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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Analyseeinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung.
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Stand der Technik
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Bei der Anwendung bekannter sowie miniaturisierter Spektrometer basieren viele dieser auf der Nutzung spektraler Filter. Fabry-Perot Interferometer (FPI) können dabei durchstimmbare spektrale Filter mit der Möglichkeit der Miniaturisierung bieten, was auch durch MEMS-Technologie realisierbar ist. Andererseits sind aber auch andere spektrale Elemente oder Spektrometer, beispielsweise Fourier-Transformations-Spektrometer oder Spektrometer basierend auf einer Mehrzahl von optischen Filterelementen denkbar. Derzeitige Anwendungen von portablen (Handheld) Spektrometern sind dazu ausgelegt in Kontakt zu messen. Mit anderen Worten wird dann das Spektrometer direkt auf die Probe aufgelegt. Dies kann jedoch bei bestimmten Arten von Proben zu Problemen wie etwa zu Verschmutzung des Sensors (fettige Cremes oder Fleisch etc.) oder Kontamination des Sensors führen (toxische Proben). Für den Fall, dass mit Abstand gemessen wird, bewirken bereits kleinste Positionsänderungen des Nutzers eine Veränderung der an dem Spektrometer ankommenden Lichtintensität. Nach aktuellem Stand der Technik dauern spektroskopische Messungen mit Handheldgeräten typischerweise zwischen einigen hundert Millisekunden und einigen Sekunden. Dies kann durch typische Bewegungen des Nutzers (wenn er das Spektrometer frei in seiner Hand hält) das aufgenommene Spektrum meist für die chemometrische Auswertung zu stark verändern.
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Eine naheliegende Möglichkeit um die Veränderung im Messsignal durch eine Positionsänderung zu umgehen oder zu verringern ist es, statt einem einzelnen langsamen Scan, viele schnelle einzelne Scans durchzuführen. Die einzelnen Scans müssen hierbei so schnell sein (<< 10 ms), so dass während eines Scans nicht von einer signifikanten Bewegung ausgegangen werden kann. Die vielen einzelnen Spektren werden dann gemittelt, so dass das gewünschte Signal/Rausch-Verhältnis erreicht wird. Typische FPI-MEMS können dazu allerdings eine zu hohe Dämpfung aufweisen, was eine geringe Effektivität dieser bei vielen schnellen Scans bewirken kann.
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In der
US 8,848,196 wird ein resonantes Betreiben eines Fabry-Perot-Interferometers beschrieben, wobei viele Spektren gemittelt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Spektrometereinrichtung nach Anspruch 1, eine optische Analyseeinrichtung nach Anspruch 8 und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung nach Anspruch 10.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine optische Analyseeinrichtung, eine Spektrometereinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser anzugeben, wobei eine spektroskopische Messung oder Analyse bei einem Abstand zwischen Spektrometer und Probe durchführbar ist und der Abstand sowie eine Änderung des Abstands im Messsignal kompensierbar ist.
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Erfindungsgemäß umfasst die Spektrometereinrichtung einen ersten Detektionspfad, in welchem eine Spektraleinheit und eine erste Detektoreinheit angeordnet sind, wobei die Spektraleinheit zwischen der Probe und der ersten Detektoreinheit angeordnet ist und die erste Detektoreinheit dazu eingerichtet ist, ein von einer Probe reflektiertes Licht zu detektieren; einen zweiten Detektionspfad, in welchem eine zweite Detektoreinheit angeordnet ist, welche dazu eingerichtet ist ein von der Probe reflektiertes Licht zu detektieren; und eine Auswerteeinrichtung, welche mit der ersten Detektoreinheit und mit der zweiten Detektoreinheit verbunden ist, und welche dazu eingerichtet ist in einem ersten Detektionssignal von der ersten Detektoreinheit und in einem zweiten Detektionssignal von der zweiten Detektoreinheit eine Signalschwankung aus einer Abstandsvariation zwischen der Probe und der Spektrometereinrichtung zu erkennen und bei einer Auswertung das erste Detektionssignal zu korrigieren.
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Durch die Berücksichtigung des Abstands sowie der Abstandsvariation kann eine Änderung im Messsignal vorteilhaft ausgeglichen werden und das Messen bei Abstand durchgeführt werden und die Änderung des Abstands sowie eine Signalverfälschung weitestgehend kompensiert werden. Gegenüber einer Messmethode mit vielen (typischerweise in Resonanz durchgeführten) kurzzeitigen Scans kann hierbei vermieden werden, dass am Rand des spektralen Bereichs die Integrationszeiten deutlich länger sein können als im mittleren Bereich, was zu unterschiedlich gutem Signal-Rausch-Verhältnissen führen kann.
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Des Weiteren ist die Messung unabhängig davon, dass beim resonanten Betreiben dieses zu höheren Anforderungen an das MEMS und Elektronik führen kann, z.B. bedingt der resonante Betrieb typischerweise die Notwendigkeit der Rückmessung der Bewegung was den Aufwand für die Elektronik drastisch erhöhen kann.
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Es kann hierbei insbesondere anstatt einer Distanz zwischen der Probe und der Spektrometereinrichtung eine Änderung einer Intensität ermittelt werden.
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Die Spektraleinheit kann eine Vorrichtung umfassen, mit welcher ein Spektrum der von der Probe reflektierten Strahlung erzeugbar ist. Daraus kann eine Intensitätsverteilung über die Wellenlängen ermittelt werden. Der Spektraleinheit vorangestellt kann eine Optik sein, um das von der Probe reflektierte Licht besser auf die Spektraleinheit lenken zu können. Diese Optik kann eine gewisse Apertur aufweisen.
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Wenn die erste Detektoreinheit ein Signal erzeugt, kann dies vorteilhaft dann erfolgen, wenn ein Licht bestimmter Wellenlänge von der Spektraleinheit zur Detektoreinheit transmittiert wird.
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So kann die Detektoreinheit vorteilhaft nur dann ein Signal detektieren, wenn das durch die Spektraleinheit transmittierte und somit auf einen bestimmten Wellenlängenbereich eingeschränkte Licht (etwa auf einen kleinen Wellenlängenbereich, z.B. 1040-1050nm) im Detektionsbereich der Detektoreinheit liegt, dieser kann ein größerer, aber auch eingeschränkter Wellenlängenbereich sein, z.B. 950-1650nm.
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Die Probe befindet sich vorzugsweise in einem bestimmten Ruheabstand von der Spektrometereinrichtung, mit anderen Worten von einer Vorderseite eines Gehäuses der Spektrometereinrichtung oder von der Optik oder von der Spektraleinheit, je nach Definition. Während der Aufnahme des Spektrums kann der Abstand variieren und die vom Spektralelement eingefangene Lichtintensität schwanken, somit auch das Signal an der ersten Detektoreinheit. Die optische Analyseeinrichtung oder zumindest die Spektrometereinrichtung kann in einem mobilen Gerät umfasst sein. Der zweite Detektionspfad kann im Prinzip genau wie der erste Detektionspfad aufgebaut sein, jedoch ohne Spektralelement. Der zweite Detektionspfad kann unmittelbar neben dem ersten Detektionspfad angeordnet sein, oder sogar in diesen integriert sein, also zwei Detektionseinheiten nebeneinander wobei eine an der Spektraleinheit vorbei bestrahlt werden kann.
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Somit kann durch die optische Analyseeinrichtung eine Methode geboten sein, mit der aus einem oder mehreren Sensorsignalen die Abstandsänderung der Probe zur Apertur der Spektrometereinrichtung (Mikrospektrometermodul) bestimmt werden kann (z.B. über die Änderung der Intensität bei Abstandsvariation). Es wird hierbei eine Möglichkeit gegeben, zur Nutzung zusätzlicher Sensoren. Im Sinne der Erfindung kann mit diesen Sensoren (zweiter Detektionspfad), oder zumindest einem davon, eine Erfassung des Abstands zwischen der Spektrometereinrichtung und (einem Sichtfeld (FOV) des Spektrometers auf) der Probe erfolgen, während eines Scan-Vorgangs (Erzeugung eines Spektrums) bei der Verwendung eines spektralen Elements (vorzugsweise in einem Mobiltelefon/Smartphone).
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Bei großflächigen Zielen (Proben), für welche die Nutzung der optischen Analyseeinrichtung ausgelegt sein kann, hängt die detektierte Lichtleistung (Idet) quadratisch vom Abstand ab, wobei gelten kann, dass Idet = IdetO r02/r2 . Hierbei stellen IdetO eine detektierte Lichtleistung in Ruhelage und r0 den Abstand in der Ruhelage zwischen der Probe und der Spektrometereinrichtung dar. Der variierte Abstand wird dabei mit r bezeichnet.
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So können etwa kleine Änderungen des Abstands, z.B. 0,2 mm, bei einem Abstand von 1 cm (2%) schon zu einer Intensitätsänderung von ca. 4 % im Signal führen. Bei Spektren mit schwach ausgeprägten Charakteristika (< wenige % zwischen maximalem und minimalem Signal) kann eine solche Änderung schon zu Fehlinterpretationen des Spektrums führen. Daher ist es äußerst wichtig, den relativen Abstand oder seinen Einfluss der Änderung auf das Signal möglichst genau zu kennen.
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Die Spektrometereinrichtung, oder Detektoreinheiten können als klein bauendes und kostengünstiges Modul bereitgestellt werden und etwa in einem Mobiltelefon oder einem tragbaren (oder einen stationären) Gerät verbaut sein. Das Modul kann weitere Elektronik- und Aufbau und Verbindungstechnik umfassen.
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Der zweite Detektionspfad kann mit dessen zweiter Detektoreinheit derart ausgelegt sein, dass dieser eine Intensität eines von der Probe reflektierten Lichts oder direkt den Abstand zur Probe messen kann (oder Änderungen von Intensität und/oder Abstand). Dazu kann im zweiten Detektionspfad auch eine separate Lichtquelle vorhanden sein. Mit dem Messverhalten an dem zweiten Detektionspfad kann somit eine Möglichkeit gegeben sein, um mit dem Signal des zweiten Detektionspfads (Abstandsmesskanals/Referenzkanal), Änderungen des Signals dieses zweiten Detektionspfads, die von einer Änderung des Abstandes zwischen der Spektrometereinrichtung (Mikrospektrometermodul) und der Probe herrühren können, zu korrigieren bzw. das Originalspektrum zurückrechnen zu können, welches sich ohne Verfälschung von der Abstandsvariation ergeben würde. Da der zweite Detektionspfad kein Spektrum zu analysieren braucht, kann in diesem als zweite Detektoreinheit eine kostengünstige Komponente verbaut werden als im ersten Detektionspfad. Die zweite Detektoreinheit kann beispielsweise einen Si (Silizium)-Detektor umfassen und die erste Detektoreinheit kann einen teureren InGaAs (IndiumGalliumArsenid)-Detektor umfassen.
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Die Spektrometereinrichtung kann selbst auch ein Beleuchtungsmodul sowie dazugehörige Optik-, Elektronik- und Packagingkomponenten umfassen. Die Optik kann Linsen oder Filter umfassen und an zumindest einem der Detektionspfade angeordnet sein. Andererseits kann das Beleuchtungsmodul auch separat angeordnet sein und zusammen mit der Spektrometereinrichtung eine optische Analyseeinrichtung bilden.
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Jeder Detektionspfad kann einen Kanal im Gehäuse bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung ist diese als ein Mikrospektrometermodul ausgeformt.
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Die Spektrometereinrichtung kann als ein mikroelektromechanisches Bauteil (MEMS) ausgeführt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung ist diese in einem Mobiltelefon oder einer mobilen Computereinrichtung verbaut.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst die Spektraleinheit ein Fabry-Perot-Interferometer.
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Das Fabry-Perot-Interferometer kann durchstimmbar sein, mit anderen Worten kann ein Spiegelabstand der Fabry-Perot-Spiegel verändert werden und somit die zu transmittierende Wellenlänge verändert werden. Damit kann beeinflusst werden, welche Wellenlänge zur Detektoreinheit transmittiert werden kann. Über mehrere Wellenlängen kann so ein Spektrum des von der Probe reflektierten Lichts aufgenommen (erzeugt) werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, das Signal von der ersten Detektoreinheit in Abhängigkeit der Wellenlänge des von der Probe reflektierten Lichts chemometrisch zu analysieren.
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Dies kann durch vorgespeicherte Daten oder durch einen Zugriff auf eine externe Datenbank erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst der erste Detektionspfad und/oder der zweite Detektionspfad zumindest ein optisches Element zur Wellenlängeneinschränkung und/oder zumindest ein winkeleinschränkendes Element für ein einfallendes Licht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Spektrometereinrichtung umfasst das optische Element zur Wellenlängeneinschränkung einen Bandpass- oder Kantenfilter und das winkeleinschränkende Element eine oder mehrere Blenden.
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Diese Elemente können jeweils im Detektionspfad über der Detektionseinheit angeordnet sein.
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Vorzugsweise haben (oder sehen) die beide Detektionspfade das gleiche Sichtfeld auf der Probe (field-of-view FOV), mit anderen Worten detektieren sie den gleichen Bereich der Probe. Dies lässt sich beispielsweise durch eine möglichst ähnliche Optik (Elemente zur Winkeleinschränkung) erreichen. Mittels passend gewählter Bandpass-/Kantenfiltern kann der im zweiten Detektionspfad gemessene Wellenlängenbereich möglichst passend (gleich) zu dem ersten Detektionspfad eingestellt werden.
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Somit kann vorzugsweise einer oder beide Detektionspfade ein oder mehrere optische Elementen zur Wellenlängeneinschränkung, beispielsweise Bandpass- und/oder Kantenfilter umfassen und zur Winkeleinschränkung, beispielsweise eine oder mehrere Blenden und/oder andere winkeleinschränkende Elemente umfassen. Die erste Detektoreinheit kann einen oder mehrere Detektoren aus InGaAs, Si, Ge on Si (Germanium auf Silizium), PbS (BleiSchwefel), PbSe (BleiSelen) oder weiteres umfassen.
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Der zweite Detektionspfad kann ein oder mehrere optische Elemente zur Wellenlängeneinschränkung (bspw. Bandpass- oder Kantenfilter) und zur Winkeleinschränkung (bspw. eine oder mehrere Blenden bzw. andere winkeleinschränkende Elemente) sowie mindestens einen Detektor (z.B. InGaAs, Si, Ge on Si, PbS, PbSe etc.) aufweisen. Die zweite Detektoreinheit kann somit billiger ausgeführt werden als die erste Detektoreinheit.
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Es sind auch Ausprägungsformen denkbar, bei denen der zweite Detektionspfad zumindest teilweise in den ersten Detektionspfad integriert ist. So können beispielsweise die gleiche Wellenlängen- und Winkeleinschränkung (Elemente dazu) genutzt werden (etwa nur an einem der beiden Detekionspfade angebracht aber auf beide wirkend) und die Signale werden erst danach getrennt detektiert. Es sind auch Ausprägungsformen mit mehreren Bandpassfiltern über mehren Si-Detektoren beim zweiten Detektionspfad denkbar. Somit kann auch der zweite Detektionspfad eine eingeschränkte Wellenlängenfunktionalität haben und kann trotzdem zur Abstandskorrektur genutzt werden.
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Es ist auch eine Ausprägungsform mit mehreren zweiten Detektionspfaden zur Intensitäts-/Abstandsmessung denkbar. Somit lässt sich auch die Verkippung der Probe zur Spektrometereinrichtung hin detektieren.
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Erfindungsgemäß umfasst die optische Analyseeinrichtung eine Beleuchtungseinrichtung, welche zumindest eine Lichtquelle umfasst, mit welcher eine Probe mit einem ersten Licht bestrahlbar ist; und eine erfindungsgemäße Spektrometereinrichtung mit welcher ein von der Probe reflektiertes Licht detektierbar ist.
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Das Beleuchten der Probe kann im Prinzip mit beliebigen Wellenlängen erfolgen. Beispielsweise kann die Lichtquelle ein Infrarotlicht, etwa im Nahinfrarotbereich (NIR) abstrahlen. Aus dem Absorptionsverhalten der Probe kann dann durch das Spektrum des reflektierten Lichts auf die chemische Zusammensetzung der Probe rückgeschlossen werden, etwa durch chemometrische Verfahren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Analyseeinrichtung umfasst diese ein Gehäuse, wobei die Beleuchtungseinrichtung und die Spektrometereinrichtung in dem Gehäuse umfasst sind.
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Durch das Gehäuse kann eine kompakte Ausführung der Analyseeinrichtung mit deren Komponenten ermöglicht werden.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen optischen Analyseeinrichtung; ein Bestrahlen einer Probe mit einem ersten Licht und Erzeugen eines Spektrums eines reflektierten Lichts von der Probe durch die Spektraleinheit, wobei ein Signal von der ersten Detektoreinheit erzeugt wird; ein Ermitteln einer Intensitätsänderung des von der Probe reflektierten Lichts aufgrund einer Abstandsvariation zwischen der Probe und der Spektrometereinrichtung durch den zweiten Detektionspfad; ein Abgleichen einer Schwankung des Signals von der ersten Detektoreinheit mit der ermittelten Intensitätsschwankung von der zweiten Detektionseinheit und Korrigieren der Schwankung des Signals von der ersten Detektoreinheit aufgrund einer Änderung des Abstands durch die Auswerteeinrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mit der Spektraleinheit und der ersten Detektoreinheit das Signal über eine bestimmte Wellenlänge oder einen bestimmten Wellenlängenbereich erzeugt.
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Die optische Analyseeinrichtung kann sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren und der Spektrometereinrichtung genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer optischen Analyseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 3a - e eine Abfolge von Signalmessungen und Signalkorrekturen in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Analyseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die optische Analyseeinrichtung 10 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung BE, welche zumindest eine Lichtquelle LQ umfasst, mit welcher eine Probe P mit einem ersten Licht L bestrahlbar ist und eine erfindungsgemäße Spektrometereinrichtung 1, mit welcher ein von der Probe reflektiertes Licht detektierbar ist.
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Die optische Analyseeinrichtung 10 kann dabei ein Gehäuse G umfassen, wobei die Beleuchtungseinrichtung BE und die Spektrometereinrichtung 1 in dem Gehäuse G umfasst sein können.
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Dabei kann die Spektrometereinrichtung einen ersten Detektionspfad D1 umfassen, in welchem eine Spektraleinheit 1 und eine erste Detektoreinheit DE1 angeordnet sind, wobei die Spektraleinheit 1 zwischen der Probe P und der ersten Detektoreinheit DE1 angeordnet ist und die erste Detektoreinheit DE1 dazu eingerichtet ist, ein von einer Probe P reflektiertes Licht zu detektieren; und kann einen zweiten Detektionspfad D2 umfassen, in welchem eine zweite Detektoreinheit DE2 angeordnet ist, welche dazu eingerichtet ist ein von der Probe P reflektiertes Licht zu detektieren; und eine Auswerteeinrichtung AE umfassen, welche mit der ersten Detektoreinheit DE1 und mit der zweiten Detektoreinheit DE2 verbunden ist, und welche dazu eingerichtet ist in einem ersten Detektionssignal von der ersten Detektoreinheit DE1 und in einem zweiten Detektionssignal von der zweiten Detektoreinheit DE2 eine Signalschwankung aus einer Abstandsvariation (Änderung eines Anstands d während der Messung) zwischen der Probe P und der Spektrometereinrichtung 1 zu erkennen und bei einer Auswertung das erste Detektionssignal zu korrigieren.
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Die Spektraleinheit 1 kann ein Fabry-Perot-Interferometer umfassen.
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2 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen optischen Analyseeinrichtung; ein Bestrahlen S2a einer Probe mit einem ersten Licht und Erzeugen S2b eines Spektrums eines reflektierten Lichts von der Probe durch die Spektraleinheit, wobei ein Signal von der ersten Detektoreinheit erzeugt wird; ein Ermitteln S3 einer Intensitätsänderung des von der Probe reflektierten Lichts aufgrund einer Abstandsvariation zwischen der Probe und der Spektrometereinrichtung durch den zweiten Detektionspfad; ein Abgleichen S4a einer Schwankung des Signals von der ersten Detektoreinheit mit der ermittelten Intensitätsschwankung von der zweiten Detektionseinheit und Korrigieren S4b der Schwankung des Signals von der ersten Detektoreinheit aufgrund einer Änderung des Abstands durch die Auswerteeinrichtung.
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3a - e zeigt eine Abfolge von Signalmessungen und Signalkorrekturen in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Der erfindungsgemäß angewendete Algorithmus zur Signalkorrektur stellt sich bevorzugt wie folgt dar und kann in eine dem Stand der Technik entsprechende Vorgehensweise integriert werden und diese ergänzen.
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Innerhalb einer festgelegten Messzeit t (bspw. 100ms = 0.1s) kann die Spektraleinheit (der durchstimmbare Filter) von einer ersten Wellenlänge (z.B. 1100nm) bis zu einer zweiten Wellenlänge (z.B. 1700nm) durchgefahren werden. Während dieser Zeit wird das Signal der Detektoreinheit aufgezeichnet (3c). Parallel dazu wird nun gemäß dieser Erfindung zeitsynchron ein weiteres Sensorsignal ermittelt und aufgezeichnet (3b, 3d). Da dieses zweite Signal nicht durch das spektrale Element beeinflusst wird, enthält dieses lediglich die Information über das gesamte reflektierte Licht der Probe. Aus diesem zweiten Signal wird nun ein Korrektursignal zur Korrektur der Bewegungsartefakte für das Detektorsignal gebildet. Im einfachsten Fall besteht die Berechnung aus dem Bilden des Kehrwerts des zweiten Signals. Hierbei können jedoch auch deutlich komplexere, z.B. auf sensorspezifischen, ggf. maschinell erlernten Modellen basierte Funktionen verwendet werden. Das Korrektursignal kann nun für jeden Zeitpunkt mit dem Detektorsignal multipliziert werden. Daraus ergibt sich schließlich das korrigierte Spektrum mit den Charakteristika des idealen Spektrums ohne Bewegungsartefakte.
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Die 3a bis 3e zeigen jeweils einen Zeitabschnitt t von 0 bis 0.1 s.
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Gemäß dem Verfahren kann durch die Detektoreinheit und weiterhin durch die Auswerteeinrichtung ein Spektrum bzgl. der Abstandsvariation korrigiert werden.
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3a zeigt das ideale Spektrum der Probe, wie es z.B. unter idealen, unbewegten Bedingungen aufgezeichnet werden könnte. Ziel dieser Erfindung ist es, diesem Spektrum möglichst nahe zu kommen. Die Messung erfolgt im gewählten Beispiel über den Zeitraum von 0-100 Millisekunden. Da im gleichen Zeitraum auch die Wellenlänge des spektralen Elements bevorzugt linear durchgestimmt wird, kann diese Zeit auch jederzeit in eine Wellenlänge umgerechnet werden, z.B. entspricht die Zeit t=0s einer ersten Wellenlänge von 1100 nm und t=100ms einer zweiten Wellenlänge von 1700nm, was ebenso auch in den anderen 3b - 3e der Fall ist. Die Signalstärke kann einer normalisierten zurückgestreuten Intensität entsprechen und beispielsweise mit einer bekannten Probe, z.B. einem Spektralon, kalibriert werden. Der Anfangswert Ordinate von 0.6 entspricht einer Reflektivität R der Oberfläche von 60%, also. 60% des auftreffenden Lichts werden in diesem Fall diffus zurück gestreut. Die gesuchte Information zur Oberfläche steckt typischerweise in den kleinen Schwankungen von wenigen % oder sogar kleiner (hier ca. +-1%) um den Mittelwert.
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In der 3b wird eine zufällige Bewegung der Probe während der Messung gezeigt, ebenfalls über den gleichen Zeit/Wellenlängenbereich wie in der 3a. Diese Bewegung ist wie das ideale Spektrum oben nicht erfassbar sondern ist hier nur als Beispiel für einen typische Bewegung angegeben. Die Ordinate stellt in der Abbildung den Abstand zur Probe in Millimetern dar.
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In der 3c wird das Spektrum über den Zeit-/Wellenlängebereich der 3a gezeigt, so wie die erste Detektoreinheit dieses aufnimmt. Die gestrichelte Kurve zeigt dazu das ideale Spektrum aus der 3a. Die durchgezogene Kurve der 3c ist das Rohsignal der ersten Detektoreinheit während der Bewegung. Es zeigt sich deutlich, dass die Charakteristika des Materialspektrums (3a) durch die Bewegung (3b) verfälscht werden können. Die Ordinate beschreibt wieder die Reflektivität der Oberfläche von ca. 0.6, d.h. 60%.
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In der 3d wird ein normalisiertes, d.h. einheitenloses Signal der zweiten Detektoreinrichtung gezeigt. Dieses Signal ist das Messsignal aus dem zweiten Detektionspfad.
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Im einfachsten Fall kann der Kehrwert dieses Signals zeitsynchron mit dem Messsignal aus dem ersten Detektionspfad multipliziert werden um die Bewegung zu korrigieren. Idealerweise kann auch eine optimierte Funktion, basierend auf maschinellem Lernen oder anderen Algorithmen zum Einsatz kommen.
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In der 3e wird ein korrigiertes Spektrum im Vergleich zum idealen Spektrum (gestrichelte Linie) der 3a gezeigt, wiederum über dieselben Zeiten/Wellenlängen. Algorithmisch bildet sich dieses Spektrum aus dem Messsignal aus 3c sowie der Korrekturfunktion aus 3d. Das Ergebnis stimmt in diesem Fall strukturell mit der erwarteten Referenz aus der 3a überein und besitzt lediglich einen gewissen konstanten Versatz, der für die weitere chemometrische Analyse aber kaum relevant ist.
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So kann das gemessene Spektrum mittels des Referenzkanals (zweiter Detektionspfad) so korrigiert werden, dass das korrigierte Spektrum den gleichen Verlauf zeigt, wie das originale Spektrum.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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