DE102020202823A1 - Optoelektronische vorrichtung und verfahren zur ermittlung der verteilung eines stoffs in einer probe - Google Patents

Optoelektronische vorrichtung und verfahren zur ermittlung der verteilung eines stoffs in einer probe Download PDF

Info

Publication number
DE102020202823A1
DE102020202823A1 DE102020202823.0A DE102020202823A DE102020202823A1 DE 102020202823 A1 DE102020202823 A1 DE 102020202823A1 DE 102020202823 A DE102020202823 A DE 102020202823A DE 102020202823 A1 DE102020202823 A1 DE 102020202823A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sample
light
time
elements
flight detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102020202823.0A
Other languages
English (en)
Inventor
Gerd Plechinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Priority to DE102020202823.0A priority Critical patent/DE102020202823A1/de
Priority to EP21706565.5A priority patent/EP4115165A1/de
Priority to US17/908,960 priority patent/US20230096718A1/en
Priority to PCT/EP2021/054007 priority patent/WO2021175607A1/de
Priority to CN202180018624.4A priority patent/CN115244385A/zh
Publication of DE102020202823A1 publication Critical patent/DE102020202823A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/3103—Atomic absorption analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
    • G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4735—Solid samples, e.g. paper, glass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
    • G01N2021/4797—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium time resolved, e.g. analysis of ballistic photons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02—Mechanical
    • G01N2201/022—Casings
    • G01N2201/0221—Portable; cableless; compact; hand-held

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

Eine optoelektronische Vorrichtung (10) umfasst eine Anordnung (11) mit mehreren Emitterelementen (12), die dazu ausgebildet sind, nacheinander Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche auszusenden, eine Anordnung (13) mit mehreren Time-of-Flight-Detektorelementen (14), die dazu ausgebildet sind, das von den Emitterelementen (12) ausgesandte und an einer Probe (17) reflektierte Licht zu detektieren und eine Messung zur Bestimmung des Abstands des Reflexionspunkts des Lichts an der Probe (17) von dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement (14) durchzuführen, und eine Auswerteeinheit (15), die dazu ausgebildet ist, für jeden von den Emitterelementen (12) ausgesandten Wellenlängenbereich anhand des vor den Time-of-Flight-Detektorelementen (14) detektierten Lichts und des Abstands des Reflexionspunkts des Lichts von dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement (14) ein dreidimensionales Bild der Probe (17) zu erzeugen und aus den Bildern die Verteilung eines Stoffs in der Probe (17) zu ermitteln.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung der Verteilung eines Stoffs in einer Probe.
  • Infrarot-Spektroskopie kann eingesetzt werden, um die Inhaltsstoffe einer Probe zu untersuchen. Bekannte Verfahren zur Infrarot-Spektroskopie liefern jedoch keine räumliche Information über die Verteilung eines Inhaltsstoffs über die Probe.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, die Verteilung eines Stoffs an unterschiedlichen Positionen einer Probe zu ermitteln. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung der Verteilung eines Stoffs in einer Probe angegeben werden.
  • Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine optoelektronische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Verteilung eines Stoffs in einer Probe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Eine optoelektronische Vorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung umfasst eine Anordnung mit mehreren Emitterelementen, eine Anordnung mit mehreren Time-of-Flight-Detektorelementen und eine Auswerteeinheit.
  • Die mehreren Emitterelemente sind dazu ausgebildet, nacheinander Licht bzw. elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche zu emittieren. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass genau eines oder mehrere der Emitterelemente Licht in einem ersten Wellenlängenbereich emittieren und genau eines oder mehrere der übrigen Emitterelemente Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich emittieren. Dies kann entsprechend fortgesetzt werden. Die Abstrahlung von Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche erfolgt insbesondere zeitlich nicht überlappend, sondern nacheinander. Zwischen der Abstrahlung von Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche kann jeweils eine Pause vorgesehen sein, während der keine Lichtabstrahlung erfolgt. Die mehreren Emitterelemente können beispielsweise in einem Array, d. h. einer regelmäßigen Anordnung, angeordnet sein.
  • Mit dem von den Emitterelementen emittiertem Licht wird eine Probe bestrahlt, die derart angeordnet ist, dass ein Teil des Lichts von der Probe zu den Time-of-Flight-Detektorelementen reflektiert wird.
  • Die Time-of-Flight-Detektorelemente sind dazu ausgebildet, das von den Emitterelementen ausgesandte und an der Probe reflektierte Licht zu detektieren. Insbesondere kann jedes der Time-of-Flight-Detektorelemente die Intensität des reflektierten Lichts messen, welches auf das jeweilige Time-of-Flight-Detektorelement trifft. Weiterhin ist jedes der Time-of-Flight-Detektorelemente dazu ausgebildet, eine Messung zur Bestimmung des Abstands zwischen dem Reflexionspunkt des Lichts an der Probe und dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement durchzuführen.
  • Time-of-Flight-Verfahren, auch Laufzeitverfahren genannt, werden eingesetzt, um Entfernungen zu messen. In der vorliegenden Anwendung kann über die Flugzeit des Lichts die Wegstrecke von dem Reflexionspunkt an der Probe bis zu dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement bestimmt werden. Das Arbeitsprinzip der Time-of-Flight-Detektorelemente kann beispielsweise in der Bestimmung des Phasenunterschieds zwischen emittiertem und reflektiertem Licht bestehen. Aufgrund der Mehrzahl von verwendeten Time-of-Flight-Detektorelementen kann ein räumlich dreidimensionales Bild bzw. Reflexionsbild der Probe erzeugt werden. Herkömmliche Time-of-Flight-Detektoren, die in der optoelektronischen Vorrichtung eingesetzt werden können, sind beispielsweise CMOS-Elemente mit 2-Tap- oder 4-Tap-Funktionsweise. Die Time-of-Flight-Detektorelemente können in einem Array angeordnet sein. Weiterhin können die Time-of-Flight-Detektorelemente beispielsweise die Pixel eines Time-of-Flight-Kamerachips sein.
  • Die Time-of-Flight-Detektorelemente müssen nicht in der Lage sein, die Entfernung von dem Reflexionspunkt zu dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement selbsttätig zu bestimmen. Die Time-of-Flight-Detektorelemente können Messergebnisse liefern, aus denen die jeweilige Entfernung bestimmt werden kann. Beispielsweise kann die Auswerteinheit dazu ausgebildet sein, aus den von den Time-of-Flight-Detektorelementen zur Verfügung gestellten Messdaten die verschiedenen Entfernungen der Reflexionspunkte an der Probe zu den Time-of-Flight-Detektorelementen zu bestimmen. Insbesondere kann die Entfernung der Emitterelemente von der Probe bekannt sein.
  • Die Auswerteeinheit empfängt von den Time-of-Flight-Detektorelementen für jeden von den Emitterelementen ausgesandten Wellenlängenbereich eine Information über das von den jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelementen detektierte Licht. Beispielsweise kann die Auswerteeinheit eine Information über die Intensität des detektierten Lichts erhalten. Ferner bestimmt die Auswerteeinheit für jeden von den Emitterelementen ausgesandten Wellenlängenbereich die Entfernung des jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelements zu dem Reflexionspunkt des Lichts an der Probe. Aus diesen Daten erzeugt die Auswerteeinheit für jeden von den Emitterelementen ausgesandten Wellenlängenbereich ein räumlich dreidimensionales Bild der Probe.
  • Aus den mehreren dreidimensionalen Reflexionsbildern der Probe, die für verschiedene Wellenlängenbereiche erzeugt wurden, kann die Auswerteeinheit die Verteilung eines Stoffs in der Probe ermitteln. Insbesondere kann die Auswerteeinheit eine dreidimensionale Karte bzw. Darstellung erzeugen, welche das Vorkommen oder die Konzentration des Stoffs an verschiedenen Positionen der Probe zeigt.
  • Mit der beschriebenen Technik können dreidimensionale Karten über die Verteilung nicht nur eines, sondern mehrerer Inhaltsstoffe der Probe erstellt werden.
  • Sofern Licht bestimmter Wellenlängen nicht an der Oberfläche der Probe, sondern erst tiefer innerhalb der Probe reflektiert wird, da beispielsweise die äußeren Schichten der Probe für diese Strahlung durchlässig sind, können tomografische Aufnahmen von der Probe erzeugt werden.
  • Die Emitterelemente können beispielsweise als Licht emittierende Dioden (englisch: light emitting diode; kurz: LED), insbesondere als LED-Chips, ausgebildet sein. Für besonders gute Tiefenauflösung eignen sich VCSEL (englisch: vertical-cavity surface-emitting laser), insbesondere VCSEL-Chips, da sie sehr schnelle Schaltzeiten im Nanosekundenbereich aufweisen.
  • Das von den Emitterelementen emittierte Licht kann beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich, Ultraviolett (UV)-Licht und/oder Infrarot (IR)-Licht sein. Für die hier beschriebene Anwendung ist Licht aus dem nahinfraroten Spektralbereich mit Wellenlängen insbesondere im Bereich von 780 nm bis 3 µm vorteilhaft.
  • Die Wellenlängenbereiche, welche die Emitterelemente nacheinander emittieren, können sich jeweils über geeignete Wellenlängen erstrecken. Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest einige oder alle Wellenlängenbereiche relativ klein sind und im Wesentlichen nur eine Wellenlänge enthalten. Beispielsweise können die Emitterelemente nacheinander Licht mit den Wellenlängen 750 nm, 800 nm, 850 nm und 900 nm oder anderen Wellenlängen emittieren.
  • Die optoelektronische Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Anmeldung kann beispielsweise in mobilen Anwendungen, insbesondere in tragbaren Geräten, eingesetzt werden. Die optoelektronische Vorrichtung eignet sich besonders, um die Inhaltsstoffe von Lebensmitteln zu bestimmen.
  • Die optoelektronische Vorrichtung kann eine Speichereinheit aufweisen, auf welche die Auswerteeinheit Zugriff hat und in der zumindest ein Teil des Absorptionsspektrums des zu untersuchenden Stoffs abgelegt ist. Die Auswerteeinheit kann aus den dreidimensionalen Bildern, die für die verschiedenen Wellenlängenbereiche aufgenommen wurden, anhand zumindest einen Teils des Absorptionsspektrums die Verteilung des Stoffs in der Probe ermitteln.
  • Das in der Speichereinheit abgelegte Absorptionsspektrum kann sich über einen bestimmten Wellenlängenbereich erstrecken, beispielsweise über den infraroten oder nahinfraroten Spektralbereich. Weiterhin kann das gespeicherte Absorptionsspektrum zumindest diejenigen Wellenlängen umfassen, bei welchen der Stoff eine hohe bzw. maximale Lichtabsorption aufweist. In dem oder den Wellenlängenbereichen, in dem die Absorption hoch ist, wird wenig Licht reflektiert, während in den übrigen Wellenlängenbereich viel Licht reflektiert ist. Über die Auswertung des reflektierten Lichts lassen sich Rückschlüsse über das Vorhandensein bzw. die Konzentration des untersuchten Stoffs an verschiedenen Orten der Probe ziehen.
  • Die Anordnung mit den mehreren Emitterelementen kann in einer ersten Kavität der optoelektronischen Vorrichtung angeordnet sein, während die Anordnung mit den mehreren Time-of-Flight-Detektorelementen in einer zweiten Kavität der optoelektronischen Vorrichtung angeordnet ist. Die erste und die zweite Kavität können benachbart sein.
  • Die optoelektronische Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt kann eine Steuereinheit zur Steuerung der Emitterelemente und der Time-of-Flight-Detektorelemente sowie zur zeitlichen Koordinaten der Emitter-und der Time-of-Flight-Detektorelemente aufweisen.
  • Weiterhin kann die Steuereinheit zusammen mit der Auswerteeinheit in ein gemeinsames Bauelement integriert sein. Beispielsweise können die Steuereinheit und die Auswerteeinheit zusammen in einen integrierten Schaltkreis (englisch: integrated circuit; kurz: IC) integriert sein. Die Emitterelemente können auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet sein.
  • Zwischen der Probe und den Time-of-Flight-Detektorelementen kann mindestens eine optische Linse angeordnet sein, um das von der Probe reflektierte Licht auf die Detektorelemente zu fokussieren und eine scharfe Abbildung der Probe zu erhalten. Ohne eine scharfe Abbildung der Probe würde die zweidimensionale räumliche Information verloren gehen. Beispielsweise kann die optische Linse genau ein Kameraobjektiv sein oder aber es kann eine Anordnung von optische Linsen vorgesehen sein, wobei jede der optischen Linsen einem Time-of-Flight-Detektorelement zugeordnet ist.
  • Ein Verfahren gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung dient zur Ermittlung der Verteilung eines Stoffs in einer Probe. Gemäß dem Verfahren senden Emitterelemente einer Anordnung mit mehreren Emitterelementen nacheinander Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche aus. Das von den Emitterelementen ausgesandte Licht wird an einer Probe reflektiert und Time-of-Flight-Detektorelemente einer Anordnung mit mehreren Time-of-Flight-Detektorelementen detektieren das an der Probe reflektierte Licht. Ferner führen die Time-of-Flight-Detektorelemente jeweils eine Messung zur Bestimmung des Abstands des Reflexionspunkts des Lichts an der Probe von dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement durch. Für jeden von den Emitterelementen ausgesandten Wellenlängenbereich wird anhand des vor den Time-of-Flight-Detektorelementen detektieren Lichts und des Abstands des Reflexionspunkts des Lichts von dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement ein dreidimensionales Bild der Probe erzeugt. Aus den Reflexionsbildern für die verschiedenen Wellenlängenbereiche wird die Verteilung eines Stoffs in der Probe ermittelt.
  • Das Verfahren zur Ermittlung der Verteilung eines Stoffs in einer Probe gemäß dem zweiten Aspekt der Anmeldung kann die oben beschriebenen Ausgestaltungen der optoelektronischen Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Anmeldung aufweisen.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:
    • 1A eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen Vorrichtung in einer Draufsicht;
    • 1B eine Darstellung der optoelektronischen Vorrichtung aus 1A in einer Seitenansicht;
    • 2A ein Ersatzschaltbild eines Time-of-Flight-Detektorpixels;
    • 2B eine Darstellung der Funktionsweise des Time-of-Flight-Detektorpixels aus 2A; und
    • 3 Darstellungen von dreidimensionalen Reflexionsbildern eines Apfels und eine Darstellung der Verteilung eines Stoffs in dem Apfel.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • 1A und 1B zeigen schematisch eine optoelektronische Vorrichtung 10 in einer Draufsicht bzw. einer Seitenansicht. Im Folgenden werden der Aufbau und die Funktionsweise der optoelektronischen Vorrichtung 10 beschrieben.
  • Die optoelektronische Vorrichtung 10 enthält eine als Array 11 ausgestaltete Anordnung mit mehreren Emitterelementen 12 sowie eine als Array 13 ausgestaltete Anordnung mit mehreren Time-of-Flight-Detektorelementen 14. Ferner sind eine Auswerteeinheit und eine Steuereinheit in einen integrierten Schaltkreis 15 integriert.
  • Das Array 11 mit den Emitterelementen 12 ist auf den integrierten Schaltkreis 15 montiert, welcher zusammen mit dem Array 11 in einer ersten Kavität angeordnet ist. Das Array 13 mit den Time-of-Flight-Detektorelementen 14 ist in einer zweiten Kavität angeordnet. Die Time-of-Flight-Detektorelemente 14 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Pixel eines CMOS-Time-of-Flight-Kamerachips. Oberhalb des Arrays 13 ist ein Kameraobjektiv 16 als Linse angeordnet.
  • Während des Betriebs der optoelektronischen Vorrichtung 10 emittieren die Emitterelemente 12 nacheinander Licht unterschiedlicher Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche. In dem Array 11 emittiert jedes der Emitterelemente 12 Licht mit einer Wellenlänge bzw. in einem Wellenlängenbereich, der sich von der Wellenlänge bzw. dem Wellenlängenbereich des von den übrigen Emitterelementen 12 emittierten Lichts unterscheidet.
  • Das von den Emitterelementen 12 emittierte Licht fällt zumindest teilweise auf eine Probe 17, deren Inhaltsstoffe mit Hilfe der optoelektronischen Vorrichtung 10 untersucht werden sollen. Ein Teil des Lichts wird von der Probe zu dem Kameraobjektiv 16 reflektiert. Das Licht durchläuft das Kameraobjektiv 16 und fällt auf die Time-of-Flight-Detektorelemente 14.
  • Der skizzierte Verlauf des Lichts ist in 1B durch Pfeile 18 und 19 verdeutlicht.
  • Jedes der Time-of-Flight-Detektorelemente 14 misst die Intensität des Lichts, welches auf das jeweilige Time-of-Flight-Detektorelemente 14 fällt. Weiterhin führt jedes der Time-of-Flight-Detektorelemente 14 eine Messung durch, welche es erlaubt, den Abstand zwischen dem Reflexionspunkt des Lichts an der Probe 17 und dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement 14 zu bestimmen.
  • Die Time-of-Flight-Detektorelemente 14 können beispielsweise als CMOS-Detektorpixel 20 ausgebildet sein, die gemäß der sogenannten Quadraturmodulation (englisch: quadrature modulation) arbeiten. Das Ersatzschaltbild eines Detektorpixels 20 ist in 2A dargestellt.
  • Das Detektorpixel 20 enthält eine Photodiode 21 und zwei Kondensatoren 22 und 23, die jeweils mittels Schaltern 24 bis 26 zwischen eine Versorgungsspannung VDD und eine Masse VSS geschaltet werden können. Der Schalter 24 ist zwischen die Versorgungsspannung VDD und einen gemeinsamen Knoten 27 geschaltet. Die Schalter 25 und 26 sind zwischen den gemeinsamen Knoten 27 und die Kondensatoren 22 bzw. 23 geschaltet.
  • Die Funktionsweise des Detektorpixels 20 ist schematisch in 2B dargestellt. Die in dem integrierten Schaltkreis 15 enthaltene Steuereinheit steuert die Emitterelemente 12 derart an, dass ein Emitterelement 12 periodisch Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge bzw. einem vorgegebenen Wellenlängenbereich emittiert, wie es in der ersten Zeile von 2B dargestellt ist. Der Kondensator 22 ist während der Zeit, während welcher das Emitterelement 22 Licht emittiert, mit der Photodiode 21 verbunden und während der übrigen Zeit von der Photodiode 22 getrennt. Bei dem Kondensator 23 verhält es sich umgekehrt, d. h., der Kondensator 23 ist zwischen zwei aufeinanderfolgenden von dem Emitterelement 12 emittierten Pulsen mit der Photodiode 21 verbunden und während der Lichtemission durch das Emitterelement 12 von der Photodiode 21 getrennt. Um dies zu bewerkstelligen, steuert die Steuereinheit die Schalter 25 und 26 derart an, dass der Schalter 25 während eines Lichtpulses geschlossen und ansonsten geöffnet ist und der Schalter 26 zwischen aufeinanderfolgenden Lichtpulsen geschlossen und ansonsten geöffnet ist. Der Schalter 24 wird von der Steuereinheit derart angesteuert, dass er während des vollständigen Messvorgangs geschlossen ist.
  • Aufgrund der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise wird der Kondensator 22 von der Photodiode 21 während der Emission eines Lichtpulses geladen, während der Kondensator 23 von der Photodiode 21 zwischen der Emission von zwei aufeinanderfolgenden Lichtpulsen geladen wird.
  • Da das von dem Emitterelement 12 emittierte Licht zunächst an der Probe 17 reflektiert wird, erreicht es die Photodiode 21 mit einer gewissen Zeitverzögerung, wie in der zweiten Zeile von 2B gezeigt ist. Diese Zeitverzögerung bewirkt, dass der Kondensator 22 periodisch mit einer Ladungsmenge Q1 geladen wird, während der Kondensator 23 periodisch mit einer Ladungsmenge Q2 geladen wird. Die Ladungen Q1 und Q2 werden über einen vorgegebenen Zeitraum 28 aufintegriert. Über das Verhältnis der in den Kondensatoren 22 und 23 während des Zeitraums 28 angesammelten Ladungen kann die in dem integrierten Schaltkreis 15 enthaltene Auswerteeinheit den Zeitversatz des reflektierten Lichtpulses und daraus die Entfernung des jeweiligen Detektorpixels 20 von dem Reflexionspunkt an der Probe 17 bestimmen. Insbesondere ist die Entfernung der Emitterelemente 12 von der Probe 17 bekannt.
  • Der Auswerteeinheit stehen folglich für jede von den Emitterelementen 12 ausgesandte Wellenlänge bzw. jeden ausgesandten Wellenlängenbereich sowohl die von den Time-of-Flight-Detektorelementen 14 detektierte Lichtintensität des reflektierten Lichts als auch die Entfernung des jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelements 14 von dem Reflexionspunkt an der Probe 17 zur Verfügung. Aus diesen Daten erzeugt die Auswerteeinheit für jede von den Emitterelementen 12 ausgesandte Wellenlänge bzw. jeden ausgesandten Wellenlängenbereich ein räumlich dreidimensionales Bild der Probe 17.
  • Beispielhaft sind in 3 vier dreidimensionale Reflexionsbilder eines Apfels als Probe 17 dargestellt. Die vier Reflexionsbilder wurden mit Licht der Wellenlängen 750 nm, 800 nm, 850 nm und 900 nm aufgenommen. In dem vorliegenden Beispiel soll die Verteilung eines Stoffs in dem Apfel untersucht werden, welcher ein Absorptionsmaximum bei ca. 850 nm aufweist. Folglich wird Licht mit dieser Wellenlänge stark absorbiert und daher nur wenig reflektiert, wohingegen Licht mit anderen Wellenlängen stärker reflektiert wird.
  • Das Absorptionsspektrum des zu untersuchenden Stoffs oder zumindest ein Teil des Absorptionsspektrums ist in einer Speichereinheit abgelegt, auf welche die Auswerteeinheit Zugriff hat. Mit Hilfe des Absorptionsspektrums und den vier dreidimensionalen Reflexionsbildern des Apfels kann die Auswerteeinheit eine in 3 rechts gezeigte dreidimensionale Darstellung erzeugen, welche die Verteilung des Stoffs in dem Apfel zeigt. In der Darstellung von 3 ist der Bereich mit der höchsten Konzentration des zu untersuchenden Stoffs angegeben.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    optoelektronische Vorrichtung
    11
    Array
    12
    Emitterelement
    13
    Array
    14
    Time-of-Flight-Detektorelement
    15
    integrierter Schaltkreis
    16
    Kameraobjektiv
    17
    Probe
    18
    Pfeil
    19
    Pfeil
    20
    CMOS-Detektorpixel
    21
    Photodiode
    22
    Kondensator
    23
    Kondensator
    24
    Schalter
    25
    Schalter
    26
    Schalter
    27
    Knoten
    28
    Zeitraum

Claims (11)

  1. Optoelektronische Vorrichtung (10), aufweisend: eine Anordnung (11) mit mehreren Emitterelementen (12), die dazu ausgebildet sind, nacheinander Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche auszusenden, eine Anordnung (13) mit mehreren Time-of-Flight-Detektorelementen (14), die dazu ausgebildet sind, das von den Emitterelementen (12) ausgesandte und an einer Probe (17) reflektierte Licht zu detektieren und eine Messung zur Bestimmung des Abstands des Reflexionspunkts des Lichts an der Probe (17) von dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement (14) durchzuführen, und eine Auswerteeinheit (15), die dazu ausgebildet ist, für jeden von den Emitterelementen (12) ausgesandten Wellenlängenbereich anhand des vor den Time-of-Flight-Detektorelementen (14) detektierten Lichts und des Abstands des Reflexionspunkts des Lichts von dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement (14) ein dreidimensionales Bild der Probe (17) zu erzeugen und aus den Bildern die Verteilung eines Stoffs in der Probe (17) zu ermitteln.
  2. Optoelektronische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei in einer Speichereinheit zumindest ein Teil des Absorptionsspektrums des Stoffs abgelegt ist und die Auswerteeinheit (15) dazu ausgebildet ist, aus den Bildern anhand des zumindest einen Teils des Absorptionsspektrums die Verteilung des Stoffs in der Probe (17) zu ermitteln.
  3. Optoelektronische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anordnung (11) mit den mehreren Emitterelementen (12) in einer ersten Kavität angeordnet ist und die Anordnung (13) mit den mehreren Time-of-Flight-Detektorelementen (14) in einer zweiten Kavität angeordnet ist.
  4. Optoelektronische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuereinheit (15) zur Steuerung der Emitterelemente (12) und der Time-of-Flight-Detektorelemente (14).
  5. Optoelektronische Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die Auswerteeinheit und die Steuereinheit in ein gemeinsames Bauelement (15) integriert sind.
  6. Optoelektronische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das von den Emitterelementen (12) nacheinander ausgesandte Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche Licht aus dem nahinfraroten Spektralbereich umfasst.
  7. Optoelektronische Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine optische Linse (16) vor den Time-of-Flight-Detektorelementen (14) angeordnet ist.
  8. Verfahren zur Ermittlung der Verteilung eines Stoffs in einer Probe (17), wobei Emitterelemente (12) einer Anordnung (11) mit mehreren Emitterelementen (12) nacheinander Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche aussenden, das von den Emitterelementen (12) ausgesandte Licht an einer Probe (17) reflektiert wird, Time-of-Flight-Detektorelemente (14) einer Anordnung (13) mit mehreren Time-of-Flight-Detektorelementen (14) das an der Probe (17) reflektierte Licht detektieren und jeweils eine Messung zur Bestimmung des Abstands des Reflexionspunkts des Lichts an der Probe (17) von dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement (14) durchführen, und für jeden von den Emitterelementen (12) ausgesandten Wellenlängenbereich anhand des vor den Time-of-Flight-Detektorelementen (14) detektierten Lichts und des Abstands des Reflexionspunkts des Lichts von dem jeweiligen Time-of-Flight-Detektorelement (14) ein dreidimensionales Bild der Probe (17) erzeugt und aus den Bildern die Verteilung eines Stoffs in der Probe (17) ermittelt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zumindest ein Teil des Absorptionsspektrums des Stoffs vorliegt und aus den Bildern anhand des zumindest einen Teils des Absorptionsspektrums die Verteilung des Stoffs in der Probe (17) ermittelt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das von den Emitterelementen (12) nacheinander ausgesandte Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche Licht aus dem nahinfraroten Spektralbereich umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mindestens eine optische Linse (16) vor den Time-of-Flight-Detektorelementen (14) angeordnet ist.
DE102020202823.0A 2020-03-05 2020-03-05 Optoelektronische vorrichtung und verfahren zur ermittlung der verteilung eines stoffs in einer probe Withdrawn DE102020202823A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020202823.0A DE102020202823A1 (de) 2020-03-05 2020-03-05 Optoelektronische vorrichtung und verfahren zur ermittlung der verteilung eines stoffs in einer probe
EP21706565.5A EP4115165A1 (de) 2020-03-05 2021-02-18 Optoelektronische vorrichtung und verfahren
US17/908,960 US20230096718A1 (en) 2020-03-05 2021-02-18 Optoelectronic device and method
PCT/EP2021/054007 WO2021175607A1 (de) 2020-03-05 2021-02-18 Optoelektronische vorrichtung und verfahren
CN202180018624.4A CN115244385A (zh) 2020-03-05 2021-02-18 光电设备和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020202823.0A DE102020202823A1 (de) 2020-03-05 2020-03-05 Optoelektronische vorrichtung und verfahren zur ermittlung der verteilung eines stoffs in einer probe

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020202823A1 true DE102020202823A1 (de) 2021-09-09

Family

ID=74668862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020202823.0A Withdrawn DE102020202823A1 (de) 2020-03-05 2020-03-05 Optoelektronische vorrichtung und verfahren zur ermittlung der verteilung eines stoffs in einer probe

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230096718A1 (de)
EP (1) EP4115165A1 (de)
CN (1) CN115244385A (de)
DE (1) DE102020202823A1 (de)
WO (1) WO2021175607A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110101239A1 (en) 2008-05-08 2011-05-05 Iain Woodhouse Remote sensing system
US20180153410A1 (en) 2012-12-31 2018-06-07 Omni Medsci, Inc. Near-infrared lasers for non-invasive monitoring of glucose, ketones, hba1c, and other blood constituents
DE112017001112T5 (de) 2016-03-03 2018-11-29 4D Intellectual Properties, Llc Verfahren und Vorrichtung für eine aktiv gepulste 4D-Kamera zur Bildaufnahme und -analyse

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2931587B1 (fr) * 2008-05-21 2011-05-13 Commissariat Energie Atomique Procede de realisation d'un dispositif optique a composants optoelectroniques integres
DE102014002514B4 (de) * 2014-02-21 2015-10-29 Universität Stuttgart Vorrichtung und Verfahren zur multi- oder hyperspektralen Bildgebung und / oder zur Distanz- und / oder 2-D oder 3-D Profilmessung eines Objekts mittels Spektrometrie
DE102016000415A1 (de) * 2016-01-19 2017-07-20 DüRR DENTAL AG Vorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen einer Oberflächenstruktur
US10295657B2 (en) * 2016-08-29 2019-05-21 Ams Sensors Singapore Pte. Ltd. Time of flight-based systems operable for ambient light and distance or proximity measurements
US10924692B2 (en) * 2018-05-08 2021-02-16 Microsoft Technology Licensing, Llc Depth and multi-spectral camera
US20210263155A1 (en) * 2018-06-18 2021-08-26 Dot9 Inc Apparatus and method for optical sensing using an optoelectronic device and optoelectronic device arrays

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110101239A1 (en) 2008-05-08 2011-05-05 Iain Woodhouse Remote sensing system
US20180153410A1 (en) 2012-12-31 2018-06-07 Omni Medsci, Inc. Near-infrared lasers for non-invasive monitoring of glucose, ketones, hba1c, and other blood constituents
DE112017001112T5 (de) 2016-03-03 2018-11-29 4D Intellectual Properties, Llc Verfahren und Vorrichtung für eine aktiv gepulste 4D-Kamera zur Bildaufnahme und -analyse

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NEVALAINEN, Olli et al.: Fast and nondestructive method for leaf level chlorophyll estimation using hyperspectral LiDAR. In: Agricultural and Forest Meteorology, 198 - 199, 2014, S. 250 - 258.

Also Published As

Publication number Publication date
CN115244385A (zh) 2022-10-25
US20230096718A1 (en) 2023-03-30
WO2021175607A1 (de) 2021-09-10
EP4115165A1 (de) 2023-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3168641B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur optischen distanzmessung
DE112020001783T5 (de) Flugzeitsensor
DE102016221049A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Empfangen eines reflektierten Lichtpulses in einem Lidar-System
DE102018120141A1 (de) Erfassen von Licht mit einer Vielzahl von Lawinenphotodiodenelementen
WO2007107408A1 (de) Vorrichtung zur optischen distanzmessung sowie verfahren zum betrieb einer solchen vorrichtung
DE102008029459A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung
DE212017000247U1 (de) LiDAR-Vorrichtung
EP3111161B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum optischen bestimmen eines abstandes
EP2070058A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur optischen untersuchung von wertdocumenten
WO2018033446A1 (de) Optische vorrichtung
DE102018126522A1 (de) Laufzeitbasierte Entfernungsmessung unter Verwendung von modulierten Pulsfolgen von Laserpulsen
DE102015004163B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls
DE102020202823A1 (de) Optoelektronische vorrichtung und verfahren zur ermittlung der verteilung eines stoffs in einer probe
DE102020209820A1 (de) Optische testvorrichtung und verfahren zur testen eines optischen messinstruments
EP3786573A1 (de) Optische koordinaten-messvorrichtung und verfahren zum betreiben einer solchen vorrichtung
EP3789794A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur distanzmessung
EP3910547B1 (de) Erfassung von bewegten objekten
DE10156282B4 (de) Entfernungsbildsensor
EP2851704B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum optischen Bestimmen von Abständen zu Objekten in einem Überwachungsbereich
DE10149423B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Entfernungen in optisch trüben Medien
DE112015007099T5 (de) Verfahren zur messung eines lichtdämpfungsgrads und system zur lichtintensitätsmessung
DE102020119620B4 (de) Verfahren und Vorrichtungen zur Reduzierung von Augensicherheitsmindestabständen in Verbindung mit Beleuchtungslaserstrahlung
DE102013213285A1 (de) Bestimmung eines Abstands und eines Winkels in Bezug auf eine Ebene mittels mehrerer Entfernungsmessungen
DE112022002689T5 (de) Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Bildes
DE102016105869A1 (de) Herzfrequenzsensor

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R082 Change of representative

Representative=s name: SCHEELE JAEGER WETZEL PATENTANWAELTE PARTNERSC, DE

Representative=s name: ZACCO PATENTANWALTS- UND RECHTSANWALTSGESELLSC, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: SCHEELE JAEGER WETZEL PATENTANWAELTE PARTNERSC, DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee