfach genutzt wird.
11 zeigt unter Bezugnahme auf 1 eine Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens zur Ermittlung der spektralen Eigenschaften des Messobjekts 1. Wie in 11 dargestellt, gibt es einen ersten Schritt S1, in dem eine Vielzahl von Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K Licht mit vorgegebenen Emissionsspektren auf das Messobjekt 1 emittieren. In einem zweiten Schritt S2 werden die Lichtbeiträge des Messobjekts 1 auf den optischen Spektrographen 3 gerichtet. In einem weiteren Schritt S3 verteilt der optische Spektrograph 3 mit einer Beugungseinheit 3-1 aus 1 verschiedene Wellenlängen des vom Messobjekt 1 empfangenen (gesendeten oder reflektierten) Lichts auf verschiedene Ausgangstore 41-1, 41-2, ... 41-N, so dass die Lichtbeiträge im jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweisen.
In Schritt S4 erfassen die optischen Detektoren die Lichtbeiträge an den Ausgangstore 41-1, 41-2, 41-2, .... 41-N. In Schritt S5 identifiziert die Signalidentifikationseinheit 6 die Lichtbeiträge der Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K basierend auf einer Analyse der Signale der Ausgangstore 41-1, 41-2, .... 41-N.
Obwohl der hochpreisige Teil der Hardware der in 1 dargestellten Vorrichtung 100 - Spektrograph und Detektorarray - zwischen einer Vielzahl von Spektralbereichen geteilt wird, ermöglicht das Verfahren eine Identifizierung der von den Lichtemissionseinheiten gesteuerten Kanäle.
2 stellt ein Blockdiagramm der Vorrichtung 100 dar, die eine Steuereinheit 5 umfasst, die geeignet ist, um eine Vielzahl von Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, ... 2-K zu steuern, um Licht auf das Messobjekt 1 sequentiell zu emittieren. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Kosten für das Gerät minimiert werden.
Das Blockdiagramm in 2 veranschaulicht eine Ausführungsform auf Basis von Lock-in-Verstärkern. Die Steuereinheit 5 umfasst ein Eingangstor 50 zur Ansteuerung eines 1:K-Schalters 55, wobei die Ausgangstore 51-1, 51-2, ... 51-K der Steuereinheit 5 die Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K nacheinander ansteuern. Die Lock-in-Implementierung umfasst ferner einen Signalgenerator 53, das entsprechende Ausgangstor 52 und einen Verstärker 54.
Die Signalidentifikationseinheit 6 kann eine N-Kanal-Erfassungseinheit 7 umfassen, wie in 3 ausführlich dargestellt. Ein Eingangstor 60 für ein Referenzsignal ist mit dem entsprechenden Tor 52 der Steuereinheit 5 verbunden. Das analoge Eingangstor der N-Kanal-Erfassungseinheit 7 wird nach der Vorverstärkung mit den Verstärkern 63-1, 63-2, ... 63-N und anschließend mit den entsprechenden Ausgangstoren 61-1, 61-2, .... 61-N der Signalidentifikationseinheit 6 verbunden. Die N-Kanal-Erfassungseinheit 7 wird an die digitalen Ausgangstore 62-1, 62-2, 62-2, .... 62-N angeschlossen.
3 zeigt weitere Details der N-Kanal-Erfassungseinheit 7, die in den in 2 und 4 beschriebenen Implementierungen verwendet wird. Das Bezugszeichen 70 bezeichnet ein Eingangstor für das Referenzsignal, die Bezugszeichen 71-1, 71-2, .... 71-N bezeichnen die analogen Eingangstore der N-Kanal-Erfassungseinheit, die Bezugszeichen 72-1, 72-2, ... 72-N bezeichnen die digitalen Ausgangstore. Das Bezugszeichen 73 bezeichnet ein Verzögerungselement, die Bezugszeichen 74-1, 74-2, .... 74-N bezeichnet Mischer. Die Bezugszeichen 75-1, 75-2, .... 75-N bezeichnen Tiefpassfilter und die Bezugszeichen 76-1, 76-2, .... 76-N bezeichnen Analog-Digital-Wandler. Optionale elektronische Funktionen wie Bandpassfilter, Kerbfilter, analoge Signalverdichter, z.B. logarithmische Verstärker, automatische Verstärkungsregelung oder Bereichsumschaltung, und Ausgangsverstärker sind nicht gezeigt.
Als Modifikation der N-Kanal-Erfassungseinheit 7 gemäß 3 kann das in 3 dargestellte einzelne Verzögerungselement 73 durch N individuell abstimmbare Verzögerungselemente ersetzt werden, die sich jeweils in einer Eingangsleitung vor einem Mischer 74-1, 74-2, .... 74-N befinden. Ein solcher Aufbau ist nützlich für zeitaufgelöste Messungen.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 100. Sie umfasst eine Steuereinheit 5, die geeignet ist, die Vielzahl der Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, ... 2-K zu steuern, um gleichzeitig Licht auf das Messobjekt 1 zu emittieren. Sie veranschaulicht auch einen Aspekt des Verfahrens nach der Erfindung, bei dem Licht aus der Vielzahl der Lichtemissionseinheiten 2-2, 2-1, 2-1, .... 2-K gleichzeitig auf das Messobjekt 1 abgestrahlt wird.
4 zeigt eine spezifische Ausführungsform der Erfindung auf der Grundlage von Lock-in-Verstärkern. In dieser Ausführungsform umfasst die Steuereinheit 5 die Ausgangstore 51-1, 51-2, ... 51-K, die die Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, ... 2-K gleichzeitig ansteuern, indem sie Signalgeneratoren 53-1, 53-2, ... 53-K verwenden, die separat von den Verstärkern 54-1, 54-2, ... 54-K verstärkt werden, und die Ausgangstore für Referenzsignale 52-1, 52-2, ... 52-K.
Die Signalidentifikationseinheit 6 in 4 kann K N-Kanal-Erfassungseinheiten 7-1, 7-2, .... 7-K umfassen, deren Eingangstore für die Referenzsignale 60-1, 60-2, ... 60-K mit den entsprechenden Toren 52-1, 52-2, .... 52-K verbunden sind. Nach der Vorverstärkung mit den Verstärkern 63-1, 63-2, ... 63-N werden die analogen Eingangstore 71-1, 71-2, ... 71-N der N-Kanal-Erfassungseinheiten 7-1, 7-2, ... 7-K mit den entsprechenden Toren 61-1, 61-2, .... 61-N der Signalidentifikationseinheit 6 verbunden. Jede der N-Kanal-Erfassungseinheiten 7-1, 7-2, ... 7-K verfügt über separate digitale Ausgangstore, d.h. die N-Kanal-Erfassungseinheit k ist mit den digitalen Ausgangstoren 62-k-1, 62-k-2, ... 62-k-N verbunden, wobei k eine beliebige Zahl zwischen 1 und K ist.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung. In 5 beinhaltet die Vorrichtung 200 eine Steuereinheit 5 mit den Ausgangstore 51-1, 51-2, ...., 51-K, die die Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K gleichzeitig unter Verwendung von Signalgeneratoren 53-1, 53-2, .... 53-K ansteuert, deren Signale separat durch die Verstärker 54-1, 54-2, .... 54-K verstärkt werden. Die Signalidentifikationseinheit 6 umfasst eine Vielzahl von Heterodyndetektionseinheiten 8-1, 8-2, ... 8-N, die mit den entsprechenden Anschlüssen 61-1, 61-2, .... 61-N der Signalidentifikationseinheit 6 verbunden sind. Die Heterodyndetektionseinheiten 8-1, 8-2, .... 8-N teilen sich einen Lokaloszillator 64, der über das Tor 65 abgestimmt werden kann. Ein Vorteil der Konfiguration nach 5 ist, dass die Steuereinheit 5 und die Signalidentifikationseinheit 6 vollständig entkoppelt sind.
6 stellt eine Standardausführung der Heterodyndetektionseinheit 8 dar, die in der in 5 dargestellten Implementierung verwendet wird. In 6 bezeichnet das Bezugszeichen 80 das Eingangstor der Referenz vom Lokaloszillator 64, das Bezugszeichen 81 das Eingangstor von den Signalen, die von einer der Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, 2-2, 2-K ausgesendet werden. Das Signal von Tor 81 wird zunächst von einem „hochfrequenten“ HF-Bandpassfilter 83 gefiltert, d.h. dem Signal, das von einem der Signalgeneratoren 53-1, 53-2, ... 53-K im Steuergerät 5 verwendet wird. Die gestrichelte Linie zeigt an, dass der Lokaloszillator und das HF- Bandpassfilter 83 parallel abgestimmt sind. Anschließend passiert das Signal den HF-Verstärker 84. Der Frequenzmischer 85 führt den eigentlichen Heterodynempfang durch, d.h. er ändert das eingehende Hochfrequenzsignal in eine feste Zwischenfrequenz IF. Das Signal passiert dann das IF-Bandpassfilter 86, den optionalen IF-Verstärker 87 und den Demodulator 88.
7 zeigt bevorzugte Spektren der Emissionseinheiten und eine optimale Zuordnung zu den entsprechenden Beugungsordnungen in den Ausführungsformen der Erfindung. Die Wellenlängen sind nicht skaliert dargestellt. Insbesondere um es zu ermöglichen, dass Licht von der Beugungseinheit auf die verschiedenen Ausgangstore verteilt werden kann, so dass die Lichtbeiträge im jeweiligen Ausgangstor bei unterschiedlichen Beugungsordnungen unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, weist das Spektrum jeder lichtemittierenden Einheit 2-1, 2-2 ... 2-K eine Breite auf, die im Wesentlichen auf die Wellenlänge der jeweiligen Beugungsordnung m, m-1 ... m-K+1 begrenzt ist.
8 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung, wobei die Beugungseinheit 3-1 ein Wellenleiterarraygitter (Arrayed-Waveguide-Grating, AWG) ist. Der Beugungsbereich ist ein Schichtwellenleiter 3-10 vor den Ausgangstoren 41-1, 41-2, .... 41-N. Wellenleiterarraygitter sind für den Betrieb in hoher Beugungsordnung optimiert.
Im Allgemeinen können die lichtemittierenden Einheiten 2-1, 2-2, .... 2-K aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus einer LED, einer IRED, einer RCLED, einer ELED, einer SLED, einem Halbleiterlaser und einem VCSEL besteht, die eine Vielzahl von Vorteilen bieten, darunter die Möglichkeit, erforderliche Signale an die Signalidentifikationseinheit zu übertragen, ein mit dem Spektrographen kompatibles Emissionsspektrum bereitzustellen und eine geringe Größe und einen geringen Stromverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen breitbandigen Emissionseinheiten anzubieten.
9 zeigt optionale Anordnungen für die Emissionseinheit 2: ohne Faserpigtail in 9a und mit Faserpigtail in 9b und 9c. Gemäß 9a kann die Vorrichtung eine lichtemittierende Einheit 2 mit einer Linse 20 zum Kollimieren des Lichts der Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K und zum Richten auf das Messobjekt 1 umfassen. Gemäß 9b kann die Vorrichtung eine lichtemittierende Einheit 2 mit einer Linse 20 umfassen, die Licht der Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, ... 2-K in eine Glasfaser 21 einkoppelt und über eine zweite Linse auf das Messobjekt 1 richtet. Gemäß 9c kann ein Aufbau verwendet werden, bei dem die Lichtbeiträge der Emissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K der lichtemittierenden Einheit 2 separat mit Glasfasern gekoppelt werden, die wiederum über einen optischen Multiplexer 22 zu einer einzigen Glasfaser 21 gekoppelt und dann über eine zweite Linse 20 auf das Messobjekt 1 gerichtet werden. Anordnungen mit Faserpigtail werden bevorzugt, wenn entweder der Zugang zum Messobjekt 1 kompliziert ist oder Messungen in einer explosiven Umgebung durchgeführt werden.
Für die Anordnungen nach 9b und 9c können alle Arten von Singlemode- und Multimode-Fasern verwendet werden. Es hat sich bewährt, den Fasertyp an die Anforderungen des Spektrographen anzupassen.
10 zeigt eine Ausführungsform der Eingabeeinheit 40 des Spektrographen (siehe 1) für Reflexionsmessungen. Sie kann eine Kollimationslinse 401 umfassen, die das Licht in eine Faser 402 einkoppelt. Ein optischer Multiplexer 403 kombiniert die Lichtbeiträge der Emissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K nach 9b oder 9c und des optischen Spektrographen 3. Der optische Weg zwischen dem optischen Multiplexer 403 und dem Messobjekt 1 muss eine hohe Rückflussdämpfung aufweisen, um zu verhindern, dass Licht zurückkehrt. Anordnungen mit Faserpigtail werden bevorzugt, wenn entweder der Zugang zum Messobjekt kompliziert ist oder Messungen in einer explosiven Umgebung durchgeführt werden.
12 zeigt ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Ermittlung der spektralen Eigenschaften eines Messobjekts 1. Wie in 12 dargestellt, umfasst es eine einzelne Lichtemissionseinheit 2', die geeignet ist, Licht mit einem vorbestimmten Emissionsspektrum zu emittieren und einen entsprechenden Ausgang aufweist, der so konfiguriert ist, dass das Licht mit dem vorbestimmten Emissionsspektrum auf das Messobjekt 1 emittiert wird. Ein optischer Spektrograph 3 weist ein Eingangstor 40 zum Empfangen von Licht vom Messobjekt 1 und eine Beugungseinheit 3-1 zum Verteilen verschiedener Wellenlängen des empfangenen Lichts auf verschiedene Ausgangstore 41-1, 41-2, ... 41-N auf, die die optischen Detektoren umfassen. Die Beugungseinheit 3-1 verteilt das empfangene Licht auf die jeweiligen Ausgangstore 41-1, 41-2, 41-2, .... 41-N in verschiedenen Wellenlängen und Beugungsordnungen. Das vom Messobjekt 1 empfangene Licht kann transmittiertes oder reflektiertes Licht sein.
Unter Bezugnahme auf 12 zeigt 13 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der spektralen Eigenschaften des Messobjekts 1. Wie in 13 dargestellt, gibt es einen ersten Schritt S1, bei dem eine einzelne Lichtemissionseinheit 2' Licht mit einem vorgegebenen Emissionsspektrum auf das Messobjekt 1 emittiert. In einem zweiten Schritt S2 wird das Licht des Messobjekts 1 auf einen optischen Spektrographen 3 gerichtet. In einem weiteren Schritt S3 verteilt der optische Spektrograph 3 mit einer Beugungseinheit 3-1 aus 12 verschiedene Wellenlängen des vom Messobjekt 1 empfangenen Lichts auf verschiedene Ausgangstore 41-1, 41-2, ... 41-N, so dass die Lichtbeiträge im jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweisen. In Schritt S4 erfassen die optischen Detektoren die Lichtbeiträge an den Ausgangstoren 41-1, 41-2, 41-2, .... 41-N. In Schritt S5 identifiziert die Signalidentifikationseinheit 6 die Lichtbeiträge der Lichtemissionseinheiten 2-1, 2-2, .... 2-K basierend auf einer Analyse der Signale der Ausgangstore 41-1, 41-2, .... 41-N.
Der in 11 dargestellte N-Kanal-Spektrograph hat vorzugsweise nur eine Emissionseinheit.
Selbst wenn nur eine Emissionseinheit wie in der zweiten Ausführungsform verwendet wird, erlaubt sie immer noch Kanalpositionen der Emissionseinheit in benachbarten Beugungsordnungen, d.h. die Emissionseinheit muss nicht perfekt mit den Beugungsordnungen des Spektrographen übereinstimmen.
BEVORZUGTE VERGEHENSWEISE ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
Aus heutiger Sicht ist die Nahinfrarotspektroskopie die attraktivste Anwendung der Erfindung, die LEDs mit lichtemittierenden Dioden im NIR-Wellenlängenbereich einsetzen kann. Solche Elemente sind bei verschiedenen Anbietern erhältlich, wie z.B. Hamamatsu http://www.hamamatsu.com oder LED Microsensor NT http://www.lmsnt.com. Für den Einsatz im UV-, Sicht- oder IR-Wellenlängenbereich sind LEDs von Anbietern wie Nichia http://www.nichia.co.jp, OSRAM https://www.osram.com/cb/index.jsp, CREE http://www.cree.com/ledchips/products oder LED Microsensor NT http://lmsnt.com erhältlich. Fotodioden im NIR- und IR-Bereich, die für die Erfindung verwendbar sind, sind auf dem Markt erhältlich, z.B. von Hamamatsu http://www.hamamatsu.com, LASER COMPONENTS https://www.lasercomponents.com oder LED Microsensor NT http://lmsnt.com. Darüber hinaus sind für den Einsatz in der Erfindung Fotodioden für UV- und sichtbare Anwendungen auf Si-Basis und optimiert für einen speziellen Wellenlängenbereich von LASER COMPONENTS https://www.lasercomponents.com erhältlich.
Wellenleiterarraygitter, die in der Erfindung verwendbar sind, sind bei NTT Electronics www.ntt-electronics.com erhältlich, einschließlich Vorrichtungen mit Kanalabständen von 25-200 GHz, die 0,2-1,6 nm bei 1550 nm und zwischen 8 und 128 Wellenlängenkanälen entsprechen.
Die Erfindung kann Lock-in-Verstärker, Güterwagenverstärker oder Korrelatoren verwenden, die als eigenständige Geräte erhältlich sind und seit vielen Jahren verfügbar sind. Sie können als Signalidentifikationseinheit als ein System-on-Chip (SoC) verwendet werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die Hauptanwendung der Erfindung ist die Spektroskopie. Die Nahinfrarotspektroskopie der Erfindung unter Verwendung des Nahinfrarotbereichs des elektromagnetischen Spektrums von 780 nm bis 2500 nm ist besonders nützlich für die Chemometrie einschließlich der pharmazeutischen, Lebensmittel- und agrochemischen Qualitätskontrolle, sowie für die medizinische und physiologische Diagnostik und die Mittelinfrarotspektroskopie von 2500 nm bis 25000 nm. Aufgrund ihrer geringen Größe, ihres geringen Gewichts und ihrer schnellen Verarbeitungsgeschwindigkeit kann die Vorrichtung der Erfindung vorteilhaft als kleines tragbares Prüfgerät für Adhoc-Tests von pharmazeutischen Substanzen eingesetzt werden, so dass die Substanzen vor Ort getestet werden können, ohne dass Proben davon an ein Analyselabor geschickt werden müssen, was Kosten und Zeit spart.
In dem vorstehenden Teil der Patentschrift wurden spezifische Ausführungsformen beschrieben. Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden jedoch erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie in den nachstehenden Ansprüchen dargelegt wird. Dementsprechend sollen die Beschreibung und die Figuren in einem illustrativen Sinn und nicht in einem beschränkendem Sinn betrachtet werden, und alle diese Änderungen sollen in den Schutzumfang der vorliegenden Lehren aufgenommen werden.
Nutzen, Vorteile, Problemlösungen und alle Elemente, die dazu führen können, dass ein Nutzen, Vorteil oder eine Lösung erreicht oder ausgeprägter wird, sind nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Element eines oder aller Ansprüche auszulegen. Die Erfindung wird ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche definiert, einschließlich aller Änderungen, die während der Anhängigkeit dieser Anmeldung vorgenommen wurden, und aller Äquivalente dieser Ansprüche, wie erteilt.
Darüber hinaus können in diesem Dokument relationale Begriffe wie erste und zweite, obere und untere und dergleichen ausschließlich verwendet werden, um eine Einheit oder Handlung von einer anderen Einheit oder Handlung zu unterscheiden, ohne dass eine tatsächliche solche Beziehung oder Ordnung zwischen diesen Einheiten oder Handlungen erforderlich ist oder impliziert wird. Die Begriffe „umfasst“, „hat“, „schließt“, „beinhaltet“, „enthält“ oder jede andere Variation davon, sollen eine nicht-exklusive Einbeziehung abdecken, so dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst, nicht nur diese Elemente hat, beinhaltet, enthält, umfasst, sondern auch andere Elemente beinhalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder einem solchen Prozess, Verfahren, Artikel oder Vorrichtung inhärent sind. Ein Element, dem „umfasst ... eine“, „hat .... eine“, „beinhaltet ... eine“ oder „enthält ... eine“ vorhergeht, schließt nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz zusätzlicher identischer Elemente in dem Prozess, Verfahren, Artikel oder der Vorrichtung aus, die das Element umfasst, hat, beinhaltet oder enthält. Die Begriffe „ein“ und „eine“ sind definiert als einer oder mehrere, sofern hierin nicht ausdrücklich anders angegeben. Die Begriffe „im Wesentlichen“, „ungefähr“ oder eine andere Version davon sind so definiert, dass sie dem entsprechen, was von einem Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet verstanden wird, und in einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist der Begriff so definiert, dass er innerhalb von 10% liegt, in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 5%, in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 1% und in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 0,5%. Der hier verwendete Begriff „gekoppelt“ ist definiert als verbunden, wenn auch nicht unbedingt direkt und nicht unbedingt mechanisch. Eine Vorrichtung oder Struktur, die auf eine bestimmte Weise „konfiguriert“ wird, ist zumindest auf diese Weise konfiguriert, kann aber auch auf eine Weise konfiguriert werden, die nicht aufgeführt ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige Ausführungsformen aus einem oder mehreren generischen oder spezialisierten Prozessoren (oder „Verarbeitungsvorrichtungen“) wie Mikroprozessoren, digitalen Signalprozessoren, kundenspezifischen Prozessoren und feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) sowie einzigartigen gespeicherten Programmanweisungen (einschließlich Software und Firmware) bestehen können, die den einen oder die mehrere Prozessoren steuern, um in Verbindung mit bestimmten Nicht-Prozessor-Schaltungen einige, die meisten oder alle Funktionen des hierin beschriebenen Verfahrens und/oder der Vorrichtung auszuführen. Alternativ können einige oder alle Funktionen von einem endlichen Automaten (Finite-State-Maschine, FSM) ohne gespeicherte Programmanweisungen oder in einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) implementiert werden, wobei jede Funktion oder eine Kombination bestimmter Funktionen als kundenspezifische Logik implementiert ist. Natürlich könnte eine Kombination der beiden Ansätze verwendet werden.
Es können Softwareprogramme verwendet werden, die Softwareanweisungen zur Ausführung der Funktionalitäten und Verfahrensschritte in den beschriebenen Einheiten enthalten. Daher können eine oder mehrere Ausführungsformen als computerlesbares Speichermedium implementiert werden, auf dem computerlesbarer Code gespeichert ist, um einen Computer (z.B. mit einem Prozessor) zu programmieren, um daraus ein Verfahren wie hierin beschrieben und beansprucht durchzuführen. Beispiele für solche computerlesbaren Speichermedien sind unter anderem eine Festplatte, eine CD-ROM, eine optische Speichervorrichtung, eine magnetische Speichervorrichtung, ein ROM (Read-Only-Memory), ein PROM (Programmable-Read-Only-Memory), ein EPROM (Erasable-Programmable-Read-Only-Memory), ein EEPROM (Electrically-Erasable-Programmable-Read-Only-Memory) und ein Flash-Speicher. Darüber hinaus wird erwartet, dass ein Durchschnittsfachmann in dem technischen Gebiet, ungeachtet möglicherweise erheblicher Anstrengungen und vieler Designentscheidungen, die beispielsweise durch verfügbare Zeit, aktuelle Technologie und wirtschaftliche Überlegungen motiviert sind, wenn er sich an den hierin offenbarten Konzepten und Prinzipien orientiert, in der Lage sein wird, solche Softwareanweisungen, Programme und ICs mit minimalem Aufwand zu erstellen.
Die Zusammenfassung der Offenbarung wird bereitgestellt, damit der Leser die Art der technischen Offenbarung schnell feststellen kann. Sie wird mit der Maßgabe eingereicht, dass sie nicht zur Auslegung oder Einschränkung des Umfangs oder der Bedeutung der Ansprüche verwendet wird.
Darüber hinaus ist in der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, dass verschiedene Merkmale zur Vereinfachung der Offenlegung in verschiedenen Ausführungsformen zusammengefasst sind. Diese Art der Offenbarung ist nicht so zu interpretieren, dass sie die Absicht widerspiegelt, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale erfordern, als in jedem Anspruch ausdrücklich erwähnt werden. Vielmehr liegt der erfinderische Gegenstand, wie die folgenden Ansprüche zeigen, in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen offenbarten Ausführungsform. Daher werden hiermit die folgenden Ansprüche in die Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich allein als gesondert beanspruchter Gegenstand steht.
Bezugszeichenliste

1: Messobjekt
2: Anordnung der Lichtemissionseinheiten
2': Lichtemissionseinheit
2-1, 2-2, 2-2, ... 2-K: Lichtemissionseinheiten
20: Linse, die in einer Anordnung der Lichtemissionseinheiten verwendet wird.
21: optische Faser, die in einer Anordnung der Lichtemissionseinheiten verwendet wird
22: faseroptischer multiplexer, der in einer Anordnung der Lichtemissionseinheiten verwendet wird
3: optischer Spektrograph
3-1: Beugungseinheit
3-10: Schichtwellenleiter
40: Eingangstor des optischen Spektrographen
41-1, 41-2, ... 41-N: Ausgangstore des optischen Spektrographen mit optischen Detektoren
5: Steuergerät der Lichtemissionseinheiten
50: Eingangstor der Steuereinheit, die den 1:K-Schalter steuert.
51-1, 51-2, ... 51-K: Ausgangstore der Steuereinheit, die die Lichtemissionseinheiten steuern.
52-1, 52-2, ... 52-K: Ausgangstore der Steuereinheit, die die Referenzsignale bereitstellen.
53-1, 53-2, ... 53-K: Signalgeber
54-1, 54-2, ... 54-K: Verstärker für die Signalgeneratoren
6: Signalidentifikationseinheit
60: einzelnes Eingangstor der Signalidentifikationseinheit für das Referenzsignal
60-1, 60-2, ... 60-K: mehrere Eingangstore der Signalidentifikationseinheit für das Referenzsignal
61-1, 61-2, ... 61-N: Eingangstore der Signalidentifikationseinheit für die Ausgangstore des Spektrographen
62-1, 62-2, ... 62-N: Ausgangstore der Signalidentifikationseinheit, die den Ausgangstoren des Spektrographen zugeordnet sind.
62-k-1, 62-k-2, ... 62-k-N: Ausgangstore der Signalidentifikationseinheit, die den Ausgangstoren des Spektrographen und der Emissionseinheit k zugeordnet sind.
63-1, 63-2, ... 63-N: Vorverstärker für die Signale der Detektoren
64: Lokaloszillator
7: N-Kanal-Erfassungseinheit
7-1, 7-2, ... 7-N: mehrere N-Kanal-Erfassungseinheiten
70: Eingangstor für das Referenzsignal einer N-Kanal-Erfassungseinheit
71-1, 71-2, ... 71-N: analoge Eingangstore einer N-Kanal-Erfassungseinheit
72-1, 72-2, ... 72-N: digitale Ausgangstore einer N-Kanal-Erfassungseinheit
73: Verzögerungselement einer N-Kanal-Erfassungseinheit
74-1, 74-2, ... 74-N: Mischer einer N-Kanal-Erfassungseinheit
75-1, 75-2, ... 75-N: Tiefpassfilter einer N-Kanal-Erfassungseinheit
76-1, 76-2, ... 76-N: Analog-Digital-Wandler einer N-Kanal-Erfassungseinheit
8: Heterodyndetektionseinheit
8-1, 8-2, 8-2, ... 8-N: mehrere Heterodyndetektionseinheiten
80: Eingangstor für die Referenz des Lokaloszillators
81: Eingangstor für das Signal eines Detektors
82: Ausgangstor einer
83: Heterodyndetektionseinheit (RF)-Bandpassfilter
84: Verstärker für das Signal von einem Detektor
85: Frequenzmischer
86: Zwischenfrequenz (IF) Bandpassfilter
87: Verstärker für ein Zwischenfrequenzsignal (IF)

Claims

Messvorrichtung (100) zum Auswerten von spektralen Eigenschaften eines Messobjekts (1), umfassend: 1.1 eine Vielzahl von Lichtemissionseinheiten (2-1, 2-2, .... 2-K), die jeweils Licht mit einem vorgegebenen Emissionsspektrum emittieren und einen entsprechenden Ausgang aufweisen, der zum Emittieren des Lichts mit dem vorgegebenen Emissionsspektrum auf das Messobjekt (1) hin konfiguriert ist; 1.2 einen optischen Spektrographen (3) mit einem Eingangstor (40), der geeignet ist, Licht von dem Messobjekt (1) zu empfangen, und einer Beugungseinheit (3-1), die geeignet ist, verschiedene Wellenlängen des empfangenen Lichts auf verschiedene Ausgangstore (41-1, 41-2, .... 41-N) zu verteilen, die optische Detektoren umfassen; 1.3 wobei die Beugungseinheit (3-1) angepasst ist, um das empfangene Licht auf die jeweiligen Ausgangstore (41-1, 41-2, .... 41-N) zu verteilen, so dass die Lichtbeiträge in dem jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweisen; und 1.4 eine Signalidentifikationseinheit (6), die angepasst ist, um zu identifizieren, welche der Lichtemissionseinheiten zu dem jeweiligen Licht in den jeweiligen Ausgangstore beitragen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuereinheit (5), die angepasst ist, um die Vielzahl von Lichtemissionseinheiten (2-1, 2-2, .... 2-K) zu steuern, um Licht auf das Messobjekt (1) hin zeitlich sequentiell zu emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Steuereinheit (5), die angepasst ist, um die Vielzahl von Lichtemissionseinheiten (2-1, 2-2, ... 2-K) zu steuern, um Licht auf das Messobjekt (1) hin zeitlich gleichzeitig zu emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signalidentifikationseinheit (6) ein N-Kanal-Heterodynempfänger ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierenden Einheiten (2-1, 2-2, .... 2-K) angepasst sind, um Licht in jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen entsprechend den Beugungsordnungen der Beugungseinheit zu emittieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Beugungseinheit (3-1) ein Wellenleiterarraygitter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierenden Einheiten (2-1, 2-2, .... 2-K) eine oder mehrere sind, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer gepumpten Breitbandfaserquelle, einer LED, einer IRED, einer RCLED, einer ELED, einer SLED, einem Halbleiterlaser und einem VCSEL.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtidentifikationseinheit (6) eine Vielzahl von Verstärkern umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Verstärker einen oder mehrere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Lock-in-Verstärker, einem Box Car Verstärker und einem Korrelator umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierenden Einheiten (2-1, 2-2, 2-2, .... 2-K) Licht im nahen Infrarotbereich emittieren.
Verfahren zum Auswerten von spektralen Eigenschaften eines Messobjekts (1), umfassend die folgenden Schritte: 11.1 Aussenden (S1) von Lichtbeiträgen mit vorbestimmten Emissionsspektren durch eine Vielzahl von Lichtemissionseinheiten (2-1, 2-2, .... 2-K) auf das Messobjekt (1) hin; 11.2 Richten (S2) der Lichtbeiträge vom Messobjekt (1) auf einen optischen Spektrographen (3); 11.3 Verteilen (S3) des vom Messobjekt (1) empfangenen Lichts auf verschiedene Ausgangstore (41-1, 41-2, .... 41-N) durch den optischen Spektrographen (3) mit einer Beugungseinheit (3-1), so dass die Lichtbeiträge in dem jeweiligen Ausgangstor unterschiedliche Wellenlängen bei unterschiedlichen Beugungsordnungen aufweisen; und 11.4 Erfassen (S4) der Lichtbeiträge durch optische Detektoren an den Ausgangstore (41-1, 41-2, .... 41-N); und 11.5 Identifizieren (S5), durch eine Signalidentifikationseinheit (6), welche der Lichtemissionseinheiten zu dem jeweiligen Licht in den jeweiligen Ausgangstore beitragen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Lichtbeiträge aus der Vielzahl von Lichtemissionseinheiten (2-2, 2-1, .... 2-K) zeitlich sequentiell auf das Messobjekt (1) hin emittiert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Lichtbeiträge aus der Vielzahl von Lichtemissionseinheiten (2-1, 2-2, .... 2-K) zeitlich gleichzeitig auf das Messobjekt (1) hin emittiert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Identifizierungsschritt das Verstärken von Ausgangssignalen der optischen Detektoren umfasst, wobei die Verstärkung unter Verwendung eines Lock-in-Verstärkers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Lichtbeiträge aus der Vielzahl von Lichtemissionseinheiten (2-1, 2-2, .... 2-K) in verschiedenen Wellenlängenbereichen emittiert werden, die den Beugungsordnungen der Beugungseinheit (3-1) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lichtbeiträge der lichtemittierenden Einheiten (2-1, 2-2, 2-2, .... 2-K) im nahen Infrarotbereich liegen.
Messvorrichtung (100) zum Auswerten von spektralen Eigenschaften eines Messobjekts (1), umfassend: 17.1 eine Lichtemissionseinheit (2'), die geeignet ist, Licht mit einem vorbestimmten Emissionsspektrum zu emittieren und einen entsprechenden Ausgang aufweist, der konfiguriert ist, um das Licht mit dem vorbestimmten Emissionsspektrum auf das Messobjekt (1) hin zu emittieren; und 17.2 einen optischen Spektrographen (3) mit einem Eingangstor (40), der geeignet ist, Licht von dem Messobjekt (1) zu empfangen, und einer Beugungseinheit (3-1), die geeignet ist, verschiedene Wellenlängen des empfangenen Lichts auf verschiedene Ausgangstore (41-1, 41-2, .... 41-N) zu verteilen, die optische Detektoren umfassen; wobei 17.3 die Beugungseinheit (3-1) angepasst ist, um das empfangene Licht auf die jeweiligen Ausgangstore (41-1, 41-2, .... 41-N) in verschiedenen Wellenlängen und Beugungsordnungen zu verteilen.
Verfahren zum Auswerten von spektralen Eigenschaften eines Messobjekts (1), umfassend die folgenden Schritte 18.1 Senden (S1) von Licht mit einem vorbestimmten Emissionsspektrum durch eine Lichtemissionseinheit (2') auf das Messobjekt (1) hin; 18.2 Richten (S2) des Lichts vom Messobjekt (1) auf einen optischen Spektrographen (3); 18.3 Verteilen (S3) des empfangenen Lichts durch den optischen Spektrographen (3) mit einer Beugungseinheit (3-1) auf entsprechende Ausgangstore (41-1, 41-2, ... 41-N) des Spektrographen in verschiedenen Wellenlängen und Beugungsordnungen; 18.4 Erfassen (S4) der Lichtbeiträge durch optische Detektoren an den Ausgangstore (41-1, 41-2, .... 41-N); und 18.5 Identifizieren (S5) des emittierten Lichts in den Ausgangstore durch eine Signalidentifikationseinheit (6).